DE19740035C1 - Gärverfahren unter Ausschluß von Luftsauerstoff - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gärverfahren zur Gärung von Bierwürze, wie es bei der Bierbereitung in Brauereien eingesetzt wird. Die Bierwürze wird dabei nach dem vorhergehenden Einbrauprozeß in Gärtanks gefüllt und darin zu Bier vergoren. Während des Gärprozesses entsteht als Reaktionsprodukt unter anderem Gärungskohlendioxyd, das sich oberhalb des Würzspiegels sammelt. Dadurch, daß die Gärtanks vor der Befüllung mit Luft gefüllt sind, ist in ihnen eine erhebliche Menge an Luftsauerstoff vorhanden. Sobald die Würze in die Gärtanks einge­ füllt ist, kann dieser Sauerstoff mit der Würze oxidativ reagieren. Sauer­ stoff hat die Eigenschaft, Verderbnisprozesse zu beschleunigen und sorgt somit für eine Minderung der Produktqualität. Es ist deshalb ein wichti­ ges Ziel bei der Bierbereitung, den Kontakt von Luftsauerstoff mit den Zwischenprodukten, insbesondere der Würze, zu vermeiden.

Es ist heute Stand der Technik, das sich beim Gärprozeß bildende Koh­ lendioxyd mittels sogenannter CO₂-Rückgewinnungsanlagen zurückzu­ gewinnen, um es in der Brauerei aber auch bei anderen Prozessen, wie beispielsweise in der Abfüllerei zu verwenden. Diese interne Rückge­ winnung von Kohlendioxyd spart Kosten, da ansonsten externe CO₂- Quellen mit einem ausreichenden Reinheitsgrad zugekauft werden müßten. Daneben ist es auch unter ökologischen Gesichtspunkten sinn­ voll, Kohlendioxyd soweit wie möglich in dem Prozeß zurückzuhalten, da Kohlendioxyd bekannterweise einen negativen Einfluß auf die Kli­ maentwicklung der Erdatmosphäre hat. Insofern sind bezüglich der Emission von Kohlendioxyd eventuell genehmigungsrechtliche Vor­ schriften beim Anlagenbau neuer Brauereien zu beachten. Ein weiteres Ziel ist es deshalb, so viel Gärungskohlendioxyd wie möglich während des Gärprozesses aufzufangen und für den Bierbereitungsprozeß rückzu­ gewinnen.

Ist der Gärtank vor der Befüllung mit Würze mit Luft gefüllt, so ist das Kohlendioxyd zu Beginn der Gärphase stark mit Luftsauerstoff angerei­ chert. Der Sauerstoff stellt dabei eine Verunreinigung dar und muß deshalb vor der Weiterverwendung des Kohlendioxyds abgespalten werden. Da die Abspaltung von Sauerstoff aus einem Kohlendioxyd- Sauerstoff-Mischgas technisch aufwendig ist, unterbleibt diese Abspal­ tung aus Kostengründen in den bestehenden Anlagen. Vielmehr wird bei den bekannten Gärverfahren abgewartet, bis durch den Gärprozeß so viel Kohlendioxyd entstanden ist, bis der zu Anfang vorhandene Luftsauer­ stoff verdrängt ist. Das bis dahin entstehende Mischgas wird in die Umgebung abgeleitet, womit das darin enthaltene Kohlendioxyd für den Herstellungsprozeß verloren ist und zudem die Umwelt belastet. Erst nachdem sich in dem Gärtank eine Kohlendioxydatmosphäre mit ausrei­ chender Reinheit ausgebildet hat, wird das durch die Gärprozesse zu­ sätzlich entstehende Gasvolumen abgezogen und weiter verwand. Die Kohlendioxydausbeute dieser CO₂-Rückgewinnungsanlagen ist infolge der durch den Luftsauerstoff verursachten Anfangsverluste relativ gering. Die in den Gärtanks enthaltene Luft hat also auch auf die Aus­ beute der CO₂-Rückgewinnungsanlagen einen negativen Einfluß.

Es ist außerdem bekannt, um den Kontakt von Luftsauerstoff mit der Würze zu vermeiden, die Gärtanks vor der Würzebefüllung mit Kohlen­ dioxyd vorzuspannen. Dadurch wird der vor der Befüllung vorhandene Luftsauerstoff verdrängt und kann an einer Oxydation der Würzebe­ standteile nicht mehr teilnehmen. Die unerwünschte Oxydation der Würze kann damit zwar weitgehend ausgeschlossen werden, allerdings hat dieses Verfahren den Nachteil, große Mengen von Kohlendioxyd zu verbrauchen, wodurch die Rückgewinnungsbilanz des gesamten Gärver­ fahrens bezüglich des Kohlendioxyds weiter verschlechtert wird.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein Gärverfahren zu schaffen, das eine Oxydation der Würze in den Gärtanks weitgehend ausschließt und zugleich eine große Kohlendioxydausbeute während des Gärprozesses erlaubt. Diese Aufgabe wird durch ein Gärverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 erfüllt.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Bei dem erfindungsgemäßen Gärverfahren wird der Gärtank vor der Befüllung mit Würze mit einem Inertgas vorgespannt. Durch dieses Inertgas wird eine Oxydation der Würze durch Luftsauerstoff ausge­ schlossen, da vorhandener Luftsauerstoff durch das Inertgas verdrängt wird. Als Inertgas wird ein von Kohlendioxyd verschiedenes Inertgas verwendet, wodurch die Kohlendioxydausbeute während des Gärprozes­ ses verbessert wird, da für den Gärprozeß selber kein Kohlendioxyd verbraucht wird. Als Inertgase können dabei alle Gase verwendet wer­ den, die ausreichende oxydationshemmende Eigenschaften aufweisen, möglichst kostengünstig beschafft oder hergestellt werden können und lebensmitteltechnisch unbedenklich sind.

Um die Ausbeute der CO₂-Rückgewinnungsanlage zu erhöhen, wird das während des Gärprozesses im Gärtank durch Mischung des Inertgases mit dem Kohlendioxyd entstehende Gasgemisch in eine Gastrennanlage übergeleitet in der das Kohlendioxyd aus dem Gasgemisch abgespaltet wird. Verluste an Kohlendioxyd zu Beginn des Gärprozesses, bis zur Ausbildung einer ausreichend reinen Kohlendioxydatmosphäre, können also vermieden werden, da das entstehende Mischgas von Anfang an abgezogen werden kann und das enthaltene Kohlendioxyd in der Gastrennanlage abgefiltert wird. Bei der Wahl des zu verwendeten Inertgases ist deshalb insbesondere darauf zu achten, daß es mit mög­ lichst einfachen technischen Mitteln von dem Kohlendioxyd abspaltbar ist.

Bei der Bierbereitung ist es notwendig, die Bierwürze nach der Kühlung und vor der Vergärung zu belüften. Nicht der gesamte durch die Würze­ belüftung eingebrachte Sauerstoff wird in der Würze assimiliert, sondern ein Teil dieses Sauerstoffs entbindet sich während des Gärprozesses wieder und sammelt sich, nachdem die Würze in den Gärtank gefüllt ist, im Kopfraum des Tanks. Dieser Sauerstoff hat durch seine oxidative Wirkung wiederum einen negativen Einfluß auf die Würzequalität, kann jedoch durch ein Vorspannen des Gärtanks mit Inertgas nicht verdrängt werden, da er erst nachträglich zusammen mit der Würze in den Gärtank eingebracht wird. Es ist deshalb erfindungsgemäß vorteilhaft, die Gasat­ mosphäre im Kopfraum des Gärtanks oberhalb der Würze nach der Befüllung des Gärtanks mit Würze zumindest zeitweise mit Inertgas zu spülen. Durch diese Spülung wird in der Würze enthaltener, sich entbin­ dender Sauerstoff aus dem Gärtank verdrängt und eine unerwünschte Oxydation der Würze durch diesen Sauerstoff ausgeschlossen. Da der in der Würze enthaltene nicht assimilierte Sauerstoff sich insbesondere zu Beginn des Gärprozesses in der Zeit direkt nach der Befüllung der Gärtanks entbindet, sollte die Gasatmosphäre in dem Gärtank insbeson­ dere während dieses Zeitabschnitts mit Inertgas gespült werden.

Prinzipiell kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren sofort nach Beginn des Gärprozesses entstehendes Mischgas aus dem Gärtank abge­ zogen werden und das Kohlendioxyd in der Gastrennanlage abgespalten werden. Da jedoch zu Beginn des Gärprozesses nur ein sehr geringer Anteil Kohlendioxyd in dem Mischgas enthalten ist, ist die Kohlendi­ oxydgewinnung durch Gastrennung zu diesem Zeitpunkt relativ ineffek­ tiv. Es können dabei nur geringe Mengen Kohlendioxyd gewonnen werden, wobei jedoch ein hoher Filteraufwand und Filterverschleiß erforderlich ist, um die großen Mengen Inertgas aus dem Mischgas abzuspalten. Es ist deshalb erfindungsgemäß vorzugswürdig, das wäh­ rend des Gärprozesses im Gärtank entstehende Gasgemisch bis zur Erreichung eines bestimmten Anteils an Kohlendioxyd an die Umge­ bungsatmosphäre abzuleiten und erst nach Erreichung dieses bestimmten Anteils an Kohlendioxyd in die Gastrennanlage überzuleiten. Der Koh­ lendioxydanteil, bei dem die Mischgasleitung umgeschaltet wird, stellt dabei einen Prozeßparameter dar, der anlagenspezifisch auf das verwen­ dete Inertgas und die eingesetzte Gastrennanlage abzustimmen ist. Selbstverständlich kann dabei der Kohlendioxydgehalt im Gärtank mittels Sensoren gemessen werden, um die Anlage zu steuern. Es ist jedoch genauso möglich, durch Versuche die Gärdauer zu ermitteln, die erforderlich ist, eine entsprechende Kohlendioxykonzentration im Gär­ tank zu erreichen.

Zur Abtrennung des Kohlendioxyds in der Gastrennanlage können alle Arten von physikalischen oder chemischen Trennverfahren eingesetzt werden. Besonders kostengünstig und sicher kann das Kohlendioxyd aus dem Gasgemisch abgetrennt werden, wenn zur Gastrennung in an sich bekannter Weise ein oder mehrere Molekularsiebe eingesetzt werden. Die Dimensionierung der verwendeten Molekularsiebe ist dabei auf die Molekülgröße der in dem Inertgas enthaltenen Gasmoleküle im Vergleich zum Kohlendioxydmolekül abzustimmen.

Als Inertgase können erfindungsgemäß alle Arten von Inertgasen oder Inertgasgemischen eingesetzt werden, die ausreichende oxydationshem­ mende Eigenschaften und zudem lebensmitteltechnisch unbedenklich sind. Besonders vorzugswürdig ist der Einsatz von Stickstoff als Inert­ gas, da dieses Gas zu einem hohen Anteil in der Atemluft enthalten ist, deshalb kostengünstig durch Gastrennung aus Luft hergestellt werden kann und zudem lebensmitteltechnisch unbedenklich einsetzbar ist.

Selbstverständlich kann das erfindungsgemäße Verfahren mit synthetisch hergestelltem Stickstoff aus einer prozeßfremden Quelle betrieben werden. Dies erfordert jedoch den kostenintensiven Transport von flüssigem Stickstoff von den Gasherstellern zur Brauerei. Besser ist es deshalb, den verwendeten Stickstoff in einem vorhergehenden Gastrenn­ verfahren aus der umgebenden Luftatmosphäre zu gewinnen. Im bezug auf das Gärverfahren ermöglicht dies zudem eine ausgeglichene Stick­ stoffbilanz. Der gesamte Stickstoff, der während des Gärverfahrens in der Anlage verbraucht und aus der Anlage abgeleitet wird, wurde zuvor der umgebenden Luftatmosphäre entnommen. Der abgeleitete Stickstoff gelangt damit wieder in die um diesen Stickstoff abgereicherte Atemluft, weshalb im Ergebnis die Anlage mit einer massenneutralen Stickstoffbi­ lanz betrieben werden kann. Zusätzliche, eventuell zu genehmigende Stickstoffemissionen aus externen Quellen entstehen somit nicht.

Besonders vorzugswürdig ist es, den Stickstoff durch Anwendung eines Membrantrennverfahrens mit einem Reinheitsgrad im Bereich von 90,0% bis 99,9% zu gewinnen und in dem Gärverfahren einzusetzen. Membran­ verfahren dieser Art zur Gastrennung sind an sich bekannt und können kostengünstig betrieben werden.

Nach Abschluß des Gärprozesses kann das in dem Gärtank enthaltene Bier durch Eindrücken von Kohlendioxyd mittels Überdruck aus dem Gärtank ausgetrieben werden. Die Verwendung von Kohlendioxyd für diese Aufgabe ist an sich bekannt. Das dafür verwendete Kohlendioxyd­ volumen kann anschließend in der Gastrennanlage zurückgewonnen werden. Die Verwendung von Kohlendioxyd schließt einen Eintrag von unerwünschtem Sauerstoff in den Gärtank während der Leerung der Gärtanks aus.

Um das Kohlendioxyd, mittels dessen das Bier aus dem Gärtank ausge­ trieben wurde, zurückzugewinnen, muß es wiederum durch ein anderes Volumen aus dem Gärtank verdrängt werden. Vorzugswürdig sollte dazu Stickstoff verwendet werden. Dies hat den Vorteil, daß Stickstoffmole­ küle, die das ausgetriebene Kohlendioxyd verunreinigen, leicht in der vorhandenen Gastrennanlage zur CO₂-Rückgewinnung abgefiltert werden können. Außerdem wird erreicht, daß der entleerte Gärtank anschließend mit Stickstoff gefüllt ist deshalb vor dem Beginn eines neuen Gärprozes­ ses nur eine geringe Menge Stickstoff erforderlich ist, um den Gärtank mit Stickstoff vorzuspannen.

Die vor Beginn eines erneuten Gärprozesses erforderliche Reinigung der Gärtanks sollte vorzugsweise unter Stickstoffatmosphäre erfolgen, da der Tank in einer Stickstoffumgebung besonders problemlos gereinigt wer­ den kann. Außerdem werden Stickstoffverluste, wie sie bei der Belüftung des Tanks zum Zwecke der Reinigung folgen würden, vermieden. Das erfindungsgemäße Verfahren kann in an sich bekannten zylindrokoni­ schen Gärtanks eingesetzt werden. Diese Gärtanks weisen im oberen Bereich einen zylindrischen und im unteren Bereich einen konischen Querschnitt auf. Im unteren, konischen Bereich der Gärtanks kann die Würze von unten eingepumpt werden, wohingegen im oberen Abschluß des zylindrischen Bereich des Gärtanks die Ventile zur Gaszu- und abfuhr vorgesehen sind. Solange der Gärtank nicht mit Würze befüllt ist, können auch am unteren konischen Ende des Würztanks Gase zu- und abgeführt werden, so daß sich eine Gasströmung von einem Ende des Gärtanks zum anderen Ende ausbilden kann.

Die durch das erfindungsgemäße Verfahren gewonnenen Gasfraktionen sollten vorzugswürdig in den Produktionsprozeß der Bierbereitung zurückgeführt werden. Dies betrifft selbstverständlich das Kohlendioxyd, aber auch andere Gase, so sie im Gasgemisch enthalten sind und von der Gastrennanlage abgefiltert werden. Diese Gase sollten im Sinne eines geschlossenen Stoffkreislaufes zurückgewonnen und wiederverwendet werden. So kann auch Stickstoff in der Gastrennanlage zurückgewonnen werden und damit zumindest ein Teil des zum Betrieb des erforderlichen Verfahrens notwendigen Stickstoffs zur Verfügung gestellt werden.

Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Verfahren anhand einer Zeich­ nung erläutert, die ein lediglich bevorzugtes Prozeßschema darstellt. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der Prozeßschritte eines erfindungsgemäßen Gärverfahrens.

In Fig. 1 sind die Prozeßschritte eines besonders bevorzugten erfin­ dungsgemäßen Gärverfahrens schematisch dargestellt. Die in der Zeich­ nung dargestellten Pfeile stellen dabei unter anderem Massenströme dar, die einem Gärtank zu- oder abfließen. Die Pfeilrichtung markiert dabei die Fließrichtung.

Im ersten Prozeßschritt wird der zunächst leere Gärtank 1 mit entlang des Pfeils 2 fließendem Stickstoff befüllt und vorgespannt. Die zunächst im Gärtank enthaltene Luft mit dem darin enthaltenen Luftsauerstoff wird entlang des Pfeiles 3 aus dem Gärtank verdrängt.

Im zweiten Prozeßschritt wird die Würze 4 entlang des Pfeils 5 in den Gärtank 1 eingefüllt. Diese Würze ist belüftet und enthält somit einen Überschuß an Sauerstoff. Dieser, durch die Würzbelüftung eingebrachte, nichtassimilierte Sauerstoff entbindet sich und sammelt sich im Kopf­ raum des Gärtanks oberhalb der Würze an. Zur Spülung der Atmosphäre im Kopfraum des Gärtanks wird Stickstoff entlang des Pfeils 6 in den Gärtank eingedrückt. Infolge des zufließenden Stickstoffs wird ein Gasgemisch aus Stickstoff und Sauerstoff entlang des Pfeils 7 aus dem Gärtank verdrängt und über einen nicht dargestellten Schlot ins Freie abgeleitet.

Während des dritten Verfahrensschrittes entsteht infolge der Gärprozesse innerhalb der Gärtanks ständig Kohlendioxyd, das sich im Kopfraum mit dem Stickstoff mischt. Der Gärtank wird während dieses Prozeßab­ schnitts drucklos gehalten, weshalb das entstehende CO₂ den Stickstoff zunehmend aus dem Kopfraum verdrängt. Entlang des Pfeiles 8 entweicht ein Stickstoff-Kohlendioxyd-Gasgemisch, dessen Kohlendioxydgehalt mit zunehmender Dauer des Gärprozesses zunimmt. Solange der Kohlen­ dioxydgehalt unterhalb eines bestimmten Wertes bleibt, wird das Gasge­ misch über einen nicht dargestellten Schlot ins Freie abgeleitet.

Überschreitet der Kohlendioxydgehalt in dem aus dem Gärtank abge­ führten Gasgemisch einen bestimmten Wert, so wird das von diesem Zeitpunkt an entstehende Gasgemisch entlang des Pfeiles 9 aus dem Gärtank in eine nicht dargestellte Gastrennanlage übergeführt. In der Gastrennanlage wird das Kohlendioxyd aus dem Gasgemisch abgefiltert und dadurch für den weiteren Bierbereitungsprozeß zurückgewonnen. Der abgespaltene Stickstoff wird in die Umgebungsluft abgeleitet, aus dem er in einem nicht dargestellten Gastrennverfahren vor Beginn des ersten Prozeßschrittes gewonnen wurde.

Ist der Gärprozeß abgeschlossen und die Würze damit in Bier umgewan­ delt, wird im fünften Prozeßschritt entlang des Pfeils 10 Kohlendioxyd in den Gärtank eingedrückt und damit die Würze 4 entlang des Pfeiles 11 aus dem Gärtank 1 ausgetrieben.

Anschließend wird im sechsten Prozeßschritt der mit Kohlendioxyd gefüllte Gärtank entlang des Pfeils 12 mit Stickstoff befüllt und das entlang des Pfeils 13 ausgetriebene Gasgemisch in die Gastrennanlage überführt, wo das enthaltene Kohlendioxyd aus dem Gasgemisch abge­ filtert wird.

Der dann vollständig mit Stickstoff gefüllte Gärtank wird im siebenten Prozeßschritt gereinigt. Der gereinigte Gärtank kann dann durch Zugabe von wenig Stickstoff wiederum mit einer Stickstoffatmosphäre vorge­ spannt werden, womit das erfindungsgemäße Gärverfahren von neuem mit dem ersten Prozeßschritt beginnen kann.

Im Ergebnis ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren ganz allgemein hohe Kohlendioxydausbeuten, geringe Kohlendioxydmengen in der Abluft, und einen brautechnologisch vorteilhaften Sauerstoffausschluß während der Gärung.

Claims (12)

1. Gärverfahren zur Gärung von Bierwürze, bei dem die Würze in einen Gärtank eingefüllt und darin anschließend unter Bildung von Kohlendioxyd zu Bier vergoren wird, wobei das bei der Gärung entstehende Kohlendioxyd zumindest teilweise zurückgewonnen wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Gärtank (1) vor der Befüllung mit Würze (4) mit einem, von Kohlendioxyd verschiedenem Inertgas vorgespannt wird, wo­ bei das anschließend während des Gärprozesses im Gärtank ent­ stehende Gasgemisch zumindest teilweise in eine Gastrennanlage übergeleitet wird, in der Kohlendioxyd aus dem Gasgemisch abge­ trennt werden kann.

2. Gärverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasatmosphäre in dem Gärtank nach der Befüllung des Gärtanks (1) mit Würze (4) zumindest zeitweise mit Inertgas ge­ spült wird.

3. Gärverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das während des Gärprozesses im Gärtank (1) entstehende Gasgemisch bis zur Erreichung eines bestimmten Anteils an Koh­ lendioxyd an die Umgebungsatmosphäre abgeleitet wird und erst nach Erreichung des bestimmten Anteils an Kohlendioxyd in die Gastrennanlage übergeleitet wird.

4. Gärverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der Gastrennanlage zumindest ein Molekularsieb zur Ab­ trennung des Kohlendioxyds aus dem Gasgemisch eingesetzt wird.

5. Gärverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Inertgas Stickstoff verwendet wird.

6. Gärverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der verwendete Stickstoff in einem vorhergehenden Gastrenn­ verfahren aus der umgebenden Luftatmosphäre gewonnen wird.

7. Gärverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, daß der Stickstoff durch Anwendung eines Membrantrennverfah­ rens mit einem Reinheitsgrad im Bereich von 90,0% bis 99,9% gewonnen und in dem Gärverfahren eingesetzt wird.

8. Gärverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das im Gärtank (1) enthaltene Bier nach Abschluß des Gärpro­ zesses durch Eindrücken von Kohlendioxyd aus dem Gärtank aus­ getrieben wird.

9. Gärverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Gärtank (1) nach dem Austreiben des Biers mit Stickstoff befüllt wird und die dabei aus dem Gärtank ausgetriebene Gasat­ mosphäre in die Gastrennanlage übergeleitet wird, in der zumin­ dest ein Teil des enthaltenen Kohlendioxyds zurückgewonnen wird.

10. Gärverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Gärtank (1) unter Stickstoffatmosphäre gereinigt wird.

11. Gärverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zylindrokonische Gärtanks (1) eingesetzt werden.

12. Gärverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die in der Gastrennanlage gewonnenen Gasfraktionen zumin­ dest teilweise in den Produktionsprozeß zurückgeführt werden.