Vacuümkoeling "Van veld naar tafel" 11 april 2022

Voor vacuümexperts brengt het ontwerpen van een systeem dat voldoet aan de behoeften van een klant in de voedingsmiddelenindustrie (in tegenstelling tot bijvoorbeeld wetenschappelijk onderzoek) enkele interessante uitdagingen met zich mee. Maar de basisprincipes zijn dezelfde. Met name de berekening van de grootte van het vacuümkoelsysteem is gebaseerd op de wet van energiebesparing: de hoeveelheid warmte die wordt afgegeven bij het koelen van het voedsel moet gelijk zijn aan de hoeveelheid warmte die wordt opgenomen door het verdampen van het water, Q _vrijgegeven = Q _opgenomen.

De linkerkant van deze vergelijking wordt berekend door de massa van het voedsel te vermenigvuldigen met de specifieke warmte ervan en de temperatuurverandering voor en na het koelen, Q _vrijgegeven = m _voedsel c_p ΔT. Als we bijvoorbeeld 1000 kg sla willen koelen – een materiaal met een specifieke warmte van 3,9 kJ/(kg K), iets minder dan die van water – van 25 °C naar 5 °C, zouden we 78.000 kJ warmte moeten afvoeren. Hoeveel water hebben we dus nodig om te verdampen? Nou, Q _genomen = m _water × Δh _vap, waarbij Δ _hvap, de verdampingswarmte van water, 2466 kJ/kg is bij 15 °C, dus het antwoord is 31,6 kg – een paar procent van de startmassa van de salade.

De volgende vraag betreft de stroom die het vacuümsysteem moet verwerken. Als we willen dat de totale afkoeltijd voor de salade 30 minuten bedraagt, zodat er tussen de afkoelcycli 5 minuten kan worden afgepompt, dan hebben we een systeem nodig dat m _stoom = 76 kg stoom per uur kan afpompen. Om dat om te zetten in een effectieve volumestroom v _eff gebruiken we de vergelijking v _eff = m _stoom × V_m /M × T _eff /T_N × P_N /P _eff, waarbij V_m het molaire volume van water is (22,4 N m³/kmol); M de molaire massa (18 kg/kmol); T _eff en P _eff zijn de effectieve temperatuur en druk; en T_N = 273 K en P_N = 1013 mbar zijn de normtemperatuur en -druk. Bij T _eff = 25 °C (298 K) is de dampdruk van water 31,7 mbar, zodat ons vacuümsysteem aanvankelijk 3299 m3/uur moet verpompen. Bij de eindtemperatuur van 5 °C daalt de dampdruk van water tot 8,72 mbar, wat betekent dat het systeem 11.188 m3/uur moet verpompen.

In theorie moet een vacuümpomp deze stromen kunnen verwijderen. In de praktijk hebt u daarvoor echter een zeer groot (en duur) systeem nodig. De voordeligere keuze is vaak om een condensorte gebruiken om de stoomstroom op te vangen en om te zetten in vloeistof, waardoor de gasstroom naar de vacuümpomp drastisch wordt verminderd. Als vuistregel geldt dat u ongeveer een vierkante meter condensatieoppervlak nodig hebt voor elke 10 kg stoomstroom, dus om onze 1000 kg sla te koelen, hebben we een condensor van ongeveer 8-10 m2 nodig.

De overige overwegingen zijn eerst en vooral dat het vacuümsysteem in staat moet zijn om de kamer binnen de gewenste tijd (25 minuten in het saladevoorbeeld) van atmosferische druk naar einddruk te evacueren. Dit kan worden bepaald door een eenvoudige berekening van de pompsnelheid, s = V/t ln (p0/p1), waarbij V het volume van de kamer is en p0 en p1 de start- en gewenste drukwaarden zijn. Ten tweede moet het vacuümsysteem de gasstroom kunnen verwerken die na de condensor overblijft. Als we uitgaan van een typische lekkage in de vacuümkamer – ongeveer 5 kg lucht per uur voor een kamer van 10 m3 met standaardafdichtingen – hebben we de stroom berekend die wordt gegenereerd door de niet-gecondenseerde stoom en lekken die achter de condensor achterblijven voor zowel de start- als de eindtemperaturen. De grotere van de twee bovenstaande berekeningen bepaalt de grootte van het vacuümsysteem. In het saladevoorbeeld waren de resultaten 570 m3/uur voor de pompsnelheid en 1500 m3/uur voor de stroom als gevolg van lekken en niet-gecondenseerde damp – veel minder dan nodig zou zijn geweest zonder een condensor.

Vacuümkoelsystemen voor bladgroenten, salades en bloemen hebben allemaal een vergelijkbaar ontwerp. Ze worden geïnstalleerd in een trailer naast het veld waar de salade wordt geoogst, of ze worden geïntegreerd in de faciliteiten waar salades worden gereinigd en verpakt voordat ze worden verzonden. De grootste stationaire kamers kunnen gelijktijdig met maximaal 20 pallets worden beladen en kunnen dagelijks meer dan 300 ton groenten verwerken.

Vacuümkoeling is een snelle en energiezuinige koelmethode met een breed scala aan toepassingen in de voedselverwerking en andere industriële toepassingen

Voordat groenten zoals sla in de vacuümkamer worden geladen, worden ze vaak met water besproeid om het gewichtsverlies door verdamping te compenseren. Zodra de deur sluit, begint het vacuümsysteem te pompen en daalt de druk binnen 5 minuten van 1000 mbar tot 15-20 mbar. Bij die druk en bij een temperatuur van ongeveer 20 °C begint het water te verdampen en begint het koelproces. Na 15-20 minuten daalt de druk verder tot 5-6 mbar en bereikt het product een temperatuur van ongeveer 2 °C. Tijdens het proces vangt een condensor met een mengsel van glycol en water met een temperatuur van -6 tot -10 °C het grootste deel van de waterdamp op, waardoor de pompen worden beschermd. Daarna stoppen de pomp- en koelsystemen en wordt de kamer binnen enkele minuten weer ontlucht tot atmosferische druk. Daarna worden de salades in een koelkamer bewaard, waar ze 2-3 weken kunnen worden bewaard zonder te bederven.

Zolang de condensor zijn werk goed doet, zijn de eisen die deze cyclus aan de vacuümpompen stelt eenvoudig, omdat de starttemperatuur vrij laag is (vers geoogste groenten zijn zelden warmer dan 30 °C) en de hoeveelheid te verdampen water beperkt is. De aanwezigheid van vuildeeltjes of kleine delen van de installatie kan echter een uitdaging zijn en er zijn enkele compromissen bij het ontwerpen van systemen die voldoende onderhoudsarm en kosteneffectief zijn. Oliegesmeerde draaischuifpompen zijn bijvoorbeeld betrouwbaar en kosteneffectief, met een goede waterdampcompatibiliteit en een compact, volledig luchtgekoeld ontwerp dat ze eenvoudig te gebruiken maakt in mobiele systemen. Ze hebben echter wel inlaatfilters nodig om ze tegen deeltjes te beschermen, en om ze te onderhouden, moeten olie, oliefilters en uitlaatnevelafscheiders regelmatig worden vervangen.

Schroefvacuümpompen hebben een hogere tolerantie voor deeltjes en hun kleine afmetingen, lage geluidsniveau en lage energieverbruik maken ze ideaal geschikt voor industriële voedselverwerkende faciliteiten . Aan de andere kant vereisen de meeste versies water- of luchtkoeling en zijn hun initiële kosten hoger dan die van een draaischuifpomp. Beide typen pompen kunnen worden gebruikt in combinatie met een stuwvacuümpomp, die de pompsnelheid van het systeem verhoogt bij drukwaarden onder 50 mbar.

Het succes van vacuümkoeling bij het vers houden van groenten betekent dat vergelijkbare technieken nu worden toegepast op andere voedingsmiddelen. Brood en gebak zijn daar een voorbeeld van. Bij deze toepassing is de starttemperatuur veel hoger – tot 90 °C wanneer broodjes uit de oven worden gehaald – en is de hoeveelheid water in de cyclus dus aanzienlijk groter dan bij groenten.

Draaischuifpompen hebben niet voldoende hoge waterdamptolerantie om de klus te klaren, dus schroefpompen zijn een betere oplossing. Ze kunnen grote hoeveelheden water inslikken zonder te breken en zijn ook zeer tolerant voor kleine deeltjes (meel, klaproos of sesamzaad, enz.). Naast het besparen van energie en het sneller afkoelen van het brood biedt vacuümkoeling ook voordelen voor de consument: vacuümgekoeld brood heeft een knapperige korst en luchtige kruimels, wat meer plezier oplevert bij het eten.

We beginnen ook enkele non-foodtoepassingen van vacuümkoeling te zien. Zo groeit het gras op het veld van topprofessionele voetbalstadions daar niet echt. In plaats daarvan wordt het op speciale boerderijen geproduceerd, in rollen geoogst en op tijd voor de wedstrijden naar het stadion vervoerd. Dankzij vacuümkoeling overleven deze rollen gras het transportproces zonder problemen en blijven ze hangen tot ze weer moeten worden bewaterd. De vereisten voor het koelen van gras zijn vergelijkbaar met die voor het koelen van groenten, behalve dat de hoeveelheid water die moet worden onttrokken om de gewenste temperatuur te bereiken aanzienlijk hoger is, vanwege de massa van het product (inclusief bodem en modder). Het is dus een veeleisende taak voor de vacuümpomp. De combinatie van draaischuifpompen en rootsblazers werkt nog steeds goed, maar de pompen vereisen meer onderhoud dan gebruikelijk is voor het koelen van groenten.

Vacuümkoeling is een snelle en energiezuinige koelmethode met een breed scala aan toepassingen in de voedselverwerking (en steeds vaker ook daarbuiten). Het verbetert de voedselveiligheid en verlengt de houdbaarheid van voedingsmiddelen. De uitdagingen voor vacuümsystemen zijn zowel nieuw als sterk afhankelijk van het product dat wordt gekoeld: terwijl oliegesmeerde draaischuifpompen effectief zijn gebleken bij het koelen van groenten, vereisen andere toepassingen innovatief denken. Droge pomptechnologie creëert mogelijkheden voor nieuwe en geavanceerdere processen, waaronder het koelen van sushirijst of voedsel dat voor catering wordt bereid. 

Dit artikel verscheen voor het eerst in de Physics World Focus on Instruments & Vacuum 2019 onder de kop "From field to table" https://physicsworld.com/a/vacuum-keeps-food-fresh-and-cool-from-field-to-table/