Was ist Atmungswärme?

Atmungswärme bei frischen Produkten verstehen und managen

Haben Sie jemals darüber nachgedacht, dass eine Kiste frisch gepflückter Erdbeeren oder ein frischer Salat nicht nur mit ihrer eigenen Temperatur, sondern auch mit einer kontinuierlich erzeugten “inneren Wärme” das Kühlhaus belastet? Frisches Obst und Gemüse, das auch nach der Ernte weiterlebt, atmet genau wie Menschen. Dieser biologische Prozess wird Respiration genannt, und die dabei entstehende Wärme spielt eine entscheidende Rolle im Kühlkettenmanagement. Dieses als “Atmungswärme” bekannte Phänomen ist der unsichtbare Feind der Kühlsysteme und führt bei unsachgemäßem Management zu verminderter Produktqualität, verkürzter Haltbarkeit, Lebensmittelverschwendung und erheblich erhöhten Energiekosten.

Was ist Atmungswärme? Ein lebender Prozess

Nach der Ernte nutzen die Produkte die in ihrem Inneren gespeicherte Stärke und Zucker als Brennstoff, um ihr Leben aufrechtzuerhalten und ihre zellulären Funktionen fortzusetzen. Mit Hilfe des Sauerstoffs aus der Umgebung zerlegen sie diese komplexen organischen Verbindungen und setzen dabei Energie, Kohlendioxid (CO2) und Wasser frei. Ein unvermeidliches Nebenprodukt dieser grundlegenden Stoffwechselreaktion ist Wärme. Die Grundgleichung des Prozesses lautet:

$$\mathrm{C_6H_{12}O_6} + 6\mathrm{O_2} \rightarrow 6\mathrm{CO_2} + 6\mathrm{H_2O} + \text{Wärme}$$

Dies ist im Wesentlichen das langsame “Verbrennen” des Produkts und das Altern durch Verbrauch seiner gespeicherten Energie. Dieser Prozess ist auch der Motor des natürlichen Alterungsprozesses (Seneszenz), der zum Verderb des Produkts führt. Wenn diese erzeugte Wärme nicht effizient aus der Umgebung entfernt wird, erhöht sie die Temperatur des Produkts selbst. Die erhöhte Temperatur beschleunigt wiederum die Atmungsrate und erzeugt einen Teufelskreis. Dieser Kreislauf führt zum schnellen Verlust von Nährwerten, Textur und Feuchtigkeit des Produkts und beschleunigt den Verderb.

Warum ist es ein kritischer Faktor für die Kältetechnik?

Atmungswärme ist eine dynamische und kontinuierliche Variable, die bei Kühllastberechnungen niemals ignoriert werden darf. Ihre Bedeutung liegt in mehreren Schlüsselpunkten:

1. Zusätzliche und kontinuierliche Wärmelast: Das Kühlsystem muss nicht nur mit einer einmaligen Last wie der Senkung der Anfangstemperatur des Produkts (Feldwärme) fertig werden, sondern auch mit dieser Atmungswärmelast, die das Produkt während der gesamten Lagerzeit rund um die Uhr erzeugt. Diese Situation wirkt sich direkt auf die Betriebszeiten der Kompressoren, Abtauzyklen und den allgemeinen Systemverschleiß aus.

2. Direkter Qualitätsverlust: Eine hohe Atmungsrate bedeutet, dass das Produkt seine wertvollen Inhaltsstoffe schnell verbraucht. Empfindliche Vitamine wie Vitamin C werden abgebaut, das geschmacksbestimmende Zucker-Säure-Gleichgewicht wird gestört, und durch das durch Wärmeerhöhung beschleunigte Schwitzen (Transpiration) verliert das Produkt Wasser und wird welk und runzelig. Dies bedeutet direkt eine verkürzte Haltbarkeit und verminderte verkaufsfähige Produktqualität.

3. Richtige Geräteauswahl und -design: Ein ohne Berücksichtigung der Atmungswärmelast entworfenes Kühlhaus wird unzureichende Kapazität haben. Ein unzureichender Verdampfer (Inneneinheit) wird Schwierigkeiten haben, sowohl die fühlbare Wärme als auch die Atmungswärme zu entfernen, was zu Temperaturschwankungen im Raum und der Unfähigkeit führt, die gewünschten Werte aufrechtzuerhalten. Ein unzureichender Kompressor wird kontinuierlich laufen, was sowohl seine Lebensdauer schnell verbraucht als auch zu exorbitanten Energierechnungen führt.

Faktoren, die die Atmungsrate und -wärme beeinflussen

Jedes Produkt hat eine unterschiedliche Atmungsrate, die von verschiedenen Faktoren beeinflusst wird. Das Verständnis dieser Faktoren ist der Schlüssel zur Bestimmung der richtigen Lagerstrategie und zur Maximierung der Produktlebensdauer.

1. Temperatur

   Dies ist der wichtigste Faktor, der die Atmungsrate kontrolliert. Als allgemeine Regel verdoppelt oder verdreifacht sich die Atmungsrate etwa bei jedem Temperaturanstieg um 10°C. Diese exponentielle Beziehung erklärt, warum es so wichtig ist, Produkte so schnell wie möglich nach der Ernte auf die optimale Lagertemperatur zu kühlen (Vorkühlung). Die Aufrechterhaltung der Kühlkette von Anfang an ermöglicht es dem Produkt, seine inneren Energiereserven länger zu bewahren.

   • Beispiel: Nach ASHRAE-Daten produziert keimender Brokkoli bei 0°C etwa 60 mW/kg Wärme, während dieser Wert bei 20°C auf bis zu 1155 mW/kg ansteigen kann. Das ist etwa eine 20-fache Steigerung! Ebenso wird selbst ein Apfel mit niedriger Atmungsrate bei 10°C mehr als doppelt so viel Wärme produzieren wie bei 0°C.

2. Produktart und -sorte

   Verschiedene Produkte haben aufgrund ihrer genetischen und physiologischen Struktur sehr unterschiedliche Atmungsraten.

   • Produkte mit hoher Atmungsrate: Schnell wachsende, metabolisch aktive und empfindlich strukturierte Produkte wie Spargel, Brokkoli, Spinat, frische Erbsen, Pilze und Erdbeeren. Diese Produkte sind die herausforderndsten für Kühlsysteme.

   • Produkte mit niedriger Atmungsrate: Haltbarere, langsam entwickelnde Produkte mit einer natürlichen Ruhephase (Dormanz) wie Kartoffeln, Zwiebeln, Äpfel, Zitrusfrüchte und Haselnüsse.

   Außerdem werden Früchte nach ihrem Verhalten nach der Ernte in klimakterische und nicht-klimakterische unterteilt.

   • Klimakterische Früchte: Diese Früchte wie Bananen, Äpfel, Avocados, Tomaten und Pfirsiche reifen auch nach der Ernte weiter. Während des Reifeprozesses zeigen sie einen starken Anstieg der Atmungsrate, der durch die Ethylengas-Produktion ausgelöst wird und als “klimakterischer Höhepunkt” bezeichnet wird. Dies ist besonders wichtig bei der gemischten Produktlagerung, da das von einer Gruppe reifender Äpfel produzierte Ethylen auch die Reifung und den Verderb anderer empfindlicher Produkte auslösen kann.

   • Nicht-klimakterische Früchte: Diese Produkte wie Erdbeeren, Trauben, Kirschen und Zitrusfrüchte bleiben auf dem Reifegrad, den sie bei der Ernte hatten. Ihre Atmungsraten sind relativ stabil und nehmen mit der Zeit langsam ab, was ihr Lagermanagement vorhersehbarer macht.

3. Atmosphärische Zusammensetzung

   Die Sauerstoff- (O2) und Kohlendioxid- (CO2) Gehalte in der Umgebung beeinflussen die Atmung direkt. Kontrollierte Atmosphäre (CA) und Modifizierte Atmosphäre (MA) Lagertechnologien basieren auf diesem Prinzip. Die Reduzierung des Sauerstoffgehalts auf niedrige Werte wie 2-5% und die Erhöhung des Kohlendioxidgehalts auf übernormale Werte wie 3-10% verlangsamt die Atmungsreaktion chemisch. Niedriger Sauerstoff begrenzt den für die Reaktion benötigten “Brennstoff”; hoher Kohlendioxidgehalt wirkt als Bremse, indem er die an der Atmung beteiligten Enzyme unterdrückt. Dieses Gleichgewicht ist jedoch sehr empfindlich; zu niedriger Sauerstoff oder zu hoher Kohlendioxid kann zu anaerober Atmung (Fermentation) führen und unerwünschte Geschmäcker und Gerüche im Produkt verursachen.

4. Physischer Zustand und Schäden

   Geschnittene, gequetschte, geriebene oder auf irgendeine Weise verletzte Produkte erhöhen ihre Atmungsrate als Abwehrmechanismus. Die Verletzung löst eine “Heilungsreaktion” im Pflanzengewebe aus, und dies ist ein energieaufwändiger Prozess. Diese Reaktion erhöht lokal die Atmung und Ethylenproduktion im Wundbereich. Dies ist die wissenschaftliche Erklärung dafür, wie ein einziger fauler Apfel eine ganze Kiste verderben kann; das vom verletzten Apfel produzierte Ethylengas löst auch den Reife- und Verderbsprozess der benachbarten Äpfel aus. Daher ist die schonende Handhabung der Produkte von der Ernte bis zum Lager von entscheidender Bedeutung für die Qualitätserhaltung.

Wie wird die Atmungswärmelast berechnet?

Um diesen kritischen Teil der Kühllastberechnung zu schätzen, verwenden Ingenieure experimentell bestimmte Atmungsratendaten. Diese Daten werden normalerweise in mW/kg (Milliwatt pro Kilogramm) oder BTU/Tonne/24 Stunden ausgedrückt.

Einfaches Berechnungsbeispiel:

Nehmen wir an, wir wollen 10.000 kg Golden Delicious Äpfel bei 5°C in einem Lager aufbewahren.

1. Daten finden: Nach ASHRAE-Tabellen beträgt die Atmungsrate von Golden Delicious Äpfeln bei 5°C etwa 16,0 mW/kg.

2. Gesamte momentane Wärmeerzeugung berechnen (Watt):

   • Gesamtwärme = Produktmasse × Atmungsrate

   • Gesamtwärme = 10.000 kg × 16,0 mW/kg = 160.000 mW = 160 Watt

3. Bedeutung und tägliche Last: Das Kühlsystem muss zusätzlich zu allen anderen Wärmegewinnen eine kontinuierliche Wärmelast von 160 Watt (etwa zwei alte Glühbirnen) bewältigen, die allein durch die Atmung der Äpfel entsteht. Wenn wir bedenken, dass diese Last 24 Stunden lang anhält:

   • Tägliche Energielast = 160 W × 24 Stunden = 3.840 Wh = 3,84 kWh/Tag. Dies ist die zusätzliche Energiemenge, die das Kühlsystem täglich nur für die Atmungswärme aufwenden muss.

Für genauere Berechnungen stehen auch empirische Formeln zur Verfügung, die von ASHRAE entwickelt wurden und temperaturabhängige Koeffizienten (f und g) verwenden:

$$W (\text{W/kg}) = \frac{10.7f}{3600}\left(\frac{9t(\text{°C})}{5}+32\right)^{g}$$

Diese Formel ermöglicht die Erstellung eines dynamischen und präzisen Wärmelastprofils für verschiedene Produkte entsprechend den Temperaturänderungen. Dies ist besonders wichtig für Systeme, die für Situationen wie Vorkühlung konzipiert sind, bei denen sich die Temperatur schnell ändert oder die Lagerbedingungen nicht konstant sind.

Fazit: Die Kunst, unsichtbare Wärme zu managen

Atmungswärme ist ein unvermeidlicher Prozess, der aus der Natur frischer Produkte stammt. Das moderne Kühlkettenmanagement basiert jedoch darauf, diesen Prozess zu verlangsamen und seine Auswirkungen zu kontrollieren. Schnelle Vorkühlung unmittelbar nach der Ernte, präzise Temperatur- und Feuchtigkeitskontrolle während der Lagerung, richtige Luftzirkulation zur Verhinderung von Ethylen- und Kohlendioxidansammlungen und hochmoderne kontrollierte Atmosphärensysteme sind die Hauptwaffen im Kampf gegen diese “verborgene Wärme”. Das richtige Verständnis und die Berechnung der Atmungswärme ist nicht nur eine technische Notwendigkeit für die Gestaltung effizienter und zuverlässiger Kühlsysteme, sondern auch eine moralische Verantwortung zur Reduzierung der Lebensmittelverschwendung im globalen Maßstab, zur Maximierung der Produktqualität und des Nährwerts und zur Schaffung einer nachhaltigen Lebensmittelversorgungskette.