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Inertisieren und Kühlen mit Stickstoff

Das schützende Gas

Sechzehn Feuerwehreinheiten mussten anrücken, als am 13. Oktober in einem Futtermittelunternehmen in Ebergassing bei Wien ein Feuer ausbrach. Gras- und Hanfpellets hatten sich in einem der riesigen Silos selbst entzündet. Löschen mit Wasser kam nicht in Frage, hier wurde ein anderes Löschmittel gebraucht: Stickstoff. Wie der Name des Gases schon sagt, kann es Brände ersticken – oder gar nicht erst entstehen lassen. „Inertisieren“ nennt man das Herstellen einer Atmosphäre, in der weder Feuer noch eine andere Art von Oxidation stattfinden kann. Stickstoff ist dafür besonders gut geeignet. Doch das vielseitige Gas hat noch weitere nützliche Eigenschaften. Sein Siedepunkt von minus 196 Grad Celsius und seine breite Verfügbarkeit machen es in vielen Anwendungen zum idealen Kühlmittel.

Innerhalb von nur zwei Stunden war der erste Tankwagen von Messer mit 20.000 Kubikmeter Stickstoff an der Brandstelle in Ebergassing. Drei weitere Tankwagen wurden gebraucht, bis das Feuer schließlich nach mehreren Tagen gelöscht werden konnte. Paradoxerweise war Feuchtigkeit die Brandursache gewesen. Das staubtrockene Tierfutter hatte durch die Betonwände des Silos Feuchtigkeit gezogen, die einen Zersetzungsprozess auslöste. Die dabei entstehende Hitze entzündete den Siloinhalt. Schon um angrenzende Silos nicht durch zusätzliche Nässe zu gefährden, durfte zum Löschen kein Wasser verwendet werden – Stickstoff war die ideale Lösung. Solche Brände können damit aber nicht nur gelöscht, sondern auch von vornherein verhindert werden. Die Luft im Silo wird dann durch das inerte Gas ersetzt. Ohne Sauerstoff kann – selbst wenn Hitze oder Funken ins Spiel kommen – nichts brennen.

Explosionen verhindern
Das Wort inert kommt aus dem Lateinischen und bedeutet: untätig, unbeteiligt, träge. In der Chemie bezeichnet es Stoffe, die sich nur schwer oder gar nicht mit anderen verbinden, ganz besonders nicht mit dem reaktionsfreudigen Sauerstoff.

Die zeitweise oder ständige Inertisierung von Silos ist in bestimmten Fällen sogar vorgeschrieben. Bei manchen Schüttgütern wie Kohle werden Inertgasschleusen verwendet, um bei der Befüllung eines Großbehälters eine Staubgasexplosion auszuschließen. Beim Umgang mit leicht entzündlichen und explosionsgefährdeten Flüssigkeiten ist häufig ebenfalls der Einsatz von Stickstoff die entscheidende Schutzmaßnahme. Vor Wartungsarbeiten in Ölraffinerien etwa werden die gefährlichen Dämpfe mit dem Gas aus den Anlagen gespült.

Oxidation unerwünscht
Aber auch ohne unmittelbares Brandrisiko kann die Verbindung mit Sauerstoff sehr unerwünscht sein. So kann die Mikroelektronik für unsere Laptops, Tablets und Smartphones erst dank Inertisierung überhaupt gebaut werden. In den superfeinen Leitungen ihrer Prozessoren und Leiterplatten könnten wenige Oxidmoleküle ganze Schaltkreise lahmlegen. Das Löten störungsfreier Leitungen dieser Dimension gelingt nur in einer inerten Atmosphäre, die meist aus Stickstoff besteht.

In der Metallindustrie muss für zahlreiche Schritte der Bearbeitung eine Oxidation verhindert werden, da sonst die Festigkeit der Legierungen oder die Qualität ihrer Oberflächen leiden würden. Das Schutzgas, das beim Schweißen verwendet wird, besteht meist zum größten Teil aus Stickstoff. Es verhindert die Oxidation in den entstehenden Schweißnähten und sorgt so auch für ihre Homogenität sowie die mechanische Stabilität der Verbindung. Ähnliche Funktionen kann das Gas übernehmen, wenn Metall-Legierungen in den Schmelzöfen hergestellt oder zur Verarbeitung flüssig gehalten werden: Eine Stickstoffschicht auf der Schmelze verhindert die unerwünschte Oxidation. Bei anderen Vorgängen wie zum Beispiel dem Aluminiumstrangpressen wird neben der inertisierenden zusätzlich die kühlende Wirkung des Stickstoffeintrags genutzt.

Kirsche bleibt oben
Letztere spielt auch in der Lebensmittelverarbeitung eine wichtige Rolle. Dabei ist vor allem das Tempo der Stickstoffkühlung ein enormer Vorteil gegenüber herkömmlichen Kühlverfahren. Ein zwei Zentimeter dickes Steak benötigt in einem handelsüblichen Gefrierschrank bei minus 20 Grad Celsius zehn Stunden, bis es auch im Kern gefroren ist. Mit tiefkaltem Stickstoff dauert dieser Vorgang kaum 20 Minuten. Tiefkaltes Gas kann deshalb Produktionsprozesse enorm beschleunigen oder überhaupt erst ermöglichen: Damit die Kirschen auf der tiefgekühlten Schwarzwälder Torte nicht in die Sahne sinken, erhält diese durch Schockfrosten mit Stickstoff die nötige Festigkeit.

Schnelles Frosten schützt auch die Qualität der Lebensmittel. Bei langsamem Gefrieren entstehen große Eiskristalle, welche die Zellwände beschädigen, ihr Aussehen und ihren Geschmack stark beeinträchtigen können. Die sehr hohen Gefriergeschwindigkeiten, die mit Stickstoff erreicht werden, lassen das Wasser in den Zellen dagegen so schnell gefrieren, dass überwiegend unschädliche kleine Eiskristalle entstehen. Produkte, die so gefrostet wurden, sind nach dem Auftauen optisch ansprechend und appetitlich. 

Beim Lagern und Verpacken von Lebensmitteln kommt dann wieder die inertisierende Wirkung des Gases ins Spiel. Als größter Bestandteil der Luft – sie besteht zu rund 78 Prozent aus Stickstoff – ist es im Kontakt mit Nahrungsmitteln völlig unbedenklich. Als Schutzgas in Lagertanks, Vorratsbehältern, Tüten und Flaschen verhindert es Oxidation, Keimbildung und Fäulnis.

Inertisieren mit Stickstoff

  • Feuer- und Explosionsschutz, dauerhaft oder vorübergehend, in Tankanlagen, Silos, Reaktoren und Rohrsystemen
  • Oxidationsschutz und Qualitätssteigerung bei der Leiterplatten und Baugruppenfertigung in der Mikroelektronik (Reflow- und Wellenlöten)
  • Verzögerung der Reifung bei Transport und Lagerung von Früchten
  • Schutzgas in Lebensmittelverpackungen
  • Oxidationsschutz für Getränke in Tanks und Abfüllgebinden
  • Feuerbekämpfung, unter anderem bei Silo- und Fugenbränden
  • Oxidationsschutz in der Metallverarbeitung

Kühlen mit Stickstoff

  • Schnellfrosten von Lebensmitteln
  • Werkzeugkühlung beim Aluminiumstrangpressen
  • Schlauchseelenkühlung bei der Herstellung von Gewebeschläuchen
  • Erdreichgefrieren zur Stabilisierung des Untergrunds beim Bau
  • Betonkühlung zum Vermeiden von Rissbildung
  • Härten von Stahl
  • Entgratung von Gummiteilen durch Versprödung
  • Kaltdehnen zum Verbinden zylindrischer Metallteile
  • Rohrfrosten zum Einfrieren des Rohrinhaltes bei Reparaturen

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