KE 5/2010, s. 30: Energian säästöä uudentyyppisellä kylmänhallintaratkaisulla

Seinäjoen ammattikorkeakoulussa on paneuduttu kylmänhallinnan tutkimukseen vuodesta 2006 alkaen. Elintarviketeollisuuden kylmänhallintaan liittyviä tutkimushankkeita on toteutettu ja parhaillaan on useita käynnissä. Niissä selvitetään kylmätiloissa tapahtuvan elintarvikkeiden käsittelyn yksityiskohtia. Tutkimushankkeiden tavoitteena on saavuttaa energian säästöjä elintarviketurvallisuuden siitä kärsimättä.

Erityisesti eläinperäisten tuotteiden kohdalla kylmäketjun katkeamattomuus on tuoteturvallisuuden kannalta keskeistä. Eläinperäisten tuotteiden korkeimmat sallitut käsittelyaikaiset lämpötilat vaihtelevat välillä 4–6 °C.

Lämpötilaa pyritään nykyisin hallitsemaan pääasiassa kahta menetelmää hyödyntäen. Ensiksi raaka-aine jäähdytetään mahdollisimman matalaan lämpötilaan. Tämän jälkeen käsittelytilan lämpötilaa säädetään riittävän matalaksi, jotta käsittelylinjaston aikana tuote ei lämpenisi sallittua korkeampaan lämpötilaan. Koko käsittelytilan jäähdyttäminen kuluttaa kuitenkin energiaa erityisesti kesäaikaan, ja käsittelytilan matala lämpötila asettaa tilassa käytetyille materiaaleille suuret vaatimukset.

Kylmätilojen ilman suhteellinen kosteus on niin suuri, että kaikkien laitteiden ja rakenteiden pinnoilla on käytännöllisesti katsoen jatkuvasti ohut vesikerros, joten metallien korroosionkestävyyteen pitää panostaa. Käytännössä korroosio-ongelmaan on pyritty vastaamaan käyttämällä materiaalikustannuksiltaan kalliita ruostumattomia teräksiä. Myös muovien kestävyys kylmissä ja kosteissa olosuhteissa saattaa olla heikkoa. Tämä johtuu siitä, että osa muoveista haurastuu matalissa lämpötiloissa ja toisiin muoveihin imeytyy vettä kosteassa ilmassa.

Ratkaisumalleja elintarvikkeiden kylmänhallintaan

Materiaaliongelmien ohella elintarvikkeiden käsittelytilan kylmä lämpötila aiheuttaa inhimillisiä ongelmia. Työn tekeminen kylmässä ja kosteassa ilmassa on työntekijöiden terveydelle haitallista. Yrityksille tästä seuraa kustannuksia, koska sairauspoissaoloja on tavallista enemmän. Sekä materiaali- että työhyvinvointisyistä elintarvikkeiden käsittelytilojen lämpötilaa olisi hyvä nostaa nykyisestä. Myöskään lainsäädäntö ei aseta lämpötilan nostamiselle esteitä, mutta tuotteiden lämpötila täytyy pitää matalana.

Tutkimusten tavoitteena on ollut löytää vaihtoehtoisia teknisiä ratkaisuja tuotteiden lämpötilan hallinnalle. Tuotteiden lämpötilan hallinnassa on syytä tuntea lämmönsiirron kannalta keskeiset mekanismit, mikäli tuotteiden lämpötilaan halutaan vaikuttaa muutenkin kuin koko tuotantotilan lämpötilaa säätämällä. Kunkin mekanismin merkitys tuotteen lämpötilaan on lisäksi kyettävä erittelemään käsittelyprosessin aikana.

Tutkimuksissa on jo kyetty erittelemään niitä ratkaisumalleja, joihin kannattaa tulevissa tutkimuksissa keskittyä. Tarkemmin ratkaisumalleista ja mallien yksityiskohdista ei vielä tutkimuksellisista syistä voida kuitenkaan kirjoittaa.

Tutkimusprojekteissa on perehdytty tuotteiden lämpenemisen fysiikkaan laboratoriokokeiden ja matemaattisen mallintamisen myötä. Kokeissa tuotteen lämpötilaa havainnoitiin erilaisilla lämpömittareilla, myös lämpökameralla.

Oheisessa kuvassa on esimerkki erään tarkastellun tuotteen lämpötilaprofiilista yhden laboratoriokokeen aikana. Kuvasta voidaan havaita, että tuotteen lämpötila ei suinkaan ole tasainen, vaan ohuemmat kohdat lämpenevät paksumpia kohtia nopeammin. Myös tähän seikkaan on kiinnitettävä huomiota kylmänhallinnan ratkaisuja mietittäessä.

Yksi laboratoriokokeissa tarkastelluista tuotteista lämpötilaprofiilimittauksessa. Kokeessa pidettiin tuotteen ympäristön olosuhteet vakioina ja seurattiin tuotteen lämpenemistä lämpökameralla. Vasemmalla on tuotteen valokuva ja oikealla lämpökamerakuva tuotteesta lämpenemiskokeen yhteydessä.

Kylmätilan lämpötila vaikuttaa myös tilojen hygieniaan

Tuotteiden kylmänhallinnan ohella tutkimuksissa on kiinnitetty huomiota myös tuotantotilojen hygieniaan. Nykyisin kylmätilojen ilman suhteellinen kosteus on varsin suuri. Erityisesti kesäaikaan, ulkolämpötilan ollessa korkea, kylmätilojen ilman suhteellinen kosteus saattaa olla hyvin lähellä sataa prosenttia, ja veden kondensoituminen tilan rakenteisiin ja kylmäpattereihin on ilmeistä. Jos käsittelytilan lämpötilaa nostetaan, ilman kosteuteen liittyvät ongelmat muuttavat luonnettaan.

Nykyisin pinnoille kondensoituva vesi toimii potentiaalisena mikrobikasvustoa lisäävänä tekijänä, mutta matalan lämpötilan vuoksi mikrobikasvuston kasvuvauhti on kuitenkin hyvin hidasta. Tilan lämpötilan nostaminen lisäisi mikrobikasvustojen kasvuvauhtia, mutta samanaikaisesti vähentäisi pinnoilla olevan kosteuden määrää.
Hyvin samankaltainen tilanne on tiloissa käytettävien metallien korroosiolla.

Lämpötilan nostaminen lisää korroosioreaktion nopeutta, mutta pinnoilla olevan kosteuden väheneminen pienentää korroosion kannalta keskeisen elektrolyyttinä toimivan veden määrää pinnoilla. Näihin seikkoihin on myös kiinnitettävä huomiota uudentyyppisiä kylmänhallintamenetelmiä arvioitaessa.

Lisätutkimuksien myötä teknisiin ratkaisuihin

Tutkimuksissa on saatu varsin hyvä kuva tuotteiden lämpenemisen fysikaalisesta ilmiömaailmasta. Myös erilaisia teknisiä ratkaisumalleja on ideoitu, mutta uusien kylmänhallintamenetelmien käyttöönotto teollisissa tuotantolaitoksissa vaatii vielä lisätutkimuksia. Jotta menetelmät osoittautuvat taloudellisesti kannattaviksi ja toimivia teknisiä ratkaisuja löydetään, tarvitaan vielä lisää sekä teoreettista tutkimusta että laboratoriokokeita.

Toivottavasti tulevaisuudessa kylmänhallinnalla pystytään entisestään parantamaan ja varmistamaan elintarvikkeiden korkeaa laatua, säästämään muun muassa energiakustannuksissa sekä inhimillistämään tuotantolaitosten työskentelyolosuhteita. Tuloksissa saattaa olla myös tieteellisesti merkittäviä tai patentilla suojattavissa olevia teknisiä ratkaisuja. Tästä syystä tulosten julkistaminen tapahtuu vasta myöhemmin tutkimusten valmistuttua.

TkT Pasi Junell
SeAMK Tekniikka
pasi.junell(at)seamk.fi

********************************

Seinäjoen ammattikorkeakoulussa tutkimuspainotteista kylmänhallintakoulutusta

Seinäjoen ammattikorkeakoulun Tekniikan yksikön tutkimuspainotteinen kylmänhallintakokonaisuus käynnistyi vuonna 2006. Kokonaisuuden ydinaiheena ovat eläinperäisten tuotteiden lämpötilan hallinnan fysikaalinen ilmiömaailma ja hallintaan tarvittavat tekniset ratkaisut.

Ydinaiheeseen läheisesti liitoksissa ovat elintarviketeollisuudessa käytetyt materiaaliratkaisut sekä hygienian ja korroosion hallinta. Lisäksi kokonaisuuteen kuuluu elintarvikkeiden pakastamiseen liittyvää tutkimusta sekä pakastamisen ja kylmänhallinnan rajapinnan tutkimusta.

Kaikissa kylmänhallintakokonaisuuden tutkimushankkeissa on tehty tiivistä yhteistyötä elintarvikealan yritysten kanssa. Tutkimusta on tehty lähinnä alan teollisuudesta nousseiden kysymysten pohjalta.

Kylmänhallintakokonaisuuteen liittyy myös voimakas koulutuksellinen ulottuvuus. Tutkimushankkeisiin liittyvien tehtävien parissa on työskennellyt Seinäjoen ammattikorkeakoulun Tekniikan yksikön Bio- ja elintarviketekniikan koulutusohjelman tutkinto- ja vaihto-opiskelijoita. Tutkimuksen myötä on käynnistynyt myös kolme yritysten henkilökunnille suunnattua koulutushanketta. Oheinen kuva havainnollistaa kokonaisuuteen kuuluvien projektien keskeisintä asiasisältöä ja keskinäistä suhdetta.