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Energieverluste im Sudhaus vermeiden
Es ist üblich, bei der Würzekühlung Warmwasser für den Einmaisch- und Anschwänzvorgang zu gewinnen. Niedrige Einmaischtemperaturen können jedoch zu einem Überschuss an Warmwasser führen, da weniger Warmwasser für den Hauptguss verwendet wird. Wenn der Warmwassertank überläuft, geht damit unnötig Energie verloren.
TIPP: Durch Zubrühen von Warmwasser zur Maische kann die Maische aufgeheizt werden. Die Menge Warmwasser lässt sich mit folgender Gleichung 1 errechnen.
Gleichung 1Gleichung 1: Berechnung des nötigen Volumens an Zubrühwasser, mit:
- m = Masse,
- T1 = Temperatur der Maische vor dem Zubrühen von Warmwasser,
- T2 = Temperatur des Warmwassers,
- T3 = Temperatur der Gesamtmaische nach dem Zubrühen von Warmwasser
Niedrige Temperaturen beim Einmaischen können zu Überschüssen von Warmwasser führenVor allem bei Dekoktionsverfahren müssen Verdampfungsverluste vermieden werden, da es meist nicht wirtschaftlich ist, bei Maischgefäßen einen Pfannendunstkondensator zu installieren. Ein Aufheizen der Kochmaische auf maximal 95 °C ist für den physikalischen Aufschluss der Maischepartikel ausreichend und verhindert gleichzeitig Verdampfungsverluste. Dann besteht energetisch kein Unterschied zum Infusionsverfahren.
TIPP: Wenn Sie schon außerhalb der Brauerei die Schwaden vom Maischen riechen, haben Sie hier eine unerwünschte Verdampfung und damit Energieverlust.
Eine Absenkung der Heizmittelvorlauftemperatur kann den Wirkungsgrad des Dampfkessels erhöhen und somit Energie sparen. Die Aufheizrate der Gesamtmaische nach DIN 8777 ist mit 0,5–1,0 K/min angegeben, um die Maischezeit möglichst kurzzuhalten. Für Kochmaische gilt ein Wert von 1,0–1,5 K/min. Grundsätzlich sind Abweichungen tolerabel, wenn die enzymatischen Prozesse beim Maischen zufriedenstellend verlaufen. Kontrolliert wird dies über Würze- und Bieranalysen sowie über den Verlauf der Gärung und Reifung.
TIPP: Prüfen Sie, ob die Maischezeit einen Engpass im Sudrhythmus darstellt und ob die Temperatur des Heizmediums abgesenkt werden kann!
Ein Aufheizen auf Verkleisterungstemperatur (Gerstenmalz ca. 62–65 °C) und Verzuckerungstemperatur (ca. 72–78 °C) ist zur Extraktlösung bzw. Sudhausausbeute notwendig. Die Läutertemperatur soll möglichst hoch sein, um die Viskosität und folglich die Läuterzeit geringzuhalten. Maximal dürfen 80 °C erreicht werden, da sonst die Alpha-Amylase und somit die Verzuckerung inaktiviert wird. Es droht ein Blausud, der eine Jodfärbung zeigt und im Bier zu Trübungen und Filtrationsproblemen führen sowie die mikrobiologische Anfälligkeit erhöhen kann.
TIPP: Prüfen Sie die Isolierung Ihres Läuterbottichs!
Energieeinsparung beim Würzekochen
Ein Erhitzen der Würze auf mindestens 90 °C hat sich bewährt, um den klassischen Biergeschmack zu erhalten, den die Konsumenten gewöhnt sind. Maßgeblich ist hierfür die Maillard-Reaktion, also die nicht-enzymatische Bräunungsreaktion. Sie ist auch verantwortlich für die Farbe und das Aroma vieler Spezialmalze.
Meist wird die Würze unter atmosphärischem Druck oder Überdruck gekocht, sodass Temperaturen von 95–105 °C erreicht werden. Aufgaben des Prozesses sind unter anderem die Eiweißkoagulation, Hopfen¬isomerisierung, Inaktivierung von Enzymen und Spaltung des DMS-P (Dimethylsulfid-Precursors) – Prozesse, die mit steigenden Temperaturen schneller ablaufen. Der Biercharakter, also Geschmack und Aroma, werden hierdurch ebenfalls beeinflusst.
Durch die Verdampfung von Wasser erhöht sich die Stammwürze. Für die Energieeinsparung soll die Gesamtverdampfung aber reduziert werden. Wird weniger verdampft, verringert sich die Wassermenge für Haupt- und Nachguss. Hier gilt es, die optimale Sudhausausbeute bei gleichzeitig minimaler Verdampfung zu finden.
Zu beachten ist jetzt die Glattwassernutzschwelle. Sie beschreibt diejenige Glattwasserkonzentration, bei der der Läutervorgang beendet werden sollte. Ein weiteres Auslaugen der Treber würde zwar zu einem Extraktgewinn führen, jedoch wären die Energiekosten zum Verdampfen des überschüssigen Wassers höher als die Kosteneinsparung beim Malzeinsatz. Will man länger abläutern, dann kann das überschüssige Glattwasser aber auch bei einem anderen Sud eingesetzt werden (Glattwasserwiederverwendung).
Die Verdampfung beeinflusst den Biergeschmack. Aromastoffe wie DMS, Streckeraldehyde aus der Maillard-Reaktion sowie Hopfenaromastoffe werden ausgedampft. Es hat sich gezeigt, dass innerhalb von 10–20 Minuten viele der oben genannten Aromastoffe weitgehend ausgedampft sind. Längere Kochung führt dann zu einem Gleichgewicht zwischen Bildung und Ausdampfung, sodass die Konzentration in der Würze gleichbleibt. Durch eine Kochpause können die temperaturbedingten Reaktionen weiterlaufen und gleichzeitig die energetischen Verluste durch die Verdampfung reduziert werden.
TIPP: Bringen Sie die Würze zum Kochen, halten Sie die Würze in der anschließenden Kochpause auf Kochtemperatur, ohne zu verdampfen. Dann kochen Sie die Würze 10–20 Minuten mit Verdampfung, bevor Sie sie in den Whirlpool ausschlagen!
Gleichung 2Die oben beschriebenen Sachverhalte gelten für alle Kochsysteme. Es haben sich viele unterschiedliche Kochsysteme in der Praxis bewährt. Dennoch kann die Parametrierung aller Kochsysteme im Hinblick auf eine Energieeinsparung optimiert werden. Ein Beispiel: Bei Energiespeicher und Läuterwürzevorerhitzung sollte die Verdampfung bei einem Sud so hoch sein, dass die gesamte Energie zum Aufheizen des Folgesudes verwendet werden kann. Es gibt ein Optimum, siehe nebenstehende Gleichung 2 mit:
• m = Masse
• r = Verdampfungsenthalpie
• c = spezifische Wärmekapazität
• T = Temperaturdifferenz zwischen Einlauf und Auslauf der Läuterwürze am Wärmeübertrager
Weitere Beispiele: Bei der Verwendung eines Brüdenverdichters schlagen nur z. B. die Stromkosten während der Kochzeit zu Buche. Eine Kochzeitverkürzung bringt meist wenig Energieeinsparung. Bei Vakuumverdampfungssystemen ist die Verdampfung mit einer Abkühlung der Würze verbunden. Ist kein Energierückgewinnungssystem vorhanden, sollte die Gesamtverdampfung minimiert werden.
Betriebs-Warmwasser, das im Sudhaus z. B. am Pfannendunstkondensator gewonnen werden kann, wird oft in anderen Bereichen des Betriebes (z. B. Kellerbereich, Abfüllung, Büroräume) genutzt. Hier sollte die Sinnfälligkeit derartiger Warmwassernetze geprüft werden, denn oft sind dezentrale Wärmeerzeugungen wirtschaftlicher.
Der Läuterbottich sollte gut isoliert seinRund um den Whirlpool lässt sich in der Brauerei Energie einsparen
Die Heißtrubabscheidung im Whirlpool führt die Heißhaltung der Würze nach der Würzekochung fort. Da aber keine Heizung vorhanden ist, ist die Ausdampfung stark eingeschränkt. Somit werden Aromastoffe weiterhin gebildet, aber nur wenig ausgedampft. Dennoch sollte der Schlot des Whirlpools eine innenliegende Auffangrinne besitzen, um kondensierte Schwaden aus dem Whirlpool zu entfernen, da sich DMS dort anreichert. Ohne Auffangrinne können diese Schwaden in die Whirlpool-Würze zurückfließen.
Als Beispiel eines unerwünschten Aromastoffes soll freies Dimethylsulfid (DMS) näher betrachtet werden. Es riecht nach Kohl oder gekochtem Mais. Mit einem Siedepunkt von 37 °C ist es sehr flüchtig und somit geruchsaktiv. Die DIN 8777 fordert < 100 µg/l in der Whirlpoolwürze bei der Hälfte der Kühlzeit. Die Erkennungsschwelle im Bier liegt – je nach Biertyp – bei ca. 20–140 µg/l. DMS wird aus dem Precursor S-Methylmethionin im Zuge des Aminosäurestoffwechsels bei der Keimung in der Mälzerei gebildet. Bei höheren Temperaturen wie z.B. beim Abdarren spaltet sich der geruchsneutrale Dimethylsulfid-Precursor (DMS-P) in geruchsaktives, freies DMS, das ausgedampft wird. Bei der Maische- und Würzekochung geschieht das Gleiche. Im Whirlpool hingegen steigt der Gehalt an freiem DMS.
Normalerweise reduziert man den DMS-P-Gehalt in der Ausschlagwürze durch geringe DMS-P-Gehalte im Malz und durch eine ausreichende Würzekochung, sodass bei einer Umwandlung des gesamten DMS-P im Whirlpool die Erkennungsschwelle des DMS im Bier nicht überschritten werden kann. Alternativ wird eine Verdampfung direkt vor der Würzekühlung durchgeführt, um den Gehalt an freiem DMS unter der Erkennungsschwelle im Bier zu halten.
Bei gleicher Gesamtverdampfung kann die temperaturabhängige Umwandlung von DMS-P in freies DMS reduziert werden. Eine Würzevorkühlung beim Ausschlagen reduziert die Temperatur im Whirlpool auf z. B. 90 °C und hat in einer Brauerei zu einer Reduzierung des freien DMS von 35 µg/l geführt. Gleichzeitig verringert sich die Hopfenisomerisierung im Whirlpool, wobei sich die sensorische Qualität der Bittere im Bier erhöht.
Der Gehalt an freiem DMS wird nach dem Sudhaus infolge der Desorption durch die Gärungskohlensäure noch einmal reduziert. Dies macht sich z.B. im Waschwasser der CO2 vor der CO2-Verdichtung geruchlich bemerkbar.
Eine Absenkung der Temperatur im Whirlpool verringert sowohl die Bildung von DMS aus DMS-P und erhöht gleichzeitig die sensorische Qualität der Bittere im BierErmittlung der minimalen Gesamtverdampfung
Falls Kochparameter verändert werden sollen, um Energie zu sparen, können durch eine formalkinetische Betrachtung des DMS-P-Zerfalls die DMS-Gehalte im Bier theoretisch vorausberechnet werden.
TIPP: Ermitteln Sie die Geschmacksschwelle von freiem DMS in Ihrem Bier!
Dafür muss jede Biersorte einzeln untersucht werden, da die Matrix der Biere und somit die Erkennungsschwelle von DMS sehr unterschiedlich ist. Für die Bestimmung werden steigende Mengen an DMS in die Biere gegeben und diese verkostet.
Dazu muss man noch den Gehalt an freiem DMS in dem Bier hinzuaddieren, um die Erkennungsschwelle zu erhalten. Dieser Wert sollte im Bier nicht überschritten werden. Freies DMS ist geruchsaktiv. Es leistet aber auch einen positiven Beitrag zum Biergeschmack, solange es unter der Erkennungsschwelle liegt. Ein geringer Gehalt an DMS ist kein Nachteil. Übrigens: Dies gilt auch für Diacetyl im Bier.
Gleichung 3
Gleichung 4Entsprechend erfolgt die Berechnung der Geschwindigkeitskonstante k nach Gleichung 4 mit:
• k = Geschwindigkeitskonstante
• A0 = Anfangskonzentration
• At = Konzentration zum Zeitpunkt t
• t = Zeit
TIPP: Messen Sie am Anfang und am Ende eines Prozesses den Gehalt an DMS-P und ermitteln Sie die Geschwindigkeitskonstante k des Zerfalls nach Gleichung 4!
Durch eine Berechnung der Konzentrationen zu unterschiedlichen Zeitpunkten wird der Verlauf des DMS-P über den Prozess deutlich. So lässt sich ermitteln, wie sich eine Verkürzung der Kochzeit auf den DMS-P-Gehalt auswirken würde. So können Potenziale erkannt und problematisch hohe DMS-Gehalte vermieden werden. Sie müssen sich aber immer bewusst sein, dass Ihr Modell nur auf den ursprünglichen Messwerten beruht. Somit können Sie den Faktor k nicht bei der Kochung ermitteln und einfach auf den Whirlpool übertragen. Der Grund hierfür ist die starke Abhängigkeit des DMS-P-Zerfalls von der Temperatur. Diese ist im großtechnischen Maßstab nie überall gleich und kann somit auch nie genau messtechnisch erfasst werden.
TIPP: Ermitteln Sie die Verdampfungsrate von DMS in Prozent, die durch die Gärung verursacht wird!
Messen Sie vor und nach der Gärung den Gehalt an freiem DMS. Die Geometrie des Gärgefäßes und der Gärverlauf (z. B. Gärtemperatur) beeinflussen die Desorption von DMS aus dem Bier. Somit gelten die Werte nur für die untersuchte Konstellation. Durch die Kenntnis der Erkennungsschwelle von freiem DMS in Bier und der DMS-Desorption während der Gärung erhält man einen Wert an freiem DMS, der in der Anstellwürze nicht überschritten werden sollte. Nun lassen sich die Prozessschritte Whirlpool und Würzekochung optimieren.
Zusammenfassung
In Zeiten hoher Energiepreise werden Möglichkeiten zur Energieeinsparung gesucht. Eine Optimierung des Energieverbrauches im Sudhaus ist meistens möglich. Vorgestellt wurden verschiedene Methoden zur Energieeinsparung im Sudhaus beim Maischen und Läutern, Würzekochen und Whirlpool. Am Beispiel der Leitkomponente DMS wurde eine Berechnungsmethode vorgestellt, wie die Gesamtverdampfung und somit der Energieverbrauch reduziert werden kann. Aspekte verschiedener Kochsysteme wurden dargestellt.
Dieser Beitrag beruht auf dem in BRAUWELT Nr. 27, 2023 erschienenen Fachartikel von Prof. Martin Krottenthaler.
