DE102015221491A1

DE102015221491A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Überwachen eines Fermentationsprozesses

Info

Publication number: DE102015221491A1
Application number: DE102015221491.5A
Authority: DE
Inventors: Konrad Müller-Auffermann
Original assignee: Krones AG; Technische Universitaet Muenchen
Current assignee: Krones AG; Technische Universitaet Muenchen
Priority date: 2015-11-03
Filing date: 2015-11-03
Publication date: 2017-05-04
Also published as: WO2017076651A1

Abstract

Verfahren und Vorrichtung zum Überwachen eines Fermentationsprozesses bei der Bierherstellung, wobei der Druck in einen Gärtank über einen ersten Druckmesser (4) gemessen wird, ein Solldruck in dem Gärtank in Abhängigkeit des gemessenen Drucks über ein Regelventil (5), über das Gas aus dem Gärtank (2) entweicht, eingestellt wird, wobei die in einem Zeitintervall ∆t entwichene Gasmenge über die Anzahl der Ventilöffnungen und/oder der Ventilöffnungsdauer und/oder dem Ventilöffnungsgrad bestimmt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Überwachen eines Fermentationsprozesses.
Fermentationen, insbesondere bei der Bierherstellung, spielen bei der Lebensmittelherstellung eine signifikante Rolle. Daher ist es extrem wichtig, die biologischen Prozesse präzise und regelmäßig zu überwachen, um bei Bedarf schnellstmöglich Maßnahmen in Bezug auf die Prozessteuerung zu ergreifen und eine adäquate Rückverfolgbarkeit zu gewährleisten.
Um eine Kontrolle in Echtzeit zu ermöglichen, können nach dem Stand der Technik derzeit beispielsweise Inline-Messgeräte (z.B. Dichtemessungen, optische Messungen in der Flüssigkeit etc.) in die Tanks integriert werden. Weil diese allerdings kosten- und wartungsaufwändig sind, sich schwer reinigen lassen und nur eine punktuelle Situationserfassung ermöglichen, wird in der Praxis meist auf deren Implementierung verzichtet.
Derzeit erfolgt bei der Biergärung daher (üblicherweise einmal täglich) eine Probenentnahme aus den Fermentationstanks während der Hauptgärphase. Die Proben werden in der Regel subsequent in den betriebseigenen Laboren analysiert und der Extrakt bzw. der Zuckergehalt und pH-Wert sowie oftmals der Alkoholgehalt und der Diacetylgehalt bestimmt.
Anschließend erfolgt eine manuelle Datenübertragung, so dass der Prozess, meist erst Stunden später beurteilt und bei Bedarf eingegriffen werden kann.
Diese Verzögerungen und Ungenauigkeiten, die durch die Probenentnahme, die Probenaufbereitung und die Analyse resultieren, führen dazu, dass die Prozesse derzeit nicht maximal effizient überwacht und gesteuert werden können.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt daher darin, ein einfaches Verfahren und eine einfache Vorrichtung zum Überwachen eines Fermentationsprozesses bereitzustellen, mit denen sich der Fermentationsverlauf individuell und in Echtzeit auf kostengünstige Art und Weise, hygienegerecht ermitteln lässt.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 8 gelöst.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Überwachen eines Fermentationsprozesses bei der Bierherstellung wird der Druck in einem Gärtank über einen ersten Druckmesser gemessen.
Ein vorab eingestellter Solldruck wird in Abhängigkeit des gemessenen Drucks p_Mess über ein Regelventil, über das Gas aus dem Gärtank entweicht, eingestellt. Es wird die Gasmenge, die in einem Zeitintervall ∆t entweicht, über – die Anzahl der Ventilöffnungen und/oder – der Ventilöffnungsdauer und/oder – dem Ventilöffnungsgrad (z.B. entsprechend einem Öffnungsquerschnitt des Ventils) bestimmt. Es ergibt sich eine einfache, berührungsfreie (nicht mit dem Fermentationsmedium direkt in Kontakt tretende) Methode, mit der sich der Fermentationsverlauf individuell und in Echtzeit ermitteln lässt.
Bei der Fermentation setzen Mikroorganismen Gase, wie Kohlenstoffdioxid frei, die abgeleitet und wahlweise auch weiter verarbeitet werden können. Das quantitative Erfassen der Gasmenge bzw. des Gasvolumens lässt Rückschlüsse auf die mikrobiellen Umsetzungsraten zu. Bei der alkoholischen Fermentation gilt beispielsweise:

1. Nach Gay-Lussac C₆H₁₂O₆ → 2C₂H₅OH + 2CO₂ + 36 kcal oder in Zahlen 180,1156 g C₆H₁₂O₆ → 92,137 g C₂H₅OH + 88,018 g CO₂
2. bzw. nach Balling 2,0665 g Extrakt → 1 g Alkohol + 0,11 g Hefe + 0,9565 g CO₂.

Die quantitative Erfassung und Auswertung des Fermentationsgases, hier des CO₂ bietet somit eine einfache Möglichkeit, den Prozess zu überwachen und bei Bedarf zu steuern.
Unter Regelventil versteht man hier ein ansteuerbares Ventil, das in Abhängigkeit des gemessenen Drucks zum Einstellen eines Solldrucks angesteuert werden kann.
Dabei kann das Regelventil z.B. derart von einer Steuer/Regeleinrichtung angesteuert werden, dass, wenn der Messdruck p_Mess ≥ p_Soll (oder p_Mess > p_Soll) das Ventil solange geöffnet wird, bis p_Mess < p_Grenz (oder p_Mess < p_Grenz) ist, wobei p_Grenz kleiner oder gleich p_Soll ist.
Der Regelalgorithmus kann jedoch auch derart vorgegeben sein, dass wenn p_Mess ≥ p_Soll (oder p_Mess > p_Soll), das Ventil für eine vorbestimmte Zeitdauer geöffnet wird. Die zuvor beschriebenen Verfahren eignen sich beispielsweise besonders gut für eine Zweipunkt-Regelung. Es ist jedoch auch möglich, das Regelventil über eine Mehrpunkt-Regelung mit unterschiedlichen Ventilöffnungsgraden zu öffnen, derart, dass p_Mess = p_Soll.
Das bedeutet, dass man nun über die Funktion bzw. Betätigung des Regelventils auf einfache Art und Weise ermitteln kann, wie viel Gas in einem Zeitintervall ∆t abgelassen wurde. Die Gasmenge kann entweder auf einfache Art und Weise rechnerisch bestimmt werden oder aber über entsprechende abgespeicherte Werte, die der Anzahl der Ventilöffnungen und/oder Ventilöffnungsdauer und/oder dem Ventilöffnungsgrad zugeordnet werden können und vorab vorzugsweise durch einen Kalibrierprozess bestimmt wurden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann nun die Gasmengenerfassung auf einfache Art und Weise über die Steuerung und/oder Regelung bzw. tatsächliche Betätigung des Regelventils erfolgen, ohne dass die Vorrichtung auf irgendeine Art und Weise umgerüstet werden muss.
Die vorliegende Erfindung kann somit ohne Aufwand in bereits bestehenden Systemen nachgerüstet werden. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann also in Abhängigkeit der ermittelten Gasmenge, die in einem Zeitintervall ∆t entwichen ist, z.B. der Extraktabbaugrad (siehe Formeln Seite 2) bestimmt werden, oder Aussagen über den Prozessverlauf gemacht werden. Die erfasste Gasmenge kann auch Aufschluss über den Zustand der Kulturorganismen geben und/oder dazu genutzt werden, um beispielsweise Kühlprozesse und/oder die Gasrückgewinnung zu effektivieren.
Grundsätzlich sind das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung sowohl für die Gärung als auch für die Lagerung geeignet. Insbesondere soll die erfindungsgemäße Gasmengenerfassung jedoch für die Hauptgärungsphasen eingesetzt werden, in denen ein Großteil des vergärbaren Substratgehaltes verstoffwechselt wird.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das Regelventil z.B. über Steuersignale von einer Steuer/Regeleinrichtung angesteuert, wobei die Steuer/Regeleinrichtung Signale, die den Steuersignalen entsprechen, an eine Berechnungseinrichtung leitet, die auf der Grundlage dieser Signale, die in einem Zeitintervall ∆t entwichene Gasmenge ermittelt. Es ist auch möglich, dass die Anzahl der Ventilöffnungen bzw. die Ventilöffnungsdauer bzw. der Ventilöffnungsgrad verschiedenartig bestimmt werden, z.B. auch indirekt über Druckänderungen im Tank (Abfall von p_Mess auf einen Druck < P_Grenz), d.h. Änderungen des Drucks auf der Hochdruckseite oder aber auch über entsprechende Signale von dem entsprechenden Regelventil.
Somit kann kostengünstig, und zuverlässig die entwichene Gasmenge bestimmt werden, ohne dass komplizierte Spezialkonstruktionen benötigt werden, wobei handelsübliche Komponenten kombiniert werden können, die die erfindungsgemäße Funktionalität ermöglichen.
Zur Bestimmung der Gasmenge sind als Minimalanforderung lediglich eine Druckmessung (p₁) vorzugsweise im Tank sowie ein regelbares Ventil zum Gasablass obligat. Welche weiteren Parameter mit in die Berechnung einbezogen werden, ist individuell unterschiedlich. Zur Bestimmung der Gasmenge kann beispielsweise zusätzlich zumindest einer der folgenden Parameter bestimmt, insbesondere gemessen werden:

– Temperatur T₁ des Gases und/oder der Flüssigkeit in dem Gärtank (über die Temperatur der Flüssigkeit im Tank kann die Gastemperatur bestimmt werden, da die Temperaturen gleich sein sollten),
– (Gas)Temperatur T₂ in einer Ableitung des Gärtanks hinter dem Regelventil,
– der Druck p₂ in der Ableitung hinter dem Regelventil des Gärtanks,
– die Füllhöhe im Tank und/oder das Gasvolumens (Kopfraumvolumens im Tank).

Im einfachsten Fall kann beispielsweise die Gasmenge über die Gleichung p·V = m·R_s·T bestimmt werden, wobei z.B. p = p_Mess im Gärtank, m = Masse des CO₂-Gses, R_s = spezifische Gaskonstante für CO₂, T = T₁ des CO₂-Gases im Gärtank, V = Kopfvolumen im Gärtank. berechnet werden.
Gemäß einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsform wird die Gasmenge über folgende Formeln bestimmt:
Es gibt jedoch diverse Regelungsmöglichkeiten und daraus resultierende Berechnungs- oder Kalibrierverfahren, wie aufgrund der bekannten Funktionen des Regelventils die Gasmenge bestimmt werden kann, so dass die Erfindung nicht auf eine konkrete Berechnung beschränkt werden soll. So kann, beispielsweise durch Ermittlung der Anzahl der Ventilöffnungen bei einer vorab bestimmten und somit bekannten Gasmenge, die pro Ventilöffnung bei einem bestimmten Druck entweicht, die in einem Intervall ∆t entwichene Gasmenge bestimmt werden. Auch über einen bekannten Ventilöffnungsgrad kann z.B. bei bekannten Drücken auf der Nieder- und Hochdruckseite ermittelt werden, wie viel Gas pro Zeit ∆t entweicht.
Zudem kann die entwichene Gasmenge bzw. das abgelassene Gasvolumen bestimmt werden, indem z.B. die Anzahl der Druckabfälle und der Grad des Druckabfalls (∆p z.B. zwischen einem ersten Messwert p_Mess1 und einem darauffolgenden aufgrund einer Ventilöffnung bedingten minimalen Messwert p_Mess2) in einer Rechnung berücksichtigt wird. Ein separates Erfassen der Ventilöffnungen z.B. eine Signalerfassung des Regelventils ist somit nicht zwangsweise obligat.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird in Abhängigkeit der in dem Zeitintervall ∆t entwichenen Gasmenge ein bestimmtes Druckprogramm zum Ansteuern des Regelventils ausgewählt, d.h. ein bestimmtes Druckprofil (Druckverlauf in Abhängigkeit der Zeit) in dem Gärtank über das Regelventil erzeugt. Wenn z.B. ermittelt wird, dass die ermittelte Gasmenge pro ∆t oder ein daraus berechneter Wert unterhalb eines bestimmten Grenzwerts liegt, dann kann daraus gefolgert werden, dass eine Homogenisierung des Behälterinhalts notwendig ist. Es können dann beispielsweise periodisch Druckspitzen erzeugt werden (z.B. auch bei Fermentationsbeginn und/oder nach einer Hochkräusenphase). Entsprechende Druckspitzen können zur gezielten Behälterhomogenisierung in vorteilhafter Art und Weise eingesetzt werden.
Es ist auch möglich, periodisch Druckminima zu erzeugen, wobei der Wert für das Druckminimum in Abhängigkeit der in ∆t entwichenen Gasmenge angepasst wird. Durch die Druckentlastung kann sich das zuvor gebundene Fermentationsgas rasch entbinden. Die dadurch resultierende, aufwärts gerichtete Gasströmung, die je nach Druckprofil auch im unteren Tankbereich resultiert, führt so idealerweise zu einer Behälterhomogenität.
Ein entsprechender periodischer Druckablass kann z.B. dazu genutzt werden, eine Flotation zu erreichen und so die Hefezellzahl bzw. den Partikelgehalt vor der Filtration zu reduzieren (in diesem Fall würde der restliche Tankinhalt, vor allem flotierte Hefe und harz- bzw. hopfenhaltiger Schaum verworfen) bzw. zu homogenisieren.
Auch kann der Solldruck p_Soll variiert werden, so dass der Solldruck nicht konstant ist, sondern beispielsweise variabel über den Gärverlauf angepasst wird. Vorteilhafterweise wird ein treppenförmiges Druckprofil erzeugt, was beispielsweise so erfolgen kann, dass durch die Implementierung eines erhöhten anfänglichen Solldrucks die Bildung von Biomasse beeinflusst wird und eine nachfolgende Druckentlastung z.B. eine Aromastoffbeeinflussung durch Gasauswaschprozesse begünstigt.
Somit kann die Erfassung der bereits gebildeten gesamten Gasmenge bzw. eine in einem Intervall ∆t gebildete Gasmenge oder ein Verlauf (z.B. Steigung) einer Ausgleichsfunktion oder Interpolationsfunktion für die gebildete bzw. entwichene Gasmenge pro Zeit, herangezogen werden, um den Fermentationsprozess zu steuern, insbesondere um ein passendes Druckprofil einzustellen, wobei die Steuer-/Regeleinrichtung dann das Regelventil für eine Zeitdauer entsprechend ansteuert. Es können also mehrere entsprechende Druckprofilprogramme abgespeichert sein, wobei dann ein passendes Programm ausgewählt wird und auch mehrere Programme hintereinander ablaufen in Abhängigkeit der jeweils zu verschiedenen Zeiten erfassten Gasmengen pro Zeit. Das bedeutet, dass über eine bestimmte Logik, beispielsweise mit einer Wenn-Dann-Verknüpfung ein entsprechendes Druckprofil eingestellt werden kann. Wenn beispielsweise bestimmt wird, dass die Gasmenge pro Zeitintervall, beispielsweise pro Stunde, geringer ist oder größer ist als ein bestimmter Grenzwert, dann können die Regel- bzw. Steuerparameter entsprechend angepasst werden.
Es ist auch möglich, dass in Abhängigkeit der im Zeitintervall ∆t entwickelten Gasmenge nicht nur die Regel/Steuerparameter für das Regelventil entsprechend angepasst werden, sondern dass auch der Fermentationsprozess insgesamt entsprechend gesteuert wird, insbesondere Prozessparameter des Fermentationsprozesses angepasst werden. Dabei können beispielsweise Prozessschritte eingeleitet werden, wie das Einleiten von Gas in Tanks zur Homogenisierung und/oder Einleiten einer Tankkühlung und/oder die vollständige oder partielle Temperierung der Tanks und/oder Umrührverfahren und/oder Dosagen jedweder Art und/oder die Entfernung von Stoffen (wie Hopfen, Hopfenprodukte, Stabilisatoren, Sedimente, Roh-, Grund-, Hilfs-, und/oder Bedarfsstoffen etc.). Wird bestimmt, dass ein ausreichender Extraktabbau erfolgt ist, kann z.B. ein vorbestimmter Druck zur Karbonisierung eingestellt werden.
Durch die präzise zeitliche Erfassung der entstehenden Gasmenge bzw. errechneten weiteren Korrelationen können Prozessoptimierungen wie beispielsweise das Einleiten einer CO₂-Rückgewinnung optimiert werden. Dies ermöglicht eine optimierte Prozesssteuerung.
Es ist auch möglich, vor dem eigentlichen Gärprozess eine Kalibrierung durchzuführen, um zu bestimmen, welche Gasmenge pro Öffnung und/oder Ventilöffnungsdauer und/oder Ventilöffnungsgrad (z.B. bei für den entsprechenden Prozess vorbestimmten Drücken p_Soll oder p_Grenz und bei entsprechenden Drücken auf der Niederdruckseite, d.h. hinter dem Regelventil) entweicht. Dabei kann der Füllstand im Tank beachtet werden bzw. ermittelt werden und/oder bekannt sein. Somit können entsprechende vorab (z.B. für bestimmte Drücke und Füllhöhen. Für den Kalibrierungsprozess muss aber der Füllstand nicht zwangsweise bekannt sein und kann auch vernachlässigt werden.) bestimmte und abgespeicherte Gasmengen zugeordnet werden und Rechnungen simplifiziert werden.
Eine Vorrichtung zum Überwachen eines Gärprozesses zur Bierherstellung, insbesondere zum Durchführen eines Verfahrens nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7 umfasst einen Gärtank, einen ersten Druckmesser zum Messen des Drucks im Gärtank und ein Regelventil, über das Gas aus dem Gärtank zum Einstellen eines Solldrucks in Abhängigkeit des gemessenen Drucks abgelassen werden kann. Der Druckmesser ist dazu vorzugsweise auf der Hochdruckseite, also vor dem Regelventil, vorgesehen. Ferner wird eine Berechnungseinrichtung vorgesehen um die aus dem Gärtank in einem Zeitintervall ∆t entwichene Gasmenge, auf der Grundlage der Anzahl der Ventilöffnungen und/oder der Ventilöffnungsdauer und/oder dem Ventilöffnungsgrad zu bestimmen. Somit kann auf einfache Art und Weise die Gasmenge determiniert werden, ohne dass zusätzliche Einbauten notwendig sind.
Die Vorrichtung kann eine Steuer/Regeleinrichtung umfassen, die das Regelventil ansteuert und die Signale bezüglich der Anzahl der Ventilöffnungen und/oder der Ventilöffnungsdauer und/oder den Ventilöffnungsgrad an die Berechnungseinrichtung sendet. Die Berechnungseinrichtung kann auch entsprechende Signale erhalten, die nicht Steuer/Regelsignale für das Regelventil sind, sondern über eine Druckänderung ermittelt wurden, wobei z.B. ein Druckabfall ∆p, eine Ventilöffnung anzeigt. Somit kann ermittelt werden, dass sich das Ventil geöffnet hat und auch wie lange es geöffnet war (Ventil schließt bei Druckminimum). Die Berechnungseinrichtung bestimmt die Gasmenge, die in dem Zeitintervall ∆t entwichen ist und zwar auf der Grundlage entsprechender Signale und der hinterlegten, auf Formeln basierenden Logik. Somit können, wie auch bereits zuvor beschrieben, wirksam die Signale der Steuer-/Regeleinrichtung verwendet werden, um auch die Gasmenge zu bestimmen. Entsprechendes ist äußerst einfach zu bewerkstelligen.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel umfasst die Vorrichtung eine Auswerteeinheit, die die von der Berechnungseinrichtung ermittelte Gasmenge auswertet. Die Auswerteeinheit kann auch in der Berechnungseinrichtung integriert sein bzw. als eine Einheit ausgebildet sein. Dabei kann über die bestimmte Gasmenge beispielsweise der Umsetzungsgrad des Substrats, die Extraktmenge, die gebildete Alkoholmenge, die abgebaute Zuckermenge sowie die Bildung von Organismen und/oder der Verlauf weiterer Gärungsnebenprodukte sowie der Reinheitsgrad bzw. die Zusammensetzung z.B. der Fermentationsgase ermittelt werden. Somit kann direkt beurteilt werden, wie der Fermentationsprozess abläuft und Maßnahmen können präzise ergriffen werden, um beispielsweise den Fermentationsprozess und/oder die Gasrückgewinnung zu korrigieren und/oder zu optimieren. In Abhängigkeit dieser berechneten Größen kann dann beispielsweise auch wie zuvor beschrieben, das Druckprofil angepasst werden, oder es können auch andere Funktionselemente der Vorrichtung angesteuert werden.
So ist vorzugsweise die Auswerteeinheit mit der Steuer/Regeleinrichtung verbunden, wobei in Abhängigkeit der bestimmten Gasmenge, die während dem Zeitintervall ∆t entwichen ist, Signale von der Auswerteeinheit an die Regeleinrichtung geleitet werden, die die Steuer/Regelparameter anpassen.
Somit ist eine ideale Prozessführung möglich.
Es ist auch möglich, dass die Auswerteeinheit mit einer Anzeige verbunden ist, derart, dass die auf der Grundlage der erfassten Gasmengen pro Zeit ermittelte Größen, angezeigt werden und insbesondere Handlungsempfehlungen ermittelt und/oder angezeigt und/oder automatisch ergriffen werden. Dann kann der Bediener entsprechend diesen Handlungsempfehlungen manuell die Regelparameter für das Regelventil ändern und/oder ein entsprechendes Programm auswählen, bzw. bestimmte Prozesse einleiten. Die Auswerteeinheit kann auch Signale erzeugen, die weitere Funktionselemente der Vorrichtung ansteuern, wie insbesondere eine Kühleinrichtung und/oder Einrichtung zum Einlassen von Gas in den Tank und/oder eine Einrichtung für die vollständige oder partielle Temperierung der Tanks und/oder Einrichtung für Umrührverfahren und/oder die Dosage und/oder die Entfernung von Stoffen wie Hopfen, Hopfenprodukten, Stabilisatoren, aromagebende Stoffe, Sedimente sowie beispielsweise weiteren Roh-, Grund-, Hilfs-, und/oder Bedarfsstoffen.
Durch die präzise zeitliche Erfassung der entstehenden Gasmenge und/oder. errechneten weiteren Korrelationen können Prozessoptimierungen wie beispielsweise das Einleiten einer CO₂-Rückgewinnung optimiert werden.
Vorteilhafterweise umfasst die Vorrichtung mindestens eine der folgenden Messeinrichtungen, die mit der Berechnungseinrichtung verbunden sind, und über deren Messwerte die Gasmenge noch genauer bestimmt werden kann: erster Temperaturmesser vor dem Regelventil (Hochdruckseite) zum Bestimmen der Gastemperatur, zweiter Druckmesser nach dem Regelventil (Niederdruckseite), zweiter Temperaturmesser nach dem Regelventil (Niederdruckseite), Einrichtung zur Füllstandsmessung im Tank.
Es ist besonders vorteilhaft, wenn mehrere Gärtanks in Gruppen zusammengefasst sind, derart, dass die einzelnen Abgasleitungen in einer gemeinsamen Abgasleitung zusammengefasst werden, und die abgeführte Gasmenge für mehrere Tanks bestimmt wird, wobei mindestens eine Messeinrichtung in der gemeinsamen Abgasleitung für alle Tanks vorgesehen ist.
Eine entsprechende Gruppierung ist besonders einfach und kostengünstig, da beispielsweise eine Messeinrichtung für mehrere Tanks verwendet werden kann. Es ist auch möglich, dass die jeweiligen Regelventile mehrere Tanks mit einer gemeinsamen Steuer-/Regeleinrichtung verbunden sind, was die Vorrichtung insgesamt vereinfacht.
Auch ermöglicht die erfindungsgemäße Fermentationsüberwachung beispielsweise eine optimierte und energiesparende Prozessführung, indem die gewonnenen Kenntnisse so genutzt werden, dass z.B. Kühlungen z.B. von verschiedenen Tanks nicht zeitgleich vorgenommen werden und/oder vorhergesagt werden können, wodurch Aggregate wie beispielsweise Kälteanlagen und/oder Pumpen Leistungsoptimiert ausgelegt und/oder betrieben werden können.
Gleiches gilt beispielsweise für Gasrückgewinnungsanlagen wie beispielsweise CO₂ Rückgewinnungsanlagen.
Die Auswerteeinheit kann eine Eingabemöglichkeit haben, um Anfangswerte bzw. Initialwerte einzugeben, die bei der Auswertung berücksichtigt werden können. Beispielsweise kann als Ausgangswert der anfängliche Extraktgehalt, die Zellzahl, das Füllvolumen im Gärtank und die Belüftungsrate und/oder andere rezept- oder qualitätsrelevante Parameter eingegeben werden. Außerdem kann das angestrebte Gärungsprofil und/oder weitere technologische Parameter manuell und/oder automatisiert eingegeben und somit z.B. in Berechnungen berücksichtigt werden.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren kann auf der Grundlage der ermittelten Gasmenge, die im Zeitintervall ∆t abgelassen wurde, bestimmt werden, insbesondere durch Vergleich mit vorab eingestellten Vergleichswerten, in welcher Phase sich der Fermentationsprozess gerade befindet, insbesondere, ob er sich in einer Gär-Beginnphase A befindet und/oder in einer gärintensiven Phase B und/oder in einer verlangsamten Gär-Phase C und/oder ob die Fermentation bereits ausreichend stattgefunden hat, dass nur noch ein Zuckergehalt von 1 bis 3 °Plato zur Endvergärung vorhanden ist. Das System kann dann beispielsweise umgehend selbständig eine Tankkühlung einleiten und beispielsweise das Regelventil schließen, so dass eine ausreichende Karbonisierung im Produkt maximaleffizient gewährleistet wird. Dabei wird z.B. die, während des bis zu diesem Zeitpunkt gesamten Fermentationsprozesses ∆t_Gesamt abgelassene Gasmenge betrachtet.
Es ist auch möglich, dass zusätzlich die Kälteleistung pro Zeit (entsprechend der abgeführten Wärmemenge zur Kühlung des Fermentationsprozess) bestimmt wird und/oder ein entsprechend proportionaler Wert und/oder die Gewichtsabnahme pro Zeit. Da bei dem exothermen Fermentationsprozess Energie frei wird und eine Kühlung erfolgen sollte, ist die abgegebene Wärmemenge proportional zum Vergärungsgrad und somit ein Maß für die Phase, in der sich der Fermentationsprozess gerade befindet und kann somit auch Aufschluss geben über den bereits stattgefundenen Extraktabbau. Gegebenenfalls kann vorab eine entsprechende Kalibrierung vorgenommen werden. Aber auch die Gewichtsabnahme über die Zeit, d.h. das Gewicht des Tankinhalts kann bestimmt und in der Auswertung berücksichtigt werden. Bei der Fermentation nimmt das Gewicht des Tankinhalts ab, wobei auch hier die Gewichtsabnahme einem Exraktabbau zugeordnet werden kann. Entsprechendes gilt für die Veränderung des Füllvolumens (der Flüssigkeit).
Diese Maßnahmen und/oder eine Kombination mehrerer Messverfahren kann dazu genutzt werden, die Genauigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens zu erhöhen, wobei einzelne Ergebnisse dann mit der ermittelten Gasmenge korreliert werden sollten.
Zum Ermitteln der oben genannten zusätzlichen Werte sind entsprechende Einrichtungen zum Ermitteln der Kälteleistung pro Zeit und/oder des Gewichts pro Zeit und/oder Füllvolumens pro Zeit vorzusehen.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme folgender Figuren näher erläutert.
1 zeigt grob schematisch ein Blockschaltbild gemäß der vorliegenden Erfindung.
2 zeigt grob schematisch eine Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.
3 zeigt grob schematisch eine Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung mit mehreren Gärtanks.
4 zeigt einen Graphen, der einen berechneten Zuckergehalt, einen berechneten Alkoholgehalt, eine berechnete Gasmenge, einen berechneten Gasdruck sowie einen realen Innendruck im Gärtank in Abhängigkeit der Zeit zeigt.
5 zeigt zwei Anzeigen, die unterschiedliche Regelparameter für das Regelventil anzeigen.
6a zeigt einen Graphen, der die Gasmenge, den Innendruck sowie die Vermehrung der Zellen in Abhängigkeit der Zeit darstellt.
6b zeigt den in 6a gezeigten Graphen mit periodisch erzeugten Druckminima, die tiefer liegen als in 6a.
7 zeigt einen Graphen, der den Druck in Abhängigkeit der Zeit darstellt mit zur Homogenisierung implementierten Druckspitzen.
8 zeigt einen Graphen, der den Druck in Abhängigkeit der Zeit zeigt, mit einem treppenförmigen Druckprofil.
2 zeigt grob schematisch eine Vorrichtung 1 gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung 1 zum Überwachen eines Gärprozesses zur Bierherstellung umfasst vorzugsweise einen Gärtank 2, der auch als Lagertank verwendet werden kann. Der Gärtank 2 umfasst einen Behälter, in dessen Wandung die Abgasleitung 7 mündet, über die bei der Fermentation erzeugtes Gas, insbesondere CO₂ gezielt entweichen kann, derart, dass ein bestimmter Druck p_Soll in dem Gärtank 2 erzeugt bzw. gehalten werden kann. Dazu ist in der Ableitung 7 ein Regelventil 5 eingebaut, das über eine Steuer/Regeleinrichtung 6, die nachfolgend noch im Zusammenhang mit 1 näher erläutert wird, angesteuert wird. Darüber hinaus umfasst die Vorrichtung einen ersten Druckmesser 4 zum Messen eines Drucks p_Mess in dem Gärtank 2, sowie vorzugsweise auch einen Temperatursensor 11, der beispielweise im Tank und/oder vor dem Regelventil 5 auf der Hochdruckseite angeordnet sein kann. Die Vorrichtung kann auch einen weiteren Druckmesser 12 umfassen, der beispielsweise hinter dem Regelventil 5 in der Ableitung 7 angeordnet sein kann. Auch ein zweiter Temperatursensor 13 kann hier nach dem Regelventil 5 auf der Niederdruckseite angeordnet sein. Der Fermentationstank 2 weist hier weiter eine Einrichtung zum Temperieren auf, insbesondere eine Kühleinrichtung 3. Ferner kann die Vorrichtung auch noch eine Einrichtung 14 zum Einleiten von z.B. Gas und/oder Flüssigkeiten und/oder anderen Stoffen und/oder zum Umwälzen und/oder homogenisieren und/oder separieren in den Fermentationstank aufweisen. Am unteren Ende des Gärtanks befindet sich vorzugsweise ein konisch zulaufender Bereich, an dessen unterem Ende 15 ein Aus- bzw. Einlauf angeordnet ist.
1 zeigt grob schematisch ein Blockschaltbild gemäß der vorliegenden Erfindung. Wie 1 zu entnehmen ist, wird das Regelventil 5 von einer Steuer/Regeleinrichtung 6 über entsprechende Ansteuersignale S angesteuert. Vorteilhafterweise wird der Druck in dem Gärtank 2 über Soll-Istwert Vergleich bzw. entsprechende Regelalgorithmen in Abhängigkeit des gemessenen Drucks p_Mess geregelt. Das Stellglied ist das Regelventil.
Die Steuer- und Regeleinrichtung 6 ist mit einer Berechnungseinrichtung 8 verbunden. Die Steuer/Regeleinrichtung 6 sendet Signale an die Berechnungseinrichtung 8, die den Steuersignalen s, die an das Regelventil 5 geschickt wurden entsprechen. Die Berechnungseinrichtung 8 bestimmt die Gasmenge, die während eines Zeitintervalls ∆t über das Regelventil 5 abgelassen wurde auf der Grundlage der entsprechenden Signale, d.h. z.B. der Anzahl der Ventilöffnungen und/oder der Ventilöffnungsdauer und/oder dem Ventilöffnungsgrad und/oder der Anzahl der Druckabfälle/Druckanstiege. Idealerweise sollte die Berechnungseinheit auch die im Fluid z.B. chemisch- und/oder physikalisch- gebundene CO₂ Menge berücksichtigen. Zur Bestimmung der entwichenen Gasmenge im Intervall ∆t muss auf jedem Fall der Druck p_Mess im Gärtank 2, d.h. auf der Hochdruckseite bestimmt werden. Welche weiteren Parameter mit in die Berechnung einbezogen werden, hängt unter anderem von der Art und Weise ab wie das Regelventil 5 angesteuert wird oder von variierenden Umgebungsparametern und/oder von der Genauigkeit die erwartet wird.
So kann es durchaus sinnvoll sein, auch die Gastemperaturen T₁ auf der Hochdruckseite und/oder der Niedrigdruckseite T₂ über die Sensoren 11 und 13 zu erfassen oder gegebenenfalls auch den Druck P₂ hinter dem Regelventil 5 (Niederdruckseite) über den Druckmesser 12 (siehe z.B. 2).
Das Regelventil 4 kann nämlich auf unterschiedliche Art und Weise angesteuert werden. Beispielsweise kann, wenn gemessen wird, dass p_Mess ≥ p_Soll das Regelventil solange geöffnet werden, bis p_Mess < p_Grenz, wobei p_Grenz < p_Soll oder gleich p_Soll ist. Eine entsprechende Regelung ist insbesondere für eine Zweipunkt-Regelung (Ventil auf oder zu) geeignet.
Hier kann beispielsweise vereinfacht auf der Grundlage der Druckdifferenz p_Mess – p_Grenz, d.h. der Druckdifferenz vor und nach dem Schließen des Ventils, das entwichene Volumen berechnet werden, z.B. auf vereinfachte Art und Weise durch die Gasgleichung p·V = m·R_s·T, wobei das Innenvolumen und das Füllstandsvolumen bzw. das Kopfraumvolumen bestimmt werden kann und/oder als bekannt vorausgesetzt wird.
Wenn dann die Anzahl der Öffnungen bekannt ist bzw. bestimmt wird (z.B. über Ventilöffnungen und/oder Anzahl der Druckabfälle/Druckaufbauten), kann die im Zeitintervall ∆t entwichene gesamte Gasmenge berechnet werden. Es ist aber auch möglich, dass in einem Kalibrierschritt die Gasmenge gemessen wird, die pro Ventilöffnung austritt, wobei dann über die Anzahl der Ventilöffnungen die Gesamtmenge berechnet werden kann.
Beim Kalibrierverfahren kann die entwichene Gasmenge pro Zeit über eine Gasmesseinrichtung/Durchflussmesser etc. gemessen werden.
Es ist auch möglich, dass, wenn gemessen wird, dass p_Mess ≥ p_Soll, das Regelventil 5 für eine vorbestimmte Zeitdauer, z.B. eine Sekunde geöffnet wird. Die entwichene Gasmenge kann dabei wie zuvor beschrieben, berechnet werden, wobei es ebenfalls, wie zuvor beschrieben möglich ist, in einem Kalibrierschritt bei entsprechenden Drücken zu messen, wie viel Gas in der vorbestimmten Zeitdauer (vorzugsweise unter Einbezug der Temperatur) entweicht, wobei dann über die Anzahl der Ventilöffnungen die Gesamtmenge an Gas bestimmt werden kann.
Es ist auch möglich, das Ventil über eine Mehrpunkt-Regelung mit unterschiedlichen Ventilöffnungsgraden zu öffnen, derart, dass p_Mess = p_Soll. Über den Ventilöffnungsgrad kann ebenso die Gasmenge ermittelt werden.
Der Öffnungsgrad ist proportional zum austretenden Volumenstrom (V/t), der wiederum abhängig ist von der Druckdifferenz zwischen Hochdruck- und Niederdruckseite. Hier kann beispielsweise über eine Formel für die Leckrate in bekannter Weise berechnet werden, wie viel Gas pro Zeit ∆t entweicht. Auch eine Kalibrierung ist möglich, wobei der von einem Druck im Gärtank abhängige Ventilöffnungsgrad einer gemessenen entwichenen Gasmenge pro Zeit zugeordnet wird.
Wie zuvor deutlich wurde, kann das Regelventil auf unterschiedliche Art und Weise geregelt bzw. angesteuert werden und auf unterschiedliche Art und Weise die Gasmenge berechnet oder ermittelt werden. Die Erfindung soll dabei nicht auf eine bestimmte Regelung bzw. eine bestimmte Berechnung beschränkt werden. Wesentlich ist dabei, dass die Steuer/Regeleinrichtung Signale erzeugt, über die eine Berechnungseinrichtung die Gasmenge bestimmen kann. Die Berechnungseinrichtung 8 kann die berechnete Gasmenge bzw. entsprechende Signale an eine Auswerteeinheit 9 senden, wobei die Auswerteeinheit 9 auch in der Berechnungseinrichtung 8 integriert sein kann. Die Auswerteeinheit ermittelt auf der Grundlage der Gasmenge pro ∆t insbesondere mindestens eine der folgenden Größen: Umsetzungsgrad des Substrats, gebildete Alkoholmenge, abgebaute Zuckermenge, die Bildung von Organismen und/oder der Verlauf weiterer Gärungsnebenprodukte sowie der Reinheitsgrad bzw. die Zusammensetzung z.B. der Fermentationsgase. Dazu können auch Prozessanfangsparameter, wie durch den Pfeil dargestellt ist, in die Auswerteeinheit beispielsweise manuell und/oder automatisiert eingegeben werden, wie beispielsweise anfänglicher Extraktgehalt, Zellzahl, Füllvolumen im Gärtank Temperaturen, Belüftungsraten und Rezepte etc.
Wie in 4 dargestellt, kann die Erfassung der bereits gebildeten gesamten Gasmenge und/oder eine in einem Intervall ∆t gebildete Gasmenge und/oder ein Verlauf (z.B. Steigung) einer Ausgleichsfunktion oder Interpolationsfunktion für die gebildete bzw. entwichene Gasmenge pro Zeit, herangezogen werden, um den Umsetzungsgrad des Substrats zu bestimmen und wahlweise graphisch bzw. in Echtzeit individuell zu visualisieren. Wie aus 4 hervorgeht, kann auf der Grundlage der bestimmten Gasmenge auch der Zuckergehalt in Abhängigkeit der Zeit, sowie der Alkoholgehalt in Abhängigkeit der Zeit und ggf. die gebildete Biomasse sowie weitere Gärungsnebenprodukte in Abhängigkeit der Zeit berechnet und dargestellt werden. Hierzu können beispielsweise die am Anfang der Anmeldung beschriebenen Formeln nach Gay-Lussac bzw. Balling verwendet werden. Über die berechnete Gasmenge kann auch bestimmt werden, in welcher Phase sich der Gärprozess momentan befindet. Erfahrungsgemäß wird zu Gärbeginn (Phase A) relativ wenig Gas gebildet, da sich die Organismen zunächst an das Medium adaptieren. In dieser Stufe steigt der Behälterinnendruck in der Regel langsam an, bis der gewünschte Druck p_Soll (Spundungsdruck), hier z.B. 0,5 bar erreicht wird.
Es folgt eine gärintensive Phase B, in der viel Gas gebildet wird und Zellteilungen vermehrt stattfinden. In dieser Stufe wird eine größere Gasmenge pro Zeit abgelassen als in Phase A.
Aufgrund eines geringer werdenden Nährstoffangebots und einer Produktinhibition (z.B. durch Alkohol) verlangsamt sich in der folgenden Phase C die Gärung so, dass weniger Gas entsteht und die Zellteilung seltener erfolgt. Dabei hat die Verringerung der Gasbildung den Effekt, dass weniger Gas pro Zeit über das Regelventil 5 abgeleitet wird.
Durch Vergleich der in einem Zeitintervall ∆t abgelassenen Gasmenge (wobei das Zeitintervall die bis dahin abgelaufenen Gesamtzeit sein kann und/oder nur ein Teilzeitintervall) oder entsprechenden proportionalen Werten mit vorab bestimmten Soll-Werten für die Phasen A, B, C kann bestimmt werden, in welcher Phase sich der Prozess befindet. Entsprechende Ergebnisse können wie nachfolgend noch erläutert wird, auf einer Anzeige 10 dargestellt werden. Dabei können nicht nur die aus der Gasmenge berechneten Größen angezeigt werden, sondern auch Handlungsempfehlungen abgegeben werden, welche Schritte für den Gärprozess jetzt eingeleitet werden sollen, bzw. wie Regelparameter zur Regelung des Ventils 5 eingestellt werden sollen.
Aber auch eine automatische Beeinflussung der Prozesssteuerung kann über die Auswerteeinheit auf der Grundlage der ermittelten Gasmenge pro Zeit erfolgen. Hierzu ist beispielsweise die Auswerteeinheit 9 mit der Steuer-/Regeleinrichtung 6 verbunden.
In Abhängigkeit der bestimmten Gasmenge pro Zeit ∆t kann ein bestimmtes Druckprofil im Gärtank über das Regelventil eingestellt werden. Das heißt, dass eines mehrerer gespeicherter Druckprofilprogramme angewählt wird und das Ventil 5 entsprechend angesteuert werden kann.
Es ist aber auch möglich, einfach einzelne Regelparameter entsprechend anzupassen, wie beispielsweise p_Soll.
Dabei können beispielsweise wie im Zusammenhang mit 6a und 6b beschrieben wird, periodisch Druckmaxima bzw. -minima erzeugt werden, wobei der Wert für das Druckminimum/maximum in Abhängigkeit der ermittelten Gasmenge pro Zeit ∆t angepasst werden kann. Wie aus 6a hervorgeht, wird in der Phase B der Druck derart geregelt, dass das Regelventil 5 z.B. eine bestimmte Zeitdauer geöffnet wird, so dass der Druck kurz unterhalb p_Soll, hier z.B. 0,5 bar, absinkt, und dann über 0,5 bar ansteigt, bevor das Ventil erneut öffnet. Es ist auch möglich, dass beispielsweise der Druck derart eingestellt wird, dass, wie zuvor beschrieben, p_Grenz auf 0,4 bar eingestellt wird, und bei Erreichen des Drucks von 0,4 bar sich das Ventil wieder schließt, bis der Solldruck p_Soll erreicht ist. Somit ergeben sich die in 6a gezeigten Druckschwankungen z.B. in Phase B.
Wünscht man nun beispielsweise eine Homogenisierung des Tankinhalts, wenn beispielsweise erfasst wird, dass die erzeugte Gasmenge pro ∆t unterhalb eines vorgegebenen Werts liegt oder sich das Verfahren in einer bestimmten Phase der Gärung befindet, die ebenfalls über die Gasmenge bestimmt werden kann, so kann, wie aus 6b hervorgeht, z.B. die Öffnungsdauer verlängert werden, beispielsweise von einer Sekunde auf fünf Sekunden oder aber p_Grenz kann herabgesetzt werden. Dadurch sinkt der Druck tiefer ab als zuvor, wodurch eine größere Amplitude resultiert, was zu einer Homogenisierung führen kann.
Es ist auch möglich, periodisch Druckspitzen zu erzeugen, wie insbesondere aus 7 hervorgeht, wobei dabei z.B. p_Soll kurzzeitig erhöht wird oder aber das Ventil 5 kürzer geöffnet bleibt oder seltener geöffnet wird.
Weiter kann der Solldruck in Abhängigkeit der Zeit variiert werden – es kann insbesondere ein treppenförmiges Druckprofil erzeugt werden, wie es bspw. aus 8 hervorgeht. In 8 werden drei verschiedene Druckniveaus in vier Phasen erzeugt, wobei hier jeweils p_Soll auf unterschiedliche Werte eingestellt wird, beispielsweise 0,8 bar, 0,5 bar und 0,3 bar. Das Druckprofil ist jedoch prinzipiell variabel und kann auch periodisch oder gleichmäßig gesenkt werden.
Es ist jedoch auch möglich, dass nicht nur die Steuer/Regeleinrichtung 6 Signale von der Auswerteeinheit 9 erhält, sondern, dass die Auswerteeinheit 9 auch mit verschiedenen Funktionselementen verbunden ist bzw. mit deren Steuereinheiten. So kann beispielsweise die Auswerteeinheit 9 Signale ausgeben, die diverse Prozessschritte zeitlich versetzt und/oder zeitgleich einleiten, wie beispielsweise das Einleiten von Gas in den Tank zur Homogenisierung über die Einrichtung 14 (siehe 2) oder eine Tankkühlung einleiten oder aber bzw. die Dosage und/oder Entnahme von Stoffen und/oder sonstige Operationen zur Prozessbeeinflussung Somit, kann auf der Grundlage der bestimmten Gasmenge pro Zeit der Fermentationsprozess in idealer Art und Weise gesteuert werden. Neben der Visualisierung auf dem Display 10, wie in 5 dargestellt ist, kann der Fermentationsprozess also auch gezielt automatisch gesteuert werden. Es können auch Warnsignale ausgegeben werden, wenn z.B. die Gärung zu langsam oder zu schnell erfolgt. Nachfolgend werden einige Beispiele aufgeführt:
Beispiel A:
Die erzeugte Gasmenge pro Zeit ∆t verringert sich unerwartet. Die mögliche Ursache: Hefe hat sich abgesetzt. Mögliche Maßnahme: Druckpeaks werden, wie im Zusammenhang mit den 6 und 7 beschrieben, erzeugt und/oder Gas wird zur Homogenisierung über die Einrichtung 14 in den Gärtank 2 eingelassen (wobei eine entsprechende Menge an Gas bzw. über das Regelventil 5 abgeleitet wird, wobei hier entweder die zusätzlich zugeführte Gasmenge bei der Berechnung der erzeugten und abgeleiteten Fermentationsgasmenge mit einberechnet wird oder während dieses Zeitraums keine entsprechenden Bestimmungen bzw. Messungen durchgeführt oder ausgewertet werden). Alternativ oder zusätzlich kann der Bediener über das Display 10 entsprechend informiert werden oder aber eine Handlungsempfehlung abgegeben werden, beispielsweise zum Einleiten von Gas über die Einrichtung 14. Es können auch weitere Vorschläge auf dem Display angezeigt werden oder eine selbstständige Systemüberwachung erfolgen, insbesondere zur: Prüfung der Anzahl an Hefewiederverwendungen, Kontrolle der Belüftungsraten, Bestimmung und Verifikation der Inokulationsmengen und/oder eingesetzten Roh-Grund-Hilfs- und Bedarfsstoffcharakteristika.
Beispiel B:
Über die ermittelte Gasmenge pro ∆t kann bestimmt werden, wann der Zuckerabbau hinreichend genug stattgefunden hat, so dass nur noch etwa 1–3°Plato mehr als der Endvergärungsgrad vorhanden sind. Das System leitet dann umgehend und selbstständig die Tankkühlung ein und schließt das Regelventil 5, so dass eine ausreichende Karbonisierung im Produkt maximal effizient gewährleistet wird. Es ist auch möglich, dass am Display entsprechendes angezeigt wird und vom Bediener ausgeführt wird.
Beispiel C:
Auf der Grundlage der in einem Zeitintervall ∆t abgeführten Gasmenge, insbesondere auch der während des gesamten Prozess abgeleiteten Gasmenge (∆t_Gesamt) kann das System berechnen, welches Fermentationsstadium gerade in welchem Tank erreicht wird, indem beispielsweise die Gasmenge pro Zeit mit entsprechenden Vergleichswerten verglichen wird. Es kann daher eine Vorhersage getroffen werden, wann die Fermentation beendet ist, und nachfolgende Prozesse entsprechend angepasst werden, so dass beispielsweise der Kältemittelverbrauch bzw. die Kälteanlage optimiert gesteuert werden kann und/oder ihre Leistung reduziert werden kann. Auch kann dadurch der Einsatz von Wärme- bzw. Energiespeichertanks optimiert werden und/oder weitere energie- und effizienzsteigernde Maßnahmen ergriffen werden
Neben den bereits beschriebenen Abhängigkeiten von CO₂ zu Zucker, Alkohol, Energie und Biomassegehalt können durch mathematische Korrelationen weiterer Parameter ermittelt und diese bei Bedarf entsprechend visualisiert werden.
So kann beispielsweise individuell (mit den eigenen Substraten, den Rezepten, den Fermentationsorganismen, den Belüftungsraten etc.) bestimmt werden, wann welche Gärungsnebenprodukte entstehen. Da diese bestimmten Gesetzmäßigkeiten unterliegen können somit Vorhersagen durch Wahrscheinlichkeitsrechnungen integriert und Abweichungen detektiert werden. Ferner kann die Intelligenz der Rechenprogramme ständig, individuell z.B. durch Einspeisung weiterer Laboranalyseergebnisse gesteigert werden. Dazu können wahlweise Programme mit Fuzzylogic, Korrelationsrechenprogramme, Analysenplanungsprogramme etc. mitverwendet werden. Außerdem können andere Daten von Messeinrichtungen in derartige Programme integriert werden, die dann entsprechend bewertet werden. So kann beispielsweise mit Hilfe der Dichtebestimmung in der Würzeleitung der Initialzuckergehalt bestimmt werden, so dass z.B. das Ende der Hauptgärung sowie der tatsächliche Vergärungsgrad besser und automatisiert bestimmt werden können. Eine Integration der Vorrichtung zur Biomassegabe (z.B. Trübungsmessung und/oder volumetrische/gravimetrische Bestimmung) kann beispielsweise eine Berechnung des physiologischen Zustands der Organismen ermöglichen, so dass das Hefemanagement optimiert und/oder akute Maßnahmen ergriffen werden können.
Somit ist die Verknüpfung und Auswertung von z.B. weiteren Temperaturmessern, Dichtemessern, Trübungsmessern, pH- und Leitwertsonden, Belüftungsvorrichtung etc. sinnvoll.
3 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel gemäß der vorliegenden Erfindung.
Es können mehrere Tanks 2a, b, c zu Tankgruppen zusammengefasst werden, derart, dass die einzelnen Abgasleitungen 7a, b, c in einer gemeinsamen Abgasleitung 7g zusammengefasst werden, und die abgeführte Gasmenge pro Zeit ∆t für mehrere Tanks 2a, b, c gleichzeitig und/oder nacheinander bestimmt wird, wobei mindestens eine Messeinrichtung 12, 13 in der gemeinsamen Abgasleitung 7g für alle Tanks 2a, b, c vorgesehen ist. Hier sind beispielsweise der zweite Druckmesser 12 und der zweite Temperatursensor 13 in der gemeinsamen Leitung 7g vorhanden. Vorteilhafterweise sind die jeweiligen Drucksensoren 4a, b, c dann alle mit einer gemeinsamen Steuer/Regeleinrichtung 6 verbunden, was die Vorrichtung deutlich vereinfacht.
Die Signalübertragung der Messwerte z.B. in 2, beispielsweise von der ersten und/oder zweiten Druckmessung 4, 12 und/oder dem ersten oder zweiten Temperatursensor 11, 13 kann drahtlos z.B. über eine gesicherte Netzwerkverbindung erfolgen.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Überwachen eines Fermentationsprozesses bei der Bierherstellung wird der Druck p_Mess wie zuvor beschrieben in dem Gärtank 2 über den ersten Druckmesser 4 gemessen. Der Druck im Gärtank wird in Abhängigkeit des gemessenen Drucks p_Mess und des Solldrucks p_Soll über das Regelventil 5 (bzw. 5a, b, c) eingestellt. Eine Steuer/Regeleinrichtung 6 sendet gemäß einer Ausführungsform Signale, die den Steuersignalen entsprechen an eine Berechnungseinrichtung 8. Die Berechnungseinrichtung kann beispielsweise über die Anzahl der Ventilöffnungen und/oder der Ventilöffnungsdauer und/oder dem Ventilöffnungsgrad bestimmen, welche Gasmenge in einem bestimmten Zeitintervall ∆t erzeugt bzw. abgelassen wurde. Wie zuvor beschrieben, können dann, z.B. in Abhängigkeit dieser Berechnung über eine Auswerteeinheit 9 diverse Größen wie beispielsweise gebildete Alkoholmenge, abgebaute Zuckermenge etc. berechnet werden oder aber einfach bestimmt werden, in welchem Stadium sich der Fermentationsprozess gerade befindet (siehe bspw. 1). Es kann auch ermittelt werden, ob sich der Fermentationsprozess nicht erwartungsgemäß entwickelt, d.h. dass die gebildete Gasmenge pro Zeit unterhalb eines bestimmten Vergleichswerts liegt. Dann können entsprechende Maßnahmen eingeleitet werden, beispielsweise indem entsprechende Signale an die Steuer/Regeleinrichtung 6 geleitet werden, oder aber Signale an entsprechende Funktionselemente bzw. deren Steuerungen, so dass bestimmte Maßnahmen eingeleitet werden, wie Einleiten von Gas, etc. Es ist auch möglich, wie zuvor beschrieben, dass Druckprofile entsprechend ausgewertet und angepasst werden.
Auf der Grundlage der ermittelten Gasmengen kann auch ein Verlauf der entwichenen Gasmenge in Abhängigkeit der Prozesszeit ermittelt werden d.h. eine entsprechende Ausgleichsfunktion oder Interpolationsfunktion gebildet und graphisch dargestellt werden. Die zuvor beschriebenen Werte können auf einem Display angezeigt werden. Auf dem Display können neben der Anzeige von Gärparametern (Alkoholmenge, Zuckermenge etc.) auch Vorhersagen gemacht werden, beispielsweise wann der Gärprozess voraussichtlich zu Ende sein wird und mit welcher Produktqualität – bzw. mit welchem Produktcharakter gerechnet werden kann.
Es ist auch möglich, dass zusätzlich die Kälteleistung pro Zeit (entsprechend der abgeführten Wärmemenge zur Kühlung des Fermentationsprozess bzw. des Gärtanks) pro Zeit bestimmt wird und/oder ein entsprechend proportionaler Wert und/oder die Gewichtsabnahme pro Zeit und/oder eine Veränderung des Füllstandvolumens pro Zeit. Da bei dem exothermen Fermentationsprozess Energie frei wird und eine Kühlung sinnvoll ist, ist die abgegebene Wärmemenge proportional zum Vergärungsgrad und somit ein Maß für die Phase, in der sich der Fermentationsprozess gerade befindet und kann z.B. auch Aufschluss geben über den bereits stattgefundenen Extraktabbau. Gegebenenfalls kann vorab eine entsprechende Kalibrierung vorgenommen werden. Aber auch die Gewichtsabnahme über die Zeit, d.h. das Gewicht des Tankinhalts kann bestimmt werden. Bei der Fermentation nimmt das Gewicht des Tankinhalts ab, wobei auch hier die Gewichtsabnahme einem Exraktabbau zugeordnet werden kann. Entsprechendes gilt für die Veränderung des Füllvolumens (der Flüssigkeit).
Diese Maßnahmen oder eine Kombination mehrerer Maßnahmen kann dazu genutzt werden, die Genauigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens zu erhöhen, wobei einzelne Ergebnisse dann mit der ermittelten Gasmenge korreliert werden sollten.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann also Wärme, die beim Fermentationsprozess entsteht, mit Hilfe von Kühlmitteln/Kältemitteln abgeführt werden. Dabei wird die Temperatur vorzugsweise im Gärtank 2 gemessen. Unter Messen der Temperatur im Gärtank versteht man in dieser Anmeldung entweder das Messen der Flüssigkeit im Gärtank und/oder des Gases, da diese Temperaturen im Wesentlichen einander entsprechen und auch voneinander abgeleitet werden können. Sobald eine Solltemperatur im Gärtank 2 überschritten wird, öffnet sich beispielsweise ein oder mehrere Regelventil(e), so dass Kältemittel/Kältemittelträger durch eine oder mehrere Kühlzonen geleitet werden kann. Somit ist es möglich, den Fermentationsverlauf beispielsweise über die Schaltspiele (Öffnungen) der Regelventile und der Temperaturverläufe individuell zu determinieren. Somit kann die Kälteleistung bzw. die abgeführte Menge durch den Kältemittelverbrauch zur Beurteilung und Berechnung des Extraktabbaugrades mit einbezogen werden. Der Kältemittelverbrauch bzw. die Ventilöffnungsdauer des entsprechenden Regelventils und/oder die Ventilöffnungsintervalle und/oder der Ventileinstellgrad bietet somit eine zusätzliche Möglichkeit, die Fermentation, vorzugsweise individuell und vorzugsweise berührungsfrei (insbesondere eine Messeinrichtung, die nicht direkt in Kontakt mit dem Medium, sprich nicht im direkten Kontakt mit der Flüssigkeit; bzw. dem zu fermentierendem Fluid im Gärtank ist), zu überwachen und bei Bedarf den Prozess entsprechend zu steuern. Eine derartige Überwachung kann mit der Gasmengenerfassung kombiniert und abgeglichen werden.
Vorteilhafterweise ist dazu mindestens ein Temperaturmesser im Gärtank bzw. auf der Hochdruckseite vorgesehen, sowie mindestens ein regelbares Kältemittelventil, wobei der Kältemittelverbrauch in einer Zeit ∆t bestimmt wird. Welche weiteren Parameter mit in die Berechnung einbezogen werden, ist individuell unterschiedlich. Zur Bestimmung des Kältemittelverbrauchs können beispielsweise zusätzlich folgende Parameter bestimmt werden:

– Die Temperatur T des Kältemittels im Zu- und/oder Ablauf,
– die Temperatur der Flüssigkeit im Gärtank, das Kältemittelvolumen pro Zeiteinheit,
– die Füllhöhe im Gärtank und/oder das Gasvolumen (Kopfraumvolumen im Tank).

Wenn in dieser Anmeldung von Kältemittel und/oder Kühlmitteln gesprochen wird, so ist darunter auch ein Kältemittelträger zu verstehen.

Claims

Verfahren zum Überwachen eines Fermentationsprozesses bei der Bierherstellung, wobei der Druck (p_Mess) in einen Gärtank (2)über einen ersten Druckmesser (4) gemessen wird, ein Solldruck (p_Soll) in Abhängigkeit des gemessenen Drucks (p_Mess) über ein Regelventil (5), über das Gas aus dem Gärtank (2) entweicht, eingestellt wird, wobei die in einem Zeitintervall ∆t entwichene Gasmenge über – die Anzahl der Ventilöffnungen und/oder – der Ventilöffnungsdauer und/oder – dem Ventilöffnungsgrad bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Regelventil (5) über Steuersignale einer Steuer/Regeleinrichtung (6) angesteuert wird und Signale, die den Steuersignalen entsprechen, an eine Berechnungseinrichtung (8) geleitet werden, die auf der Grundlage dieser Signale die in einem Zeitintervall (∆t) entwichene Gasmenge ermittelt, oder die Berechnungseinrichtung (8) die entwichene Gasmenge auf der Grundlage von Signalen ermittelt, die der Anzahl der Ventilöffnungen und/oder der Ventilöffnungsdauer und/oder dem Ventilöffnungsgrad entsprechen, und die über Druckänderungen im Tank ermittelt wurden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der Gasmenge zusätzlich zumindest einer der folgenden Parameter bestimmt wird: – die Temperatur (T₁) des Gases und/oder der Flüssigkeit in dem Gärtank (2), – die Temperatur (T₂) in einer Ableitung (7) des Gärtanks (2) hinter dem Regelventil (5), – der Druck (p₂) in der Ableitung (7) hinter dem Regelventil (5) des Gärtanks (2) – die Füllhöhe im Gärtank (2) und/oder das Gasvolumen – Gewicht des Tankinhalts.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit der in dem Zeitintervall (∆t) entwichenen Gasmenge, ein bestimmtes Druckprofil in dem Gärtank über das Regelventil (5) eingestellt wird, wobei insbesondere entweder – periodisch Druckspitzen erzeugt werden und/oder – periodische Druckminima erzeugt werden und der Wert für das Druckminimum in Abhängigkeit der in (T) entwichenen Gasmenge angepasst wird, und/oder – der Solldruck (p_Soll) in Abhängigkeit der Zeit variiert wird, insbesondere ein treppenförmiges Druckprofil erzeugt wird.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass der Fermentationsprozess in Abhängigkeit der in dem Zeitraum (∆t) entwichene Gasmenge gesteuert wird und vorzugsweise Prozessparameter des Fermentationsprozesses angepasst werden und/oder zumindest einer der folgenden Prozessschritte eingeleitet werden, insbesondere: – Einleiten von Gas in den Tank zur Homogenisierung und/oder – Einleiten einer Tankkühlung, und/oder – Zudosieren und/oder Entfernen von Stoffen, – Sedimentabzug, wie beispielsweise Hefe und/oder – Einstellen eines vorbestimmten Drucks zur Karbonisierung.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1–5, dadurch gekennzeichnet, dass zum Bestimmen der Gasmenge der Durchmesser der Ableitung (7) und/oder die Länge der Ableitung (7) berücksichtigt werden.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1–6, dadurch gekennzeichnet, dass über eine Kalibrierung vorab bestimmt wurde, welche Gasmenge pro Ventilöffnung und/oder Ventilöffnungsdauer und/oder Ventilöffnungsgrad entweicht.
Vorrichtung (1) zum Überwachen eines Gärprozesses zur Bierherstellung, insbesondere zum Durchführen eines Verfahrens nach mindestens einem der Ansprüche 1–7 mit einem Gärtank (2), einem ersten Druckmesser (4) zum Messen des Drucks (p_Mess) in dem Gärtank (2), einem Regelventil (5), über das Gas aus dem Gärtank (2) zum Einstellen eines Solldrucks (p_Soll) in Abhängigkeit des gemessenen Drucks (p_Mess) abgelassen werden kann, gekennzeichnet durch eine Berechnungseinrichtung (8) zum Bestimmen der aus dem Gärtank in einem Zeitintervall (∆t) entwichenen Gasmenge, auf der Grundlage der Anzahl der Ventilöffnungen und/oder der Ventilöffnungsdauer und/oder dem Ventilöffnungsgrad.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) eine Steuer-/Regeleinrichtung (6) umfasst, die das Regelventil (5) ansteuert und die Signale bezüglich der Anzahl der Ventilöffnungen und/oder der Ventilöffnungsdauer und/oder dem Ventilöffnungsgrad an die Berechnungseinrichtung (8) sendet und die Berechnungseinrichtung (8) die Gasmenge, die in dem Zeitraum (∆t) entwichen ist, auf der Grundlage der Signale bestimmt.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 8, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Auswerteeinheit (8) umfasst, die die von der Berechnungseinrichtung (8) ermittelte Gasmenge auswertet und insbesondere daraus mindestens eine der folgenden Größen berechnet: – Umsetzungsgrad des Substrats, – gebildete Alkoholmenge, – abgebaute Zuckermenge, – entstandene Gärungsnebenprodukte.
Vorrichtung (1) nach mindestens einem der Ansprüche 8–10, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (9) mit der Steuer/Regeleinrichtung (6) verbunden ist und in Abhängigkeit der bestimmten Gasmenge, die während dem Zeitraum (∆t) entwichen ist, Signale an die Regeleinrichtung (5) leitet, die die Steuer/Regelparameter anpassen.
Vorrichtung (1) nach mindestens einem der Ansprüche 10–11, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (9) mit einer Anzeige (10) verbunden ist, derart, dass die, auf der Grundlage der erfassten Gasmenge pro Zeit (∆t) ermittelten Größen angezeigt werden und insbesondere Handlungsempfehlungen ermittelt, insbesondere wann automatische oder manuelle Manipulationen vorgenommen werden sollten, und angezeigt werden.
Vorrichtung (1) nach mindestens einem der Ansprüche 8–12, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (9) Signale erzeugt, über die weitere Funktionselemente der Vorrichtung angesteuert werden, wie insbesondere Kühleinrichtung und/oder eine Einrichtung zum Einleiten von Gas in den Tank und/oder Einrichtung zum Sedimentabzug und/oder Druckregelventil (5), und/oder Einrichtung zum Zudosieren und/oder Entfernen von Stoffen, und/oder Umrühreinrichtung.
Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 8–13, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mindestens eine der folgenden Messeinrichtungen umfasst, die mit der Berechnungseinrichtung (8) verbunden sind: erster Temperaturmesser (11) vor dem Regelventil (5), zweiter Druckmesser (12) nach dem Regelventil (5), zweiter Temperaturmesser (13) nach dem Regelventil (5) Einrichtung zur Füllstandsmessung im Gärtank (2).
Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 8–14, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Gärtanks (2) in einer Gruppe zusammengefasst sind, derart, dass die einzelnen Abgasleitungen (7a, b, c) in einer gemeinsamen Abgasleitung (7g) zusammengefasst werden, und die abgeführte Gasmenge für mehrere Tanks (2a, b, c) gleichzeitig bestimmt wird, wobei mindestens eine Messeinrichtung in der gemeinsamen Abgasleitung (7g) für alle Tanks (2a, b, c) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 8–14, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelventile (5a, b, c) der Gärtanks mit einer gemeinsamen Steuer-/Regeleinrichtung (6) verbunden sind.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1–7, dadurch gekennzeichnet, dass in eine Auswerteeinheit mindestens einer folgender Anfangswerte eingegeben werden kann: – anfänglicher Extraktwert, – Füllvolumen, – Zellzahl, – Temperatur des Fermentationsmediums, – Belüftungsgrad, – Rezept, – Extraktwert am Ende der Fermentation.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1–7 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Grundlage der in einem Zeitintervall (∆t) abgelassenen Gasmenge, insbesondere durch Vergleich mit vorab eingestellten Vergleichswerten, bestimmt wird, in welcher Phase des Fermentationsprozesses sich der Fermentationsprozess befindet, insbesondere ob er sich in einer Gär-Beginnphase (A) und/oder in einer gärintensiven Phase (B) und/oder in einer verlangsamten Gärphase (C) befindet und/oder ob der Zuckerabbau bis zu einem bestimmten Grad stattgefunden hat, insbesondere nur noch 1 bis 3 ° Plato zum Endvergärungsgrad vorhanden sind.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich die abgegebene Kälteleistung pro Zeit und/oder ein proportionaler Wert, und/oder die Gewichtsabnahme im Tank pro Zeit und/oder die Veränderung des Füllvolumens pro Zeit bestimmt wird.