Statt Kühlmaschine und Dampfregister

Trocknen gehört zu den ältesten Konservierungsverfahren überhaupt. Schon Marco Polo schilderte in seinen Reiseberichten über Asien, wie die Mongolen durch Trocknung in der Sonne Milchpulver produzierten. Durch den Wasserentzug wird das Wachstum von Mikroorganismen gehemmt und die Milch in pulverisierter Form haltbar gemacht. Heute gibt es verschiedene Möglichkeiten, Milch zu trocknen. Allen gemein ist, dass es ein höchst anspruchsvoller Prozess ist – insbesondere, wenn aus der Milch oder der Molke hochsensibles Pulver für Babynahrung entsteht. Die Milei GmbH in Leutkirch im Allgäu ist ein hoch technologisches Unternehmen, das seit vielen Jahrzehnten in der Milch- und Molkenfraktionierung tätig ist und als echter Innovationstreiber in der Branche gilt. Neben seinen hohen Qualitäts- und Leistungsansprüchen sieht das global agierende Unternehmen das Thema Nachhaltigkeit als Teil seines operativen Auftrags.

Essenzielle Prozesse: Kühlen und Erwärmen

In Betrieben zur Milchverarbeitung besteht ein konstanter Bedarf an Heiz- und Kühlenergie. Das Erhitzen ist gesetzlich vorgeschrieben, um die Lebensmittelsicherheit zu gewährleisten und Milch sowie Molke von Bakterien zu befreien. Um die Proteine und andere wichtige Bestandteile zu erhalten, ist eine schnelle Kühlung erforderlich. Diese energieintensiven Prozesse wurden bei Milei bisher durch eine strombetriebene Kühlmaschine und ein gasbetriebenes Dampfregister abgedeckt. Die jährliche Leistung beider Maschinen zusammen belief sich auf rund 10.815.000 kWh.

Angesichts des unsicheren Energiemarkts und tendenziell steigender CO2-Abgaben nahm Milei Kontakt zur Fima Simaka Energie- und Umwelttechnik GmbH mit Sitz in Argenbühl auf. Der Ausgangsgedanke war, das während der Produktion entstehende warme Abwasser zu nutzen, um durch Wärmerückgewinnung die Energieeffizienz insgesamt zu erhöhen.

„Wir bauen Anlagen, die unseren Kunden bis ins kleinste Detail den größten Nutzen bringen“, sagt Simaka-Geschäftsführer Karsten Uitz. „Dafür gehen wir gerne jede Extrameile und mitunter ungewöhnliche Wege.“

Entsprechend bot Simaka seinem Kunden an, nicht nur die Abwärme als Potenzial zu betrachten, sondern den gesamten Produktionsprozess unter die Lupe zu nehmen und nach Optimierungsmöglichkeiten Ausschau zu halten. Dabei stießen die Wärmepumpen-Spezialisten vom Bodensee unter anderem auf drei Anwendungen, bei denen sowohl erwärmt als auch gekühlt werden muss: Standardisierung, Permeat-Erhitzung und Pasteurisation.

Die Standardisierung sorgt dafür, dass die Milch auf den gewünschten Fettgehalt eingestellt wird. Bei der Pasteurisation werden alle schädlichen Bakterien abgetötet, um die Haltbarkeit zu gewährleisten. Die Permeat-Erhitzung betrifft vor allem die Molke. Durch das Erhitzen werden unter anderem Proteine verflüssigt, was die Verarbeitung erleichtert. Je nach Anwendung variieren die Temperaturen zwischen 57 und 77 Grad Celsius.

Wärmepumpe erfüllt zwei Aufgaben gleichzeitig

„Nach dem Erwärmen müssen die Produkte in den drei Anwendungen immer wieder mit Eiswasser gekühlt werden. Das haben wir als Benefit gesehen“, erläutert Uitz. „Unsere Idee: die beim Kühlen freiwerdende Wärme jeweils für eine Wärmepumpe zu nutzen und damit beide Schritte – Kühlen und Erwärmen – gleichzeitig zu bewältigen.“ Der besondere Charme dieser im Grunde recht einfachen Lösung: Die Wärmepumpe läuft nur einmal und erledigt dabei zwei Aufgaben – und das ohne jeden Zeitversatz. Daraus ergibt sich ein erheblich höherer Wirkungsgrad. On top kommt die Lösung ohne zusätzliche Energiespeicher aus. „Nur wenn Milch durchfließt und gekühlt wird, muss sie auch erhitzt werden“, sagt Uitz.

Allerdings ist das Erwärmen und Kühlen in der Milchverarbeitung äußerst knifflig. Die Kunst besteht darin, beim Erhitzen genau die Zieltemperatur zu erreichen und keinesfalls über das Ziel hinauszuschießen. Wird die Milch zu warm, bildet sich ein weißbrauner Belag, was jeder aus eigener Küchenerfahrung kennt. Das darf in den Wärmetauschern auf keinen Fall passieren, da sie sonst verkleben. Auf der Kühlseite mit drei Grad kalten Eiswasser besteht das Risiko, dass sich Eis im Wärmetauscher bildet und diesen zum Platzen bringt.

„Das A und O ist die richtige Wahl des Wärmetauschers. Hier kann ich mich voll und ganz auf die Produkte und das Know-how von Alfa Laval verlassen. Wenn Alfa Laval Daten auslegt, dann passen sie zu einhundert Prozent.““ erläutert Uitz.

Komponenten ergeben hocheffizientes, zuverlässiges System

Das Vertrauen von Simaka in die Expertise von Alfa Laval führte schließlich zu einer ganz besonderen Lösung: Neben den bewährten gelöteten Plattenwärmeübertragern vom Typ AC1000 sind in jedem der drei Wärmepumpen auch brandneue Einkreis-Plattenverdampfer des Typs AC900 integriert. Diese Newcomer eignen sich ideal für Wärmepumpen sowie Kaltwassersätze von kleiner Leistung bis zu mehreren hundert Kilowatt. Sehr gute Verdampfer sind essenziell, um bei einem Kühlwasseraustritt von nur 3 Grad noch im positiven Bereich verdampfen zu können.

Bei Milei wird der AC900 als Kaskade eingesetzt, was die große Besonderheit dieser Lösung darstellt. Er befindet sich in der Mitte der Wärmepumpe und agiert sowohl als Verflüssiger für den einen Wärmetauscher-Kältekreis als auch als Verdampfer für den anderen Kältekreis. Dadurch wird der Wirkungsgrad der Wärmepumpe noch einmal deutlich gesteigert.  

„Eine solche Kaskadierung wird selten realisiert. Unser Ziel ist jedoch, stets die effizienteste Lösung für unsere Kunden zu finden. Deshalb nutzen wir jede technische Möglichkeit, die uns zur Verfügung steht“, erklärt Uitz. „Die Ergebnisse sprechen für sich: Die Effizienzsteigerung durch die Kaskade ist beachtlich, und auch auf der Eiswasserseite erzielen wir sehr gute thermodynamische Ergebnisse.“

Ein weiterer Vorteil der Lösung ist der geringe Platzbedarf der Wärmepumpen. Dank der kompakten Plattenwärmetauscher konnte eine sehr raumsparende Lösung realisiert werden, die zudem nur einen begrenzten Einsatz von Kältemitteln erfordert. Und falls es doch einmal zu einem Ausfall kommen sollte, stehen die bisherige Kältemaschine sowie das Dampfregister immer noch als Back-up-Lösung zur Verfügung.

Elektrifizierung: Etwas mehr Strom ersetzt Gasverbrauch

Stand heute spart Milei durch die Installation der drei neuen Wärmepumpen rund 8.100.000 kWh jährlich an Gas für die Wärmeerzeugung, während der Stromverbrauch leicht um 9,8 Prozent auf 2.175.870 kWh/a anstieg. Mit diesem Schritt kann Milei auf den fossilen Energieträger Gas verzichten und spart jährlich rund 1.575 Tonnen CO2. So zahlt Milei künftig weniger CO2-Abgaben und kann bei seinen Abnehmern mit einem niedrigen CO2-Wert seiner Produkte werben.

„Diese Lösung ist für alle interessant, die energieintensive Prozesse haben und viel sparen möchten. Das kann in der Chemie- oder Pharmabranche der Fall sein, ebenso wie in der Lebensmittel-, Papier- oder Automobilindustrie“, resümiert Uitz.