DE3920397A1 - Verfahren und vorrichtung zur vollautomatischen gaerprozessregelung bei der bierherstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur vollautomatischen Gärprozessregelung bei der Bierherstellung, bei dem Druck und Temperatur des Gärsubstrates regelbar sind, und bei dem ein Extraktgehalt im Gärsubstrat kontinuierlich erfaßt wird mit Hilfe der Messung der Gesamtmasse des Gärsubstrates, wobei die Gesamtmasse entweder über eine der gesamten statischen Flüssigkeitssäule des Gärsubstrates proportionale Druckmeßgröße oder über eine Gewichtsmessung der Gesamtmasse durch Wägung ermittelt wird, bei dem die kontinuierlich erfaßte Gesamtmasse zur Bilanzierung des Massentransportes über die Systemgrenze des Gärtanks herangezogen wird, bei dem die gemessenen Daten in einem Speicher gespeichert und mit Vorgabedaten verglichen werden, und bei dem die Abweichung zwischen den gemessenen Daten und den Vorgabeda­ ten (beispielsweise Differenz der Extraktgehalte oder der Extraktabnahme-Gradienten) herangezogen werden zur Regelung der für das Gärsubstrat maßgeblichen Einflußfaktoren (wie z.B. Temperatur, Druck, Kühlungseingriffspunkt, mechanische Einflußnahme), sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Ein Verfahren und eine Vorrichtung der einleitend gekenn­ zeichneten Gattung sind Gegenstand des Hauptpatents. In ihm wird am Beispiel einer die gesamte statische Flüssigkeits­ säule des Gärsubstrates im Gärtank erfassenden Druckmessung ausführlich dargelegt, wie allein aus dieser Druckmessung der zeitliche Verlauf des Extraktgehaltes und des Extrakt­ abnahme-Gradienten ermittelt und zur Regelung der für das Gärsubstrat maßgeblichen Einflußfaktoren herangezogen werden kann. Darüber hinaus enthält das Hauptpatent Hinweise darauf, wie durch Gewichtsmessung der Gesamtmasse des Gärsubstrates das Verfahren zur vollautomatischen Gärprozeß­ regelung bei der Bierherstellung alternativ ausgestaltet werden kann.

Grundlage für das Verfahren nach dem Hauptpatent bilden die dort angegebenen Gleichungen 1 bis 7. Insbesondere aus Glei­ chung 7 ist ersichtlich, in welcher Weise der Extraktgehalt E_s(t) von der während des Gärprozesses variablen Druckgröße Δp(t) abhängt. Die übrigen Parameter wie der Ausgangsex­ traktgehalt E_wo, die zugeordnete Dichte ρ_EWO, die Dichte des reinen Wassers ρ_W und die der statischen Flüssigkeitssäule mit der Gesamthöhe H des Gärsubstrates proportionale Druckmeßgröße Δp₀ liegen zu Beginn des Gärprozesses fest, und sind in ihrem weiteren Verlauf als konstant anzusehen. Das vorgeschlagene Verfahren erfordert unter den in der Praxis gültigen Anfangs-und Randbedingungen eine außeror­ dentlich hohe Meßgenauigkeit bei der Ermittlung der Druckmeßgröße Δp(t), damit Änderungen des Extraktgehaltes E_s im Gärsubstrat mit einer für die Regelung und die Interpre­ tation des Gärprozesses hinreichenden Genauigkeit überhaupt möglich sind. Dies soll nachfolgend durch einige konkrete Relationen deutlich gemacht werden. Die über den gesamten Gärprozeß infolge Extraktabnahme durch Vergärung zu erwartende Druckänderung verhält sich beispielsweise zur Ausgangsdruckdifferenz Δp₀, resultierend aus der gesamten statischen Flüssigkeitssäule mit der Gesamthöhe H, wie ca. 1:30. Da das Meßgerät zur Druckmessung für die maximale Meßgröße Δp₀ ausgelegt sein muß und einen relativen Meßfehler f aufweist, der sich auf den zur Messung der Meßgröße Δp₀ erforderlichen Meßbereich bezieht, sind die während des Gärprozesses meßbaren geringen Druckänderungen mit einem relativen Meßfehler behaftet, der 30 mal größer ist als der auf die vorgenannte maximale Meßgröße im Meßbereich bezogene relative Meßfehler f. Das angesprochene Problem ist ein grundsätzliches Problem, welches auch nicht dadurch lösbar ist, daß die Meßgenauigkeit in dem erforder­ lichen Maße erhöht wird. Derartige Meßgeräte stehen für den betrieblichen Einsatz nicht zur Verfügung.

Das Problem ist auch meßtechnisch nicht dadurch lösbar, daß das aus der relativ großen Flüssigkeitshöhe resultierende Meßsignal bis auf den Betrag seiner Änderung unterdrückt und die Änderung selbst meßtechnisch gespreizt wird. Die Ände­ rungen der Meßgröße bleiben dabei mit dem vorstehend angegebenen, nicht hinnehmbaren Meßfehler behaftet.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren der einleitend gekennzeichneten Gattung und eine Vorrichtung zu seiner Durchführung zu schaffen, mit denen die für die Regelung notwendigerweise erforderliche kontinuierliche Erfassung des Extraktgehaltes E_s(t) im Gärsubstrat mit einer für die Regelung und die Interpretation des Gärprozesses hinreichenden Genauigkeit möglich ist.

Diese Aufgabe wird durch die Kennzeichenmerkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens sind Gegenstand der Ansprüche 2 und 3.

Während die Erfassung des Extraktgehaltes E_s(t) nach dem Hauptpatent eine Funktion der der gesamten statischen Flüssigkeitssäule entsprechenden Druckmeßgröße Δp(t) ist (vgl. Gleichung 7 des Hauptpatentes), ist nunmehr der Extraktgehalt E_s(t) nur noch eine Funktion einer Differenz zwischen einer Meßgröße für die momentane Gesamtmasse und der ersten Meßgröße für die anfängliche Gesamtmasse des Gärsubstrates.

Dies gelingt erfindungsgemäß dadurch, daß zu Beginn eines Gärprozesses eine die anfängliche Gesamtmasse des Gärsub­ strates repräsentierende erste Meßgröße mit einem ersten Meßbereich erfaßt wird. Bei einer Druckmessung wäre diese erste Meßgröße die Anfangsdruckdifferenz Δp₀. Je nach Arbeitsweise des Druckmeßgerätes kann diese Druckmeßgröße als elektrisches (Strom oder Spannung) oder als mechanisches Signal (z.B. Auslenkung einer Membran) vorliegen. Wird nun diese erste Meßgröße durch eine gleichgroße, entgegenge­ setzte Größe ausgewogen, d.h. kompensiert, so wird von nun an die Meßeinrichtung, ausgehend von diesem Gleichgewichts­ zustand, nur noch von den Druckänderungen beaufschlagt, die aus der Extraktabnahme im Gärsubstrat resultieren. Die Kompensation kann elektrisch, sie kann aber auch mechanisch erfolgen. Bei einer mechanischen Kompensation wäre z.B. eine Membran auf ihrer der Flüssigkeitssäule des Gärsubstrates abgewandten Seite mit einer zweiten Flüssigkeit, z.B. Wasser, zu beaufschlagen, und zwar in der Weise, daß die durch die Flüssigkeitssäule des Gärsubstrates bedingte Auslenkung durch die auf der Gegenseite aufgebrachte Wassersäule gerade kompensiert wird. Die Kompensation durch eine Flüssigkeit läßt sich selbstverständlich auch durch äquivalent wirkende andere mechanische Mittel substituieren. Sinngemäß in gleicher Weise ist ein Gleichgewichtszustand zu Beginn des Gärprozesses durch elektrische Maßnahmen in der Meßschaltung realisierbar.

Vom Zeitpunkt der Kompensation an ist der Extraktgehalt E_s(t) nicht mehr, wie vorstehend im Hauptpatent angegeben, eine Funktion der der gesamten statischen Flüssigkeitssäule des Gärsubstrates entsprechenden Druckmeßgröße Δp(t), sondern sie ist von nun an eine Funktion der Änderung dieser Druckmeßgröße, im folgenden Druckänderung Δ(Δp(t)) genannt. Da zu Beginn des Gärprozesses bekannt ist, wie groß die durch die Extraktabnahme bedingte Druckänderung maximal sein kann, kann nunmehr der Meßbereich für die Druckänderung über einen zweiten Meßbereich erfaßt werden, der gegenüber dem ersten Meßbereich für die erste Meßgröße erheblich verklei­ nert ist, und zwar im Verhältnis der ersten Meßgröße zur maximalen Druckänderung (Differenz) am Ende des Gärprozes­ ses. Von nun an sind die Druckänderungen nur noch mit einem Meßfehler behaftet, der sich aufgrund des relativen Meßfehlers f des Meßgerätes und bezogen auf den verklei­ nerten zweiten Meßbereich ergibt, d.h. der relative Meßfehler für die Druckänderung entspricht dem relativen Meßfehler für die erste Meßgröße (Anfangsdruckdifferenz Δp₀).

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Vorrichtung mit einem Druckmeßgerät vorgeschlagen, welches eine der gesamten statischen Flüssigkeitssäule der Gesamt­ höhe H des Gärsubstrates proportionale Druckmeßgröße Δp liefert, und die einen Meßwertumformer mit dem ersten und dem zweiten Meßbereich aufweist, mit dem im ersten Meßbe­ reich die erste Meßgröße, die Anfangsdruckdifferenz Δp₀, kompensiert und mit dem im zweiten Meßbereich die Druckän­ derung Δ(Δp(t)) erfaßt wird.

Darüber hinaus wird eine weitere Vorrichtung zur Durchfüh­ rung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer Einrichtung zur Bestimmung des Gewichtes der Gesamtmasse des Gärsub­ strates vorgeschlagen, die einen Meßumformer mit dem ersten und dem zweiten Meßbereich aufweist, mit dem im ersten Meßbereich die erste Meßgröße, die Anfangsmasse m₀, kompensiert und mit dem im zweiten Meßbereich die Massenän­ derung Δm(t) erfaßt wird.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden kurz erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 (in schematischer Darstellung einen Gärtank mit einer Vorrichtung gemäß der Erfindung, wobei eine Druckdif­ ferenzmessung vorgesehen ist und

Fig. 2 eine weitere Vorrichtung gemäß der Erfindung, wobei eine Gewichtsmessung realsiert ist.

Ein Gärtank 1 (Fig. 1), der in seinem unteren Teil einen Tankkonus 1a aufweist, ist bis zur Höhe H mit Gärsubstrat 2 befüllt. Oberhalb des Flüssigkeitsspiegels des Gärsubstrates 2 wird innerhalb des Gärtanks 1 ein Gasraum 1b gebildet, der mit Kohlendyoxid gefüllt ist, und in dem ein nicht näher ausgebildet bezeichneter Gasdruck herrscht. Im Tankkonus 1a ist ein Druckmeßgerät 3 angeordnet, welches als Differenzdruck-Meßge ist, so daß einerseits der Druck der gesamten Flüssigkeitssäule der Höhe H des Gärsubstrates zuzüglich des Druckes im Gasraum 1b und andererseits der Druck im Gasraum 1b 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. Zu ihrer Entwässerung ist ein Entwässerungsventil 10 und eine Entwässerung 11 vorgesehen. Eine von dem Druckmeßgerät 3 gemessene Druckmeßgröße Δp(t) wird von einem Meßwertumformer 5 erfindungsgemäß ver­ arbeitet 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 Δp(t) und weitere für die Gärprozeßregelung relevante Informationen, ermittelt daraus den Extraktgehalt E_s, speichert diesen Wert und zeigt ihn über eine Datenausgabe-Einrichtung 8 an. Wesentlich jedoch ist, daß die Rechnerschaltung 7 ein Ausgangssignal 9 zur Verfügung stellt, mit der eine vollautomatische Gärprozeß­ regelung über Druck und Temperatur und andere die Dynamik des Gärprozesses bestimmende Einflußfaktoren, wie Ein­ griffspunkt der Kühlung und mechanische Einflußnahme, möglich ist. Der Analog/Digital-Wandler 6, die Rechnerschal­ tung 7 und die Datenausgabe-Einrichtung 8 sind zu einer Auswerteeinrichtung 15 zusammengefaßt, die wahlweise mit jeweils einer Meßleitung 120, 220 unter anderem für die Druckmeßgröße Δp(t) weiterer Gärtanks 100, 200 und anderen verbunden wird.

Der Meßwertumformer 5* weist nun erfindungsgemäß zwei Meßbe­ reiche auf, wobei über den ersten Meßbereich die erste Meßgröße, z.B. die Anfangsdruckdifferenz Δp₀, meßbar ist. Darüber ist der Meßwertumformer 5* in der Lage, die erste Meßgröße durch eine gleichgroße, entgegengesetzte Größe zu kompensieren, so daß während des nachfolgenden Gärprozesses über einen zweiten Meßbereich die Differenz zwischen einer Meßgröße für die momentane Gesamtmasse und der ersten Meßgröße erfaßbar ist. Der zweite Meßbereich ist dabei gegenüber dem ersten Meßbereich verkleinert, und zwar im Verhältnis der ersten Meßgröße zur maximalen Differenz am Ende des Gärprozes­ ses.

In Fig. 2 ist der untere Bereich des Gärtanks, der Tankkonus 1a dargestellt. Man erkennt, daß sich letzterer auf einer Einrichtung 3a zur Bestimmung des Gewichtes der Gesamtmasse des Gärsubstrates abstützt. Ein Meßumformer 5**, der einen ersten und einen zweiten Meßbereich aufweist, verarbeitet im ersten Meßbereich die erste Meßgröße, die Anfangsmasse m₀ und kompen­ siert diese. Er erfaßt im zweiten Meßbereich die Differenz, die Massenänderung Δm(t) und leitet die Information zur Regelung der für das Gärsubstrat maßgeblichen Einflußfaktoren an die Auswerteeinrichtung 15 weiter.

Claims (3)

1. Verfahren zur vollautomatischen Gärprozeßregelung bei der Bierherstellung, bei dem Druck und Temperatur des Gärsub­ strates regelbar sind und bei dem ein Extraktgehalt E_s(t) im Gärsubstrat kontinuierlich erfaßt wird mit Hilfe der Messung der Gesamtmasse des Gärsubstrates, wobei die Gesamtmasse entweder über eine der gesamten statischen Flüssigkeitssäule des Gärsubstrates proportionale Druckmeßgröße oder über eine Gewichtsmessung der Gesamtmasse durch Wägung ermittelt wird, bei dem die kontinuierlich erfaßte Gesamtmasse zur Bilan­ zierung des Massentransportes über die Systemgrenze des Biertanks herangezogen wird, bei dem die gemessenen Daten in einem Speicher gespeichert und mit Vorgabedaten verglichen werden, und bei dem die Abweichung zwischen den gemessenen Daten und den Vorgabedaten (beispielsweise die Differenz der Extraktgehalte oder der Extraktabnahme-Gradienten) herange­ zogen werden zur Regelung der für das Gärsubstrat maßgeb­ lichen Einflußfaktoren (z.B. Temperatur, Druck, Kühlungs­ eingriffspunkt, mechanische Einflußnahme), dadurch gekenn­ zeichnet, daß

   • a) zu Beginn eines Gärprozesses eine die anfängliche Gesamt­ masse des Gärsubstrates repräsentierende erste Meßgröße (Druckmeßgröße oder Gewichtskraft bzw. eine hierzu pro­ portionale physikalische Größe wie Strom, Spannung, Weg) mit einem ersten Meßbereich erfaßt wird, daß
   • b) die erste Meßgröße durch eine gleichgroße, entgegenge­ setzte Größe ausgewogen wird und daß
   • c) die Regelung des Gärprozesses in Abhängigkeit von einer Differenz zwischen einer Meßgröße für die momentane Gesamtmasse und der ersten Meßgröße erfolgt, wobei die Differenz mit einem zweiten Meßbereich erfaßt wird, der gegenüber dem ersten Meßbereich verkleinert ist, und zwar im Verhältnis der ersten Meßgröße zur maximalen Differenz am Ende des Gärprozesses.
2. 2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einem Gärtank und Regeleinrichtungen in Verbindung mit Stellorganen für Druck, Temperatur, Eingriffspunkt der Kühlung und mechanischer Einflußnahme und mit einem Druck­ meßgerät, welches eine der gesamten statischen Flüssigkeits­ säule der Gesamthöhe H des Gärsubstrates proportionale Druckmeßgröße liefert, dadurch gekennzeichnet, daß ein Meßwertumformer (5*) mit dem ersten und dem zweiten Meßbereich vorgesehen ist, mit dem im ersten Meßbereich die erste Meßgröße, die Anfangsdruckdifferenz Δp₀ ausgewogen und im zweiten Meßbereich die Differenz Δ(Δp(t)) erfaßt wird.
3. 3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einem Gärtank und Regeleinrichtungen in Verbindung mit Stellorganen für Druck, Temperatur, Eingriffspunkt der Kühlung und mechanischer Einflußnahme und mit einer Einrich­ tung zur Bestimmung des Gewichtes der Gesamtmasse des Gär­ substrates, dadurch gekennzeichnet, daß ein Meßumformer (5**) mit dem ersten und dem zweiten Meß­ bereich vorgesehen ist, mit dem im ersten Meßbereich die erste Meßgröße, die Anfangsmasse m₀,ausgewogen und mit dem im zweiten Meßbereich die Differenz, die Massenände­ rung Δm(t), erfaßt wird.