DE102006053036A1

DE102006053036A1 - Vorrichtung zum Rühren von Maischen in einem Maischgefäß im Bierherstellungsprozess

Info

Publication number: DE102006053036A1
Application number: DE102006053036A
Authority: DE
Inventors: Friedrich Banke
Original assignee: Banke, Friedrich, Dipl.-Ing.
Current assignee: BANKE, FRIEDRICH, DE
Priority date: 2006-11-10
Filing date: 2006-11-10
Publication date: 2008-05-21

Abstract

Bei bekannten Ausführungen werden insbesondere die Bodenheizflächen nur unzureichend angeströmt, so dass es zu ungewünscht hohen thermischen Belastungen der Maische kommt. Außerdem treten im Zentrum der Maische mit zunehmender Größe von Maischgefäßen oft Durchmischungsprobleme auf. Um eine vollständige Anströmung der Bodenheizflächen und um die Vermeidung von wenig bewegten Grenzschichten sicherzustellen, schlägt die Erfindung ein Rührorgan (50) mit folgenden Merkmalen vor: Ein Rührorgan (50) in einem Maischgefäß (20) besteht aus einem nach unten fördernden Innensegment (50b), das als torsionssteifes Hohlprofil (2 und 3) ausgebildet ist, einem überwiegend nach oben fördernden Außenprofil (50c), das neben der nach oben gerichteten Hauptschaufel (5) eine nach unten fördernde Teilfläche (5a) ausweist, die auch eine direkte Anströmung des äußeren Teils der Bodenheizfläche (21) sicherstellt. Ein radial nach außen förderndes Knotenblech (4) verstärkt die Bodenströmung in radialer Richtung und verbessert den Stoffaustausch im Zentrum der Maische (M). Eine weitere Verbesserung der Gesamtdurchmischung sowie des Wärmeübergangs an der Zargenheizfläche (22) wird durch Strömungsleitbleche (23) erreicht, die mittels Abstandshalter (23a) einen totraumfreien Spalt (23b) zur Wand ausbilden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Rühranordnung in einem Maischgefäß für den Bierherstellungsprozess mit einem Rührorgan, das mittels eines Drehantriebes in Rotation gebracht werden kann und aus mindestens einem Rührflügel besteht.
Im Maischprozess werden durch verschiedene enzymatische Reaktionen, die bei verschiedenen Temperaturen ihr jeweiliges Optimum haben, die Schrotinhaltsstoffe in löslichen Extrakt übergeführt. Zur Einstellung der verschiedenen Temperaturen im Maischprozess sind die Maischgefäße über Heizflächen am Boden und an der Zylinderwand beheizbar.
Als unlösliche Bestandteile liegen am Ende des Maischprozesses unter anderem die Spelzen des geschroteten Malzes oder der Zerealien vor, die im nachfolgenden Trennschritt, das Läutern, als natürliches Filtermittel zur Sicherstellung einer guten Permeabilität möglichst unbeschädigt vorliegen sollen. Zur Gewährleistung von kurzen Abläuterzeiten ist deshalb die Vermeidung von hohen Scherkräften, also ein produktschonendes Rühren, eine Hauptanforderung an den Maischprozess.
Eine Marktentwicklung zu eiweißärmeren Braugersten hat bei vielen bestehenden Anlagen zu Problemen mit einer ausreichenden Bierschaumstabilität geführt. Wichtige bierschaumstabilisierende Bestandteile sind thermisch empfindlich und können während des Würzeherstellungsprozesses durch zu hohe Hitzeeinwirkung inaktiviert werden. Durch die Entwicklung von neuen Würzekochsystemen wurde bisher versucht, die thermische Belastung während der Würzekochung zu reduzieren.
Die thermische Belastung der schaumaktiven Inhaltsstoffe beginnt jedoch bereits beim Maischprozess, so dass ein schonendes Aufheizen mit kurzen Kontaktzeiten an den Heizflächen ohne lokale Überhitzungen eine weitere Hauptanforderung an den Maischprozess darstellt.
Diese Anforderung nach einer ausreichenden gleichmäßigen Anströmung aller Heizflächen kann durch Erhöhung der Rührwerksdrehzahlen nur bis zu einer gewissen Grenze, die erfahrungsgemäß bei ca. 3m/s Umfangsgeschwindigkeit liegt, verbessert werden, da mit höheren Geschwindigkeiten eine merkliche Schädigung der Spelzen und somit eine Verschlechterung des Läuterprozesses einhergehen.
Für die enzymatischen Prozesse werden bei entsprechenden Optimumtemperaturen der jeweiligen Enzyme so genannte Temperaturrasten gehalten, wobei eine gleichmäßige Temperatur im gesamten Maischevolumen möglichst schnell erreicht werden soll. Eine Ungleichverteilung dieser Temperaturen wirkt sich in der Umsetzungsgüte der einzelnen Teilprozesse beziehungsweise in der länger benötigten Zeit zur Einstellung der Temperaturrasten aus.
Als Stand der Technik sind für diesen Prozess folgende Ausführungen bekannt:
Die Rühreranordnung aus DE 195 05 808 weist zwei entgegen angestellte Flächen mit Durchgangsöffnungen auf. Die Innenfläche fördert hierbei zwar nach unten und sorgt für eine wirksame Anströmung der Bodenheizfläche. Die Außenfläche fördert jedoch nur nach oben, so dass sich insbesondere bei Dickmaischen im Außenbereich der Heizfläche eine nur langsam bewegte Grenzschicht ausbilden kann, die lokal überhitzt wird und die beschriebene unerwünschte thermische Schädigung der bierschaumstabilisierenden Bestandteile hervorruft. Durch die gewählte Form der Innen- und Außensegmente entstehen zudem ungünstige Verhältnisse bezüglich Biege- und Torsionssteifigkeit, so dass große Materialdicken zur Erzielung der benötigen Festigkeit erforderlich sind. Die Anforderung nach einer guten Gesamtdurchmischung wird mit einer aufwändigen und kostenintensiven Höhenverstellung des gesamten Rührwerks erfüllt.
Eine weitere Ausführung einer Rühranordnung ist aus DE 295 17 343 bekannt. Das Rührorgan wird durch zwei Z-förmige Flächen gebildet, die mit schräg angestellten Distanzblechen verbunden sind. Bei Rotation wird hierbei die Maische gehoben und nach oben und außen gefördert. Bedingt durch Fertigungstoleranzen und elastische Bewegungen des Rührorgans ist jedoch zwischen Rührorgan und Heizboden immer ein gewisser Abstand erforderlich, um Kollisionsfreiheit zwischen Rührer und Boden zu sichern. Hieraus resultiert, dass sich eine bodennahe Grenzschicht über die gesamte Bodenfläche ausbilden kann, die wiederum zu lokalen Überhitzungen und den beschriebenen Nachteilen führt. Die Gesamtdurchmischung der Maische ist insbesondere bei größeren Gefäßen nur unzureichend gewährleistet.
Aus DE 101 23 812 ist ein Rohrrührer bekannt, der bei Rotation neben der direkten Wirkung des Rührorgans auch eine indirekte Strömung durch Pumpwirkung im Rohrinneren bewirkt. Hierbei wird die Maische wirkungsvoll aus dem Zentrum abgesaugt, so dass zwar eine gute Gesamtdurchmischung entsteht, aber keine geführte Anströmung der Bodenheizflächen sichergestellt ist. Eine Reinigung des Rohrinneren ist zudem problematisch, da zur Durchspülung mit Reinigungsmedien eine Vorlage im Gefäß erforderlich ist. Ein Abspülen durch üblicherweise verwendete Sprüheinrichtungen alleine ist nicht ausreichend.
Durch eine Firmenschrift (Steinecker Maisch-Technologie Shakesbeer) ist ein Rührorgan bekannt, das sich durch ein an einem inneren Trägerprofil befestigtes nach oben förderndes Doppelflügelpaar auszeichnet. Zur Verbesserung des Wärmeüberganges sind bei dem beschriebenen System die Heizflächen nach innen gewölbt, um zusätzliche Turbulenzen zu erzeugen. Nachteilig an dieser Ausführung ist hierbei jedoch wieder, dass keine direkte Anströmung der Bodenheizfläche geschaffen wird, was wiederum die nachteilige Ausbildung einer thermisch hoch belasteten Bodengrenzschicht zur Folge hat. Desweiteren sind keine Maßnahmen zur Verbesserung der Quervermischung getroffen, so dass zwar ein guter Wärmeübergang an der Heizfläche erreicht wird, eine rasche homogene Verteilung der Maischetemperaturen über das gesamte Volumen jedoch nicht gegeben ist. Die angestrebten Temperaturen der einzelnen Rasten werden daher im Zentrum erst deutlich verspätet erreicht, so dass die enzymatische Umsetzung hier lokal nicht optimal erfolgen kann. Zudem sammeln sich eventuelle Klumpen, die sich bei unzureichender Vermischung von Wasser und Schrot beim Einmaischen gebildet haben, im Zentrum und können nicht oder nur langsam aufgelöst werden.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde eine definierte hohe Anströmung aller Heizflächen, eine homogene Durchmischung des gesamten Maischevolumens und eine schonende Behandlung der Spelzen sicherzustellen und dabei lokale Überhitzungen zu vermeiden.
Diese Aufgaben werden durch die in den Ansprüchen angegebenen Merkmalen gelöst.
Gemäß Anspruch 1 wird im Innenbereich des Rührflügels durch nach unten angestellte Profile 50b eine gute Anströmung F1 an den Heizboden, durch die nach oben angestellten Außenprofile 50c eine gute Gesamtumwälzung nach oben F7 und außen F3 und durch schräg angestellte Knotenbleche 4 eine zusätzliche bodennahe Radialströmung (F4 und F3) erzeugt. Das Knotenblech 4 ist gemäß Anspruch 4 ausreichend groß dimensioniert, damit eine ausreichende zusätzliche Radialströmung erzeugt wird. Diese verstärkte Radialströmung F3 und F4 bewirkt kurze Kontaktzeiten der Maische M an der Bodenheizfläche 21 und trägt somit maßgeblich zur Vermeidung von lokalen Überhitzungen in bodennahen Grenzschichten bei. Ein vorteilhafter Winkel α für die Anstellung des Knotenbleches 4 gegenüber dem Rührerradius beträgt etwa 60°, da hierbei eine gute Radialströmung bei niedrigem Leistungsbedarf erzielt wird.
Das vorteilhafte Strömungsbild in Bodennähe wird gemäß Anspruch 2 durch Ausbildung einer nach unten fördernden Teilfläche 5a am Außenprofil 50c unterstützt. Zur Erzielung einer wirksamen Bodenanströmung F2 sind im Außenbereich kleine Flächen ausreichend, da sich die Wirksamkeit der einzelnen Teilflächen analog zur Leistungformel für Rührwerke mit der fünften Potenz des wirksamen Durchmessers verhält.
Die Leistungsformel lautet: P = Ne·ρ·n3·d5
Hierbei sind:

P: Rührerleistung
Ne: Newtonzahl (dimensionslose Kennzahl, charakterisiert die Geometrie des Rührsystems)
ρ: Dichte des Rührmediums
n: Drehzahl der Rührorgans
d: Durchmesser des Rührorgans

Unterstützt wird die Anströmung des Außenbereichs der Heizfläche durch die untere Aussparung 4a des Knotenbleches 4, so dass ein Teil der inneren Bodenanströmung F1 durch diese Aussparung radial nach außen gefördert wird und wiederum für einen guten Abtransport der nach unten geführten Strömung F2 des Außenprofils bewirkt.
Dieses spezielle Strömungsprofil führt zudem zu verbesserten Wärmeübergängen an den Bodenheizflächen 21.
Die Reaktionskräfte am Rührflügel werden gemäß Anspruch 5 vorteilhaft durch ein torsionssteifes Hohlprofil aufgenommen, das sich aus zwei Hälften 2 und 3 zusammensetzt und somit auch einfach herzustellen ist.
Zur Reduzierung der Scherbeanspruchung der Maische ist der Durchmesser DR des Rührorgans 50 vorteilhaft in einem Verhältnis von 0,85 bis 0,95 zum Gefäßdurchmesser DG ausgeführt. Somit werden gemäß obiger Leistungsformel bei niedrigen Drehzahlen bereits ausreichend hohe Umwälzleistungen des Rührsystems erreicht. Diese sind für einen guten Wärmeübergang und eine gute Durchmischung erforderlich.
Um eine gute Gesamtdurchmischung zu erzielen ist das Rührorgan 50 gemäß Anspruch 7 mit Strömungsleitblechen 23 an der Zarge des Maischgefäßes 20 kombiniert. Hierdurch sind über die gesamte Füllhöhe der Maische M gute Radialströmungen F5 gewährleistet, die die Maische auch an der Oberfläche definiert bis zur zentralen Abwärtströmung F6 durchmischen und Strömungstotzonen im oberflächennahen Zentrumsbereich verhindern. Die Strömungsleitbleche 23 sind vorteilhaft mit Abstandshaltern 23a so am Maischgefäß 20 befestigt, dass ein Wandabstand 23b gegeben ist. Hierdurch entstehen zusätzliche Turbulenzen an der Zargenheizfläche 22, die auch hier für eine Vermeidung von Überhitzungen an wandnahen Grenzschichten sorgen und zudem den Wärmeübergang verbessern. Durch radiale Anordnung der Strömungsleitbleche 23 ist eine problemlose Reinigung mit üblichen Sprühvorrichtungen für Reinigungsmedien gewährleistet. Bei den meisten Rührorganen ohne solche Strömungsleitbleche bilden sich zwar starke Rotationsströmungen aus, aber ohne eine gute Gesamtvermischung bis zum Zentrum zu erreichen.
Die Ausführungsmerkmale der Erfindung werden beispielhaft in den Zeichnungen näher dargestellt. Es zeigen:
1 Gesamtansicht des erfindungsgemäßen Rührorgans mit kegelförmigem Gefäßboden
2 Ansicht von oben eines erfindungsgemäßen Rührarms
3 Seitenansicht von vorne eines erfindungsgemäßen Rührarms
4 radiale Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Rührarms
5 Halbschnitt durch eine erfindungsgemäße Anordnung eines Rührsystems in einem Maischgefäß mit Darstellung der Hauptströmungen in der Maische
6 Gesamtansicht eines erfindungsgemäßen Rührorgans für einen kugelförmig nach oben gewölbten Boden (Diffuseurboden)
In 1 ist das erfindungsgemäße Rührorgan 50 in einem Ausführungsbeispiel für einen kegelförmigen Maischgefäßboden 20a dargestellt. Das Rührorgan 50 besteht hierbei vorteilhaft aus zwei Rührflügelhälften 50a, die sich im jeweils aus einem Innenprofil 50b, einem Außenprofil 50c und einem Knotenblech 4 zusammensetzen. Die beiden Hälften 50a sind beispielsweise über eine Nabe 1 mittels geeigneter Verschraubungen 1a lösbar an die angetriebene Welle 10 montiert, so dass das Rührorgan 50 in eine Rotationsbewegung R versetzt werden kann.
In 2 ist ein erfindungsgemäßer Rührflügelarm 50a mit der vorteilhaften Anstellung des Knotenbleches 4 um den Winkel α gegenüber dem Rührerradius dargestellt.
Der Anstellwinkel β der Rührerachse ist in 3 dargestellt und so gewählt, dass ein möglichst kleiner Abstand zum Maischgefäßboden 20a möglich ist. Eine weitere bodennahe Ausführung für einen kugelförmig nach oben gewölbten Boden, einem so genannten Diffuseurboden, ist in 6 dargestellt. Die bodennahen Innenprofile 3 und Außenprofile 5, 5a sind hierbei vorteilhaft an die Bodenkontur angepasst.
Die Anstellwinkel δ, ε und γ der einzelnen Rührerprofile 50b und 50c sind in 4 dargestellt. Hierbei ist ε der Anstellwinkel der nach oben fördernden Außenschaufel 5, 6 der Anstellwinkel der nach unten fördernden Teilfläche 5a und γ der Winkel zwischen der Tangente an die nach unten fördernde Fläche des Innenprofils 50b und der Waagerechten.
In 5 sind die Hauptströmungen am Rührorgan 50 als Radialströmung F4, innere Bodenanströmung F1, äußere Bodenanströmung F2, äußere Radialströmung F3 und aufwärtsgerichtete Umwälzströmung F7 dargestellt. Auch die wichtigsten Behälterströmungen wie die nach innen gerichtete Radialströmung F5 und zentrale Abwärtsströmung F6 ist sichtbar. Weiterhin sind in 5 die vorteilhafte Anordnung der Strömungsleitbleche 23 mit Wandspalt 23b und Halterungen 23a dargestellt.

Claims

Rühranordnung für die Herstellung von Maischen in einem Maischgefäß, wobei das Rührorgan (50) über eine angetriebene Welle (10) in Rotation (R) versetzt werden kann und mindestens einen Rührflügel (50a) aufweist, dadurch gekennzeichnet dass, dieser aus einem um den Winkel (γ) nach unten angestelltem Innenprofil (50b) und einem um den Winkel (δ) nach oben angestelltem Außenprofil (50c) besteht und die beiden Profilsegmente (50b und 50c) mit mindestens einer um den Winkel (α) zum Radius (r) angestellten Fläche (4) versehen sind, so dass diese eine starke bodennahe radiale turbulente Strömung erzielt.
Rühranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das äußere Profilsegment (50c) jeweils neben der um den Winkel (ε) nach oben angestellten Fläche (5) eine um den Winkel (δ) nach unten angestellte Teilfläche (5a) aufweist, die eine lokale Förderrichtung zum Boden (20) bewirkt.
Rühranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Anstellwinkel (α) der angestellten Fläche (4) zum Radius (r) zwischen 30° und 75°, vorzugsweise 60° beträgt.
Rühranordnung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die die radiale Strömung verstärkende Fläche (4) auch durch Formgebung des Innenprofils (50b) erzeugt werden kann indem dieses beispielsweise bogenförmig ausgebildet ist.
Rühranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils gegenüber der Waagerechten der Anstellwinkel (ε) der nach oben angestellten Fläche (5) zwischen 25° und 70°, vorzugsweise 45° und der Anstellwinkel (δ) der nach unten fördernden Fläche (5a) zwischen 25 und 70°, vorzugsweise 45° beträgt.
Rühranordnung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Flächenverhältnis der Fläche (4) zur Fläche (5) mindestens 0,3 beträgt.
Rühranordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Knotenblech (4) im unteren Bereich eine Aussparung (4a) aufweist, so dass ein turbulenter bodennaher Teilstrom von innen nach außen hinter das Außenprofil (50c) strömen kann.
Rühranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Innenprofil (50b) als geschlossenes, biege- und torsionssteifes Hohlprofil ausgeführt ist.
Rühranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis des Rührorgandurchmessers (DR) zum Behälterdurchmesser (DB) etwa bei 0,85 liegt.
Rühranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Maischgefäß (20) mit mindestens einem Stromstörer (23) ausgestattet ist, der mittels Abstandhalter 23a einen Spalt 23b zum Maischgefäß aufweist.