-
Verfahren zur Erzeugung definierter disperser Systeme und
-
Anordnung zu seiner Ausführung Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zur Erzeugung definierter disperser Systeme und eine Anordnung zu seiner Ausführung,
insbesondere zur Erzeugung einer definierten Anzahl von Bierhefezellen (disperse
Phase) je Volumen- oder Mengenteil Bierwürze (kontinuierliche Phase).
-
Das Problem, ein definiertes disperses System zu erzeugen, stellt
sich beispeilsweise bei der Bierherstellung. Zur Erzielung einer stets gleich guten
Bierqualität spielt ein stets gleicher Gärverlauf eine entscheidende Rolle. Dieser
wird, neben anderen Einflußgrößen, entscheidend von einer genauen Dosierung der
Bierhefezellen zur Bierwürze beeinflußt.
-
Rierwürze und Hefezellen bilden ein disperses System, wobei die kontinuierliche
Phase oder das sogenannte Dispersionsmittel von der Bierwürze gebildet wird, welche
die disperse Phase, die festen Hefezellen, umschließt.
-
Die herkömmlichen und heute noch weitverbreiteten Methoden zur Hefegabe.
die sämtlich mit dem Volumen oder dem Gewicht der Hefe arbeiten, sind als unzureichend
bekannt. Sie berücksichtigen nicht, selbst bei Durchmischund der Hefen im Hefetank,
die sehr unterschiedliche Konsistenz der Hefen und die oft unzulängliche Probenahme.
Näherungsweise Bestimmung der Zellzahl durch Ermittlung der Trockensubstanz in der
Laborzentrifuge oder über den Leitfähigkeitswert einer Hefesuspension machen die
Hefegaben zwar etwas genauer, jedoch kann das Gesamtergebnis nicht befriedigen,
da alle bekannten Maßnahmen, die dazu dienen, den Hefezustand festzustellen oder
zu standadisieren, apparativ aufwendig sind. Maßnahmen zur Homogenisierung der Hefe
durch Rühren oder Umpumpen erfordern beispielsweise reinigungstechnisch problematische
Rühr- bzw.
-
Pumpenvorrichtungen; die Mengenbestimmung der Bierhefe durch den gesamten
Vorratstank für Bierhefe umfassende Wiegezellen sind außerordentlich aufwendig,
wobei die Meßgenauigkeit durch störende äußere Kräfteeinwirkungen (Anschluß von
Leitungen) beeinträchtigt wird.
-
Selbst die Auszählung der Hefe mit der Thomakammer ist bis zu 25 7.
ungenau und langwierig. Coulter-Counter arbeiten präziser, doch sind sie nur für
den Laborgebrauch bestimmt.
-
Abgesehen von der Schwierigkeit, die Zellzahl je Volumen- oder Mengeneinheit
eines vorliegenden Hefekonzentrat zu bestimmen, ist nach dem heutigen Stand der
Technik zur Erzeugung einer Bierhefe/Bierwürze-Suspension (gemessen in Hefezellen/ml
Bierwürze) kein anderer Weg bekannt, als die durch näherungsweise Ermittlung ihrer
Zahl nac bestimmten Hefezellen in die Bierwürze zu dispergieren, wobei das Verdünnungsverhältnis
zunächst rechnerisch ermittelt und dann durch entsprechende Handhabung von Bierwürze
und Hefekonzentrat eingestellt wirci.
-
Versuche, die Zellzahl im Hefekonzentrat beispielsweise durch Trübungsmeßverfahren
kontinuierlich zu bestimmen und abhängig von diesen Meßwerten Hefezellen in die
Bierwürze zu dosieren, sind gescheitert. da derartige Meßverfahren in dieser speziellen
Anwendung grundsätzlich keine aussagefähigen Meßwerte liefern können. Außerdem arbeitete
man bei diesen Versuchen ohne Bestimmung der Vortrübung der Bierwürze. Es wurde
nur die Gesamttrübe, resultierend aus Bierwürze und Bierhefe, gemessen, wodurch
das gesamte Verfahren sehr ungenau arbeitete.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Erzeugung
definierter disperser Systeme und eine Anordnung zu seiner Ausführung zu schaffen,
bei der die Beimischung der dispersen Phase zur kontinuierlichen Phase über die
Konzentration der dispergierten Anteile unmittelbar gesteuert wird.
-
übertragen auf die Erzeugung einer Bierhefe/Bierwürze-Suspension stellt
sich damit die Aufgabe, die Dosierung der Bierhefe in die Bierwürze über die Konzentration
der Hefezellen in der Bierwürze (Anzahl der Hefezellen/ml Bierwürze) unmittelbar
zu steuern.
-
Diese Aufgabe wird nach dem Kennzeichen des Hauptanspruchs gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen
beschrieben.
-
Nach dem neuen Verfahren kann durch Anwendung des Gesetzes von Lambert-
Beer-Bouguer die Zellzahl der in der Bierwürze dispergierten Bierhefe direkt gemessen
werden, so daß über einen Soll-lIstwertvergleich der Zellzahl die Hefedosierung
gesteuert werden kann. Die direkte Messung der Zellzahl ist gegenüber bekannten
Methoden die genaueste Methode zur Hefedosierung. Mit der gleichmäßigen Dosierung
der Hefe nach Zellzahl vom ersten bis zum letzten Hektoliter Bierwürze hat der Brauer
nun einen weiteren bestimmbaren Parameter für rasche Angärung und gleichmäßigen
Gärverlauf.
-
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin,
daß die Vortrübung des Dispersionsmittels, also der Bierwürze, die in der Praxis
erheblichen Schwankungen unterworfen ist, meßtechnisch erfaßt und berücksichtigt
wird. Zwar spielen das Gärvermögen und die Charakteristiken'der Hefestämme ihre
Roller weiterhin; auch der Anteil der toten Hefezellen und das Eiweiß beeinflussen
die Zellzahlmessung, doch mit der Möglichkeit, die Zellzahl der Hefe als Sollwert
zur Verfügung zu haben, können diese Faktoren besser ausgeglichen d.h. in die Vorgabe
eingebaut werden.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren kann nach einer anderen Ausgestaltung
dadurch meßtechnisch vereinfacht werden, daß der Trübungsgrad der kontinuierlichen
Phase kontinuierlich gemessen wird, wobei der vor der Beimischung der dispersen
Phase gemessene Wert nur einmal ermittelt und gespeichert und dem nachfolgend nach
der Beimischung gemessenen jeweils zugeordnet wird. Voraussetzung für eine derartige
Verfahrensweise ist allerdings, daß das Dispersionsmittel, die Bierwürze, in ihrem
Ausgangszustand eine standadisierte und zeitlich konstante Trübung aufweist. Ein
derartiger Ausgangszustand ist in der Praxis durch Sedimentation oder Filtration
der Bierwürze sicherzustellen. Ob dies gelingt, hängt von den jeweilige Bedingungen
ab. Im allgemeinen ist die Bierwürze auch nach Filtration, abhängig vom Wirkungsgrad
des Filters, unterschiedlicher Trübung unterworfen. Heißwürzeklärung hängt stark
vom Rohstoff Malz und der Verarbeitung im Sudhaus ab.
-
Eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht
vor, daß der Trübungsgrad der kontinuierlichen Phase intermittierend gemessen wird,
wobei jeweils der vor der Beimischung der dispersen Phase gemessene Wert gespeichert
und dem nachfolgend nach der Beimischung gemessenen zugeordnet wird.
-
Diese Verfahrensvariante bleibt nicht, wie die vorstehend beschriebene,
auf ein Dispersionsmittel mit standadisierter Ausgangstrübung beschränkt, sondern
letztere kann. wie dies in der Praxis gegeben ist, durchaus Schwankungen unterworfen
sein.
-
Der Vorteil des geschilderten Verfahrens liegt im wesentlichen darin,
daß, ebenso wie bei dem vorstehend beschriebenen Verfahren, nur eine einzige Meßstelle
erforderlich ist.
-
Zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht die Erfindung
vor, daß innerhalb der Würzeleitung eine erste Signalerzeugungseinrichtung dem Hefedosier-Regelvèntil
vor und eine zweite Signalerzeugungseinrichtung letzterem nachgeordnet ist, und
daß das Hefedosier-Regelventil und die Signale zeugungseinrichtungen wirkungsmäßig
mit einer Signalverarbeitungseinrichtung verbunden sind. Die Signalverarbeitungseinrichtungen
weisen vorteilhafterweise jeweils eine Strahlungsenergiequelle und einen Strahlungsenergiedetektor
auf, wobei die Strahlungsenergiequelle außerhalb der optisch transparenten Würzeleitung
angeordnet und zur Bestrahlung der Würzeleitung und der strömenden Phasen betreibbar
ist. Der Strahlungsenergiedetektor ist dabei zweckmäßigerweise außerhalb der- optisch
transparenten Würzeleitung angeordnet und zur Erfassung der Strahlungsenergie aus
der Strahlungsenergiequelle, die durch die Würzeleitung und die strörnenden Phasen
hindurchgelangt ist, betreibbar. Ein den Trübungsgrad des Dispersionsmittels kennzeichnendes
Signal wird zweckmäBigerweise vom Strahlungsenergiedetektor an eine Signalverarbeitungseinrichtung
weitergeleitet, welche die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gewonnenen Ausgabesignale
zur Steuerung des Hefedosier-Regelventile verwendet.
-
Um den gerätetechnischen Aufwand der erfindungsgemäßen Anordnung zu
reduzieren, ist nach einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Anordnung gemäß
der Erfindung vorgesehen, daß innerhalb der Würzeleitung dem Hefedosier-Regelventil
eine Signalerzeugungseinrichtung nachgeordnet ist. Diese Anordnung bedingt allerdings,
daß entweder mit einer standadisierten Ausgangstrübung der Bierwürze gearbeitet
oder daß deren Trübungsgrad intermittierend gemessen wird.
-
Wird nach einer weiteren vorteilhaften Anordnung gemäß der Erfindung
als Strahlungsenergie Infrarotenergie mit einer Wellenlänge zwischen 800 und 1400
nm eingesetzt. so ergibt sich für die Extinktion der Bierhefe/Bierwürze-Suspension
eine lineare Abhängigkeit von der Hefezellzahl im Bereich von 5 - 30 Millionen Hefezellen/ml
Bierwürze nach dem Gesetz von Lambert-Beer-Bouguer.
-
Ahnliche Verhältnisse stellen sich näherungsweise bei anderen Anwendungsfällen
dann ein, wenn nach einer weiteren Anordnung gemäß der Erfindung die Wellenlänge
der verwendeten Strahlungsenergie kleiner ist als ein Viertel der Abmessung der
dispergierten Anteile. Eine lineare Abhängigkeit der Extinktion des dispersen Systems
von den dispergierten Anteilen ist nicht notwendigerweise Voraussetzung für die
Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens; sie ergibt allerdings. wenn sie gegeben
ist, eine einfache Handhabung und Verarbeitung der Meßwerte.
-
Die Erfindung wird nachfolgend anhand schematischer Zeichnungen an
drei Ausführungsbeispielen näher erläutert.
-
Es zeigen Figur 1 die neue, auf wesentliche Bauteile beschränkte Anordnung
zur Ausführung des Verfahrens gemäß der Erfindung in schematischer Darstellung;
Figur 2 eine weitere, gegenüber der Anordnung gemäß Figur 1 weiter vereinfachte
Anordnung zum Ausführen der Verfahrensvarianten gemäß der Erfindung in schematischer
Darstellung und Figur 3 eine gegenüber der Anordnung gemäß Figur 1 vervollständige
Anordnung zur Ausführung-des Verfahrens gemäß der Erfindung in schematischer Darstellung,
bei der die in derartigen Anordnungen notwendige Reinigungsfähigkeit sichergestellt
ist.
-
Die Anordnung gemäß Figur 1 besteht im wesentlichen aus einer Würzeleitung
1, in der im Abstand voneinander eine erste und eine zweite Signalerzeugungseinrichtung
3 bzw. 10 angeordnet sind.
-
Zwischen diesen beiden Signalerzeugungseinrichtungen 3. 10 mündet
über ein Hefedosier-Regelventil 6 eine Dosierleitung für Hefe II in die Würzeleitung
I ein. In der Dosierleitung für Hefe II ist eine Hefedosierpurnpe 1 angeordnet.
Die Signalerzeugungseinrichtungen 3, 10 und das Hefedosier--Regelventil 6 sind mit
einer Signalverarbeitungseinrichtung 14 wirkungsmäßig über Leitungen für Signalverarbeitung
VIa, VIb bzw. VIc verbunden.
-
Über die Leitung VIa wird das Ausgabesignal Eo und über die Leitung
VIb wird das Ausgabesigal E auf die Signalverarbeitungseinrichtung 14 übertragen.
-
Das Dispersionsmittel, die Bierwürze W, tritt vor der ersten Signalerzeugungseinrichtung
3 in die Würzeleitung I ein. Üer die Dosierleitung für Hefe II wird die disperse
Phase, die Bierhefe H, dem Hefedosier-Regelventil 6 zugeführt. Das disperse System,
eine Suspension aus Bierhefe und Bierwürze W + H, durchströmt die zweite Signalerzeugungseinrichtung
10, ihr der ein kennzeichnendes Signal E erzeugt wird. Die Ausgangstrübung der Bierwürze
W liefert in der ersten Signalerzeugu'gseinrich tung 3 das kennzeichnende Signal
E o.
-
Die Anordnung gemäß Figur 1 ist in der Lage, eine veränderliche Vortrübung
der Würze mit Eo t konstant (1) kontinuierlich zu erfassen.
-
Dabei wird der Trübungsgrad der kontinuierlichen Phase in jeder Signalerzeugungseinrichtung
3, 10 kontinuierlich gemessen, wobei der Trübungsgrad vor und jener nach der @eimischung
der dispersen Phase entweder gleichzeitig oder in Zuordnung zu einem bestimmten
Abschnitt der kontinuierlichen Phase, an dem sie gemessen wurden, weiterverarbeitet
werden. Die Differenz der kennzeichnenden Signale E, E o #E = E-Eo = f(dosierte
Hefezellen/rnl Würze) (2) ist eine eindeutige Funktion der Hefezellzahl. Bei der
Anwendung von Infrarotenergie als Strahlungsenergie mit einer Wellenlänge zwischen
800 und 1400 nm ergibt sich nach dem Gesetz von Lambert-Beer-Bouguer eine vorteilhafte
lineare Abhängigkeit der Extinktion von der Hefezellzahl, wenn bei der Hefezellenkonzentration
im Bereich von 5 - 30 Mio. Hefezellen/ml Bierwürze gearbeitet wird.
-
Die Anordnung gemäß Figur 2 unterscheidet sich von jener gemäß Figur
1 dadurch, daß nur eine Signalerzeugungseinrichtung 10 in der Würzeleitung I angeordnet
ist, die sich hinter dem Hefedosier-Regelventil 6 befindet. Mit dieser vereinfachten
Anordnung ist sowohl eine kontinuierliche Messung des Trübungsgrades der kontinuierlichen
Phase, als auch eine intermittierende Messung möglich. Bei der kontinuierlichen
Messung wird der vor der Beimischung der dispersen Phase gemessene Wert nur einmal
ermittelt und gespeichert und dem nachfolgend nach der Beimischung gemessenen jeweils
zugeordnet. Diese Vorgehensweise setzt voraus, daß eine standardisierte Ausgangstrübung
der Bierwürze mit EO= konstant (la) vorliegt. die im praktischen Betrieb durch Sedimentation
oder Filtration der Bierwürze erreicht werden kann.
-
Bei intermittierend arbeitenden Meßverfahren wird jeweils der vor
der Beimischung der dispersen Phase gemessene Wert gespeichert und dem nachfolgend
nach der Beimischung bemessenen zugeordnet. Falls die aus der Meßfrequenz resultierenden
Zeitabstände klein sind gegenüber den Zeitabständen. in denen eine zeitliche Änderung
der Vortrübung eintreten kann, liefert dieses Verfahren. ebenso wie das vorstehend
beschriebene, eine Differenz der kennzeichnenden Signale E, Eo .
-
von # E = E - Eo = f (dosierte Hefezellen/ml (2) Bierwürze) die ein
eindeutiges Maß für die Konzentration der Hefezellen in der Bierwürze darstellt.
-
Gegenüber der Anordnung nach Figur 1 ist die reinigungsfähige Anordnung
gemäß Figur 3 um einige Komponenten erweitert. hinter dem Hefedosier-Regelventil
6 sind in der Würzeleituny I ein Mischer 8 und ein optisch durchsichtiger Leitungsabschnitt
9 angeordnet. Hinter der zweiten Signalerzeugungseinrichtung 1 fl befindet sich
eine Würzebelüftung 13. Die Dosierleitung für Hefe II mündet nicht, wie in Figur
1. unmittelbar in das Hefedosier-Regelventil 6, sondern in ein Kreislauf-Trennventil
5, das als sogenanntes Doppelsitz-Wechselventil ausgebildet ist.
-
Sein mit der Dosierleitung für Hefe II verbundenes oberes Ven -tilgehäuse
ist über zwei unabhängig voneinander betätigbare Ventilteller mit einem darunter
angeordneten zweiten Ventilge häuse verbunden, in das eine hinter der ersten Signalerzeugungseinrichtung
3 abzweigende Bypass-Leitung IV einmündet.
-
Letztere verbindet das Kreislauf-Trennventil 5 mit dem l-lefedvsier-Regelventil
6 und führt von dort aus zwischen dem Mischer 8 und dem optisch durchsichtigen Leitungsabschnitt
9 in die Würzeleitung I. Die Bypass-Leitung IV ist jeweils von der Abzweigstelle
an von der Würzeleitung I durch ein erstes Reinigungsventil 4 bzw. ein zweites Reinigungsventil
7 ab;perrbar. Das obere Ventilgehäuse des Kreislauf-Trennventils 5 ist über eine
Reinigungsleitung III mit einem dritten Reinigungsventil 11 und einem Ausschubventil
12 verbunden. Von der Bypass-Leitung IV zweigt, in Strömmungsrichtung gesehen, hinter
dem zweiten Reinigung sventil 7 eine Belüftungsleitung 5 ab. die in die Würzebelüftung
13 einmündet. Die Signa lerzeugungs -einrichtungen 3 10 weisen jeweils eine Strahlungsenergiequell
3a bzw. 10a und einen Strahlungsenergiedetektor 3 b bzw. 10b auf. Die Leitungen
für Signalverarbeitung VIa und VIb verbinden die Strahlungsenergiequelle 3a bzw.
1Oa mit einer Signalverarbeitungseinrichtung 14.
-
Diese führen die kennzeichnenden Signale Eo bzw. E, die von der in
den Strahlungsenergiedetektor 3b bzw. 1Ob eintretenden Strahlungsenergie erzeugt
werden. Die Strahlungsenergiequelle 3a bzw. 10a und der Strahlungsenergiedetektor
3b bzw. 10b sind jeweils einander zu- und außerhalb der optisch transparenten Würzeleitung
I angeordnet. Der Teil der Strahlungsenergi, der ausgehend von der Strahlungsenergiequelle
3a bzw. 1Oa durch die Würzeleitung r und die strömenden Phasen hindurchgelangt und
von dem Strahlungsenergiedetektor 3b bzw. 1Ob empfangen wird, erzeugt in diesen
die Trübung des dispersen Systems kennzeichnende Signale Eo bzw. E, die als Ausgabesignale
von der Signalverarbeitungseinrichtung 14 zur Steuerung des Hefedosier-Regelventils
6 über die Leitung VIc verarbeitet werden.
-
Zwischen der Hefedosierpumpe 1 und dem Kreislauf-Trennventil 5 ist
eine optische Sondenvorrichtung 2 angeordnet, die beispielsweise Wasser von Bierhefe
aufgrund deren unterschiedlicher Trübungsgrade voneinander unterscheiden kann.
-
Die Funktionsweise der Gesamtordnung gemäß Figur 3 soll nachfolgend
noch einmal zusammenfassend erläutert werden. Die erste Signalerzeugungseinrichtung
3 mißt die Grund- oder Ausgangstrübung der Bierwürze W, die der Würzeleitung I zugeführt
wird.
-
Die zweite Signalerzeugungseinrichtung 10 mißt den gesamten Trübungswert
der Suspension, die sich aus der Bierwürze und der dosierten Hefezellzahl W + H
ergibt. In der Signalverarbeitungseinrichtung 14 wird durch Subtraktion des aus
der Grundtrübung resultierenden Meßwertes vom Meßwert der Suspension der echte Trübungswert
der dosierten Hefezellzahl ermittelt. Dieser Wert wird gegen den eingestellten Sollwert
(Anzahl der Hefezellen/ml Bierwürze) verglichen, so daß in Abhängigkeit von diesem
So11-lIstwertvergleich der Hefezellzahl die Dosierung der Bierhefe über das Hefedosier-Regelventil
6 gesteuert werden kann.
-
Der Dosiervorgang wird gestartet, indem die Hefe H vorn nicht dargestellten
Hefetank an das Hefedosier-Regelventil herangeführt wird. Das in der Dosierleitung
für die Hefe II befindliche Wasser wird dabei zunächst über das Ausschubventil 12
vor der Hefe H ausgeschoben. Die optische Sondenvorrichtung 2 trennt über eine einstellbare
Zeitverzögerung Eine Hefe H vom Wasser und schließt das Ausschubventil 12 zeitgerecht
so daß die Hefe H am Kreislauf-Trennventil 12 ansteht. Durch dieses Schließen des
Ausschubventils 12 ergibt sich btoi der Phase trennung Wasser/Bierhefe kein Hefeverlust.
Alsdann wird die Hefe H vom Hefetank von der Hefedosierpumpe 1 in entsprechender
Menge und vorgehendem Druck über das Kreislauf-Trennventil 5 zum Hefedosier-Regelventil
6 gefördert und nach Sollwert in die Würzeleitung I dosiert. Im statischen Mischer
8 wird die liefe H innig mit der durchströmenden Bierwürze vermischt. Der optisc
du'r'chsichtige Leitungsabschnitt 9 dient zur Kontrolle des Vorganges. Die zweite
Signalerzeugungseinrichtung 10 liefert durch die gleichmäßige Verteilung der Bierhefe
über den ganzen Leitungsquerschnitt exakte Meßergebnisse. Die Würzebelü ftung 13
kann direkt anschließend erfolgen. Die Würzeleitung I und die Dosierleitung für
efe II haben getrennte Reinigungskreisläufe.
-
Ihre Reinigung mit Hilfe eines Reinigungsmittels R kann voneinander
unabhängig ablaufen. Die Reinigung der Dosierleitung für Hefe II erfolgt über die
Hefedosierpumpe 1 die optische Sondenvorrichtung 2 das Kreislauf-Trennventil 5,
das dritte Re-inigungsventil 11 und das Ausschubvent:il 12. wobei die Hefedosierpumpe
1 mitläuft. Die Reinigung der Würzeleitung I verläuft: über die erste Signalerzeugungseinrichtung
3, das Hefedosier-Regelventil 6, den Mischer 8 die zweite Signalerzeugungseinrichtung
10. die Würzebelüftung 13 uncll durch die Bypass-Leitung IV über das erste Reinigunysventil
4, das Kreislauf-Trennventil 5, das Hefedosier-Regelventil 6 und das zweite Reinigungsventil
7.
-
Durch die vorstehend beschriebene Anordnung zur Durchführung des Verfahrens
gemäß der Erfindung wird nicht nur die erfindungsgemäß gestellte Aufgabe gelöst,
sondern darüber hinaus wird auch sichergestellt daß eine derartige Anordnung hygie
nisch einwandfrei gereinigt werden kann.
-
Das vor stehend beschriebene Verfahren und die Anordnung zu seiner
Durchführung bleiben nicht nur auf eine gleichmäßige Dosierung der Hefe nach Zellzahl
in Bierwürze beschränkt senderen sie lassen sich auch auf die Erzeugung anderer
definierter disperser Systeme anwenden, bei denen der Trübungsgrad der kontinuierlichen
Phase vor und nach einer Beimischung der disper -sen Phase mittels eines Trübungsmeßverfahrens
gemessen utod aus der Differenz der Trübungsgrade eindeutig eine Konzentration der
dispergierten Phase in der kontinuierlichen Phase ermittelt: werden kann.
-
- Leerseite --