Bei der Lebensmittelverarbeitung vermindert eine hohe Produktviskosität den Wirkungsgrad von Pumpen und Wärmetauschern, was den Durchsatz reduziert. Das gilt zum Beispiel für die Pasteurisierung von dickflüssigem Orangensaftkonzentrat. Gegensteuern lässt sich mit dem gleichzeitigen Einsatz eines leistungsstarken Plattenwärmetauschers und einer Drehkolben-Förderpumpe. Verglichen mit konventionellen Lösungen sinkt der Energieverbrauch um bis zu ein Viertel.
Je nach Fruchtsorte und Zielmarkt gehen viele Säfte zur Senkung der Transportkosten als Konzentrat in den Export. Von den weltweit 20,6 Millionen Tonnen reinem Fruchtsaft, die 2017 konsumiert wurden, stammten laut dem Marktforschungsunternehmen Euromonitor rund 70 Prozent aus Konzentrat. Zu den Verfahren der Saftkonzentration gehören Vakuumverdampfung, Gefrierkonzentration und Umkehrosmose. Um die Haltbarkeit während des Transports und der Lagerung zu gewährleisten, werden Direktsäfte und Saftkonzentrate pasteurisiert oder wärmebehandelt/ultrahochtemperiert (UHT). Beide Verfahren haben wegen des Energieeinsatzes einen direkten Einfluss auf die Produktionskosten. Zur Senkung des Energieverbrauchs verwenden die meisten Orangensafthersteller gedichtete Plattenwärmetauscher (GPHE – Gasketed Plate Heat Exchangers).
Gedichtete Plattenwärmetauscher sind für den Einsatz bei der Verarbeitung von Flüssigkeiten verschiedenster Konsistenz sehr gut geeignet. Ihre Leistung hängt jedoch stark von der Produktviskosität ab. Aus wirtschaftlicher Sicht ist es daher entscheidend, das Design der Pasteurisierung mit den Plattenwärmetauschern an die jeweiligen Säfte anzupassen.
Bei einer schonenden Wärmebehandlung wie der Fruchtsaftpasteurisierung erfolgt der Energieverbrauch auf zwei Ebenen. Zum einen nutzt die Förderpumpe Strom, um den für den Betrieb des Wärmetauschers erforderlichen Durchfluss und Druck herzustellen. Zum anderen erwärmt der Wärmetauscher selbst den Saft mit Dampf oder Heißwasser und benötigt anschließend kaltes Wasser zur Kühlung.
Der Wärmetauscher ist in drei Sektionen unterteilt, die zur Pasteurisierung, zur Wärmerückgewinnung und zur Kühlung dienen. Während der Pasteurisierung erwärmt der GPHE den Saft, um Mikroorganismen abzutöten. Danach wird der Saft im Regenerationsabschnitt gekühlt, indem die Wärme auf den in den GPHE eintretenden Kaltsaft übertragen wird. Die zusätzlichen Heiz- und Kühlstrecken kompensieren den Energieverlust. Der Wärmerückgewinnungsgrad eines GPHE entspricht dem Prozentsatz der rückgewonnenen Energie und liegt bei Saftanwendungen meist im Bereich von 60-85 Prozent. Durch Hinzufügen oder Entfernen von Platten in der Wärmerückgewinnung lässt sich der Regenerationskoeffizient steuern.
Das Strömungsprofil im Wärmetauscher ist ein weiterer wesentlicher Parameter der Energieeffizienz. Ist das Profil laminar, bewegen sich Flüssigkeiten in Schichten parallel zur Verschieberichtung, was zu einer nicht optimalen Wärmeübertragung zwischen Flüssigkeit und dem Heizmedium führt. Turbulente Strömungen führen hingegen zu einer wesentlich effizienteren Wärmeübertragung. Ist die Viskosität der Flüssigkeit hoch, wird die Strömung laminarer, während bei hoher Flüssigkeitsgeschwindigkeit die Strömung turbulenter wird.
Abhängig von verschiedenen Faktoren wie Fruchtsorte, Extraktionsmethode, Fruchtfasern und dem Konzentrationsgrad kann die Viskosität von Säften und Saftkonzentraten stark variieren. In einer Pasteurisierungsanlage für Dünnsäfte erzeugt die Behandlung viskoser Produkte wie Konzentrate oder Nektare eine laminare Strömung mit ungünstiger Wärmeübertragung. Die Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit kann eine turbulente Strömung erzeugen und aufrechterhalten, um eine hohe Wärmeübertragungseffizienz zu erreichen. Durch Einstellen der Plattenanzahl im Wärmetauscher lassen sich der Druckabfall und damit die Strömungsgeschwindigkeit erhöhen. Entscheidend ist dabei die Auswahl des Pumpentyps. Bei Fluiden mit Viskositäten über 100 cP ist das Verhältnis zwischen Druckabfall (oder Fluidgeschwindigkeit) und Leistungsaufnahme bei konstanter Strömung bei einer Drehkolbenpumpe linear.
