DE102010031729A1

DE102010031729A1 - Verfahren zur Dealkoholisierung von Getränken und zugehörige Vorrichtung

Info

Publication number: DE102010031729A1
Application number: DE102010031729A
Authority: DE
Inventors: Marcus Hertel
Original assignee: Individual
Current assignee: Schiffer Katja Ch
Priority date: 2009-12-24
Filing date: 2010-07-21
Publication date: 2011-06-30

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Dealkoholisierung von Getränken angegeben, wobei ein Gas dem Getränk durch- und/oder übergeleitet wird und hierbei Alkohol aus dem Getränk in das Gas desorbiert. Dabei ist vorgesehen, den das Getränk während der Dealkoholisierung umgebenden Druck gesteuert auf einen Wert unterhalb des örtlichen Luftdruckes zu reduzieren. Durch diese Niederdruckdesorption wird die Konzentration des Alkohols im Gas signifikant erhöht und somit eine deutliche Effizienzsteigerung erzielt. Die Erfindung beinhaltet darüber hinaus eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung.

Description

Die Neuerung betrifft ein Verfahren zur Dealkoholisierung von Getränken sowie eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung. Dabei wird unter einer Dealkoholisierung jede Reduzierung eines Alkoholgehalts eines Getränks bis hin zu einer gänzlichen Entfernung und unter Alkohol Ethanol verstanden.
In der Vergangenheit wurden immer neuere Verfahren zur De- oder Entalkoholisierung von Getränken vorgestellt, welche alle den Nachteil einer deutlichen geschmacklichen Veränderung des Produktes beinhalten, da es durch die erforderlichen höheren Temperaturen zu einer geschmacklichen Beeinträchtigung kommen kann.
Grundsätzlich lässt sich eine De- oder Entalkoholisierung nach zwei Arten unterscheiden, wobei es auch Kombinationen gibt. Im Wesentlichen gibt es die Möglichkeit biologischer Verfahren bzw. einer gestoppten Gärung, also des Verhinderns oder Verringerns der Alkoholentstehung, oder einer nachgeschalteten Entfernung durch physikalische Verfahren.
Ein entscheidender Nachteil all dieser Verfahren ist die starke geschmackliche Veränderung. Getränke, die durch eine gestoppte Gärung hergestellt werden, weisen meistens einen süßlichen bis „pappigen” Geschmack auf, da viele Kohlenhydrate noch in ihrer ursprünglichen Form vorliegen. Getränke, bei denen der Alkohol nachträglich entfernt wird, haben in der Regel einen leeren Charakter, da immer auch signifikant erwünschte Aromastoffe entfernt werden.
Wird der Alkohol durch ein Sieden des Getränkes entfernt, kommt es darüber hinaus auch zu negativen geschmacklichen Veränderungen durch höhere Temperaturen. Unter höheren Temperaturen werden hierbei insbesondere Temperaturen des Getränkes von über 30°C verstanden, da ab diesen Temperaturen – je nach Behandlungsdauer – chemische Reaktionen die Zusammensetzung des Getränkes signifikant verändern. So konnten bei der Dealkoholisierung von Bier beispielsweise bereits bei Temperaturen von 30°C signifikante thermische Belastungen des Getränkes beobachtet werden, welche zu einem Fehlgeschmack und zu einer verminderten Alterungsstabilität, also Lagerbarkeit, führten. Darüber hinaus kann es auch bei kurzen Kontaktzeiten bereits zu Verfärbungen der resultierenden Getränke sowie zu Veränderungen bzw. einer Zunahme in der Trübung kommen. Dies alles liegt darin begründet, dass die Geschwindigkeit chemischer Reaktionen mit steigenden Temperaturen zunimmt. Somit können sich bei identischen Behandlungszeiten bei höheren Temperaturen mehr unerwünschte Stoffe nachbilden bzw. erwünschte umwandeln. Bei Vorhandensein von Sauerstoff werden hierbei die Veränderungen noch deutlich forciert. Um diese Nachteile auszugleichen, werden solche Produkte oftmals untereinander oder mit unentalkoholisierten Produkten verschnitten.
Zu den wichtigsten eingesetzten physikalischen Verfahren zählen die Destillation bzw. die Rektifikation sowie die Extraktion mit Flüssigkeiten oder komprimierten, aber auch mit überkritischen Gasen, die Umkehrosmose und die Dialyse. Die genannten Verfahren sind hinlänglich bekannt und können der einschlägigen Fachliteratur entnommen werden.
Eine Möglichkeit Getränke bei relativ niedrigen Temperaturen zu dealkoholisieren ist in der GB 19101195 A , der DE 3616093 C2 sowie den anhängenden Patentanmeldungen wie der EP 87106893.3 aufgezeigt und wird in der DE 4244597 C1 auch für den Prozess einer kontinuierlichen Herstellung alkoholreduzierter bzw. -freier Getränke genutzt. Hierbei wird die Dealkoholisierung durch einen Desorptionsprozess mit Gasen, vor allem mit Luft, durchgeführt. Das Ethanol wird hierbei während des Prozesses aus dem Getränk in das Gas desorbiert, welches danach abgeführt und gegebenenfalls weiteren Schritten unterzogen wird. In der DE 3616093 sowie den anhängenden Patentanmeldungen wie der EP 87106893.3 werden zur Verbesserung des Geschmackes dem Getränk Stoffe zugesetzt – oder sie sind in ihm bereits enthalten –, durch welche der Geschmacksverlust des Bieres ausgeglichen werden soll. Aufgrund der Prozessführung werden hier enorme Gasmengen für eine zufriedenstellende Dealkoholisierung benötigt, wobei die absolut benötigte Gasmenge natürlich immer von der zu dealkoholisierenden Flüssigkeitsmenge abhängt. Zwar ist die Auswahl des verwendeten Gases hier teilweise prinzipiell offen gelassen, jedoch ist die Bereitstellung solcher Mengen an Inertgasen nahezu unmöglich bzw. mit immens hohem Aufwand und Kosten verbunden, sodass das Verfahren hier nicht mehr wirtschaftlich durchgeführt werden kann. So werden, wie angegeben, bei einer Anlage im großtechnischen bzw. im Brauereimaßstab ca. 7100 Nm³/h Gas zur Dealkoholisierung von nur 10 hl/h Bier benötigt. Solche Mengen können selbst mit gängigen Stickstofferzeugern nicht mehr hergestellt werden. Gleiches gilt für die Bereitstellung solcher Mengen an Kohlendioxid. Dies führt dazu, dass zur Durchführung des Verfahrens zumindest im großtechnischen Maßstab stets Luft anstelle von Inertgasen verwendet wird bzw. werden muss, da diese mittels Gebläsen oder Kompressoren problemlos in solchen Mengen dem Prozess zur Verfügung gestellt werden kann. Dass bei dem angegebenen Verfahren eine wirtschaftliche Durchführung nur mittels Luft vollzogen werden kann, geht auch aus den genannten Schriften hervor. So wird zur Durchführung des Verfahrens in der DE 3616093 C2 beispielsweise nur Luft, jedoch kein anderes Gas offenbart. In der EP 87106893.3 wird zwar kurz die Möglichkeit der Verwendung anderer Gase offenbart, jedoch ist hier auch ersichtlich, dass zumindest teilweise Luft anstelle anderer Gase verwendet werden muss, da davon die Rede ist, dass das Behandlungsverfahren der Erfindung ein aerober Prozess ist. Eine Verwendung von Luft führt aber bei den angegebenen Temperaturen zwangsläufig immer zu einer Oxidation und somit zu einer geschmacklichen Veränderung des resultierenden Getränkes. Da auch dieses Verfahren, wie später beschrieben, nur bei Temperaturen oberhalb von 30°C, eher oberhalb von 40°C, effektiv arbeitet, kommt es gerade bei Vorhandensein von Sauerstoff zwangsläufig zu geschmacklichen Veränderungen, da die bei diesen Temperaturen ohnehin ablaufenden Reaktionen durch Sauerstoff noch forciert werden. Deswegen kommt dieses Verfahren auch nicht ohne den Zusatz der erwähnten geschmacksverbessernden Stoffe aus. Es wird ersichtlich, dass diese zugesetzten Stoffe vor allem die negativen oxidativen Veränderungen ausgleichen sollen. All diese Tatsachen führten dazu, dass diese Verfahren bisher noch keine Ausbreitung in der Getränkeindustrie erfahren haben. Die beschriebenen Verfahren arbeiten hierbei alle bei atmosphärischen Bedingungen oder bei erhöhtem Druck.
Erfindungsgemäß wurde nun Folgendes festgestellt: Wird während des Desorptionsprozesses der das Getränk umgebende Druck signifikant reduziert, kann die zur Dealkoholisierung benötigte Gasmenge drastisch reduziert werden, so dass eine Dealkoholisierung mittels Desorption auch bei Verwendung von Inertgasen – und somit ohne eine durch die Verwendung von Luft bedingte Oxidation – wirtschaftlich durchgeführt werden kann und dass somit auf eine Zugabe geschmacksverbessernder Stoffe vollkommen verzichtet werden kann. Zur Erzielung einer möglichst effizienten Dealkoholisierung muss diese Druckreduzierung hierbei gesteuert erfolgen.
Unter gesteuert wird verstanden, dass der Druck gezielt reduziert wird, um hierdurch eine Effizienzsteigerung bei der Dealkoholisierung zu erzielen. Zufällig erzielte, geringfügige Druckreduzierungen, wie sie beispielsweise bei dem anderen Zwecken dienenden, einfachen Betrieb von Ventilatoren und/oder Pumpen zwangsläufig entstehen, fallen somit nicht unter diesen Begriff. Durch diese wird – wenn überhaupt – ohnehin nur eine geringfügige, kaum messbare Effizienzsteigerung erzielt. Insbesondere kann gesteuert zusätzlich auch bedeuten, dass der Druck während der Dealkoholisierung – insbesondere in Abhängigkeit vom sich einstellenden Siedepunkt des zu dealkoholisierenden Getränkes – gezielt verändert und hier insbesondere mit fortschreitender Dealkoholisierung weiter reduziert wird.
Aufgrund der mit dem Verfahren einhergehenden geringen Kosten wird auch insbesondere kleinen und mittelständischen Unternehmen eine Möglichkeit gegeben, ihre dealkoholisierten Getränke selbst herzustellen.
In diesem Text wird der Begriff Gas verwendet, da vorzugsweise mit Stoffen im gasförmigen Zustand gearbeitet wird. Prinzipiell ist zur Durchführung des Verfahrens aber auch die Verwendung von „kondensierbaren Gasen”, also Dämpfen, möglich, welche demzufolge ebenfalls unter dem hier verwendeten Begriff Gas zu verstehen sind.
Das der Vorrichtung und dem Verfahren zugrunde liegende Prinzip kann als Niederdruckdesorption, also als Desorption bei verringerten Umgebungsdrücken, bezeichnet werden. Hierbei wird ein Gas bei niedrigem Druck durch und/oder über das zu de- oder entalkoholisierende Getränk geleitet. Unter niedrigen Drücken werden hierbei Drücke unterhalb des umgebenden Luftdruckes, insbesondere unter 700 mbar absolut, verstanden. Es stellt sich dabei auch bei niedrigen Drücken zwischen der Gasphase und der flüssigen Phase ein Gleichgewicht ein, wobei die Konzentration des Ethanols in der Gasphase hierbei aufgrund des reduzierten Druckes, der das Getränk umgibt, immer höher sein wird als bei herrschendem Luftdruck oder höheren Drücken. Bei geeigneter Führung sind die bei der Desorption das Getränk durchströmenden Blasen auch bei den niedrigen Drücken mit dem zu entfernenden Alkohol gesättigt und der Alkohol reichert sich im Laufe der Desorption aus der Flüssigkeit deutlich effizienter ab, als dies bei höheren Drücken und somit bei den bekannten Verfahren einer Entalkoholisierung durch Desorption der Fall wäre.
Die durch die Druckreduzierung erzielte signifikante Effizienzsteigerung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann wie folgt erklärt werden:
Zwischen der flüssigen Phase und der Gasphase stellt sich ein Gleichgewicht ein, welches für die Komponente i durch folgende Gleichung (1) beschrieben werden kann: y_i·P = H_ij(T)·x_i (1)
Hierin ist y_i die Konzentration (Molenbruch) der Komponente i in der Gasphase, x_i die mit der Konzentration in der Gasphase im Gleichgewicht stehende Konzentration der Komponente i in der Flüssigkeit und P der herrschende Systemdruck in Gas- und Flüssigphase. H_ij(T) ist die Henrykonstante der Komponente i in der Komponente j. Die Henrykonstante ist eine Eigenschaft der Mischung und hängt stark von der herrschenden Temperatur T ab. Der Einfluss des Druckes auf die Henrykonstante kann bei nicht allzu hohen Drücken (< 10 bar) vernachlässigt werden. Streng genommen hat Gleichung (1) nur bei Konzentrationen x_i < 10^–3 uneingeschränkt ihre Gültigkeit. Bei höheren Konzentrationen müssen noch die Wechselwirkungen (Realität) in der flüssigen Phase in Form von Aktivitätskoeffizienten berücksichtigt werden. Diese weichen aber bei niedrigen Konzentrationen einer Komponente i in der flüssigen Phase (< 5%) nicht merklich vom Wert Eins ab, so dass sie mit guter Nahrung vernachlässigt werden können. Im Folgenden wird deshalb immer von einer bei einer gleichbleibenden Temperatur konstanten Henrykonstante für Ethanol in einem Getränk bzw. in dessen Hauptbestandteil Wasser ausgegangen.
Aus der angegebenen Gleichung (1) wird direkt ersichtlich, dass die Gleichgewichtskonzentration einer Komponente i in der Gasphase umso höher ist, je geringer der herrschende Systemdruck ist. Diese Tatsache macht sich das erfindungsgemäße Verfahren zu Nutze.
Während eines Desorptionprozesses stellt sich bei geeigneter Prozessführung ein Gleichgewicht zwischen dem das Getränk durch und/oder überströmenden Gas ein und es ergibt sich eine Gleichgewichtskonzentration des Ethanols in den entstehenden Gasblasen. Das erfindungsgemäße Verfahren nimmt nun gezielt Einfluss auf die Höhe der Konzentration des Ethanols. Durch die Druckreduzierung wird erreicht, dass die Konzentration des Ethanols in der Gasphase stark zunimmt. Somit desorbiert bei einer mit regulärer Dealkoholisierung durch Desorption identischen Gasmenge bei der Niederdruckdesorption eine signifikant höhere Menge des Ethanols aus dem Getränk. Anders ausgedrückt bedeutet dies, dass zur Abreicherung einer identischen Menge des Ethanols bei der Niederdruckdesorption signifikant weniger Gas eingesetzt werden muss, wodurch auch der Einsatz von qualitätsneutralen Inertgasen für die Desorption wieder wirtschaftlich wird.
Weiche enorme Effizienzsteigerung sich durch das erfindungsgemäße Verfahren bei der Entalkoholisierung von Getränken ergibt und welche Einsparmöglichkeiten hieraus resultieren wird im Folgenden kurz verdeutlicht.
Wie aus Gleichung (1) ersichtlich ist, lässt sich die Gleichgewichtskonzentration des Ethanols in der Gasphase durch Auflösen danach leicht berechnen. Mit einer Henrykonstante von Ethanol in Wasser von 0,476 bar bei einer Desorptionstemperatur von 30°C ergibt sich für die Dealkoholisierung von Ethanol Gleichung (2):
Der Molenbruch einer Komponente in der Gasphase beträgt demzufolge bei einer atmosphärischen Desorption lediglich 47,6% des Molenbruches in der flüssigen Phase. Wird jedoch eine Niederdruckdesorption bei 500 mbar Umgebungsdruck durchgeführt, so verdoppelt sich die Konzentration des Ethanols in der Gasphase bereits. Insofern benötigt eine Niederdruckdesorption bei 500 mbar auch nur die Hälfte der bei atmosphärischen Bedingungen benötigten Gasmenge. Wird die Niederdruckdesorption beispielsweise bei 100 mbar absolut durchgeführt, verzehnfacht sich die Gleichgewichtskonzentration des Ethanols im Gas bereits und folglich sinkt die benötigte Gasmenge auf ein Zehntel. Die vormals benötigten 7100 Nm³/h Gas zur Dealkoholisierung von 10 hl/h eines Getränkes würden sich somit auf nur noch 710 Nm³/h reduzieren. Diese Menge kann problemlos auch als Inertgas zur Verfügung gestellt werden, beispielsweise mit einfachen Stickstofferzeugern. Dieses Beispiel unterstreicht somit die enormen Vorteile der Niederdruckdesorption.
Wie aus Gleichung (1) ersichtlich ist, ergibt sich durch das erfindungsgemäße Verfahren ein weiterer enormer Vorteil zu den bekannten destillativen Entalkoholisierungsverfahren. Während bei Verfahren, bei welchen das Getränk zum Sieden gebracht wird, sowie bei herkömmlichen Desorptionsverfahren der Verteilungsfaktor jedes Getränkeinhaltsstoffes zwischen der Flüssigkeit und dem Dampf bzw. Gas und auch die relative Flüchtigkeit zwischen Ethanol und den einzelnen Aromastoffen bei der herrschenden Temperatur vorgegeben ist, kann durch das erfindungsgemäße Verfahren erstmals gezielt darauf Einfluss genommen werden. Beim Sieden eines Getränkes ergibt sich der Siedepunkt durch den umgebenden Druck. Hierdurch ist aber auch zwangsläufig der Dampf-Flüssigkeits-Verteilungsfaktor des Ethanols und auch derjenige der Aromastoffe vorgegeben. Somit ergibt sich auch direkt das Verhältnis der Dampf-Flüsigkeits-Verteilungsfaktoren bzw. die relative Flüchtigkeit. Bei herkömmlichen Desorptionsdealkoholisierungsverfahren ist der Druck sowie, wie später beschrieben, zumindest die Untergrenze der Temperatur vorgegeben. Somit ergibt sich auch hier für eine bestimmte Temperatur die relative Flüchtigkeit zwischen einer Aromakomponente und Ethanol. Die Henrykonstante von Ethanol weist eine starke Temperaturabhängigkeit auf. Gleiches gilt jeweils für die Henrykonstanten der unterschiedlichen erwünschten Aromastoffe. Hierbei sind die Temperaturabhängigkeiten aber unterschiedlich stark ausgeprägt. Diese Tatsache kann man sich durch das erfindungsgemäße Verfahren zu Nutze machen, um den Geschmack der resultierenden Getränke im Gegensatz zu den bekannten Verfahren während einer Dealkoholisierung weniger zu verändern. Durch das Verfahren ist es möglich sowohl die Temperatur als auch den Druck bei der Desorption gezielt zu verändern. Somit kann auch gezielt Einfluss auf die relative Flüchtigkeit genommen werden. So ist es beispielsweise möglich, dass sich bei den sehr niedrigen Entalkoholisierungstemperaturen, welche wie später beschrieben durch das Verfahren ermöglicht werden, deutlich günstigere relative Flüchtigkeiten zwischen dem zu entfernenden Ethanol und den jeweils betrachteten erwünschten Aromastoffen ergeben. Hierdurch verbleiben bei einer identischen Austreibung des Ethanols auch mehr erwünschte Komponenten im Getränk, wodurch es weniger geschmacklich verändert wird. Bei Kenntnis der Temperaturabhängigkeiten der einzelnen Henrykonstanten kann somit die optimale Temperatur-Druck-Kombination ermittelt und bei der Desorption eingestellt werden.
Bei Betrachtung von Gleichung (2) wird aber noch ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens sichtbar. Wird das mit Ethanol beladene Gas im Anschuss an den Desorptionprozess wieder in atmosphärische Bedingungen oder höhere Drücke geführt, ist die Gleichgewichtskonzentration des Ethanols bei den höheren Drücken deutlich geringer, sodass der Alkohol aus dem Gas wieder absorbiert wird, was beispielsweise in Wasser geschehen kann. Hierbei wird bei einfacher Einstellung des Phasengleichgewichtes zwischen dem beladenen Gas und Wasser auch die Menge an Alkohol wieder „frei”, welche zuvor aufgrund des niedrigeren Druckes im Gasstrom enthalten war. Dies zeigt deutlich, dass bei Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens auch der aus dem Getränk desorbierte Alkohol problemlos und mit geringem Aufwand wieder zurückgewonnen werden kann. Auf sonst eingesetzte Verfahren wie beispielsweise die Kältetrocknung kann verzichtet werden. Durch eine Erhöhung des Druckes können aber auch desorbierte Aromastoffe problemlos wieder zurückgewonnen werden. Diese können nach einer Aufbereitung dem Getränk wieder zugesetzt werden, um dieses noch weniger geschmacklich zu verändern.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass eine Desorption erstmalig auch bei noch geringeren Temperaturen als bei den bekannten Verfahren der Dealkoholisierung durch Desorption – und dies auch ohne Sauerstoff – effizient durchgeführt werden kann. Dies wiederum bringt enorme qualitative und geschmackliche Vorteile für das Getränk, da bereits bei 30°C besagte Reaktionen ablaufen können, die den Geschmack eines Getränkes negativ beeinflussen. Durch die aus den sehr niedrigen Temperaturen resultierende reduzierte Geschwindigkeit unerwünschter Reaktionen sowie durch die Möglichkeit, sauerstofffrei zu arbeiten, kann eine durch die Dealkoholisierung hervorgerufene Veränderung von Getränken somit auf ein Minimum reduziert werden. Der Grund, warum eine Desorption bei noch niedrigeren Temperaturen bisher nicht effizient und auch nicht wirtschaftlich war, liegt in der Henrykonstante von Ethanol in Wasser begründet. Wie erwähnt ist diese Konstante stark von der Temperatur abhängig. Mit sinkenden Temperaturen sinkt auch die Henrykonstante, so dass die bekannten Desorptionsverfahren mit sinkender Temperatur zunehmend ineffektiver werden. Wird jedoch eine erfindungsgemäße Niederdruckdesorption durchgeführt, können die Effizienzminderungen einer geringeren Henrykonstante zumindest größtenteils ausgeglichen werden. Unterstützt wird dies noch dadurch, dass mit sinkenden Temperaturen auch der Sättigungsdampfdruck des Getränkes abnimmt, sodass der Umgebungsdruck bei der Desorption bei niedrigeren Temperaturen noch weiter erniedrigt werden kann, ohne eine Sieden des Getränkes hervorzurufen. Dies wird im Folgenden am Beispiel von reinem Wasser kurz erklärt.
Der Sättigungsdampfdruck von Wasser beträgt bei 30°C ca. 42 mbar. Dies bedeutet, dass das Wasser zu sieden beginnt, wenn der Umgebungsdruck auf diesen Druck abgesenkt wird. Demzufolge läge in diesem Fall der niedrigst mögliche Druck für einen reibungslosen Desorptionsprozess knapp über dem angegebenen Wert. Eine weitere Druckreduktion unter Inkaufnahme eines Siedens ist hierbei sehr unerwünscht und soll vermieden werden, da durch den Siedeprozess der gesamte Desorptionsprozess gestört werden kann. Dies ist vor allem bei einer später beschriebenen kontinuierlichen Fahrweise in Desorptionskolonnen der Fall, da hier das Getränk auf jedem Boden zu sieden beginnen und die fraktionierte Behandlung drastisch verschlechtern kann. Wird die Temperatur des Wassers jedoch auf 10°C reduziert, so beträgt der Sättigungsdampfdruck nur noch ca. 12 mbar, wodurch auch der Umgebungsdruck bei der Desorption auf knapp über diesen Wert verringert werden kann, ohne ein Sieden zu erzeugen. Somit kann hier der Umgebungsdruck weiter verringert und somit die Gleichgewichtskonzentration im Gas erhöht werden, ohne hierbei die Nachteile eines Siedens in Kauf nehmen zu müssen.
Die eben beschriebenen Zusammenhänge bei Wasser gelten auch bei der Entalkoholisierung eines Getränkes durch Desorption, wobei hier der Sättigungsdampfdruck der Mischung (Getränk) beachtet werden muss. So kann durch das erfindungsgemäße Verfahren erstmals eine Desorption bei deutlich niedrigeren Temperaturen als 30°C, insbesondere bei Temperaturen zwischen 5 und 20°C, effektiv durchgeführt werden, wodurch sich die beschriebenen Vorteile ergeben. Somit kann eine Beeinflussung des Geschmackes durch höhere Temperaturen vollkommen vermieden werden. Die Entfernung des Alkohols kann durch das neue Verfahren vor allem auch aufgrund seiner Effizienzsteigerung bei normalen Gär-(< 20°C) oder Lagertemperaturen (< 5°C) von Getränken erfolgen.
Durch die Kenntnis der Henrykonstante des Ethanols und derjenigen erwünschter Aromastoffe können – wie beschrieben – der Druck und die Temperatur bei der Desorption optimiert werden. Zur Vermeidung der erwähnten unerwünschten Reaktionen wird demzufolge in einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung die Temperatur auf einen Wert unterhalb von 30°C so eingestellt, dass sich eine optimale relative Flüchtigkeit zwischen Ethanol und den erwünschten Aromastoffen ergibt. Der Systemdruck wird dann vorteilhafterweise knapp über den Dampfdruck des Getränkes bei der gewählten Temperatur gesetzt. Da sich alkoholische Getränke in ihrer Zusammensetzung „links des” azeotropen Punktes eines Ethanol-Wasser-Gemisches befinden und dies die beiden Hauptbestandteile alkoholischer Getränke sind, wird der Dampfdruck des Getränkes bei gegebener Temperatur mit zunehmender Dealkoholisierung sinken. Deshalb wird der Druck bei der Desorption vorteilhafterweise mit fortlaufendem Dealkoholisierungsgrad weiter abgesenkt.
Darüber hinaus ist es auch möglich gezielt auf die Henrykonstanten durch eine Änderung der Temperatur Einfluss zu nehmen. So kann die Temperatur des Getränkes beispielsweise während der Desorption so verändert werden, dass sich eine optimale Dealkoholisierung und gleichzeitig ein maximal möglicher Verbleib erwünschter Aromastoffe im Getränk ergibt. Hierzu wird das Getränk durch geeignete Apparaturen während der Niederdruckdesorption gekühlt oder erhitzt. Bei kontinuierlicher Fahrweise in einer Kolonne ist es insbesondere auch möglich, dass das Getränk auf den einzelnen Böden oder innerhalb der Packung auf verschiedenen Höhen unterschiedliche Temperaturen aufweist. Der bei Batchverfahrensweise benötigte zeitliche Temperaturunterschied ist bei kontinuierlicher Fahrweise ein örtlicher, weswegen beispielsweise die Böden in der Kolonne beheiz- oder kühlbar sind. Aufgrund der starken Temperaturabhängigkeit der Henrykonstanten können sich hierdurch vollkommen neue Möglichkeiten in der Erhaltung des ursprünglichen Geschmackes ergeben.
Für die Durchführung der Dealkoholisierung ist der Einsatz verschiedener Gase vorstellbar und aufgrund der gesteigerten Effizienz im Gegensatz zu den bekannten Desorptionsverfahren auch möglich bzw. wirtschaftlich. Im Folgenden wird kurz auf die wichtigsten Gase und deren jeweilige Vorteile eingegangen. Prinzipiell ist jedoch die Verwendung eines jeden Gases denkbar, also auch die von Luft – gegebenenfalls unter Zugabe weiterer Stoffe. Zur Vermeidung von chemischen Reaktionen im Getränk und somit zur Vermeidung der Notwendigkeit des Zusatzes geschmacksverbessernder Stoffe, wird das Verfahren aber vorteilhafterweise mit einem Gas durchgeführt, welches sich inert verhält. Aufgrund der Effizienzsteigerung ist dies im Gegensatz zu den bekannten Desorptionsverfahren nun auch problemlos möglich.
In einer vorteilhaften Ausführung wird das Getränk durch den Einsatz von Stickstoff dealkoholisiert. Oxidationsvorgänge können dadurch vermieden werden. Darüber hinaus kann Stickstoff von hoher Reinheit sehr einfach aus Luft erzeugt werden. Hierzu können sogenannte Stickstofferzeuger eingesetzt werden, welche den Stickstoffgehalt der Luft – je nach Ausführung – auf über 99,9% erhöhen können. Somit kann eine sichere und kostengünstige Stickstoffquelle gewährleistet werden. Darüber hinaus ist Stickstoff kein Treibhausgas, so dass das Verfahren auch umweltfreundlich betrieben werden kann.
Eine weitere, besonders vorteilhafte Ausführung der Erfindung liegt in der Verwendung von Gärungskohlendioxid (CO₂). Bei der alkoholischen Gärung wird immer auch CO₂ gebildet. Insofern ist dieses Gas auch bei der Herstellung alkoholischer Getränke vorhanden und kann somit als kostengünstige Gasquelle genutzt werden. In der Regel muss das Gas jedoch vor der Verwendung aufbereitet bzw. gereinigt werden, da es auch Alkohol enthält. Die Reinheit des Gases, welches zur Dealkoholisierung benötigt wird, muss jedoch nicht so hoch sein wie bei der Wiederverwendung in anderen Bereichen. Grund hierfür ist, dass vor allem Ethanol entfernt werden muss, um einen signifikanten Unterschied in dessen Fugazität (der Unterschied der Fugazität einer Komponente in der Dampf- bzw. Gasphase zur flüssigen Phase kann als treibendes Konzentrationsgefälle für die Einstellung eines Gleichgewichtes angesehen werden) zu erzielen und somit eine De- oder Entalkoholisierung durch Desorption zu ermöglichen. Hierzu reicht es in der Regel aus, das Gärungsgas durch Wasser zu leiten, um den Alkohol weitgehend zu entfernen, bevor es dem Getränk zugeführt wird.
Der entscheidende Vorteil der Verwendung von Gärungskohlendioxid liegt jedoch darin, dass eine geschmackliche Veränderung des zu dealkoholisierenden Getränkes weitestgehend vermieden werden kann. Der Grund hierfür liegt wieder in der Fugaziät der einzelnen Komponenten. Das bei der Gärung entweichende CO₂ ist weitestgehend mit den Aromastoffen, die bei der Gärung entstehen oder bereits im Getränk vorliegen, gesättigt. Bei einer Reinigung des Gases gehen zwar auch besagte Aromastoffe teilweise verloren, allerdings entsprechend ihres Phasengleichgewichtes. Dies führt dazu, dass die Fugazität der Aromastoffe in dem Gas, welches zu dem Getränk geleitet wird, signifikant erhöht ist und sich folglich weniger erwünschte Aromastoffe, bei gleichbleibender Dealkoholisierung, aus dem Getränk abreichern. Versuche haben gezeigt, dass der positive Einfluss auf den Geschmack des Getränkes enorm ist.
Vorteilhafterweise wird Gärungskohlendioxid zur Entalkoholisierung verwendet, welches der Angärphase eines gleichen Getränkes entnommen wird. Der Vorteil liegt darin, dass der Alkoholgehalt des Gases in der Angärphase noch gering ist. Der Gehalt an Aromastoffen ist jedoch bereits in der Angärphase sehr hoch, so dass sich deutliche geschmackliche Vorteile des resultierenden Getränkes ergeben. Für eine geschmackliche Optimierung muss genau das Gärungsgas verwendet werden, durch welches sich ein möglichst positives Verhältnis aus einer hohen Aromastoffkonzentration zu einer niedrigen Ethanolkonzentration ergibt.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann aber auch erstmals auf eine Reinigung des Gärungskohlendioxides von Alkohol vollkommen verzichtet werden, was die Verwertung dieses bei der Herstellung alkoholischer Getränke vorhandenen Gases deutlich wirtschaftlicher und weniger aufwendig macht. Der Grund hierfür ist wieder aus Gleichung (2) ersichtlich. Das Gärungskohlendioxid wird nämlich bei atmosphärischen oder höheren Drücken gewonnen. Hierdurch ist die geringe Gleichgewichtskonzentration des Ethanols im Gas vorgegeben. Wird dieses Gärungsgas nun auch ohne einen Reinigungsprozess für die Niederdruckdesorption verwendet, kann es bei den deutlich verringerten Drücken, die bei der Desorption herrschen, auch signifikant mehr Ethanol aufnehmen. Hierdurch kommt es bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erstmalig auch bei Verwendung von ungereinigtem Gärungskohlendioxid zu einer Desorption des Ethanols aus einem Getränk. Die sich hieraus ergebenden Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens sind naturgemäß enorm.
Da viele Brauereien ohnehin eine CO₂-Rückgewinnung betreiben oder große Mengen an Kohlendioxid gelagert haben, kann auch reines Kohlendioxid anstelle von Gärungskohlendioxid verwendet werden.
Darüber hinaus kann auch – sofern vorhanden – das in einem Getränk vorhandene Gas, hier vor allem Kohlendioxid, selbst zumindest für eine teilweise Dealkoholisierung verwendet werden. Dies ist möglich, da bei niedrigen Drücken weniger Gas im Getränk gelöst werden kann. Hierzu kann dem Getränk auch vorher extra Gas bei höheren Drücken zugesetzt werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsvariante wird das verwendete Gas vorher durch Wasser geführt, bevor es in oder über das zu de- oder entalkoholisierende Getränk geleitet wird. Hierdurch wird erreicht, dass das Gas sich mit Wasser sättigen kann. Da somit die Fugazität des Wassers im Gas, welches zu dem Getränk geleitet wird, gleich der Fugazität des Wassers in dem Getränk ist, wird im Idealfall erreicht, dass sich der Alkohol aus der Flüssigkeit abreichert, das Wasser jedoch nicht. Dadurch können Mengenverluste des Ausgangsgetränkes bis auf ein für die Dealkoholisierung notwendiges Minimum reduziert werden. Da auch die Gleichgewichtskonzentration des Wassers im Gas mit niedrigen Drücken ansteigt, wird das verwendete Gas vorteilhafterweise bei niedrigen, hier insbesondere bei mit der anschließenden Desorption identischen, Drücken durch das Wasser geleitet.
Darüber hinaus ist es möglich, das Wasser, durch welches das Gas zuerst geleitet wird, mit Aromastoffen anzureichern. Hierdurch wird auch deren Anteil im Gas erhöht, wodurch erreicht wird, dass sich weniger erwünschte Aromastoffe aus dem zu delkoholisierenden Getränk abreichern. Auch hier sollte der Druck, wie beschrieben, möglichst niedrig sein.
Bei der Verwendung von Gasen kommt es mit Ausnahme von CO₂ auch zu einer Entfernung des Kohlensäure bzw. des Kohlendioxides aus CO₂-haltigen Getränken. Aus diesem Grund muss einem Getränk, bei welchem CO₂ erwünscht ist, im Anschluss an die Dealkoholisierung wieder CO₂ zugesetzt werden, um ihm seine ursprünglichen Eigenschaften wieder zuzuführen.
Darüber hinaus kommt es beim Desorptionsprozess, außer bei der Verwendung von mit Wasser gesättigtem Gas oder Dampf, zu einer signifikanten Abreicherung des Wassergehaltes des dealkoholisierten Getränkes. Des Weiteren ergibt sich durch die Dealkoholisierung zwangsläufig eine Mengenreduktion. Aus diesem Grund wird dem Getränk in einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung nach der Dealkoholisierung wieder Wasser zugegeben. Die zugegebene Menge richtet sich nach den Eigenschaften des Getränkes und kann insbesondere unter der Menge liegen, die dem Getränk an Flüssigkeit entzogen wurde. Bei der Ermittlung des resultierenden Ethanolgehaltes des Getränkes bzw. bei Einstellung der Parameter der Niederdruckdesorption muss hierbei immer auch die Reduzierung der Alkoholkonzentration durch die nachträgliche Zugabe von Wasser berücksichtigt werden. Um eine gute Qualität des resultierenden Getränkes zu erreichen, und um Oxidationen zu vermeiden, wird hier vorzugsweise sauerstofffreies, entgastes Wasser verwendet.
Des Weiteren kann es auch vorteilhaft sein, einen geringen Anteil eines identischen, un- oder teildealkoholisierten Getränkes wieder beizumischen.
Um die für die Desorption notwendige Energie in ausreichendem Maße zur Verfügung zu stellen, wird das verwendete Gas in einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung auf höhere Temperaturen, als die des Getränkes, hier insbesondere auf 120 bis 180°C erhöht. Dies kann beispielsweise leicht durch Heizspiralen oder dergleichen erfolgen. Aufgrund der für die Verdampfung notwendigen Enthalpie bedingen höhere Temperaturen des Gases keine negativen geschmacklichen Veränderungen des Getränkes, da sich dieses nur wenig erwärmt. Somit können hohe Temperaturen des Gases insbesondere auch bei niedrigen Getränke- bzw. Desorptionstemperaturen eingesetzt werden.
Wie beschrieben, kann eine Rückgewinnung des Ethanols, aber auch wertgebender Aromastoffe, aus dem Gasstrom nach der Desorption durch eine Absorption der Stoffe aus dem Gas, insbesondere bei atmosphärischen oder höheren Drücken erfolgen. Insbesondere kann hier bei einer Aromastoffrückgewinnung auch die Temperatur bei der Absorption so eingestellt werden, dass sich ein optimales Verhältnis aus absorbierten Aromastoffen zu absorbiertem Ethanol ergibt. Diese Temperatur kann bei Kenntnis der Temperaturabhängigkeiten der Henrykonstanten berechnet werden. Durch bekannte Prozesse, wie der Rektifikation, kann die gewonnene Fraktion weiter aufbereitet werden, wodurch Ethanol mit höherer Reinheit, aber auch Aromastoffe wiedergewonnen werden können. Letztere können dem dealkoholisierten Getränk zur Geschmacksoptimierung wieder zugegeben werden.
Darüber hinaus ist es aber auch möglich anstelle einer Absorption eine Adsorption an festen Stoffen zur Rückgewinnung durchzuführen. Da sich Adsorptionsgleichgewichte je nach Adsorptionsmittel anders verhalten können, können hierdurch Vorteile, vor allem in der Selektivität zwischen Ethanol und Aromastoffen, erzielt werden. Als Adsorptionsmittel können unlösliche Stoffe, wie beispielsweise Kieselgur zum Einsatz kommen. Die Adsorption erfolgt hier vorteilhafterweise wieder bei höheren Drücken und zur Selektivitätserhöhung insbesondere bei geeigneten Temperaturen. Ein mit Aromastoffen beladenes Adsorptionsmittel kann dann dem dealkoholisierten Getränk wieder zugegeben werden, sodass die Aromastoffe wieder in Lösung gehen können. Aufgrund seiner Unlöslichkeit, kann das entladene Adsorptionsmittel beispielsweise durch Filtrationsprozesse leicht wieder entfernt werden. Da die meisten Getränke ohnehin längere Zeit lagern, ist eine intensive Lösung im Getränk in der Regel sichergestellt.
Das Verfahren kann sowohl kontinuierlich wie auch in einer Batch-Verfahrensweise, d. h. chargenweise, durchgeführt werden. Darüber hinaus ist es möglich, die Desorption sowohl fraktioniert wie auch einfach durchzuführen. Hierbei wird eine fraktionierte Desorption vor allem bei einer kontinuierlichen Durchführung des Verfahrens eingesetzt, um somit die Effizienz zu steigern. Unter kontinuierlich wird hierbei verstanden, dass jedes Flüssigkeitselement nur einmal durch eine Vorrichtung geführt wird, wobei die Verweilzeit im Behälter durch den vorgegebenen Volumenstrom und das Volumen des Behälters bestimmt wird. Batch-Verfahrensweise hingegen meint, dass jeweils ein Behälter in einzelnen Chargen befüllt wird, in welchem das zu dealkoholisierende Getränk über einen definierten Zeitraum behandelt wird, bevor der Behälter am Ende des Prozesses wieder entleert wird.
In einer besonders vorteilhaften Ausführung eines Batchverfahrens wird das zu dealkoholisierende Getränk in einem Tank gelagert, wobei während der Lagerung Gas durch bzw. über das Getränk geführt wird. Da viele Getränke ohnehin eine gewisse Lager- bzw. Reifezeit benötigen, ist diese langsame Form der Dealkoholisierung nicht nachteilig. Je nach Volumenstrom des zugeführten Gases, kann die zur Dealkoholisierung benötigte Zeit hierbei variieren.
Bei einer Batch-Verfahrensweise wird die Höhe der Flüssigkeitsschicht zur Vermeidung einer eventuellen Schaumbildung vorteilhafterweise möglichst gering gehalten. Darüber hinaus kann das zur dealkoholisierende Getränk im Kreislauf aus der Vorrichtung abgezogen und auf den Schaum gepumpt werden, um diesen zu zerschlagen. Eine Schaumbildung wird somit weitestgehend vermieden. In der Regel ist eine Schaumbildung jedoch zu vernachlässigen. Dies gilt vor allem bei geringem Volumenstrom des zugeführten Gases. Darüber hinaus können auch andere Verfahren der Schaumzerstörung, wie beispielsweise mechanische Schaumzerschlager oder dergleichen, verwendet werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführung wird das zu de- oder entalkoholisierende Getränk kontinuierlich und insbesondere im Gegenstrom mit Gas geführt. Dies geschieht vorzugsweise am Ende der Lagerung bzw. Gärung. Um eine ausreichende Abreicherung des Ethanols aus dem Getränk zu erreichen, sollte die Niederdruckdesorption in diesem Falle fraktioniert erfolgen. Hierzu wird das Getränk in eine Kolonne geleitet, welche eine oder mehrere Einbauten zur Ermöglichung eines intensiven Stoffaustausches (Trennstufen) besitzt. Hierbei kann die Kolonne als Packungs- oder Bodenkolonne ausgeführt sein. Prinzipiell ist jede Bauform denkbar. Gerade bei einer Dealkoholisierung von Getränken, die zum Schäumen neigen, ist es aufgrund ihrer Eigenschaften aber vorteilhaft, Kolonnen mit einer geordneten Packung zu verwenden.
Durch die in der Abtriebskolonne erzielbare stärkere Abreicherung des Ethanols, kann der Einsatz des benötigten Gases noch weiter drastisch reduziert werden als es durch das angegebene Verfahren ohnehin schon möglich ist. Darüber hinaus kann bei Durchführung der erfindungsgemäßen Niederdruckdesorption – im Vergleich zu bekannten Dealkoholisierungsverfahren durch Desorption – aufgrund der erzielten Effizienzsteigerung die Anzahl der benötigten Trennstufen in der Kolonne bei gleichen Gasmengen deutlich reduziert werden. Hierdurch kann die Anlage deutlich kleiner aufgebaut sein, wodurch sich weitere Vorteile ergeben.
Um die benötigte Höhe der Kolonne bei einer hohen Trennstufenzahl – und somit einer weiteren Verringerung der benötigten Gasmenge – gering zu halten, kann das Getränk auch hintereinander durch mehrere Kolonnen geführt werden, in welche jeweils frisches Gas zugeführt wird. Die Kolonnen sind hier vorteilhafterweise nebeneinander angeordnet.
Neben der reinen kontinuierlichen und der reinen diskontinuierlichen (Batch) Fahrweise ist auch eine Kombination beider Fahrweisen möglich. Hierbei muss das Getränk während der Dealkoholisierung im Kreislauf durch eine Kolonne geführt und mit Gas in Kontakt gebracht werden. Hierzu kann das Getränk in einem Tank gelagert werden, aus welchem ein Teilstrom kontinuierlich abgezogen und einer Kolonne zugeleitet wird, bevor es wieder in den Tank zurückgeleitet wird. Insofern entspricht auch dieses Verfahren im Ganzen betrachtet einem Batch-Prozess. Der Aufbau der Kolonne kann dabei, wie oben beschrieben variieren. Für die Führung des Getränkes durch die Kolonne können geeignete Pumpen verwendet werden. Selbstverständlich kann das Getränk bei dieser Variante auch zwischen zwei oder mehreren Behältern hin- und hergepumpt werden, wodurch die Fugazität zwischen dem Ethanolgehalt im Kolonneneinlauf zum Kolonnenauslauf vergrößert werden kann. Insbesondere kann hier der Druck in der Kolonne auch geringer sein als im angeschlossenen Behälter, wodurch die zur Erzeugung des Unterdrucks benötigte Energie verringert werden kann. Ein Überführen in die Kolonne kann dann ohne eine Pumpe erfolgen.
In einer möglichen Verfahrensweise wird das Gas durch die Flüssigkeit geleitet. Hierdurch kann erreicht werden, dass die Verdampfungsprozesse mittels Desorption unabhängig von kinetischen Trennfaktoren werden und allein durch das herrschende Phasengleichgewicht bestimmt werden.
In einer alternativen Verfahrensweise, wird das Gas über die Flüssigkeit oder nur teilweise durch die Flüssigkeit geleitet. Hierdurch können auch die kinetischen Trennfaktoren, die sowohl den Massentransport in der flüssigen und als auch in der gasseitigen Phase ausdrücken, gezielt beeinflusst und minimiert werden. Somit lässt sich bei geeigneter Führung das Verhältnis aus desorbiertem Ethanol zu desorbierten Aromastoffen über das durch die relative Flüchtigkeit vorgegebene Verhältnis erhöhen. Zusätzlich kann auch die Variation der Blasengröße einen entsprechenden Effekt ausüben, wodurch sich noch weitere positive Eigenschaften ergeben können.
Eine weitere Möglichkeit, Einfluss durch das Phasengleichgewicht zu nehmen, besteht in einer vorteilhaften Ausführung, bei der das Gas in die Flüssigkeit geleitet und in einer bestimmten Flüssigkeitshöhe dieser durch eine geeignete Apparatur wieder entnommen wird. Die Variation der Durchflusshöhe erlaubt es, sowohl durch den herrschenden Druckunterschied das Phasengleichgewicht zu beeinflussen als auch die Verweilzeit des Gases und somit auch kinetische Trennfaktoren zu verändern und zu optimieren. Des Weiteren kann hierdurch auch gezielt auf ein Überschäumen Einfluss genommen werden.
Darüber hinaus kann eine zumindest teilweise Dealkoholisierung gerade bei Getränken, die bereits Gase enthalten, auch durch ein Versprühen in einen Behälter, welcher im Inneren einen geringen Druck aufweist, erzeugt werden. Bei Getränken, welche kein Gas enthalten oder zur Effizienzsteigerung, wird dem Getränk hierbei vorher Gas zugesetzt.
In einer vorteilhaften Ausführung wird das Verfahren im Anschluss an den eigentlichen Gärprozess durchgeführt. Der apparative und steuerungstechnische Aufwand kann hierdurch minimiert werden. Darüber hinaus ist hier der Alkoholgehalt bereits erhöht, wodurch sich bei gleicher prozentualer Abreicherung eine höhere absolute ergibt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführung wird das entstehende Ethanol bereits während der Gärung entfernt. Hierzu wird im Idealfall die Ausdampfrate während der Gärung soweit erhöht, dass sie der Bildungsrate des Ethanols entspricht. Insofern kommt es zu keinem Konzentrationsanstieg des Ethanols während der Gärung und das entstehende Getränk bleibt alkoholfrei. Darüber hinaus kann die Ausdampfrate durch gezielte und gesteuerte Zuführung des Gases auch derart gesteuert werden, dass jeder mögliche Alkoholgehalt des Getränkes zeitlich beliebig gesteuert werden kann. Durch das gezielte Entfernen des entstehenden Alkohols bereits während der Gärung können sich gerade durch die reduzierten Drücke bei der Gärung weitere positive geschmackliche Veränderungen des resultierenden Getränkes ergeben. Insbesondere kann hierdurch die Menge des im Gärungsgas enthaltenen Ethanols bereits während des Gärprozesses deutlich gesteigert werden, so dass kein oder kaum Gas zugeführt werden muss, um den entstehenden Alkohol aus dem Getränk abzureichern.
Mit dem Verfahren und der dazugehörigen Vorrichtung können prinzipiell alle alkoholhaltigen Getränke oder Flüssigkeiten ganz oder teilweise entalkoholisiert werden. Insbesondere kann es sich bei dem Getränk um Bier, Wein, Schaumwein in regional unterschiedlichen Bezeichnungen, Apfelwein, Beerenwein oder Honigwein handeln. Getränke, welche CO₂ enthalten, werden hierbei vorteilhafterweise vor der Entalkoholisierung entgast.
Insbesondere kann dieses Verfahren auch für die Herstellung von Getränken mit nur teilweise reduziertem Alkoholgehalt, wie beispielsweise Leichtbieren, verwendet werden, da sich auch hier positive geschmackliche Veränderungen, im Vergleich zu anderen Verfahren, ergeben.
Die auf eine Vorrichtung gerichtete Aufgabe wird erfindungsgemäß für eine Vorrichtung zur Dealkoholisierung eines Getränkes dadurch gelöst, dass sie eine Einrichtung zur Aufbewahrung/Leitung eines Getränkes, eine daran angeschlossene Zuführleitung zur Zuleitung eines Gases in und/oder über das Getränk sowie eine Einrichtung zur Druckreduktion im Inneren der Vorrichtung aufweist. Letztere ist beispielsweise eine Pumpe, ein Seitenkanalverdichter oder ein Ventilator.
Die für das Verfahren zur Dealkoholisierung von Getränken genannten Vorteile können hierbei sinngemäß auf die Vorrichtung übertragen werden. Weitere vorteilhafte Ausführungen der Vorrichtung können den hierzu formulierten Unteransprüchen entnommen werden.
Für eine gleichmäßigere Verteilung des Gases in der Flüssigkeit ist die Zuführleitung in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung mit einer Apparatur verbunden, welche der homogenen Zuführung dient. Diese kann beispielsweise durch Siebplatten oder mehrere Zuführungsstellen erfolgen. Die Anordnung der Zuführung kann je nach gewünschtem Verfahren variieren. Vorzugsweise erfolgt die Zuführung von unten oder oberhalb des Flüssigkeitsspiegels. Auch eine Zuleitung im mittleren Bereich der Vorrichtung ist denkbar. Bei einer Zuleitung oberhalb des Flüssigkeitsspiegels wird das Gas über und nicht durch die Flüssigkeit geführt.
Zur Abführung des Gases ist die Vorrichtung mit einer Ablassleitung verbunden. Diese kann auch in eine Vorrichtung zur Ab- oder Adsorption bzw. zur Reinigung des Gases münden. Die Ablassleitung ist hierzu vorteilhafterweise mit der Apparatur zu Erzeugung des Unterdruckes verbunden. Dies ist vor allem dann von Vorteil, wenn das Gas danach eine weitere Verwendung findet.
Wird das Gas bereits in der Flüssigkeit wieder dem Getränk entzogen, ist die Ablassleitung mit einer nicht näher dargestellten Auffangvorrichtung verbunden, welche die Abführung des Gases unterhalb des Flüssigkeitsspiegels ermöglicht. Denkbar ist hier unter anderem der Einsatz von Membranen.
Eine zur Durchführung des kontinuierlichen Verfahrens benötigte Vorrichtung besteht vorzugsweise aus einer Kolonne, in welcher durch eine geeignete Apparatur der Druck im Inneren reduziert werden und die herabfließende Flüssigkeit im Gegenstrom mit dem Gas geführt werden kann. Zur Steigerung der Effizienz ist die Kolonne zumindest teilweise mit Einbauten versehen, durch welche der Gas-Flüssigkeits-Kontakt vergrößert werden kann. Diese Einbauten sind beispielsweise Böden in ihren unterschiedlichsten Ausführungen. Darüber hinaus kann die Kolonne auch als sogenannte Packungskolonnen, hier vor allem mit einer geordneten Packung, aufgebaut sein.
Gerade bei der Verwendung von verunreinigten Gasen muss das Gas vor der Desorption gesäubert werden. Hierzu wird es vorher durch einen Behälter mit einer Flüssigkeit, vorzugsweise Wasser, geführt, wodurch sich vor allem der Alkohol abreichert. Dies geschieht durch Absorption. Um hierbei die Effizienz zu steigern und somit möglichst wenig Wasser zu verbrauchen, empfiehlt es sich speziell bei einer kontinuierlichen oder Kreislauffahrweise, das Gas zur Absorption ebenfalls durch eine Kolonne im Gegenstrom mit einem Fluid, vorzugsweise Wasser, zu leiten. Der Aufbau dieser Absorptionskolonne kann dem der beschriebenen Desorptionskolonne gleichen.
Darüber hinaus kann bei Verwendung von Gärungskohlendioxid als Prozessgas diese vorher in einer herkömmlichen CO₂-Aufbereitungsanlage auf höhere Reinheiten aufbereitet werden. Hierbei ist die Vorrichtung mit einer hierfür geeigneten Apparatur verbunden.
Bei der Verwendung von Stickstoff als Prozessgas ist die Vorrichtung in einer vorteilhaften Ausführung mit einem Stickstofferzeuger verbunden. Hierdurch kann Stickstoff mit einer ausreichenden Reinheit direkt vor Ort aus der Umgebungsluft erzeugt werden. Die bei der Verwendung von Gasflaschen notwendige Arbeit und der finanzielle Aufwand können somit vermieden werden.
Prinzipiell kann die Vorrichtung aber auch durch das Verwenden von genormten Gasflaschen oder Vorratsbehältern betrieben werden. Hierzu ist die Vorrichtung durch geeignete Leitungen mit den Gasflaschen oder Behältern verbunden.
Eine zur Durchführung einer Kreislauffahrweise benötigte Vorrichtung ist in einer vorteilhaften Ausführung derart gestaltet, dass eine oder mehrere Kolonnen mit einem Gär- oder Lagertank über unterschiedliche Leitungen mit dazugehörigen Pumpen verbunden sind. Hierdurch kann das zu de- oder entalkoholisierende Getränk während der Gärung oder Lagerung im Kreislauf durch die Kolonne(n) geführt werden, wodurch sich vor allem zeitliche, aber auch energetische Vorteile ergeben. Der Aufbau der Kolonnen entspricht dem bereits beschriebenen.
Bei der Herstellung oder Aufbereitung des Prozessgases vor Ort ist zur stetigen Gewährleistung einer ausreichenden Gasversorgung die Herstellungs- oder Aufbereitungsapparatur mit einem Behälter verbunden, welcher der Lagerung des Gases dient. Hierbei kann der Druck und die Temperatur des Gases durch geeignete Vorrichtungen eingestellt und gesteuert werden.
Eine Einstellung des Druckes und der Temperatur des Gases kann prinzipiell natürlich auch bei einer Erzeugung bzw. Bereitstellung des Prozessgases ohne Lagervorrichtung durch geeignete Apparaturen erfolgen. Hierbei sind die Apparaturen vorteilhafter Weise mit der Leitung verbunden oder in ihr integriert.
Darüber hinaus sind in einer vorteilhaften Ausführung auch der Behälter oder die Kolonnen mit Apparaturen versehen, welche die Temperatur und/oder den Druck im Inneren regeln und einstellen können.
Bei der Verwendung von Gärungskohlendioxid ist die Vorrichtung in einer vorteilhaften Ausführung über geeignete Leitungen mit den Gärvorrichtungen verbunden. In den Leitungen befinden sich Apparaturen, durch welche Gas gezielt einzelnen Tanks entnommen werden kann. Dies geschieht vorzugsweise durch Ventile. Hierdurch kann in Kombination mit einer Steuereinheit gezielt Gas aus unterschiedlichen Gär- oder Angärphasen entnommen werden. Die Steuerung kann auch über Sensoren erfolgen, welche den Alkoholgehalt des aus den unterschiedlichen Gärtanks entweichenden Kohlendioxides messen. So kann gewährleistet werden, dass immer Gas mit einem niedrigen Alkoholgehalt dem zu de- oder entalkoholisierenden Getränk zugeführt wird. Natürlich kann auch in diesem Fall das Gas einem vorgeschalteten Behälter zur Lagerung zugeführt werden.
Um eine Homogenisierung des Getränkes während der Dealkoholisierung zu gewährleisten, ist der Lagerbehälter bei einer Batch- oder kombinierten Fahrweise mit Apparaturen ausgestattet, welche den Inhalt umwälzen können. Hier kommen vor allem Rührer oder Pumpen zum Einsatz. Solche Apparaturen kommen vorzugsweise bei einem Führen des Gases über die Flüssigkeit zum Einsatz, da hierdurch die Reynoldszahl der Flüssigkeit gezielt verändert und somit die flüssigseitige Diffusion gesteuert werden kann.
Darüber hinaus können solche Umpumpvorrichtungen auch zum Vermeiden oder zur Zerschlagung von Schäumen herangezogen werden. Hierzu sind die Leitungen der Umpumpvorrichtung so mit dem Behälter verbunden, dass die Flüssigkeit oberhalb des Flüssigkeitsspiegels wieder zurückgeführt wird, um entstehenden Schaum zerschlagen zu können. Als Alternative oder zusätzlich können hier auch Schaumzerstörer zum Einsatz kommen, welche in die Vorrichtung zur Dealkoholisierung integriert sind.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
1 Ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Dealkoholisierung
In 1 ist schematisch eine Vorrichtung 1 zur Dealkoholisierung von Getränken dargestellt, welche beim Hersteller der Getränke verwendet wird. Dabei umfasst die Vorrichtung 1 einen Lagerbehälter 4, in welchem das alkoholische Getränk aufbewahrt werden kann. An den Lagerbehälter 4 ist eine Leitung 9 angeschlossen, über welche das Getränk mittels einer Pumpe 21 in den Desorptionsbehälter 2 gepumpt werden kann. Um den Lagerbehälter 4 gezielt öffnen zu können, ist zwischen der Leitung 9 und dem Lagerbehälter 4 ein Ventil 17 angebracht. Der Desorptionsbehälter 2 ist als eine Kolonne aufgebaut, in welcher das Getränk zur Desorption im Gegenstrom mit Gas geführt werden kann. Die Kolonne ist als Kolonne mit geordneter Packung ausgeführt. Als Gas kommt Stickstoff zum Einsatz, welcher durch einen Stickstofferzeuger 24 aus Luft hergestellt wird. Hierzu ist der Stickstofferzeuger 24 an eine Druckluftleitung 15 angeschlossen, welche über ein Ventil 20 geschlossen werden kann. Der Stickstofferzeuger 24 ist über Leitung 11 mit einem Vorratsbehälter 26 verbunden, in welchem der Stickstoff gelagert werden kann. Der Vorratsbehälter 26 ist über Leitung 11 weiter mit dem Desorptionsbehälter 2 verbunden. Im Inneren des Desorptionsbehälters 2 ist am Ende von Leitung 11 eine Verteilvorrichtung 14 angebracht, durch welche das Gas fein verteilt und in kleinen Blasen in das Getränk geleitet werden kann. Um das Gas temperieren zu können, ist in Leitung 11 darüber hinaus noch eine Heizapparatur 27 eingebaut, welche in diesem Fall als Heizspirale aufgebaut ist. Über das Ventil 19 kann die Leitung 11 abgesperrt werden. Zur Erzeugung eines Unterdruckes ist der Desorptionsbehälter 2 über eine Leitung 12 mit einer Unterdruckpumpe 29 verbunden, welche auch das beladene Gas abtransportiert. Hierzu ist die Unterdruckpumpe 29 mit Leitung 13 verbunden. Des Weiteren umfasst die Vorrichtung 1 einen Lagerbehälter 6, in welchen das dealkoholisierte Getränk mittels Pumpe 22 gepumpt und dort gelagert werden kann. Hierzu ist der Lagerbehälter 6 über Leitung 10 mit dem Sumpf des Desorptionsbehälters 2 verbunden. Über Ventil 18 kann der Lagerbehälter 6 geschlossen werden. Zur Messung des Druckes, der Reinheit des Gases sowie der Temperatur im Desorptionsbehälter 2 und im Vorratsbehälter 26 sind die Sensoren 34 und 35 angebracht. Zur Messung der Temperatur und des Durchflusses des Getränkes und somit seines Massenstromes sind darüber hinaus in Leitung 9 und 10 die Sensoren 36 und 37 angebracht. Die Sensoren sind mit einer Steuer- und Regeleinheit 31 verbunden, über welche auch die Unterdruckpumpe 29, der Stickstofferzeuger 24, die Heizapparatur 27, die Pumpe 21, die Pumpe 22 sowie die Ventile 17, 18, 19 und 20 gesteuert und geregelt werden können.
Zur Dealkoholisierung eines Getränkes wird es im Lagerbehälter 4 mit einer Temperatur von 10°C vorgelegt. Im Anschluss daran wird mittels Steuereinheit 31 das Ventil 17 geöffnet. Gleichzeitig wird im Desorptionsbehälter 2 ein gewünschter Unterdruck, hier von 100 mbar, eingestellt. Der Stickstofferzeuger 24 wird angeschaltet, wodurch Stickstoff mit einer Reinheit von 99,9% aus aus der Druckluftleitung 15 zur verfügunggestellter Luft erzeugt wird, welcher den Vorratsbehälter 26 füllt. Gleichzeitig wird die Heizspirale 27 gestartet, wodurch der Stickstoff in der Leitung 11, durch die er fließt, auf eine Temperatur von 150°C erwärmt wird. Hierauf werden die Ventile 18 und 19 geöffnet sowie die Pumpe 21 angeschaltet. Das Getränk wird über Leitung 9 aus dem Lagerbehälter 4 in den Kopf des Desorptionsbehälters 2 gepumpt, worauf es sich über und in der geordneten Packung fein verteilt und herunter fließt. Die Kolonne weist hier 6 theoretische Trennstufen auf. Im Gegenstrom zum herabfließenden Getränk strömt der Stickstoff, welcher durch die Verteilvorrichtung 14 fein und gleichmäßig verteilt wurde. Aufgrund der durch den Unterdruck erzeugten Effizienzsteigerung beträgt das Verhältnis der Molmengenströme des Gases zum Getränk lediglich 30%. Es wird durch die Steuereinheit 31 geregelt. Sobald das Getränk im Sumpf der Kolonne ankommt, schaltet sich Pumpe 22 ein. Hierdurch wird das dealkoholisierte Getränk über Leitung 10 in den Lagerbehälter 6 gepumpt. Das entweichende Gas wird über die Leitung 13 abgeführt. Die Steuereinheit 31 misst und regelt während des gesamten Vorganges. Ist die gesamte Getränkemenge dealkoholisiert, werden zuerst Pumpe 21, wenn die Kolonne leergelaufen ist auch Pumpe 22 sowie der Stickstofferzeuger 24 und die Heizspirale 27 ausgeschaltet. Darüber hinaus werden die Ventile 18, 19 und 20 geschlossen. Handelt es sich bei dem dealkoholisierten Getränk um ein CO₂-haltiges, kann es im Anschluss an die Dealkoholisierung im Lagerbehälter 6 durch eine nicht näher dargestellte Apparatur wieder auf einen gewünschten Wert aufkarbonisiert werden. Darüber hinaus kann der Wassergehalt des Getränkes im Lagerbehälter 6 wieder auf einen gewünschten Wert erhöht werden, wozu der Lagerbehälter 6 mit einer nicht näher dargestellten wasserführenden Leitung verbunden ist. Der Lagerbehälter 4 sowie die Kolonne und die dazugehörigen Leitungen werden im Anschluss an die Dealkoholisierung mittels einer CIP (Cleaning in Place) Anlage gereinigt. Das fertige dealkoholisierte Getränk kann dem Lagerbehälter 6 entnommen und einem weiteren Behälter zugeführt oder abgefüllt werden.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung
2: Desorptionsbehälter
4: Lagerbehälter
6: Lagerbehälter
9: Leitung
10: Leitung
11: Leitung
12: Leitung
13: Leitung
14: Verteilvorrichtung
15: Druckluftleitung
17: Ventil
18: Ventil
19: Ventil
20: Ventil
21: Pumpe
22: Pumpe
24: Stickstofferzeuger
26: Vorratsbehälter
27: Heizapparatur
29: Unterdruckpumpe
31: Steuer- und Regeleinheit
34: Sensor
35: Sensor
36: Sensor
37: Sensor

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

GB 19101195 A [0007]
DE 3616093 C2 [0007, 0007]
EP 87106893 [0007, 0007, 0007]
DE 4244597 C1 [0007]
DE 3616093 [0007]

Claims

Verfahren zur Dealkoholisierung eines Getränks, wobei ein Gas, insbesondere ein Inertgas wie Stickstoff oder Kohlendioxid, dem Getränk durch- und/oder übergeleitet wird und hierbei Alkohol aus dem Getränk in das Gas desorbiert, dadurch gekennzeichnet, dass der das Getränk während der Dealkoholisierung umgebende Druck zur Erhöhung der Konzentration des Alkohols im Gas und somit zur Effizienzsteigerung gesteuert auf einen Wert unterhalb des örtlichen Luftdruckes, jedoch oberhalb des Sattdampfdruckes des zu dealkoholisierenden Getränkes bei der Temperatur der Dealkoholisierung, reduziert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der das Getränk umgebende Druck unterhalb 700 mbar, insbesondere auf einen Bereich zwischen 50 und 100 mbar, absolut reduziert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Getränk chargenweise mit dem Gas behandelt wird.
Verfahren nach nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Behandlung des Getränks mit dem Gas in einem kontinuierlichen Prozess stattfindet.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Getränk in einem Umlauf kontinuierlich geführt wird, während das Gas dem Getränk fraktioniert durch- oder übergeleitet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Getränk in Gegenstromrichtung mit dem Gas durch eine Kolonne geführt und dabei von dem Gas durchsetzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass die Temperatur des Getränkes während der Desorption verändert wird.
Vorrichtung (1) zur Dealkoholisierung eines Getränks, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1–7, mit einer Einrichtung zur Aufbewahrung/Leitung des Getränks, mit einem Desorptionsbehälter (2) und mit einer daran angeschlossenen Zuführeinrichtung zur Zuleitung eines Gases in und/oder über das Getränk, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Einrichtung zur gesteuerten Druckreduzierung (29) im Desorptionsbehälter (2) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Desorptionsbehälter (2) eine Kolonne umfasst, die kopfseitig mit der Einrichtung zur Aufbewahrung/Leitung des Getränks verbunden ist, so dass das Getränk in Gegenstrom mit dem Gas durch die Kolonne führbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass sie mit einem Stickstofferzeuger (24) verbunden ist.