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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Zugabe von Feststoffe aufweisenden Aromaträgern, insbesondere aus Hopfenprodukten wie zum Beispiel Hopfenpellets, in eine Brauflüssigkeit, insbesondere Würze, Bier oder Jungbier, nach dem Oberbegriff des Patentanspruch 1. Sie betrifft weiterhin ein Verfahren zur Zugabe von Feststoffe aufweisenden Aromaträgern, insbesondere aus Hopfenprodukten wie zum Beispiel Hopfenpellets, in eine Brauflüssigkeit, insbesondere Würze, Bier oder Jungbier.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die Zugabe von Aromastoffen zu Brauflüssigkeiten. Aromastoffe wie zum Beispiel Hopfen und/oder Hopfenprodukte (beispielsweise Hopfenpellets) erfolgt beim so genannten Dry Hopping in das kalte Bier, üblicherweise nach der Hauptgärung, im Wege der so genannten Kalthopfung oder auch Hopfenstopfen genannt.
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Üblicherweise werden der Hopfen und/oder die Hopfenprodukte der Würze in der Sudpfanne (so genannte Würzepfanne) zugegeben und gekocht. Bedingt durch das Kochen werden die flüchtigen Aromastoffe des Hopfens ausgetrieben und gehen verloren. Bei dem Verfahren der Kalthopfung werden die individuellen Aromastoffe des Hopfens und/oder der Hopfenprodukte beibehalten und verschaffen so dem Bier individuelle Geschmacksrichtungen.
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STAND DER TECHNIK
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Es sind verschiedene Methoden der Kalthopfung bekannt. So kann der Hopfen, zum Beispiel in seiner ursprünglichen natürlichen Doldenform mit Netzen, in Form von Pellets oder sonstigen Hopfenprodukten direkt in den Lagertank des Biers eingebracht werden. Dabei verbleiben einerseits unlösbare Hopfenbestandteile im Bier, das von diesen Rückständen aufwendig gereinigt werden muss. Zudem ist die Verteilung der Aromastoffe des Hopfens nicht immer gleichbleibend, da deren Extraktion nicht immer gleich verläuft und somit geschmackliche Unterschiede entstehen.
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Eine weitere bekannte Methode verwendet einen externen Behälter zur Beigabe des Hopfens und/oder der Hopfenprodukte. Dabei wird die Brauflüssigkeit aus einem Lagertank in den externen Behälter gepumpt und mit dem Hopfen und/oder den Hopfenprodukten zur Abgabe der Aromastoffe vermischt und anschließend gefiltert. Zwischen dem Auflösen der festen Hopfenbestandteile im externen Behälter und dem Abscheiden der Feststoffe sind aufwändige Reinigungsvorgänge erforderlich. Für die Entfernung der in die Flüssigkeit eingebrachten Feststoffe ist wenigstens ein weiterer Arbeitsschritt mit einer anderen oder veränderten Apparatur notwendig.
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DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Extraktion von Aromastoffen in Brauflüssigkeiten bereitzustellen, die es ermöglichen, die Extraktion in einem quasi-kontinuierlichen Prozess ohne Unterbrechung durch Austausch eines Prozessbauteils durchzuführen und die eine effektive Feststoffentfernung und Flüssigkeitsrückgewinnung gewährleisten.
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Der auf die Vorrichtung gerichtete Teil der Aufgabe wird gelöst durch die Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Zugabe von Feststoffe aufweisenden Aromaträgern, insbesondere aus Hopfenprodukten wie zum Beispiel Hopfenpellets, in eine Brauflüssigkeit, insbesondere Würze, Bier oder Jungbier, ist versehen mit einem Vorratsbehälter und einem die Aromaträger und die Brauflüssigkeit aufnehmenden Reaktionsbehälter. Eine erste Fluidleitung ist vorgesehen, die einen Auslass des Vorratsbehälters mit einem ersten Einlass des Reaktionsbehälters verbindet, wobei der erste Einlass tangential oder mit einer tangentialen Richtungskomponente in den Reaktionsbehälter mündet. Eine zweite Fluidleitung ist vorgesehen, die einen ersten Auslass des Reaktionsbehälters mit einem Einlass des Vorratsbehälters verbindet und Pumpmittel sind vorgesehen, die eine Umwälzung der Brauflüssigkeit zwischen dem Vorratsbehälter und dem Reaktionsbehälter durch die erste Fluidleitung und die zweite Fluidleitung bewirken. Erfindungsgemäß ist weiterhin vorgesehen, dass der Reaktionsbehälter zumindest einen weiteren Einlass für die Brauflüssigkeit aufweist, der zentral oder in der Nähe des radialen Zentrums im unteren Bereich des Reaktionsbehälters in diesen mündet und der über eine dritte Fluidleitung mit dem Vorratsbehälter oder mit der ersten Fluidleitung verbindbar oder verbunden ist.
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VORTEILE
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Durch das Vorsehen des zumindest einen weiteren Einlasses für die Brauflüssigkeit, der zentral oder in der Nähe des radialen Zentrums im unteren Bereich des Reaktionsbehälters in diesen mündet, kann die Bildung eines Substratkegels im Zentrum des Flüssigkeitsvorrats im Reaktionsbehälter unterbunden werden. In einem solchen Substratkegel sammeln sich die Aromaträger-Feststoffe aufgrund der im Reaktionsbehälter rotierenden Strömung der Suspension aus Brauflüssigkeit und Aromaträgern. Die Störung dieser Substratkegelbildung verbessert deutlich die Durchmischung und damit die Überführung der Aromastoffe in die Brauflüssigkeit.
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Weitere bevorzugte und vorteilhafte Ausgestaltungsmerkmale der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind Gegenstand der Unteransprüche 2 bis 8.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn der zumindest eine weitere Einlass eine bezüglich des Reaktionsbehälters axiale Richtungskomponente aufweist. Dadurch werden die sich am Boden des Reaktionsbehälters absetzenden Aromaträger-Feststoffe wieder aufgewirbelt.
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Auch vorteilhaft ist es, wenn der zumindest eine weitere Einlass eine bezüglich des Reaktionsbehälters tangentiale Richtungskomponente aufweist, die der tangentialen Richtungskomponente des ersten Einlasses entgegengesetzt gerichtet ist. Hierdurch wird im Zentrum des Reaktionsbehälters eine gegenläufige Fluidrotation erzeugt, die einen sich bildenden Substratkegel wieder auflöst.
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Vorzugsweise sind in der ersten Fluidleitung und/oder in der dritten Fluidleitung Absperreinrichtungen vorgesehen sind, die derart steuerbar sind, dass die Zufuhr von Brauflüssigkeit zum Reaktionsbehälter alternativ oder kumulativ durch den ersten Einlass beziehungsweise den zumindest einen weiteren Einlass erfolgt. Dies erleichtert die Dosierung und Steuerung des Stromes der durch den zumindest einen weiteren Einlass eingeleiteten Brauflüssigkeit.
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Weist der Reaktionsbehälter einen Entleerungsauslass auf, der zentral oder in der Nähe des radialen Zentrums in der unteren Bodenwand des Reaktionsbehälters vorgesehen ist, so wird eine wirksame Abführung der Feststoffsuspension aus dem Reaktionsbehälter ermöglicht.
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Vorteilhaft ist es auch, wenn der Entleerungsauslass über eine Entleerungsleitung mit einer Fest-Flüssig-Trenneinrichtung in Fluidverbindung steht. Dadurch kann in der abgeführten Feststoffsuspension noch enthaltene Brauflüssigkeit zurückgewonnen werden.
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Vorzugsweise weist dazu die Fest-Flüssig-Trenneinrichtung einen Flüssigkeitsauslass und einen Feststoffauslass auf und der Flüssigkeitsauslass ist über eine Rücklaufleitung mit einem Rücklaufeinlass des Reaktionsbehälters oder mit der zum Vorratsbehälter führenden zweiten Fluidleitung verbunden.
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Bevorzugterweise ist eine Nachdosiereinrichtung für Aromaträger vorgesehen, die über eine Nachdosierleitung mit der ersten Fluidleitung verbunden oder verbindbar ist. Dadurch kann die Intensität der in die Brauflüssigkeit übergegangenen Aromastoffe erhöht werden.
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Der auf das Verfahren gerichtete Teil der Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Zugabe von Feststoffen aufweisenden Aromaträgern, insbesondere aus Hopfenprodukten wie zum Beispiel Hopfenpellets, in eine Brauflüssigkeit, insbesondere Würze, Bier oder Jungbier, insbesondere mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, umfasst die Schritte:
- a) Vorlegen der auszulaugenden oder zu lösenden Aromaträger in einem Reaktionsbehälter;
- b) Einleiten von Brauflüssigkeit in den Reaktionsbehälter durch zumindest einen ersten Einlass und Erzeugen einer rotierenden Strömung im Reaktionsbehälter, um die Aromaträger mit der Brauflüssigkeit zur Bildung einer Suspension zu vermischen und auszulaugen und/oder aufzulösen;
- c) Einleiten von Brauflüssigkeit in den Reaktionsbehälter durch zumindest einen zentral oder in der Nähe des radialen Zentrums im unteren Bereich des Reaktionsbehälters vorgesehenen weiteren Einlass während des Vermischens im Schritt b);
- d) Beenden des Einleitens der Brauflüssigkeit gemäß Schritt c) unter Fortführen des Einleitens der Brauflüssigkeit gemäß Schritt b) und Abführen der Suspension aus dem sich im Kern des Flüssigkeitsbestands im Reaktionsbehälter ausbildenden Suspensionskegel durch einen Entleerungsauslass, der zentral oder in der Nähe des radialen Zentrums in der unteren Bodenwand des Reaktionsbehälters vorgesehen ist, zu einer Fest-Flüssig-Trenneinrichtung;
- e) Abscheiden von Feststoffen aus der Suspension in der Trenneinrichtung.
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Dieses Verfahren ermöglicht es, durch "Hinzuschalten" und "Abschalten" des Schrittes c) zwischen einem Durchmischungsbetrieb und einem Abscheidebetrieb umzuschalten, ohne dass irgendeine Umrüstung der Vorrichtung erfolgen muss. Die durch die rotierende Strömung der Suspension aus Brauflüssigkeit und Aromaträgern oder Aromaträger-Feststoffen hervorgerufene Ausbildung eines zentralen Suspensionskegels, der aufgrund einer erhöhten Konzentration von Aromaträgern beziehungsweise Aromaträger-Feststoffen auch als "Substratkegel" bezeichnet wird, ermöglicht ein effizientes Abführen von Aromaträgern und Aromaträger-Feststoffen aus dem Reaktionsbehälter in die Fest-Flüssig-Abscheidevorrichtung.
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Vorteilhaft ist dabei, wenn die in den Reaktionsbehälter eingeleitete Brauflüssigkeit aus einem Vorratsbehälter zugeführt wird und wenn Brauflüssigkeit aus dem Reaktionsbehälter in den Vorratsbehälter zurückgeführt wird, so dass die Brauflüssigkeit in den Schritten b) und c) umgewälzt wird. Ein solcher Umwälzbetrieb verbessert den Wirkungsgrad des Übergangs der Aromastoffe aus den Aromaträgern in die Brauflüssigkeit.
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Vorzugsweise werden während der gemeinsamen Durchführung der Schritte b) und c) zusätzliche Aromaträger in die umgewälzte Brauflüssigkeit und mit ihr in den Reaktionsbehälter eingeleitet. Dies ermöglicht auf besonders wirksame Weise die Erhöhung der Aromakonzentration in der Brauflüssigkeit.
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Von Vorteil ist es außerdem, wenn in der Trenneinrichtung abgeschiedene Brauflüssigkeit in den Reaktionsbehälter zurückgeführt wird. Diese Rückgewinnung senkt den Verlust an Brauflüssigkeit.
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Am Ende eines Batches, also wenn eine Charge Hopfenprodukte und Brauflüssigkeit bearbeitet worden ist, werden der Reaktionsbehälter 2 und die Fluidleitungen 12, 13, 14, 27 und 34 sowie die Fest-Flüssig-Trenneinrichtung 3 durch Einleiten unter Überdruck stehenden Inertgases in den Reaktionsbehälter 2 vollständig entleert, wobei noch vorhandene Brauflüssigkeit aus dem Leitungssystem heraus und für die Weiterverarbeitung gewonnen wird. Hierdurch werden die Brauflüssigkeitsverluste zusätzlich reduziert.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung mit zusätzlichen Ausgestaltungsdetails und weiteren Vorteilen sind nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben und erläutert.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Es zeigt:
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1 ein schematisches Schaubild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung am Beispiel einer Prozessanlage für die Bierherstellung und
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2 eine schematische Querschnittsdarstellung eines Reaktionsbehälters mit einem sich darin ausbildenden Suspensionskegel.
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DARSTELLUNG VON BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
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1 zeigt ein schematisches Schaubild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung am Beispiel einer Prozessanlage für die Bierherstellung, bei der gelagertes Bier unter Beigabe von Aromaträgern, wie zum Beispiel von Hopfen und/oder von Hopfenprodukten, beispielsweise Hopfenpellets, der Kalthopfung ("Dry Hopping") unterzogen wird.
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Die Brauflüssigkeit, also im gezeigten Beispiel das Bier, wird aus einem Vorratsbehälter 1 durch eine an einem Auslass 10 des Vorratsbehälters 1 angeschlossene erste Fluidleitung 12 mittels einer Pumpe 11 zu einem ersten Einlass 20 eines zylindrischen Reaktionsbehälters 2 gefördert und in den Reaktionsbehälter 2 gepumpt, in dem sich die Aromaträger befinden. Dabei ist der, vorzugsweise im unteren Teil des Reaktionsbehälters 2 gelegene, erste Einlass 20 des Reaktionsbehälters 2 so ausgebildet, dass er tangential oder mit einer tangentialen Richtungskomponente in den Reaktionsbehälter 2 mündet. Auf diese Weise wird im Reaktionsbehälter 2 eine in einem ersten Drehsinn um eine Fluid-Rotationsachse A', die im Wesentlichen der Achse A des Reaktionsbehälters 2 entspricht, rotierende Strömung erzeugt.
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Der Reaktionsbehälter 2 ist, vorzugsweise in seinem mittleren oder oberen Bereich, mit einem ersten Auslass 22 versehen, an den eine zweite Fluidleitung 13 angeschlossen ist, die zu einem Einlass 16 des Vorratsbehälters 1 führt. Auf diese Weise ist ein geschlossener Fluidkreislauf gebildet, in dem die Brauflüssigkeit von der Pumpe 11 umgewälzt wird.
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Der Reaktionsbehälter 2 ist in seinem unteren Bodenbereich mit einem Entleerungsauslass 26 ausgerüstet, der zentral oder in der Nähe des radialen Zentrums in der unteren Bodenwand 21 des Reaktionsbehälters 2 vorgesehen ist. Eine Entleerungsleitung 27 ist mit dem Entleerungsauslass 26 verbunden und führt zu einer nachgeschalteten Fest-Flüssig-Trenneinrichtung 3, in der Feststoffe aus der mit den Aromaträgern vermischten Brauflüssigkeit abgeschieden und ausgetragen werden. Die dabei rückgewonnene Brauflüssigkeit wird aus einem Flüssigkeitsauslass 30 der Fest-Flüssig-Trenneinrichtung 3 durch eine mit diesem und einem Rücklaufeinlass 28 des Reaktionsbehälters 2 und/oder der zweiten Fluidleitung 13 verbundene Rücklaufleitung 34 in den Reaktionsbehälter 2 und/oder in den Vorratsbehälter 1 zurückgeführt.
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Von der ersten Fluidleitung 12 zweigt eine dritte Fluidleitung 14 ab, die zu zumindest einem weiteren Einlass 24 des Reaktionsbehälters 2 führt, der zentral oder in der Nähe des radialen Zentrums im unteren Bereich des Reaktionsbehälters 2 vorgesehen ist. Statt eines einzigen weiteren Einlasses 24 können auch mehrere um die Achse A herum angeordnete weitere Einlässe vorgesehen sein. Der zumindest eine weitere Einlass 24 mündet in Axialrichtung oder mit einer axialen Strömungskomponente in den Reaktionsbehälter 2. Alternativ kann der zumindest eine weitere Einlass 24 auch eine bezüglich des Reaktionsbehälters 2 tangentiale Richtungskomponente aufweisen, die der tangentialen Richtungskomponente des ersten Einlasses 20 entgegengesetzt gerichtet ist und damit entgegen dem ersten Drehsinn rotiert.
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Ein erstes Absperr- und Dosierventil 12' ist in der ersten Fluidleitung 12 zwischen der Abzweigung der dritten Fluidleitung 14 und dem ersten Einlass 20 des Reaktionsbehälters 2 vorgesehen. Ein zweites Absperr- und Dosierventil 14' ist in der dritten Fluidleitung 14 vorgesehen. Die Absperr- und Dosierventile 12', 14' sind derart steuerbar, dass die Zufuhr von Brauflüssigkeit zum Reaktionsbehälter 2 alternativ oder kumulativ durch den ersten Einlass 20 beziehungsweise den zumindest einen weiteren Einlass 24 erfolgt.
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Weiterhin ist eine Nachdosiereinrichtung 4 für Aromaträger vorgesehen, die über eine Nachdosierleitung 40 mit der ersten Fluidleitung 12 verbunden oder verbindbar ist. Auch die Nachdosierleitung 40 ist mit einem Absperr- und Dosierventil 40' ausgestattet.
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Im Vorratsbehälter 1 ist die Brauflüssigkeit, wie zum Beispiel Bier, gelagert. Im Reaktionsbehälter 2, auch „Hop Pool“-Behälter genannt, findet das Lösen und Abscheiden von Substraten, wie zum Beispiel Hopfen und/oder Hopfenprodukten oder anderen Aromaträgern, im Kaltbereich statt.
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Zunächst werden die Aromaträger (Substrat) in der Brauflüssigkeit aufgelöst (sogenannte Auflösephase). Hierzu werden die auszulaugenden oder zu lösenden Aromaträger im Reaktionsbehälter 2 bereitgestellt. Über die Pumpe 11 wird die Brauflüssigkeit über in den Reaktionsbehälter 2 eingepumpt, wobei überschüssige Brauflüssigkeit aus dem Reaktionsbehälter 2 in den Vorratsbehälter 1 zurückgeführt wird. Brauflüssigkeit und Aromaträger werden durch Auflösung der Aromaträger vermischt und der Kreislauf wird so lange gefahren bis sich die Aromaträger gelöst haben.
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Infolge der durch die tangential eingepumpte Brauflüssigkeit hervorgerufenen Rotationsbewegung besteht die Tendenz, dass sich entlang der Rotationsachse der Flüssigkeit mit zunehmender Zeit ein Kegel 5 mit nicht gelösten Feststoffen der Aromaträger bildet, wie in 2 gezeigt ist. Um der Bildung eines solchen "Substratkegels" 5 in dieser Phase entgegenzuwirken, wird ein Teil der aus dem Vorratsbehälter 1 abgezogenen Brauflüssigkeit direkt über den zumindest einen weiteren Einlass 24 in den unteren Bereich des Reaktionsbehälters 2 im Wesentlichen mittig eingebracht. Dadurch wird der sich in der um die Achse der im Reaktionsbehälter 2 rotierenden Brauflüssigkeit bildende Substratkegel 5 zerstört und eine im Wesentlichen gleichmäßige Durchmischung der Brauflüssigkeit und der Aromaträger gewährleistet. Wie in 2 zu erkennen ist, ist der weitere Einlass 24 in dieser Ausführungsform mit dem Entleerungsauslass 26 identisch und der dort angeschlossene obere Teil 27' der Entleerungsleitung 27 kann mittels eines Ventils 27" zwischen einer Fluidverbindung mit der dritten Fluidleitung 14 und dem unteren Teil 27''' der Entleerungsleitung 27 umgeschaltet werden.
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Im Anschluss an die Auflösephase wird die Abscheidungsphase gestartet. In dieser Abscheidungsphase ist eine Abscheidung der Feststoffe, beispielsweise durch die genannte Substratkegelbildung, erwünscht. Daher wird der Zufluss von Flüssigkeit über den zumindest einen weiteren Einlass 24 in dieser Phase durch Schließen des zweiten Absperr- und Dosierventil 14' unterbunden, sodass sich die Feststoffe im Substratkegel 5 aufkonzentrieren. Es bildet sich also in der Folge im Reaktionsbehälter 2 ein Feststoffe enthaltender Substratkegel 5 aus, aus dem sich die Feststoffe durch Sedimentation am Boden absetzen. Aus diesem Substratkegel 5 und dem sich absetzenden Sediment wird die mit den Feststoffen beladene Brauflüssigkeit durch den zentralen, mittigen Entleerungsauslass 26 nach unten abgeführt und zur Fest-Flüssig-Trenneinrichtung 3 geleitet. Die Feststoffe werden in der Fest-Flüssig-Trenneinrichtung 3 abgeschieden und ausgetragen. Die flüssige Phase wird von der Trenneinrichtung 3 in die Rücklaufleitung 34 eingespeist und in den Reaktionsbehälter 2 oder in den Vorratsbehälter 1 zurückgeführt. Die feste Phase wird über einen Feststoffauslass 32 aus der Fest-Flüssig-Trenneinrichtung 3 abgeführt.
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Über die Nachdosiereinrichtung 4 können jederzeit weitere Aromaträger in den Kreislauf dosiert werden. Die Nachdosiereinrichtung 4 kann beheizbar sein.
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Durch die Anlage kann der Prozess des Auflösens und Abscheidens quasi-kontinuierlich und ununterbrochen durchgeführt werden. Dadurch wird vermieden, dass die Anlage zwischen den Prozessphasen heruntergefahren und gegebenenfalls gereinigt werden muss.
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Bezugszeichen in den Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen dienen lediglich dem besseren Verständnis der Erfindung und sollen den Schutzumfang nicht einschränken.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vorratsbehälter
- 2
- Reaktionsbehälter
- 3
- Fest-Flüssig-Trenneinrichtung
- 4
- Nachdosiereinrichtung
- 5
- Substratkegel
- 10
- Auslass aus Vorratsbehälters
- 11
- Pumpe
- 12
- erste Fluidleitung
- 12'
- erstes Absperr- und Dosierventil
- 13
- zweite Fluidleitung
- 14
- dritte Fluidleitung
- 14'
- zweites Absperr- und Dosierventil
- 16
- Einlass des Vorratsbehälters
- 20
- erster Einlass
- 21
- Bodenwand
- 22
- erster Auslass
- 24
- weiterer Einlass
- 26
- Entleerungsauslass
- 27
- Entleerungsleitung
- 27'
- oberer Teil von 27
- 27"
- Ventil
- 27'''
- unterer Teil von 27
- 28
- Rücklaufeinlass
- 30
- Flüssigkeitsauslass
- 32
- Feststoffauslass
- 34
- Rücklaufleitung
- 40
- Nachdosierleitung
- 40'
- Absperr- und Dosierventil
