Wirtschaftliche und umweltfreundliche Eigenerzeugung von lebensmitteltauglichem Stickstoffgas

Dieser Artikel befasst sich mit der Substitution von zugekauftem durch selbst erzeugten lebensmitteltauglichen Stickstoff.

Die derzeitigen schwierigen wirtschaftlichen Bedingungen haben dazu geführt, dass sich immer mehr Firmenleitungen damit befassen, nicht nur im eigentlichen Herstellprozess Energie zu sparen, sondern mit Modernisierungsmaßnahmen auch im Bereich der Hilfsenergien Optimierungen vorzunehmen.

Herausforderungen bei der Lebensmittelproduktion und -konservierung
Die Erwartungen der Verbraucher an qualitativ hochwertige, gesunde und natürlich erzeugte Lebensmittel sind in den vergangenen Jahren immer weiter angestiegen, was zu immer höheren Anforderungen an Hersteller und Verpackungsunternehmen führt. Alle Produzenten müssen eine Reihe strenger gesetzlicher Anforderungen erfüllen, während sie angesichts steigender Kosten und Problemen in der Lieferkette ein hervorragendes Preis-Leistungs-Verhältnis bieten müssen.



Mikrobielle Verunreinigung

Darüber hinaus möchte die Öffentlichkeit mehr denn je über die Herkunft, Sicherheit und Umweltauswirkungen von Konservierungsstoffen wissen. Lebensmittelhersteller sind gezwungen, nach für den Verbraucher akzeptableren alternativen Konservierungsmethoden zu suchen.

Um künstliche Konservierungsstoffe zu vermeiden werden während des gesamten Herstellungsprozesses Gase wie Stickstoff und Kohlendioxid verwendet, um Lebensmittel und Getränke vor Verderbnisprozessen zu schützen.

Stickstoff ist ein farb- und geruchloses, natürliches Gas und zu über 78 % Bestandteil der Erdatmosphäre. Es wirkt sich nicht auf Eigenschaften der Lebensmittel aus und hinterlässt keine schädlichen Rückstände. Zusammen mit der Einhaltung der Hygienevorschriften während der Lagerung, Verarbeitung und Verpackung von Lebensmitteln wird durch Stickstoff die Haltbarkeit verlängert. Stickstoff reduziert Abfall, spart Geld, schont die Umwelt und steigert die Kundenzufriedenheit.



Enzymatische Bräunung

Was ist lebensmittelechter Stickstoff?
Stickstoffgas als Lebensmittelzusatzstoff wird innerhalb der Europäischen Union als E-941 gekennzeichnet und unterliegt sehr strengen gesetzlichen Vorschriften, die unter anderem vom Europäischen Industriegaseverband (EIGA) erarbeitet wurden.

In den EIGA-Dokumenten 125/18 und 194/15 (unter www.eiga.eu) werden die Einzelheiten der Reinheitsspezifikation für Stickstoff E-941 wie folgt beschrieben:

• Stickstoff einschließlich Edelgase (hauptsächlich Argon) ≥ 99 %(V)
• Sauerstoff ≤ 1 %(V)
• Wasser ≤ 0,05 %(V)

Verunreinigungen:

• Kohlenmonoxid ≤10 ppm(V)
• Methan und andere Kohlenwasserstoffe (wie Methan) ≤100 ppm(V)
• Stickstoffmonoxid und Stickstoffdioxid ≤ 10 ppm(V)

Optionen für die Versorgung mit lebensmittelechtem Stickstoff
Der Großteil der Stickstofferzeugung erfolgt bisher durch die kryogene Zerlegung von Luft in einer Luftzerlegungsanlage in flüssiger Form und wird direkt flüssig in Tanks oder in Form von Hochdruckflaschen gasförmig per LKW geliefert.



Parker NITROSource PSA-Stickstoffgeneratoren und SMARTFLUXX-Hohlfasermembranmodule

Alternativ gibt es seit etwa 50 Jahren die Möglichkeit, lebensmittelechtes Stickstoffgas mittels Stickstoffgenerator vor Ort aus Druckluft herzustellen: Die Hohlfasermembran und die Druckwechseladsorption (PSA).

Die Hohlfasermembran nutzt Tausende von kleinen halmartigen Röhren, mit denen Stickstoff und Sauerstoff über unterschiedliche Diffusionsgeschwindigkeiten getrennt und aufgefangen werden.




Bei der Druckwechseladsorption werden mit Kohlenstoffmolekularsieb (CMS) gefüllte Behälter wechselseitig mit Druckluft beaufschlagt. Die etwas kleineren Sauerstoffmoleküle werden unter Druck adsorbiert, wohingegen die größeren Stickstoffmoleküle durchgelassen werden. Während der unter Druck befindliche Behälter Stickstoff produziert wird gleichzeitig der drucklose Behälter regeneriert und der Sauerstoff aus dem Prozess entfernt. Durch diese Druckwechseladsorption wird kontinuierlich Stickstoffgas erzeugt.

Da die PSA-Technologie weniger Druckluft benötigt ist sie in der Regel die bevorzugte Wahl zur Produktion von lebensmitteltauglichem Stickstoff.



Betrieb von Hohlfasermembranmodulen

Auswirkungen der Stickstoffversorgung auf die Umwelt
Nach den von der EIGA im Positionspapier PP33/2019 veröffentlichten Daten beträgt der spezifische Energieverbrauch einer Luftzerlegungsanlage zur Erzeugung von einer Tonne Flüssigstickstoff 549 kWh. Eine Tonne Flüssigstickstoff verdampft und erzeugt 861 Kubikmeter Gas unter atmosphärischen Bedingungen. Der CO2-Ausstoß betrug gemäß Statista im Jahre 2020 für den deutschen Strommix 420 g/kWh, also etwa 268 g CO2 je m³ Stickstoff. (549 / 861 * 420 = 268 [g/m³]).




Zum Vergleich: Nach internen Berechnungen von Parker beträgt die elektrische Energie zur Erzeugung des gleichen 861 m3 Stickstoffgases mit der PSA-Technologie bei einem Restsauerstoffgehalt von maximal 0,5 % in Lebensmittelqualität mit einem handelsüblichen Druckluftkompressor etwa 240 kW, also weniger als die Hälfte der bei der kryogenen Erzeugung verbrauchten Energie. Anders ausgedrückt: es werden rund 56% CO2-Emissionen eingespart.



Betrieb eines PSA-Stickstoffgenerators

Darüber hinaus steht der selbst erzeugte Stickstoff bereits am Verbrauchsort zur Verfügung, während kryogener Stickstoff zusätzlich mit LKWs angeliefert werden muss. Pro km Strecke emittieren moderne Sattelzüge etwa 0,8 kg CO2, die hinzugerechnet werden müssen.



Komponenten von links nach rechts: werkseitiger Druckluftkompressor, Luftbehälter, Druckluftaufbereitung für Lebensmittel, Getränke und Pharmazeutika, Stickstoffgenerator und Pufferbehälter, Speicherbehälter.

Eine beispielhafte Berechnung ergibt das folgende Bild:

• Kryogene Erzeugung und Anlieferung von 10000 m³ Stickstoff bei 50 km Wegstrecke: 10000 m³ * 0,268 kg/m³ + 50 km * 0,8 kg/km = 2720 kg CO2
• Eigenerzeugung von 10000 m³ Stickstoff mit Parker PSA-Stickstoffgenerator: 10000 m³ * 0,118 kg/m³ = 1180 kg CO2

Die Reinheit des Stickstoffgases im Vergleich zum Restsauerstoff in der Packung
Eine häufig geäußerte Befürchtung ist, dass mit selbst erzeugtem Stickstoff nicht der gleiche Sauerstoffgehalt in der Packung erreicht werden kann wie mit Flüssigstickstoff, da dieser weniger Sauerstoff enthält. In der Praxis ist dies jedoch nicht der Fall. Im Verpackungsprozess wird immer ein kleiner Anteil Luftsauerstoff durch das Produkt und Strömungs- sowie Diffusionsprozesse in die Verpackung gezogen. Je geringer der Sauerstoffgehalt des Spülgases ist, desto höher ist das Bestreben der Sauerstoffmoleküle, wieder in die Verpackung zu gelangen. Daher wird als wirtschaftlich und technisch sinnvoller Zielwert meist zwischen 1% und 4% Restsauerstoff vorgegeben.




Zum Nachweis der Tauglichkeit der Stickstoffgeneratoren wurden von Parker daher Versuchsreihen mit unterschiedlichen Restsauerstoffgehalten (0,001% / 0,1% / 0,5% Sauerstoff) auf einer Verpackungslinie für Kaffee durchgeführt und analysiert, ob der Zielwert von 2% Sauerstoff in der Packung eingehalten werden konnte. Die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle dargestellt.

Die Testergebnisse zeigen, dass der Unterschied zwischen der Verwendung von Flüssigstickstoff und vor Ort erzeugtem Gas vernachlässigbar ist, solange der Sauerstoffgehalt im Spülgas ausreichend weit entfernt vom Zielwert ist.

Darüber hinaus wurden an den Rückstellungsproben aus der Versuchsreihe Vergleiche der Haltbarkeit, des Geschmacks und des Aromas durchgeführt, die bestätigen, dass es bei der Verwendung von vor Ort erzeugtem Gas zu keinerlei Beeinträchtigung der Produktqualität kam.

Zusammengefasst lässt sich aussagen, dass bei der Substitution von Flüssigstickstoff durch eigenerzeugten Stickstoff keine negativen Auswirkungen zu erwarten sind.

www.parker.com

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