Trockeneis: Eigenschaften, Herstellung und Anwendungen von festem CO₂

Hintergrund

Trockeneis ist die Bezeichnung für Kohlendioxid im festen Aggregatzustand. Kohlendioxid kommt in der Erdatmosphäre vor; es ist ein Gas, das Menschen ausatmen und Pflanzen für Photosynthese nutzen. Diese chemische Verbindung ist farblos, geruchlos, geschmacklos und etwa 1,5-mal so dicht wie Luft. Kohlendioxid wandelt sich unter Druck und bei niedrigen Temperaturen von Gas in einen undurchsichtigen weißen Feststoff um, wird fest bei −78,5 °C (−109 °F). Trockeneis wird primär in zwei Formen hergestellt: als Block über 22,7 kg oder in kleinen Stücken, die von Reiskorngröße bis zu größeren Pellets variieren. Trockeneis schmilzt nicht, sondern sublimiert – der Feststoff geht direkt in Gas über (unter Umgehung des flüssigen Zustands), wenn die Temperatur steigt und der Feststoff zu dissipieren beginnt. Diese ungewöhnliche Eigenschaft erzeugt einen Raucheffekt, und Trockeneis scheint zu dampfen, während es sublimiert. Daher wird Trockeneis oft zur Simulation von Nebel oder Rauch eingesetzt.

Trockeneis selbst ist nicht giftig, aber die Oberfläche des Feststoffs ist so kalt, dass er nicht ohne Handschuhe berührt werden sollte. Auch wenn das Gas stabil und inert ist, ist es schwerer als Luft und kann sich in tiefen Bereichen oder geschlossenen Räumen anreichern. Wenn die Kohlendioxidkonzentration in der Luft 5 % übersteigt, wird es giftig. Daher muss jeder Bereich, in dem Trockeneis verwendet wird, gut belüftet sein.

Es ist relativ einfach, Kohlendioxid von Gas in Feststoff umzuwandeln. Viele Trockeneishersteller gibt es in den USA, und Trockeneis wird in alle Landesteile für diverse Zwecke versandt. Es ist ein wichtiges Kühlmittel, um Lebensmittel kalt zu halten und bakterielles Wachstum während des Transports zu verhindern. Trockeneis für Kühlung oder Gefrieren von Lebensmitteln muss sehr sauber und "lebensmittelecht" sein, um sicherzustellen, dass berührte Lebensmittel nicht kontaminiert werden. Da der Feststoff sublimiert statt zu schmelzen, können große Mengen Trockeneis in Versandbehälter gegeben werden, ohne das Volumen von Schmelzwasser berücksichtigen zu müssen, das bei Eis als Kühlmittel anfällt. Lebensmittelbezogene Anwendungen sind umfangreich: Schockfrosten von Lebensmitteln für spätere Verwendung in Verarbeitungsbetrieben, Hemmung aktiver Hefe in Bäckereien, und Kühlung von Speisen für Catering in der Flugindustrie.

Weitere Anwendungen: Verlangsamung des Knospenwachstums in Baumschulen, um Pflanzen frisch für Verbraucher zu halten; Schockfrosten in der Gummiindustrie während der Herstellung; Absorption von Ammoniak-Kühllecks; Erzeugung von Rauch für Theaterproduktionen. Die bedeutendste jüngste Anwendung ist Trockeneisstrahlen (oder -reinigung), bei dem Trockeneispellets mit hoher Geschwindigkeit auf eine zu reinigende Oberfläche geschleudert werden. Die Pellets entfernen Verunreinigungen, sublimieren in die Atmosphäre und hinterlassen keine giftigen Gase. Der einzige Rückstand ist der Schmutz oder die Farbe, die zur Entsorgung übrig bleibt.

Geschichte

Trockeneis wurde nicht erfunden, vielmehr wurden die Eigenschaften von festem Kohlendioxid im frühen 20. Jahrhundert entdeckt. Es wurde erstmals in den 1920ern in den USA kommerziell produziert. Ein kommerzielles Unternehmen ließ den Namen Dry Ice 1925 als Marke schützen, und festes Kohlendioxid wird seitdem als Trockeneis bezeichnet. Bis vor kurzem wurde Trockeneis oft als heißes Eis bezeichnet, in Anspielung darauf, dass sich die Hand verbrannt anfühlte, wenn man die kalte Oberfläche berührte.

Es scheint, dass die Prest-Air Devices Company aus Long Island, New York, 1925 erstmals erfolgreich Trockeneis produzierte. Ebenfalls 1925 nutzte Schrafft's in New York City das Produkt erstmals, um sein berühmtes Eis in ihrem Parlor vor dem Schmelzen zu bewahren. Trockeneis wurde in der Mitte des 20. Jahrhunderts weitaus umfangreicher für Kühlung und Gefrieren von Lebensmitteln genutzt als heute. Practisch jede Eisdiele weltweit nutzte Trockeneis, um Eis gefroren zu halten, bis weit nach dem Zweiten Weltkrieg, als elektrische Kühlung erschwinglich und effizient wurde. Die Trockeneisherstellung hat sich in vielen Jahrzehnten nicht signifikant verändert und ist ein relativ simpler Prozess der Druckbeaufschlagung und Kühlung von gasförmigem Kohlendioxid. Anwendungen für Trockeneis haben mit dem Aufkommen besserer elektrischer Kühlung etwas abgenommen. Jüngste Entwicklungen umfassen Pellets für Strahlen/Reinigung und zunehmende Nutzung beim Transport medizinischer Proben, einschließlich Herzen, Gliedmaßen und Gewebe, für Wiederanheftung und Transplantation.

Rohstoffe

Der einzige Rohstoff für die Trockeneisherstellung ist Kohlendioxid. Dieser Rohstoff ist ein Nebenprodukt der Raffination von Gasen, die bei der Herstellung oder Raffination anderer Produkte emittiert werden. Der Großteil des in den USA für Trockeneis verwendeten Kohlendioxids stammt aus der Raffination von Gasen, die bei der Erdöl- und Ammoniakraffination anfallen. Das bei diesen Prozessen emittierte Kohlendioxid wird abgesaugt und "gewaschen", um Verunreinigungen für lebensmittelechtes Kohlendioxid zu entfernen, das schließlich zu Trockeneis wird.

Der Herstellungsprozess

1. Kohlendioxid wird durch Kompression und Kühlung verflüssigt, verflüssigt bei ca. 395 kg/cm² (870 lb/in²) bei Raumtemperatur. Flüssiges Kohlendioxid wird über Rohrleitungen in riesige Lagertanks gepumpt, damit Trockeneishersteller die benötigte Flüssigkeit entnehmen können.
2. Das flüssige Kohlendioxid wird in riesigen Mengen, manchmal viele Tonnen schwer, versandt. Daher wählen die meisten Trockeneishersteller Fabriknähe zu Erdöl- oder Ammoniakraffinerien, um Transportkosten erschwinglich zu halten. Das unter Druck stehende, gekühlte flüssige Kohlendioxid wird direkt in einen Drucktank oder Kesselwagen des Herstellers geleitet und zum Werk transportiert.
3. Der Tankwagen fährt zum Werk und kippt das flüssige Kohlendioxid in riesige Tanks auf dem Gelände. Diese Tanks halten die Flüssigkeit unter Druck, gekühlt, damit sie flüssig bleibt. Die Tanks liegen an der Fabrikwand angrenzend und über Rohrleitungen wird die Flüssigkeit bei Bedarf direkt ins Innere für die Herstellung geführt.
4. Das flüssige Kohlendioxid wird wieder über Rohrleitungen aus den angrenzenden Tanks durch die Fabrikwand in die Trockeneispresse freigesetzt. Wenn die Flüssigkeit aus einer hochdruckumgebung in Atmosphärendruck übergeht, dehnt sie sich aus und verdampft mit hoher Geschwindigkeit, was die Flüssigkeit auf ihren Gefrierpunkt von −78,3 °C (−109 °F) abkühlt. Eine Düse führt die Flüssigkeit in den oberen Block einer Trockeneispresse, die ca. 4,9 m hoch steht. Diese Presse umfasst einen großen oberen Block, der extremen Druck auf das hineingebrachte Produkt ausübt. Wenn das flüssige Kohlendioxid den Block der Trockeneispresse trifft, verfestigt es sich sofort, da es nun Raumtemperatur hat. Das Kohlendioxid ähnelt nun Schnee.
5. Dieser Schnee, nun im oberen Pressenteil, muss zu einem Trockeneisblock komprimiert werden. Der obere Pressenteil bewegt sich auf und ab mit außergewöhnlichem Druck (ca. 60 Tonnen), presst den Schnee zu einem festen Trockeneisblock. Dies dauert ca. fünf Minuten. Der fertige Block ist etwa 61 cm breit, 25 cm hoch und wiegt ca. 100 kg.
6. Dieser undurchsichtige weiße Trockeneisblock wird aus der Presse auf eine Rolle geschoben. Eine pneumatische Säge schneidet den Block in zwei Hälften, und die Blöcke werden zu einer weiteren Säge geschoben, die die kleineren Blöcke erneut zerteilt. Der einzelne Block aus der Presse ist nun in vier Stücke, jedes ca. 25 kg.
7. Die kleineren Blöcke werden in Behälter gelegt, die die Blöcke kalt halten, damit Sublimation minimal bleibt. Als unverpackte Stücke versandt, müssen sie dicht in einem Behälter gepackt werden, allgemein vier Blöcke, mit sehr wenig Luft im Inneren, um Sublimation zu reduzieren. Wird ein Block während des Versands entfernt, beginnen die anderen schnell zu dissipieren. Viele Hersteller wickeln die Blöcke maschinell in Papier (weise, die sehr kalte Oberfläche nicht zu berühren) und senden sie an Distributoren oder Großhändler.

Qualitätskontrolle

Qualitätskontrollfragen drehen sich primär um den Grad des für lebensmittelechtes Trockeneis verwendeten Kohlendioxids. Kürzlich setzte die Bundesregierung ziemlich strenge Standards für die Reinheit des in der Trockeneisherstellung verwendeten Kohlendioxids, was Hersteller veranlasst, das verwendete flüssige Kohlendioxid sowie die Reinheit des hergestellten Produkts zu zertifizieren und zu testen.

Weitere Qualitätskontrollaspekte umfassen die Sicherstellung, dass Tanks und Ausrüstung präzise arbeiten. Wenn Druck nicht ordnungsgemäß gehalten wird, kann das Produkt nicht produziert werden. Schnelles und effizientes Bewegen des Produkts vom Schneiden zur Lagerung ist sehr wichtig, da Trockeneis bei Raumtemperatur schnell sublimiert, was Gewicht und Preis des verkaufsfähigen Produkts reduziert. Der Versand muss Blöcke dicht packen, um Sublimation im Transit zu reduzieren.

Nebenprodukte/Abfall

Bei der Trockeneisproduktion entstehen keine signifikanten Chemikalien. Da das Produkt nur aus Kohlendioxid besteht, werden beim Sublimieren Gase in die Atmosphäre emittiert. Der einzige nachweisbare Abfall ist Sublimation des Produkts in Blockform, die minimal gehalten wird.

Zukunftsaussichten

Während die Nutzung von Trockeneis in Kühlung und Lebensmittellagerung abnehmen mag, hält seine Nutzung in anderen Bereichen Versprechungen. Wie oben erwähnt, interessieren sich Hausreiniger und Maschinenbetreiber für kleine Trockeneispellets wegen ihrer Fähigkeit, ein Haus oder eine Maschine unter hohem Druck zu bombardieren, Schmutz oder andere Verunreinigungen zu entfernen und dann in die Atmosphäre zu dissipieren. Kürzlich nutzte ein Telekommunikationsunternehmen Trockeneispellets, um empfindliche elektronische Testausrüstung gefahrlos ohne gefährliche Lösungsmittel zu reinigen. Karosseriewerkstätten entdeckten, dass Aufbringen von Trockeneis auf Dellen in der Karosserie manchmal die Verformung beseitigen kann. Auch Tests an Trockeneisblöcken befürworten, sie in Mauselöcher zu werfen, um Schädlinge zu beseitigen, oder in den Garten zu legen, um Mücken anzulocken und von Menschen fernzuhalten.

Weiterführende Informationen

Bücher

Russell, Allan S. McGraw-Hill Encyclopedia of Science & Technology. Bd. 5. New York: 1997.

The Handy Science Answer Book. 2. Aufl. Detroit: 1997.

Sonstiges

"Dry Ice." About.com Web Page. August 2001. https://inventors.about.com/library/inventors/bldryice.htm.

dryicelnfo.com Home Page. Juli 2001. https://www.dryiceinfo.com.

Interview mit Chuck Hines. Inhaber der Arctic Dry Ice Company. Baltimore. 31. Juli 2001.

Nancy EV Bryk