DE4111879A1 - Verfahren zur herstellung von alkoholfreiem bier und dafuer geeignete vorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Bier mit einem Alkoholgehalt 0,5 Vol% durch Fermentation bei niedriger Tem­ peratur mit entsprechend der geringen Alkoholkon­ zentration kontrollierter Verweilzeit.

Bier gilt als alkoholfrei, wenn der Ethanolgehalt weniger als 0,5 Vol% beträgt. Dies kann entweder durch einen nachträglichen Entzug von Ethanol aus einem weitgehend vergorenen Bier durch Einsatz von Dialysemembranen erzielt werden oder indem von vornherein durch kontrollierte Fermentations­ bedingungen gerade nur so viel Alkohol gebildet wird. Diese letztere Methode stellt auch aufgrund der zunehmenden Verbrauchernachfrage nach alkohol­ freiem Bier die Methode der Wahl dar. Die Gärungs­ aktivität der Hefe wird dabei über Temperatur und Verweilzeit soweit reguliert, daß der in der Würze vorhandene Zucker nur zu einem geringen Prozentsatz zu Ethanol umgesetzt wird. Typische Fermentationsbedingungen sind dabei eine Tempera­ tur von 1,5°C und eine Verweilzeit von 17 h unter Batch-Bedingungen im Gärungstank.

Von H. Lommi (Brewing & Distilling Internat. 1990, 22-23) wurde auch bereits ein Verfahren zur Ge­ winnung von alkoholfreiem Bier beschrieben, bei dem auf einem hetorogenen Träger aus DEAE-Cellu­ lose, Polystyrol und Titandioxid aufgewachsene Hefe im Festbett kontinuierlich durchströmt wird.

Diese Verfahrensweise geht im Prinzip auf Entwick­ lungen zur kontinuierlichen Biergewinnung unter Verwendung von immobilisierten Hefezellen zurück, die seit dem Ende der 50er Jahre intensiv unter­ sucht wird, aber noch in letzter Zeit aufgrund der bestehenden Erfahrungen als nicht restlos befriedigend kritisiert wird (A.W. Davies, Proc. Conv. Inst. Brew., Brisbane 1988 (20) 159-165).

Als Trägermaterialien werden neben Holzspänen, PVC-Chips und Kieselgur im wesentlichen Alginat­ kügelchen oder DEAE-Cellulose-Körner für die Im­ mobilisierung der Hefe verwendet. J.I. Centenera u. a. (Proc. Eur. Brew. Conv. Zürich 1989, 307-314) beschreiben auch die Verwendung von Polygalactu­ ronsäure als Trägermaterial für aufgewachsene Hefe zur kontinuierlichen Biergewinnung.

Zahlreiche Arbeiten befassen sich im übrigen mit der Bildung von Begleitstoffen und geschmacklichen Einflüssen der Herstellungsbedingungen.

Trotz der lebhaften Entwicklungstätigkeit über die Jahre hinweg konnte bislang kein überzeugen­ des Verfahren entwickelt werden. Ziel der Erfin­ dung ist daher ein Verfahren, mit dem insbeson­ dere alkoholfreies Bier erzeugt werden kann und das über lange Zeiten hinweg zu einer Produktion gleichbleibender Güte führt.

Das zu diesem Zweck entwickelte erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß man die Fermentation kontinuierlich in einem Festbett oder Wirbelschichtreaktor mit auf offenporigem Sinterglas als Träger mit Poren zwischen 50 und 500 µm aufgewachsener Hefe durchführt.

Vorzugsweise wird dabei im Wirbelschichtreaktor gearbeitet mit auf porösem Glasträger von 5 mm Korngröße mit Poren zwischen 50 und 300 µm und einer Porosität zwischen 30 und 65% aufge­ wachsener Hefe bei Temperaturen zwischen 0 und 6°C mit Verweilzeiten von 1-12 Std. gearbeitet.

Besonders zweckmäßig sind Verweilzeiten von 2-8 Std. Grundsätzlich sollten die Sinterglas­ träger möglichst große Poren und eine hohe Poro­ sität aufweisen sowie eine relativ geringe Korn­ größe, die aus mechanischen Gründen umso größer sein muß, je größer die Poren sind. Zweckmäßig sind offenporige Sinterglasgranulate von 1-2 mm Korngröße, einer Porosität von 45% und Poren von 80-250 µm.

Als Reaktor eignet sich ein Wirbelschichtreaktor mit einer äußeren Umlaufpumpe, die für einen aus­ reichenden Durchfluß sorgt. Am oberen Ende hat der säulenförmige Reaktor eine Querschnittser­ weiterung, die für eine ausreichende Verlang­ samung der Flüssigkeitsströmung und damit Umkehr des suspendierten Kornmaterials sorgt.

Bei einem solchen Reaktor macht das Wirbelschicht­ volumen etwa 50-60% des gesamten Arbeitsvolu­ mens aus, und das Schüttvolumen liegt bei etwa 25-30% dieses Arbeitsvolumens.

Mit einem solchen Wirbelschichtreaktor ist eine befriedigende Steuerung für eine gleichbleibende Qualität des Reaktorauslaufs gewährleistbar.

Die Mikroorganismen werden auf dem Trägermaterial vorzugsweise im Wirbelschichtreaktor in einer Anfahrphase angezüchtet, indem Hefekonzentrat bei 20-35°C als Inokulat in den Reaktor gege­ ben wird und mit Verweilzeiten unterhalb der Ge­ nerationszeit der Hefe dafür gesorgt wird, daß während der Kolonisierungsphase des Trägermate­ rials ein optimaler Selektionsdruck zugunsten sessiler Mikroorganismen bei einem hohen Level der Raumzeitausbeute stattfinden kann. Zweckmäßi­ gerweise erfolgt eine solche Anfahrphase über eine Woche hinweg und kann durch regelmäßige Pro­ bennahme und rasterelektronenmikroskopische Aus­ wertung überwacht werden. Selbstverständlich sind je nach Bedingungen kürzere Anfahrphase von 2-3 Tagen bzw. auch längere Zeitdauern von bis zu mehreren Wochen möglich.

Beim erfindungsgemäßen Fermentationsprozeß wird der Alkoholgehalt über die Parameter-Temperatur und Verweilzeit gesteuert, wobei Werte bis herab zu 0-1°C und 1 h anwendbar sind. Unter derartigen Bedingungen haben potentielle Kontaminanten auf Grund ihrer geringen Wachstumsgeschwindigkeiten keine Chance, sich zu teilen und werden durch die hohe Durchflußrate ausgewaschen.

Das benutzte inerte Trägermaterial (insb. Boro­ silikatglas) ist weitgehend biokompatibel, so daß die Verfahrensweise dem Reinheitsgebot beim Bier­ brauen entspricht.

Das gewählte Trägermaterial von hoher offener Porosität und relativ geringer Teilchengröße er­ möglicht die Zurückhaltung hoher Biomassekonzentra­ tionen, welche um ein Mehrfaches über den beim trägerfreien konventionellen Verfahren mit Batch- Betrieb liegen. Die gemessenen Biotrockenmassegehalte liegen bei 25-30 g/l Wirbelschichtvolumen.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Aus­ führungsbeispiels näher beschrieben:

Die kontinuierliche Fermentation alkoholfreien Bieres wurde in zwei autoklavierbaren Labor- Wirbelschichtreaktoren mit einem Gesamtreaktions­ volumen von 2,0 l und einem Wirbelbettvolumen von ca. 0,9 l durchgeführt. Als Trägermaterial diente Siran®-Granulat der Fa. Schott mit einer Teilchengrößenverteilung von 1-2 mm, einer Porosität von 55% und einer Porengrößenverteilung von 30-120 µm bzw. von 60-300 µm. Der experimentelle Aufbau entsprach im wesentlichen der beigefügten Fig. 1.

Fig. 1 zeigt einen Wirbelschichtreaktor in Produktion, dessen aus einem Würze-Vorlagetank mittels einer Pumpe kontinuierlich entnommen wird. Die Umlaufpumpe sorgt für die Träger-Fluidisierung im Reaktor durch Einstellung einer Lineargeschwindigkeit von 15-50 m/h. Die rezirkulierte Flüssigkeit passiert einen Wärmeaustauscher zur Ein­ stellung der gewünschten Temperatur. Zur Konstanthaltung derselben ist der Wirbelschichtreaktor mit einer äußeren Wärmedämmung versehen.

Mit Hilfe einer konduktometrischen Niveauregelung wird eine Produktpumpe angesteuert, so daß der Reaktor bei konstantem Volumen betrieben wird.

Gestrichelt angedeutet ist eine rechnergestützte Prozeßsteuerung und -überwachung mit Hilfe eines Personal-Computers zur Variation der Verweilzeit um einen gewünschten Alkoholgehalt nach On line Konzentrationserfassung einzustellen.

Fig. 2 zeigt eine Siran®-Kugel nach einem vier­ wöchigen Reaktoreinsatz. Man erkennt die homogene Verteilung der Hefe in den durchgehenden großen of­ fenen Poren.

Fig. 3 zeigt eine dem gegenüber vergrößerte Auf­ nahme aus dem Kugelinnenraum. Man erkennt einen durchgehenden Bewuchs mit ausreichenden Lücken für einen guten Stofftransport zu den Mikroorganismen.

Die erforderliche Reinzuchthefe und Substrat stammten von der Beck Brauerei & Co.

Ergebnisse

Die beiden Wirbelschichtreaktoren wurden nach Inokulation mit einem Hefekonzentrat in Betrieb genommen. Der Anfahrvorgang erfolgte anschließend bei einer Temperatur von 30°C eine Woche lang mit einer Verweilzeit von 4 Std.

Durch eine Reihe von vororientierenden Versuchen wurden anschließend die Betriebsbedingungen hin­ sichtlich Temperatur und Verweilzeit so weit ein­ gegrenzt, daß sich im Reaktorablauf Alkoholkon­ zentrationen kleiner als der genannte Grenzwert für alkoholfreies Bier einstellten. Dabei resul­ tierten Verweilzeiten von 2-5 h bei einer Tem­ peratur von 1,5-4°C. Der Ethanolgehalt ist al­ lerdings nur die eine meßtechnisch erfaßbare Leit­ größe für die verordnungsmäßige Kennzeichnung eines alkoholfreien Bieres. Darüber wurden im stationären Zustand Proben in mikrofiltrierter Form entnommen und nach Aufkarbonisierung verko­ stet, die sich als geschmacklich weitgehend iden­ tisch mit dem herkömmlich fermentierten alkohol­ freien Bier erwiesen.

Die beiden Wirbelschichtreaktoren wurden bereits über 9 Monate lang störungsfrei betrieben. In diesem Zeitraum war kein nennenswerter Abrieb von Träger­ material festzustellen. Eine Kontamination konnte nicht beobachtet werden, obwohl zeitweilig auch durch eine Wildhefe kontaminierte Würzeargen be­ handelt wurden. Die Siran®-Kugeln waren weit­ gehend mit Biomasse bewachsen. Ein Außenbewuchs der Kugeln war kaum feststellbar.

Seit Beginn der Versuche wurden mehr als 2 m³ alkoholfreies Bier produziert. Die bisherigen reaktionstechnischen Untersuchungen haben gezeigt, daß eine kontinuierliche Biergärung mit an Siran® immobilisierter Hefe unter Verwendung von Wirbel­ schichtreaktoren möglich ist.

Das vorstehend beschriebene Prinzip zur Gewinnung von alkoholfreiem Bier ist mit entsprechender Ab­ wandlung der Bedingungen auch für eine Sekundär­ fermentation (Reifung von Bier) brauchbar.

Zwar wurden von der Anmelderin bereits 1985 in der DE-OS 34 10 650 sowie in der DE-PS 36 39 153 poröse Gläser als Träger für Mikroorganismen beschrieben und auch die Möglichkeit zur Erzeugung von Gärungsproduk­ ten sowie Anwendung im Festbett- oder Wirbelschicht­ reaktor erwähnt, jedoch hat dieser globale Hinweis of­ fensichtlich nicht richtungsweisend auf die Entwicklung spezieller Biergewinnungsverfahren gewirkt.

Claims (9)

1. Verfahren zur Herstellung von Bier mit einem Alkoholgehalt 0,5 Vol% durch Fermentation bei niedriger Temperatur mit entsprechend der geringen Alkoholkonzentration kontrollierter Verweilzeit, dadurch gekennzeichnet daß man die Fermentation kontinuierlich in einem Festbett oder Wirbelschichtreaktor mit auf offenporigem Sinterglas als Träger mit Poren zwischen 50 und 500 µm aufgewachsener Hefe durchführt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß man die Fermentation im Wirbelschichtreaktor mit auf porösem Glasträger von 5 mm Korngröße mit Poren zwischen 50 und 300 µm und einer Porosität zwischen 30 und 65% aufgewachsener Hefe bei Temperaturen zwischen 0 und 6°C mit Verweilzeiten von 1-12 Std. durchführt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet daß man mit Verweilzeiten von 2-8 Std. arbeitet.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet daß man als Träger offenporige Sinterglas- Granulate von 1-2 mm Korngröße einer Porosität 45% und Poren von 80-250 µm verwendet.

5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet daß man die auf dem Träger aufgewachsenen Mikro­ organismen im Wirbelschichtreaktor in einer An­ fahrphase durch Inokulation mit Hefekonzentrat bei 20-35°C und Verweilzeiten unterhalb der Generationszeit der Hefe über einige Tage hinweg auf dem Träger anzüchtet.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet daß man das Anzüchten bei ∼30°C über eine Woche hinweg durchführt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß man mit einem Schüttvolumen des Kornmaterials von 25-30% des Arbeitsvolumens des Wirbel­ schichtreaktors arbeitet.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet daß man mit einem Wirbelschichtvolumen von 40-60% des Arbeitsvolumens arbeitet.

9. Wirbelschichtreaktor zur Durchführung des Ver­ fahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen zu 25-30% mit offenporigem Sinterglasträ­ ger von = 5 mm Korngröße gefüllten Säulenreaktor mit oberer Querschnittserweiterung auf das etwa Doppelte und einer äußeren Umwälzpumpe für einen Durchfluß im flüssigkeitsgefüllten Reaktor zur Fluidisierung des enthaltenen Kornmaterials.