Pasteurisator für Saft: Was bei der Auslegung für Säfte, Nektare und fruchtfleischhaltige Getränke zu beachten ist

Ein Pasteurisator für Saft wird anhand der Produkteigenschaften, der erforderlichen Wärmebehandlung und der Abfüllbedingungen ausgewählt. Die Durchsatzleistung in Litern pro Stunde ist dabei nur einer der Ausgangsparameter. Viskosität, Säuregehalt, Fruchtfleischanteil und Partikelgröße bestimmen die Bauart des Wärmetauschers, den Druckverlust und die Anforderungen an die Heißhaltung.

Eine Anlage, die für klaren Apfelsaft ausgelegt wurde, erreicht bei dickflüssigem Pfirsichnektar nicht zwangsläufig denselben Durchsatz. Ebenso bestätigt eine stabile Austrittstemperatur allein noch keine ausreichende Behandlung eines Getränks mit Fruchtstücken.

Damit die Anlage zuverlässig arbeitet, müssen Erhitzung, Heißhaltung, Kühlung und Produktzufuhr zum Füller als zusammenhängender Prozess ausgelegt werden.

Welche Produkteigenschaften werden für die Auslegung benötigt?

Die technische Spezifikation sollte Daten zu jedem Produkt enthalten, das auf der Anlage verarbeitet werden soll.

Der °Brix-Wert ersetzt keine Viskositätsmessung. Zwei Getränke mit demselben °Brix-Wert können sich aufgrund von Pektin, Fruchtfleisch oder Stabilisatoren in der Anlage unterschiedlich verhalten. Bei viskosen Produkten sind auch die Messbedingungen wichtig: Temperatur und Scherrate beeinflussen das Ergebnis.

Soll die Anlage mehrere Rezepturen verarbeiten, muss ihre Leistung unter den jeweiligen Grenzbedingungen geprüft werden: niedrigste Eintrittstemperatur, höchste Viskosität, maximaler Partikelanteil und größter Volumenstrom. Diese Bedingungen können bei unterschiedlichen Produkten auftreten.

Anforderungen verschiedener Getränkearten im Vergleich

Die folgende Tabelle dient als erste Orientierung für die Anlagenplanung. Die endgültige Auswahl erfordert eine thermische und hydraulische Berechnung.

Bei Getränken mit größeren Partikeln kann die Temperatur der flüssigen Phase höher sein als die Temperatur im Partikelkern. Die Behandlung muss deshalb unter Berücksichtigung der Partikelerwärmung validiert werden. Die Messwerte eines Temperatursensors in der strömenden Flüssigkeit allein reichen dafür nicht aus.

Wie wird der Wärmetauscher für die Saftpasteurisierung ausgewählt?

Plattenwärmetauscher: für Produkte, die die Kanäle ungehindert passieren

Ein Plattenwärmetauscher bietet eine intensive Wärmeübertragung, eine kompakte Bauweise und eine effiziente Wärmerückgewinnung. Er eignet sich als Option für niedrigviskose Säfte und Getränke mit geringem Partikelanteil.

Entscheidend ist nicht allein, ob Fruchtfleisch vorhanden ist, sondern welche Eigenschaften es hat und wie die Kanäle gestaltet sind. Fasern können sich in engen Durchgängen und an den Kontaktpunkten der Platten festsetzen. Deshalb müssen maximale Partikelgröße, Konzentration und Faserlänge geprüft werden.

Rohrwärmetauscher: für ein breiteres Rezepturspektrum

Rohrwärmetauscher werden häufig für faserhaltige Säfte, Nektare und Getränke mit Partikeln eingesetzt. Ihre Geometrie lässt sich an das Produkt anpassen. Ein großer freier Querschnitt allein gewährleistet jedoch noch keine ausreichende Wärmeübertragung.

Rohrdurchmesser, Strömungsgeschwindigkeit, Wärmeübertragungsfläche und Druckverlust müssen aufeinander abgestimmt werden. Die Wahl zwischen Platten- und Rohrwärmetauscher richtet sich nach den Produkteigenschaften und den vorgesehenen Betriebsbedingungen.

Schabewärmetauscher: für anspruchsvolle, hochviskose Produkte

Bei einem Schabewärmetauscher entfernen bewegliche Elemente Beläge von der Wärmeübertragungsfläche und durchmischen die wandnahe Produktschicht. Diese Bauart kommt infrage, wenn eine hohe Viskosität oder starke Belagbildung den Einsatz anderer Wärmetauscher begrenzt.

Dafür ist eine gesonderte technische Bewertung erforderlich. Sie umfasst die mechanische Beanspruchung des Produkts, die Wartung beweglicher Teile und die Betriebskosten. Für einen üblichen niedrigviskosen Saft ist diese Bauart in der Regel nicht erforderlich.

Erhitzung: die erforderliche Wirkung ohne übermäßige Wärmebelastung erreichen

Es gibt keine universelle Kombination aus Temperatur und Zeit für alle Säfte und Nektare. Die Behandlungsparameter werden für die konkrete Rezeptur, die relevanten Zielmikroorganismen, die Rohstoffeigenschaften und die späteren Lagerbedingungen festgelegt. Die bloße Erhitzung bestätigt noch nicht, dass die erforderliche mikrobiologische Wirkung erreicht wurde.

Enzyme sind gesondert zu berücksichtigen. Bei der ersten Wärmebehandlung von Orangensaft ist beispielsweise die Inaktivierung der Pektinmethylesterase wichtig, da dieses Enzym die Trübungsstabilität beeinflusst. Die Ziele der ersten Behandlung und einer erneuten Pasteurisierung vor dem Verpacken können sich unterscheiden.

Für die indirekte Erhitzung von Säften wird häufig ein geregelter Heißwasserkreislauf eingesetzt. Damit lässt sich die Temperaturdifferenz zwischen Heizmedium und Produkt kontrollieren. Eine zu heiße Oberfläche erhöht das Risiko lokaler Überhitzung und Belagbildung.

Bei der Auslegung ist ein Ausgleich erforderlich: Eine geringere Temperaturdifferenz erfordert meist eine größere Wärmeübertragungsfläche. Produktqualität, Investitionskosten und Betriebsdauer zwischen den Reinigungen müssen deshalb gemeinsam betrachtet werden.

Heißhaltung: Warum die Berechnung des Rohrvolumens allein nicht ausreicht

Das vorläufige Volumen der Heißhaltestrecke lässt sich mit folgender Formel bestimmen:

V = qᵥ × τ

Dabei gilt:

• V — Volumen der Heißhaltestrecke, l;

• qᵥ — Volumenstrom bei Heißhaltetemperatur, l/s;

• τ — Zeit, s.

Bei einem Volumenstrom von 5.000 l/h und einer beispielhaften Zeit von 30 s ergibt sich:

V = (5.000 ÷ 3.600) × 30 ≈ 41,7 l.

Dieses Volumen entspricht der berechneten mittleren Verweilzeit. Es bestätigt nicht die Mindestheißhaltezeit für das gesamte Produkt.

In einer realen Strömung liegt eine Geschwindigkeitsverteilung vor. Sie wird durch Viskosität, Strömungsregime und Geometrie der Heißhaltestrecke beeinflusst. Bei partikelhaltigen Produkten müssen zusätzlich die Bewegungsgeschwindigkeit der Partikel und die Zeit zur Erwärmung ihres Kerns berücksichtigt werden. Die Mindestverweilzeit ist für das jeweilige Produkt und den vorgesehenen Durchsatzbereich zu validieren.

Eine Erhöhung der Pumpenleistung ohne Überprüfung der Heißhaltestrecke kann daher die festgelegten Behandlungsbedingungen beeinträchtigen.

Beispiel: Berechnung der Wärmeleistung eines Saftpasteurisators

Betrachten wir einen beispielhaften Saft mit folgenden Ausgangsdaten:

Die Temperatur von 95 °C dient ausschließlich diesem Rechenbeispiel. Sie ist keine Empfehlung für die Behandlung eines bestimmten Safts. Für die tatsächliche Auslegung müssen Dichte und spezifische Wärmekapazität anhand der jeweiligen Rezeptur bestimmt werden.

Massenstrom:

ṁ = 5 × 1.045 ÷ 3.600 ≈ 1,45 kg/s.

Erforderliche Wärmeleistung ohne Wärmerückgewinnung:

Q̇ = ṁ × cₚ × (T₂ − T₁)

Q̇ = 1,45 × 3,9 × (95 − 20) ≈ 425 kW.

Zur Erhitzung des Produktstroms werden somit etwa 425 kW Wärmeleistung benötigt, ohne Berücksichtigung von Wärmeverlusten.

Was ändert sich durch Wärmerückgewinnung?

Angenommen, die Regenerativsektion deckt im stationären Betrieb 80 % der erforderlichen Temperaturerhöhung ab:

Temperatur nach der Wärmerückgewinnung = 20 + 0,80 × (95 − 20) = 80 °C.

Das externe Heizmedium muss das Produkt dann nur noch von 80 auf 95 °C erwärmen:

Nacherhitzungsleistung = 1,45 × 3,9 × (95 − 80) ≈ 85 kW.

Unter diesen Annahmen werden:

• etwa 340 kW durch Wärmerückgewinnung bereitgestellt;

• etwa 85 kW von außen zugeführt.

Dies ist die Wärmebilanz einer beispielhaften Anlage und keine garantierte Einsparung für jeden Pasteurisator. Der tatsächliche Wärmerückgewinnungsgrad hängt von der Fülltemperatur, der Schaltung der Wärmetauscher und den Produkteigenschaften ab.

Die Wärmequelle darf nicht allein anhand der 85 kW ausgelegt werden. Beim Anfahren steht noch kein heißer austretender Produktstrom zur Wärmerückgewinnung zur Verfügung. Der Wärmebedarf beim Anfahren muss durch die verfügbare Heizleistung oder durch ein festgelegtes Aufheizverfahren mit begrenztem Durchsatz gedeckt werden.

Wärmeübertragungsfläche, Druckverluste und Leistung am Ende eines Produktionszyklus müssen gesondert berechnet werden. Dabei sind mögliche Beläge auf den Oberflächen zu berücksichtigen.

Die Kühlung muss zum Abfüllverfahren passen

Die erforderliche Austrittstemperatur des Pasteurisators wird durch den nächsten Prozessschritt bestimmt.

Bei der Heißabfüllung muss das Produkt den Füller mit der vorgegebenen Temperatur erreichen. Eine weitgehende Wärmerückgewinnung ist begrenzt, da ein erheblicher Teil der Wärme bis zum Befüllen der Verpackung im Produkt verbleiben muss.

Bei der Kaltabfüllung mit anschließender Kühllagerung sind eine ausreichende Kälteleistung, Temperaturüberwachung und ein geeigneter hygienischer Schutz nach der Pasteurisierung erforderlich.

Bei der aseptischen Abfüllung wird die Zuführtemperatur auf die Anforderungen des Füllers abgestimmt. Der gesamte Produktweg nach der Wärmebehandlung muss die erforderlichen aseptischen Bedingungen aufrechterhalten.

Eine lange Haltbarkeit eines sauren Safts erfordert nicht automatisch eine UHT-Behandlung. Für säurearme Getränke gelten deutlich andere Anforderungen an die Wärmebehandlung. Die Prozesswahl richtet sich nach Rezeptur, mikrobiologischen Risiken und Verpackungsverfahren.

Die Kategorie industrielle Pasteurisatoren von VIRAVIX umfasst verschiedene Anlagenkonfigurationen. Für geeignete Kurzzeiterhitzungsverfahren kann ein HTST-Pasteurisator für Milchprodukte und Getränke in Betracht gezogen werden. Wenn der Prozess eine Ultrahocherhitzung erfordert, wird ein UHT-System für Säfte, Milchprodukte und Getränke geprüft.

Belagbildung: Veränderungen während des Produktionsbetriebs berücksichtigen

Beläge erhöhen den Wärmedurchgangswiderstand. Eine Anlage, die unmittelbar nach der Reinigung die erforderlichen Parameter erreicht, kann im Laufe des Betriebs an Leistung verlieren oder eine höhere Heizmediumtemperatur benötigen.

Der Pasteurisator wird deshalb nicht nur für saubere Oberflächen ausgelegt, sondern auch für die vereinbarte Betriebsdauer zwischen den Reinigungen.

Bei der Planung werden folgende Punkte geprüft:

• Temperatur der Heizfläche und Risiko lokaler Überhitzung;

• Produktgeschwindigkeit und mögliche Ansammlungsbereiche für Fruchtfleisch;

• zulässiger Druckverlust;

• Reinigbarkeit aller Kanäle und der Heißhaltestrecke;

• Zugang für Inspektion und Wartung.

Zur Zustandsüberwachung sollten Druckverlust und Temperaturen bei gleichem Durchsatz und gleicher Rezeptur verglichen werden. Ein steigender Strömungswiderstand oder eine zunehmende Heizmediumtemperatur können auf Belagbildung hinweisen. Ohne Berücksichtigung der Produkteigenschaften lassen sich diese Werte jedoch leicht falsch interpretieren. Verschmutzung und Strömungsbedingungen müssen in die thermische Berechnung einfließen.

Was muss passieren, wenn die Abfüllung stoppt?

Ein Füllerstillstand verändert die Betriebsbedingungen des Pasteurisators. Wird ohne Produktabnahme weiter erhitzt, steigt die gesamte Wärmebelastung des Produkts. Eine beliebige Reduzierung des Durchsatzes verändert dagegen die Strömungsverhältnisse und die Verweilzeit.

Das Verhalten bei einem Stillstand muss bereits während der Planung festgelegt werden.

Ein Puffertank kann die Anzahl wiederholter Durchläufe durch die Erhitzungssektion reduzieren. Seine Ausführung muss jedoch den Prozessanforderungen nach der Pasteurisierung entsprechen.

Die Steuerung sollte Temperatur, Durchsatz, Zustände der Umleitventile und Abweichungen aufzeichnen. Bei einer Produkt-zu-Produkt-Wärmerückgewinnung muss außerdem verhindert werden, dass der behandelte Produktstrom durch eine undichte Wärmeübertragungsfläche kontaminiert wird. Dazu gehören geeignete Druckverhältnisse und deren Überwachung.

Welche Angaben werden für die Auswahl eines Pasteurisators benötigt?

Für die erste technische Ausarbeitung sind folgende Informationen erforderlich:

1. Eine Liste der Säfte, Nektare und Getränke mit den jeweiligen Rezeptureigenschaften.

2. Minimaler, nominaler und maximaler Durchsatz.

3. Produkttemperaturen am Eintritt und vor der Abfüllung.

4. Fruchtfleischanteil, Partikelabmessungen und Anforderungen an den Strukturerhalt.

5. Fachlich begründete Behandlungsparameter oder die zu ihrer Festlegung erforderlichen Daten.

6. Verpackungsverfahren, gewünschte Haltbarkeit und Lagerbedingungen.

7. Füllerleistung sowie Häufigkeit und Dauer von Stillständen.

8. Verfügbare Parameter für Dampf, Heißwasser, Kühlung und Stromversorgung.

9. Gewünschte Betriebsdauer zwischen den Reinigungen und räumliche Einschränkungen für die Aufstellung.

Benötigen Sie einen Pasteurisator für Ihr Produkt?

VIRAVIX plant Pasteurisierungsmodule unter Berücksichtigung der Produkteigenschaften, der verfügbaren Versorgungsmedien und der Anforderungen Ihrer bestehenden Abfülllinie.

Senden Sie uns die Eigenschaften Ihres Getränks, den erforderlichen Durchsatz und das Verpackungsverfahren. Wir erarbeiten die Konfiguration von Wärmetauscher, Erhitzung, Heißhaltung und Kühlung und stimmen die Integration des Moduls in Ihre Produktion ab.

Pasteurisierungsprojekt besprechen