Prozesstechnik und Technologie in der Brauerei

1.4.2.2Rührwerkskugelmühle

Rührwerkskugelmühlen werden im Bereich der Feinst- und Kolloidmahlung eingesetzt. Die Mühle besteht aus einem Gehäuse (1) und einem Mahlbehälter (2). Dazwischen befindet sich ein Kühlkreislauf (KW), welcher der Suspensionserwärmung entgegenwirkt (Abb. 1.22). Das zu zerkleinernde Produkt (Suspension mit einer Feststoffbeladung von 10 bis 50 Vol.-%) wird mit Mahlkörpern von 0,2–6 mm (z. B. Glas-, Keramik-, Stahlkugeln) versetzt (70–85 % Kugelfüllgrad). Durchmesser und Dichte derselbigen sind der jeweiligen Mahlaufgabe anzupassen. Der Mahlbehälter hat einen mehrstufigen Scheibenrührer (3) zur Bewegung des Inhalts. Die Suspension wird dem Behälter bei vertikaler Ausrichtung unten zugeführt und fließt oben über, wobei die Mahlkörper durch ein Sieb bzw. einen Deckel (5) zurückgehalten werden.

Abb. 1.22:Rührwerkskugelmühle

1.4.2.3Nassschrotung

Die Nassschrotung erfolgt mittels einer 2- bzw. 4-Walzenmühle mit vorhergehender Weichkonditionierung. Üblicherweise haben die geriffelten Walzen einen Durchmesser von 300–400 mm. Bei einer 2-Walzenmühle mit einer Leistung von bis zu 40 t/h weisen die Walzen einen Durchmesser von 500 mm und eine Länge von 2000 mm auf und laufen mit der gleichen Drehzahl von bis zu 480 U/min. Die Spelzen werden beim Durchlauf eines Konditionierungsschachts durchfeuchtet (18–22 %). Ihre Elastizität wird erhöht und sie bleiben weitgehend intakt, was eine höhere spezifische Senkbodenbelastung des Läuterbottichs erlaubt (Punkt 5.2). Der Mehlkörper nimmt nahezu keine Feuchtigkeit auf und kann daher gut zerkleinert werden. Der Schrotvorgang verursacht einen Widerstand auf den Walzen und macht eine regelmäßige Nachriffelung notwendig. Im Vergleich zum Dispax-Reactor® entsteht in Nassschrotmühlen aufgrund ihrer Konstruktion und viel geringeren Walzenumfangsgeschwindigkeit keine Beanspruchung durch Scherströmungen. Damit kann dieser Prozess im verfahrenstechnischen Sinn nicht eindeutig der Nasszerkleinerung zugeordnet werden. Bei der Nassschrotmühle wird der Füllstand des Weichschachts (Verweilzeit, Weichgrad) über die obere Speisewalze und Niveausonde geregelt (Abb. 1.23). Die untere Speisewalze bestimmt die Schrotleistung. Das Malz durchläuft den Weichschacht, der keine weiteren Einbauten besitzt (früher Kaskaden) in 30–90 s und wird mit Wasser von 50–75 °C benetzt. Die Geometrie des Schachts muss so gewählt sein, dass ein gleichmäßiges Absinken des Inhalts über den ganzen Behälterquerschnitt gewährleistet ist (Abb. 1.25). Der Massenfluss (A) wird durch glatte Wände und einen steilen Konuswinkel θ unterstützt. Das restliche Einmaischwasser wird unterhalb der Walzen (Walzenabstand bei einem Walzenpaar 0,3–0,4 mm) eventuell mit Milchsäure und unter Schutzgas zudosiert. Die Milchsäuredosage zum Weich- bzw. Einmaischwasser unterdrückt die enzymatisch-oxidative Wirkung der Lipoxygenasen (Punkt 1.7.2). Insgesamt ist der Sauerstoffeinfluss bei der Nassschrotung minimiert und kann durch eine gekapselte Schrotung unter N2/CO2–Inertgas gänzlich ausgeschlossen werden (Abb. 1.24). Unter der Mühle befindet sich die Maischepumpe, kombiniert mit einer Inducerschnecke (Vorsatzlaufrad), zur schonenden Förderung (Abb. 1.23). Alternativ kommt auch eine Mohnopumpe zum Einsatz (Abb. 1.24). Die bevorzugte Bauweise ist die 2-Walzenmühle. Das Schrot eignet sich für den Läuterbottichbetrieb. Da die Schrotzeit mit der Einmaischzeit zusammenfällt, ist eine hohe Schrotleistung erforderlich. Eine gute Malzvorreinigung einschließlich Magnet zur Metallabscheidung ist Voraussetzung, den Verschleiß der Walzen einzuschränken. Die Kontrolle des Nassschrots wird meist empirisch vorgenommen (Anbruch, Zerkleinerungsgrad). Die Beurteilung über Nasssiebung erfordert einen hohen Aufwand und die entsprechende Erfahrung. Außerdem sollte eine Kontrolle der Treber hinsichtlich des aufschließbaren Extrakts inklusive des Jodwerts erfolgen.

Abb. 1.23:Nassschrotmühle, Bauart 1, Variomill® [1.22]

Abb. 1.24:Nassschrotmühle, Bauart 2, Millstar®, optional Milchsäuredosage und Inertgasatmosphäre (gelbe Leitung) [1.23]

Abb. 1.25:Massen-/Kernfluss bei der Siloauslegung [1.9]

1.5CHARAKTERISIERUNG DES ZERKLEINERTEN PRODUKTS

Die Elemente der dispersen Phase bestehen aus Partikeln. Wichtige Partikeleigenschaften sind Partikelgröße, Partikeloberfläche und Partikelform. Größe und Oberfläche (Dispersitätsgrößen) kennzeichnen die Feinheit des Systems. Im einfachsten und seltenen Fall handelt es sich um kugelförmige Partikeln. Bei unregelmäßig geformten Partikeln wird häufig der Äquivalentdurchmesser angegeben. Der Äquivalentdurchmesser ist der Durchmesser derjenigen Kugel, die unter gleichen physikalischen Bedingungen denselben Wert eines Feinheitsmerkmals liefert wie die betrachtete Partikel [1.24]. Geometrische Äquivalentdurchmesser sind beispielsweise der Durchmesser der volumengleichen Kugel dV und der Durchmesser der oberflächengleichen Kugel dS. Physikalische Äquivalentdurchmesser können der Durchmesser einer Kugel mit gleicher Sinkgeschwindigkeit oder der Durchmesser einer Kugel mit gleicher Streulichtintensität sein. Bei der Berechnung wird allerdings nicht die einzelne Kugel, sondern die Durchmesserverteilung der Kugeln mit gleicher Eigenschaft (z. B. Sinkgeschwindigkeit) herangezogen. Die spezifische Oberfläche ist ebenfalls ein wichtiges Feinheitsmerkmal. Die volumenspezifische Oberfläche setzt sich zusammen aus

Die massenspezifische Oberfläche lautet

Mithilfe der Partikeldichte ρs lassen sich die Größen ineinander umrechnen:

Mit den Äquivalentdurchmessern lässt sich die spezifische Oberfläche unregelmäßig geformter Partikeln umrechnen:

Bei einer Kugel mit dem Äquivalentdurchmesser d = ds = dv gilt

Die Beschreibung der Partikelform kann durch die Angabe eines Formfaktors ϕ erfolgen, der sich aus dem Verhältnis zweier Größen zusammensetzt, die unabhängig voneinander an der Partikel gemessen werden. Dieser Faktor gibt z. B. das Verhältnis der tatsächlichen Oberfläche einer Partikel zur Oberfläche einer volumengleichen Kugel an [1.24]. Der Kehrwert ist die Sphärizität ΨWa nach Wadell [1.25].

Für Kugeln beträgt ϕ = 1 und für anders geformte Partikeln ϕ > 1. Der Formfaktor wird umso größer, je mehr die Partikel von der Kugelform abweicht (Tab. 1.3).

Multipliziert man den Formfaktor mit der theoretischen spezifischen Oberfläche (Gl. 1.13), erhält man die spezifische Oberfläche der Einzelpartikel.

Tab. 1.3:Formfaktoren für unterschiedlich geformte Partikeln [1.9]

1.5.1PARTIKELGRÖSSENVERTEILUNG

Die Gesamtmenge von Partikeln (Partikelkollektiv) wird nach der Dispersitätsgröße, der Partikelgröße × (z. B. Maschenweite eines Siebs oder Äquivalentdurchmesser) und den zugehörigen Mengenanteilen geordnet und als Verteilung dargestellt (Verteilungssumme, Verteilungsdichte).

Abb. 1.26:Partikelgrößenverteilung [1.26]

Als Mengenarten (Index r) stehen Anzahl (Q0), Länge (Q1), Fläche (Q2) oder Volumen bzw. Masse (Q3) zur Verfügung. Das Volumen ist der Masse gleichgesetzt, wenn die Dichte unabhängig von der Partikelgröße ist. Auf der Ordinate werden die Mengenanteile als Anteil an der Gesamtmenge aufgetragen, der unterhalb einer bestimmten Teilchengröße xi liegt, z. B. der Durchgang durch ein Sieb mit der Maschenweite xi (Verteilungssumme).

Der Medianwert x50,r entspricht der Partikelgröße, unterhalb der 50 % der Partikelmenge liegen.

Die Verteilungsdichte berechnet sich aus dem Anteil der Gesamtmenge in einem bestimmten Größenintervall, bezogen auf die Intervallbreite Δxi, z. B. der Massenanteil, der zwischen zwei Sieben mit den Maschenweiten xi und xi-1 zurückbleibt. Die Darstellung der Verteilungsdichtefunktion qr (x) erhält man aus der Verteilungssumme.

Am Wendepunkt von Qr (x) hat qr(x) ein Maximum. Dieser Wert xh,r (Modalwert) kennzeichnet die mengenreichste Partikelgröße. Es können auch bi- oder multimodale Verteilungen auftreten.

1.5.2KONTROLLE DER ZERKLEINERUNG (ANALYSENMETHODEN)

Die Partikelmesstechnik bildet die Basis zur Sicherung der Qualität und der nachfolgenden Prozessschritte.

Die Schrotkontrolle soll wöchentlich erfolgen. Grundvoraussetzung ist eine korrekte Probennahme (Kap.14).

Die Proben müssen während des Schrotens über den zentralen Probennehmer der Mühle gezogen werden (andernfalls Entmischung; Gesamtmenge max. 200 g). Zur Einzelüberprüfung der Mahlpassagen werden die Proben unter den entsprechenden Mahlgängen entnommen.

Die Beurteilung des Schrots kann folgendermaßen vorgenommen werden:

·empirisch (Vorbruch, Ausmahlungsgrad der Spelzen) nach dem ersten Walzenpaar

·Spelzenvolumen (> 700 ml/100 g)

·Siebanalyse (s. Tab. 1.4)

· Analyse mittels Laserbeugung

1.5.2.1Siebturm

Die Methode zeichnet sich durch einen einfachen apparativen Aufbau, geringen Arbeitsaufwand, die Erfassung eines relativ breiten Kornspektrums und gute Reproduzierbarkeit aus. Die Klassengrenzen ergeben sich aus den Maschenweiten der gewählten Siebe. Die Sortierung von Läuterbottichschrot kann nach DIN ISO 3310-1 (0.125; 0.250; 0.500; 1.00; 1.250 mm) durchgeführt werden [1.27].

1.5.2.2Luftstrahlsieb

Bei feineren Schroten (Pulverschrot) ist mit dem Luftstrahlsieb (Einzelsiebung) zu arbeiten. Im Gegensatz zum Siebturm besteht hier keine Gefahr der Maschenverlegung (adhäsive Kräfte) durch den Feinanteil (< 125 μm) und der Agglomeration der Partikeln untereinander. Die Siebung erfolgt jeweils nur mit einem Sieb, auf welches das Material aufgegeben wird. Das Sieb wird mit einem abdichtenden Deckel verschlossen (Abb. 1.27). Ein kreisender Luftstrom (rotierende Schlitzdüse) durchmischt das Gut von unten. Gleichzeitig wird die Luft des Siebgutraums über ein Sauggebläse angesaugt und nimmt hierbei das Material mit, das feiner als die Maschenweite ist. Der Rückstand auf dem Sieb wird gewogen. Man beginnt mit dem Sieb kleinster Maschenweite. Nach einer in Vorversuchen bestimmten Siebzeit wird der Durchgang mittels Differenzwägung bestimmt. Der jeweilige Rückstand wird auf das Sieb mit der nächstgrößeren Maschenweite überführt.

Abb. 1.27:Luftstrahlsieb, Firma Alpine [1.28]

1.5.2.3Laserbeugungsspektrometer (Streulichtmessung)

Wenn eine ebene Lichtwelle (Wellenlänge λ) auf eine kugelförmige Partikel (d, Brechungsindex n) trifft, so tritt z. T. eine Streuung (Beugung, Brechung, Reflexion) der Welle ein. Die oben angeführte Messmethode basiert auf dem optischen Prinzip der Lichtbeugung, wobei der Beugungsanteil in Vorwärtsrichtung (Fraunhofer’sche Beugung) erfasst wird. Dabei verursachen kleine Partikeln einen breiten Beugungswinkel mit geringer Intensität, während große Partikeln das Licht in einem kleinen Winkel mit hoher Intensität beugen (Abb. 1.28). Der Messvorgang besteht darin, dass die pulverförmige Probe in den Luftstrahl gebracht, dort dispergiert und mittels einer Düse senkrecht zur optischen Achse des Systems durch den Strahlengang des Lasers geleitet wird. Die Sammellinse bündelt die durch die Partikeln entstehenden Beugungsspektren und bildet sie auf den in der Brennebene angeordneten Multielementdetektor ab. Aus der am Detektor aufgenommenen Intensitätsverteilung kann über komplexe mathematische Verfahren auf die Partikelgrößenverteilung geschlossen werden. Je nach Einstellung der Brennweite ergibt sich ein Messbereich von 0,5–1750 μm.

Abb. 1.28:Messprinzip der Laserbeugung

1.5.2.4Bildanalyse

Um Bilder mit Computersystemen verarbeiten zu können, müssen sie in Datenformate umgesetzt werden. Diesen Vorgang nennt man Digitalisierung. Das Objekt oder eine mikroskopische Vergrößerung davon wird als Bild durch eine CCD-Kamera erfasst. Das digitale Bild ist aus sehr vielen Bildelementen, den Pixeln aufgebaut, wobei jedem Pixel eine Farbtiefe bzw. ein Grauwert zugeordnet wird. Mittels Bildanalysesoftware wird eine pixelweise Umwandlung des Grauwertebilds in ein Schwarz-Weiß-Bild (Binärbild) durch eine eingestellte Grauwertschwelle vorgenommen. Die Rasterflächen werden somit in Schwarz (= 0) oder Weiß (= 1) dargestellt. Damit ergeben sich eindeutig einzelne, erkennbare Objekte. Wichtig ist die Unterscheidung zwischen den Einzelpartikeln und die Differenzierbarkeit der Partikel gegenüber dem Hintergrund. Dazu werden Helligkeit und Kontrast vor dem Binarisieren mittels der Software überarbeitet. Als Messgrößen werden Fläche, Umfang, Durchmesser etc. ausgewertet.

1.6ZERKLEINERUNG DES MALZES

1.6.1AUFGABEN