Vergleichsanalyse

Die Wahl der Kühlwassertemperatur in Molkereibetrieben beeinflusst maßgeblich Prozesseffizienz, Produktqualität, Energieverbrauch und Wirtschaftlichkeit. In dieser Arbeit werden die thermodynamische Effizienz, die Kühlgeschwindigkeit, die mikrobiologische Sicherheit, die Produktqualität und die Betriebskosten bei Kühlung mit 0,5 Grad kaltem Eiswasser und 2 Grad kaltem Kaltwasser miteinander verglichen. Die Analyse zeigt, dass Eiswasser mit einer Temperatur von 0,5 °C aufgrund der größeren Temperaturdifferenz im Wärmetauscher eine um 30–50 % schnellere Milchkühlung von 32 °C auf 4 °C ermöglicht und die Zieltemperatur besser erreicht werden kann ^[1][2]. Die schnellere Abkühlung reduziert die Generationszeit mesophiler und psychrotropher Bakterien signifikant, senkt Gesamtkeimzahlen um 15–25 % und verlängert die Haltbarkeit um 20–30 % ^[3][4][5]. Moderne Fallfilm-Eiswassersysteme erreichen bei Verdampfungstemperaturen von T₀ ≈ −2 °C höhere COP-Werte (4,5–5,5) als konventionelle Kaltwassersysteme mit 2 °C (COP 3,5–4,2) und senken den spezifischen Energieverbrauch um bis zu 20 % ^[1][2][6]. Trotz 15–25 % höherer Investitionskosten amortisieren sich Eiswassersysteme mit einer Temperatur von 0,5°C durch niedrigere Energiekosten, geringere Produktverluste und höhere Durchsatzraten wirtschaftlich innerhalb von 4–6 Jahren ^[2][6].

In der modernen milchverarbeitenden Industrie ist die rasche und präzise Kühlung der Rohmilch von etwa 32–35 °C auf maximal 4 °C innerhalb von vier Stunden nach dem Melken entscheidend für die mikrobiologische Sicherheit, Haltbarkeit und Produktqualität ^[3][4][7]. Konventionelle Kaltwassersysteme mit 2 °C Vorlauftemperatur sind weit verbreitet, erreichen jedoch häufig nur Milch-Endtemperaturen von 5–6 °C aufgrund nicht ausreichender Temperaturdifferenzen im Plattenwärmetauscher ^[8][9].

Eiswassersysteme mit Vorlauftemperaturen um 0,5 °C ermöglichen eine tiefere und schnellere Kühlung auf 2–4 °C, was mikrobiologische und qualitative Vorteile bietet ^[1][2][10]. Moderne Fallfilm-Eiswasserkühler arbeiten bei höheren Verdampfungstemperaturen (T₀ ≈ -2 °C) als traditionelle Systeme und erreichen dadurch bessere Energieeffizienz ^[1][2][6].

Ziel dieser Arbeit ist ein systematischer Vergleich beider Kühlkonzepte unter Berücksichtigung von Wärmeübertragungsraten, Kühlzeiten, mikrobiologischen Effekten, Produktqualität, Energieverbrauch und Gesamtwirtschaftlichkeit.

Die übertragene Wärmeleistung Q [W] im Gegenstrom-Plattenwärmetauscher wird beschrieben durch:

$\dot{Q}=U\cdot A\cdot \mathrm{\Delta }{T}_{\text{log} }$

wobei U der Gesamtwärmedurchgangskoeffizient [W/(m²·K)], A die Wärmetauscherfläche [m²] und ΔT_log die logarithmische mittlere Temperaturdifferenz [K] ist ^[11].

Die logarithmische mittlere Temperaturdifferenz berechnet sich nach 

$\mathrm{\Delta }{T}_{\text{log}}=\frac{\mathrm{\Delta }{T}_1-\mathrm{\Delta }{T}_2}{\mathrm{l}\mathrm{n}(\mathrm{\Delta }{T}_1/\mathrm{\Delta }{T}_2) }$

mit ΔT₁ und ΔT₂ als den Temperaturdifferenzen an beiden Enden des Wärmetauschers.

Tabelle 1: Vergleich der Milchkühlung von 32 °C auf Zieltemperatur

Bei gleichem Wärmedurchgangskoeffizienten U und gleicher Fläche A ergibt sich:

$\frac{{\dot{Q}}_{\text{Eis}}}{{\dot{Q}}_{\text{Kalt}}}=\frac{\mathrm{\Delta }{T}_{\text{log,Eis}}}{\mathrm{\Delta }{T}_{\text{log,Kalt}}}=\frac{\mathrm{12,8}}{\mathrm{11,2}}=\mathrm{1,14}$

Eiswasser ermöglicht eine um  14 % höhere Wärmeleistung bei gleicher Tauschergröße oder erreicht gleiche Kühlleistung mit kleinerer Fläche ^[1][2].

2.2 Annäherungstemperatur (Approach Temperature)

Die Annäherungstemperatur beschreibt die kleinste erreichbare Differenz zwischen Milch-Austrittstemperatur und Kühlwasser-Eintrittstemperatur im Wärmetauscher. In effizienten Plattenwärmetauschern beträgt diese 1-2 K ^[9][12].

Tabelle 2: Erreichbare Milch-Endtemperaturen bei unterschiedlichen Kühlwassertemperaturen

Nur Eiswasser mit 0,5 °C ermöglicht zuverlässige Milchkühlung auf 23 °C, was mikrobiologisch und qualitativ signifikante Vorteile bietet ^[1][2][3].

2.3 Spezifische Wärmekapazität der Milch

Die spezifische Wärmekapazität von Vollmilch (3,5 % Fett) beträgt 

$c_p=\mathrm{3,93} \mathrm{ }\text{kJ/(kg}\text{·}\text{K)}$

Für Magermilch liegt c_p bei etwa 3,97 kJ/(kg·K) ^[13].

Die zu entziehende Wärmemenge bei Kühlung von 1.000 kg Vollmilch von 32 °C auf 4 °C ergibt sich damit zu

$Q=m\cdot c_p\cdot \mathrm{\Delta }T=1.000 \mathrm{ }\text{kg}\cdot \mathrm{3,93} \mathrm{ }\text{kJ/(kg}\text{·}\text{K)}\cdot (32-4) \mathrm{ }\text{K}=110.040 \mathrm{ }\text{kJ}\approx \mathrm{30,6} \mathrm{ }\text{kWh}$

Die Wachstumsrate von Bakterien in Milch ist stark temperaturabhängig. Mesophile Bakterien (optimal 2537 °C) zeigen bei 10 °C bereits deutlich reduziertes Wachstum, während psychrotrope Bakterien (Pseudomonas spp.) auch bei 47 °C wachsen können ^{[3][4][5][14]}.

Tabelle 3: Generationszeiten verschiedener Bakteriengruppen in Milch ^[3][4][14]

Kritisches Zeitfenster: Die ersten 4 Stunden nach dem Melken sind entscheidend, da in dieser Zeit die Lag-Phase der Bakterien endet und exponentielles Wachstum beginnt ^[3][4][7]. Je schneller die Milch unter 4 °C gekühlt wird, desto geringer die Gesamtkeimzahl.

3.2 Vergleich der Keimzahlentwicklung

Szenario: 10.000 Liter Rohmilch, Anfangskeimzahl 10.000 KbE/ml (KbE = koloniebildende Einheit)

2 °C Kaltwasser-System:

• Kühlung von 32 °C auf 5,5 °C in 45 Minuten
• Lagerung bei 5,5 °C für 48 Stunden
• Endkeimzahl: ca. 35.000–45.000 KbE/ml ^[4][5]

0,5 °C Eiswasser-System:

• Kühlung von 32 °C auf 3,0 °C in 30 Minuten
• Lagerung bei 3,0 °C für 48 Stunden
• Endkeimzahl: ca. 25.000–32.000 KbE/ml ^[4][5]

Reduktion der Keimzahl um 20-30 % durch Eiswasserkühlung, was direkt die Haltbarkeit und Produktsicherheit erhöht ^[3][4][5].

3.3 Qualitative Auswirkungen

Niedrigere Lagertemperaturen reduzieren:

• Lipolyse (Fettspaltung durch bakterielle Lipasen) → besserer Geschmack ^[4][15]
• Proteolyse (Proteinabbau) → längere Haltbarkeit von Käse und Joghurt ^[4][15]
• Sensorische Defekte (Ranzigkeit, Bitterkeit) ^[4][5]

Studien zeigen, dass in bei 2 °C gelagerte Milch die sensorische Qualität nach 5 Tagen noch ausgezeichnet ist, während in bei 6 °C gelagerter Milch nach 3 Tagen bereits Qualitätsverluste auftreten ^[4][5][15].

Die Leistungszahl (COP) einer Kältemaschine beschreibt das Verhältnis von Kälteleistung zu elektrischer Leistungsaufnahme: 

$\text{COP}=\frac{{\dot{Q}}_0}{P_{\text{el} }}$

Der COP steigt mit höherer Verdampfungstemperatur T₀. Moderne Fallfilm-Eiswassersysteme erreichen bei T₀ ≈ −2 °C für 0,5 °C Eiswasser höhere COP-Werte als konventionelle Systeme mit niedrigeren Verdampfungstemperaturen ^[1][2][6].

Tabelle 4: Vergleich der COP-Werte verschiedener Systeme

Fallfilm-Eiswassersysteme erreichen bis zu 20 bis 30 % höhere COP-Werte durch optimierte Verdampfungstemperaturen ^[1][2][6].

4.2 Rechenbeispiel: Energieverbrauch für die Kühlung von 10.000 Liter Milch

Ausgangsdaten:

• Milchmenge: 10.000 Liter (≈ 10.300 kg, Dichte 1,03 kg/l)
• Kühlung von 32 °C auf Zieltemperatur
• Spezifische Wärmekapazität: 3,93 kJ/(kg·K)

2 °C Kaltwasser-System (Zieltemperatur 5,5 °C): 

$Q=10.300\cdot \mathrm{3,93}\cdot (32-\mathrm{5,5})=1.071.000 \mathrm{ }\text{kJ}=\mathrm{297,5} \mathrm{ }\text{kWh}$

Bei COP = 3,8: 

$P_{\text{el}}=\frac{\mathrm{297,5}}{\mathrm{3,8}}=\mathrm{78,3} \mathrm{ }\text{kWh}$

0,5 °C Eiswasser-System (Zieltemperatur 3,0 °C): 

$Q=10.300\cdot \mathrm{3,93}\cdot (32-\mathrm{3,0})=1.174.000 \mathrm{ }\text{kJ}=\mathrm{326,1} \mathrm{ }\text{kWh}$

Bei COP = 5,0: 

$P_{\text{el}}=\frac{\mathrm{326,1}}{\mathrm{5,0}}=\mathrm{65,2} \mathrm{ }\text{kWh}$

Energieeinsparung trotz tieferer Kühlung: 

$\text{Einsparung}=\mathrm{78,3}-\mathrm{65,2}=\mathrm{13,1} \mathrm{ }\text{kWh} \mathrm{ }(\mathrm{16,7} \mathrm{ }\mathrm{\%})$

Die Einparung beträgt 16,7 % Strom trotz 2,5 K tieferer Endtemperatur ^[1][2][6].

4.3 Jährliche Betriebskosten

Annahmen:

• Molkerei verarbeitet 50.000 Liter/Tag = 18,25 Mio. Liter/Jahr
• Strompreis: 0,13 EUR/kWh
• Betrieb 350 Tage/Jahr

Tabelle 5: Jährliche Energiekosten für Milchkühlung (50.000 l/Tag)

Jährliche Energiekosteneinsparung: EUR 3.120 (16,8 %) ^[1][2][6].

Tabelle 6: Investitionskostenvergleich für 200 kW Kälteleistung

Mehrinvestition Eiswasser: EUR 47.300 (36 %) ^[2][6][17].

5.2 Betriebskostenvergleich (jährlich)

Tabelle 7: Jährliche Betriebskosten

Mehrkosten Eiswasser: EUR 2.600/Jahr (ohne Berücksichtigung der Qualitätsvorteile) ^[6][16].

5.3 Qualitäts- und Durchsatzvorteile

Reduktion von Produktverlusten:

1. 2 °C System: 1,5 % Verlust durch verkürzte Haltbarkeit und Qualitätsmängel
2. 0,5 °C System: 0,8 % Verlust
3. Bei 18,25 Mio. Liter/Jahr à EUR 0,72/Liter Rohstoffwert:

$\text{Einsparung}=(\mathrm{1,5}\mathrm{\%}-\mathrm{0,8}\mathrm{\%})\cdot 18.250.000\cdot \mathrm{0,72}=\text{EUR 92.000/Jahr}$

Höhere Produktqualität ermöglicht Premium-Preise:
Bei 20 % der Produktion (3,65 Mio. L) mit 2 % Preisaufschlag:

$\text{Mehrerl}\text{ö}\text{s}=3.650.000\cdot \mathrm{0,72}\cdot \mathrm{0,02}=\text{EUR 52.600/Jahr}$

Schnellere Kühlung erhöht Durchsatz:
30 % schnellere Kühlzyklen → 10 % höherer Tagesdurchsatz möglich → zusätzlicher Deckungsbeitrag EUR 16.500/Jahr (konservativ) ^[2][6].

5.4 Gesamtwirtschaftliche Bewertung

Tabelle 8: Gesamtwirtschaftliche Bilanz pro Jahr

Amortisationszeit:

$\text{Payback}=\frac{\text{Mehrinvestition}}{\text{Nettovorteil/Jahr}}=\frac{47.300}{158.500}=\mathrm{0,30} \mathrm{ }\text{Jahre}\approx \mathrm{3,6} \mathrm{ }\text{Monate}$

Selbst bei konservativer Rechnung unter Berücksichtigung der Qualitätsvorteile aber ohne Premium-Mehrerlös und Durchsatzvorteil:

${\text{Payback}}_{\text{konservativ}}=\frac{47.300}{92.000-2.600}=\mathrm{0,53} \mathrm{ }\text{Jahre}\approx \mathrm{6,4} \mathrm{ }\text{Monate}$

In der Praxis liegt die Amortisationszeit typischerweise bei 46 Jahren bei mittleren Betriebsgrößen ohne extreme Qualitätsvorteile ^[2][6].

Moderne Fallfilm-Eiswassersysteme verteilen Wasser gleichmäßig über vertikale Edelstahlplatten, in denen Kältemittel (typisch NH₃) bei T₀ ≈ −2 °C verdampft ^[1][2]. 

Vorteile:

• Minimales Vereisungsrisiko durch gleichmäßige Verteilung
• Hohe Wärmeübergangskoeffizient (bis 2.000 W/m) ^[2][10]
• Geringe Kältemittelfüllmenge (oft unter gesetzlichen Grenzwerten)
• Einfache Reinigung und Wartung
• Robustheit gegen Fouling

6.2 Eiswasserspeicher für Lastspitzenmanagement

Ein 20 m³ Eiswasserspeicher ermöglicht:

• Nachtproduktion von Eiswasser mit günstigem Niedertarifstrom
• Abdeckung von Spitzenlasten am Morgen ohne Kompressor-Überdimensionierung
• Glättung der elektrischen Last
• Notkühlung bei Kompressorausfall

Speicherkapazität bei 5 K Temperaturspreizung (0,5 → 5,5 °C):

$Q_{\text{Speicher}}=V\cdot \rho \cdot c_p\cdot \mathrm{\Delta }T=20\cdot 1.000\cdot \mathrm{4,18}\cdot 5=418.000 \mathrm{ }\text{kJ}=116 \mathrm{ }\text{kWh}$

Dies deckt etwa 3-4 Stunden Spitzenlast ab ^[2][17].

6.3 Integration mit Wärmerückgewinnung

Die Abwärme des Kälteaggregats (Kondensationswärme) kann für Warmwasser (CIP-Reinigung, 65–85 °C) oder Heizung genutzt werden ^[18]:

${\dot{Q}}_{\text{Kondensator}}={\dot{Q}}_0+P_{\text{el}}=200+40=240 \mathrm{ }\text{kW}$

Bei 6.000 Betriebsstunden/Jahr: 1.440 MWh/Jahr Wärme verfügbar, Gegenwert bei 0,09 EUR/kWh ≈ EUR 130.000/Jahr ^[18].

0,5 °C Eiswasser bietet drei thermodynamische Vorteile:

• Größere Temperaturdifferenz im Wärmetauscher (ΔT_log 12,8 K vs. 11,2 K) → 14 % höhere Wärmeleistung ^[1][2]
• Tiefere Produktendtemperatur (3 °C vs. 5,5 °C) durch bessere Annäherung ^[1][9]
• Höherer COP (5,0 vs. 3,8) durch optimierte Verdampfungstemperatur bei Fallfilm-Technologie ^[1][2][6]

7.2 Mikrobiologische und Qualitative Vorteile

Die Reduktion der Lagertemperatur von 5,5 °C auf 3,0 °C:

• Verlängerte Generationszeit psychrotroper Bakterien um 30–50 % ^[3][4]
• Reduzierte Gesamtkeimzahl nach 48 h um 20–30 % ^[4][5]
• Verlängerte sensorische Haltbarkeit um 1–2 Tage ^[4][15]
• Verringerter enzymatischer Abbau (Lipolyse, Proteolyse) ^[4][15]

7.3 Wirtschaftliche Vorteile bei mittleren bis großen Betrieben

Die Wirtschaftlichkeit von Eiswasser steigt mit:

• Betriebsgröße: Ab 20.000 l/Tag deutliche Vorteile ^[2][6]
• Qualitätsanforderungen: Premium-Segmente rechtfertigen Investition ^[4][15]
• Energiepreisen: Je höher, desto schneller amortisiert ^[6][16]
• Produktmix: Frischmilch, Joghurt, Käse profitieren besonders ^[4][15]

Für kleine Betriebe (<10.000 l/Tag) mit einfachen Produkten kann 2 °C Kaltwasser ausreichend sein ^[6].

7.4 Technologische Trends

Moderne Entwicklungen erhöhen die Attraktivität von Eiswasser:

• Fallfilm-Technologie mit kleiner Kältemittelfüllmenge ^[1][2]
• Natürliche Kältemittel (NH₃, CO₂) mit hoher Effizienz ^[1][2]
• Intelligente Lastmanagementsysteme für Niedertarifnutzung ^[17]
• Integration mit Wärmerückgewinnung und Kraft-Wärme-Kopplung ^[18]

Eiswasserkühlung mit 0,5 °C kaltem Wasser übertrifft Kaltwasserkühlung mit 2 °C kaltem Wasser in milchverarbeitenden Betrieben deutlich hinsichtlich Kühlgeschwindigkeit (30–50 % schneller), Produktqualität (20–30 % niedrigere Keimzahlen, 12 Tage längere Haltbarkeit) und Energieeffizienz (15–20 % niedrigere spezifische Energiekosten trotz tieferer Endtemperatur) ^{[1][2][3][4][6]}. Moderne Fallfilm-Eiswassersysteme erreichen COP-Werte von 4,5– –5,5 bei Verdampfungstemperaturen um −2 °C und ermöglichen Milch-Endtemperaturen von 23 °C, was konventionelle Kaltwassersysteme mit 2 °C (COP 3,54,2, Milch-Endtemperatur 56 °C) nicht erreichen ^[1][2][9].

Trotz 35–40 % höherer Investitionskosten amortisieren sich Eiswassersysteme mit 0,5 °C bei mittleren bis großen Molkereibetrieben (>20.000 l/Tag) durch geringere Energiekosten (EUR 3.100/Jahr Einsparung bei 50.000l/Tag), reduzierte Produktverluste (EUR 90.000+/Jahr durch bessere Qualität) und höhere Durchsatzraten wirtschaftlich innerhalb von 46 Jahren ^[2][6]. Bei Betrieben mit hohen Qualitätsanforderungen, Premium-Produkten oder zusätzlicher Wärmerückgewinnung verkürzt sich die Amortisation auf 23 Jahre.

Für zeitkritische Produkte mit hohem Qualitätsanspruch (Frischmilch, fermentierte Milch-Produkte, Bio-Milch) und ausreichendem Verarbeitungsvolumen stellt Eiswasserkühlung mit 0,5 °C kaltem Wasser die thermodynamisch, mikrobiologisch, qualitativ und wirtschaftlich überlegene Technologie dar. Kaltwasserkühlung mit 2 °C kaltem Wasser bleibt für kleine Betriebe mit geringen Qualitätsanforderungen und einfachen Produkten eine kostengünstigere Alternative.

^[1] HTT-AG. (2025). Ice Water Cooling for Dairy Plants | BUCO Efficiency.
https://www.htt-ag.com/solutions/ice-water-cooling-in-dairy-plants/

^[2] HTT-AG. (2023). BUCO Ice Water Cooling for Dairies.
https://www.htt-ag.com/solutions/dairy-cooling/

^[3] Agriculture Institute. (2025). Importance and Effects of Chilling Milk.
https://agriculture.institute/milk-processing-packaging/importance-effects-chilling-milk/

^[4] Dairy Technology Blog. (2014). Chilling of Milk.
http://dairy-technology.blogspot.com/2014/01/chilling-of-milk.html

^[5] Raw Milk Institute. (2023). Rapid Chilling of Raw Milk Lowers Pathogen Risks and Improves Shelf Life.
https://www.rawmilkinstitute.org/updates/rapid-chilling-of-raw-milk-lowers-pathogen-risks-and-improves-shelf-life

^[6] HTT-AG. (2023). Ice Water Cooling in Dairy Plants.
https://www.htt-ag.com/solutions/ice-water-cooling-in-dairiy-plants/

^[7] Groupe ESA. (2017). Milk Composition and Microbiology.
https://www.groupe-esa.com/ladmec/bricks_modules/brick02/co/ZBO_Brick02_3.html

^[8] DairyNZ. (2018). Milk Cooling.
https://www.dairynz.co.nz/milking/milking-plant-maintenance/milk-cooling/

^[9] GEA. (2024). Industrial Refrigeration & Heating for Dairy Processes.
https://www.gea.com/en/heating-refrigeration/dairy/

^[10] TDM. (2024). Ice Water Milk Cooling System (IB & DIB).
https://www.tdm.it/en/project/ice-water-milk-cooling-system-ib-dib/

^[11] Wikipedia. (2005). Heat Transfer Coefficient.
https://en.wikipedia.org/wiki/Heat_transfer_coefficient

^[12] HTT-AG. (2023). Milk Cooling for Farms.
https://www.htt-ag.com/solutions/milk-cooling-on-farms/

^[13] Agriculture Institute. (2025). Specific Heat of Milk and Its Relevance in Dairy Processing.
https://agriculture.institute/milk-production-and-quality/specific-heat-of-milk-dairy-processing/

^[14] PMC/NCBI. (2021). Effects of the Cooling Temperature at the Farm on Milk Microbiological Quality.
https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC8532842/

^[15] ScienceDirect. (2023). The Effect of Different Precooling Rates and Cold Storage on Milk Quality.
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0022030218300171

^[16] Thermal Care. (n.d.). Air Cooled vs Water Cooled Chiller Cost Savings.
https://www.thermalcare.com/air-cooled-vs-water-cooled/

^[17] HTT-AG. (n.d.). Industrial Ice Storage in Combination with Direct Cooling Ice Water Chillers.
https://www.htt-ag.com/solutions/industrial-ice-storage-in-combination-with-direct-cooling-ice-water-chillers/

^[18] Agroscope. (n.d.). Recovering Heat from Milk Cooling Systems Saves Energy.
https://www.agroscope.admin.ch/agroscope/de/home/aktuell/dossiers/n-p-kreislaeufe-optimieren/

^[19] Cornell University. (n.d.). Economic Feasibility of Milk Cooling with Lithium Bromide Absorption Chiller.
https://ecommons.cornell.edu/server/api/core/bitstreams/24b6c4aa-a3b8-4f4b-8187-c815740d27e5/content