artikel

De juiste vriestechnologie

Algemeen

Invriezen is een onderdeel van menig productieproces. De vriestechnologie ontwikkelt zich voortdurend. Maar wat is nu het meest geschikte systeem? We vergelijken drie typen vriessystemen: mechanische, cryogene en impingementvriezers. Welke specifieke eigenschappen hebben de vriezers, wat zijn de voor- en nadelen en hoe kiest een fabrikant de beste oplossing voor zijn bedrijf?

Drie belangrijke categorieën vriezers zijn de mechanische, cryogene en impingementvriezers. Klassiek mechanisch vriezen is de langst bestaande en meest gebruikte vriestechnologie. De vriezers werken met een koelmiddel (meestal ammoniak, R22) dat door het systeem circuleert, waardoor warmte aan de voedingsmiddelen wordt onttrokken.

Deze warmte wordt naar een condensor gestuurd en verspreid in lucht of water. Een verdamper zet het koelmiddel, nu als hete vloeistof onder druk, vervolgens om naar gas. Dit gas wordt met lage temperatuur en lage druk weer teruggevoerd naar het systeem. Mechanische vriezers zijn meestal eigendom van de voedingsmiddelenproducent.

Cryogene vriezers maken gebruik van vloeibare stikstof (LIN) bij zeer lage temperatuur (-196°C) of koolstofdioxide (CO2) die rechtstreeks met de voedingsmiddelen in contact worden gebracht. Dit resulteert in snelle en gelijkmatige koeling. Cryogene vriezers worden vaak gehuurd/geleast van de leverancier, die ook het cryogeen koelmiddel levert.

Mechanische impingementvriezers
Mechanische impingementvriezers zijn een ontwikkeling van de afgelopen tien jaar. Het product wordt meestal op een band geplaatst, waarlangs luchtstromen onder hoge druk worden gestuwd. De lucht wordt gecomprimeerd in een ruimte boven (en soms onder) de vriezer en via gleuven, gaten of korte buizen naar de voedingsmiddelen gevoerd. Dit proces zorgt voor een snellere invriezing dan met klassieke mechanische vriezers, doordat de grenslaag aan het oppervlak wordt doorbroken en de warmteoverdracht efficiënter verloopt. Dat kan echter alleen als het product plat is en niet hoger dan 20 mm.

Verschillende factoren
De drie technologieën hebben verschillende voordelen, nadelen en beperkingen. Het ideale systeem is afhankelijk van diverse factoren, zoals het type en de grootte van de producten, de gewenste capaciteit en de lay-out van de fabriek. De factoren die de keuze voor een vriestechnologie bepalen zijn: productkwaliteit, fabrieksbeheer, financiële overwegingen en milieufactoren.

Productkwaliteit
Alle vriesmethoden leiden tot een zeker vochtverlies. Tijdens het vriesproces zorgt verdamping voor vermindering van het gewicht en dus van de waarde van het product. Dit geldt vooral voor vlees, gevogelte en zeevruchten. Gewichtsverliezen door verdamping zorgen voor een vermindering van het thermisch geleidend vermogen van de oppervlaktelaag en verlengen daarmee de kook- en baktijd. Dit is vooral belangrijk in toepassingen waar de bereidingstijd beperkt is, zoals in de fastfood-sector.

Dripverlies doet zich voor tijdens het ontdooien, wanneer een voedingsmiddel cellulaire schade heeft opgelopen door de groei van grote ijskristallen tijdens het vriesproces. Dit vochtverlies heeft gevolgen voor de kleur, smaak en voedingskwaliteit van het ontdooide product, want in het verloren vocht zitten nutriënten en pigmenten. Structurele schade kan ook de textuur aantasten of de stevigheid verminderen, bijvoorbeeld bij groenten en fruit.

Naast pigmentverlies als gevolg van dripverlies kan de kleur van ontdooide voedingsmiddelen worden beïnvloed door toename van de concentratie opgeloste stoffen in de resterende niet-bevroren fractie als er ijskristallen ontstaan tijdens het invriezen. Deze concentratietoename versnelt processen als oxidatie en enzymatische verkleuring. Hoe trager het invriesproces, des te groter deze negatieve effecten zijn.

Snel invriezen wenselijk
Uit onderzoek en ervaring blijkt dat snel invriezen het vocht- en opbrengstverlies doet dalen, terwijl de textuur, kleur en smaak van de producten beter behouden blijven. Hoe groter de gemiddelde warmteoverdrachtsnelheid (W/Km2), hoe sneller de temperatuur daalt. Uitgaande van een gemiddelde oppervlaktetemperatuur van –10°C van het product tijdens invriezen, is een cryogene tunnelvriezer ruim acht keer zo snel als een mechanische spiraalvriezer: 4.200 W/km2 tegenover 500 W/km2.

De hogere invriessnelheid maakt impingement- en cryogene vriezers betere technologieën voor een optimale productkwaliteit. Cryogene vriezers zijn door hun systeemontwerp en productbehandeling meer geschikt voor kwetsbare producten, zoals zacht fruit. Het nadeel van mechanische impingementvriezers is dat daarmee alleen bij dunne voedingsmiddelen met een plat oppervlak een warmteoverdrachtsnelheid is te realiseren die vergelijkbaar is met die van cryogene systemen. Dit komt doordat de warmteoverdracht in hoge mate afhankelijk is van de richting van de luchtstroom.

Grootte en capaciteit
Cryogene vriezers nemen, bij een gelijke doorvoer, bijna altijd minder oppervlakte in dan hun klassieke mechanische tegenhangers. Bepaalde mechanische impingementsystemen worden tegenwoordig ook in modulaire vorm geleverd en nemen zo minder plaats in. Een vergelijking van de waarden van twee typische vriezers voor het invriezen van hamburgers illustreert dit: bij een doorvoer van 2.000 kg/h neemt een mechanische vriezer 62m2 in beslag, tegenover 19m2 voor cryogene vriessystemen.

Het is belangrijk de maximale productiecapaciteit tijdens de afschrijvingsperiode van invriesapparatuur zo nauwkeurig mogelijk te voorspellen. Een te optimistische voorspelling verlaagt het rendement, terwijl een pessimistische planning tot onvoldoende vriescapaciteit kan leiden. Ook moet rekening worden gehouden met schommelingen in de omzet.

Waar mechanische vriezers een vaste maximale capaciteit voor een specifiek product hebben, zijn modulaire cryogene en mechanische impingementvriezers flexibel aan te passen (bijvoorbeeld door de tunnellengte te vergroten). Bovendien worden cryogene vriezers meestal gehuurd, zodat wijzigingen niet tot belangrijke kapitaalinvesteringen voor de fabrikant leiden.

Wijzigingen in de indeling van installaties kunnen wenselijk zijn, in het bijzonder bij contractproductie. Mechanische spiraalvriezers zijn grote apparaten, waarvan het gewicht vaak door een betonsokkel wordt ondersteund. De positie van cryogene of mechanische impingementtunnels is ook niet gemakkelijk aan te passen, maar vergt zelden wijzigingen aan de structuur van het gebouw.

Omstellen en reiniging
Vooral kleinere bedrijven vriezen vaak een breed assortiment producten in. Bij de omschakeling van het ene naar het andere product dient de omsteltijd zo kort mogelijk te zijn. Meestal is dan ook reiniging nodig. Cryogene vriezers zijn het meest flexibel in omstellen. Als een fabrikant gedurende lange tijd en met zeer hoge snelheid slechts één standaard product verwerkt, kan mechanisch invriezen de meest geschikte technologie zijn.

Kleine en eenvoudig ontworpen vriezers kunnen veel sneller en goedkoper worden gereinigd. Minder complexe inwendige onderdelen, een beperkte hoogte en een optimale toegankelijkheid zijn factoren die bijdragen tot een sneller reinigings- en onderhoudproces. Cryogene systemen zijn vaak klein en eenvoudig toegankelijk. De structuur van mechanische impingementvriezers is complex en ze zijn moeilijk leeg te maken, wat het reinigingswerk bemoeilijkt.

Elke fabriek en elke productsituatie is uniek en op grond daarvan moet een vriestechnologie worden gekozen. In het algemeen is wel te zeggen dat cryogene vriezers voor veel bedrijven doorslaggevende voordelen hebben, zoals de kleine oppervlakteruimte die nodig is, flexibiliteit bij capaciteitswijzigingen en productwisselingen en een eenvoudig en goed toegankelijk ontwerp.

Financiële overwegingen
Uit kostenoogpunt is er een groot verschil tussen cryogeen en mechanisch vriezen. Terwijl voor mechanisch vriezen een veel grotere kapitaalinvestering vereist is, liggen de werkingskosten bij (vaak geleaste) cryogene apparatuur hoger. De grootte van dit verschil is afhankelijk van meerdere factoren, maar op elke productielijn zullen de cumulatieve kosten voor cryogeen vriezen op een bepaald ogenblik groter worden dan de kosten voor mechanisch vriezen.

Wanneer een fabrikant echter geen grote kapitaalinvestering wil doen, is een cryogeen vriessysteem de juiste keuze.

De mechanische impingementtechnologie is nagenoeg altijd duurder dan klassiek mechanisch vriezen door de kostprijs voor het genereren van de hoge luchtsnelheid. Door hun omvang en complexiteit vergen mechanische vriezers meestal meer mankracht voor reiniging. Daarbij hebben mechanische systemen vaker onderhoud nodig en het onderhoudspersoneel moet over meer vaardigheden beschikken. Dit zorgt voor relatief hogere loonkosten dan bij andere systemen.

Fabrikanten kunnen het beste de totale kosten over een specifieke periode bekijken. Het al dan niet beschikbaar zijn van investeringskapitaal beïnvloedt ook de beslissing. De cryogene vriestechnologie is qua investerings- en onderhoudskosten het meest voordelig in vergelijking met mechanisch vriezen, maar duurder in werkingskosten.

Milieufactoren
Producenten moeten rekening houden met de impact van hun vriestechnologie op het milieu. De Food and Drink Federation en de Carbon Trust schatten dat de productie van voedingsmiddelen goed is voor slechts 10% van de energieverwante uitstoot in de voedingsketen. Het grootste deel hiervan – ongeveer 60% – is te wijten aan koelen en vriezen. Mechanische vriezers vergen minder energie dan de energie die nodig is om vloeibare gassen te produceren voor cryogene systemen, maar uiteindelijk vormen beide technologieën in het totale voedingsmiddelenproductiesysteem slechts een klein percentage van de uitstoot.

De keuze
Geen enkele vriestechnologie is de perfecte keuze voor alle producenten. Bovendien zijn er diverse uitvoeringen mogelijk, zoals tunnelvriezers, spiraalvriezers, IQF-vriezers en wervelbed-systemen. Voor de gebruiker een bepaalde vriezer kiest, dient hij rekening te houden met de beschikbare financiële middelen, te verwerken producten, indeling en het management van de fabriek en de vereiste flexibiliteit.

Cyrogene systemen
Cryogene vriessystemen bieden belangrijke voordelen ten aanzien van de invriessnelheid en dus productkwaliteit. De geringe kapitaalinvestering, flexibiliteit en het reinigingsgemak zijn aantrekkelijk voor veel voedingsmiddelenproducenten. Mechanische systemen vergen een hogere kapitaalinvestering, maar kunnen op langere termijn financieel voordelig zijn. De evolutie in de impingementvriestechnologie dicht de kloof tussen mechanische en cryogene systemen tot op zekere hoogte, maar de voordelen zijn beperkt tot een plat, klein product. In samenspraak met leveranciers van vriessystemen kan de technologie worden gekozen, afgestemd op de specifieke behoeften.

Reageer op dit artikel