Prozesstechnik und Technologie in der Brauerei
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Annette Schwill-Miedaner
IMPRESSUM
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© 2021 Fachverlag Hans Carl GmbH, Nürnberg
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Titelbild: Christina Schönberger
Layout und Satz: Komhus Agentur für Kommunikation, Essen
ISBN 978-3-418-00930-8
eISBN 978-3-418-00929-2
VORWORT
Der Brauprozess bzw. die Bierbereitung setzt sich aus einer Aneinanderreihung von verfahrenstechnischen Grundoperationen unter Einbeziehung von langjähriger brautechnologischer Wissenschaft zusammen. Mein erstes Buch „Verfahrenstechnik im Brauprozess“ hatte die Zielsetzung, diesen Zusammenhang aufzuarbeiten. Im folgenden Buch „Prozesstechnik und Technologie in der Brauerei“ bleibt dieser Leitgedanke erhalten. Allerdings ergibt sich aufgrund von Entwicklungsarbeiten im Bereich der Sudhaustechnik der letzten 6 Jahre eine Schwerpunktverschiebung hin zur Technologie.
Desweiteren werden die Kapitel zur Filtrations- und Stabilisierungstechnik aktualisiert.
Das Buch wendet sich gleichermaßen an die Studierenden des Brauwesens wie an die Praktiker in Brauereien und Zulieferindustrie und soll als kompaktes Nachschlagewerk dienen. Neben der verfahrenstechnischen Betrachtung werden auch grundlegende hydrodynamische, thermodynamische, physikalisch-chemische und technologische Zusammenhänge aufgegriffen. Die Optimierung der Qualität des Endprodukts Bier steht dabei stets im Vordergrund.
Herrn Dipl.- Ing. Josef Englmann und Herrn Prof. Dr.-Ing. Heinz Miedaner danke ich für die Diskussionsbereitschaft im technisch-technologischen Bereich.
Folgenden Personen und Firmen möchte ich für den regen Informationsaustausch und für die Bereitstellung von Bildmaterial danken:
Dipl.-Ing. Friedrich Banke, Banke process solutions
Dipl.-Ing. Tobias Becher, Ziemann Holvrieka GmbH
Dipl.-Ing. Christoph Föhr, Filtrox AG
Dipl.-Brmstr. Christian Galaske, Lehmann&Voss&Co. KG
Dipl.-Brmstr., Dipl.-Ing. Reiner Gaub, Pall GmbH
Dr.-Ing. Frank Hebmüller, Ingenieurbüro Hebmüller GmbH
Dipl.-Ing. Wolf-Dietrich Herberg, GEA Westfalia Separator Group GmbH
Dipl.-Ing. FH Michael Kurzweil, Ziemann Holvrieka GmbH
Dipl.-Ing. Matthias Lustnauer, Eaton Technologies GmbH
Dr.-Ing. Rudolf Michel, GEA Brewery Systems GmbH
Dipl.-Ing. Michael Rittenauer, Bühler GmbH
Dr.-Ing. Ralph Schneid, Krones AG
Norbert Scholten, SF-Soepenberg GmbH
Dipl.-Ing. Clemens Thüsing, Künzel Maschinenbau GmbH
M. Eng. Isabel Wasmuht, Ziemann Holvrieka GmbH
Brmstr. Klaus Wasmuht
Pentair Flow and Filtration Solutions
Albert Handtmann Armaturenfabrik GmbH & Co.KG
Sonthofen, im Juli 2021
INHALT
1Zerkleinern – Schroten
1.1Allgemeines
1.2Bruchmechanische Grundlagen
1.3Einteilung der Zerkleinerungsprozesse und Beanspruchungsarten
1.4Zerkleinerungsmaschinen
1.4.1Trockenzerkleinerung
1.4.1.1Walzenmühlen
1.4.1.2Prallmühlen
1.4.2Nasszerkleinerung
1.4.2.1Dispergiermaschinen
1.4.2.2Rührwerkskugelmühle
1.4.2.3Nassschrotung
1.5Charakterisierung des zerkleinerten Produkts
1.5.1Partikelgrößenverteilung
1.5.2Kontrolle der Zerkleinerung (Analysenmethoden)
1.5.2.1Siebturm
1.5.2.2Luftstrahlsieb
1.5.2.3Laserbeugungsspektrometer (Streulichtmessung)
1.5.2.4Bildanalyse
1.6Zerkleinerung des Malzes
1.6.1Aufgaben
1.6.2Malzlösung
1.7Praktische Anwendung von selektiven Zerkleinerungstechniken
1.7.1Einfluss des Spelzeneintrags auf den Brauprozess
1.7.2Einfluss des Blattkeims auf den Brauprozess
Literatur
2Maischen
2.1Kennzeichnung der Stoffsysteme
2.2Verfahrenstechnische Ziele des Maischens
2.2.1Wärmeübertragung
2.2.2Stoffübertragung
2.3Ausführung von Maischgefäßen
2.4Prozessparameter - Bierqualität
2.5Reaktionskinetik
2.5.1Grundlagen
2.5.2Untersuchungen zur Zeitoptimierung von Maischverfahren
2.5.2.1Stärkeabbau
2.5.2.2Eiweißabbau
2.5.2.3ß-Glucanabbau
2.5.2.4Schlussfolgerung zur Zeitoptimierung von Maischverfahren
Literatur
3Rühren
3.1Sedimentation im Schwerefeld
3.2Rührertypen
3.3Rührerleistung
3.4Turbulenz und mechanische Beanspruchung
3.4.1Theorie
3.4.2Betrachtungen zur mechanischen Belastung der Maische
3.5Rheologie
3.5.1Theorie
3.5.2Viskositätsbestimmung in der Maische
Literatur
4Kontinuierliches Maischen
4.1Theoretische Grundlagen
4.2Ermittlung der Verweilzeitspektren einer 2-stufigen Rührkesselkaskade
4.3Kontinuierlicher Maischversuch
Literatur
5Abläutern
5.1Theoretische Grundlagen
5.1.1.Sedimentation im Schwerefeld
5.1.2Filtration
5.1.3Stofftransport
5.2Der Läuterbottich
5.3Untersuchungen zur Durchlässigkeit von Treberschichten in Läuterbottichen
5.4Der Maischefilter
5.5Alternative Trennsysteme
5.5.1Kontinuierliches Abläutern mit Dekanter
5.5.2Dynamische Membranfiltration
5.5.2.1Trennsystem mit oszillierenden Membranen
5.5.2.2Trennsystem mit Drehscheibenfiltern
Literatur
6Würzekochung
6.1Ausdampfverhalten von Aromastoffen bei der Würzekochung
6.1.1Atmosphärische Kochung
6.1.2.Entspannungsverdampfung
6.1.3Verdunstung
6.2Wärmeübertragung
6.2.1Dampfseitiger Wärmeübergang
6.2.2Produktseitiger Wärmeübergang
6.3Heißhalten der Würze
6.3.1Thermische Belastung – Thiobarbitursäurezahl (TBZ)
6.3.2Eiweißauscheidung – Koagulierbarer Stickstoff
6.3.3Isomerisierung – Bitterstoffe
6.3.4Entfernung flüchtiger Würzeinhaltsstoffe – Dimethylsulfid (DMS)
6.4Kochsysteme
6.4.1Außenkocher
6.4.2Innenkocher (Robertverdampfer, Naturumlaufverdampfer)
6.4.2.1Jet-Star® (submerged jet)
6.4.2.2Stromboli®
6.4.2.3Shark®
6.4.3Niederdruckkochung
6.4.3.1Dynamische Niederdruckkochung (NDK)
6.4.4Hochtemperaturwürzekochung (HTWK)
6.4.5Dünnfilmverdampfer (Merlin®)
6.4.6Externe Hopfenisomerisierung
6.5Beurteilung von Würzekochsystemen
6.6Maßnahmen zur Wärmerückgewinnung
6.6.1Energiespeicher
6.6.2Würzekochung und Brüdenverdichtung
6.7Korrektur der Würzearomastoffe
6.7.1Verdampfung im Vakuum
6.7.1.1Entspannungskühler
6.7.1.2Vakuumnachverdampfung
6.7.1.3Schonkochverfahren
6.7.2Volatile Stripping mittels Gas
6.7.2.1Stripping mittels Dampf
6.7.2.2Stripping System Boreas®
6.7.3Dünnfilmverdampfung
6.7.4Schaffung großer Oberflächen
6.7.5Unterdrückung der Nachbildung von Aromastoffen
6.8Das Sudhauskonzept OMNIUM®
Literatur
7Heißtrubentfernung
7.1Whirlpool
7.2Alternative Trennapparate
Literatur
8Würzekühlung
Literatur
9Belüftung
Literatur
10Kühltrubentfernung
Literatur
11Gärung und Reifung
11.1Allgemein
11.2Kontinuierliche Verfahren
11.2.1Coutts-Verfahren (Zulaufverfahren)
11.2.2APV-Gärturm (Durchlaufverfahren)
11.2.3Bio-Brew-Verfahren (Durchlaufverfahren)
11.2.4Optimiertes Bio-Brew-Verfahren
11.2.5Immobilisierung
11.2.6Reaktortypen
11.3Regelung und Optimierung von Gärung und Reifung
11.4Kalthopfung
Literatur
12Filtration
12.1Prinzip
12.2Filtrationsarten
12.3Theoretische Modellbeziehungen
12.4Kuchenfiltration
12.4.1Konstanter Volumenstrom (dV/dt = konst.)
12.4.2Konstanter Druck (Δp = konst., V2 ~ t)
12.4.3Filtration mit veränderlichem Druck und veränderlicher Leistung
12.5Filtration in der Praxis
12.5.1Vorfiltration
12.5.2Filterbauarten
12.5.2.1Kieselgurschichtenfilter
12.5.2.2Horizontalfilter (Drahtgewebefilter)
12.5.2.3Kerzenfilter
12.5.2.3.1Spaltfilter
12.5.2.3.2Kerzenfilter mit Drahtspirale
12.5.2.3.3Kerzenfilter System Twin-Flow®
12.5.3Membranfiltration
12.5.3.1Cross-Flow-Filtration
12.5.3.2Scherspaltfilter
12.5.3.3Filter mit oszillierenden Membranen (VMF-Verfahren)
12.5.4Nachfiltration
Literatur
13Stabilisierung
Literatur
14Probennahme
14.1Die Bedeutung der Probennahme im Brauprozess
14.2Probennahme und Probenteilung
14.3Eingangskontrolle am Beispiel Malz
14.4Zwischenproduktkontrolle
14.4.1Schrotprobe
14.4.2Treberprobe
14.4.3Pfanne-Voll-Würze
14.4.4Ausschlagwürze
14.4.5.Heißwürze nach dem Whirlpool
14.4.6Kühlmittewürze
14.4.7Kaltwürze
14.4.8Reifungsprobe
Literatur
15Anhang
15.1Formelzeichen und Abkürzungen
15.2Gebrauchsformeln für den Wärmeübergang (Quelle: Lehrstuhl V.d.S., Weihenstephan)
15.2.1Strömung in Rohren
15.2.2Strömung längs einer ebenen Wand
15.2.3Umströmter Einzelkörper (Kugel)
15.3Stoffwerte
15.4Wasserdampftafel
15.5AR-Ω-Diagramm
Register
1ZERKLEINERN – SCHROTEN
1.1ALLGEMEINES
Zerkleinerungsprozesse spielen bei der Verarbeitung von festen Stoffen in zahlreichen Industriebereichen (Baustoffindustrie, Bergbau, chemische und pharmazeutische Industrie, Lebensmittelindustrie usw.) eine maßgebliche Rolle. Der Vorgang des Zerkleinerns ist Bestandteil des Produktionsablaufs. Er liefert die Basis für weitere verfahrenstechnische Schritte (z. B. Sortieren, Mischen, Agglomerieren) und thermische und/oder chemische Umsetzungen. Man definiert die Zerkleinerung als das Zerteilen eines Feststoffgefüges in Teilstücke unter der Wirkung mechanischer Kräfte [1.1]. Damit ist eine Vergrößerung der spezifischen Oberfläche des zu zerkleinernden Guts, eine Verringerung der Korngrößen bzw. eine Veränderung der Korngrößenverteilung verbunden. Der neue Dispersitätszustand beeinflusst die nachfolgenden Prozesse (z. B. Maischen, Läutern). Infolge der vergrößerten Oberfläche können physikalische und chemische Reaktionen schneller ablaufen. Ob dies bei der Würzebereitung zutrifft, wird an späterer Stelle brautechnologisch diskutiert. Weiterhin tritt durch die Zerkleinerung u. a. eine Veränderung der Fließfähigkeit und Mischbarkeit sowie bestimmter Austauschvorgänge ein.
1.2BRUCHMECHANISCHE GRUNDLAGEN
Als Bruch wird die zum Verlust der Tragfähigkeit eines Festköpers führende Stofftrennung im makroskopischen Bereich definiert, bei dem durch äußere oder innere mechanische Spannungen die atomaren bzw. molekularen Bindungen aufgehoben werden [1.2]. Jedem Bruch geht eine Deformation in der beanspruchten Zone voraus. Damit ist die zur Zerkleinerung erforderliche Energie von der Größe des deformierten Bereichs, von den elastischen Eigenschaften des beanspruchten Festkörpers und von der Beanspruchungsart abhängig. Der Bruchvorgang basiert unter Annahme idealer Bedingungen auf folgender Vorstellung [1.2, 1.3]:
Ein fester Körper setzt sich aus einer Vielzahl kleinster Elementarteile zusammen z. B. Ionen, Atome, Moleküle, Kristalle. Seine Elastizität wird durch die Kraftwirkungen zwischen den Elementarteilen, den inneren Kräften (Gitterkräfte) bestimmt. Als mögliche Bindungsart unterscheidet man kovalente Bindungen, Ionenbindungen, metallische Bindungen und Van-der-Waals-Bindungen. Die aus der Deformation der inneren Elektronenschalen resultierenden abstoßenden Kräfte FS und die aus der Massewirkung resultierenden anziehenden Kräfte FZ wirken als innere Kräfte. Wenn auf den Feststoffkörper keine äußeren Kräfte einwirken, stehen die inneren Kräfte im Gleichgewicht. Die Elementarteilchen nehmen dann einen bestimmten Abstand r0 zueinander ein (Abb. 1.1).
Abb. 1.1:Schematische Darstellung der Kraftwirkungen zwischen benachbarten Elementarteilchen eines Feststoffkörpers [1.2]
Der Bruch tritt ein, wenn die Wechselwirkungskraft Fmax bei rmax überwunden wird. Die inneren Kräfte stehen nun nicht mehr im Gleichgewicht zueinander. Die Einwirkung von äußeren Kräften in Form von Zug- oder Schubspannungen (Abb. 1.2) führt zwischen den Elementarteilchen zu einer Abstandsvergrößerung r > rmax. Zur Einleitung des Bruchs muss einem Feststoffteilchen die nach Gleichung (1.1) ermittelte Bruchenergie zugeführt werden.
Abb. 1.2:Bruchverhalten (Trennbruch, Gleitbruch)
Der Zerkleinerungsvorgang kann in zwei Abschnitte unterteilt werden. Zuerst erfolgt die elastische Deformation in der Bruchzone, wodurch die zum Bruch erforderlichen Spannungen aufgebaut werden. Darauf folgt der eigentliche Bruchvorgang, der neue Grenzflächen schafft.
Abb. 1.3:Linear-elastisches Materialverhalten nach [1.4]
Man unterscheidet drei verschiedene Arten des Materialverhaltens von festen Stoffen: linear-elastisches, elastisch-plastisches und visko-elastisches Verhalten. Beim linear-elastischen Materialverhalten (Abb. 1.3) besteht eine Proportionalität zwischen der Dehnung ε und der Spannung σ.
σ = Bruchspannung E = Elastizitätsmodul Δx = Längenänderung unter Krafteinwirkung x = charakteristische Abmessung
Spröde Stoffe haben ein hohes Elastizitätsmodul E (Stoffwert). Dem Sprödbruch geht nur eine geringe Verformung voraus. Nach einem kurzen Verformungsweg (Dehnung εB) baut sich eine hohe Spannung auf, was beim Erreichen der Bruchspannung σB einen Materialbruch zur Folge hat. Gummielastische Stoffe dagegen erfahren bereits durch kleine Spannungen eine deutliche Verformung, die Rissausbreitung schreitet langsam voran [1.4]. Die jeweils eingezeichnete Fläche unter σ-ε stellt die auf die Volumeneinheit bezogene eingebrachte Energie (erforderliche Zerkleinerungsarbeit bis zum Erreichen des Bruchs) dar.
Malz erfordert, bedingt durch seine spröden Eigenschaften, infolgedessen einen geringeren Energieaufwand zur Zerkleinerung als z. B. unvermälzte Gerste [1.5]. Der aus energetischen Gründen günstigere Sprödbruch (Gegensatz Zähbruch, besteht beim Gleitbruch) hängt, neben dem Material, von der Temperatur, der Beanspruchungsgeschwindigkeit und der Ausgangskorngröße ab.
Abb. 1.4:Visko-elastisches Materialverhalten [1.4]
Visko-elastische Stoffe zeichnen sich dadurch aus, dass sie sich bei langsamer und lang andauernder Beanspruchung (Zeitabhängigkeit) ausdehnen und im Inneren gleichzeitig Spannungen abbauen (Relaxation), was entsprechende spezifische Arbeit erfordert (Abb. 1.4, Kurve a). Bei hoher Beanspruchungsgeschwindigkeit und kurzer Dauer tritt die energietechnisch günstigere Versprödung ein (Kurve b). Den gleichen Effekt hat eine Temperaturerniedrigung.
Abb. 1.5:Bruchphänomene bei elastisch-sprödem Materialverhalten [1.6]
Abb. 1.5 zeigt Bruchbilder bei Einzelkornbeanspruchung durch Druck oder Prall bei elastisch-sprödem Materialverhalten. Während beim Druck Risse von einer Kontaktstelle zur anderen verlaufen, wandern beim Prall die Risse divergent von der Kontaktstelle in die Partikel. Der Bruch beginnt mit einem Riss (Primärbruch), der sich mehrmals verzweigt (Sekundärbrüche). Dann entsteht in den Kontaktbereichen ein Bruchfeld mit großer Rissdichte (blaue Fläche), wodurch Feingut erzeugt wird. Bei großen Kugeln hoher Festigkeit bilden sich zwei berührende Feingutkegel aus.
Die theoretischen zum Bruch erforderlichen Spannungen lassen sich bei Zugbelastung des Materials mit
Die in der Praxis erforderlichen Bruchspannungen liegen um zwei bis drei Zehnerpotenzen niedriger als die theoretische Bruchspannung, da reale Körper im Gitteraufbau Inhomogenitäten aufweisen. Diese können aus Gitterfehlern, Korngrenzen oder Anrissen bestehen. Infolge der Störungen im Kristallgitter liegt im beanspruchten Körper eine inhomogene Spannungsverteilung vor. Die Kraftlinien weichen den Störstellen aus und konzentrieren sich vermehrt an den Spitzen der Risse. An diesen Stellen treten dadurch Spannungsspitzen auf, die ein Mehrfaches des theoretischen Mittelwerts der Bruchspannung betragen. Hier ist die Bruchgrenze bereits bei geringer äußerer Beanspruchung überschritten. Der Bruch beginnt an diesen hoch belasteten Stellen (Kerbwirkung) und breitet sich von dort aus. Abb. 1.6 verdeutlicht die Gegebenheiten für einen Anriss in einer ebenen Platte, die von außen mit der zum Bruch erforderlichen Zugspannung σ0 beaufschlagt ist. Demnach verläuft die Ausbreitung eines bereits vorliegenden Primärrisses schon bei Spannungen, die deutlich unter der theoretischen Bruchspannung liegen. Die Spannungsüberhöhung an der Rissspitze wird umso größer, je länger der Anriss l und je kleiner der Krümmungsradius rK der Rissspitze ist [1.4, 1.7].