DE2261238C3 - Verfahren zur kontinuierlichen dünnschichtigen Vergärung von Bierwürze - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur kontinuierli- :n dünnschichtigen Vergärung von Bierwürze in hreren hintereinandergeschalteten, horizontal gelaten Rohren, die je sowohl mit einer walzenförmigen Mischvorrichtung als auch mit Einlaßöffnungen für die Bierwürze und Luft sowie mit Austrittsöffnungen füi das überflüssige Gasgemisch und mit Einrichtungen zuit Temperieren ausgerüstet sind, und wobei das aus mehreren hintereinandergeschalteten Rohren bestehende Fermentationssystem auf seiner ganzen Länge von dem Gemisch in Pfropfenströmung durchflosser wird, ferner dieses Fermentationssystem in mindesten; zwei'Abschnitte unterteilt ist, wobei am Ende des erster Abschnittes Abscheideeinrichtungen angeordnet sind, in denen aus dem gärenden Gemisch etwa 95% der Hefe entweder mit etwas Restwürze aufgeschlämmt oder mil bis etwa 50% der Restwürze abgeschieden und an der Anfang des Fermentationssystems zurückgeführt wird während am Ausgang des letzten Abschnittes da; Jungbier abgeführt wird, außerdem dem an den Anfang des Fermentationssystems zurückgeführten hochkon zentrierten Hefe-Bierwürze-Gemisch dort stetig sterile Bierwürze, maximal im Verhältnis

Bierwürze 1 Gemisch IO

zugesetzt wird, so daß am Anfang des Fermentationssystems eine Hefekonzentration von etwa 150 g/! Gemisch herbeigeführt wird, des weiteren dem in dem Fermentationssystem gärenden, dauernd auf einer Temperatur von etwa 20 bis 25⁰C gehaltenen Gemisch in Abhängigkeit vom erforderlichen Ch-Gehalt de Gemisches ständig frische sterile Luft zugeführt wire und aus dem gärenden Gemisch diejenige Menge Heft abgeführt wird, die in der jeweiligen Zeiteinheit in-Fermentationssystem neu gebildet wird.

Einige Teile eines derartigen Verfahrens sind bishei bereits dem Prinzip nach durch die österreichische Patentschrift 2 71357 bzw. durch die entsprechende DT-OS 17 67 319 bekannt. Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zug-unde, eine praktische brauchbare Lösung zur erfolgreichen Durchführung dieses Verfahrens zi schaffen.

Gemäß der Erfindung besteht die Lösung diesel Aufgabe darin, daß bei einem Walzendurchmessei dw 3. 8/10 Rohrdurchmesser cfe und einer Rohrlänge Lr = 40 dR die Umfangsgeschwindigkeit der Walz«, etwa 20 cm/sec und die Durchflußgeschwindigkeit de Gemisches im Rohr 0,1 bis 0,5 cm/sec betragen.

Das im Anspruch 2 genannte Verfahren gibt eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens gemäß den Hauptanspruch an. Die im Anspruch 3 angegebene Vorrichtung dient zur Durchführung des Verfahren: nach Anspruch 1 oder 2.

Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil daß die kontinuierliche Vergärung in dünnen Schichter raschest abläuft, da in dem Fermentationssystem infolge der herrschenden Pfropfenströmung praktisch keine Rückvermischung des Gemisches eintritt; es kann siel also der für eine rasche Gärung gewünschte Würze Konzentrationsabfall in Richtung Auslauf ungestör ausbilden. In dem geschlossenen Röhrensystem kam außerdem die Gärung über lange Zeit ohne Infektions gefahr durch Luftkeime durchgeführt werden.

Dabei entspricht die mit der Rohrlänge also örtlicl abnehmende Würzkonzentration der zeitlichen Abnah nie der Würzkonzentration bei der konventionelle! Biergärung im Gärkeller.

Zur erfolgreichen Durchführung des erfindungsgemä Ben Verfahrens ist es zunächst einmal notwendig, dal das aus mehreren hintereinandergeschalteten Rohrei

iestehende Fermentationssystem auf seiner ganzer. .änge von dem Gemisch in Pfropfenströmung durchl'ossen wird, d. h., es kommt darauf an, eine Rückvermichung schon vergorener Würze in der Strömungsrichung zu unterbinden, damit die Würzekonzentration zu cderZeit auch an jedem Ort im Röhrensystem optimal _st) so daß eine maximale Umseizgeschwindigkeit erreicht wird. Die Umsatzgeschwindigkeit ist nämlich jroportional der Würzekonzentration, die während des Gärvorganges abnimmt, da sich Alkohol bildet; sie wird lilso um so höher sein, je größen die Konzentration ist.

Im Vergleich zu den kontinuierlichen Biergärungen in Fermentern vom Typ des Rührkessels ist hier aiso eine höhere Geschwindigkeit des Gärprozesses erreichbar; als zusätzlicher Vorteil ergibt sich dann noch, daß der Reaktionsraum erheblich kleiner als bisher dimensioniert werden kann.

Außerdem ist es eine bekannte Tatsache, daß für die Bierqualität eine Rückvermischung des gärenden Gemisches nicht förderlich ist.

Am besten wird dabei auf der in jedem Rohr des Fermentationssystems vorgesehenen Walze nur ein einziger achsparalleler Rührstab angebracht, der insbeiondere dazu dient, ein Ablagern der Hefe im Fermentationssystem zu verhindern. Er reguliert überraschenderweise auch die unerwünschte Schaumbildung. Außerdem ist es günstig, die Menge des die Rohre durchströmenden Gemisches so zu bemessen, daß die Füllhöhe des Gemisches in den Rohren etwa 1/2 bis -.'; des Rohrdurchmessers beträgt.

Weiterhin ist es erforderlich das ganze, z.B. aus 10 Rohren bestehende Fermentationssystem in mindestens zwei Abschnitte von z. B. je 5 Rohren zu unterteilen, wobei am Ende des ersten Abschnittes, z. B. nach dem 5. Rohr, Abscheideeinrichtungen, wie z. B. an sich bekannte Absetzbehälter oder auch Zentrifugen, angeordnet sind, in denen aus dem gärenden Gemisch fast die ganze Hefe (etwa (95%) je nach der jeweils vorgesehenen Betriebsweise entweder mit etwas aufgeschlämmter Restwürze oder aber mit einem größeren Teil der Restwürze abgeschieden und an den Anfang des Fermentationssystems zugeführt wird, während am Ausgang des letzten Abschnittes (also hier im Beispiel: am Ausgang des 10. Rohres) das Jungbier abgeführt wird (vgl. hierzu die entsprechenden Angaben im Anspruch 1).

Zur Sterilisation der Würze ist jedes Verfahren zur kontinuierlichen Sterilisation von Flüssigkeiten geeignet; besonders günstig ist z. B. ein Verfahren, das ein Strömungsrohr mit einheitlichem Strömungsbild verwendet, in dem die kontinuierlich durchströmende Flüssigkeit in dünnen Schichten kurzzeitig einer UV-Bestrahlung oder Hitze-Einwirkung ausgesetzt wird.

Die Menge der zugeführten Bierwürze ist auf die aus dem Fermentationssystem rückgefü'nrte, nach dem ?. Rohr entnehmbare Hefe abzustimmen, die von dem jeweiligen Ablauf des Gärungsprozesses abhängt. Die zugeführte Bierwürze muß auf der Zulaufseite im 1. Rohr daher /.. B. zwischen 1 und 2 Liter bei einem Fermentationssystem aus insgesamt 10 Rohren von einem Rohrdurchmesser von 5 cm und einer Länge von 2 m liegen.

Um die hohe Hefekonzentration von etwa 150 g/l Gemisch gleichbleibend aufrechtzuerhalten, sind noch zwei weitere Maßnahmen erforderlich: einerseits muß das Gemisch dauernd auf einer Temperatur von etwa 20 hk ?S°C gehalten werden, und zwar durch das

Temperieren der Rohre, andererseits muß dem Gemisch beim Durchströmen der Rohre ständig frische sterile Luft zugeführt werden, und zwar in Abhängigkeit vom O:-Gehult des Gemisches dadurch, daß während der gesamten Dauer der kontinuierlichen Gärung der Bierwürze ein geringer Luftstrom durch das Röhrensystem geführt wird bzw. daß in regelmäßigen Abständen frische sterile Luft zugegeben wird. Diese Vorgangsweise hat den Sinn, den Hefezeiien den zu ihrer geringen Zuwachsgeschwindigkeit (5%) nötigen O2 zu liefern. Außerdem soll die Bierwürze an O2 nicht ganz verarmen, damit die Aromabildung nicht ungünstig beeinflußt wird.

Erst durch diese gezielte Belüftung ist der kontinuierliche Betrieb über lange Zeiten sichergestellt, indem die physiologischen Eigenschaften der Hefezellen durch gleichbleibende Bedingungen aufrechterhalten bleiben.

Durch die fortwährende Rückführung der Hefe des Fermentationssystemes gelangt diese immer wieder an die Einlaufstelle der frischen Würze. Diese Vorgangsweise hat den Vorzug, daß der physiologische Zustand der Hefezellen immer gleichbleibend leistungsfähig ist, somit die Gärkraft und die Maliose-Permease-Aktivitäi nicht abnimmt. Erst durch dieses Verfahren wird die Schnellgärung kontinuierlich durchführbar. Die Operationsparameter: Temperatur, Belüftungsstärke. Länge des Fermemavionssystems und rückgeführte Hefemenge sind also so aufeinander abzustimmen, daß aus dem Fermentationssystem diejenige Menge Hefe abgeführt wird, die an der jeweiligen Zeiteinheit im Gärröhrensystem neu gebildet wird (etwa 5%), d. n. Zuwachsgeschwindigkeit der Hefezeiien etwa gleich der Ausw asehgeschv. indigkeit.

Die Länge des ganzen Fermentationssystems. mit der natürlich auch die Verweilzeit des gärenden Bieres in diesem System zusammenhängt, wird bestimmt durch den gewünschten Grad der zu erreichender Vergärung des Bieres, je nachdem, welche der alternativ genannten Betriebsweisen angewendet wird, sind bei einer Anlage entweder die Betriebskosten oder aber die lnvest'tionskosten geringer:

Bei der erstgenannten Betriebsweise, bei der fast die ganze abgesetzte Hefe mit nur wenig Restwürze in den Rücklauf geleitet wird, sind es die Betriebskosten, da weniger Überwachung des Verfahrens erforderlich ist: dafür muß das Rohrsystem länger sein;

bei der letztgenannten Betriebsweise, bei der die ganze abgesetzte Hefe mit sehr viel Restwürze in den Rücklauf geleitet wird, sind die Investitionskosten geringer, da das Rohrsystem im Hinblick darauf. Caß dessen erster Abschnitt mehrmals von dem Gemisch durchströmt wird, kürzer sein kann, also Rohre gespart werden können; dafür ist eine größere Überwachung des Verfahrens erforderlich.

Bei der Anwendung der letztgenannten Betriebsweise, bei der also ein erheblicher Teil des Gemisches mehrmals zum Anfang des Fermentationssystems zurückgeleitet wird, ist es günstig, wenn das aus den Absetz.behältern zurückzuleitende Gemisch durch eine ohne Mischwirkung aibeitende Flüssigkeitspumpe im K: eislaut des ersten Abschnittes des Fermentation^ stems geführt wird. d. h. durch eine Pumpe mit kleinem Pumpvolumen. die das ankommende Volumen sofort w eitertransportiert, ohne es mit den nachfolgenden Volumen zu vermischen.

Um die Wirkungsweise des erlindungsgemäßen Verfahrens und das Ineinandergreifen der verschiedenen Operationsparameier zu zeigen, sei ein bereits

praktisch erprobtes Ausführungsbeispiel beschrieben Es zeigen

Fig.], 2 und 3 die .schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens;

F i g. 4. 5 die Vorrichtung zur Durchführung der erfindungsgemäßen Verfahren;

Fig. 6 ein Schaubild über die Abhängigkeit der für die Pfropfenströmung maßgeblichen Bodensteinzahl Bo von der Umfangsgeschwindigkeit der Walze in einem Fermentationsrohr.

Das Fermentationssystem zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht aus z.B. 10 hintereinandergeschalteten Fermentationsrohren R 1, R2 ... R 10, die in den Fig. 1 bis 3 schematisch im Grundriß, in Seiten- und Vorder-Ansicht dargestellt sind. Wegen der besseren Übersichtlichkeit sind dabei in Fig. 1 die an sich übereinanderliegenden Rohrgruppen RX bis R 5 und R 5 bis RXO nebeneinanderliegend gezeichnet, außerdem die Gruppe R β bis Λ10 in umgekehrter Reihenfolge. Die Rohrgruppen können je nach Bedarf auch in anderer Weise, z. B. R X bis R 7; R 8 bis R 10, oder z. B. in 3 Gruppen R X bis R 5, R 6 bis R 8. R 9 bis R 10 zusammengefaßt werden.

Jede Rohreinheit kann dabei in ihrem konstruktiven Aufbau z.B. gemäß Fig. 6 der österreichischen Patentschrift 2 71357 ausgebildet sein. Eine solche Rohreinheit (Schnittlinie 1-1) ist in den F i g. 4 und 5 der Zeichnung im Längs- und Querschnitt dargestellt: sie besteht aus einem Gär-Rohr R mit dem Durchmesser dR. das mit einem Thermostatmantel Th umhüllt ist. In dem Gär-Rohr R ist als Mischvorrichtung eine je nach Bedarf mit einer bestimmten Drehzahl umlaufende Walze W mit dem Durchmesser dw gelagert, die mit einem achsparallelen Rührstab RS versehen ist: dessen Höhe h ist so bemessen, daß der Rührstab einerseits ein ausreichendes Mitnehmen des im Gär-Rohr R vorhandenen Gemisches bei minimaler longitudinaler Rückmischung, d. h. bei Pfropfenströmung, und unter Vermeidung des Absetzens der Hefe in dem Rohr ermöglicht, andererseits aber genügend Abstand von der Innenwandung des Rohres R hat, um nicht an dieser zu schleifen.

Das Rohr R weist in der an sich aus der genannten österreichischen Patentschrift bekannten Weise mehrere Anschlußstutzen St X. St 2 ... St 10. St 13 auf; ferner sind für den Thermostatmantel 77? auch noch zwei Stutzen Sf 11. St 12 vorgesehen. Gemäß dem vorliegenden Beispiel dienen

die Stutzen Si 1, St 2, St 3. St 12 zur Zuführung der Bierwürze bzw. der rückströmenden Flüssigkeit bzw. der Luft bzw. der Thermostatflüssigkeit, die Stutzen Si 4, St 12, St 13 zur Abführung von Luft + CO2 bzw. der Thermostatflüssigkeit bzw. der Weiterleitung von Luft zum nächsten Rohr, die Stutzen Si 9, St 10 zur Zu- bzw. Abführung des das Rohr (in der Zeichnung von links nach rechts) durchströmenden Gemisches Gm, die absperrbaren Stutzen Si 5, Si 6 zum Anschluß von Meßgeräten;

die absperrbaren Stutzen Si 7, Si 8 zum Ablassen von Flüssigkeiten aus dem Rohr ."?

Die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens ist aus den Fig. 1 bis 3 ersichtlich. Aus einem kühlgelagerten Vorratsbehälter SWwird die über eine Dosierpumpe PX zulaufende Bierwürze durch einen kontinuierlich arbeitenden Sterilisator SR geschickt, z. B. in der Form eines Strömungsrohres mit einheitli-

chem Strömungsbild. in dem die kontinuierlich durch strömende Flüssigkeit in dünnen Schichten kurzzeitij einer UV-Bestrahlung oder Hitze-Einwirkung ausge set/i wird.

Über einen nicht dargestellten Wärmeaustausche gelangt die sterilisierte Würze in ein Vorratsgefäß VC aus dem sie in dem gewünschten Maß in das Rohr R 1 des Gärröhrensystems zufließen kann, in dem sich schor in Würze suspendierte Hefe in einer Konzentration vor etwa 150 g/l befinden soll. In diesem Gärröhrensysterr (Rohre RX bis R 10) geht nun die Hauptgärung be Zimmertemperatur (etwa 20 bis 25°C) vor sich, wöbe durch den Thermostatmantel Th die Gärrohre au! konstanter Temperatur gehalten werden, da nui dadurch ein sicherer kontinuierlicher Betrieb einstellbai ist. Das Fließen des Gemisches in dem Fermentationssystem kann durch eine oder mehrere nichtdargestelltc Pumpen oder aber z. B. auch durch das Gefälle in der entsprechend geneigten Rohren bewirkt werden.

Folgende Einzelheiten sind zu berücksichtigen:

a) Der Gär^rozeß wird z. B. in den Rohren der 1. Gruppe, z. B. RX bis R 5. fast bis zum Endvergärungsgrad durchgeführt. Das ermöglicht nach der fünften Rohreinheit R5 ein gutes Absetzen der Hefe, die in Absetzbehältern A X, A 2 zum großen Teil vom Jungbier getrennt wird.

b) Diese fünf Rohreinheiten RX bis R 5 werden kontinuierlich mit frischer Luft beschickt, mit einem Strom von etwa 10 l/h. der das gewünschte Hefewachstum in dem Gemisch in der Größenordnung von etwa 5% gewährleistet, was auch für die Aromabildung (Diacetyl) günstig ist. Dabei ist es am sichersten, in jeder Rohreinheit die dort vorhandene Ch-Konzentration direkt zu messen und die Luftzufuhr zu dieser Rohreinheit entsprechend zu steuern, weil dadurch die optimale Menge der Luft und der Ort der Zu-Dosicrung genau eingehalten werden kann (Meß-Stutzen St 6).

c) Bei Zugrundelegung der bekannten baulichen Ausführung der drehbaren Walze W mit dem Durchmesser A ist deren Drehzahl entscheidend für die Ausbildung einer möglichst ungestörten Strömung ohne longitudinal Rückmischung (Pfropfenströmung). Die Drehzahl ist bei der hier erörterten Ausführung z. B. etwa 50 Umdrehungen pro Minute bei einem Walzendurchmcsser dw von 4 cm. einem Rohrdurchmesser Jr von 5 cm und einer Rohrlänge von 200 cm. Die Drehzahl darf nicht zu klein gehalten werden, da dadurch der Charakter der Pfropfensirömung (vgl. Fig. 6) verloren gehen kann und außerdem die Hefe sich dann abzusetzen beginnt. Die Drehzahl darf andererseits nicht zu hoch sein, weil die Pfropfensirömung wieder schlechter wird und vor allem die Bildung von Schaum sich störend bemerkbar macht.

Hierdurch ergeben sich die praktischen Grenzen der Drehzahl von 50 U/min, bei einem Walzendurchmesser von 4 cm und einem Rohrdurchmesser von 5 cm, das entspricht einer Umfangsgeschwindigkeit der Walze von etwa 20 cm/sec.

d) Der Vergärungsgrad ist von der Verweilzeit der Bierwürze im Ferrnentationssystem direkt abhängig. Dabei kann die Würzeverweilzeit beeinflußt werden, indem z.B. nach der fünften Rohreinheit R 5 das gesamte in den Absetzbehältern AX. A2 gesammelte Hefe-Würze-Gemisch mit einer Flüssigkeitspumpe Pl in das erste Gärrohr R X rückgeführt wird. Es gilt die Aussage, daß für eine vorgegebene Apparatdimension eine maximale Rückflußmenge zulässig ist, die ihrerseits

wieder eine vermehrte Zu-Dosierung von 1 rischwürze erlaubt. |edoch existiert ein optimales Verhältnis von Zulaufmenge (Bierwürze) und Rücklaufmenge, das nicht überschritten werden darf:/.. Ii.: Zulaut': Rücklauf. 1 : 10, mit 10 1 als gesamtes Füllvolumen ergibt sich ein Zulaul von 2 l/h, d. h.: die mittlere Verweilzeit (üär/eit) beträgt ca. ΐ Ii.

e) Das am linde des fünften Rohres K 5 als las; endvergoren abfließendes Jungbier (restliche Hefe etwa 5%) fließt, ebenfalls unter Finw'rkung von Frischluft, durch die restlichen Rohre /?6 6 bis R10 in ein Vorratsgefiiß BB. Hier wird das Jungbier mit der restlichen Hefe gelagert unter Berücksichtigung der für eine günstige und rasche Fertigstellung des Bieres nötigen Maßnahmen. Dann kann anschließend das Bier hefefrei filtriert werden.

I) Durchsalz bei einer Ciroßanlage (berechnet ftii /. =- 20 m.dK =- 50 cm. i/n = 40 cm)

F:v. r = 1 70 1¹Ii für eine Verweilzeit t = 8 h.
!■'■·,.ix -■-- 4">0 I h tür eine Wrweilzeit t = 3 h.

Durchsatz bei einer Klei.ianlage (/. - 2 in du = 5 cm, J» -- 4 cm)

I- — 21. h '. - ι Ii \'erw cil/en

g) Der Durchs,π/ kann erhöht werden, indem dii Walze aus mehreren konzentrisch ineinander angenrd neten und fest miteinander verbundenen Rohrei besteht, die an ihren |-lndcn offen sind und \oneinande einen die einwandfreie Durchliiltung der nichteinge tauchten W'alzenieile ermi'iglichenden Abstand aufwei sen.

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Claims (3)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur kontinuierlichen dünnschichtigen Vergärung von Bierwürze in mehreren himereinandergeschalteten, horizontal gelagerten Rohren, die je sowohl mit einer walzenförmigen Mischvorrichtung als auch mit Einlaßöffnungen für die Bierwürze und Luft sowie mit Austrittsöffnungen für das überflüssige Gasgemisch und mit Einrichtungen zum ι ο Temperieren ausgerüstet sind, und wobei das aus mehreren hintereinandergeschalleten Rohren bestehende Fermentationssystem auf seiner ganzen Länge von dem Gemisch in Pfropfenströmung durchflossen wird, ferner dieses Fermsntationssy- is stern in mindestens zwei Abschnitte unterteilt ist, wobei am Ende des ersten Abschnittes Abscheideeinrichtungen angeordnet sind, in denen aus dem gärenden Gemisch etwa 95% der Hefe entweder mit etwas Restwürze aufgeschlämmt oder mit bis etwa ;o 50% der Restwürze abgeschieden und an den Anfang des Fermentationssystems zurückgeführt wird, während am Ausgang des letzten Abschnittes das lungbier abgeführt wird, außerdem dem an den Anfang des Fermentationssystems zurückgeführten hochkonzentrierten Hefe-Bierwürze-Gemisch dort stetig sterile Bierwürze, maximal im Verhältnis

Bierwürze 1

Gemisch H) ' \o

zugesetzt wird, so daß am Anfang des Fermentationssystems eine Hefekonzentration von etwa 150 g/l Gemisch herbeigeführt wird, des weiteren dem in dem Fermentationssystem gärenden, .vs dauernd auf einer Temperatur von etwa 20 bis 25'C gehaltenen Gemisch in Abhängigkeit vom erforderlichen Ch-Gehah des Gemisches ständig frische sterile Luft zugeführt wird und aus dem gärenden Gemisch diejenige Menge Hefe abgeführt wird, die in der jeweiligen Zeiteinheit im Fermentationssystem neu gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Walzendurchmesser dw = 8/10 Rohrdurchmesser (Jr und einer Rohrlänge Lr s 40 (Jr die Umfangsgeschwindigkeit der Walze etwa 20 cm/sec und die Durchflußgeschwindigkeit des Gemisches im Rohr 0.1 bis 0.5 cm/sec betragen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllhöhe des Gemisches in den Rohren des Fermentationssystems etwa '/2 bis ²h des Rohrdurchmessers (du)beträgt

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Walze aus mehreren konzentrisch ineinan- ss der angeordneten und feit miteinander verbundenen Rohren besteht, die an ihren Enden offen sind und voneinander einen die einwandfreie Durchlüftung der nichteingetauchten Walzenteile ermöglichenden Abstand aufweisen. <,o