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Verfahren und Anordnung zum Würzekochen
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Anordnung zum
Würzekochen, bei dem die Würze in einem externen Wärmetauscher erhitzt, in einem
zwischen Wärmetauscher und Braupfanne angeordneten Thermoreaktionsgefäß auf einer
Reaktionstemperatur gehalten und durch eine Umwälzpumpe im Kreislauf von der Braupfanne
über den Wärmetauscher, das Thermoreaktionsgefäß und zurück zur Braupfanne umgepumpt
wird.
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In herkömmlichen Anordnungen für die externe Würzekochung wird die
Würze unten aus der Würzepfanne abgesaugt, in einem Außenkocher auf ca. 105 bis
110° C erhitzt und über ein axial in die Würzepfanne mündendes Einlaufrohr oberhalb
des maximalen Würzespiegels (Pfanne voll) eingeleitet und dabei entspannt.
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Um eine ausreichend gleichmäßige Kochung der Würze zu gewährleisten,
d. h. alle Würzepartikel ausreichend zuverlässig ca.
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zweimal dem Außenkocher zuzuführen, muß der Pfanneninhalt etwa 7 bis
8 mal umgewälzt werden. Selbst dabei besteht die Gefahr, daß die während der gesamten
Prozeßzeit nur zweimal den Außenkocher durchströmenden Würzepartikel nur während
einer relativ kurzen Zeit der eigentlichen Reaktion (im Kreis außerhalb der Würzepfanne)
ausgesetzt sind. Eine Verringerung der Anzahl der Würzeumläufe würde selbst bei
der bisher nicht möglichen Vereinheitlichung und Vergleichmäßigung der Beteiligung
der Teilchen am Würzeumlauf kaum Verbesserungen bezüglich der Dauer der Reaktionszeit
erbringen.
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In "Monatsschrift für Brauerei" vom 29. November 1977 sind auf Seite
477 die Gründe für das Würzekochen wie folgt angegeben: 1. Lösung und Isomerisierung
der Bitterstoffe, 2. Koagulation von Eiweiß, 3. Entfernung unerwünschter Aromastoffe,
4. Konzentration der Würze, 5. Bildung reduzierender Substanzen, 6. Inaktivierung
der noch vorhandenen Enzyme und 7. biologische Stabilisierung (Sterilisation).
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Von diesen werden die unter 1), 2), 3), 5), 6) und 7) angegebenen
Wirkungen durch eine Verlängerung der Temperatureinwirkung günstig beeinflußt.
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Zur Verlängerung der Temperatureinwirkung ist es bekannt, ein Thermoreaktionsgefäß
zwischen Wärmetauscher und Braupfanne zu schalten. Die normalerweise bei einer Würzeumpumpgeschwindigkeit
von 2m/sec sich ergebende Reaktionsphase im Wärmetauscher von ca. 3 Sekunden wird
durch das Thermoreaktionsgefäß um den Faktor 30-40 verlängert. Anlagen mit externer
Kochung und Thermoreaktionsgefäß werden normalerweise eingesetzt, um die Würzekochzeit
abzukürzen.
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Beim Würzekochen mit herkömmlichen Anordnungen ohne Thermoreaktionsgefäß
müssen etwa 12 bis 15 % der Würze-Ausschlagmenge verdampft werden, um die o. g.
Reaktionen vollständig durchzuführen. Die sich dabei ergebenden großen Brüdenmengen
mit ihrem großen Wärmeinhalt haben zum Einsatz von Brüdenverdichtern geführt. Die
verdichteten und damit erhitzten Brüden werden über den Wärmetauscher zur Würzeerhitzung
genutzt und damit Energie zurückgewonnen. Brüdenverdichter und ihre Antriebe sind
jedoch relativ teuere Aggregate. Die Größe des Verdichters sowie dessen Antriebsleistung
richten sich nach
der erforderlichen Verdampfungsleistung der Braupfanne.
Herkömmliche Anordnungen zur externen Kochung mit hohen Verdampfungsleistungen bedingen
leistungsstarke Brüdenverdichter. Die hohen Gestehungskosten haben Brüdenverdichter
in vielen Fällen unwirtschaftlich erscheinen und zur Energierückgewinnung relativ
selten zum Einsatz kommen lassen. Die Brüden wurden bisher meist in die Atmosphäre
abgelassen, da in einer Brauerei, z.B.
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wegen der erforderlichen Rückkühlung der fertiggekochten Würze genügend
warmes Brauwasser anfällt und eine Nutzung der Brüdenrestwärme in den meisten Fällen
nicht sinnvoll erschien.
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Aufgabe der Erfindung ist es, das gattungsgemäße Verfahren für eine
Rückgewinnung der Heizenergie so zu verbessern, daß der Energiebedarf für den Kochprozeß
besonders wirtschaftlich gedeckt, d.h. bei geringen Anlage- und Betriebskosten,
gesenkt werden kann.
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Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die
Würze im Wärmetauscher auf 103° - 106"C erhitzt wird, daß die Umwälzung zwischen
Braupfanne, Wärmetauscher, Thermoreaktionsgefäß und zurück zur Braupfanne so gewählt
wird, daß in der Braupfanne bei etwa atmosphärischem Druck ca. 3 bis 6% der Würze-Ausschlagmenge
pro Stunde verdampfen, daß die anfallenden Brüden einem Brüdenverdichter zugeführt
werden und der Kochprozeß mit den verdichteten Brüden als Heizmedium für den Wärmetauscher
aufrechterhalten wird.
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Anders als bei herkömmlichen Verfahren, bei denen mit Hilfe der verstärkten
Reaktionen im Thermoreaktionsgefäß in der Regel die gesamte Kochzeit verkürzt wurde,
wird die Temperatur/Zeiteinwirkung des Thermoreaktionsgefäßes auf die Würze bei
in der Regel normal langer Kochzeit ausgenutzt, um die stündliche Verdampfungsleistung
von üblichen 6 bis 8% auf ca.
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4% zu senken. Mit der erfindungsgemäßen Verfahrensführung
gelingt
es bei Kombination einer Thermoreaktion mit einer Brüdenverdichtung bei gleichen
sowohl die Anlagekosten, insbesondere diejenigen des Brüdenverdichters mit zugehöriger
Antriebsmaschine, als auch die Betriebskosten durch Nutzung der Wärmeenergie der
Brüden und Rückführung in den Kochprozeß entscheidend zu senken. Der Einsatz des
Thermoreaktionsgefäßes speziell zum Zwecke der drastischen Verringerung der stündlichen
Verdampfungsleistung ermöglicht den Einsatz leistungsschwacher Brüdenverdichter
und leistungsschwächerer Wärmetauscher, kleinerer Rohrquerschnitte, Klappen und
Armaturen in der brüdenseitigen Anlage.
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Diese Senkung der Anlage- und Betriebskosten geht hervor aus der nachfolgenden
numerischen Gegenüberstellung von (I) einer konventionellen externen Würzekochung
mit Brüdenverdichtung und (II) der erfindungsgemäßen Verfahrensführung mit externer
Würzekochung, Thermoreaktion unter Verringerung der stündlichen Verdampfungsleistung
und Brüdenverdichtung: I II Dimension
| Ausschlagmenge: 460 460 hl |
| Kochzeit: 90 90 Min. |
| Gesamtverdampfung: 55,2 36,8 hl |
| Gesamtverdampfung in |
| % der Ausschlagmenge: 12 8 |
| Stündliche Verdampfung |
| (Verdichtungsleistung): 36,8 24,5 hl/h |
| Stündliche Verdampfung in |
| % der Ausschlagmenge: 8 5,3 |
| Kosten für die komplette |
| Brüdenverdichtung einschl. |
| externer Kochung und |
| Steuerung ca: 810.000,-- ca. 600.000,-- DM |
| Stromkosten:(1.000 Sude/Jahr)ca:48.000.-- 34.500,-- DM |
In diesem Vergleich wurde bei übereinstimmenden technologischen
Werten der Würze nur eine Reduzierung der Verdampfung von ca. 33% angenommen. Je
nach Betriebsbedingungen lassen sich jedoch durch die Erfindung noch wesentlich
verringerte Verdampfungsleistungen erreichen, die zu entsprechend verringerten Anlage-
und Betriebskosten führen. Überraschend ist, daß es durch die erfindungsgemäße Verfahrensführung
gelingt trotz Einsatz eines zusätzlichen Apparats, nämlich einer Thermostrecke,
auch die Anlagenkosten soweit zu senken, daß die Brüdenverdichtung selbst bei relativ
geringen Sudfolgen wirtschaftlich wird.
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Besonders vorteilhafte Betriebsbedingungen ergeben sich, wenn in Weiterbildung
der Erfindung die Würze im Wärmetauscher auf etwa 106"C erhitzt wird, der Kochprozeß
ca. 90 Minuten aufrechterhalten wird und die Umwälzung so gewählt wird, daß ca.
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4% der Würze pro Stunde verdampfen. Soll die gesamte Kochzeit beispielsweise
auf 60 Minuten herabgesetzt werden, so wird die Umwälzung in alternativer Weiterbildung
der Erfindung so gewählt, daß stündlich ca. 6% der Würze verdampfen.
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Die Anordnung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens geht
aus von einer Braupfanne zur Aufnahme von Würze, einem mit der Braupfanne verbundenen
externen Wärmetauscher zum Erhitzen der Würze, einem Thermoreaktionsgefäß zum Halten
der Würze auf der Reaktionstemperatur und einer Umwälzpumpe. Die Anordnung ist erfindungsgemäß
dadurch gekennzeichnet, daß ein Brüdenverdichter vorgesehen ist, dem die am Brüdenabzug
der Braupfanne anstehenden Brüden zugeführt werden, und daß der Brüdenverdichter
und dessen Antriebsmotor für eine Brüdenmenge bemessen ist, die einer stündlichen
Ausdampfung von etwa 3 bis 6% der Würze-Ausschlagmenge entspricht.
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Die Verringerung der Verdampfungsleistung, d.h. der pro Zeiteinheit
anfallenden
Brüdenmenge, erlaubt den Einsatz eines Brüdenverdichters einer kleinen Leistungsklasse
und damit die Reduzierung der Anschaffungskosten um ca. 35%. Damit wird die Brüdenverdichtung
als Mittel zur Energierückgewinnung, d.h.
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zur Senkung der Kosten bei der externen Würzekochung besonders wirtschaftlich.
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Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung
anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert.
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In der Figur 1 ist eine schematische Darstellung mit den wichtigsten
Komponenten der erfindungsgemäßen Anordnung zum externen Würzekochen mit einem Thermoreaktionsgefäß
und einem Brüdenverdichter dargestellt.
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Die in Fig. 1 schematisch gezeigte Anordnung zum externen Würzekochen
weist eine Würzepfanne 1 auf, die in der Darstellung etwa bis zur Maximalhöhe (Pfanne
voll) mit Würze 2 gefüllt ist. Die Würze wird in eine Ablaufvorrichtung 3 an mehreren,
über den Kesselboden 10 gleichmäßig verteilten Ablaufstellen abgesaugt und über
einen Sammeltopf 32, eine Leitung 4 und die Umwälzpumpe 5 in einen als Wärmetauscher
ausgebildeten Außenkocher 6 eingeführt. Eine Rohrleitung 7 führt vom Ausgang 61
zu einem Einlaß eines als zylindrischer Hohlkörper ausgebildeten Thermoreaktionsgefäßes
8, dessen freier Innenquerschnitt um ein Vielfaches größer als der Querschnitt des
Leitungsrohrs 7 bzw. derjenige des sich an den bodenseitigen Auslaß 81 des Gefäßes
8 anschließenden Leitungssystems 9 ist.
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Die Leitung 9 führt vom Ausgang 81 des Thermoreaktionsgefäßes 8 einerseits
zu einem nahe des Bodens 10 der Würzepfanne 1 gelegenen Einlaß 11, durch den die
Würze während der Aufheizphase in die Würzepfanne eingeleitet wird, und andererseits
zu den beim Würzekochen verwendeten Haupteinlauf 12, der in dem
beschriebenen
Ausführungsbeispiel im Kopfteil der Würzepfanne oberhalb des Flüssigkeitsspiegels
13 angeordnet ist. Die im Außenkocher 6 erhitzte und durch das Thermoreaktionsgefäß
8 und die Leitung 9 in die Würzepfanne 1 zurückgeleitete Würze wird mit Hilfe einer
mit dem Einlauf 12 verbundenen oder diesem zugeordneten Verteilervorrichtung 14
gleichmäßig über den Flüssigkeitsspiegel 13 verteilt und aufgeschichtet, wobei sich
die Würze unter entsprechendem Temperaturabfall entspannt. Die Brüden werden durch
einen Brüdenabzug 15 aus dem Kopfteil des Würzekessels 1 abgezogen.
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Dem Einlauf 80 des Thermoreaktionsgefäßes 8 ist eine geeignete Verteilervorrichtung
82 beispielsweise in Form eines geeigneten Pralltellers zugeordnet, die den aus
dem Einlauf 80 austretenden Würzestrahl auffächert und möglichst gleichmäßig über
den Innenquerschnitt des Thermoreaktionsgefäßes 8 verteilt. Dies geschieht zur Erzielung
einer möglichst einheitlichen Abwärtsströmung im Thermoreaktionsgefäß 8, damit alle
Würzeteilchen im Thermoreaktionsgefäß möglichst mit der gleichen Verweilzeit bleiben
und dadurch gleichen oder weitgehend einander angenäherten Thermoreaktionen ausgesetzt
sind.
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Die durch den Brüdenabzug 15 abgesaugten Brüden werden über die Leitung
20 dem Brüdenverdichter 21 zugeführt und nach Verdichtung und der damit verbundenen
Temperaturerhöhung über die Leitung 22 bei 23 in den Wärmeaustauscher 6 zur Erhitzung
der Würze geleitet. Über eine Leitung 24 wird das Brüdenkondensat zu einem nicht
dargestellten Kondensatkühler und von dort in die Kanalisation abgeführt. Bei 25
ist ein Einlaßstutzen für Frischdampf vorgesehen, um während der Anfahrphase, in
der noch keine erhitzten Brüden zur Verfügung stehen, die Würze zu erhitzen.
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Die Funktionsweise der in Fig. 1 dargestellten und zuvor beschriebenen
Anordnung
ist wie folgt: Zusammen mit dem Füllen der Würzepfanne 1 wird das Thermoreaktionsgefäß
8 vor Beginn der Würzekochung gefüllt. Bei der dargestellten Anordnung füllen sich
das Thermoreaktionsgefäß 8 und der Außenkocher 6, bevor der der "Pfanne voll" entsprechende
Flüssigkeitsstand 13 erreicht ist. Bereits nach teilweiser Befüllung der Pfanne
kann durch Zuführung von Frischdampf in den Wärmetauscher mit dem Aufheizen begonnen
werden, wobei das zum unteren Einlaß 11 gehörige Ventil 16 geöffnet ist. Nach dem
Erreichen einer vorgegebenen Würzetemperatur wird das Absperrventil 16 geschlossen,
die Frischdampfzufuhr unterbrochen, die Brüdenverdichtung begonnen und der Wärmetauscher
mit erhitzten Brüden beschickt. Der eigentliche Kochvorgang beginnt. Die Würze 2
wird von der Pumpe 5 aus dem Bodenbereich der Würzepfanne 1 abgezogen und in den
Außenkocher 6 eingeleitet. Im Außenkocher erhält die Würze die vorgegebene Kochtemperatur,
die etwa im Bereich von 104" - 1060C liegt.
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Die Temperatur der Brüden wird von ca. 100"C am Verdichtereingang
durch Druckerhöhung im Brüdenverdichter 21 auf etwa 110 -116"C angehoben. Die Frischdampfheizung
bei Beginn des Kochvorgangs geht fließend in die Erhitzung der Würze durch die verdichteten
Brüden über, so daß der Kochprozeß ohne weitere Frischdampfzufuhr über die restliche
Kochzeit aufrechterhalten werden kann.
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Die heiße Würze tritt am Ausgang 61 des Außenkochers 6 aus und wird
über den Einlauf 80 in das mit Würze gefüllte Thermoreaktionsgefäß 8 eingeleitet.
Eine der einlaufenden Menge entsprechende Würzemenge wird aus dem Auslaß 81 des
Thermoreaktionsgefäßes in das Leitungssystem 9 gegeben und von dort über den Einlauf
12 und die Verteilervorrichtung 14 in den freien Kopfraum der Würzepfanne 1 zur
Entspannung der Würze eingeleitet.
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Aufgrund der gleichmäßigen und nahezu wirbelfreien Aufschichtung der
Würze mit Hilfe der Verteilervorrichtung 14 entwickelt sich eine gleichmäßige, quasi
laminare Strömung in Richtung der Pfeile 24, an der praktisch alle Würzeteilchen
gleichmäßig beteiligt sind. Die Auslaufvorrichtung 3 sorgt aufgrund der ebenfalls
gleichmäßig über den Würzepfanneboden 10 verteilten Auslaufstellen 31 für einen
ebenfalls relativ gleichmäßigen Würzeabzug aus der Würzepfanne 1. Aufgrund dieser
Anordnung der Würzepfanne für die externe Würzekochung werden alle Würzeteilchen
relativ gleichmäßig am Kochvorgang, d. h. am Abzug aus der Würzepfanne 1 und an
jeder Umwälzung durch den Außenkocher 6 beteiligt, so daß die Anzahl der für die
Kochung und die Qualität des Kochguts notwendigen Würzeumwälzungen minimiert werden
kann.
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Das Thermoreaktionsgefäß 8 erhöht die Thermoreaktionszeit des heißen
Kochguts erheblich, da die aus dem Außenkocher 6 austretende Würze im Thermoreaktionsgefäß
8 vergleichsweise auf der Kochtemperatur gehalten wird. Die wesentlich verlängerte
Temperaturhaltezeit hat einen besonders günstigen Einfluß auf die eingangs genannten
Kochwirkungen 1) bis 3), insbesondere auf die Koagulation des Eiweißes. Die in das
Thermoreaktionsgefäß 8 eintretende Würze tritt erst nach einer relativ langen Verweilzeit
aus dem Auslaß 81 aus und wird beim Ausstoßen aus der Verteilervorrichtung 14 entspannt.
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Durch Beibehaltung der ohne Thermoreaktionsgefäß üblichen Kochzeit
von ca. 90 bis 120 Minuten und bei gleichzeitger Begrenzung der Temperaturen auf
103 - 106"C, erfolgt während des Kochvorganges nur eine zum Austreiben nicht erwünschter
Aromastoffe erforderliche beispielsweise 6 %ige Verdampfung der Würze. Trotzdem
erfolgen durch die längere Temperatureinwirkung im Thermoreaktionsgefäß in der Würze
die eingangs
erwähnten Reaktionen. Die Würzekochkosten sind durch
die aus den Brüden zurückgewonnene und zur Würzekochung eingesetzte Energie und
die zu üblichen Brüdenverdichtern vergleichsweise geringere Antriebsleistung bedeutend
verringert, während die Anschaffungskosten durch die kleinere Brüdenverdichtereinheit
gesenkt sind.