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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur kontinuierlichen Schnellgärung von Bierwürze durch dünnschichtige Vergärung in einem horizontalen Rohr mit einer walzenförmigen Mischvorrichtung, wobei über die ganze Länge des Fermentationssystems ein einheitliches Strömungsbild in den Röhren aufscheint. Eine Vorrichtung, in der das erfindungsgemässe Verfahren z. B. durchgeführt werden kann, wird in der österr. Patentschrift Nr. 271357 beschrieben.
Das erfindungsgemässe Verfahren zur kontinuierlichen Schnellgärung von Bierwürze weist in Unterscheidung zur konventionellen Biergärung in Bottichen eine andere Verfahrensweise auf, die in den Worten "kontinuierlich" und "schnell" verankert sind, jedoch in dem zugrundeliegenden Prozessablauf der üblichen Biergärung sehr ähnlich ist : Das Gärröhrensystem weist eine mit der Rohrlänge abfallende Würzkonzentration auf, während im Gärkeller der konventionellen Biergärung eine zeitliche Abnahme der Würzkonzentration erfolgt.
Neue Vorrichtungen und Verfahren sind im besonderen dort nötig, wo traditionsreiche Prozesse, die als diskontinuierliche Produktionen in Bottichen arbeiten, kontinuierlich gestaltet werden sollen. Die kontinuierlichen Produktionsverfahren sind eine logische Entwicklung der modernen Industrie, bringt diese Umstellung doch wirtschaftliche Vorteile bei gleichbleibender Qualität des Produktes. Hat sich die mikrobiologische Industrie erst seit kurzer Zeit auf diesen Weg begeben, so sind dafür ohne Zweifel die besonderen Schwierigkeiten der kontinuierlichen Aufrechterhaltung, noch dazu steriler biologischer Prozesse verantwortlich zu machen.
Doch müssten, um sich die Vorteile nicht entgehen zu lassen, alle Anstrengungen in der Richtung gehen, auch komplizierte Prozesse mit besonderen Ansprüchen an die Qualität des Geschmackes, wie z. B. bei der Bierbrauerei, technisch beherrschen zu lernen.
Möglichkeiten zur Beschleunigung des Gärprozesses sind lange bekannt unter anderem Temperaturerhöhung, vermehrte Hefegaben, Rühren und vollkontinuierliche Methoden.
Kontinuierliche Verfahren zur Bierbereitung sind in grosser Zahl bekannt. Diese leiten sich fast durchwegs von der Form des Bottichs bzw. eines gerührten Tanks ab, wobei die Anzahl der verwendeten Stufen von dem gewählten Verfahren abhängt.
Der gerührte Tank weist jedoch für die kontinuierliche Bierbereitung einen Nachteil auf : Die Würzkonzentration ist im ganzen Behälter gleich und zudem niedrig, so dass bei dieser niederen Würzekonzentration die Gärung langsam verläuft.
Zusätzlich treten unerwünschte Nebenprodukte auf. Der Prozessablauf ist der üblichen Biergärung nicht ähnlich ! Erst bei der Verwendung von einer Reihe hintereinandergeschalteter Tanks tritt ein zufriedenstellendes Produkt auf. Diese Konstellation weist einen ziemlich apparativen Aufwand auf, so dass prinzipiell Reaktionsgefässe vom Typ eines Strömungsrohres hier vorzüglich einzusetzen sind.
Verfahren zur kontinuierlichen Biergärung sind nur wenige bekannt, die unter Verwendung von Röhrenbehältern od. ähnl. durchgeführt werden.
Von diesem Verfahrenstyp sind das Verfahren von DENSHCHIKOV, VNIIP (All-Union Research Institute of Brewery Industry, Moskow) mit langen Spiralröhren ohne Rührvorrichtung, so wie das Verfahren der
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Verfahren den Vorteil, dass die kontinuierliche Vergärung in dünnen Schichten raschest abläuft und im geschlossenen Röhrensystem über lange Zeit ohne Infektion geführt werden kann, wobei das Gärröhrensystem in hervorstechender Weise die Eigenschaft eines einheitlichen Strömungsbildes aufweist, so dass der für eine rasche Gärung gewünschte Würzkonzentrationsabfall sich in Richtung Auslauf ungestört ausbilden kann.
Das erfindungsgemässe Verfahren ist im einzelnen demnach dadurch gekennzeichnet, dass laut Patentanspruch an einem Ende des Rohrsystems zu einem Hefe-Würze-Gemisch kontinuierlich sterile Würze zugeführt wird.
Bei diesem Verfahren werden die Hefezellen in einer Konzentration aufrechterhalten, die weit höher liegt als die Werte bei der üblichen Biergärung liegen, u. zw. liegt sie bei zirka 150 g/l. Dieser vorliegenden Hefesuspension wird die zu vergärende Würze zugeführt, nachdem sie zuvor in einer Vorrichtung sterilisiert wurde. Zur Sterilisation ist nur ein Verfahren zur kontinuierlichen Sterilisation von Flüssigkeiten geeignet, am besten z. B. ein Verfahren das ein Strömungsrohr mit einheitlichem Strömungsbild verwendet, in dem die kontinuierlich durchströmende Flüssigkeit in dünnen Schichten kurzzeitig einer UV-Bestrahlung oder Hitze-Einwirkung ausgesetzt wird.
Weiters weist das erfindungsgemässe Verfahren das Kennzeichen auf, dass die Vergärung mit dieser hohen Hefegabe bei 20 bis 250C in Gegenwart von Luft durchgeführt wird. Dabei wird die geforderte hohe Hefekonzentration gleichbleibend gehalten, u. zw. durch ein Rückstromsystem, das einen Teil des am Ende des Rohrsystems abfliessenden Hefe-Jungbier-Gemisches nach Abtrennung des grössten Teiles des Jungbieres in das Gärröhrensystem zurückführt.
Die Trennung der Hefezellen vom Jungbier erfolgt dabei in an sich bekannten Vorrichtungen, wie Absetzbehälter oder Zentrifugen, die ihrer Wirkungsweise so eingestellt werden, dass die Trennung und
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Abscheidung der zurückzuführenden Hefezellen in dem Masse unvollständig durchgeführt wird, als dem Hefezuwachs im Röhrensystem entspricht.
Diesen Hefezuwachs im Fermentationssystem zu sichern dient eine Massnahme, die wieder ein besonderes
Kennzeichen des erfindungsgemässen Verfahrens ausmacht. Das Kennzeichen besteht darin, dass über die gesamte Dauer der kontinuierlichen Gärung der Bierwürze ein geringer Luftstrom durch das Röhrensystem vorhanden ist bzw. in regelmässigen Abständen frische sterile Luft zugegeben wird. Diese Vorgangsweise erfüllt den Sinn, die Hefezellen den, zu ihrer geringen Zuwachsgeschwindigkeit (5%), nötigen O2 zu liefern und ausserdem soll die Bierwürze an O2 nicht ganz verarmen, damit die Aromabildung nicht ungünstig beeinflusst wird.
Erst durch diese gezielte Belüftung ist der kontinuierliche Betrieb über lange Zeiten sichergestellt, indem auch hier die physiologischen Eigenschaften der Zellen durch gleichbleibende Bedingungen aufrechterhalten bleiben.
Durch die fortwährende Rückführung der Hefe des Fermentationssystems gelangt diese immer wieder an die Einlaufstelle der frischen Würze. Diese Vorgangsweise hat den Vorzug, dass der physiologische Zustand der Hefezellen immer gleichbleibend leistungsfähig ist, somit die Gärkraft und Maltose-Permease-Aktivität nicht abnimmt. Erst durch dieses Verfahren wird die Schnellgärung kontinuierlich durchführbar. Die Operationsparameter, Temperatur, Belüftungsstärke, Länge des Fermentationssystems und rückgeführte Hefemenge sind also so aufeinander abgestimmt, dass aus dem Gärsystem die Menge Hefe abgeführt wird, die an der jeweiligen Zeiteinheit im Gärröhrensystem neu gebildet wird, (zirka 5%).
Ein weiteres Kennzeichen des erfindungsgemässen Verfahrens besteht somit darin, dass die vorzulegende Länge des Röhrensystems (= Verweilzeit im System) vom zu erreichenden Endvergärungsgrad des Bieres bestimmt ist. Daher ist in dem erfindungsgemässen Verfahren die Möglichkeit gegeben, die Länge des Röhrensystems kürzer zu gestalten, als dem gewünschten Vergärungsgrad entspricht. Diese Möglichkeit ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Grossteil der gärenden Bierwürze samt den Hefezellen durch eine geeignete Flüssigkeitspumpe ohne Mischwirkung im Kreislauf geführt wird.
Es zeigt sich eine starke Ähnlichkeit des Gärgeschehens in diesen kontinuierlich beschickten Röhren mit dem Gärungsablauf in konventionellen Bottichen. Während die Hauptgärung im Bierkeller einen zeitlichen Verlauf zeigt, läuft der Prozess in den Röhren in der selben Weise, nur örtlich getrennt, über die Rohrlänge verteilt ab. Diese Ähnlichkeit ist ein Hinweis, dass die Bierqualität kaum Abweichungen bringen wird.
Damit diese Ähnlichkeit des Gärprozessablaufes bewahrt bleibt, ist darauf zu achten, ein einheitliches Strömungsbild aufrechtzuerhalten. Demgemäss ist für das erfindungsgemässe Verfahren eine drehbare Walze, die, ohne longitudinale Mischeffekte zu erzeugen, nur mit einer Rührleiste, die längs einer Erzeugenden auf der Walzenoberfläche angebracht ist, ausgerüstet ist, besonders geeignet.
Damit erst wird eine Rückvermischung schon vergorener Würze in der Strömungsrichtung unterbunden und die Würzekonzentration ist zu jeder Zeit auch an jedem Ort im Röhrensystem optimal, so dass eine maximale Umsatzgeschwindigkeit erreicht wird.
Im Vergleich zu den kontinuierlichen Biergärungen in Fermentern vom Typ des Rührkessels ist hier also eine höhere Geschwindigkeit des Gärprozesses gegeben und zusätzlich kann der Reaktionsraum kleiner dimensioniert werden. Ausserdem ist es eine bekannte Tatsache, dass für die Bierqualität eine Mischung nicht förderlich ist.
Somit geniesst das erfindungsgemässe Verfahren alle Vorzüge des kontinuierlichen Prozessführens, wie höhere Produktivität, verringerte Prozesszeit bei kleineren Produktionskosten bzw. Arbeitsaufwand.
Um die Wirkungsweise des erfindungsgemässen Verfahrens und das Ineinandergreifen der verschiedenen Operationsparameter zu illustrieren sei ein mögliches Ausführungsbeispiel beschrieben.
Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens sei aus z. B. zehn hintereinandergeschalteten Rohreinheiten, deren jede einzelne der Beschreibung der österr. Patentschrift Nr. 271357 genügt, zusammengesetzt. Zu beachten ist dabei nur, dass als Mischvorrichtung eine drehbare Walze gewählt wird, die, bei minimaler longitudinaler Rückmischung, durch die Anordnung eines Längsstabes das Absetzen der Hefe in den Röhren verhindert.
Die aus einem kühl gelagerten Vorratsbehälter mit einer Dosierpumpe zulaufende Würze wird durch einen kontinuierlichen Sterilisator geschickt z. B. in der Form eines Strömungsrohres mit einheitlichem Strömungsbild, in dem die kontinuierlich durchströmende Flüssigkeit in dünnen Schichten kurzzeitig einer UV-Bestrahlung oder Hitze-Einwirkung ausgesetzt wird und über einen Wärmeaustauscher sterilisiert in ein Vorratsgefäss gelangt, aus dem die sterile Bierwürze in dem gewünschten Mass in das Gärröhrensystem zufliessen kann, in dem sich schon die in Würze suspendierte Hefe in einer Konzentration von zirka 150 g/l befindet.
In diesem Gärröhrensystem geht nun die Hauptgärung bei Zimmertemperatur vor sich, wobei durch einen Thermostatmantel die Gärröhren auf konstanter Temperatur gehalten werden, da nur dadurch ein sicherer kontinuierlicher Betrieb einstellbar ist.
Folgende Einzelheiten sind zu berücksichtigen :
1. Der Gärprozess wird fast bis zum Endvergärungsgrad durchgeführt. Das bewirkt neben einer kurzen Nachvergärung vor allem auch ein gutes Absetzen der Hefe, die dann in Absetzbehältern z. B. nach der achten Rohreinheit vom Jungbier zum Teil getrennt wird.
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2. Diese acht Rohreinheiten sind kontinuierlich mit frischer Luft zu beschicken, in einem Strom von zirka 10 I/h, der das gewünschte Hefewachstum in der Lösung von zirka 5% gewährleistet und auch für die Aromabildung (Diacetyl) günstig ist. Dabei ist es am sichersten, in jedem Rohrinhalt die aktuelle 02-Konzentration direkt zu messen, weil dadurch die optimale Menge der Luft und der Ort der Zu-Dosierung, genau eingehalten werden kann !
3. Neben der Ausführung der drehbaren Walze ist noch ihre Drehzahl mit entscheidend für die Ausbildung einer möglichst ungestörten Strömung ohne longitudinale Rückmischung. Die Drehzahl ist z. B. auf zirka 20 Umdr/min zu halten.
4. Der Vergärungsgrad ist von der Verweilzeit der Bierwürze im Fermentationssystem direkt abhängig.
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Es gilt die Aussage, dass für eine vorgegebene Apparatdimension eine maximale Rückflussmenge zulässig ist, die ihrerseits wieder eine vermehrte Zu-Dosierung von Frischwürze erlaubt. Jedoch existiert ein optimales Verhältnis von Zulauf und Rücklauf, das nicht überschritten werden darf : z. B. : Zulauf : Rücklauf, 1 : 10, mit 10 1 als gesamtes Füllvolumen ergibt sich ein Zulauf von 21/h, d. h. : die mittlere Verweilzeit (Gärzeit) beträgt zirka 5 h.
5. Die am Ende der achten Röhre als fast endvergoren abfliessende Hefe-Jungbier-Mischung wird getrennt, wobei die eingedickte Hefe rückgeführt wird und mit dem Jungbier eine restliche Hefe (5%) durch die neunte und zehnte Röhre und dann in ein Vorratsgefäss fliesst. Hier wird das Jungbier mit der restlichen Hefe gelagert unter Berücksichtigung der für eine günstige und rasche Fertigstellung nötigen Massnahmen und dann kann anschliessend hefefrei filtriert werden.