Bäckerei- und Getreidetechnologie Vergleich verschiedener Bake-Off Technologien unter energetischen Aspekten in der Backwarenherstellung Arbeitsgemeinschaft

Bäckerei- und Getreidetechnologie

Vergleich verschiedener Bake-OffTechnologien unter energetischen Aspekten in der Backwarenherstellung

Arbeitsgemeinschaft Getreideforschung e. V.59. Tagung für Bäckerei-Technologie

vom 4. - 6. November 2008 in Detmold

Klaus Lösche, Thomas Park, Patrick Soltermann, Marta Macias & Benjamin Börsmann


Projektpartner im EU-Freshbake Projekt


0200400600800

100012001400

spez.

Energ

ie

[Wh/kg]

Chilling

Freezing

Canning

DryingBread Baking

Energieverbrauch in der Lebensmitteltechnologie

Quelle: Chen. C.S., Lebensm.-Wiss.U. Technol., 18, 192-196, 1985


Strompreisentwicklung


Kältetechnik

q Schmelzwärmer Verdampfungswärme1 Eis2 Eis und Wasser3 Wasser4 Wasser und Wasserdampf (Nassdampf)5 überhitzter Wasserdampf


Bake-Off-Technologien

Par-baked Frozen

Par-baked Unfrozen

Fully-baked Frozen

Unfermented Frozen Dough

Prefermented Frozen

Standard Process - Reference

PBF PBF

PBUF PBUF

FBFFBF

UFDUFD

PFFPFF

SP-RSP-R


Übersicht der verwendeten Rezepturen im Projekt

Standard FBF PBF PBUF UFD PFF PFF -improved

Angaben in %

Weizenmehl 100 100 100 100 100 100 100

Wasser 58 58 58 58 58 55 57

Hefe 3 3 3 3 3 3 3

Salz 1,8 1,8 1,8 1,8 1,8 1,8 1,8

Backmittel, standard

1 1 1 1 3

Backmittel,PFF

2 2

Gluten 2

Volumenfaktor 4,0 4,0 3,6 3,6 4,0 3,0 3,0


Fließschema Standard Process – Reference SP-R

Dosierung Rohstoffe

mischen/kneten

Stückgare AbbackenAbpressen

Teigruheabwiegen/rundwirken

Ballengare

Elektrische Arbeit [Wh]Elektrische Arbeit [Wh]






Fließschema Unfermented Frozen (UFD)

Dosierung Rohstoffe

mischen/kneten

Schockfrosten-30°C

Verpacken

AbpressenTeigruheabwiegen/rundwirken

Ballengare



Lagern (-18°C;4h)

Auftauen AbbackenStückgare







Fließschema Prefermented Frozen (PFF)

Dosierung Rohstoffe

mischen/kneten

StückgareSchockfrosten

(-35°C)

AbpressenTeigruheabwiegen/rundwirken

Stückgare



Lagern (-18°C; 4h)

Auftauen Abbacken



Verpacken






Messanordnung für die Energiebestimmung

Messung der Wirkleistung

Messinstrument für Stromverbrauch UMG 503 (Universal Measuring Device)

Stromanschluß erfolgt am UMG (Schwarzes Kabel)

Anschluß des Verbrauchers (z.B. Kneter) am UMG (Weisses Kabel)

Datenspeicherung der Leistung erfolgt im UMG und wird zum Abschluß der Messung ausgelesen


Definition der Energiemessung

Messgröße : Wirkleistung P [Watt = Joule/sek]– elektrische Leistung, die für die Umwandlung in andere Leistungen

(z. B. thermische ) verfügbar ist – Produkt aus Stromspannung U [Volt] und Stromstärke I [Ampere]

– Bei veränderlichen Werten ist die Wirkleistung der arithmetische Mittelwert der Augenblicksleistung p

– gemessene Größe: mittlere Wirkleistung pro 5 Sekunden [Joule/5sek]

Antwortgröße : Stromverbrauch Wattstunde [Wh]

– mittlere Wirkleistung (Joule/5sek)*5sek = Arbeit [J] = Wattsekunde [Ws]

– 3600 Wattsekunden [Ws] = 1 Wattstunde [Wh]– Ws/3600=Wh

5*

3600W Wh

*P U I


Kerntemperaturmesssung am Teigling: Charakterisierung von Wärmetransport-Prozessen

• Vier Temperaturfühler (Ni-Cr Widerstands-Meßsensor) mittels PTFE (Teflon)-Röhrchen auf Backblech fixiert

• Einsetzbar für Gär-, Schockfrost- und Backprozess

Vorherige Ausmessung der Teiglingshöhe mittels Schieblehre

Höhe der Fühler auf Teiglingsmittelpunkt justierbar

Teiglinge werden mittig auf den Fühler gesetzt


Belegung im Gärschrank

Gärschrank und Schockfroster werden mit zwei Blechen zu je 30 Teiglingen bestückt

Position der Bleche im Stikken sind definiert

Fünfter und Achter Einschub für Teiglinge Sechster Einschub als Ablage für Messtechnik


Berechnungsgrundlage: spezifische Energie

Darstellung als spezifische Energie [Wh/kg Gebäck] In Abhängigkeit vom Prozessschritt erfolgt unterschiedliche Verarbeitungsmenge z.B. Kneter mit 4931g z.B. Gärschrank mit 4200g

Berücksichtigung der Backverluste SP-R,FBF,PBF,PBUF,UFD = 20% PFF, PFF-Improved = 12%

z.B. Schockfroster Unfermented Frozen Dough (UFD) mit 20% Backverlust 4200g Teigeinlage liefern 3360g Gebäck

Gemessener Energieverbrauch bezieht sich auf 3360g Gebäck


Zusammensetzung des Energieaufwands am Beispiel Schockfroster

• Direkte Energie : Energie, die am Teigling geleistet wird– Wärmekapazität– Schmelz- und

Kristallisationsenthalpien

• Indirekte Energie : Energie die an die Umgebung abgeben wird– Wärmeleitfähigkeit– Abhängig von der Laufzeit des

Schockfrostprozesses– Wärmedurchgangskoeffizient– Oberfläche– Durchmesser

Qelektrisch

QIndirekt

QDirekt

Schockfroster

Teiglinge

T1 < T2

T1 < T3

T1=Schockfrostertemperatur

T2=Umgebungstemperatur

T3=Teiglingstemperatur


Energiedaten - Gärprozeß


Spezifischer Energieverbrauch beim Gären

0

200

400

600

800

1000

spez.

Energ

ie

[Wh/k

g]

SP-R FBF PBF PBUF UFD PFF PFF-Improved

GärparameterGärparameter SP-R & FBF & UFD PBF & PBUF PFF & PFF-Improved

Gärtemperatur, Gärtemperatur, SollwertSollwert

35°C35°C 30°C30°C 28°C28°C

Luftfeuchtigkeit, Luftfeuchtigkeit, SollwertSollwert

95%95% 95%95% 85%85%

Gärzeit, Gärzeit, IstwertIstwert

60 min60 min 105 min105 min 60 min60 min

Volumenfaktor,Volumenfaktor,IstwertIstwert

44 44 33


• Verlängerte Gärzeiten durch Reduktion der Temperatur unter Beibehaltung der identischen Volumenzunahme wirkt sich negativ auf den Energieverbrauch aus =>Zunahme des indirekten Energieaufwands

• Reduzierung der Temperatur unter Beibehaltung der Gärzeit unter Hinnahme eines verringerten Volumens wirkt sich positiv auf den Energieverbrauch aus=>Verringerung des indirekten Energieaufwands

• Reduzierte Kerntemperaturen der Teiglinge erhöhen den Energieaufwand=>Zunahme des direkten Energieaufwands

• Reduzierung der Wärmekapazität des Teiges wirkt sich positiv auf den Energieverbrauch aus=>Verringerung des direkten Energieaufwands

Spezifischer Energieverbrauch beim Gären


Energiedaten - Schockfrostprozeß


Spezifischer Energieverbrauch beim Schockfrosten

0

200

400

600

800

1000

1200

spez.

Energ

ie

[Wh/kg]

FBF PBF UFD PFF PFF-Improved

Schockfrost-parameter

FBFn=3

PBFn=3

UFDn=3

PFFn=6

PFF-Improvedn=6

Schockfrost-temperatur

-30°C -30°C -30°C -35°C -35°C

Stopkriterium Kerntemperatur

-18° -18°C -18°C -18°C -18°C

Schockfrostzeit

80min 80min 55min 48min 45min


Spezifischer Energieverbrauch beim Schockfrosten

• Verlängerte Schockfrostzeiten durch Reduktion des Wärmedurchgangskoeffizienten in Folge einer ausgeprägten Porung wirkt sich negativ auf den Energieverbrauch aus =>Zunahme des indirekten Energieaufwands

• Reduzierung der Kristallisationsenthalpien in Folge eines verringerten gefrierbaren Wasseranteils wirkt sich positiv auf den Energieverbrauch aus=>Verringerung des direkten Energieaufwands

• Erhöhte Kerntemperaturen der Teiglinge zu Beginn der Schockfrostung erhöhen den Energieaufwand=>Zunahme des direkten Energieaufwands

• Reduzierung der Wärmekapazität in Folge eines verringerten Wasserranteils des Teiges wirkt sich positiv auf den Energieverbrauch aus (Zusatz von Gluten)=>Verringerung des direkten Energieaufwands


Spezifische Energie verschiedener Bake-off Verfahren im Vergleich

45000

46000

47000

48000

49000

50000

51000

52000

53000

54000


spez.

Energ

ie [

Wh/kg

Gebäck

] fü

r 4 W

och

en

1020

1040

1060

1080

1100

1120

1140

1160

1180

1200

spez.

Energ

ie [

Wh/kg

Gebäck

] fü

r 4 h

Lagern, 4 Wochen Lagern, 4 h

Lagerung bei -18 °C für 4 Stunden bzw. 4 WochenAnnahme: 75% geringere Leistung des Lagerfrosters im Vergleich zum Schockfroster


Spezifische Energiekosten verschiedener Bake-off Verfahren im Vergleich

340

350

360

370

380

390

400


spez

. Ener

gie

kost

en [

Cen

t/kg

G

ebäc

k] für

4 W

och

en

7,47,67,88,08,28,48,68,89,0

spez

. Ener

gie

kost

en [

Cen

t/kg

G

ebäc

k] für

4 h

Lagern, 4 Wochen Lagern, 4 h

Grundpreis 7,43Cent/kWh

Lagerung bei -18 °C für 4 Stunden bzw. 4 WochenAnnahme: 75% geringere Leistung des Lagerfrosters im Vergleich zum Schockfroster


Energiedaten - Backprozess


Temperaturverteilung im Ofen

Mittlerer Temperaturverlauf im MiweCondo beim SP-R-Programm

100

150

200

250

0 200 400 600 800 1000 1200

Zeit [sek]

Tem

pera

tur [

°C]

Sensor A Sensor B Sensor C Sensor DSensor E Sensor F Sensor G Sensor HSensor I Sensor J Sensor K TemperaturprogrammMiwe-Oberhitze Miwe-Unterhitze

Mittlerer Temperaturverlauf im MiweCondo beim PFF-Programm

50

100

150

200

250

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800

Zeit [sek]

Tem

pera

tur [

°C]

Sensor A Sensor B Sensor C Sensor DSensor E Sensor F Sensor G Sensor HSensor I Sensor J Sensor K TemperaturprogrammKlappenöffnung Miwe-Oberhitze Miwe-Unterhitze

Untersuchung der Temperaturverteilung während des Backprogramms

Heizphase Heizphase HeizphaseHeizphase

Energieintensive Heizphasen beim Standard-Backprogramm: ca 500sekEnergieintensive Heizphasen beim PFF-Backprogramm: ca 1400sek

Backprogramme, die Heizphasen beinhalten, wirken sich stark nachteilig auf den Energieverbrauch aus!


Zur Beurteilung des Energieverbrauchs während des Backprozesses wird die Temperaturverteilung während des Backens ermittelt

Verwendeter Etagenofen : MIWE-Condo, maximale Belegung pro Etage mit einem Backblech

Wie zu erwarten, herrscht keine gleichmäßige Temperaturverteilung im Etagenofen, aufgrund der reduzierten isolierenden Wirkung der doppelverglasten Frontklappe Wärmeverluste über Glasklappe!

Temperaturverteilung im Backofen


Spezifischer Energieverbrauch beim Backen

0100200300400500600700800

spez.

Energ

ie

[Wh/k

g]


Backparameter

SP-R;FBF;UFD PBF; PBUF PFF

20min : 230°C; 0,5l 20min : 230°C; 0,5l DampfDampf

3min : 190°C; 0,5l 3min : 190°C; 0,5l DampfDampf

14min : 165°C14min : 165°C

4 min : 160°C; 0,4l 4 min : 160°C; 0,4l DampfDampf

11min : 180°C11min : 180°C

16min : 220°C16min : 220°C

letzten 8 Minuten mit letzten 8 Minuten mit offener Frontklappeoffener Frontklappe

12min: 230°C 12min: 230°C


Energieverbrauch beim Backen

Einflußgrößen des Energieverbrauchs beim Backen: • Heizphasen während des Backprogramms erhöhen den Energieverbrauch überdurchschnittlich

• Auftauphasen wirken sich ebenfalls stark nachteilig auf den Energieverbrauch aus


Spezifische Energie verschiedener Bake-off Verfahren im Vergleich

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

spez.

Energ

ie

[Wh/kg G

ebäck

]


Kneter Gärschrank Schockfroster Lagern Backen

Lagerung bei -18 °C für 4 Stunden im Schockfroster


Spezifische Energiekosten verschiedener Bake-off Verfahren im Vergleich

0

5

10

15

20

25

spez.

Energ

iekost

en

[Cent/

kg G

ebäck

]



Grundpreis 7,43 Cent/kWh

Lagerung bei -18 °C für 4 Stunden im Schockfroster


Bewertung des Energieverbrauchs einzelner Prozessschritte bei der Backwarenherstellung

Gären

Kneten

Schock-frosten

Backen

Energieintensive Produktionsschritte

TK-Lagerung

Zuna

hme

Ener

giev

erbr

auch Abnahm

e

Energieverbrauch


Aussichten: Einflussnahme durch Rezepturbestandteile

0

500

10001500

2000

25003000

spez

. Ener

gie

[W

h/k

g G

ebäc

k]PFF PFF-Improved


Energetische Vorteile der PFF-Improved Rezeptur:• Gärenergie= ca. 30 %• Schockfrostenergie= ca. 28 %

Wasser [%] Gluten [%]

PFF 55 0

PFF-Improved 57 2


Darstellung der Kerntemperaturmessung mit 4 Temperaturfühlern

PFF-Improved-Teiglinge : Kerntemperaturverlauf beim Schockfrosten

-30

-20

-10

0

10

20

30

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500

Zeit [sek]

Tem

per

atu

r [°

C]

1.Frostbereich: Einsetzende Wasserkristallisation

2.Frostbereich: Abgeschlossene Wasserkristallisation

Frostphase: exotherme Wasserkristallisation


Auswertung des Kerntemperaturverlaufs

y = -0,0252x + 30,419

y = -0,0015x - 0,8473

y = -0,0202x + 42,374

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

25

30

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500

Zeit [sek]T

em

pe

ratu

r [°

C]

Ermittlung der Zeitpunkte für beginnende und abgeschlossene Wasserkristallisation

• Bestimmung von Frostpunkten mittels linearer Regression der drei linearen Frostphasen

• Schnittpunkte der Geradengleichungen liefern 1. und 2. Frostpunkt

PFF, n=25 PFF-Improved,n=25

1. Frostpunkt 23min 20min

2. Frostpunkt 41min 38min


Faktoren der Energieeinsparung beim Gefrieren

Beschleunigte Schockfrostzeiten durch erhöhte Wärmedurchgangskoeffizientenaufgrund des erhöhten Wasseranteils (PFF-improved)

Reduktion der indirekten Energie

Reduzierte Kristallisationsenthalpien durch Bindung von freiem Wasser und somit Verringerung des gefrierbaren Wasser aufgrund des Glutenzusatzes (PFF-improved)

Reduktion der direkten Energie


Relative Energieverbrauchsdaten [Wh] im Vergleich

STD/FBUF- Technologie FBF- Technologie

PBF- Technologie PBUF- Technologie


Relative Energieverbrauchsdaten im Vergleich

UFD- Technologie


Zusammenfassung

• Spezifischer Energiebedarf ist abhängig von jeweiligem Bake-off Verfahren

• TK-Prozesse (Kälteenergie) generieren besonders hohe Energieverbräuche

• Gären und Backen (Wärmeenergie) sind energetisch relevant

• Mechanische Energie (Kneten, Teigteilung etc.) sind energetisch unbedeutend

• Energiekostenanteil pro Gebäck ist relativ gering, jedoch deutlich beeinflußt durch die TK-Lagerzeit

• Wahl der Prozeß- und Backprogramme sind entscheidend für den Energieverbrauch

• Modifikation einer Rezeptur begünstigt den Wärmedurchgang oder die Kristallisationsenthalpie und damit den Energieverbrauch


Prof. K. Löschettz Bremerhaven Am Lunedeich 1227572 BremerhavenTel. : +49 471 97297-12 Fax.: +49 471 97297-22

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!


Documents

Bäckerei- und Getreidetechnologie Vergleich verschiedener Bake-Off Technologien unter energetischen Aspekten in der Backwarenherstellung Arbeitsgemeinschaft