DE19807558A1 - Verfahren nd Anordnung zur beschleunigten Gärung in zylindrokonischen Gärtanks bei der Herstellung von Bier - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur beschleunigten Gärung in zylindrokoni­ schen Gärtanks bei der Herstellung von Bier nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Anordnung zum Durchführen des Verfahrens nach dem Oberbegriff des Anspruchs 3.

Ein Verfahren der gattungsgemäßen Art findet in der Brauindustrie heute weltweit überwiegend Anwendung. Dabei werden zur Vergärung von Bierwürze sog. zy­ lindrokonische Gärtanks (ZKG) verwendet mit einem Fassungsvermögen zwi­ schen 500 und 5000 Hektoliter. Das geometrische Verhältnis zwischen Tankhöhe H und -durchmesser D beträgt dabei vorzugsweise HID ≧ 2. Die Tanks werden zu ca. 80 bis 85% ihres Bruttoinhaltes befüllt, so daß über dem Würzespiegel ein Steigraum für Schaum und ein Raum zum Sammeln und Abführen der bei der Gärung entstehenden Gase, größtenteils Kohlendioxid (CO₂), vorhanden ist. Die Füllhöhen betragen in den größeren Tanks ca. 15 bis 25 m; entsprechend hoch ist der Druck der Flüssigkeitssäule im unteren Bereich des Gärtanks, einem konus­ förmigen Bodenteil. Die Tanks haben außen um die Zylinder- und Konuswandung Kühlzonen in unterschiedlichen Höhen, um die Gärwärme abzuführen bzw. die Gärtemperatur zu steuern und das Bier im Tank auf die nötigen Temperaturstufen zur Reifung abzukühlen.

Die aus Malz und anderen stärkehaltigen Grundstoffen hergestellte zuckerhaltige Bierwürze wird mit untergäriger oder obergäriger Bierhefe vergoren. Je nach Biertyp, Organoleptik und Qualitätsanforderungen werden dabei bestimmte Gär­ temperaturen streng eingehalten. Man spricht in diesem Zusammenhang von ei­ ner warmen oder kalten Gärführung. Je wärmer vergoren wird, um so schneller wird der erwünschte Vergärungsgrad erreicht. Beispielsweise kann eine Bierwürze mit einem Stammwürzegehalt von 12% bei ca. 14 bis 16°C Gärtemperatur in drei bis vier Tagen oder bei 6 bis 10°C in fünf bis 7 Tagen vergoren werden. Wegen der besseren Qualitätseigenschaften werden bei den untergärigen Bieren die niedrigeren Temperaturen bevorzugt. Dies bedeutet aber wegen der längeren Gärzeit mehr Tankkapazität, Investitions- und Betriebskosten.

Bekannte Verfahren zur beschleunigten Gärung wenden entweder höhere Tem­ peraturen an und nehmen die damit verbundenen Nachteile in Kauf oder sie arbei­ ten mit Rührwerken und ähnlichen Einbauten zur forcierten Bewegung des Tan­ kinhaltes. Diese müssen relativ groß dimensioniert werden, wodurch sie mit Blick auf die hohen Anforderungen an die biologische Stabilität des Bieres große Ge­ fahrenquellen darstellen.

Am Ende der Gärung wird beim sog. Eintank-Verfahren, bei dem das Bier zur La­ gerung und Stabilisierung bei tiefen Temperaturen (um -1,5°C) im Gärtank ver­ bleibt, die Hefe durch Absetzenlassen und Abziehen aus dem konusförmigen Bo­ denbereich des Gärtanks geerntet. Beim sog. Zweitank-Verfahren wird das Bier vom zylindrokonischen Gärtank in zylindrokonische Lagertanks umgepumpt und die Hefe wird über Separatoren auf diesem Wege vom Bier getrennt und aus die­ sem abgeschieden.

In manchen Brauereien wird zur schnelleren Reifung des Bieres nach der Haupt­ gärung bei Lagertemperaturen um 0°C eine CO₂-Wäsche durchgeführt und damit werden die unedlen Gärungsgase wie Merkaptan und unedle Geschmacksstoffe ausgetrieben. Hierzu wird CO₂ von unten in den zylindrokonischen Gärtank ein­ geblasen und die aufsteigenden Gasblasen durchströmen und bewegen das Bier.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Konvektion im Gärtank zu forcie­ ren und zu verstärken, ohne dabei die vorstehenden Nachteile bekannter Maß­ nahmen in Kauf zu nehmen.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens ist Gegenstand eines Unteranspruchs. Eine An­ ordnung zum Durchführen des Verfahrens ist Gegenstand des Anspruchs 3. Vor­ teilhafte Anwendungen des Verfahrens sind Gegenstand von zwei Unteransprü­ chen.

Die vorgeschlagene Lösung sieht vor, die Konvektion durch die hydrodynamische Wirkung eines Flüssigkeitsstrahles zu forcieren und zu verstärken, der als Freistrahl unter Druck und von unten nach oben in den konischen Bodenteil des Gärtanks eintritt. Hierzu wird aus der Bierwürze-Hefe-Suspension (Gärsubstrat) im Gärtank ein Teilstrom über den konischen Bodenteil abgezogen, dieser Teilstrom wird über einen Kreislauf außerhalb des Gärtanks geführt und als Freistrahl von unten nach oben in den Gärtank unter Druck eingeleitet, wodurch der Freistahl dort einen Treibstrahl erzeugt, der einen den gesamten Inhalt des Gärtanks um­ fassenden Konvektionsstrom generiert. Die Einleitung erfolgt dabei vorzugsweise konzentrisch zur Längsachse des Gärtanks.

Mit dem vorgeschlagenen Freistrahl erreicht man eine hohe Umwälzrate des Tankinhaltes, wodurch die Bierhefen, einzellige Sproßpilze mit einer Größe von drei bis 8 µm, eine intensive Bewegung im Gärsubstrat erfahren und durch diese Bewegung immer wieder neuen Kontakt mit nicht vergorener Würze bekommen. Im Kontakt mit dem Gärsubstrat verarbeiten die Bierhefen die Stammwürze im anaeroben Stoffwechsel zu Alkohol und Kohlendioxid und anderen Nebenproduk­ ten.

Der Freistrahl erzeugt im Zusammenwirken mit dem entstehenden und aufstei­ genden Kohlendioxid eine forcierte Aufwärtsbewegung in der Mitte des Gärtanks und eine Abwärtsbewegung des Gärsubstrates an der Tankwandung, wodurch sich die gewünschte forcierte und verstärkte Konvektionsströmung im gesamten Gärtank einstellt. Die natürliche Konvektionsgeschwindigkeit durch Gären und Kühlen liegt bei ca. 0,3 m/s; die vorgeschlagene Maßnahme erhöht diesen Wert wesentlich, so daß der Tankinhalt etwa 8 bis 10 mal in der Stunde umgewälzt wird und in allen Bereichen des Substrates stets gleiche Homogenität vorherrscht. Die Gärzeit wird dadurch entsprechend verkürzt.

Die beim vorgenannten Zweitank-Verfahren zur Anwendung kommenden Separa­ toren arbeiten gleichmäßiger und effizienter, wenn, wie dies vorgesehen ist, die vorgeschlagenen Maßnahmen noch bis kurz vor der Entleerung des Gärtanks Anwendung finden oder gar während des Entleerens angewendet werden, wo­ durch das Bier mit darin gleichmäßig verteilter Hefe dem Separator zuläuft.

Beim Eintank-Verfahren erzielt man durch Anwendung des vorgeschlagenen Verfahrens vor dem Abziehens des Bieres aus dem Tank sowohl einen gleich­ mäßigen CO₂-Gehalt als auch eine gleichmäßige Verteilung aller Trübungsstoffe für eine gleichmäßige Belastung der nachfolgenden Klär-, Filtrations- und Behand­ lungsmaßnahmen.

Mit dem vorgeschlagenen Verfahren wird darüber hinaus in der Warmphase (≧ Gärtemperatur) nach der Hauptgärung die Hefe zum Abbau der vicinalen Deke­ tone (Acetolaktat-Diacetyl) in Schwebe gehalten, der Stoffaustausch intensiviert und die Zeit der warmen Reifungsphase ebenfalls reduziert.

Die vorstehend erwähnte CO₂-Wäsche des Bieres nach der Hauptgärung wird mit dem vorgeschlagenen Verfahren in Verbindung mit einer zusätzlichen Maßnahme, nämlich einer Begasung mittels einer Begasungsvorrichtung, vereinfacht. Es ist außerdem möglich, das Bier trotz der hohen Flüssigkeitssäule auf den vorge­ schriebenen CO₂-Gehalt des Endproduktes einzustellen.

Zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung ist vorgesehen, daß die Ab- und Zulaufleitung, die am unteren Ende des konischen Bodenteils des Gär­ tanks angeschlossen sind, über eine Kreislaufleitung, in der eine Umpumpeinrich­ tung angeordnet ist, miteinander verbunden sind. Darüber hinaus ist vorgesehen, zur Erzeugung des Freistrahles eine Flüssigkeitsstrahl-Mischdüse im Auslaufbe­ reich des kegelförmigen Bodenteils anzuordnen, deren Düse an die Zulaufleitung angeschlossen ist. Der Auslauf des kegelförmigen Bodenteils mündet dabei in die Ablaufleitung ein.

Das vorgeschlagene Verfahren und die Anordnung zu seiner Durchführung wer­ den nachfolgend anhand der einzigen Fig. 1 der Zeichnung, die den Gärtank und seine maßgebliche periphere Ausstattung schematisch darstellt, kurz beschrie­ ben.

In einem kegelförmigen Bodenteil 1c des zylindrokonischen Gärtanks 1 ist im Zu­ sammenwirken mit einem Bodenventil 3 eine Flüssigkeitsstrahl-Mischdüse 2 so installiert, daß über einen Ringkanal rings um ein Zulaufrohr der Flüssigkeitsstrahl- Mischdüse 2 ein Teilstrom S des diesem Bereich aus dem zylindrokonischen Gärtank 1 zuströmenden Gärsubstrates im oberen Teil des Bodenventils 3 über eine Ablaufleitung 1a abgezogen wird. Dieser Teilstrom S wird alsdann über eine in den unteren Teil des Bodenventils 3 einmündende Zulaufleitung 1b und die nachfolgende Flüssigkeitsstrahl-Mischdüse 2 auf dem Weg über eine Kreislauflei­ tung 4 außerhalb des Gärtanks 1 unter Druck in den zylindrokonischen Gärtank 1 zurückgeführt. Der Teilstrom S wird über Absperrventile 9.1 und 5 und über ein Schauglas 11 von einer Förderpumpe 12 angesaugt. Diese erzeugt druckseitig einen Förderstrom, der über ein Meßgerät 13 zur Bestimmung des Volumenstro­ mes (Option O1), eine Probenahmevorrichtung 14, ein Manometer 15, ein Schauglas 16 und über Absperrventile 6 bis 9.2 zurück zu dem Bodenventil 3 und die Flüssigkeitsstrahl-Mischdüse 2 fließt. Die Pumpe 12 wird in ihrer Förderlei­ stung zweckmäßig so ausgelegt daß die Flüssigkeitsstrahl-Mischdüse 2 in einem Druckbereich vorzugsweise zwischen 2 bis 5 bar Überdruck arbeiten kann. Die Förderleistung richtet sich nach dem Netto-Tankinhalt und wird durch Versuche ermittelt und optimiert. Die Förderströme der Flüssigkeitsstrahl-Mischdüse 2 liegen zwischen 15 bis 80 m³/h. Der Förderstrom und der Treibdruck der Flüssigkeits­ strahl-Mischdüse 2 werden auf den Tankinhalt und die Füllhöhe im Gärtank 1 ab­ gestimmt.

Ein durch die Flüssigkeitsstrahl-Mischdüse 2 erzeugter Treibstrahl T erzeugt eine senkrechte Konvektionsströmung K im zylindrokonischen Gärtank 1, die dort in allen Bereichen für eine homogene Verteilung der Inhaltsstoffe des Gärtanks 1 sorgt. Der Treibstrahl T erzeugt nach dem Prinzip der Venturidüse eine Saugwir­ kung, welche den an der Wandung des zylindrokonischen Gärtanks 1 nach unten gerichteten Konvektionsstrom K ansaugt und mit dem nach oben gerichteten Treibstrahl T wieder nach oben lenkt.

Die Förderleistung der Pumpe 12 bildet sich über die Wirkung der Flüssigkeits­ strahl-Mischdüse 2 etwa um Faktor 3 bis 4 höher im Gärtank 1 ab. Die auf diese Weise im Gärtank 1 angetriebene Flüssigkeitsmasse wird durch die Reibungskräf­ te des Treibstromes T nochmals um den Faktor 2 bis 3 erhöht. Die umgewälzte Flüssigkeitsmasse im Gärtank 1 entspricht schließlich etwa der 8- bis 10-fachen durch die Pumpe 12 umgewälzten Flüssigkeitsmasse. Eine Frequenzregelung der Pumpe 12 ermöglicht eine Anpassung und Optimierung der Konvektionsströmung K im Gärtank 1.

Sollte im Kopfraum des Gärtanks 1 der Schaum zu hoch steigen, gibt eine Schaumüberwachungssonde 21 einen Alarm oder eine Meldung an eine Steue­ rung 17. Diese öffnet das Absperrventil 6, schließt das Absperrventil 9.2 und führt einen Teilstrom oder den ganzen Strom zu einem Reinigungskopf 18 im Kopfraum des Gärtanks 1, so daß durch Versprühen des Förderstromes auf die Schaum­ decke diese zerschlagen und nach unten gespült wird. Nach Freiwerden der Schaumüberwachungssonde 21 wird der Förderstrom wieder auf die Flüssig­ keitsstrahl-Mischdüse 2 zurückgeschaltet. An einem Thermometer 19 ist die Substrattemperatur und an dem Manometer 15 ist der Treibdruck der Flüssig­ keitsstrahl-Mischdüse 2 abzulesen. Die Schaugläser 11 und 16 ermöglichen die optische Kontrolle des Gärsubstrates.

Die Befüllung des Gärtanks 1 erfolgt über eine mit B und die Entleerung über eine mit E gekennzeichnete Leitung. Der Tankreinigungsvorlauf ist mit TV und der Tankreinigungsrücklauf ist mit TR bezeichnet. Die Zufuhr von Zuluft erfolgt über eine mit ZL bezeichnete Leitung, während die Abluft über eine Leitung AL abge­ führt wird. Zur Entleerung des Gärtanks 1 und seiner zugeordneten Einrichtungen in die Umgebung ist ein in ein Gully ausmündendes Absperrventil 10 vorgesehen.

Mit einer optionalen Ausgestaltung der Anordnung (Option O1 in Verbindung mit der Probenahmevorrichtung 14) kann der Gärverlauf im zylindrokonischen Gär­ tank 1 gemessen werden (Bestimmung des Extraktgehaltes).

Wird die vorgeschlagene Anordnung mit einer Einrichtung zur Karbonisierung oder anderweitigen Begasung von Flüssigkeiten 20 (Option O2) ausgestattet, dann lassen sich mit dieser modifizierten Anordnung neue Anwendungsbereiche, die nachfolgend kurz umrissen sind, erschließen.

Das vorgeschlagene Verfahren und die Anordnung zu seiner Durchführung sind darüber hinaus anwendbar auf alle Flüssigkeiten, die beispielsweise mit einer Kreiselpumpe zu fördern sind.

Die Anwendung erstreckt sich u. a. auf

• - das Mischen von Getränken im Tank (Alsterwasser, Cola, Limonaden);
• - die Karbonisierung der Mischgetränke im Tank durch Einstellen von Tankdruck und Temperatur (Kühlung); dabei erfolgt das Einblasen von CO₂ über einen statischen Mischer im Rahmen der in der Fig. 1 dargestellten Option O2 bis zur Sättigung, das Messen des CO₂-Gehaltes über die Probenahmevorrichtung 14 oder über ein Inline-CO₂-Meßgerät im Rahmen der Ausgestaltung nach Option O1;
• - das Mischen und Nitrogenisieren flüssiger Lebensmittel im Rahmen der Option O2;
• - das Homogenisieren von Flüssigkeiten mit Feststoffpartikeln während der Ver­ arbeitungszeit;
• - das Entgasen von Flüssigkeiten im Tank (in vakuumsicheren Tanks ist u. U. die bis heute nicht gelöste Aufgabe der Entgasung (Sauerstoffentfernung) aus Zuckersirup möglich; hierzu kann zur Partialdruckverschiebung Stickstoff ver­ wendet werden, der mit einer Anordnung gemäß Option O2 eingetragen wird);
• - das Homogenisieren und Belüften von Erntehefe im Rahmen einer Anordnung gemäß Option O2.

Claims (5)

1. Verfahren zur beschleunigten Gärung in zylindrokonischen Gärtanks bei der Herstellung von Bier, bei dem die im Gärtank vorgelegte Bierwürze mit unter­ gäriger oder obergäriger Bierhefe vergoren, die Gärtemperatur durch Küh­ lungseingriffe über die Wandung des Gärtanks gesteuert und die Gärge­ schwindigkeit durch Maßnahmen zur Erzeugung einer forcierten Bewegung des Tankinhaltes gesteigert werden, dadurch gekennzeichnet,

• - daß aus der Bierwürze-Hefe-Suspension (Gärsubstrat) im Gärtank (1) ein Teilstrom (S) über den konischen Bodenteil (1c) abgezogen wird,
• - daß der Teilstrom (S) über einen Kreislauf außerhalb des Gärtanks (1) ge­ führt und als Freistrahl von unten nach oben in den Gärtank (1) unter Druck eingeleitet wird, und
• - daß der Freistrahl dort einen Treibstrahl (T) erzeugt, der einen den gesam­ ten Inhalt des Gärtanks (1) umfassenden Konvektionsstrom (K) generiert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das im Kreislauf geführte Gärsubstrat im Zuge dieser Kreislaufführung einer Begasung mit Kohlendioxid unterworfen wird.

3. Anordnung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, mit einem zylindrokonischen Gärtank zur Aufnahme des Gärsubstrates und einer am unteren Ende des konischen Bodenteils des Gärtanks angeschlossenen Ab- und Zulaufleitung, dadurch gekennzeichnet, daß die Ab- und Zulauflei­ tung (1a; 1b) über eine Kreislaufleitung (4), in der eine Umpumpeinrichtung (12) angeordnet ist, miteinander verbunden sind, daß im Auslaufbereich des kegelförmigen Bodenteils (1c) des Gärtanks (1) eine Flüssigkeitsstrahl- Mischdüse (2) angeordnet ist, deren Düse an die Zulaufleitung (1b) ange­ schlossen ist, und daß der Auslauf des kegelförmigen Bodenteils (1c) in die Ablaufleitung (1a) einmündet.

4. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2 auf ein sogenanntes Zweitankverfahren bis kurz vor oder während der Entleerung des Gärtanks (1).

5. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2 auf ein sogenanntes Eintankverfahren bis kurz vor dem Abziehen des Bieres aus dem Gärtank (1).