Kitabı oku: «Prozesstechnik und Technologie in der Brauerei», sayfa 4
1.7PRAKTISCHE ANWENDUNG VON SELEKTIVEN ZERKLEINERUNGSTECHNIKEN
1.7.1EINFLUSS DES SPELZENEINTRAGS AUF DEN BRAUPROZESS
Der Spelzenanteil der Gerste ist sortenspezifisch. So besitzen Wintergersten einen höheren Spelzengehalt [1.30]. Die globale Lehrmeinung der Brauereitechnologie weist an mehreren Stellen des Brauprozesses darauf hin, dass die “unedlen” Bestandteile der Spelzen [1.15] nicht in das Produkt übergehen sollen. Schon aus Literaturquellen ab 1904 [1.30, 1.38] ist zu entnehmen, dass es sich um Gerbstoffverbindungen unterschiedlichster Struktur und Eigenschaften handelt. Hieraus resultieren Biere, deren Qualität durch dunklere Farben, einen breiteren Charakter und eine unharmonische Bittere gemindert ist. Deshalb besteht auch die technologische Forderung, dass Spelzen möglichst wenig zerkleinert werden sollen. Die spezifische Oberfläche soll gering gehalten werden, um somit verstärkten Auslaugungsvorgängen entgegenzuwirken. Das Spelzenmehl weist von allen Schrotfraktionen den höchsten Polymerisationsindex auf [1.39].
Diesem Ziel wird durch die Anwendung einer Spelzentrennung beim Maischen Rechnung getragen. Sie zieht wohl einen zusätzlichen Aufwand nach sich, führt aber zu gerbstoffärmeren Bieren. Allerdings sollte diese Maßnahme der Eliminierung der Spelzenpolyphenole nur dann ergriffen werden, wenn eine weitgehende Abtrennung der Grobgrieße von den Spelzen garantiert werden kann und infolgedessen keine Ausbeuteverluste und technologische Nachteile wie Jodunnormalität der Würzen zu befürchten sind. Es zu berücksichtigen, dass auch andere Malzfraktionen wie das Aleuron- und Endospermmehl und die verschiedenen Hopfenprodukte beträchtliche Mengen [1.40] an gerbenden Substanzen einbringen. Außerdem wird hinsichtlich des Gerbstoffeintrags von einer Wiederverwendung des Glattwassers ohne vorhergehende Behandlung meist abgesehen [1.41]
Das Ziel der puren Spelzengewinnung kann nur dann erreicht werden, wenn entsprechende Windsichtungsmethoden und nicht nur die Siebung zur Anwendung gelangen. Eine japanische Arbeitsgruppe stellte 1991 mit Blickrichtung auf die Polyphenolproblematik ein Verfahren zur Spelzenentfernung des Malzes mittels einer Kombination aus Sichten, Vermahlen und Sieben vor. Damit konnte eine eindeutige Qualitätsverbesserung des daraus resultierenden Bieres verzeichnet werden [1.42]. Als qualitätsverbessernd erwies sich nach Lotz [1.43] die Zusammensetzung eines Pulverschrots, das für eine neue Maischefiltrationstechnik mittels Scherspaltfilter erforderlich war. Hierzu wurde das Malz durch Prallmühlen und Luftstrahlsiebe in zwei Malzmehlfraktionen (Proteinverschiebung) zerlegt und die Spelzen abgetrennt. Im Rahmen der Untersuchungen zur Pulverisierung von Malz [1.28] wurden bereits in den 1970er-Jahren selektive Mahlung und Siebung zur Gewinnung von Endospermmehl (proteinreich), Randzonenmehl und Spelzen zur getrennten Verarbeitung beim Maischen herangezogen. Alle geschilderten Ansätze sind aufgrund des apparativen Aufwands nur im Pilotmaßstab zum Einsatz gekommen.
1.7.2EINFLUSS DES BLATTKEIMS AUF DEN BRAUPROZESS
Der Blattkeim verfügt über mehrere technologisch nachteilige Eigenschaften. Gemäß einer Bilanzierung ist der Fettgehalt im Blattkeim mit 2,0 bis 3,0 % höher als der durchschnittliche Gehalt im Malzkorn mit 1,2 bis 2,0 % [1.44], während der Wurzelkeim nur 1,1 bis 1,5 % Fett aufweist. Im Gegensatz zum Wurzelkeim, der bei der Malzreinigung entfernt wird, verbleibt der Blattkeim im Malzkorn. Tatsache ist, dass der Anteil an ungesättigten Fettsäuren im Blattkeim gegenüber dem restlichen Korn höher ist und die ungesättigten Fettsäuren als sehr reaktiv gelten [1.45]. So können aus ihnen enzymatisch oder oxidativ gesättigte und ungesättigte Aldehyde und Alkohole entstehen. Einige dieser Komponenten spielen bei der Bieralterung eine große Rolle [1.46, 1.47, 1.48]. In Anbetracht dessen, dass gerade die ungesättigten Verbindungen beim Maischprozess weiterreagieren können, ist es sinnvoll, die im Malzkorn lokalisierten Fettsäuren von vornherein vom Brauprozess fernzuhalten und nicht erst durch möglichst blanke Abläuterung niedrige Fettsäuregehalte in den Würzen zu erzielen. Hinzu kommt, dass der Blattkeim über eine hohe Lipoxygenasenaktivität (LOX) verfügt [1.49, 1.50]. Je höher die Lipoxygenasenaktivität (Temperatur, pH-Wert) ist, umso mehr Hydroperoxide werden während des Maischens gebildet [1.51]. So katalysiert LOX1 die Spaltung von Linolsäure zu 9-Hydroperoxid, das bis zum fertigen Bier in t-2-Nonenal umgewandelt wird. Die Lipidoxidation dominiert hier gegenüber der Autoxidation [1.52]. Ein zusätzlicher technologischer Aspekt ergibt sich aus der Erkenntnis, dass sich im Blattkeim eine hohe Anreicherung an DMS-Precursor nachweisen lässt [1.53, 1.54]. Aus der Summe der geschilderten technologischen Zusammenhänge ergibt sich die logische Konsequenz, auch den Blattkeim abzutrennen. Das Problem zur Aufgabenstellung liegt allerdings darin, dass der Blattkeim nicht wie die Wurzelkeime frei zugänglich ist, sondern von der Stammanlage des Korns auf der Rückenseite unter dem Spelz emporwächst (Abb. 1.29). Unter normalen Auflösungsbedingungen ist der Blattkeim somit komplett von der Spelze umhüllt. Technikumsversuche haben gezeigt, dass bei großen Chargen nur selektive Zerkleinerungstechniken mit anschließender Trennung über Siebung oder Sichtung zur Anwendung gelangen können. Im Rahmen eines Sudhausneubaus wurde ein Konzept [1.55] vorgestellt, bei dem der Einsatz der in der Praxis weit verbreiteten Walzenstühle berücksichtigt wird (Abb.1.31). Voraussetzung ist ein Konditionieren des Malzes. Dann wird das Malz der 2-Walzenmühle so zugeführt, dass die Körner größtenteils in Längsrichtung angebrochen werden, was zur Folge hat, dass der Blattkeim nur geringfügig zerkleinert wird. Die Blattkeime sind vorwiegend im Durchgang nach der ersten Siebung zu finden. In der folgenden 4-Walzenmühle (Grießwalzen) werden die Spelzen ausgemahlen und die Grieße weiter zerkleinert. Anschließend werden die Spelzen in einer 6-Walzenmühle zu Spelzenmehl verarbeitet. Der Grießkasten kann mit CO2 begast werden. Als technologisch günstig erweist sich das Einmaischen der Grießfraktion bei Temperaturen, bei denen das Wirkungsoptimum der Lipoxygenase überschritten ist. Bei 62 °C ist kurzfristig noch eine Wirkung gegeben. Zusammen mit O2-freiem Wasser und einem pH-Wert von 5,2 tritt bei 62 bis 64 °C eine stärkere Inhibition ein. Dann folgt das Einmaischen der Spelzenfraktion (geringere Auslaugung). Die Maischetrennung wird über Tandemmaischefilter vollzogen.
Abb. 1.31:Konzept zur Blattkeimabtrennung [1.55]
Ein anderes Konzept [1.56] sieht eine Peeling-Trommel vor, die eine Entfernung der Spelzen und des Blattkeims bewirken soll. Der Entspelzungsgrad muss allerdings auf die Trenntechnik, sprich Läutersystem, abgestimmt sein.
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2MAISCHEN
2.1KENNZEICHNUNG DER STOFFSYSTEME
Die Maische ist im verfahrenstechnischen Sinn ein disperses System. Disperse Systeme bestehen aus der dispersen (disperse Elemente) und der kontinuierlichen Phase. Sowohl die disperse als auch die kontinuierliche Phase können fest, flüssig oder gasförmig sein. Gemäß der Partikelgröße kann unterschieden werden in ein
| •molekulardisperses System | Partikelgröße: < 10-9 m |
| •kolloiddisperses System | Partikelgröße: 10-9–10-6 m |
| •grobdisperses System | Partikelgröße: > 10-6 m |
Demnach ist die Maische ein grobdisperses System, eine Suspension bestehend aus kontinuierlicher (umgebendes Medium, Wasser/Würze) und disperser Phase (Partikeln, Schrot) mit einem hohen Feststoffanteil von ≥ 25 %.
2.2VERFAHRENSTECHNISCHE ZIELE DES MAISCHENS
Im Vorgang des Maischens und Rührens sind die Grundoperationen Suspendieren, Homogenisieren, Stoff- und Wärmeaustausch enthalten. Grundvoraussetzung beim Maischen ist, dass eine optimale Vermischung von Schrot und Brauwasser stattfindet. Hierzu sind im ersten Schritt nach der Trockenschrotung entsprechende Einmaischvorrichtungen vorgeschaltet, die einem Malzteppich und Klumpenbildung entgegenwirken sollen. Beim Einmaischen wird ein Feststoff (Schrot) in einer flüssigen Phase verteilt (suspendiert). Mit dem Rühren wird das Ziel verfolgt, alle Teilchen in Schwebe zu halten, sodass keine Partikeln länger am Boden verweilen (1 s-Kriterium). Beim Rühren dieser Suspension findet ein Stoffaustausch zwischen der fluiden und der dispersen Phase statt. Das Aufwirbeln schafft eine volle Austauschfläche zwischen diesen beiden Phasen. Konzentrationsgefälle in der Suspension und in der Grenzschicht um die Partikeln werden ausgeglichen. Außerdem wird der Wärmeübergang zwischen Wand und Flüssigkeit verbessert und ein Temperaturausgleich in der Suspension geschaffen. Es sollen homogene Verhältnisse herrschen.
2.2.1WÄRMEÜBERTRAGUNG
Die Wärmeübertragung beschreibt den Austausch von Wärme zwischen Systemen unterschiedlicher Temperatur [2.1–2.5]. Im Wesentlichen sind drei Fälle zu unterscheiden:
•die Wärmeübertragung durch Leitung in festen oder unbewegten flüssigen und gasförmigen Körpern,
•die Wärmeübertragung durch Konvektion durch bewegte flüssige oder gasförmige Körper.
•die Wärmeübertragung durch Strahlung.
Bei technischen Anwendungen liegt oft ein Zusammenwirken dieser Wärmeübertragungsarten vor. Geht von einem Medium (Dampf, Heißwasser) Wärme an eine Wand über, wird darin fortgeleitet und auf der anderen Seite an ein zweites Medium (Maische, Würze) übertragen, so spricht man von Wärmedurchgang. Der Wärmestrom gibt die in der Zeiteinheit durch eine Oberfläche hindurch strömende Wärmemenge an. Der Wärmedurchgang wird durch folgende Gleichungen beschrieben, dabei wird die Berechnung auf eine ebene Wand übertragen, da das Verhältnis der Wanddicke zum Behälterdurchmesser sehr klein ist.
 | = | Wärmestrom |
| A | = | Wärmeübertragungsfläche |
Δ | = | Temperaturdifferenz zw. Fluid 1 und Fluid 2 |
| k | = | Wärmedurchgangskoeffizient |
Der Wärmedurchgangskoeffizient k errechnet sich aus 1 k =
| α1, α2 | = | Wärmeübergangskoeffizient der Behälteraußen- bzw.-innenwand |
| λ | = | Wärmeleitfähigkeit des Materials |
| δ | = | Wanddicke |
Beim Wärmedurchgang handelt es sich also um eine Hintereinanderschaltung von Wärmeübergang und Wärmeleitung (Abb. 2.1).
Abb. 2.1:Darstellung des Temperaturverlaufs an der Behälterwand
Jeder feste, flüssige oder gasförmige Stoff leitet bei Vorhandensein eines Temperaturgradienten 
Wärme.
Die Wärmeleitung in ruhenden Stoffen ist nur vom Temperaturgradienten und von Stoffeigenschaften abhängig. Für eine ebene Wand (Abb.2.1) gilt:
| W1,2 | = | Wandtemperatur |
| λ | = | Wärmeleitfähigkeit des Materials |
| δ | = | Wanddicke |
Wird ein Massenstrom an einer festen Oberfläche vorbeigeleitet, so ist der Wärmeübergang wie folgt definiert:
mit 
| a | = | Wärmeübergangszahl, Wärmeübergangskoeffizient |
| λF | = | Wärmeleitfähigkeit des Fluids |
| δ | = | Grenzschichtdicke |
| W | = | Wandtemperatur |
| F | = | Fluidtemperatur |
Abb. 2.2:Wärmeübergang im Rohr
Der Wärmeübergang kann als Modell der Wärmeleitung in der Grenzschicht beschrieben werden. Nach der von Prandtl begründeten Grenzschichttheorie ist in Abb. 2.2 der Temperaturverlauf in der Grenzschicht (δ= Grenzschichtdicke) von der Wand zum Fluid dargestellt. Hierbei muss die übergehende Wärme durch die sich laminar bewegende Grenzschicht (laminare Unterschicht) geleitet werden. Demnach resultieren aus einer dünnen Grenzschicht günstige Wärmeübertragungsverhältnisse (hohes α) [2.1].
Dimensionslose Kennzahlen des Wärmeübergangs sind
| v | = | Fließgeschwindigkeit |
| d | = | Durchmesser o. eine charakteristische Länge |
| ρ | = | Dichte des Fluids |
| η | = | Viskosität des Fluids |
| cp | = | spezifische Wärmekapazität |
In der Regel erfolgt der Wärmeübergang im Rührreaktor (Maischgefäß) bei turbulenter Strömung. Durch eine Potenzbeziehung zwischen der Nusselt-, der Reynolds- und der Prandtl-Zahl sowie dem Viskositätsverhältnis wird der Wärmeübergang beschrieben. Die Rührorganform geht über die Konstante C (beinhaltet geometrische Verhältnisse) in die Gleichung ein.
| n | = | Rührerdrehzahl, |
| d2 | = | Rühreraußendurchmesser, |
| d1 | = | Behälterdurchmesser |
| η | = | dynam. Zähigkeit des Fluids bei Fluidtemperatur, |
| λF | = | Wärmeleitfähigkeit des Fluids |
| ηw | = | dynam. Zähigkeit des Fluids bei Wandtemperatur, |
| ν | = | kinemat. Viskosität |
Durch das Rühren soll die Strömung an der Wärmeübertragungsfläche so beeinflusst werden, dass der Wärmeübergangskoeffizient an der Behälterinnenwand αi verbessert wird. αi ist bei Verwendung eines bestimmten Rührertyps und unter festgelegten geometrischen Einbaubedingungen abhängig von:
αi = f (d1, d2, n, cp, λ, ρ, η)
Bestimmung von αi:
Abb. 2.3:Messprinzip Wärmeübergang [2.6]
An der Behälteraußenwand sind Halbschlangen aufgeschweißt, durch die wahlweise Warm- oder Kaltwasser mit konstanter Zulauftemperatur geführt wird. Mit Thermoelementen werden die Temperaturen im Rührgut und an der Behälterinnenwand gemessen. Aus dem Verlauf der Rührguttemperatur über der Zeit kann der aktuelle Wärmestrom ermittelt werden.
und daraus αi:
Die Berechnung des Wärmeübergangs beim Maischen ist insofern problematisch, als die Stoffdaten der Maische (ρ, λ, cp, η) nur annähernd vorliegen und man sich daher nach wie vor auf empirische Gebrauchsformeln stützt [2.58, 2.59].
Abb. 2.4:Nu-Re-Diagramm für verschiedene Rührorgane [2.6]
Abb. 2.4 zeigt den Zusammenhang zwischen Wärmeübergang und Strömungsform. Obwohl die Darstellung im Nu-Re-Diagramm zeigt, dass die Kurven für die unterschiedlichsten Rührer scheinbar sehr nah beieinanderliegen, wäre der Schluss, dass die Rührorganform keinen Einfluss auf den Wärmeübergang hat, falsch, da die doppeltlogarithmische Darstellung gewählt wurde.
Abb. 2.5:Einfluss der Strömungsverhältnisse und der Rühranordnung auf den Wärmeübergang [2.7]
Abb. 2.5 verdeutlicht den Einfluss von Stromstörern in Rührbehältern auf den Wärmeübergang (Verbesserung).
