Ohne zuverlässige Kältetechnik ist moderne Lebensmittelproduktion nicht denkbar. Mikrobiologische Stabilität, sensorische Qualität und gesetzlich vorgeschriebene Kühlketten hängen unmittelbar davon ab, wie präzise und kontinuierlich Temperaturen kontrolliert werden. Die Kältetechnik umfasst dabei weit mehr als das klassische Kompressionskühlsystem: Je nach Produkt, Prozessstufe und gefordertem Temperaturniveau kommen grundlegend verschiedene Verfahren zum Einsatz, die jeweils spezifische Anforderungen an Anlagentechnik, Kältemittel, Hygienic Design und Energiemanagement stellen.
Der vorliegende Artikel erläutert die thermodynamischen Grundlagen, stellt die wichtigsten Verfahrensprinzipien gegenüber und benennt die praxisrelevanten Auswahlkriterien für Planer und Betreiber in der Lebensmittel- und Getränkeindustrie.
Thermodynamische Grundlagen: Wärme entziehen, Enthalpie nutzen
Kältetechnik basiert auf dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik: Wärme fließt spontan stets von höherem zu niedrigerem Temperaturniveau. Um einem Lebensmittel oder einem Raum Wärme zu entziehen und diese auf einem höheren Temperaturniveau abzuführen, ist Arbeitsenergie erforderlich. Der zentrale Leistungsparameter einer Kälteanlage ist daher die Kälteleistungszahl, englisch Coefficient of Performance (COP): Sie gibt an, welche Kälteleistung pro eingesetzter Antriebsenergie erreicht wird. Je höher der COP, desto energieeffizienter arbeitet das System. In der Lebensmittelproduktion sind COP-Werte zwischen 2 und 5 üblich, abhängig von Temperaturspreizung, Kältemittel und Systemkonfiguration.
Das Kältemittel ist der thermodynamische Wirkstoff, der Wärme durch Phasenwechsel – Verdampfen und Kondensieren – transportiert. Für die Lebensmittelindustrie sind neben dem Globalerwärmungspotenzial (GWP) auch Toxizität, Entflammbarkeit und Kompatibilität mit Hygienic-Design-Anforderungen maßgebliche Auswahlparameter. Natürliche Kältemittel wie Ammoniak (R717), Kohlendioxid (R744) und Kohlenwasserstoffe (R290, R600a) gewinnen angesichts der F-Gase-Verordnung und verschärfter Klimaschutzziele erheblich an Bedeutung.
Kompressionskältemaschinen: Das dominierende Verfahrensprinzip
Der mit Abstand verbreitetste Kältemaschinentypus in der Lebensmittelindustrie ist die Kompressionskältemaschine. Sie durchläuft vier Prozessschritte: Verdampfung (Wärmeaufnahme aus dem Kühlgut), Verdichtung (Druckerhöhung durch Kompressor), Kondensation (Wärmeabgabe an die Umgebung) und Expansion (Druckabsenkung durch Expansionsventil). Hubkolben-, Schrauben- und Scrollverdichter decken dabei unterschiedliche Leistungsklassen und Temperaturbereiche ab.
Für tiefe Temperaturen unter minus 30 Grad Celsius – etwa bei der Tiefkühllagerung oder beim Schockfrosten – werden häufig zweistufige Kaskadensysteme eingesetzt. Dabei arbeitet eine Hochtemperaturstufe mit CO₂ oder einem fluorhaltigen Kältemittel, während die Tieftemperaturstufe mit Ammoniak oder ebenfalls CO₂ in unterkritischem oder transkritischem Betrieb arbeitet. Transkritische CO₂-Systeme sind in Kühlhäusern und in der Fleischverarbeitung bereits weit verbreitet und bieten den Vorteil des GWP-Werts von 1, also minimalem Klimaeinfluss bei Leckagen.
