Geschichte der Kältetechnik

Die Bedeutung der Kühlung für die Konservierung von Lebensmitteln

Die Notwendigkeit der Kühlung bei der Lebensmittelkonservierung hat mit zwei grundlegenden Konzepten zu tun:

• Die bakterielle Aktivität entwickelt sich zwischen etwa 5 °C und 65 °C, was hauptsächlich von der Art der Bakterien und der Luftfeuchtigkeit abhängt. Das Listerienbakterium ist leider auch bei Werten nahe 0 °C noch aktiv.
• Das andere Element der Entwicklung der Mikroorganismen hängt von dem Anteil des freien Wassers im Medium ab.

Daraus wird deutlich, dass jedes Mittel, das zur Senkung der Temperaturen auf ein Niveau von beispielsweise unter 4 °C eingesetzt wird, die Verbreitung dieser schädlichen Elemente verlangsamt.

Wie hoch ist die Verringerung des Anteils des freien Wassers?

Trocknen und Salzen zum Beispiel sind seit jeher die Lösung, um Lebensmittel durch Verringerung des Wassergehalts zu konservieren. Diese Verfahren führen zu einer Verringerung des freien Wasseranteils.

In den extremen nördlichen Regionen entdeckten die Ureinwohner, dass das schnelle Einfrieren von Fleisch und Fisch bei Umgebungstemperaturen von -20 ºC die Qualität der zu verzehrenden Produkte erheblich verbessert, da durch das Einfrieren ein großer Teil des in den Lebensmitteln enthaltenen Wassers in Eis umgewandelt wird und somit ein geringerer Wassergehalt im flüssigen oder freien Zustand gewährleistet ist.

Kennen Sie den gläsernen Punkt?

Ein weiterer Schritt auf dem Weg zu einer hervorragenden Konservierung ist das Erreichen einer Temperatur, die uns in die Nähe des so genannten Glaspunkts bringt. An diesem Punkt, bei sehr niedrigen Temperaturen und je nach Lebensmittel zwischen -40 ºC (Speiseeis) und -80 ºC (Fisch und Fleisch), ist das Vorhandensein von freiem Wasser praktisch gleich Null und es wird eine starke bakterizide und viruzide Wirkung erzielt. Bei diesen Temperaturen wird auch fast die gesamte enzymatische Aktivität unterbrochen.

Dies ist der Grund für die Entwicklung von Gefrier- und Konservierungssystemen für Roten Thun und andere wertvolle Arten, die Temperaturen von -60 ºC ermöglichen. Dadurch wird sichergestellt, dass alle organoleptischen und farblichen Eigenschaften auf dem gleichen Niveau wie bei frisch gefangenem Fisch erhalten bleiben.

Geschichte der Kältetechnik

Heute ist die Kühlung ein Synonym für Gefrier- und Kühlschränke in unseren Haushalten. Die Nutzung der Kühlung geht jedoch auf die Zeit der Ägypter, Griechen und Römer zurück, die begannen, natürliche Höhlen zu nutzen, um Schnee und Eis in den warmen oder heißen Jahreszeiten zu lagern und zu konservieren, um Lebensmittel haltbar zu machen. Auf diese Weise konnten Könige und Adlige in ihren Schlössern und Villen kalte Speisen und Getränke genießen.

Es gibt viele Quellen, die beschreiben, wie diese Schneegruben an schattigen und kühlen Orten gebaut wurden, wobei Stroh und Sägemehl zur Konservierung verwendet wurden. Der gelagerte Schnee wurde gepresst, um ihn für eine längere Lagerung zu verdichten.

Damals verschaffte diese Tätigkeit den Menschen, die sie ausübten, Arbeit und einen gewissen Wohlstand. Von den “Boleros”, die den Schnee sammelten, über die “Guardas”, die die Brunnen bewachten, bis hin zu den “Arrieros”, die den Schnee in den kältesten Stunden transportierten, um das Tauen so weit wie möglich zu reduzieren.

Im Laufe der Geschichte der Kältetechnik wurden auch Techniken entwickelt, die das Gefrieren von Wasser an der Oberfläche ermöglichten, das sich in speziellen Tongefäßen befand. Die Eisschichten, die sich an der Oberfläche bildeten, wurden dem bereits in benachbarten Brunnen gelagerten Eis hinzugefügt.

Wie hat die Abkühlung des Mediums begonnen?

Die Kühlung eines Mediums kann durch verschiedene Methoden erreicht werden:

Chemisch und physikalisch

Im ersten Fall handelt es sich um endotherme Reaktionen, bei denen die Kombination zweier oder mehrerer chemischer Verbindungen, die miteinander reagieren sollen, externe Energie absorbiert, wodurch die Temperatur sinkt. Zum Beispiel Mischungen von Wasser mit Natrium- und Kaliumnitrat oder eine andere sehr interessante Mischung aus Eis und Salz.

So erfand die Amerikanerin Nancy Johnson 1843 die erste Eismaschine mit Handkurbel. Es handelte sich um einen zylindrischen Holzkorb, in dem sich ein Metalltopf befand. In den Zwischenraum zwischen dem Holzkorb und dem Topf wurde ein Gemisch aus Eis und Natriumchlorid gefüllt, das die Aufgabe hatte, die Wände des Topfes auf Temperaturen von -16 ºC abzukühlen und so ein ausgezeichnetes Speiseeis zu erhalten.

Die ersten Anwendungen waren jedoch schon früher zu finden und gehen auf das 16. Jahrhundert zurück. Blas Villafranca, ein in Rom ansässiger spanischer Arzt, kühlte bereits Getränke mit Kältemittelmischungen.

Die wissenschaftliche Entwicklung dieser Technik im 17. Jahrhundert ist Robert Boyle und dem Astronomen Philippe Laire zu verdanken. Im Jahr 1715 fixierte Daniel Fahrenheit das Thermometer mit einer Mischung aus Schnee und Ammoniumnitrat. Später, im Jahr 1760, gelang es einem Wissenschaftler namens von Braun, Quecksilber auf -40 °C einzufrieren.

Physikalische Prozesse

Bei diesen Prozessen wird die latente Verdampfungswärme genutzt, um, wie es umgangssprachlich heißt, “Kälte zu erzeugen”.

Dem Arzt und Chemiker William Cullen soll es 1748 gelungen sein, Eis zu erzeugen, indem er Äthyläther in die Atmosphäre verdampfte. Aufgrund der hochexplosiven Eigenschaften dieser Verbindung kam es durch die freigesetzten Dämpfe zu zahlreichen Unfällen.

Michael Faraday experimentierte mit der Verflüssigung und Verdampfung anderer Gase, darunter das weit verbreitete Kohlendioxid (R744).

Später wurden andere Kältemittel verwendet, wie z. B.:

• Propan, jetzt bekannt als R290.
• Butan (R600a), das heute in vielen Haushaltskühlschränken verwendet wird.
• Ammoniak R717.

Dazu ist zu sagen, dass bei diesen Prozessen der bei der Abkühlung entstehende Dampf an die Atmosphäre abgegeben wird.

Wie sind die ersten Kühlsysteme entstanden?

Wiederum ein Arzt, John Gorrie, mit dem Ziel, die Zimmer von Gelbfieberpatienten zu kühlen. Im Jahr 1842 entwickelte und baute er das erste System mit geschlossenem Kreislauf. Dieses System basierte auf der mechanischen Wiederverdichtung von verdampften kühlenden Gasen, und 1851 erhielt er ein Patent für eine Eismaschine.

In allen Kälteanlagen mit geschlossenem Kreislauf, die Kältemittel verwenden, soll ein Druckabfall erreicht werden, der die Expansion des flüssigen Kältemittels ermöglicht. Dieser Unterdruck kann entweder in der Ansaugphase eines Zyklus mit einem mechanischen Kompressor oder durch Absorption eines Dampfes mit Hilfe einer absorbierenden Substanz erreicht werden.

Die ersten Eisproduktionssysteme wurden mit Hilfe einer von Ferdinand Carré Mitte des 19. Jahrhunderts entwickelten Absorptionsmaschine entwickelt. Diese letzteren Systeme waren konzeptionell einfacher und benötigten keine elektrische Energie für den Betrieb. Die Energie für die Regeneration der Absorptionsflüssigkeit (Wasser) und die Freisetzung der Kältemittelflüssigkeit (Ammoniak) wurde durch Dampf bereitgestellt.

Dieses System wurde mit verschiedenen Varianten und Verbesserungen bis 1950 weitergeführt, bis es aufgrund seiner geringeren Effizienz im Vergleich zur mechanischen Kompression eingestellt wurde.

Aufgrund der Möglichkeit, alternative Energien wie Abwärme oder Sonnenenergie zu nutzen, wurden sie jedoch mit anderen Systemen wie Wasser oder Lithiumbromid in Übertemperatursystemen wieder eingeführt. Auf diese Weise wurden die ersten Systeme in der Geschichte der Kältetechnik geschaffen.

Was die mechanischen Kompressionssysteme betrifft, so ließ Jacob Perkins 1834 die erste Eismaschine patentieren. Dabei handelt es sich um ein Kältesystem, das auf Kompression, Expansion, Verdampfung und Kondensation beruht und Ethylether als Kältemittel verwendet. Aufgrund der breiten Verfügbarkeit von billigem Natureis aus den USA war das Projekt jedoch kommerziell nicht erfolgreich.

Auf dieser Grundlage entwickelte der französische Ingenieur Charles Tellier, aufbauend auf früheren Arbeiten, die erste industrielle Kältemaschine mit Methylether. Ursprünglich für die Herstellung von Eis gedacht, wurde die Erfindung sofort für den Bau von Kühlanlagen zur Konservierung von Lebensmitteln unter Verwendung von Ammoniak als Kältemittel verwendet. Dieses System funktionierte erfolgreich in der Schokoladenfabrik Menier in Paris.

Carl von Linde, der von den vorangegangenen Studien profitieren konnte, stellte 1875 seine erste Kompressionsmaschine mit Methylalkohol als Kältemittel her. Ein Jahr später stellte er sein erstes Kompressionssystem mit Ammoniak als Kältemittel her. Im Jahr 1877 ersetzte er den ursprünglichen vertikalen Kompressor durch einen horizontalen, doppelt wirkenden Kompressor. Einige Jahre später verwendeten 75 % der Eisproduzenten in den USA Maschinen mit demselben System.

Wie hat sich die Kältetechnik verbreitet?

Einer der ersten Haushaltskühlschränke war der Audiffren von General Electric aus dem Jahr 1911, der auf den Studien eines französischen Mönchs namens Marcel Audiffren beruhte. Diese Kühlschränke verwendeten Schwefeldioxid als Kältemittel und einen hermetischen Kompressor.

Es gibt auch ein anderes Gerät, das Fred W. Wolf (1913) zugeschrieben und unter dem Markennamen Domelere vermarktet wird. Der Preis war exorbitant, fast 1000 Dollar zu dieser Zeit, doppelt so viel wie ein Ford T. 1918 begannen Frigidaire und Kelvinator mit der industriellen Produktion, indem sie die ursprüngliche Struktur abänderten, wobei letztere Firma einen Thermostat zur Temperaturregelung hinzufügte. Die Monoblock-Bauweise ließ noch einige Jahre auf sich warten, obwohl trotz der Gefahr des Auslaufens der bis dahin verwendeten Kältemittelgase bereits mehr als eine Million Geräte verkauft worden waren. Die verwendeten Kältemittelgase wie Methylformiat, Schwefeldioxid oder Schwefeldioxid waren giftig, ätzend und brennbar.

Der große Anstoß für die Einführung von Haushaltskühlschränken kam 1931, als DuPont FCKW, besser bekannt als “Freone”, als Kältemittelgase einführte. Alle bis dahin verwendeten Kältemittelgase waren größtenteils giftig, giftig und hatten einen sehr hohen Explosionsindex. Im Falle von CO2 arbeiteten sie mit sehr hohem Druck. Dieser Beitrag eröffnete seinerzeit die Möglichkeit, Haushaltskälteanlagen praktisch risikofrei zu machen, mit Abmessungen und Kosten, die für amerikanische Familien der Mittelklasse erschwinglich waren. So kam es zur Einführung der Haushaltskühlung in weiten Teilen der Welt.

Evolution und Entwicklung

Wie immer in der Geschichte der Kältetechnik ermöglichte die wissenschaftliche Entwicklung ihre Weiterentwicklung und Umsetzung.

In diesem Fall waren die ausschlaggebenden Faktoren das Aufkommen der Dampfmaschine und ihre anschließende Umsetzung in Stromerzeugungssysteme und deren Verteilung, insbesondere in städtischen Gebieten. Aber es war das Aufkommen der Elektrizität, das der Entwicklung und dem Einsatz von mechanischen Kompressionskältesystemen den größten Auftrieb verlieh.

Der erste Kühlschrank kam 1952 in Spanien auf den Markt. Ich weiß nicht, wie viel er kostete, aber 1962 kostete ein Kühlschrank in Spanien 11.000 Peseten, als das Durchschnittsgehalt etwa 3.000 Peseten betrug.

Was geschieht mit den Freonen?

Die Freone, die der Entwicklung der Kältetechnik, insbesondere der gewerblichen und häuslichen Kühlung, so viele Vorteile gebracht haben, haben sich aus zwei Gründen als umweltschädlich erwiesen:

Das Vorhandensein von Chlor in ihren Formulierungen schädigt die Ozonschicht ernsthaft, und auch viele der kürzlich eingeführten HFKWs haben aufgrund des Vorhandenseins von Kohlenstoffmolekülen einen hohen Treibhauseffekt.

1987 wurde das Montrealer Protokoll zum Ausstieg aus den Fluorchlorkohlenwasserstoffen (FCKW) und den teilhalogenierten Fluorchlorkohlenwasserstoffen (H-FCKW) ausgearbeitet.

Das Kyoto-Protokoll von 1997 enthält eine rechtsverbindliche Verpflichtung zur Reduzierung oder Begrenzung von Emissionen. Es trat im Februar 2005 in Kraft und sieht für die wichtigsten Industrie- und Schwellenländer eine Nettoverringerung der Treibhausgasemissionen sowie einen Zeitplan für die Einhaltung vor.

Daraufhin trat das Pariser Protokoll in Kraft, dessen Ziel es ist, die globale Erwärmung auf weniger als 2°C, vorzugsweise 1,5 °C, gegenüber dem vorindustriellen Niveau zu begrenzen.

Auf europäischer Ebene gibt es das so genannte F-Gas, das mit den sukzessiven Entwicklungen und Vorschlägen für Rechtsvorschriften, die derzeit geprüft werden, darauf abzielt, die Verwendung von halogenierten Gasen in neu gebauten Geräten ab 2025 praktisch zu eliminieren.

Die Kältetechnikindustrie reagiert auf diese Herausforderung mit der Entwicklung natürlicher Kältemittelgase mit einem GWP-Wert von nahezu Null. Gleichzeitig wird der Gehalt an Kältemittelgasen in Kühlsystemen reduziert.

Intarcon richtet seine künftige Produktion auf Gase wie Ammoniak und Propan (R290) mit extrem hohen Leistungsmerkmalen und Betrieb bei reduzierten Drücken aus, ohne Kohlendioxid für Tieftemperaturanwendungen auszuschließen.