DE3807621A1 - Verfahren und vorrichtung zur messung und bilanzierung des zeitlichen verlaufs des extraktgehaltes im gaersubstrat bei der bierherstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung und Bilanzierung des zeitlichen Verlaufs des Extraktgehaltes im Gärsubstrat bei der Bierherstellung, wobei die Dichte des Gärsubstrates gemessen und zur Feststellung des Extraktgehaltes herangezogen wird.

Darüber hinaus ist Gegenstand der Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des vorgenannten Verfahrens.

Der Extraktgehalt im Gärsubstrat und seine zeitliche Abnahme ist das maßgebliche Vergärungskriterium. Von dem im Gärsubstrat zum Beginn der Gärung vorliegenden Anfangsextrakt ist ein bestimmter Anteil vergärbar, der übrige Teil ist nicht vergärbare Restsubstanz. Aus dem vergärbaren Extraktanteil entstehen etwa zu gleichen Mengenteilen Alkohol und Kohlensäure als Stoffwechselprodukte über den Gärprozeß.

Die Verwirklichung der Gärprozeßautomation in Abhängigkeit vom Extraktgehalt im Gärsubstrat als unmittelbares Vergärungskriterium scheiterte bisher an einem praktikablen Verfahren zur kontinuierlichen Messung des Extraktes bzw. seiner Abnahme durch die Gärung.

In der DE-A-26 48 779 wird in Analogie zur Labortechnik eine Dichtemessung zur Feststellung des Extraktes vorgeschlagen. Das Verfahren wird in seiner Praxisanwendung durch die Notwendigkeit erschwert, der Vorrichtung repräsentative Proben zuzuführen, Meßwertverfälschungen durch wechselnde Temperaturen und Gasgehalte der Proben zu kompensieren sowie die Vorrichtung reinigbar und betriebsbereit zu gestalten.

Ein weiteres Verfahren schlägt S. Rischbieter in einem vierteiligen Aufsatz in der Brauwelt, Jg. 117 (1977) Nr. 22, 30, 42 und Jg. 118 (1978) Nr. 11 vor. Er nutzt die Gesetzmäßigkeit aus, daß bei der Vergärung des Extraktes neben Alkohol, Hefe und weiteren Nebenprodukten ein zu diesen Stoffmengen in einem stöchiometrischen Verhältnis stehender Anteil Kohlensäure entsteht, die beim Entweichen aus dem Gärtank mittels eines volumetrischen Gaszählers gemessen und zur indirekten Erfassung des Extraktabbaus herangezogen wird.

Das letztgenannte Verfahren erfordert einen erheblichen gerätetechnischen Aufwand. Um nicht erhebliche Meßfehler auftreten zu lassen, erfordert die CO₂-Mengenmessung ein kontinuierliches Abströmen der erzeugten Gasmengen. Darüber hinaus sind die von Druck und Temperatur abhängige Bindung der Kohlensäure im Substrat unter Gärbedingungen, die bereits durch Angärung verlorengegangene Kohlensäure und die als Gaspolster im Kopfraum des Gärtanks unter den sich über den Zeitraum der Gärung verändernden Druckbedingungen verbleibende Kohlensäure zu berücksichtigen. Die letztgenannten Einflußfaktoren lassen sich nur rechnerisch berücksichtigen; sie verlangen teilweise den Rückgriff auf Erfahrungswerte aus früheren Gärverläufen. Insbesondere die Bindung der Kohlensäure im Substrat und das Gaspolster im Kopfraum des Gärtanks ergeben eine zeitliche Verschiebung zwischen der aus der CO₂-Entwicklung über den Gärverlauf gewinnbaren Information und der ursächlich für die CO₂-Entstehung verantwortlichen Extraktabnahme. Unter sich verändernden Betriebsbedingungen ist daher die CO₂-Entstehung kein besonders sensibles Beurteilungskriterum für den Gärverlauf und die Dynamik des Gärprozesses.

Darüber hinaus sind die als Gasvolumenzähler verwendeten Geräte reinigungstechnisch problematisch. Sie sind schlecht zu warten, meßtechnisch ist die Ausrüstung relativ aufwendig und anfällig. Beim Überschäumen des Gärtanks kann Würze mit Hefe und Schaum in die Meßleitungen übertreten.

Ausgehend vom vorgenannten Stand der Technik ist es Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu seiner Durchführung zu schaffen, mit dem bzw. mit der auch unter wechselnden Betriebs- und Verfahrensbedingungen beim Gärprozeß der zeitliche Verlauf des Extraktgehaltes und des Extraktabnahme-Gradienten im Gärsubstrat bei der Bierherstellung sicher und relativ einfach ermittelt und bilanziert werden.

Diese Aufgabe wird durch die Kennzeichenmerkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen 2 bis 7 beschrieben. Die Kennzeichenmerkmale der Ansprüche 8 bis 11 ergeben vorteilhafte Ausgestaltungen einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Die Meßverfahren zur Bestimmung der Extraktabnahme erfaßt die Masseveränderung des Gärsubstrates durch Umwandlung des Extrakes in, wie vorstehend kurz dargelegt, Alkohol, Kohlensäure, Hefe und Gärungsnebenprodukte. Die Extraktabnahme macht sich durch eine Dichteänderung des Gärsubstrates bemerkbar. Durch Messung einer der gesamten statischen Flüssigkeitssäule des Gärsubstrates proportionalen Druckmeßgröße Δ p wird über die physikalisch gegebene Gesetzmäßigkeit

Δ p = ρ gH

die Dichte ρ des Gärsubstrates mittelbar erfaßt.

In der vorstehenden physikalischen Beziehung bedeutet die Größe g die am Meßort unveränderliche Erdbeschleunigung, die Höhe H stellt die durch die Meßanordnung erfaßte Gesamthöhe der Gärsubstratsäule dar.

Durch gravimetrische Bestimmung der Gesamtmasse des im Gärtank befindlichen Gärsubstrates und seiner Änderung läßt sich die Dichte des Gärsubstrates über die Beziehung

ρ = ρ₀m/m₀

ebenfalls mittelbar erfassen. In dieser Beziehung bedeuten ρ₀ und m₀ die Dichte bzw. Masse zu Beginn des Meßvorganges und ρ und m die Dichte bzw. die Masse zu einem späteren Zeitpunkt.

Wie sich leicht zeigen läßt, gelingt die Erfassung allein der extraktabhängigen Dichteänderung über eine Druckmessung erfindungsgemäß nur dann, wenn die gesamte statische Flüssigkeitssäule des Gärsubstrates über die Druckmessung erfaßt wird. Das über das Gärsubstrat inhomogen und sehr feinblasig verteilte CO₂-Gas spielt zwar in Relation zum Gärsubstrat hinsichtlich seiner Masse eine vernachlässigbare Rolle, hinsichtlich seines Volumens vergrößert es jedoch das Gärsubstratvolumen in einem nicht mehr vernachlässigbaren Maße.

Nimmt man beispielsweise an, das Gärsubstrat nähme im gasfreien Zustand im Gärtank die Höhe H ein (Zustand 1) und im gasbelasteten Zustand die Höhe H+Δ H (Zustand 2), so ergibt sich ein Dichteverhältnis

ρ₁/ρ₂ = 1 + Δ H/H

das lediglich durch den CO₂-Einfluß bedingt ist, da der Extraktgehalt in beiden Zuständen gemäß Annahme gleich sein soll.

Eine Druckdifferenzmessung, gemäß der Erfindung vorgenommen an der gesamten Flüssigkeitssäule des Gärsubstrates (Zustand 1: Höhe H; Zustand 2: Höhe H + Δ H), ergäbe in beiden Fällen die gleiche Druckmeßgröße Δ p + Δ p₁ = Δ p₂, da sich die Masse der gesamten Flüssigkeitssäule durch Gasbelastung nur in vernachlässigbarem Maße ändert. Aus der Gleichheit der Druckmeßgröße ergibt sich sodann die Feststellung, daß sich der Extraktgehalt vom Zustand 1 nach Zustand 2, wie eingangs vorausgesetzt, nicht geändert hat.

Bei einer Druckdifferenzmessung an einem Ausschnitt der Gärsubstratsäule mit fester Höhendifferenz h in beliebiger Höhenlage ergibt sich, abgesehen von dem Einfluß inhomogener Gasbelastungen an einem bestimmten Ort zu unterschiedlichen Zeiten, ein anderes als das vorstehend angegebene Verhältnis.

Infolge Dichteänderung von ρ₁ auf ρ₂ ändert sich bei fester Höhendifferenz h die meßbare Druckdifferenz von Δ p₁ auf Δ p₂, wobei Δ p₁ <Δ p₂ ist. Es gilt

ρ₁/ρ₂ = Δ p₁/Δ p₂.

Da die ausschnittsweise Messung die Höhenänderung von H auf H+Δ H nicht erfaßt, sondern lediglich über die Druckmessung eine leichter werdende Flüssigkeitssäule im Meßbereich über die Druckänderung von Δ p₁ nach Δ p₂ registriert, wird diese Dichteänderung fälschlich allein als Extraktänderung interpretiert werden müssen.

Fehlerfreie Rückschlüsse auf die extraktabhängige Dichteänderung des Gärsubstrates lassen sich daher an einem Ausschnitt der Gärsubstratsäule nur gewinnen, wenn zusätzlich zu oder anstatt der Druckdifferenzmessung eine Dichtebestimmung des CO₂-Gas-freien Gärsubstrates erfolgt. Auf diese Weise ließe sich die gasbedingte Dichteänderung eliminieren, so daß die extraktbedingte Dichteänderung übrig bleibt. Die Beseitigung des Gases kann durch Entfernen mit Hilfe eines Filters oder Abscheiders oder Lösen des Gases unter erhöhtem Druck und/oder abgesenkter Temperatur erreicht werden. Der Aufwand ist jedenfalls beträchtlich, und die Gefahr der Meßwertverfälschung durch derartige Maßnahmen ist nicht zu übersehen.

Die vorstehenden Aussagen treffen dann, und nur dann zu, wenn der Gärtank als abgeschlossenes System betrachtet wird, über dessen Systemgrenzen, außer dem abströmenden CO₂-Massenstrom, der ein Maß für die Extraktabnahme ist, kein weiterer Massentransport zugelassen wird. Bei Anwendung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Meßverfahrens und der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Meßwertverarbeitung können die vorstehenden einschränkenden Bedingungen außer Acht bleiben. Die Meßwerte sind unter allen denkbaren Betriebsbedingungen interpretierbar.

Da die erfindungsgemäße Druckmessung physikalisch gesehen nichts anderes bedeutet als die Feststellung der Gewichtskraft des gesamten Gärsubstrates bezogen auf die Querschnittsfläche des Gärtanks am Meßort, ist die vorgeschlagene Methode vergleichbar mit Methoden, bei denen die Bestimmung der Dichte und damit der Dichteänderung des Gärsubstrates über die unmittelbare Bestimmung der Gesamtmasse des Gärsubstrates erfolgt (gravimetrisches Meßverfahren).

Die Druckmethode und die gravimetrische Methode sind Verfahren, die zu jedem Zeitpunkt einen mittleren Dichtewert des Gärsubstrates liefern (integrale Bestimmung über die gesamte Höhe und den gesamten Tankquerschnitt).

Da die vorgeschlagene Rechnerschaltung jederzeit über die Informationen des gesamten Tankinhaltes, korrigiert um den jeweiligen aktuellen Einfluß der gärungsbedingten Gewichtsabnahme durch Extraktabbau verfügt, sind Ereignisse wie Überschäumen, schrittweises Befüllen, Kräusenzugabe oder Sedimentabzug, die an sich die Abgeschlossenheit des Systems als postulierte Bedingung für die Funktionsfähigkeit des Verfahrens durchbrechen, erfindungsgemäß bei Messung der Gesamtmasse erfaßbar und in der Rechnerschaltung quantifizierbar. Dazu müssen im Rechner die Informationen über Art und Zeitpunkt des Ereignisses sowie (bei Produktzuführung) über den Gehalt des Produktes an vergärbarem Extrakt hinterlegt werden. Über Extrapolation des zum Zeitpunkt des Ereignisses gültigen, erfahrungsgemäß nur langsamen Änderungen unterworfenen, Gradienten der Extraktabnahme über die Dauer des Ereignisses läßt sich die Masse der Zu-, Ab- oder Überläufe, bereinigt um den gleichzeitig weiterlaufenden Extraktabbau-Prozeß, ermitteln und in die Bilanz der Extraktberechnung korrigierend einbeziehen. Diese vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens gemäß Anspruch 6 erweitert seinen Anwendungsbereich wesentlich, weil derartige Ereignisse in der Bierherstellungs-Praxis die Regel sind, und ein Verfahren nur bedingten Gebrauchswert hätte, das ihre Auswirkungen nicht bewältigt.

Ein besonderer Vorteil des Verfahrens besteht darin, derartige Ereignisse ohne zusätzliche meßtechnische Vorkehrungen, allein durch die Art der Informationsverarbeitung in der Rechnerschaltung, in zwei Richtungen zu bewältigen, nämlich durch

• 1. Erfassung der zu- oder abgeführten Produktmengen (Massen- oder Quantitäts-Bilanz),
• 2. Aufrechterhaltung des Meßverfahrens der Extraktabnahme (Extrakt- oder Qualitäts-Bilanz).

Wie vorstehend dargelegt, sind die Druckmeßmethode und die gravimetrische Methode bezüglich der Bestimmung der Dichte oder der Masse des Gärsubstrates prinzipiell gleichwertig. Da die Extraktbilanz in jedem Falle als Basiswert den Ausgangsextraktgehalt E _wo benötigt, ist die über die Rohrzuckertabelle zugeordnete Dichte ρ _Ewo des Gärsubstrates zu ermitteln. Bei der Druckmeßmethode ist in der Regel eine labormäßige Bestimmung der Dichte ρ _Ewo erforderlich, da die Höhe H₀ der Gärsubstratsäule zum Startzeitpunkt t₀ meist nicht exakt bekannt ist. Bei genauer Kenntnis der Höhe H₀ wäre ρ _Ewo über ρ _Ewo = Δ p₀/(H₀ · g) berechenbar, da die Druckdifferenz Δ p₀ als Meßwert in jedem Falle gegeben ist. Bei der gravimetrischen Methode bietet sich eine Alternative zur labormäßigen Bestimmung der Dichte ρ _Ewo an, wenn das in dem Gärtank bei seiner Befüllung überführte Gärsubstratvolumen V₀ über eine Volumenmeßeinrichtung, die in der Regel vorhanden ist, erfaßt wird. Sodann kann über die gravimetrisch bestimmte Gesamtmasse m₀ des Gärsubstrates und sein vorgenanntes zugeordnetes Volumen V₀ die Dichte ρ _Ewo über die Beziehung ρ _Ewo = m₀/V₀ errechnet werden.

Falls das Gärsubstratvolumen V₀ bekannt ist, ist auch bei der Druckmeßmethode die labormäßige Bestimmung der Dichte ρ _Ewo nicht mehr notwendig, da über das Volumen V₀ und die Geometriedaten des Gärtanks die zugeordnete Höhe H₀ der Gärsubstratsäule gegeben ist (V = f(H)). Alsdann kann über die oben angeführte Beziehung (ρ _Ewo = Δ p₀/(H₀g)) die Dichte ρ _Ewo berechnet werden.

Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren macht darüber hinaus eine richtige Auswertung der üblicherweise über eine Druckdifferenz vorgenommenen Inhaltsmessung des Gärtankes erst möglich, da zu jedem Zeitpunkt der Extraktgehalt des Gärsubstrates ermittelt wird. Über den Extraktgehalt besteht somit jederzeit Kenntnis über die Dichte des Gärsubstrates, so daß nunmehr die als Druckmeßgröße vorliegende Information über den Tankinhalt erst richtig interpretiert werden kann. Eine herkömmliche Inhaltsmessung legt, in Ermangelung der genauen Kenntnis der extraktbedingten Dichteänderung, einen bestimmten Dichtewert zugrunde, so daß die Inhaltsbestimmung um eben diesen Einfluß der extraktbedingten Dichtedifferenz falsch ist.

Eine die Dichte des Gärsubstrates differenziert über die Gärtankhöhe und von Meßpunkt zu Meßpunkt nur jeweils die Dichteänderung Δρ erfassende Methode (differentielle Methode) müßte, im Gegensatz zum vorgeschlagenen Meßverfahren, derart beschaffen sein, daß einerseits eine Probenahme an unterschiedlichen Meßorten möglich wäre, und daß darüber hinaus die Bestimmung der Massenänderung eines bestimmten konstanten Volumens möglich sein müßte. Diese letztgenannte Forderung gelänge nur, wenn das definierte Volumen mit vollständig entgastem Gärsubstrat gefüllt würde, wobei eine differentielle Methode, die nur die zeitliche Dichteänderung dρ/dt, also den Extraktabnahme-Gradienten dE _s /dt unmittelbar erfassen soll, die Massenänderung Δ m im vorgenannten Volumen zu erfassen hätte.

Eine derartige, vollautomatisch arbeitende differentielle Meßmethode ist nicht bekannt; sie wäre in jedem Falle apparativ außerordentlich aufwendig und stünde bereits in ihrem grundsätzlichen komplexen Ansatz heutigen Automatisierungsbemühungen entgegen.

Der erfindungsgemäß ermittelte zeitliche Verlauf der Extraktabnahme liefert nicht nur Absolutwerte für den Extraktgehalt, sondern auch zu jedem Zeitpunkt den vorliegenden Extraktabnahme-Gradienten. Durch die Erfassung dieses Gradienten wird es nun erstmals möglich, die Gärgeschwindigkeit zeitnah zu erfassen und für den geregelten Einsatz verschiedener, an sich bekannter, Steuerungsmechanismen zu nutzen.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, daß zum Startzeitpunkt der Vergärung der Ausgangsextrakt E _wo des Gärsubstrates ermittelt, und eine Druckmeßgröße Δ p₀ gemessen wird, wobei letztere dem statischen Druck einer Flüssigkeitssäule mit der Gesamthöhe H des Gärsubstrates entspricht. Allein mit diesen Anfangsbedingungen zum Startzeitpunkt der Vergärung und unter Zugrundelegung der Rohrzuckertabelle, die eine Zuordnung zwischen dem Ausgangsextrakt E _wo und einer daraus resultierenden Dichte ρ _Ewo des Gärsubstrates herstellt, läßt sich eine Proportionalitätsbeziehung zwischen dem jeweils im Gärsubstrat vorliegenden Extraktgehalt E _s und der über den statischen Druck der Flüssigkeitssäule mit der Höhe H des Gärsubstrates zu jedem Zeitpunkt meßbaren Druckmeßgröße Δ p herstellen. Der erfindungsgemäß zu ermittelnde zeitliche Verlauf der Extraktabnahme wird somit auf die Messung des zeitlichen Verlaufs einer der statischen Flüssigkeitssäule mit der Gesamthöhe H des Gärsubstrates proportionalen Druckmeßgröße Δ p reduziert.

Eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, daß die zeitliche Abhängigkeit der Extraktabnahme E _s = f(t) über eine Rechnerschaltung automatisch und fortlaufend nach einer Reihe erfindungsgemäß vorgeschlagener Gleichungen ermittelt wird, wobei allein der zum Startzeitpunkt t₀ vorliegende, beispielsweise labormäßig zu ermittelnde Ausgangsextrakt E _wo der Rechnerschaltung als Anfangsbedingung vorzugeben ist.

Außer Dichte- und Extraktwerten beinhalten die vorgenannten Gleichungen lediglich die Druckmeßgrößen Δ p₀ und Δ p. Das vorgeschlagene Auswerteverfahren liefert gleichermaßen Absolutwerte E _s wie Gradienten dE _s /dt des Extraktabnahme-Verlaufes. Selbst wenn die vorgenannten Anfangsbedingungen, insbesondere der Ausgangsextrakt E _wo ungenau ermittelt bzw. im Startzeitpunkt t₀ ungenau zugeordnet werden, so liefert das vorgeschlagene Verfahren, unabhängig vom fehlerbehafteten Absolutwert des Extraktgehaltes, immer noch einen für die Steuerungsmechanismen brauchbaren zeitlichen Extraktabnahme-Verlauf bzw. eine zeitliche Abfolge von Extraktabnahme-Gradienten dE _s /dt.

Eine andere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, daß in der Rechnerschaltung ein Sollwertverlauf der Extraktabnahme hinterlegt ist, daß fortlaufend ein Vergleich zwischen dem Istwertverlauf und dem Sollwertverlauf durchgeführt wird, und daß eine Differenz der Verläufe zur Regelung der für das Gärsubstrat maßgeblichen Einflußfaktoren Verwendung findet. Durch diese Maßnahme können Gärverläufe vollautomtisch gefahren werden, die im Endergebnis eine Produktzusammensetzung des Bieres ergeben, die jeweils gewünscht bzw. erforderlich ist.

Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens sieht unter anderem vor, daß ein Druckmeßgerät vorgesehen ist, welches die der statischen Flüssigkeitssäule der Gesamthöhe H des Gärsubstrates proportionale Druckmeßgröße Δ p liefert, wobei letztere über einen Druckmeßumformer und einen Analog/Digitalwandler an eine Rechnerschaltung übermittelt wird, daß die Rechnerschaltung die Druckmeßgröße Δ p und weitere vorliegende Informationen verarbeitet, daraus die Extraktabnahme ermittelt und ein Ausgangssignal zur Verfügung stellt, mit dem die Regeleinrichtungen beaufschlagt werden. Darüber hinaus ist vorgesehen, den zeitlichen Verlauf der Extraktabnahme zu speichern und über eine Datenausgabe-Einrichtung anzuzeigen.

Eine andere vorteilhafte Ausgestaltung der Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, daß eine Auswerteeinrichtung, bestehend aus dem Analog/Digital- Wandler, der Rechnerschaltung und der Datenausgabe-Einrichtung, wahlweise mit jeweils einer Meßleitung für die Druckmeßgröße Δ p weiterer Gärtanks verbunden wird. Diese Ausgestaltung reduziert den gerätetechnischen Aufwand erheblich, da nunmehr lediglich eine Auswerteeinrichtung für eine Vielzahl von Gärtanks Verwendung finden kann. Die Mindestausrüstung für jeden Gärtak besteht lediglich in der Anordnung eines Druckmeßgerätes in Verbindung mit einem Druckmeßumformer, wobei das Meßgerät derart anzuordnen ist, daß die für das Gärsubstrat repräsentative Flüssigkeitssäule der Gesamthöhe H im Hinblick auf den durch diese Flüssigkeitssäule ausgeübten statischen Druck ohne verfälschende äußere Einflüsse gemessen werden kann.

Falls das Druckmeßgerät, wie dies eine andere vorteilhafte Ausgestaltung der Vorrichtung gemäß der Erfindung vorsieht, als Differenzdruckmeßgerät ausgebildet ist, welches einerseits den Druck der gesamten Flüssigkeitssäule des Gärsubstrates zuzüglich dem Druck in einem darüber angeordneten Gasraum und andererseits den Druck im Gasraum mißt und daraus die Differenz bildet, kann mit dieser Anordnung, außer der vorstehend dargestellten Ermittlung des Extraktabnahme-Verlaufes, gleichzeitig auch eine Füllstandsmeßeinrichtung für den Gärtank realisiert werden.

Das gleiche gilt für eine andere vorteilhafte Ausführung der Vorrichtung gemäß der Erfindung, bei der die Gesamtmasse des Gärtanks und seines Inhaltes durch eine oder mehrere, die Gewichtskraft messende Meßeinrichtung bzw. -einrichtungen erfaßt werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung und Diagramme zur Erläuterung des Auswerteverfahrens werden im folgenden näher beschrieben.

Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 2 ein Diagramm, das die Dichte des Gärsubstrates in Abhängigkeit vom wahren Extraktgehalt darstellt,

Fig. 3 ein Diagramm, in welchem die Proportionalitätsbeziehung zwischen dem Extraktgehalt des Gärsubstrates und einer Druckgröße unter den Anfangsbedignungen eines konkreten Anwendungsfalles dargestellt ist,

Fig. 4 den zeitlichen Verlauf einer gemessenen Extraktabnahme und einer Sollwert-Extraktabnahme,

Fig. 5 eine schematische Darstellung des Systems Gärtank mit verschiedenen, die Systemgrenzen überschreitenden Massen und

Fig. 6 ein Diagramm, das einen zeitlichen Massen- und einen Extraktverlauf als Ergebnis des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens qualitativ darstellt.

Ein Gärtank 1 (Fig. 1), der in seinem unteren Teil einen Tankkonus 1 a aufweist, ist bis zur Höhe H mit Gärsubstrat 2 befüllt. Oberhalb des Flüssigkeitsspiegels des Gärsubstrates 2 wird innerhalb des Gärtanks 1 ein Gasraum 1 b gebildet, der mit Kohlendioxyd gefüllt ist und in dem ein nicht näher bezeichneter Gasdruck herrscht. Im Tankkonus 1 a ist ein Druckmeßgerät 3 angeordnet, welches als Differenzdruckmeßgerät ausgebildet ist, so daß einerseits der Druck der gesamten Flüssigkeitssäule der Höhe H des Gärsubstrates zuzüglich des Druckes im Gasraum 1 b und andererseits der Druck im Gasraum 1 b erfaßt und aus beiden Werten die Differenz gebildet wird. Diese Druckdifferenz ist einerseits ein Maß für die oberhalb des Druckmeßgerätes 3 angeordnete Flüssigkeitssäule der Höhe H, andererseits ist sie ein Maß für die Dichte des Gärsubstrates. Die Meßleitung für den Gasdruck ist mit 4 bezeichnet. Zur Entwässerung der Meßleitung 4 ist ein Entwässerungsventil 10 und eine Entwässerung 11 vorgesehen. Eine von dem Druckmeßgerät 3 gemessene Druckmeßgröße Δ p wird von einem Druckmeßumformer 5 in geeigneter Weise umgewandelt und über eine Meßleitung 12 an einen Analog/Digital-Wandler 6 übermittelt, der diese Information an eine Rechnerschaltung 7 weiterleitet. Die Rechnerschaltung verarbeitet diese Druckmeßgröße Δ p und weitere gemäß den nachfolgend dargestellten Gleichungen vorliegende Informationen, ermittelt daraus den Extraktgehalt E _s , speichert diesen Wert und zeigt ihn über eine Datenausgabe-Einrichtung 8 an. Darüber hinaus stellt die Rechnerschaltung 7 ein Ausgangssignal 9 zur Verfügung, mit der Regeleinrichtungen zur Veränderung von die Dynamik des Gärprozesses bestimmende Einflußfaktoren, wie Temperatur, Druck, Eingriffspunkt der Kühlung und mechanische Einflußnahme, beaufschlagt werden. Der Analog/Digital- Wandler 6, die Rechnerschaltung 7 und die Datenausgabe-Einrichtung 8 sind zu einer Auswerte-Einrichtung 15 zusammengefaßt, die wahlweise mit jeweils einer Meßleitung 120, 220 u. a. für die Druckmeßgröße Δ p weiterer Gärtanks 100, 200 u. a. verbunden wird.

An Hand der Fig. 2, 3 und 4 soll die Vorgehensweise bei der Ermittlung des zeitlichen Verlaufs der Extraktabnahme E _s = f(t), kurz erläutert werden. Die Rechnerschaltung 7 wertet dabei automatisch und im Meßtakt der Druckmessung wiederholend die nachfolgenden Gleichungen (1) bis (7) aus:

Ziel der Auswertung, und damit auch des erfindungsgemäßen Verfahrens, ist die Ermittlung des zeitlichen Verlaufes der Extraktabnahme E _s gemäß den Gleichungen 1, 6 und 7, beispielhaft dargestellt in Fig. 4 als Kurvenverlauf 14.

Auf der Ordinate des Diagramms gemäß Fig. 4 ist der über den Anfangsextrakt E _wo normierte scheinbare Extraktgehalt E _s in Prozent aufgetragen. Die Skalierung 100% entspricht daher dem Anfangsextraktgehalt E _wo mit beispielsweise 12% zum Startzeitpunkt t = t₀ (vgl. auch Gleichung 1a). Der Ausgangsextraktgehalt E _wo wird z. B. labormäßig ermittelt und der Rechnerschaltung 7 als Anfangsbedingung vorgegeben. Ebenfalls zum Startzeitpunkt t₀ der Vergärung wird eine der statischen Flüssigkeitssäule mit der Gesamthöhe H des Gärsubstrates proportinale Druckmeßgröße Δ p₀ über das Druckmeßgerät 3 gemessen (vgl. Gleichung 2a), und der Rechnerschaltung 7 übermittelt.

Das Diagramm gemäß Fig. 2 zeigt die sogenannte Rohrzuckertabelle, die die Zuordnung zwischen dem wirklichen Extraktgehalt E _w und der Dichte des Substrates ρ _Ew darstellt. Dieser Zusammenhang (vgl. Gleichung 3) ist in der Rechnerschaltung 7 hinterlegt, so daß über den ermittelten Ausgangsextrakt E _wo die zugeordnete Dichte ρ _Ewo des Gärsubstrates zum Startzeitpunkt der Vergärung ermittelt werden kann (vgl. Gleichung 3a und Fig. 2).

In dem Diagramm gemäß Fig. 3, an dessen Ordinate die gleiche Variable wie im Diagramm gemäß Fig. 4 aufgetragen ist, ist eine Proportionalitätsbeziehung zwischen dem Extraktgehalt E _s und einer Druckgröße π dargestellt, wobei sich bei einer näherungsweisen Linearisierung die Proportionalitätsbeziehung deren Steigung aus dem Anfangsextraktgehalt E _wo gemäß Gleichung 1a und einer Druckgröße π₀ gemäß Gleichung 4 bestimmt. Die Druckgröße π₀ errechnet sich gemäß Gleichung 4 aus der Druckmeßgröße Δ p₀, vermindert um den statischen Druck der reinen Wassersäule der Gesamthöhe H. Zu jedem beliebigen Zeitpunkt nach dem Startzeitpunkt t₀ mißt das Druckmeßgerät 3 eine Druckmeßgröße Δ p gemäß Gleichung 2, aus der die auf der Abszisse des Diagramms gemäß Fig. 3 aufgetragene Druckgröße π gemäß Gleichung 5 errechnet werden kann. Die in den Gleichungen 4, 5 und 7 angegebene Dichte ρ _W stellt die Dichte des reinen Wassers dar. Zu jeder gemäß Gleichung 5 ermittelten Druckgröße π läßt sich über die Proportionalitätsbeziehung gemäß Gleichung 6, dargestellt im Diagramm gemäß Fig. 3, ein scheinbarer Extraktgehalt E _s ermitteln. Im vorgenannten Diagramm entspricht eine aus einem Meßwert über die Gleichung 5 ermittelte Druckgröße π₁ einem scheinbaren Extraktgehalt E _{s 1}. Der derart zum Zeitpunkt t₁ ermittelte scheinbare Extraktgehalt E _{s 1} stellt einen Punkt im zeitlichen Extraktabnahme-Verlauf E _s = f(t) dar (vgl. Fig. 4).

Gleichung 7 stellt den Zusammenhang zwischen dem scheinbaren Extraktgehalt E _s und den Anfangsbedingungen zum Startzeitpunkt t₀ der Vergärung und der über das Druckmeßgerät meßbaren Druckmeßgröße Δ p zu einem beliebigen Zeitpunkt t<t₀ dar. Gleichung 7 ergibt sich aus Gleichung 6, wenn in dieser für die Druckgrößen π und π₀ die entsprechenden Beziehungen der Gleichung 4 bzw. 5 eingesetzt werden.

Das vorgeschlagene Meßverfahren und seine vorstehend dargestellte Auswertung liefert den sogenannten scheinbaren Extraktgehalt E _s . Falls es erforderlich oder wünschenswert sein sollte, den wirklichen Extraktgehalt E _w zu einem bestimmten Zeitpunkt nach dem Startzeitpunkt t₀ der Vergärung zu bestimmen, so läßt sich dieser Extrakgehalt nach der durch Ballings Attenuationslehre gegebenen Beziehung, die ebenfalls in der Rechnerschaltung 7 zu hinterlegen wäre, ohne weiteres bestimmen. Für die praktischen Erfordernisse stellt allerdings die scheinbare Extraktabnahme E _s , und hier insbesondere der Extraktabnahme-Gradient dE _s R _s /dt, ein hinreichend aussagefähiges Vergärungskriterium dar.

In Fig. 5 ist der Gärtank 1 mit seinem Inhalt (Gärsubstrat) 2 schematisch dargestellt, wobei Massen m₁ bis m₄ eine den Gärtank 1 umschließende Systemgrenze 15 überschreiten. Bei der Masse m₁ bzw. den Teilmassen m₁₁ und m₁₂ handelt es sich um die Zuführung von Produkt bzw. von Gärsubstrat, wobei diese Teilmassen einen Extraktgehalt E _{s 11} bzw. E _{s 12} enthalten sollen. Bei der Masse m₃ handelt es sich beispielsweise um eine nicht extraktbehaftete Zugabe zum Gärsubstrat wie beispielsweise Kieselgur, die Masse m₂ stellt das bei der Gärung anfallende CO₂-Gas dar und die Masse m₄ bildet einen Sedimentabzug (Hefeabzug), der keine Extraktanteile beinhaltet.

In Fig. 6 sind in Zeitabschnitten, die mit I-VII gekennzeichnet sind, der zeitliche Masenverlauf m(t) und der zeitliche Verlauf der Extraktabnahme E _s (t) qualitativ dargestellt. Eine Teilfüllung des Gärtanks 1 mit der Masse m₁₁ ist zum Startzeitpunkt t₀ der Vergärung abgeschlossen. Der Extraktgehalt der Teilmasse m₁₁ sei E _{s 11}. Dieser Wert stellt den Basiswert bzw. den Ausgangsextraktgehalt des Gärprozesses dar. In Zeitabschnitt III erfolgt eine weitere Befüllung des Gärtanks 1 mit der Teilmasse m₁₂. In dem sich dem Zeitabschnitt III anschließenden Zeitabschnitt IV und in dem vorangehenden Zeitabschnitt II liegt, außer dem CO₂-Massentransport über die Systemgrenze 15, kein weiterer zusätzlicher Massentransport vor. Die CO₂-Masse in Zeitabschnitt II ist in Fig. 6 mit m₂(t₁-t₀) gekennzeichnet. Der entsprechende Massentransport in Zeitabschnitt IV beträgt m₂(t₃-t₂).

Während die Zuführung der Teilmasse m₁₂ aufgrund des in ihr enthaltenen Extraktgehaltes E _{s 12} die Extraktbilanz insgesamt verändert, handelt es sich in den Zeitabschnitten V und VII um eine nicht extraktbehaftete Massenzufuhr m₃ bzw. Massenabführung m₄. In Zeitabschnitt VI überschreitet, ebenso wie in den Zeitabschnitten II und IV, lediglich CO₂-Gas die Systemgrenze 15. Die Massenabnahme in Zeitabschnitt VI beträgt m₂(t₅-t₄).

Die extraktbezogene Massenabnahme in den Zeitabschnitten II, IV und VI kann nach dem erfindungsgemäßen Verfahren kontinuierlich gemessen und bilanziert werden. In den Zeitabschnitten III, V und VII ist eine extraktbezogene Erfassung der Massenänderung über eine Messung nicht möglich, da über die Systemgrennze 15 des Gärtanks 1 zusätzlich eine Masse m₁₂ bzw. m₃ bzw. m₄ transportiert wird. Hier setzt nun das erfindungsgemäße Verfahren ein und extrapoliert den zeitlichen Verlauf des Extraktgehaltes E _s (t) über die Dauer des Ereignisses anhand des zum Zeitpunkt des Ereignisses aktuellen Extraktabnahme-Gradienten -dE _s /dt(t) und des jeweiligen Massenabnahme-Gradienten -dm/dt(t). Am Ende der Zeitabschnitte II, IV und VI wird neben der jeweiligen Messung der Gesamtmasse m(t₁) bzw. von m(t₃) bzw. m(t₅) zusätzlich der jeweilige Massenabnahme-Gradient -dm/dt(t₁) bzw. -dm/dt(t₃) bzw. -dm/dt(t₅) ermittelt. Die extraktbezogene Massenabnahme kann nunmehr in den Zeitabschnitten III, V und VII gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren jeweils extrapoliert werden. Aufgrund dieser Extrapolation ist nun auch feststellbar, wie groß zum Zeitpunkt t₂ bzw. t₄ bzw. t₆ die Massenzufuhr m₁₂ bzw. m₃ bzw. die Massenabfuhr m₄ gewesen ist. Für die jeweilige Bilanz ist lediglich eine Messung der Gesamtmasse des Gärsubstrates zu Beginn und zum Ende des jeweiligen Zeitabschnittes erforderlich. Die Berechnungsgleichungen für die Massenbilanzen der Zeitabschnitte III, V und VII sind in den nachfolgenden Gleichungen zusammengestellt:

Ausgehend vom Basiswert, dem Ausgangsextraktgehalt E _{s 11} zum Startzeitpunkt t₀, gelingt es nun, aufgrund des vorgeschlagenen Verfahrens den zeitlichen Verlauf der Extraktabnahme E _s (t) insgesamt auf der Grundlage des zeitlichen Verlaufs der Massenänderung m(t) zu bilanzieren. Die Extraktabnahme E _s (t) ist in Zeitabschnitt II gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren meßtechnisch erfaßbar. Ebenso kann der Extraktabnahme-Gradient -dE _s /dt(t₁) zum Zeitpunkt t₁ ermittelt werden. Wegen der im nachfolgenden Zeitabschnitt III sich durch Massenzufuhr m₁₂ ändernden Gesamtmasse des Gärsubstrates kann nunmehr in diesem Zeitabschnitt die Extraktabnahme über die Zeitdauer des Ereignisses (Massenzufuhr m₁₂) gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren extrapoliert werden. Zum Zeitpunkt t₂ wird ein Extraktgehalt E _s (t₂) rechnerisch festgestellt. Dieser letztgenannte Extraktgehalt bildet den Ausgangswert für die weitere meßtechnische Erfassung der Extraktabnahme im Zeitabschnitt IV. Zum Zeitpunkt t₃ werden der Extraktgehalt E _s (t₃) und der Extraktabnahme-Gradient -dE _s /dt(t₃) ermittelt. Nunmehr erfolgt in Zeitabschnitt V wiederum eine Extrapolation der Extraktabnahme aufgrund des Extraktabnahme-Gradienten -dE _s /dt(t₃) zum Zeitpunkt t₃ und unter Berücksichtigung der für diesen Zeitabschnitt festgestellten Massenänderung m₃. Der extrapolierte Extraktgehalt E _s (t₄) zum Zeitpunkt t₄ bildet wiederum den Ausgangswert für die weitere meßtechnische Erfassung der Extraktabnahme im Zeitabschnitt VI. Zum Zeitpunkt t₅ werden sowohl der Extraktgehalt E _s (t₅) als auch der Extraktabnahme-Gradient -dE _s /dt(t₅) ermittelt und der Extrapolation der Extraktabnahme im Zeitabschnitt VII zugrundegelegt. Die Berechnungsgleichungen für die Extraktbilanz der Zeitabschnitte III, V und VII sind nachfolgend zusammengestellt:

Claims (11)

1. Verfahren zur Messung und Bilanzierung des zeitlichen Verlaufs des Extraktgehaltes im Gärsubstrat bei der Bierherstellung, wobei die Dichte oder die Masse des Gärsubstrates gemessen und zur Feststellung des Extraktgehaltes herangezogen wird, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) zu jedem Zeitpunkt nach einem Startzeitpunkt t₀ die Gesamtmasse des Gärsubstrates im Gärtank bestimmt wird,
• b) daß daraus der Massentransport über die Systemgrenze des Gärtanks nach Zeitpunkt, Dauer und Betrag ermittelt und bilanziert wird,
• c) daß ein zu dem Zeitpunkt t₀ als Basiswert bereitgestellter Ausgangsextraktgehalt des Gärsubstrates nachfolgend unter Berücksichtigung der Massenbilanz zur Ermittlung des jeweiligen Extraktgehaltes und des Extraktabnahme-Gradienten und
• d) zur fortwährenden Bilanzierung deren zeitlicher Verläufe herangezogen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtmasse des Gärsubstrates über eine die gesamte statische Flüssigkeitssäule des Gärsubstrates im Gärtank erfassende Druckmessung bestimmt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtmasse des Gärsubstrates gravimetrisch bestimmt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zeitliche Abhängigkeit der Extraktabnahme E _s = f(t) (Gleichungen 1, 6, 7; Fig. 4) ermittelt wird

• a) aus einer zum Startzeitpunkt t₀ der Vergärung durchgeführten Messung des Ausgangsextraktes E _wo des Gärsubstrates (Gleichung 1a) und einer der statischen Flüssigkeitssäule mit der Gesamthöhe H des Gärsubstrates proportionalen Druckmeßgröße Δ p₀ (Gleichung 2a);
• b) aus der aus der Rohrzuckertabelle gegebenen Zuordnung zwischen dem Ausgangsextrakt E _wo und einer daraus resultierenden Dichte ρ _Ewo des Gärsubstrates (Gleichungen 3, 3a; Fig. 2);
• c) aus einer aus den vorgenannten Punkten a) und b) definierbaren Proportionalitätsbeziehung zwischen dem Extraktgehalt E _s und einer Druckgröße π (Gleichung 6; Fig. 3), wobei bei einer näherungsweisen Linearinierung der vorgenannten Beziehung, deren Steigung aus dem Anfangsextrakt E _wo (Gleichung 1a) und einer Druckgröße π₀, die sich aus der um den statischen Druck der reinen Wassersäule der Gesamthöhe H verminderten Druckmeßgröße Δ p₀ errechnet (Gleichung 4), bestimmt wird und
• d) aus einer zu einem beliebigen Zeitpunkt t<t₀ durchgeführten Messung einer der gesamten statischen Flüssigkeitssäule des Gärsubstrates proportionalen Druckmeßgröße Δ p (Gleichung 2), aus der sich die Druckgröße π errechnet unter Berücksichtigung des statischen Druckes der reinen Wassersäule der Gesamthöhe H (Gleichung 5).

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zeitliche Abhängigkeit der Extraktabnahme E _s = f(t) über eine Rechnerschaltung automatisch und fortlaufend nach folgenden Gleichungen ermittelt wird: wobei allein der zum Startzeitpunkt t₀ vorliegende, beispielsweise labormäßig zu ermittelnde Ausgangsextrakt E _wo (Gleichung 1a) der Rechnerschaltung als Anfangsbedingung vorzugeben ist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, mit einer Rechnerschaltung, dadurch gekennzeichnet, daß die Rechnerschaltung

• a) bei einem über die Systemgrenze des Gärtanks festgestellten Massentransport, der allein durch Umwandlung von Extrakt in Kohlensäure bedingt ist, eine kontinuierliche Ermittlung des zeitlichen Verlaufs der Extraktabnahme und des Extraktabnahme-Gradienten aufgrund der Massenbestimmung und -bilanz vornimmt und
• b) bei einem über die Systemgrenze des Gärtanks festgestellten zusätzlichen Massentransport mit oder ohne Extraktanteilen mit dem zum Zeitpunkt des Ereignisses aktuellen Extraktabnahme-Gradienten eine Extrapolation des zeitlichen Verlaufs des Extraktgehaltes über die Dauer des Ereignisses durchführt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in der Rechnerschaltung ein Sollwertverlauf der Extraktabnahme E _s * = f(t) hinterlegt ist, daß fortlaufend ein Vergleich zwischen dem Istwertverlauf E _s = f(t) und dem Sollwertverlauf durchgeführt wird, und daß eine Differenz der Verläufe zur Regelung der für das Gärsubstrat maßgeblichen Einflußfaktoren Verwendung findet.

8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, mit einem Gärtank und Regeleinrichtungen zur Verbindung mit Stellorganen für Druck, Temperatur, Eingriffspunkt der Kühlung und mechanischer Einflußnahme, dadurch gekennzeichnet, daß ein Druckmeßgerät (3) vorgesehen ist, welches die der gesamten statischen Flüssigkeitssäule der Gesamthöhe H des Gärsubstrates proportionale Druckmeßgröße Δ p liefert, wobei letztere über einen Druckmeßumformer (5) und einen Analog/Digital-Wandler (6) an eine Rechnerschaltung (7) übermittelt wird, daß die Rechnerschaltung (7) die Druckmeßgröße Δ p und weitere zum Startzeitpunkt t₀ der Vergärung vorliegende Informationen (E _wo , ρ _Ewo , ρ _w ) verarbeitet, daraus die Extraktabnahme E _s = f(t) ermittelt, speichert und über eine Datenausgabeeinrichtung (8) anzeigt, und ein Ausgangssignal (9) zur Verfügung stellt, mit dem die Regeleinrichtungen beaufschlagt werden.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Auswerteeinrichtung 15, bestehend aus dem Analog- Digital-Wandler (6), der Rechnerschaltung (7), der Datenausgabe-Einrichtung (8), wahlweise mit jeweils einer Meßleitung (120; 220; u. a.) für die Druckmeßgröße Δ p weiterer Gärtanks (100; 200; u. a.) verbunden wird.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckmeßgerät (3) als Differenzdruckmeßgerät ausgebildet ist, welches einerseits den Druck der gesamten Flüssigkeitssäule der Gesamthöhe H des Gärsubstrates zuzüglich des Druckes in einem darüber angeordneten Gasraum (1 b) und andererseits den Druck im Gasraum (1 b) mißt und daraus die Differenz bildet.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtmasse des Gärtanks und seines Inhaltes durch eine oder mehrere, die Gewichtskraft messende Meßeinrichtung bzw. -einrichtungen erfaßt werden.