Arbeitsgemeinschaft Getreideforschung e. V. 59. Tagung für Bäckerei-Technologie vom 4. - 6. November 2008 in Detmold Vergleich verschiedener Bake-Off Technologien unter energetischen Aspekten in der Backwarenherstellung Klaus Lösche, Thomas Park, Patrick Soltermann, Marta Macias & Benjamin Börsmann

Projektpartner im EU-Freshbake Projekt

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

Strompreisentwicklung

Kältetechnik q Schmelzwärme r Verdampfungswärme 1 Eis 2 Eis und Wasser 3 Wasser 4 Wasser und Wasserdampf (Nassdampf) 5 überhitzter Wasserdampf

Bake-Off-Technologien PBF PBUF FBF UFD PFF SP-R Par-baked Frozen Par-baked Unfrozen Fully-baked Frozen Unfermented Frozen Dough Prefermented Frozen Standard Process - Reference

Übersicht der verwendeten Rezepturen im Projekt Standard FBF PBF PBUF UFD PFF PFF -improved Angaben in % Weizenmehl 100 Wasser 58 55 57 Hefe 3 Salz 1,8 Backmittel, standard 1 2 Gluten Volumenfaktor 4,0 3,6 3,0

Fließschema Standard Process – Reference SP-R Dosierung Rohstoffe mischen/ kneten Stückgare Abbacken Abpressen Teigruhe abwiegen/ rundwirken Ballengare Elektrische Arbeit [Wh] Elektrische Arbeit [Wh] Elektrische Arbeit [Wh]

Fließschema Unfermented Frozen (UFD) Dosierung Rohstoffe mischen/ kneten Schockfrosten -30°C Verpacken Abpressen Teigruhe abwiegen/ rundwirken Ballengare Elektrische Arbeit [Wh] Lagern (-18°C;4h) Auftauen Abbacken Stückgare Elektrische Arbeit [Wh] Elektrische Arbeit [Wh]

Fließschema Prefermented Frozen (PFF) Dosierung Rohstoffe mischen/ kneten Stückgare Schockfrosten (-35°C) Abpressen Teigruhe abwiegen/ rundwirken Elektrische Arbeit [Wh] Lagern (-18°C; 4h) Auftauen Abbacken Verpacken Elektrische Arbeit [Wh] Elektrische Arbeit [Wh]

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

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 Schockfroster QDirekt Teiglinge T1 < T3 T1 < T2 QIndirekt Qelektrisch T1=Schockfrostertemperatur T2=Umgebungstemperatur T3=Teiglingstemperatur

Energiedaten - Gärprozeß

Spezifischer Energieverbrauch beim Gären Gärparameter SP-R & FBF & UFD PBF & PBUF PFF & PFF-Improved Gärtemperatur, Sollwert 35°C 30°C 28°C Luftfeuchtigkeit, Sollwert 95% 85% Gärzeit, Istwert 60 min 105 min Volumenfaktor, 4 3

Spezifischer Energieverbrauch beim Gären 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

Energiedaten - Schockfrostprozeß

Spezifischer Energieverbrauch beim Schockfrosten Schockfrost-parameter FBF n=3 PBF UFD PFF n=6 PFF-Improved Schockfrost-temperatur -30°C -35°C Stopkriterium Kerntemperatur -18° -18°C Schockfrostzeit 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)

Spezifische Energie verschiedener Bake-off Verfahren im Vergleich Lagerung bei -18 °C für 4 Stunden bzw. 4 Wochen Annahme: 75% geringere Leistung des Lagerfrosters im Vergleich zum Schockfroster

Spezifische Energiekosten verschiedener Bake-off Verfahren im Vergleich Lagerung bei -18 °C für 4 Stunden bzw. 4 Wochen Annahme: 75% geringere Leistung des Lagerfrosters im Vergleich zum Schockfroster Grundpreis 7,43Cent/kWh

Energiedaten - Backprozess

Temperaturverteilung im Ofen Untersuchung der Temperaturverteilung während des Backprogramms Heizphase Energieintensive Heizphasen beim Standard-Backprogramm: ca 500sek Energieintensive Heizphasen beim PFF-Backprogramm: ca 1400sek Backprogramme, die Heizphasen beinhalten, wirken sich stark nachteilig auf den Energieverbrauch aus!

Temperaturverteilung im Backofen 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!

Spezifischer Energieverbrauch beim Backen Backparameter SP-R;FBF;UFD PBF; PBUF PFF 20min : 230°C; 0,5l Dampf 3min : 190°C; 0,5l Dampf 14min : 165°C 4 min : 160°C; 0,4l Dampf 11min : 180°C 16min : 220°C letzten 8 Minuten mit offener Frontklappe 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 Lagerung bei -18 °C für 4 Stunden im Schockfroster

Spezifische Energiekosten verschiedener Bake-off Verfahren im Vergleich Lagerung bei -18 °C für 4 Stunden im Schockfroster Grundpreis 7,43 Cent/kWh

Bewertung des Energieverbrauchs einzelner Prozessschritte bei der Backwarenherstellung Energieintensive Produktionsschritte Schock- frosten TK- Lagerung Gären Backen Zunahme Energieverbrauch Abnahme Energieverbrauch Kneten

Aussichten: Einflussnahme durch Rezepturbestandteile Energetische Vorteile der PFF-Improved Rezeptur: Gärenergie= ca. 30 % Schockfrostenergie= ca. 28 % Wasser [%] Gluten [%] PFF 55 PFF-Improved 57 2

Darstellung der Kerntemperaturmessung mit 4 Temperaturfühlern 1.Frostbereich: Einsetzende Wasserkristallisation 2.Frostbereich: Abgeschlossene Wasserkristallisation Frostphase: exotherme Wasserkristallisation

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 Wärmedurchgangskoeffizienten aufgrund 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

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Bäckerei- und Getreidetechnologie Prof. K. Lösche ttz Bremerhaven Am Lunedeich 12 27572 Bremerhaven Tel. : +49 471 97297-12 Fax.: +49 471 97297-22