Regeltechniek bij koelen voeding steeds belangrijker

Sensoren moeten voldoen aan alle hygiënische ontwerpnormen

Betrouwbare productkoeling en een ononderbroken koelketen zijn binnen de voedingsindustrie een absolute must, aangezien dit proces bijdraagt aan voedselveiligheid, het behoud van zaken als kwaliteit, textuur en vochtgehalte en – ook niet onbelangrijk − verlenging van de houdbaarheid. De belangrijkste processen om voedsel te bewaren in een koude omgeving zijn koelen, invriezen en diepvriezen, en dankzij de regeltechniek − de sensortechniek in het bijzonder − worden deze steeds betrouwbaarder.

ABSOLUTE MUST

De voedingsindustrie werkt veelal met aan bederf onderhevige grondstoffen, half- en eindproducten. Betrouwbare koeling en een ononderbroken koelketen zijn derhalve een absolute must. Van belang daarbij zijn het minimaliseren van het bederf (zie de tabel) en daarmee de voedselveiligheid, het behoud van kwaliteit, textuur en samenstelling en verlenging van de houdbaarheid.

De belangrijkste processen om voedsel te bewaren in een koude omgeving zijn koelen, in- en diepvriezen

Bepalend daarbij zijn de aard van het te koelen product en de daarvoor geëigende koeltemperatuur, de benodigde koelcapaciteit in relatie tot de beoogde dagproductie, het koelmiddel en de exploitatiekosten. De belangrijkste processen om voedsel te bewaren in een koude omgeving zijn koelen, in- en diepvriezen.

KOELEN

Afhankelijk van het type product, de relatieve vochtigheid en het soort verpakking vindt koelen plaats bij een temperatuur tussen de 0 en de 5 °C; de koelcapaciteit hangt nauw samen met de gehanteerde koeltechnologie.

Koelmethoden

• Cryogeen koeling vindt plaats via direct contact met vloeibare stikstof dan wel vloeibare koolstofdioxide of gedurende het proces (in mixers, mengers of malers). Een speciale vorm is koelen met droogijs, dat een sublimatiepunt heeft rond de -78 °C. Omdat sublimeren meer warmte aan de omgeving onttrekt dan smelten, is de koelcapaciteit van droogijs ruim drie keer hoger dan die van waterijs.
• Dieptekoeling: geschikt voor het bewaren van producten bij 0 °C of net daaronder. Het voordeel daarvan is dat producten (toch) direct verwerkbaar zijn omdat ze niet echt bevriezen.
• Dompelkoeling: een effectieve methode voor het koelen/verwarmen van allerlei vloeistoffen, ook die met een hoge viscositeit. Voor deze methode mogen uitsluitend geïsoleerde, opgestelde industriële autoclaafsystemen worden gebruikt.
• Snel koelen (blast cooling): hierbij wordt voedsel blootgesteld aan krachtige, koude luchtstromen om tot een snelle temperatuurverlaging te komen. Het voedsel wordt gelijkmatig gekoeld, wat voorkomt dat bepaalde bestanddelen langzamer afkoelen dan andere.
• Terugkoelen: snelle afkoeling waarbij de temperatuur binnen 90 minuten dient te worden teruggebracht van 70 °C naar 3 °C. Daarna kunnen de producten op de gebruikelijke wijze worden opgeslagen.

Een alternatief is het koelen met een chiller. Hierbij wordt mechanisch warmte onttrokken aan een medium (water, een speciale koelvloeistof of lucht). Het gekoelde medium wordt met de warmte afgevoerd waardoor de omgevingstemperatuur daalt.

Mechanisch versus cryogeen
Mechanisch koelen en vriezen is een, op de principes van thermodynamica gebaseerde, cyclische methode om effectief warmte uit een te koelen ruimte te verwijderen. Hiervoor wordt gebruik gemaakt van mechanische systemen, bijvoorbeeld compressoren en condensoren, en van koudemiddelen zoals kooldioxide of ammoniak om warmte van het ene medium (bijvoorbeeld lucht of water) te absorberen en deze vervolgens te verplaatsen naar het andere medium.

Bij cryogeen koelen en vriezen is de vriestemperatuur voor de meeste machines gemiddeld -100 °C. Uitzonderingen daarop zijn machines die gebruik maken van distikstof, in dat geval is de temperatuur (afgerond) -196 °C, dan wel van kooldioxide: in dat geval daalt de temperatuur niet verder dan -80 °C aangezien dit in vloeibare toestand op het product wordt gespoten.

Door voedsel snel te bevriezen, blijven de ijskristallen klein; grote kristallen kunnen de celstructuur beschadigen.

IN- EN DIEPVRIEZEN

Bij het in- en diepvriezen worden voedselproducten blootgesteld aan lage temperaturen: bij invriezen is dat tot -18 °C − wettelijk verplicht en commercieel gezien het meest ideaal (zie ook de tabel) − en bij diepvriezen -40 °C of lager. Doordat de hoeveelheid vrij water, de Aw-waarde, daalt, wordt de activiteit van de micro-organismen en enzymen vertraagd of stilgelegd. Een snel verlopend vriesproces voorkomt de vorming van grote ijskristallen en daarmee beschadiging van celmateriaal.

In principe zijn er drie typen vriezers; het werkingsprincipe daarvan berust al naargelang op mechanische of op cryogene koeling, zie kader.

Batch-vriezers

Een batch-vriezer vriest een beperkte hoeveelheid voedsel in één keer in, dit in tegenstelling tot spiraal- en tunnelvriezers (continue systemen, zie hierna). Batch-vriezers zijn op hun plaats in productieomgevingen waar flexibiliteit en de mogelijkheid om verschillende producten te verwerken van belang zijn. Hieronder vallen de:

Shock- of blastvriezer
Geschikt voor het in korte tijd bevriezen van grote partijen levensmiddelen (flash freezing): al binnen enkele minuten wordt een temperatuur bereikt van -40 °C of lager. Het koel- en vriesvermogen varieert van 20 kW tot 120 kW en de benodigde air flow is hoog.

Plaatvriezers
Horizontale of verticale platen worden gekoeld met een koudemiddel van ongeveer -40 °C. Daarop wordt een product, bijvoorbeeld ijs, rechtstreeks aangebracht in een dunne laag; eventueel worden de platen nog enigszins samengeperst. Doordat de ontwatering van het voedsel beperkt blijft, vermindert de dooifrequentie.

Spiraalvriezer

Hierbij beweegt een transportband spiraalvormig naar beneden door de vriezertunnel, waarbij het product zich op of aan een carrousel bevindt. De carrousel maakt het mogelijk een continue stroom van voedselproducten te verwerken, waarbij elk product geleidelijk wordt blootgesteld aan de koude omgeving.

Tunnelvriezer

Het werkingsprincipe hiervan is vergelijkbaar met dat van een spiraalvriezer, zij het dat de transportband zich in dit geval lineair door een tunnel beweegt waarin de producten apart worden ingevroren. Tunnelvriezers zijn ideaal voor vrijwel elk versproduct alsook voor kwetsbare voedingsmiddelen. Tot deze categorie behoren de:

Dompel- of immersionvriezer
Hierbij gaat het verpakte product direct door een bad met koudemiddel (zout- of glycolwater) dan wel met vloeibare stikstof; door het aanwezige verpakkingsmateriaal verloopt de koeling indirect. Het bevriezen zelf duurt enkele minuten. De mate van klontering is gering, en de producten plakken niet vast aan de transportband.

Impingementvriezer
Door krachtige luchtstromen wordt de warme lucht in hoog tempo van het voedseloppervlak verdreven. Dit versnelt de warmteoverdracht richting lucht waardoor het product – geschikt zijn met name dunne of losse producten − snel afkoelt en bevriest. Voorbevochtiging of vooraf verpakken van het product voorkomt uitdroging.

IQF-freezer
Hierbij gaat het om vriezers die in staat zijn elk product afzonderlijk in te vriezen, vandaar de naam IQF: Individually Quick Frozen. Deze techniek biedt verschillende voordelen ten opzichte van conventionele invriesmethoden, vooral als het gaat om de houdbaarheid.

De snel- of blast freezer ten slotte kan, afhankelijk van de bouw en het werkingsprincipe, tot alle drie de typen worden gerekend. Hierin circuleert gekoelde lucht van -30 tot -40 °C met een snelheid van 1,5 tot 6 m/s over onverpakt voedsel, in dikte variërend van 25 tot 125 mm.

Speciale vormen van koeling
Magnetische koeling: atomen van een speciale MnFePSi-legering beschikken over een magnetisch veld met 'kompasnaaldjes' waarin onder invloed van een extern magnetisch veld ordening optreedt. De overbodige kinetische energie wordt afgestoten terwijl de vrijgekomen warmte wordt afgevoerd door een passerend medium, waardoor de temperatuur daalt (deze koeltechniek is nu nog te duur).

Vacuümkoeling. In een vacuümkoeler, bestaande uit een vat/container en een ketel, zorgen vacuümpompen voor een onderdruk waarbij geldt: hoe lager de druk, hoe lager het kookpunt. Een deel van het productvocht verdampt, en de daarvoor benodigde verdampingsenergie wordt rechtstreeks aan het product onttrokken, wat resulteert in een temperatuurdaling (het product mag niet luchtdicht verpakt zijn).

SENSORTECHNOLOGIE

Bij de regeltechniek van koel- en vriesapparatuur wordt veelvuldig gebruik gemaakt van sensoren. Aangezien hygiëne bij voedselbereiding cruciaal is, worden er sensoren gebruikt die voldoen aan alle hygiënische ontwerpnormen.

Temperatuursensoren

Factoren die van belang zijn voor de juiste sensorkeuze zijn onder meer hygiëne, nauwkeurigheid, temperatuurbereik en responstijd. Thermokoppels, thermistoren − en dan met name de variant voor negatieve temperatuurcoëfficiënten (NTC) − en de contactloze infrarood (IR-)sensoren of infraroodpyrometers zijn veel in gebruik voor dit doel.

Luchtvochtigheidssensoren

Soms zijn tijdens het koelen specifieke luchtvochtigheidsniveaus noodzakelijk. Deze sensoren helpen die te creëren en te handhaven. Voorbeelden hiervan zijn: de capacitieve luchtvochtigheidssensor − meet de optredende veranderingen in de elektrische capaciteit van een condensator −, de weerstandsgebaseerde luchtvochtigheidssensor, de thermische luchtvochtigheidssensor en de optische luchtvochtigheidssensor.

Aangezien hygiëne bij voedselbereiding cruciaal is, worden sensoren gebruikt die voldoen aan alle hygiënische ontwerpnormen

Druk- en niveausensoren

Druk- en vloeistofniveaus zijn cruciaal voor een optimaal functionerend systeem. Tot de druksensoren behoren onder meer de digitale druksensor en de druktransmitters. Voorbeelden van niveausensoren zijn ultrasone niveausensoren en capacitieve niveausensoren. Laatstgenoemde meten de capaciteitsverandering tussen elektroden die in contact staan met de vloeistof.

ONDERHOUD EN INSPECTIE

Elke koelinstallatie vergt preventief onderhoud en daarnaast dienen periodieke inspecties te worden uitgevoerd conform de wettelijke voorschriften, bijvoorbeeld de lekdichtheidscontrole in het kader van de F-gassenverordening, de Europese regelgeving op het gebied van gefluoreerde broeikasgassen (HFK's).

De frequentie hiervan is afhankelijk van het type installatie, het koudemiddel en de daarvan gehanteerde hoeveelheid, en het gebruik van de installatie. De frequentie van de onderhouds- en/of inspectiebeurten is gebaseerd op het CO₂-equivalent van de koelmiddelinhoud van de installatie:

• bij 5 ton CO₂-eq.: controle een keer per 12 maanden;
• bij 50 ton CO₂-eq.: controle een keer per 6 maanden;
• bij 500 ton CO₂-eq: controle een keer per 3 maanden.

Eindverantwoordelijk voor de naleving is te allen tijde de eigenaar/beheerder van de installatie.

Met medewerking van Linde Gas Europe