Gefrier-konzentration: Warum Produkt-transport entscheidend ist

Die Gefrierkonzentration gilt als besonders schonendes Verfahren zur Aufkonzentration flüssiger Lebensmittel. Ohne thermische Belastung wird Wasser durch kontrolliertes Gefrieren entzogen, während Aromen, Vitamine und empfindliche Inhaltsstoffe in der flüssigen Phase verbleiben. In der industriellen Umsetzung zeigt sich jedoch: Nicht allein die Kristallisation bestimmt den Prozesserfolg, sondern vor allem der kontrollierte Transport des Mediums zwischen den einzelnen Verfahrensschritten.

Kristallisation ist Mittel zum Zweck

Im Unterschied zur thermischen Verdampfung erfolgt die Wasserabtrennung bei der Gefrierkonzentration durch gezielte Bildung von Eiskristallen. Bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunktes kristallisiert nahezu reines Wasser aus. Die gelösten Bestandteile verbleiben im Konzentrat.

Wesentlich ist dabei die klare Trennung zwischen Kristallisation und Aufkonzentration. Die Kristallisation beschreibt den physikalischen Vorgang der Eisbildung. Die eigentliche Aufkonzentration erfolgt erst nach der mechanischen Abtrennung der Eiskristalle, beispielsweise in Waschkolonnen oder vergleichbaren Trennstufen. Zielprodukt bleibt stets die flüssige Phase.

Da das Verfahren ohne Hitze, Vakuum oder Brüdenphase arbeitet, bleiben hochflüchtige Aromakomponenten erhalten. Gleichzeitig werden hitzeempfindliche Proteine oder Enzyme nicht denaturiert. Die sensorische Nähe zum Ausgangsprodukt ist einer der wesentlichen Gründe für den Einsatz der Gefrierkonzentration bei hochwertigen Säften, Kaffee- und Tee-Extrakten, Wein oder Milchprodukten.

Mechanische Sensibilität im Prozess

Mit zunehmender Aufkonzentration verändert sich das Strömungsverhalten des Mediums deutlich. Die Viskosität steigt, die Temperaturfenster werden enger und es entstehen empfindliche Strukturen wie Eiskristalle, Fruchtpartikel oder proteinbasierte Aggregate. Diese reagieren sensibel auf mechanische Einflüsse.

Besonders kritisch sind die Übergänge zwischen einzelnen Prozessstufen:

• das Umwälzen von Ice Slurries über Wärmetauscher,
• das Einspeisen in Waschkolonnen,
• sowie das Rückführen des Konzentrats innerhalb der Anlage.

Bereits moderate Scherkräfte, lokale Turbulenzen oder Druckspitzen können Kristalle beschädigen. Dies beeinflusst unmittelbar die Trenncharakteristik in der nachgeschalteten Stufe. Eine reduzierte Kristallstabilität kann zu veränderter Abscheideleistung und damit zu Einbußen bei Ausbeute oder Produktqualität führen.

Damit rückt der Produkttransport in den Mittelpunkt der Prozessauslegung. Die Art der Förderung entscheidet darüber, ob die Vorteile der Gefrierkonzentration tatsächlich erhalten bleiben.

Anforderungen an die Fördertechnik

Für den Transport empfindlicher Medien in der Gefrierkonzentration sind mehrere Kriterien maßgeblich:

• möglichst geringe Scherbelastung,
• gleichmäßiger, pulsationsarmer Volumenstrom,
• stabile Druckverhältnisse,
• hygienische Ausführung mit vollständiger Reinigbarkeit.

Schraubenspindelpumpen mit volumetrischer, kammerweiser Förderung erfüllen diese Anforderungen in besonderem Maße. Ein Beispiel dafür ist die GEA Hilge NOVATWIN+, die für hygienische Anwendungen mit empfindlichen Medien ausgelegt ist.

Zwei kontaktfrei rotierende Spindeln bilden geschlossene Förderkammern, in denen das Medium kontinuierlich weitertransportiert wird. Lokale Scherbelastungen werden reduziert, Druckschwankungen minimiert. Durch den breiten Drehzahlbereich lässt sich die Fördercharakteristik an unterschiedliche Produktzustände anpassen. Niedrige Drehzahlen ermöglichen eine besonders schonende Produktförderung, während höhere Drehzahlen im Reinigungsbetrieb eingesetzt werden können.

Integration von Produkt- und CIP-Betrieb

In hygienischen Anwendungen spielt die Reinigbarkeit eine zentrale Rolle. Gefrierkonzentrationsanlagen arbeiten häufig mit wechselnden Rezepturen und Produktchargen. Entsprechend sind regelmäßige und zuverlässige CIP-Prozesse erforderlich.

In der Praxis kommen hierfür häufig Schraubenspindelpumpen wie die GEA Hilge NOVATWIN+ zum Einsatz, die sowohl die schonende Produktförderung bei niedrigen Drehzahlen als auch den CIP-Rücklauf bei höheren Drehzahlen übernehmen können.

Pumpen, die sowohl die Produktförderung als auch den CIP-Rücklauf übernehmen können, reduzieren die Anzahl notwendiger Aggregate. Das vereinfacht die Anlagenarchitektur, minimiert Toträume und kann Stillstandszeiten bei Produktwechseln verkürzen.

Eine EHEDG-konforme, totraumarme Konstruktion sowie vollständige CIP- und SIP-Fähigkeit sind dabei Grundvoraussetzung. Zusätzlich erleichtern konstruktive Merkmale wie Front-Pull-Out-Konzepte Wartung und Service.

Anpassungsfähigkeit für unterschiedliche Anwendungen

Die Bandbreite möglicher Anwendungen in der Gefrierkonzentration ist groß. Fruchtsäfte mit hohem Brix-Gehalt, Kaffeeextrakte mit erhöhtem Feststoffanteil, Wein oder proteinbasierte Produkte stellen jeweils unterschiedliche Anforderungen an Viskosität, Partikelgröße und Temperaturführung.
Eine flexible Anpassung der Fördercharakteristik ist daher entscheidend. Unterschiedliche Spindelgeometrien, variierende Drehzahlen und geeignete Dichtungskonzepte ermöglichen eine präzise Auslegung auf das jeweilige Medium.

Gleichzeitig gewinnt die Ressourceneffizienz in der Anlagenplanung an Bedeutung. Eine bedarfsgerechte Dimensionierung der Fördertechnik kann Materialeinsatz und Energiebedarf reduzieren und so zur Wirtschaftlichkeit der Gesamtanlage beitragen.

Mechanik als Zukunftsfaktor

Trends wie Clean Label, pflanzenbasierte Rezepturen oder fermentative Zwischenprodukte erhöhen die Anforderungen an eine schonende mechanische Behandlung weiter. Komplexe Matrizes reagieren empfindlich auf Scherung und Druckschwankungen. Mechanische Stabilität wird zunehmend zu einem limitierenden Faktor in der Prozessauslegung.

Die Gefrierkonzentration zeigt exemplarisch, wie eng thermodynamische und mechanische Aspekte miteinander verknüpft sind. Erst wenn die Fördertechnik auf die strukturelle Sensibilität des Mediums abgestimmt ist, lässt sich das Verfahren reproduzierbar und wirtschaftlich betreiben.

Fazit

Die Gefrierkonzentration bietet erhebliche Vorteile für hochwertige Getränke und Lebensmittel. Ihre industrielle Umsetzung erfordert jedoch ein ganzheitliches Prozessverständnis. Neben der Kristallisation selbst spielt der Produkttransport eine zentrale Rolle.

Eine Fördertechnik, die Scherbelastungen minimiert, Druckverhältnisse stabil hält und hygienische Anforderungen erfüllt, trägt maßgeblich zur Prozessstabilität bei. Erst im Zusammenspiel aller Komponenten wird die Gefrierkonzentration zu einem zuverlässig beherrschbaren Verfahren.