Prozesstechnik und Technologie in der Brauerei

1.3EINTEILUNG DER ZERKLEINERUNGSPROZESSE UND BEANSPRUCHUNGSARTEN

Die Einteilung der Zerkleinerungsprozesse kann nach der Festigkeit der zu zerkleinernden Produkte, der Beanspruchungsart und der Korngröße der zerkleinerten Produkte erfolgen. Je nach der stofflichen Widerstandskraft gegenüber mechanischer Beanspruchung wird in Hart-, Mittel- und Weichzerkleinerung unterschieden (Tab. 1.1). Demnach unterliegt das Produkt Malz der Weichzerkleinerung.

Tab. 1.1:Einteilung der Zerkleinerungsprozesse nach Härtegraden [1.2]

Den einzelnen Zerkleinerungsverfahren können Beanspruchungsmechanismen zugeordnet werden, die sich in Art, Größe und Geschwindigkeit des mechanischen Angriffs unterscheiden (Abb. 1.8). Die Beanspruchung des zu zerkleinernden Materials ist je nach seinen physikalischen Eigenschaften durch Druck, Druck-Schub, Schlagen, Schneiden, Stoß (Prall), Scherung oder durch die Kombination verschiedener Beanspruchungsarten gegeben.

Abb. 1.8:Beanspruchungsarten nach RUMPF [1.4]

IBeanspruchung zwischen (zwei) Zerkleinerungswerkzeugen

IIBeanspruchung an einem Zerkleinerungswerkzeug (Prall)

IIIBeanspruchung durch das umgebende Medium

IVBeanspruchung durch nichtmechanische Energiezufuhr

thermisch, elektromagnetisch, chemisch induzierte mechanische Spannungen

Bei der Beanspruchung zwischen zwei Zerkleinerungswerkzeugen wird die Partikel einer Druckbelastung oder einer kombinierten Druck-Schub-Belastung (Kategorie I) ausgesetzt (Abb. 1.8). Die Zerkleinerung erfolgt bei Druckbelastung durch das Überschreiten der Druckfestigkeit des Korns. Die Beanspruchungsintensität wird maßgeblich durch die Form der Partikeln beeinflusst und weniger durch die Geschwindigkeit.

Bei der Prallzerkleinerung geschieht die Beanspruchung der Partikeln über Stoßvorgänge (Kategorie II). Die Zerkleinerung erfolgt durch ein bewegtes Werkzeug (z. B. Hammermühle), Stoß gegen eine Prallfläche oder gegenseitigen Partikelstoß. Die Beanspruchungsintensität ist von der Geschwindigkeit abhängig.

Die Kräfte bei der Zerkleinerung durch das umgebende Fluid (Kategorie III) sind im Vergleich zur Zerkleinerung der Kategorie I und II geringer. Das Zerkleinerungsergebnis beruht hierbei auf unsymmetrischen Druck- und Zugbelastungen, die durch eine Scherströmung erzeugt werden. Bei turbulenten Strömungen treten zeitlich und örtlich stark schwankende Belastungen auf.

Die Zerkleinerung kann auch durch Stoßwellen in Fluiden z. B. durch Druckstöße oder infolge von Kavitation hervorgerufen werden.

Abb. 1.9:Beanspruchungsarten in Maschinen [1.6]

Weiter kann bei Beanspruchungsarten zwischen Einzel-, Mehrkorn- und Gutbettbeanspruchung unterschieden werden (Abb. 1.9). Bezüglich der Energieausnutzung ist eine Einzelkornbeanspruchung anzustreben. Diese ist jedoch nur bei Brechern und bei der Prallzerkleinerung gegeben. Bei der Mehrkornbeanspruchung wird die einwirkende Kraft über zahlreiche Kontaktstellen übertragen, was bei Walzenmühlen der Fall ist. Es liegt eine gegenseitige Beeinflussung der Körner (Abstützung, Reibung) und eine scheinbare Festigkeitserhöhung vor. Dieser Effekt wird bei der Gutbettbeanspruchung durch übereinanderliegende Partikelschichten noch verstärkt.

Die Zerkleinerung kann nach der Korngröße des zerkleinerten Guts (Endfeinheit) in mehrere Bereiche unterteilt werden. Folgende Einteilung ist möglich [1.1, 1.9]:

Abb. 1.10:Zerkleinerungsbereiche nach Korngröße des Aufgabeguts [1.2, 1.10]

1.4ZERKLEINERUNGSMASCHINEN

Die Zerkleinerungsmaschinen können nach Dispersitätsbereich, Beanspruchungsart und konstruktiven Merkmalen unterschieden werden. Demnach werden Brecher der Grobzerkleinerung und Mühlen der Feinzerkleinerung zugeordnet, wobei die Grenze fließend ist (Abb.1.10, Tab. 1.2). Zu den konstruktiven Merkmalen zählt, dass Brecher große Kontaktkräfte haben, die spezifische Zerkleinerungsarbeit jedoch klein ist. Mühlen verfügen über kleine Kontaktkräfte. Allerdings ist die spezifische Zerkleinerungsarbeit beträchtlich [1.11].

Tab. 1.2:Einteilung der Zerkleinerungsmaschinen [1.11]

1.4.1TROCKENZERKLEINERUNG

1.4.1.1Walzenmühlen

Die Zerkleinerung des Produkts erfolgt im Spalt zwischen zwei achsparallelen, zylindrischen, gegenläufig rotierenden Walzen (D = 250 mm, l = 300–1500 mm). Das Mahlgut passiert einen Spalt nach dem anderen, wobei sich die Spaltweiten zunehmend verringern. In der Brauindustrie werden 2-bis 6-Walzenmühlen eingesetzt. Die Malzkörner werden angebrochen, der Mehlkörper herausgewalzt und weiter auf die angestrebte Feinheit zerkleinert. Im einfachsten Fall (z. B. bei kleinen Sud- bzw. Pilotanlagen) kommt eine 2-Walzenmühle zum Einsatz. Der eingestellte Mahlspalt von ca. 0,8 mm liefert ein relativ grobes Schrot und ist ein Mittelweg für die anschließende Läuterarbeit und Sudhausausbeute. Wichtig ist hier das Vermahlen von gutgelösten Malzen (s. Pkt. 2.5.2.4). Die 4-6-Walzenmühlen ermöglichen eine differenziertere Zerkleinerung des Malzes mit zwei bzw. drei Mahlgängen. Die zwischengeschalteten Siebe sorgen für eine Klassierung. Bei Bauart 1 der 6-Walzenmühle werden nach dem Vorbruch die fertigen Grieße ausgesiebt. Dementsprechend werden nur die Fraktionen (angebrochene Körner und Spelzen), die weiter zerkleinert werden müssen, nach dem Vorbruch der zweiten Mahlpassage, dem Spelzenwalzenpaar zugeführt. Nach dem zweiten Mahlgang wird eine größere Siebfläche eingesetzt (Abb. 1.11) und damit eine geringere Belastung des Siebsatzes erzielt [1.12]. Die ausgemahlenen Spelzen und die fertigen Grieße werden dem Schrotbehälter zugeführt, die Grobgrieße werden auf dem folgenden Grießwalzenpaar fertig vermahlen.

Abb. 1.11:6-Walzenmühle mit doppelter Zwischensiebung, Bauart 1 [1.13]

Eine zweite Bauart verzichtet auf die Zwischensichtung nach der ersten Mahlpassage und setzt auf das Prinzip „Vermahlen-Vermahlen-Sichten-Vermahlen“ mit dem Ziel einer schonenden Spelzenabtrennung (Abb. 1.12).

Abb. 1.12:6-Walzenmühle, Bauart 2, Darstellung der unteren zwei Mahlpassagen mit Sieben [1.14]

Durch die rechtzeitige Entfernung des Feingutanteils (Feingrieße, Mehl) wird eine verstärkte Leistungsaufnahme durch Reibung und ein zusätzlicher Walzenverschleiß bei den heutigen Bauarten eingeschränkt.

Parameter wie Anzahl der Walzenpaare, Abstand der Walzenpaare zueinander, Drehzahl oder Drehzahldifferenz der Walzenpaare, Gestaltung der Walzenoberfläche, Stellung der Riffel, Anzahl und Anordnung der Siebe sowie Siebbespannung beeinflussen die Schrotzusammensetzung. Bei gleicher Umfangsgeschwindigkeit der Walzen erfährt das Mahlgut eine reine Druckbeanspruchung. Bei unterschiedlichen Umfangsgeschwindigkeiten der Walzen kommt es zusätzlich zu einer Schubbeanspruchung. Man spricht von Friktion. Die Walzendrehzahlen betragen 160–180 U/min für 2-Walzenmühlen und 200–550 U/min bei 6-Walzenmühlen. Hohe Drehzahlen führen zu einer zusätzlichen Schlagbeanspruchung. Sehr hartes Gut wird zwischen Glattwalzen und ohne Friktion zerkleinert. Bei der Weichzerkleinerung, z. B. von Getreide, werden geriffelte Walzen bevorzugt, da diese einen geringeren Verschleiß aufweisen. Die Walzenriffelung begünstigt den Korneinzug und öffnet das Malzkorn durch Einschneiden. Für einen vollständigen Einzug des Aufgabeguts müssen Walzendurchmesser und Spaltbreite auf die maximale Korngröße xmax abgestimmt sein (Abb. 1.13).

Abb. 1.13:Abbaugrad bei Walzenmühlen (max. Partikelgröße xmax/Spaltweite s [1.4]

Der Kraftbedarf der 6-Walzenmühle wird mit 1.4–2.5 kWh/t angegeben [1.15]

Aus einer weiteren Entwicklung des Mühlensystems für Brauereien ist die Keilscheibenmühle entstanden, eine Lösung mit der Zielstellung, moderne technologische Anforderungen mit Blick auf nachgelagerte Maisch- und Läuterarbeit zu erfüllen. Das kompakte und vereinfachte System ermöglicht eine Entkopplung von der Rohstoffbeschaffenheit und der Art des Läutersystems [1.16]. Die Läuter- und Würzequalität ist trotz abweichender Schrotzusammensetzung von einschlägigen Normwerten zu oben beschriebenen Schrotsystemen äquivalent.

Abb. 1.14:Keilscheiben aus Edelstahl [1.17]

Abb. 1.15:Prinzip Keilscheibenmühle, T-Rex by Ziemann® [1.17]

Statt herkömmlicher Walzen besteht das Mahlwerk aus mehreren Keilscheiben in harter Edelstahllegierung mit radialer Riffelung (kompakte Mahlfläche) (Abb.1.14). Diese befinden sich auf zwei gegenüberliegenden Wellen. Die Beanspruchung erfolgt durch Scher-, Druck- und Schneidkräfte. Durch die besondere Geometrie der Mahlwerkzeuge ergibt sich selbst bei kompakten Wellenabmessungen ein sehr günstiger Einzugswinkel, welcher es ermöglicht, in nur einer Passage die gesamte, notwendige Zerkleinerungsenergie einzubringen, um die Spelze ausreichend auszumahlen. Durch den Wegfall weiterer Passagen kann so der feindisperse Anteil (Pudermehl) im Mahlgut reduziert werden, was sich positiv auf die Läutereigenschaften auswirkt. Die elektrische Leistungsaufnahme (70 % im Vergleich zur 6-Walzenmühle) und Lärmentwicklung fallen bei niedriger Erwärmung des Mahlguts geringer aus. Die Mühle, welche mit einer Weichkonditionierung ausgestattet sein kann, erzeugt Schrot für Läuterbottich- und Siebscheibenfiltersysteme. Die Zerkleinerung von Rohgerste erfordert je nach Anforderung zwei Mahlgänge, darstellbar in zwei Durchläufen oder in Verwendung von zwei übereinander gesetzten Modulen.

Meist geht der Trockenschrotung eine Konditionierung des Malzes durch Dampf (0,5 barÜ) oder bevorzugt durch Wasser (T < 40 °C) voraus. Die geringfügige Befeuchtung (im Malz max. 1,5 %, in den Spelzen ≥ 3 %) führt zu einer höheren Elastizität der Spelzen, einem höheren Spelzenvolumen und einer besseren Durchlässigkeit der Treberschicht im Läuterbottich. Der Trend geht inzwischen zu einer höheren Befeuchtung der Spelzen auf ≥ 6 %.

Mit den beschriebenen Mühlen wird das Schrot für den Betrieb von Läuterbottich, klassischen Maischefilter (6–8 cm) und Siebscheibenfilter hergestellt. Sollen die elastischen Spelzen eine weiter gehende Zerkleinerung erfahren, müssen beispielsweise Prallmühlen zum Einsatz kommen.

1.4.1.2Prallmühlen

Die Prallmühlen dienen der Feinzerkleinerung. Der Energieeintrag erfolgt entweder durch einen schnell laufenden Rotor oder durch Gas- bzw. Dampfstrahlen. Demzufolge wird zwischen Rotorprallmühlen (Hammer-, Stift-, Pralltellermühlen) und Strahlprallmühlen unterschieden. In Ersteren werden Partikel-Werkzeug-Stöße, in Letzteren Partikel-Partikel-Stöße erzeugt.

Das Mahlergebnis von Prallzerkleinerungsmaschinen kann durch Umfangsgeschwindigkeit, Mahlspalte zwischen Rotor und Stator, Form, Größe und Anzahl der Zerkleinerungswerkzeuge, Mahlgutkonzentration im Mahlraum, Temperatur und Feuchtigkeit des Trägergases, Verweilzeit und Lochweite der Siebeinrichtung gesteuert werden. Da die Partikeln, je kleiner sie sind, eine umso höhere Festigkeit besitzen, müssen die Umfangsgeschwindigkeiten der Rotoren entsprechend größer sein, je feiner das Produkt vermahlen werden soll. [1.4, 1.18]. Der Einsatz zur Hartzerkleinerung ist aufgrund der starken Verschleißwirkung nachteilig.

Hammermühlen weisen im Prozessraum schnell umlaufende Rotoren auf. Ein Schlägerwerk zerkleinert das Malz zu Pulverschrot (> 70 % < 150 μm). An den Rotoren befinden sich gelenkig angeordnete hammerförmige Schläger (Flachstähle), die im Betriebszustand infolge der entstehenden Zentrifugalkräfte eine radiale Schlagstellung einnehmen (Abb. 1.16).

Abb. 1.16:Hammermühle [1.4]

Das Aufgabegut wird hauptsächlich durch Prall und Schlag beansprucht. Die Umfangsgeschwindigkeiten betragen zwischen 20 und 70 m/s [1.4]. Infolgedessen unterliegen die Zerkleinerungswerkzeuge einem nicht zu vernachlässigenden Verschleiß. Der hohen Vermahlungstemperatur muss durch eine ausreichende Ventilation entgegengewirkt werden. In der unteren Hälfte des Mahlraums befindet sich ein Siebmantel (0,5–1 mm), wodurch eine Feinheitseinstellung (Klassierung) der Partikeln erfolgt. Die Einstellung einer Inertgasatmosphäre schützt vor Explosionen. Ein hoher Energieeintrag ist erforderlich. Als spezifischer Kraftbedarf werden 7 bis 12 kWh/t [1.5, 1.15] bei bis zu 20 t/h genannt. Der Trend zu größeren Sieblochungen (≥ 2 bis 3 mm) führt zu einem geringeren Energieverbrauch sowie einer Verschleißminderung der Siebe und Hämmer. Die vertikale Ausführung der Hammermühle hat zudem einen um 30 % geringeren Energieverbrauch und benötigt keine Aspiration (Abb. 1.18) [1.19]. Außerdem ist die Beaufschlagung der Flachstähle (Flächenstoß) günstiger (Abb. 1.17).

Abb. 1.17:Auftreffen der Partikeln auf das Zerkleinerungswerkzeug (Flächenstoß/Kantenstoß) [1.4]

Abb. 1.18:Hammermühle, vertikale Ausführung [1.14]

Mit den oben beschriebenen Hammermühlen wird Schrot für Dünnschichtfilter hergestellt.

Stiftmühlen sind sieblos arbeitende Zerkleinerungsmaschinen (Abb. 1.19). Die Zerkleinerung erfolgt zwischen zwei mit konzentrischen Schlägerkreisen versehenen, ineinandergreifenden Schlägerscheiben. Es gibt zwei Ausführungen von Stiftmühlen: mit feststehender und umlaufender Stiftscheibe oder mit zwei gegenläufig rotierenden Scheiben. Das Mahlgut wird axial in den Prozessraum aufgegeben und durch die Zentrifugalbeschleunigung nach außen geschleudert. Dabei wird es durch die Schlägerkreise erfasst und überwiegend durch Prall, aber auch durch gegenseitigen Abrieb zerkleinert. Stiftmühlen werden für die Fein- und Feinstmahlung verwendet. Dazu sind Umfangsgeschwindigkeiten von bis zu 200 m/s notwendig. Eine Klassierung ist aufgrund der fehlenden Siebe nicht möglich.

Zur Feinstzerkleinerung und Desagglomeration werden Strahlmühlen eingesetzt, die ohne bewegte Maschinenteile arbeiten (Abb. 1.19). Es werden größere Stoßgeschwindigkeiten als in Rotorprallmühlen und infolgedessen höhere Feinheitsgrade erzielt. Das Mahlgut wird mithilfe eines sehr schnellen Gasstrahls auf 500 bis 1200 m/s beschleunigt und entweder gegen einen weiteren Gutstrahl aus einer anderen Richtung oder gegen relativ ruhendes Gut gelenkt, in seltenen Fällen auch gegen eine Prallplatte. Die Beschleunigung des Mahlguts erfolgt durch Druckluft oder überhitzten Dampf. Die Zerkleinerungswirkung beruht hauptsächlich auf gegenseitigem Partikelstoß, aber auch auf Reibung und Prall. Die Partikelgrößenverteilung wird über einen Sichter im Auslass der Strahlmühle reguliert [1.4, 1.18]. Es können Korngrößen < 2 μm erzielt werden. Der Nachteil liegt im geringen Durchsatz mit < 1t/h und dem hohen spezifischen Energiebedarf bis > 1000 kWh/t.

Abb. 1.19:Stiftmühle, Strahlmühle [1.4]

1.4.2NASSZERKLEINERUNG

1.4.2.1Dispergiermaschinen

Das Dispergieren ist als Feinverteilen einer oder mehrerer Komponenten in einer kontinuierlichen Phase definiert. Mittels Dispergiermaschinen werden Scherspannungen erzeugt (Beanspruchung durch das umgebende Medium), die zur Zerkleinerung der Teilchen führen. Derartige Zerkleinerungsapparaturen werden in der chemisch-pharmazeutischen Industrie, der Lebensmittelindustrie und der Papierindustrie für die Zerkleinerung und Feinverteilung von Gasblasen, Flüssigkeitstropfen und Feststoffpartikeln in Flüssigkeiten, für den Aufschluss von Zellstoffen sowie zur Lösungs-, Reaktions- oder Extraktionsbeschleunigung eingesetzt. Hauptbestandteile der Maschine sind die Generatoren, bestehend aus einer rotierenden (Rotor) und einer feststehenden Scheibe (Stator), ähnlich einer Stiftmühle. Die Scheiben sind jeweils mit konzentrisch angeordneten Stiftreihen versehen, die ineinander greifen. Die Spaltweiten zwischen den Stift-reihen bleiben je Generatoreinheit konstant. Je nach Prozessbedingungen können bis zu drei Generatoren, die in der Verzahnung variieren, hintereinander gesetzt werden (Abb. 1.20). Beim Durchlaufen wird das Produkt wechselnd tangential beschleunigt, abgebremst und zerkleinert. Die Feinheit des zu zerkleinernden Guts kann durch die Anzahl der eingesetzten Rotor-Stator-Einheiten, die Art der Bestiftung, die Anzahl der Stiftreihen, die Rotordrehzahl und den Volumendurchsatz beeinflusst werden. Neben der Zerkleinerungsarbeit wird aufgrund der Zentrifugalbeschleunigung der Flüssigkeit eine Pumpleistung von wenigen bar erzeugt, die zum Transportieren des zerkleinerten Produkts genutzt werden kann [1.20]. Gebräuchlich sind Inlinegeräte, die einen gleichmäßigen Durchfluss und eine definierte Passagenfolge gewährleisten.