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PROZESSTECHNIK UND TECHNOLOGIE IN DER BRAUEREI
Annette Schwill-Miedaner
IMPRESSUM
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© 2021 Fachverlag Hans Carl GmbH, Nürnberg
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Titelbild: Christina Schönberger
Layout und Satz: Komhus Agentur für Kommunikation, Essen
ISBN 978-3-418-00930-8
eISBN 978-3-418-00929-2
VORWORT
Der Brauprozess bzw. die Bierbereitung setzt sich aus einer Aneinanderreihung von verfahrenstechnischen Grundoperationen unter Einbeziehung von langjähriger brautechnologischer Wissenschaft zusammen. Mein erstes Buch „Verfahrenstechnik im Brauprozess“ hatte die Zielsetzung, diesen Zusammenhang aufzuarbeiten. Im folgenden Buch „Prozesstechnik und Technologie in der Brauerei“ bleibt dieser Leitgedanke erhalten. Allerdings ergibt sich aufgrund von Entwicklungsarbeiten im Bereich der Sudhaustechnik der letzten 6 Jahre eine Schwerpunktverschiebung hin zur Technologie.
Desweiteren werden die Kapitel zur Filtrations- und Stabilisierungstechnik aktualisiert.
Das Buch wendet sich gleichermaßen an die Studierenden des Brauwesens wie an die Praktiker in Brauereien und Zulieferindustrie und soll als kompaktes Nachschlagewerk dienen. Neben der verfahrenstechnischen Betrachtung werden auch grundlegende hydrodynamische, thermodynamische, physikalisch-chemische und technologische Zusammenhänge aufgegriffen. Die Optimierung der Qualität des Endprodukts Bier steht dabei stets im Vordergrund.
Herrn Dipl.- Ing. Josef Englmann und Herrn Prof. Dr.-Ing. Heinz Miedaner danke ich für die Diskussionsbereitschaft im technisch-technologischen Bereich.
Folgenden Personen und Firmen möchte ich für den regen Informationsaustausch und für die Bereitstellung von Bildmaterial danken:
Dipl.-Ing. Friedrich Banke, Banke process solutions
Dipl.-Ing. Tobias Becher, Ziemann Holvrieka GmbH
Dipl.-Ing. Christoph Föhr, Filtrox AG
Dipl.-Brmstr. Christian Galaske, Lehmann&Voss&Co. KG
Dipl.-Brmstr., Dipl.-Ing. Reiner Gaub, Pall GmbH
Dr.-Ing. Frank Hebmüller, Ingenieurbüro Hebmüller GmbH
Dipl.-Ing. Wolf-Dietrich Herberg, GEA Westfalia Separator Group GmbH
Dipl.-Ing. FH Michael Kurzweil, Ziemann Holvrieka GmbH
Dipl.-Ing. Matthias Lustnauer, Eaton Technologies GmbH
Dr.-Ing. Rudolf Michel, GEA Brewery Systems GmbH
Dipl.-Ing. Michael Rittenauer, Bühler GmbH
Dr.-Ing. Ralph Schneid, Krones AG
Norbert Scholten, SF-Soepenberg GmbH
Dipl.-Ing. Clemens Thüsing, Künzel Maschinenbau GmbH
M. Eng. Isabel Wasmuht, Ziemann Holvrieka GmbH
Brmstr. Klaus Wasmuht
Pentair Flow and Filtration Solutions
Albert Handtmann Armaturenfabrik GmbH & Co.KG
Sonthofen, im Juli 2021
INHALT
1Zerkleinern – Schroten
1.1Allgemeines
1.2Bruchmechanische Grundlagen
1.3Einteilung der Zerkleinerungsprozesse und Beanspruchungsarten
1.4Zerkleinerungsmaschinen
1.4.1Trockenzerkleinerung
1.4.1.1Walzenmühlen
1.4.1.2Prallmühlen
1.4.2Nasszerkleinerung
1.4.2.1Dispergiermaschinen
1.4.2.2Rührwerkskugelmühle
1.4.2.3Nassschrotung
1.5Charakterisierung des zerkleinerten Produkts
1.5.1Partikelgrößenverteilung
1.5.2Kontrolle der Zerkleinerung (Analysenmethoden)
1.5.2.1Siebturm
1.5.2.2Luftstrahlsieb
1.5.2.3Laserbeugungsspektrometer (Streulichtmessung)
1.5.2.4Bildanalyse
1.6Zerkleinerung des Malzes
1.6.1Aufgaben
1.6.2Malzlösung
1.7Praktische Anwendung von selektiven Zerkleinerungstechniken
1.7.1Einfluss des Spelzeneintrags auf den Brauprozess
1.7.2Einfluss des Blattkeims auf den Brauprozess
Literatur
2Maischen
2.1Kennzeichnung der Stoffsysteme
2.2Verfahrenstechnische Ziele des Maischens
2.2.1Wärmeübertragung
2.2.2Stoffübertragung
2.3Ausführung von Maischgefäßen
2.4Prozessparameter - Bierqualität
2.5Reaktionskinetik
2.5.1Grundlagen
2.5.2Untersuchungen zur Zeitoptimierung von Maischverfahren
2.5.2.1Stärkeabbau
2.5.2.2Eiweißabbau
2.5.2.3ß-Glucanabbau
2.5.2.4Schlussfolgerung zur Zeitoptimierung von Maischverfahren
Literatur
3Rühren
3.1Sedimentation im Schwerefeld
3.2Rührertypen
3.3Rührerleistung
3.4Turbulenz und mechanische Beanspruchung
3.4.1Theorie
3.4.2Betrachtungen zur mechanischen Belastung der Maische
3.5Rheologie
3.5.1Theorie
3.5.2Viskositätsbestimmung in der Maische
Literatur
4Kontinuierliches Maischen
4.1Theoretische Grundlagen
4.2Ermittlung der Verweilzeitspektren einer 2-stufigen Rührkesselkaskade
4.3Kontinuierlicher Maischversuch
Literatur
5Abläutern
5.1Theoretische Grundlagen
5.1.1.Sedimentation im Schwerefeld
5.1.2Filtration
5.1.3Stofftransport
5.2Der Läuterbottich
5.3Untersuchungen zur Durchlässigkeit von Treberschichten in Läuterbottichen
5.4Der Maischefilter
5.5Alternative Trennsysteme
5.5.1Kontinuierliches Abläutern mit Dekanter
5.5.2Dynamische Membranfiltration
5.5.2.1Trennsystem mit oszillierenden Membranen
5.5.2.2Trennsystem mit Drehscheibenfiltern
Literatur
6Würzekochung
6.1Ausdampfverhalten von Aromastoffen bei der Würzekochung
6.1.1Atmosphärische Kochung
6.1.2.Entspannungsverdampfung
6.1.3Verdunstung
6.2Wärmeübertragung
6.2.1Dampfseitiger Wärmeübergang
6.2.2Produktseitiger Wärmeübergang
6.3Heißhalten der Würze
6.3.1Thermische Belastung – Thiobarbitursäurezahl (TBZ)
6.3.2Eiweißauscheidung – Koagulierbarer Stickstoff
6.3.3Isomerisierung – Bitterstoffe
6.3.4Entfernung flüchtiger Würzeinhaltsstoffe – Dimethylsulfid (DMS)
6.4Kochsysteme
6.4.1Außenkocher
6.4.2Innenkocher (Robertverdampfer, Naturumlaufverdampfer)
6.4.2.1Jet-Star® (submerged jet)
6.4.2.2Stromboli®
6.4.2.3Shark®
6.4.3Niederdruckkochung
6.4.3.1Dynamische Niederdruckkochung (NDK)
6.4.4Hochtemperaturwürzekochung (HTWK)
6.4.5Dünnfilmverdampfer (Merlin®)
6.4.6Externe Hopfenisomerisierung
6.5Beurteilung von Würzekochsystemen
6.6Maßnahmen zur Wärmerückgewinnung
6.6.1Energiespeicher
6.6.2Würzekochung und Brüdenverdichtung
6.7Korrektur der Würzearomastoffe
6.7.1Verdampfung im Vakuum
6.7.1.1Entspannungskühler
6.7.1.2Vakuumnachverdampfung
6.7.1.3Schonkochverfahren
6.7.2Volatile Stripping mittels Gas
6.7.2.1Stripping mittels Dampf
6.7.2.2Stripping System Boreas®
6.7.3Dünnfilmverdampfung
6.7.4Schaffung großer Oberflächen
6.7.5Unterdrückung der Nachbildung von Aromastoffen
6.8Das Sudhauskonzept OMNIUM®
Literatur
7Heißtrubentfernung
7.1Whirlpool
7.2Alternative Trennapparate
Literatur
8Würzekühlung
Literatur
9Belüftung
Literatur
10Kühltrubentfernung
Literatur
11Gärung und Reifung
11.1Allgemein
11.2Kontinuierliche Verfahren
11.2.1Coutts-Verfahren (Zulaufverfahren)
11.2.2APV-Gärturm (Durchlaufverfahren)
11.2.3Bio-Brew-Verfahren (Durchlaufverfahren)
11.2.4Optimiertes Bio-Brew-Verfahren
11.2.5Immobilisierung
11.2.6Reaktortypen
11.3Regelung und Optimierung von Gärung und Reifung
11.4Kalthopfung
Literatur
12Filtration
12.1Prinzip
12.2Filtrationsarten
12.3Theoretische Modellbeziehungen
12.4Kuchenfiltration
12.4.1Konstanter Volumenstrom (dV/dt = konst.)
12.4.2Konstanter Druck (Δp = konst., V2 ~ t)
12.4.3Filtration mit veränderlichem Druck und veränderlicher Leistung
12.5Filtration in der Praxis
12.5.1Vorfiltration
12.5.2Filterbauarten
12.5.2.1Kieselgurschichtenfilter
12.5.2.2Horizontalfilter (Drahtgewebefilter)
12.5.2.3Kerzenfilter
12.5.2.3.1Spaltfilter
12.5.2.3.2Kerzenfilter mit Drahtspirale
12.5.2.3.3Kerzenfilter System Twin-Flow®
12.5.3Membranfiltration
12.5.3.1Cross-Flow-Filtration
12.5.3.2Scherspaltfilter
12.5.3.3Filter mit oszillierenden Membranen (VMF-Verfahren)
12.5.4Nachfiltration
Literatur
13Stabilisierung
Literatur
14Probennahme
14.1Die Bedeutung der Probennahme im Brauprozess
14.2Probennahme und Probenteilung
14.3Eingangskontrolle am Beispiel Malz
14.4Zwischenproduktkontrolle
14.4.1Schrotprobe
14.4.2Treberprobe
14.4.3Pfanne-Voll-Würze
14.4.4Ausschlagwürze
14.4.5.Heißwürze nach dem Whirlpool
14.4.6Kühlmittewürze
14.4.7Kaltwürze
14.4.8Reifungsprobe
Literatur
15Anhang
15.1Formelzeichen und Abkürzungen
15.2Gebrauchsformeln für den Wärmeübergang (Quelle: Lehrstuhl V.d.S., Weihenstephan)
15.2.1Strömung in Rohren
15.2.2Strömung längs einer ebenen Wand
15.2.3Umströmter Einzelkörper (Kugel)
15.3Stoffwerte
15.4Wasserdampftafel
15.5AR-Ω-Diagramm
Register
1ZERKLEINERN – SCHROTEN
1.1ALLGEMEINES
Zerkleinerungsprozesse spielen bei der Verarbeitung von festen Stoffen in zahlreichen Industriebereichen (Baustoffindustrie, Bergbau, chemische und pharmazeutische Industrie, Lebensmittelindustrie usw.) eine maßgebliche Rolle. Der Vorgang des Zerkleinerns ist Bestandteil des Produktionsablaufs. Er liefert die Basis für weitere verfahrenstechnische Schritte (z. B. Sortieren, Mischen, Agglomerieren) und thermische und/oder chemische Umsetzungen. Man definiert die Zerkleinerung als das Zerteilen eines Feststoffgefüges in Teilstücke unter der Wirkung mechanischer Kräfte [1.1]. Damit ist eine Vergrößerung der spezifischen Oberfläche des zu zerkleinernden Guts, eine Verringerung der Korngrößen bzw. eine Veränderung der Korngrößenverteilung verbunden. Der neue Dispersitätszustand beeinflusst die nachfolgenden Prozesse (z. B. Maischen, Läutern). Infolge der vergrößerten Oberfläche können physikalische und chemische Reaktionen schneller ablaufen. Ob dies bei der Würzebereitung zutrifft, wird an späterer Stelle brautechnologisch diskutiert. Weiterhin tritt durch die Zerkleinerung u. a. eine Veränderung der Fließfähigkeit und Mischbarkeit sowie bestimmter Austauschvorgänge ein.
1.2BRUCHMECHANISCHE GRUNDLAGEN
Als Bruch wird die zum Verlust der Tragfähigkeit eines Festköpers führende Stofftrennung im makroskopischen Bereich definiert, bei dem durch äußere oder innere mechanische Spannungen die atomaren bzw. molekularen Bindungen aufgehoben werden [1.2]. Jedem Bruch geht eine Deformation in der beanspruchten Zone voraus. Damit ist die zur Zerkleinerung erforderliche Energie von der Größe des deformierten Bereichs, von den elastischen Eigenschaften des beanspruchten Festkörpers und von der Beanspruchungsart abhängig. Der Bruchvorgang basiert unter Annahme idealer Bedingungen auf folgender Vorstellung [1.2, 1.3]:
Ein fester Körper setzt sich aus einer Vielzahl kleinster Elementarteile zusammen z. B. Ionen, Atome, Moleküle, Kristalle. Seine Elastizität wird durch die Kraftwirkungen zwischen den Elementarteilen, den inneren Kräften (Gitterkräfte) bestimmt. Als mögliche Bindungsart unterscheidet man kovalente Bindungen, Ionenbindungen, metallische Bindungen und Van-der-Waals-Bindungen. Die aus der Deformation der inneren Elektronenschalen resultierenden abstoßenden Kräfte FS und die aus der Massewirkung resultierenden anziehenden Kräfte FZ wirken als innere Kräfte. Wenn auf den Feststoffkörper keine äußeren Kräfte einwirken, stehen die inneren Kräfte im Gleichgewicht. Die Elementarteilchen nehmen dann einen bestimmten Abstand r0 zueinander ein (Abb. 1.1).
Abb. 1.1:Schematische Darstellung der Kraftwirkungen zwischen benachbarten Elementarteilchen eines Feststoffkörpers [1.2]
Der Bruch tritt ein, wenn die Wechselwirkungskraft Fmax bei rmax überwunden wird. Die inneren Kräfte stehen nun nicht mehr im Gleichgewicht zueinander. Die Einwirkung von äußeren Kräften in Form von Zug- oder Schubspannungen (Abb. 1.2) führt zwischen den Elementarteilchen zu einer Abstandsvergrößerung r > rmax. Zur Einleitung des Bruchs muss einem Feststoffteilchen die nach Gleichung (1.1) ermittelte Bruchenergie zugeführt werden.
| WBr = | Bruchenergie |
| r = | Abstand zwischen den Elementarteilchen |
| r0 = | Abstand zwischen den Elementarteilchen im Ruhezustand |
| rmax = | Abstand zwischen den Elementarteilchen beim Einsetzen der Rissbildung |
| F = | Kraft |
Abb. 1.2:Bruchverhalten (Trennbruch, Gleitbruch)
Der Zerkleinerungsvorgang kann in zwei Abschnitte unterteilt werden. Zuerst erfolgt die elastische Deformation in der Bruchzone, wodurch die zum Bruch erforderlichen Spannungen aufgebaut werden. Darauf folgt der eigentliche Bruchvorgang, der neue Grenzflächen schafft.
Abb. 1.3:Linear-elastisches Materialverhalten nach [1.4]
Man unterscheidet drei verschiedene Arten des Materialverhaltens von festen Stoffen: linear-elastisches, elastisch-plastisches und visko-elastisches Verhalten. Beim linear-elastischen Materialverhalten (Abb. 1.3) besteht eine Proportionalität zwischen der Dehnung ε und der Spannung σ.
| σ = | Bruchspannung |
| E = | Elastizitätsmodul |
| Δx = | Längenänderung unter Krafteinwirkung |
| x = | charakteristische Abmessung |
Spröde Stoffe haben ein hohes Elastizitätsmodul E (Stoffwert). Dem Sprödbruch geht nur eine geringe Verformung voraus. Nach einem kurzen Verformungsweg (Dehnung εB) baut sich eine hohe Spannung auf, was beim Erreichen der Bruchspannung σB einen Materialbruch zur Folge hat. Gummielastische Stoffe dagegen erfahren bereits durch kleine Spannungen eine deutliche Verformung, die Rissausbreitung schreitet langsam voran [1.4]. Die jeweils eingezeichnete Fläche unter σ-ε stellt die auf die Volumeneinheit bezogene eingebrachte Energie (erforderliche Zerkleinerungsarbeit bis zum Erreichen des Bruchs) dar.
Malz erfordert, bedingt durch seine spröden Eigenschaften, infolgedessen einen geringeren Energieaufwand zur Zerkleinerung als z. B. unvermälzte Gerste [1.5]. Der aus energetischen Gründen günstigere Sprödbruch (Gegensatz Zähbruch, besteht beim Gleitbruch) hängt, neben dem Material, von der Temperatur, der Beanspruchungsgeschwindigkeit und der Ausgangskorngröße ab.
Abb. 1.4:Visko-elastisches Materialverhalten [1.4]
Visko-elastische Stoffe zeichnen sich dadurch aus, dass sie sich bei langsamer und lang andauernder Beanspruchung (Zeitabhängigkeit) ausdehnen und im Inneren gleichzeitig Spannungen abbauen (Relaxation), was entsprechende spezifische Arbeit erfordert (Abb. 1.4, Kurve a). Bei hoher Beanspruchungsgeschwindigkeit und kurzer Dauer tritt die energietechnisch günstigere Versprödung ein (Kurve b). Den gleichen Effekt hat eine Temperaturerniedrigung.
Abb. 1.5:Bruchphänomene bei elastisch-sprödem Materialverhalten [1.6]
Abb. 1.5 zeigt Bruchbilder bei Einzelkornbeanspruchung durch Druck oder Prall bei elastisch-sprödem Materialverhalten. Während beim Druck Risse von einer Kontaktstelle zur anderen verlaufen, wandern beim Prall die Risse divergent von der Kontaktstelle in die Partikel. Der Bruch beginnt mit einem Riss (Primärbruch), der sich mehrmals verzweigt (Sekundärbrüche). Dann entsteht in den Kontaktbereichen ein Bruchfeld mit großer Rissdichte (blaue Fläche), wodurch Feingut erzeugt wird. Bei großen Kugeln hoher Festigkeit bilden sich zwei berührende Feingutkegel aus.
Die theoretischen zum Bruch erforderlichen Spannungen lassen sich bei Zugbelastung des Materials mit 
und bei Scherbeanspruchungen mit 
(G Schubmodul) abschätzen [1.2].
Die in der Praxis erforderlichen Bruchspannungen liegen um zwei bis drei Zehnerpotenzen niedriger als die theoretische Bruchspannung, da reale Körper im Gitteraufbau Inhomogenitäten aufweisen. Diese können aus Gitterfehlern, Korngrenzen oder Anrissen bestehen. Infolge der Störungen im Kristallgitter liegt im beanspruchten Körper eine inhomogene Spannungsverteilung vor. Die Kraftlinien weichen den Störstellen aus und konzentrieren sich vermehrt an den Spitzen der Risse. An diesen Stellen treten dadurch Spannungsspitzen auf, die ein Mehrfaches des theoretischen Mittelwerts der Bruchspannung betragen. Hier ist die Bruchgrenze bereits bei geringer äußerer Beanspruchung überschritten. Der Bruch beginnt an diesen hoch belasteten Stellen (Kerbwirkung) und breitet sich von dort aus. Abb. 1.6 verdeutlicht die Gegebenheiten für einen Anriss in einer ebenen Platte, die von außen mit der zum Bruch erforderlichen Zugspannung σ0 beaufschlagt ist. Demnach verläuft die Ausbreitung eines bereits vorliegenden Primärrisses schon bei Spannungen, die deutlich unter der theoretischen Bruchspannung liegen. Die Spannungsüberhöhung an der Rissspitze wird umso größer, je länger der Anriss l und je kleiner der Krümmungsradius rK der Rissspitze ist [1.4, 1.7].
Abb. 1.6:Spannungsverteilung an der Rissspitze (ebene Platte, linear-elast., halb ellipt. Anriss) [1.4]
| l | = | Länge des ganzen Anrisses |
| rK | = | Kerbradius |
| σm | = | Maximalspannung an der Rissspitze |
| σ0 | = | homogene Belastung der Probe |
Mit abnehmender Korngröße infolge weiterer Zerkleinerung ist eine geringere Zahl an Fehlstellen verbunden, wodurch die Festigkeit des Mahlguts zunimmt und zur weiteren Zerkleinerung eine höhere spezifische Arbeit erforderlich ist. Schließlich wird die Mahlbarkeitsgrenze erreicht, die für viele Materialien bei 1 bis 5 μm liegt. In diesem Bereich treten plastische Verformungen, aber keine Brüche mehr auf. Die Zerkleinerung stellt einen sehr energieintensiven Vorgang dar. Nur ein geringer Teil der einer Zerkleinerungsapparatur zugeführten Energie wird als Nutzarbeit verbraucht. Die technische Zerkleinerungsarbeit Wges setzt sich zusammen aus:
| WA = | Grenzflächenenergie zum Trennen der Elementarteilchen |
| WVZ = | zerkleinerungstechnische Verlustarbeit (z. B. plastische Deformation der Körner ohne Bruch, Reibung der Körner untereinander) |
| WVM = | maschinentechnische Arbeitsverluste (z. B. Reibungsverluste der Antriebselemente) |
Erste Ansätze zur Berechnung der Zusammenhänge zwischen der Zerkleinerungsarbeit und der neu geschaffenen Oberfläche bzw. Partikelgröße erarbeiteten Rittinger, Kick und später Bond [1.6] (Abb. 1.7). Die komplette mathematische Erfassung der Zerkleinerungsvorgänge für ein Körnerkollektiv ist, im Gegensatz zur Betrachtung des Einzelkorns [1.8], bis heute nicht möglich, sodass man sich nach wie vor auf Versuchsreihen und die Empirie der Mühlenbauer stützt.
Abb. 1.7:Spezifische Zerkleinerungsarbeit in Abhängigkeit von der Korngröße [1.6]
1.3EINTEILUNG DER ZERKLEINERUNGSPROZESSE UND BEANSPRUCHUNGSARTEN
Die Einteilung der Zerkleinerungsprozesse kann nach der Festigkeit der zu zerkleinernden Produkte, der Beanspruchungsart und der Korngröße der zerkleinerten Produkte erfolgen. Je nach der stofflichen Widerstandskraft gegenüber mechanischer Beanspruchung wird in Hart-, Mittel- und Weichzerkleinerung unterschieden (Tab. 1.1). Demnach unterliegt das Produkt Malz der Weichzerkleinerung.
Tab. 1.1:Einteilung der Zerkleinerungsprozesse nach Härtegraden [1.2]
Den einzelnen Zerkleinerungsverfahren können Beanspruchungsmechanismen zugeordnet werden, die sich in Art, Größe und Geschwindigkeit des mechanischen Angriffs unterscheiden (Abb. 1.8). Die Beanspruchung des zu zerkleinernden Materials ist je nach seinen physikalischen Eigenschaften durch Druck, Druck-Schub, Schlagen, Schneiden, Stoß (Prall), Scherung oder durch die Kombination verschiedener Beanspruchungsarten gegeben.
Abb. 1.8:Beanspruchungsarten nach RUMPF [1.4]
IBeanspruchung zwischen (zwei) Zerkleinerungswerkzeugen
IIBeanspruchung an einem Zerkleinerungswerkzeug (Prall)
IIIBeanspruchung durch das umgebende Medium
IVBeanspruchung durch nichtmechanische Energiezufuhr
thermisch, elektromagnetisch, chemisch induzierte mechanische Spannungen
Bei der Beanspruchung zwischen zwei Zerkleinerungswerkzeugen wird die Partikel einer Druckbelastung oder einer kombinierten Druck-Schub-Belastung (Kategorie I) ausgesetzt (Abb. 1.8). Die Zerkleinerung erfolgt bei Druckbelastung durch das Überschreiten der Druckfestigkeit des Korns. Die Beanspruchungsintensität wird maßgeblich durch die Form der Partikeln beeinflusst und weniger durch die Geschwindigkeit.
Bei der Prallzerkleinerung geschieht die Beanspruchung der Partikeln über Stoßvorgänge (Kategorie II). Die Zerkleinerung erfolgt durch ein bewegtes Werkzeug (z. B. Hammermühle), Stoß gegen eine Prallfläche oder gegenseitigen Partikelstoß. Die Beanspruchungsintensität ist von der Geschwindigkeit abhängig.
Die Kräfte bei der Zerkleinerung durch das umgebende Fluid (Kategorie III) sind im Vergleich zur Zerkleinerung der Kategorie I und II geringer. Das Zerkleinerungsergebnis beruht hierbei auf unsymmetrischen Druck- und Zugbelastungen, die durch eine Scherströmung erzeugt werden. Bei turbulenten Strömungen treten zeitlich und örtlich stark schwankende Belastungen auf.
Die Zerkleinerung kann auch durch Stoßwellen in Fluiden z. B. durch Druckstöße oder infolge von Kavitation hervorgerufen werden.
Abb. 1.9:Beanspruchungsarten in Maschinen [1.6]
Weiter kann bei Beanspruchungsarten zwischen Einzel-, Mehrkorn- und Gutbettbeanspruchung unterschieden werden (Abb. 1.9). Bezüglich der Energieausnutzung ist eine Einzelkornbeanspruchung anzustreben. Diese ist jedoch nur bei Brechern und bei der Prallzerkleinerung gegeben. Bei der Mehrkornbeanspruchung wird die einwirkende Kraft über zahlreiche Kontaktstellen übertragen, was bei Walzenmühlen der Fall ist. Es liegt eine gegenseitige Beeinflussung der Körner (Abstützung, Reibung) und eine scheinbare Festigkeitserhöhung vor. Dieser Effekt wird bei der Gutbettbeanspruchung durch übereinanderliegende Partikelschichten noch verstärkt.
Die Zerkleinerung kann nach der Korngröße des zerkleinerten Guts (Endfeinheit) in mehrere Bereiche unterteilt werden. Folgende Einteilung ist möglich [1.1, 1.9]:
| Grobbrechen | > 50 mm |
| Feinbrechen | 5…50 mm |
| Grobmahlen (Schroten) | 0,5…5 mm |
| Feinmahlen | 50…500 μm |
| Feinstmahlen | 5…50 μm |
| Kolloidmahlen | < 5 μm |
Abb. 1.10:Zerkleinerungsbereiche nach Korngröße des Aufgabeguts [1.2, 1.10]
1.4ZERKLEINERUNGSMASCHINEN
Die Zerkleinerungsmaschinen können nach Dispersitätsbereich, Beanspruchungsart und konstruktiven Merkmalen unterschieden werden. Demnach werden Brecher der Grobzerkleinerung und Mühlen der Feinzerkleinerung zugeordnet, wobei die Grenze fließend ist (Abb.1.10, Tab. 1.2). Zu den konstruktiven Merkmalen zählt, dass Brecher große Kontaktkräfte haben, die spezifische Zerkleinerungsarbeit jedoch klein ist. Mühlen verfügen über kleine Kontaktkräfte. Allerdings ist die spezifische Zerkleinerungsarbeit beträchtlich [1.11].
Tab. 1.2:Einteilung der Zerkleinerungsmaschinen [1.11]
| Brecher | Mühlen |
| Backenbrecher Pendelschwingen-, Kurbelschwingenbrecher Kegelbrecher Steil-, Flachkegelbrecher Walzenbrecher Walzenbrecher mit Nocken- oder Glattwalzenbrecher Hammer- und Prallbrecher Hammerbrecher, Schredder, Prallbrecher | Mahlkörpermühlen Kugel-, Stab-, Autogen-, Planeten-, Schwing-, Zentrifugal-, Rührwerksmühlen Walzenmühlen Wälzmühlen, Walzenstühle, Gutbett-Walzenmühlen Prallmühlen Rotor-, Strahlprallmühlen Schneidmühlen |
1.4.1TROCKENZERKLEINERUNG
1.4.1.1Walzenmühlen
Die Zerkleinerung des Produkts erfolgt im Spalt zwischen zwei achsparallelen, zylindrischen, gegenläufig rotierenden Walzen (D = 250 mm, l = 300–1500 mm). Das Mahlgut passiert einen Spalt nach dem anderen, wobei sich die Spaltweiten zunehmend verringern. In der Brauindustrie werden 2-bis 6-Walzenmühlen eingesetzt. Die Malzkörner werden angebrochen, der Mehlkörper herausgewalzt und weiter auf die angestrebte Feinheit zerkleinert. Im einfachsten Fall (z. B. bei kleinen Sud- bzw. Pilotanlagen) kommt eine 2-Walzenmühle zum Einsatz. Der eingestellte Mahlspalt von ca. 0,8 mm liefert ein relativ grobes Schrot und ist ein Mittelweg für die anschließende Läuterarbeit und Sudhausausbeute. Wichtig ist hier das Vermahlen von gutgelösten Malzen (s. Pkt. 2.5.2.4). Die 4-6-Walzenmühlen ermöglichen eine differenziertere Zerkleinerung des Malzes mit zwei bzw. drei Mahlgängen. Die zwischengeschalteten Siebe sorgen für eine Klassierung. Bei Bauart 1 der 6-Walzenmühle werden nach dem Vorbruch die fertigen Grieße ausgesiebt. Dementsprechend werden nur die Fraktionen (angebrochene Körner und Spelzen), die weiter zerkleinert werden müssen, nach dem Vorbruch der zweiten Mahlpassage, dem Spelzenwalzenpaar zugeführt. Nach dem zweiten Mahlgang wird eine größere Siebfläche eingesetzt (Abb. 1.11) und damit eine geringere Belastung des Siebsatzes erzielt [1.12]. Die ausgemahlenen Spelzen und die fertigen Grieße werden dem Schrotbehälter zugeführt, die Grobgrieße werden auf dem folgenden Grießwalzenpaar fertig vermahlen.
Abb. 1.11:6-Walzenmühle mit doppelter Zwischensiebung, Bauart 1 [1.13]
| A | Einlauf |
| B | Flugmehl |
| C | Grieß von der Spelzenwalze |
| D | Grieß von der Grießwalze |
| E | Spelzen |
| F | Grieß von der Vorbruchwalze |
Eine zweite Bauart verzichtet auf die Zwischensichtung nach der ersten Mahlpassage und setzt auf das Prinzip „Vermahlen-Vermahlen-Sichten-Vermahlen“ mit dem Ziel einer schonenden Spelzenabtrennung (Abb. 1.12).
Abb. 1.12:6-Walzenmühle, Bauart 2, Darstellung der unteren zwei Mahlpassagen mit Sieben [1.14]
Durch die rechtzeitige Entfernung des Feingutanteils (Feingrieße, Mehl) wird eine verstärkte Leistungsaufnahme durch Reibung und ein zusätzlicher Walzenverschleiß bei den heutigen Bauarten eingeschränkt.
Parameter wie Anzahl der Walzenpaare, Abstand der Walzenpaare zueinander, Drehzahl oder Drehzahldifferenz der Walzenpaare, Gestaltung der Walzenoberfläche, Stellung der Riffel, Anzahl und Anordnung der Siebe sowie Siebbespannung beeinflussen die Schrotzusammensetzung. Bei gleicher Umfangsgeschwindigkeit der Walzen erfährt das Mahlgut eine reine Druckbeanspruchung. Bei unterschiedlichen Umfangsgeschwindigkeiten der Walzen kommt es zusätzlich zu einer Schubbeanspruchung. Man spricht von Friktion. Die Walzendrehzahlen betragen 160–180 U/min für 2-Walzenmühlen und 200–550 U/min bei 6-Walzenmühlen. Hohe Drehzahlen führen zu einer zusätzlichen Schlagbeanspruchung. Sehr hartes Gut wird zwischen Glattwalzen und ohne Friktion zerkleinert. Bei der Weichzerkleinerung, z. B. von Getreide, werden geriffelte Walzen bevorzugt, da diese einen geringeren Verschleiß aufweisen. Die Walzenriffelung begünstigt den Korneinzug und öffnet das Malzkorn durch Einschneiden. Für einen vollständigen Einzug des Aufgabeguts müssen Walzendurchmesser und Spaltbreite auf die maximale Korngröße xmax abgestimmt sein (Abb. 1.13).
Abb. 1.13:Abbaugrad bei Walzenmühlen (max. Partikelgröße xmax/Spaltweite s [1.4]
Der Kraftbedarf der 6-Walzenmühle wird mit 1.4–2.5 kWh/t angegeben [1.15]
Aus einer weiteren Entwicklung des Mühlensystems für Brauereien ist die Keilscheibenmühle entstanden, eine Lösung mit der Zielstellung, moderne technologische Anforderungen mit Blick auf nachgelagerte Maisch- und Läuterarbeit zu erfüllen. Das kompakte und vereinfachte System ermöglicht eine Entkopplung von der Rohstoffbeschaffenheit und der Art des Läutersystems [1.16]. Die Läuter- und Würzequalität ist trotz abweichender Schrotzusammensetzung von einschlägigen Normwerten zu oben beschriebenen Schrotsystemen äquivalent.
Abb. 1.14:Keilscheiben aus Edelstahl [1.17]
Abb. 1.15:Prinzip Keilscheibenmühle, T-Rex by Ziemann® [1.17]
Statt herkömmlicher Walzen besteht das Mahlwerk aus mehreren Keilscheiben in harter Edelstahllegierung mit radialer Riffelung (kompakte Mahlfläche) (Abb.1.14). Diese befinden sich auf zwei gegenüberliegenden Wellen. Die Beanspruchung erfolgt durch Scher-, Druck- und Schneidkräfte. Durch die besondere Geometrie der Mahlwerkzeuge ergibt sich selbst bei kompakten Wellenabmessungen ein sehr günstiger Einzugswinkel, welcher es ermöglicht, in nur einer Passage die gesamte, notwendige Zerkleinerungsenergie einzubringen, um die Spelze ausreichend auszumahlen. Durch den Wegfall weiterer Passagen kann so der feindisperse Anteil (Pudermehl) im Mahlgut reduziert werden, was sich positiv auf die Läutereigenschaften auswirkt. Die elektrische Leistungsaufnahme (70 % im Vergleich zur 6-Walzenmühle) und Lärmentwicklung fallen bei niedriger Erwärmung des Mahlguts geringer aus. Die Mühle, welche mit einer Weichkonditionierung ausgestattet sein kann, erzeugt Schrot für Läuterbottich- und Siebscheibenfiltersysteme. Die Zerkleinerung von Rohgerste erfordert je nach Anforderung zwei Mahlgänge, darstellbar in zwei Durchläufen oder in Verwendung von zwei übereinander gesetzten Modulen.
Meist geht der Trockenschrotung eine Konditionierung des Malzes durch Dampf (0,5 barÜ) oder bevorzugt durch Wasser (T < 40 °C) voraus. Die geringfügige Befeuchtung (im Malz max. 1,5 %, in den Spelzen ≥ 3 %) führt zu einer höheren Elastizität der Spelzen, einem höheren Spelzenvolumen und einer besseren Durchlässigkeit der Treberschicht im Läuterbottich. Der Trend geht inzwischen zu einer höheren Befeuchtung der Spelzen auf ≥ 6 %.
Mit den beschriebenen Mühlen wird das Schrot für den Betrieb von Läuterbottich, klassischen Maischefilter (6–8 cm) und Siebscheibenfilter hergestellt. Sollen die elastischen Spelzen eine weiter gehende Zerkleinerung erfahren, müssen beispielsweise Prallmühlen zum Einsatz kommen.
1.4.1.2Prallmühlen
Die Prallmühlen dienen der Feinzerkleinerung. Der Energieeintrag erfolgt entweder durch einen schnell laufenden Rotor oder durch Gas- bzw. Dampfstrahlen. Demzufolge wird zwischen Rotorprallmühlen (Hammer-, Stift-, Pralltellermühlen) und Strahlprallmühlen unterschieden. In Ersteren werden Partikel-Werkzeug-Stöße, in Letzteren Partikel-Partikel-Stöße erzeugt.
Das Mahlergebnis von Prallzerkleinerungsmaschinen kann durch Umfangsgeschwindigkeit, Mahlspalte zwischen Rotor und Stator, Form, Größe und Anzahl der Zerkleinerungswerkzeuge, Mahlgutkonzentration im Mahlraum, Temperatur und Feuchtigkeit des Trägergases, Verweilzeit und Lochweite der Siebeinrichtung gesteuert werden. Da die Partikeln, je kleiner sie sind, eine umso höhere Festigkeit besitzen, müssen die Umfangsgeschwindigkeiten der Rotoren entsprechend größer sein, je feiner das Produkt vermahlen werden soll. [1.4, 1.18]. Der Einsatz zur Hartzerkleinerung ist aufgrund der starken Verschleißwirkung nachteilig.
Hammermühlen weisen im Prozessraum schnell umlaufende Rotoren auf. Ein Schlägerwerk zerkleinert das Malz zu Pulverschrot (> 70 % < 150 μm). An den Rotoren befinden sich gelenkig angeordnete hammerförmige Schläger (Flachstähle), die im Betriebszustand infolge der entstehenden Zentrifugalkräfte eine radiale Schlagstellung einnehmen (Abb. 1.16).
Abb. 1.16:Hammermühle [1.4]
Das Aufgabegut wird hauptsächlich durch Prall und Schlag beansprucht. Die Umfangsgeschwindigkeiten betragen zwischen 20 und 70 m/s [1.4]. Infolgedessen unterliegen die Zerkleinerungswerkzeuge einem nicht zu vernachlässigenden Verschleiß. Der hohen Vermahlungstemperatur muss durch eine ausreichende Ventilation entgegengewirkt werden. In der unteren Hälfte des Mahlraums befindet sich ein Siebmantel (0,5–1 mm), wodurch eine Feinheitseinstellung (Klassierung) der Partikeln erfolgt. Die Einstellung einer Inertgasatmosphäre schützt vor Explosionen. Ein hoher Energieeintrag ist erforderlich. Als spezifischer Kraftbedarf werden 7 bis 12 kWh/t [1.5, 1.15] bei bis zu 20 t/h genannt. Der Trend zu größeren Sieblochungen (≥ 2 bis 3 mm) führt zu einem geringeren Energieverbrauch sowie einer Verschleißminderung der Siebe und Hämmer. Die vertikale Ausführung der Hammermühle hat zudem einen um 30 % geringeren Energieverbrauch und benötigt keine Aspiration (Abb. 1.18) [1.19]. Außerdem ist die Beaufschlagung der Flachstähle (Flächenstoß) günstiger (Abb. 1.17).
Abb. 1.17:Auftreffen der Partikeln auf das Zerkleinerungswerkzeug (Flächenstoß/Kantenstoß) [1.4]
Abb. 1.18:Hammermühle, vertikale Ausführung [1.14]
Mit den oben beschriebenen Hammermühlen wird Schrot für Dünnschichtfilter hergestellt.
Stiftmühlen sind sieblos arbeitende Zerkleinerungsmaschinen (Abb. 1.19). Die Zerkleinerung erfolgt zwischen zwei mit konzentrischen Schlägerkreisen versehenen, ineinandergreifenden Schlägerscheiben. Es gibt zwei Ausführungen von Stiftmühlen: mit feststehender und umlaufender Stiftscheibe oder mit zwei gegenläufig rotierenden Scheiben. Das Mahlgut wird axial in den Prozessraum aufgegeben und durch die Zentrifugalbeschleunigung nach außen geschleudert. Dabei wird es durch die Schlägerkreise erfasst und überwiegend durch Prall, aber auch durch gegenseitigen Abrieb zerkleinert. Stiftmühlen werden für die Fein- und Feinstmahlung verwendet. Dazu sind Umfangsgeschwindigkeiten von bis zu 200 m/s notwendig. Eine Klassierung ist aufgrund der fehlenden Siebe nicht möglich.
Zur Feinstzerkleinerung und Desagglomeration werden Strahlmühlen eingesetzt, die ohne bewegte Maschinenteile arbeiten (Abb. 1.19). Es werden größere Stoßgeschwindigkeiten als in Rotorprallmühlen und infolgedessen höhere Feinheitsgrade erzielt. Das Mahlgut wird mithilfe eines sehr schnellen Gasstrahls auf 500 bis 1200 m/s beschleunigt und entweder gegen einen weiteren Gutstrahl aus einer anderen Richtung oder gegen relativ ruhendes Gut gelenkt, in seltenen Fällen auch gegen eine Prallplatte. Die Beschleunigung des Mahlguts erfolgt durch Druckluft oder überhitzten Dampf. Die Zerkleinerungswirkung beruht hauptsächlich auf gegenseitigem Partikelstoß, aber auch auf Reibung und Prall. Die Partikelgrößenverteilung wird über einen Sichter im Auslass der Strahlmühle reguliert [1.4, 1.18]. Es können Korngrößen < 2 μm erzielt werden. Der Nachteil liegt im geringen Durchsatz mit < 1t/h und dem hohen spezifischen Energiebedarf bis > 1000 kWh/t.
Abb. 1.19:Stiftmühle, Strahlmühle [1.4]
1.4.2NASSZERKLEINERUNG
1.4.2.1Dispergiermaschinen
Das Dispergieren ist als Feinverteilen einer oder mehrerer Komponenten in einer kontinuierlichen Phase definiert. Mittels Dispergiermaschinen werden Scherspannungen erzeugt (Beanspruchung durch das umgebende Medium), die zur Zerkleinerung der Teilchen führen. Derartige Zerkleinerungsapparaturen werden in der chemisch-pharmazeutischen Industrie, der Lebensmittelindustrie und der Papierindustrie für die Zerkleinerung und Feinverteilung von Gasblasen, Flüssigkeitstropfen und Feststoffpartikeln in Flüssigkeiten, für den Aufschluss von Zellstoffen sowie zur Lösungs-, Reaktions- oder Extraktionsbeschleunigung eingesetzt. Hauptbestandteile der Maschine sind die Generatoren, bestehend aus einer rotierenden (Rotor) und einer feststehenden Scheibe (Stator), ähnlich einer Stiftmühle. Die Scheiben sind jeweils mit konzentrisch angeordneten Stiftreihen versehen, die ineinander greifen. Die Spaltweiten zwischen den Stift-reihen bleiben je Generatoreinheit konstant. Je nach Prozessbedingungen können bis zu drei Generatoren, die in der Verzahnung variieren, hintereinander gesetzt werden (Abb. 1.20). Beim Durchlaufen wird das Produkt wechselnd tangential beschleunigt, abgebremst und zerkleinert. Die Feinheit des zu zerkleinernden Guts kann durch die Anzahl der eingesetzten Rotor-Stator-Einheiten, die Art der Bestiftung, die Anzahl der Stiftreihen, die Rotordrehzahl und den Volumendurchsatz beeinflusst werden. Neben der Zerkleinerungsarbeit wird aufgrund der Zentrifugalbeschleunigung der Flüssigkeit eine Pumpleistung von wenigen bar erzeugt, die zum Transportieren des zerkleinerten Produkts genutzt werden kann [1.20]. Gebräuchlich sind Inlinegeräte, die einen gleichmäßigen Durchfluss und eine definierte Passagenfolge gewährleisten.
Abb. 1.20:Schnittdarstellung Dispax-Reactor® DR 3/6 der Firma IKA, Staufen [1.20]
Der Stoffstrom in Dispergiermaschinen und die Wirkung auf das Zerkleinerungsgut wird wie folgt beschrieben [1.5, 1.10]
1.Axiale Zufuhr des Produkts
2.Eintritt der Ausgangsprodukte in den ersten Generator der Dispergierkammer
3.Beschleunigung der Flüssigkeits- und Feststoffteilchen auf die Rotor-Umfangsgeschwindigkeit
4.Eintritt der Teilchen in den ersten Scherspalt zwischen Rotor und Stator
5.Zerkleinerung der Teilchen infolge von Scherspannungen
6.Austritt aus dem ersten Scherspalt und Eintritt in den nächsten Scherspalt
7.Eintritt in einen weiteren Generator
8.Radialer Austritt aus der Dispergierkammer
Sind die zu zerkleinernden Stoffe größer als der Tangentialspalt zwischen Rotor und Stator, so werden sie zwischen den Umfangsflächen zerschlagen, zerdrückt, zerquetscht oder zerrissen. Dies entspricht einer Vorzerkleinerung, die vom eigentlichen Dispergiervorgang zum Feinzerkleinern und Feinverteilen unabhängig ist [1.21]. In der ersten und der zweiten Einheit erfolgt also die primäre Zerkleinerung und in der dritten die Homogenisierung und Desagglomerierung des zerkleinerten Mahlguts im Medium, unterstützt durch die Turbulenzfelder im Scherspalt. Die Schrotpartikeln sind unsymmetrisch Druck- und Zugbelastungen ausgesetzt. Bedingt durch die Turbulenz, schwanken diese Belastungen örtlich und zeitlich.
Abb. 1.21:Schematische Darstellung des Rotor-Stator-Prinzips [1.21]
Rotor-Stator-Dispergiermaschinen erzeugen infolge der Rotorumfangsgeschwindigkeit von bis zu 30 m/s ein Geschwindigkeitsgefälle zwischen Rotor und Stator (Abb. 1.21). Das Medium im Scherspalt unterliegt hierdurch einer hohen Scherrate. In Kombination mit der hemmenden Viskosität des Trägermediums wird eine auf das zu zerkleinernde Produkt wirkende Schubspannung initiiert. Kennzeichnende Größen sind die Rotorumfangsgeschwindigkeit vu, die Scherrate 
und die Scherfrequenz fs. Die Scherrate ist als Quotient aus der Umfangsgeschwindigkeit und der Scherspaltweite ds beschrieben.
| | = | Scherrate |
| v u | = | Umfangsgeschwindigkeit |
| d s | = | Abstand zwischen Rotor und Stator |
Der Abstand zwischen Rotor und Stator ist aufgrund technischer Gegebenheiten auf 400–1000 μm festgelegt. Die Scherrate ist der Umfangsgeschwindigkeit direkt proportional.
| n | = | Rotordrehzahl |
| dr | = | Rotoraußendurchmesser |
Die Scherfrequenz ist mathematisch das Produkt aus Rotordrehzahl und der Anzahl der Rotorzähne.
| f s | = | Scherfrequenz |
| z | = | Zähnezahl des Rotors |
Anfänglich zeigten sich für die Dispergiertechnik zur Malzzerkleinerung Vorteile, wenn eine Alternative zur Hammermühle gesucht und/oder Rohfrucht verwendet wird. Die dispergierte Rohfrucht wird auf die erforderliche Verkleisterungstemperatur gebracht; das aufwendige Kochen entfällt, da die Dispergiertechnik eine vollständige Freilegung der nativen Stärkekörner ermöglicht. In der Praxis sind Infusionsverfahren bis zu 50 % Rohfruchtschüttung ohne Enzymdosage bzw. 100 % Rohfrucht mit Enzymzusatz anzutreffen. Die Enzymgaben können um 10–15 % reduziert werden. Der Vorteil der Dispergiermaschine ist unter dem bautechnischen Aspekt zu sehen. Aufwendige Förderanlagen inklusive der Schrotereiabteilung mit dem Schrotbunker und Exschutz entfallen. Der Dispax-Reaktor kann neben oder unterhalb des Maischbottichs aufgestellt werden. Zur Maischeförderung ist keine Pumpe erforderlich. Technologisch ist das sauerstoffarme Einmaischen, die Zerkleinerung erfolgt komplett im Wasser, von Vorteil. Es kann zusätzlich CO2-Atmosphäre eingestellt werden. Als Nachteil ist der hohe Materialverschleiß in den Generatoren durch die abrasive Wirkung der Spelzen anzuführen.
1.4.2.2Rührwerkskugelmühle
Rührwerkskugelmühlen werden im Bereich der Feinst- und Kolloidmahlung eingesetzt. Die Mühle besteht aus einem Gehäuse (1) und einem Mahlbehälter (2). Dazwischen befindet sich ein Kühlkreislauf (KW), welcher der Suspensionserwärmung entgegenwirkt (Abb. 1.22). Das zu zerkleinernde Produkt (Suspension mit einer Feststoffbeladung von 10 bis 50 Vol.-%) wird mit Mahlkörpern von 0,2–6 mm (z. B. Glas-, Keramik-, Stahlkugeln) versetzt (70–85 % Kugelfüllgrad). Durchmesser und Dichte derselbigen sind der jeweiligen Mahlaufgabe anzupassen. Der Mahlbehälter hat einen mehrstufigen Scheibenrührer (3) zur Bewegung des Inhalts. Die Suspension wird dem Behälter bei vertikaler Ausrichtung unten zugeführt und fließt oben über, wobei die Mahlkörper durch ein Sieb bzw. einen Deckel (5) zurückgehalten werden.
Abb. 1.22:Rührwerkskugelmühle
1.4.2.3Nassschrotung
Die Nassschrotung erfolgt mittels einer 2- bzw. 4-Walzenmühle mit vorhergehender Weichkonditionierung. Üblicherweise haben die geriffelten Walzen einen Durchmesser von 300–400 mm. Bei einer 2-Walzenmühle mit einer Leistung von bis zu 40 t/h weisen die Walzen einen Durchmesser von 500 mm und eine Länge von 2000 mm auf und laufen mit der gleichen Drehzahl von bis zu 480 U/min. Die Spelzen werden beim Durchlauf eines Konditionierungsschachts durchfeuchtet (18–22 %). Ihre Elastizität wird erhöht und sie bleiben weitgehend intakt, was eine höhere spezifische Senkbodenbelastung des Läuterbottichs erlaubt (Punkt 5.2). Der Mehlkörper nimmt nahezu keine Feuchtigkeit auf und kann daher gut zerkleinert werden. Der Schrotvorgang verursacht einen Widerstand auf den Walzen und macht eine regelmäßige Nachriffelung notwendig. Im Vergleich zum Dispax-Reactor® entsteht in Nassschrotmühlen aufgrund ihrer Konstruktion und viel geringeren Walzenumfangsgeschwindigkeit keine Beanspruchung durch Scherströmungen. Damit kann dieser Prozess im verfahrenstechnischen Sinn nicht eindeutig der Nasszerkleinerung zugeordnet werden. Bei der Nassschrotmühle wird der Füllstand des Weichschachts (Verweilzeit, Weichgrad) über die obere Speisewalze und Niveausonde geregelt (Abb. 1.23). Die untere Speisewalze bestimmt die Schrotleistung. Das Malz durchläuft den Weichschacht, der keine weiteren Einbauten besitzt (früher Kaskaden) in 30–90 s und wird mit Wasser von 50–75 °C benetzt. Die Geometrie des Schachts muss so gewählt sein, dass ein gleichmäßiges Absinken des Inhalts über den ganzen Behälterquerschnitt gewährleistet ist (Abb. 1.25). Der Massenfluss (A) wird durch glatte Wände und einen steilen Konuswinkel θ unterstützt. Das restliche Einmaischwasser wird unterhalb der Walzen (Walzenabstand bei einem Walzenpaar 0,3–0,4 mm) eventuell mit Milchsäure und unter Schutzgas zudosiert. Die Milchsäuredosage zum Weich- bzw. Einmaischwasser unterdrückt die enzymatisch-oxidative Wirkung der Lipoxygenasen (Punkt 1.7.2). Insgesamt ist der Sauerstoffeinfluss bei der Nassschrotung minimiert und kann durch eine gekapselte Schrotung unter N2/CO2–Inertgas gänzlich ausgeschlossen werden (Abb. 1.24). Unter der Mühle befindet sich die Maischepumpe, kombiniert mit einer Inducerschnecke (Vorsatzlaufrad), zur schonenden Förderung (Abb. 1.23). Alternativ kommt auch eine Mohnopumpe zum Einsatz (Abb. 1.24). Die bevorzugte Bauweise ist die 2-Walzenmühle. Das Schrot eignet sich für den Läuterbottichbetrieb. Da die Schrotzeit mit der Einmaischzeit zusammenfällt, ist eine hohe Schrotleistung erforderlich. Eine gute Malzvorreinigung einschließlich Magnet zur Metallabscheidung ist Voraussetzung, den Verschleiß der Walzen einzuschränken. Die Kontrolle des Nassschrots wird meist empirisch vorgenommen (Anbruch, Zerkleinerungsgrad). Die Beurteilung über Nasssiebung erfordert einen hohen Aufwand und die entsprechende Erfahrung. Außerdem sollte eine Kontrolle der Treber hinsichtlich des aufschließbaren Extrakts inklusive des Jodwerts erfolgen.
Abb. 1.23:Nassschrotmühle, Bauart 1, Variomill® [1.22]
Abb. 1.24:Nassschrotmühle, Bauart 2, Millstar®, optional Milchsäuredosage und Inertgasatmosphäre (gelbe Leitung) [1.23]
Abb. 1.25:Massen-/Kernfluss bei der Siloauslegung [1.9]
1.5CHARAKTERISIERUNG DES ZERKLEINERTEN PRODUKTS
Die Elemente der dispersen Phase bestehen aus Partikeln. Wichtige Partikeleigenschaften sind Partikelgröße, Partikeloberfläche und Partikelform. Größe und Oberfläche (Dispersitätsgrößen) kennzeichnen die Feinheit des Systems. Im einfachsten und seltenen Fall handelt es sich um kugelförmige Partikeln. Bei unregelmäßig geformten Partikeln wird häufig der Äquivalentdurchmesser angegeben. Der Äquivalentdurchmesser ist der Durchmesser derjenigen Kugel, die unter gleichen physikalischen Bedingungen denselben Wert eines Feinheitsmerkmals liefert wie die betrachtete Partikel [1.24]. Geometrische Äquivalentdurchmesser sind beispielsweise der Durchmesser der volumengleichen Kugel dV und der Durchmesser der oberflächengleichen Kugel dS. Physikalische Äquivalentdurchmesser können der Durchmesser einer Kugel mit gleicher Sinkgeschwindigkeit oder der Durchmesser einer Kugel mit gleicher Streulichtintensität sein. Bei der Berechnung wird allerdings nicht die einzelne Kugel, sondern die Durchmesserverteilung der Kugeln mit gleicher Eigenschaft (z. B. Sinkgeschwindigkeit) herangezogen. Die spezifische Oberfläche ist ebenfalls ein wichtiges Feinheitsmerkmal. Die volumenspezifische Oberfläche setzt sich zusammen aus
Die massenspezifische Oberfläche lautet
Mithilfe der Partikeldichte ρs lassen sich die Größen ineinander umrechnen:
Mit den Äquivalentdurchmessern lässt sich die spezifische Oberfläche unregelmäßig geformter Partikeln umrechnen:
| d s | = | Durchmesser der oberflächengleichen Kugel |
| d v | = | Durchmesser der volumengleichen Kugel |
Bei einer Kugel mit dem Äquivalentdurchmesser d = ds = dv gilt
Die Beschreibung der Partikelform kann durch die Angabe eines Formfaktors ϕ erfolgen, der sich aus dem Verhältnis zweier Größen zusammensetzt, die unabhängig voneinander an der Partikel gemessen werden. Dieser Faktor gibt z. B. das Verhältnis der tatsächlichen Oberfläche einer Partikel zur Oberfläche einer volumengleichen Kugel an [1.24]. Der Kehrwert ist die Sphärizität ΨWa nach Wadell [1.25].
Für Kugeln beträgt ϕ = 1 und für anders geformte Partikeln ϕ > 1. Der Formfaktor wird umso größer, je mehr die Partikel von der Kugelform abweicht (Tab. 1.3).
Multipliziert man den Formfaktor mit der theoretischen spezifischen Oberfläche (Gl. 1.13), erhält man die spezifische Oberfläche der Einzelpartikel.
Tab. 1.3:Formfaktoren für unterschiedlich geformte Partikeln [1.9]
| Beschreibung | Formfaktor | |
 | Kugel | 1,0 |
 | Tropfen, Blasen | 1,0–1,1 |
 | Eckiges Korn (z. B. Sand) | 1,3–1,5 |
 | Nadelförmig | 1,5–2,2 |
 | Plättchenförmig | 2,5–4,0 |
 | Stark zerklüftete Oberfläche (z. B. Ruß) | 100–10000 |
1.5.1PARTIKELGRÖSSENVERTEILUNG
Die Gesamtmenge von Partikeln (Partikelkollektiv) wird nach der Dispersitätsgröße, der Partikelgröße × (z. B. Maschenweite eines Siebs oder Äquivalentdurchmesser) und den zugehörigen Mengenanteilen geordnet und als Verteilung dargestellt (Verteilungssumme, Verteilungsdichte).
Abb. 1.26:Partikelgrößenverteilung [1.26]
Als Mengenarten (Index r) stehen Anzahl (Q0), Länge (Q1), Fläche (Q2) oder Volumen bzw. Masse (Q3) zur Verfügung. Das Volumen ist der Masse gleichgesetzt, wenn die Dichte unabhängig von der Partikelgröße ist. Auf der Ordinate werden die Mengenanteile als Anteil an der Gesamtmenge aufgetragen, der unterhalb einer bestimmten Teilchengröße xi liegt, z. B. der Durchgang durch ein Sieb mit der Maschenweite xi (Verteilungssumme).
| x ≤ xmin | Qr(x) = 0 |
| x ≥ xmax | Qr(x) = 1 |
Der Medianwert x50,r entspricht der Partikelgröße, unterhalb der 50 % der Partikelmenge liegen.
Die Verteilungsdichte berechnet sich aus dem Anteil der Gesamtmenge in einem bestimmten Größenintervall, bezogen auf die Intervallbreite Δxi, z. B. der Massenanteil, der zwischen zwei Sieben mit den Maschenweiten xi und xi-1 zurückbleibt. Die Darstellung der Verteilungsdichtefunktion qr (x) erhält man aus der Verteilungssumme.
| x ≤ xmin | qr(x) = 0 |
| x ≥ xmax | qr(x) = 0 |
Am Wendepunkt von Qr (x) hat qr(x) ein Maximum. Dieser Wert xh,r (Modalwert) kennzeichnet die mengenreichste Partikelgröße. Es können auch bi- oder multimodale Verteilungen auftreten.
1.5.2KONTROLLE DER ZERKLEINERUNG (ANALYSENMETHODEN)
Die Partikelmesstechnik bildet die Basis zur Sicherung der Qualität und der nachfolgenden Prozessschritte.
Die Schrotkontrolle soll wöchentlich erfolgen. Grundvoraussetzung ist eine korrekte Probennahme (Kap.14).
Die Proben müssen während des Schrotens über den zentralen Probennehmer der Mühle gezogen werden (andernfalls Entmischung; Gesamtmenge max. 200 g). Zur Einzelüberprüfung der Mahlpassagen werden die Proben unter den entsprechenden Mahlgängen entnommen.
Die Beurteilung des Schrots kann folgendermaßen vorgenommen werden:
·empirisch (Vorbruch, Ausmahlungsgrad der Spelzen) nach dem ersten Walzenpaar
·Spelzenvolumen (> 700 ml/100 g)
·Siebanalyse (s. Tab. 1.4)
· Analyse mittels Laserbeugung
1.5.2.1Siebturm
Die Methode zeichnet sich durch einen einfachen apparativen Aufbau, geringen Arbeitsaufwand, die Erfassung eines relativ breiten Kornspektrums und gute Reproduzierbarkeit aus. Die Klassengrenzen ergeben sich aus den Maschenweiten der gewählten Siebe. Die Sortierung von Läuterbottichschrot kann nach DIN ISO 3310-1 (0.125; 0.250; 0.500; 1.00; 1.250 mm) durchgeführt werden [1.27].
1.5.2.2Luftstrahlsieb
Bei feineren Schroten (Pulverschrot) ist mit dem Luftstrahlsieb (Einzelsiebung) zu arbeiten. Im Gegensatz zum Siebturm besteht hier keine Gefahr der Maschenverlegung (adhäsive Kräfte) durch den Feinanteil (< 125 μm) und der Agglomeration der Partikeln untereinander. Die Siebung erfolgt jeweils nur mit einem Sieb, auf welches das Material aufgegeben wird. Das Sieb wird mit einem abdichtenden Deckel verschlossen (Abb. 1.27). Ein kreisender Luftstrom (rotierende Schlitzdüse) durchmischt das Gut von unten. Gleichzeitig wird die Luft des Siebgutraums über ein Sauggebläse angesaugt und nimmt hierbei das Material mit, das feiner als die Maschenweite ist. Der Rückstand auf dem Sieb wird gewogen. Man beginnt mit dem Sieb kleinster Maschenweite. Nach einer in Vorversuchen bestimmten Siebzeit wird der Durchgang mittels Differenzwägung bestimmt. Der jeweilige Rückstand wird auf das Sieb mit der nächstgrößeren Maschenweite überführt.
Abb. 1.27:Luftstrahlsieb, Firma Alpine [1.28]
1.5.2.3Laserbeugungsspektrometer (Streulichtmessung)
Wenn eine ebene Lichtwelle (Wellenlänge λ) auf eine kugelförmige Partikel (d, Brechungsindex n) trifft, so tritt z. T. eine Streuung (Beugung, Brechung, Reflexion) der Welle ein. Die oben angeführte Messmethode basiert auf dem optischen Prinzip der Lichtbeugung, wobei der Beugungsanteil in Vorwärtsrichtung (Fraunhofer’sche Beugung) erfasst wird. Dabei verursachen kleine Partikeln einen breiten Beugungswinkel mit geringer Intensität, während große Partikeln das Licht in einem kleinen Winkel mit hoher Intensität beugen (Abb. 1.28). Der Messvorgang besteht darin, dass die pulverförmige Probe in den Luftstrahl gebracht, dort dispergiert und mittels einer Düse senkrecht zur optischen Achse des Systems durch den Strahlengang des Lasers geleitet wird. Die Sammellinse bündelt die durch die Partikeln entstehenden Beugungsspektren und bildet sie auf den in der Brennebene angeordneten Multielementdetektor ab. Aus der am Detektor aufgenommenen Intensitätsverteilung kann über komplexe mathematische Verfahren auf die Partikelgrößenverteilung geschlossen werden. Je nach Einstellung der Brennweite ergibt sich ein Messbereich von 0,5–1750 μm.
Abb. 1.28:Messprinzip der Laserbeugung
1.5.2.4Bildanalyse
Um Bilder mit Computersystemen verarbeiten zu können, müssen sie in Datenformate umgesetzt werden. Diesen Vorgang nennt man Digitalisierung. Das Objekt oder eine mikroskopische Vergrößerung davon wird als Bild durch eine CCD-Kamera erfasst. Das digitale Bild ist aus sehr vielen Bildelementen, den Pixeln aufgebaut, wobei jedem Pixel eine Farbtiefe bzw. ein Grauwert zugeordnet wird. Mittels Bildanalysesoftware wird eine pixelweise Umwandlung des Grauwertebilds in ein Schwarz-Weiß-Bild (Binärbild) durch eine eingestellte Grauwertschwelle vorgenommen. Die Rasterflächen werden somit in Schwarz (= 0) oder Weiß (= 1) dargestellt. Damit ergeben sich eindeutig einzelne, erkennbare Objekte. Wichtig ist die Unterscheidung zwischen den Einzelpartikeln und die Differenzierbarkeit der Partikel gegenüber dem Hintergrund. Dazu werden Helligkeit und Kontrast vor dem Binarisieren mittels der Software überarbeitet. Als Messgrößen werden Fläche, Umfang, Durchmesser etc. ausgewertet.
1.6ZERKLEINERUNG DES MALZES
1.6.1AUFGABEN
Dem Prozessschritt des Schrotens kommt im Rahmen der Würzebereitung eine wichtige Funktion zu, wobei zwei völlig konträren Zielen Rechnung getragen werden muss.
Zum einen soll das Malz so zerkleinert werden, dass die physikalischen und chemisch-biologischen Vorgänge beim Maischen optimal ablaufen. Angestrebt werden die schnelle Lösung und vollständige Umsetzung der Malzinhaltsstoffe. Ziel des Maischens ist es, maximalen Extrakt bei technologisch idealer Würzezusammensetzung für den angestrebten Biertyp zu erhalten. Eine optimierte Schrotqualität bewirkt kürzere Verzuckerungszeiten, höhere Endvergärungsgrade, geringere Treberverluste (= höhere Ausbeute) und eine verbesserte Jodnormalität der Würzen. Weiterhin können die üblichen Schwankungen der Malzqualität bis zu einem gewissen Maß ausgeglichen werden.
Zum anderen muss der nachfolgenden Trenntechnik Rechnung getragen werden. Man will eine schnellstmögliche Abtrennung der Festbestandteile bei optimaler Ausbeute. Hierbei müssen die existierenden Trennsysteme differenziert betrachtet werden:
Bei Läuterbottichbetrieb ist die Ausbildung einer Filterschicht notwendig, die es ermöglicht, Vorderwürze und Nachgüsse bei optimaler Ausbeute in weniger als zwei Stunden zu gewinnen. Die Spelzen sind innerhalb der Treber für die Ausbildung einer lockeren, gut durchlässigen Treberschicht verantwortlich. Je feiner die Vermahlung der Spelzen ist, um so weniger durchlässig wird die Treberschicht. Dies ist vor allem bei Hochleistungsbottichen (bis 14 Sude pro 24 h) von größter Bedeutung. Grundvoraussetzung hierfür ist der Erhalt der Spelzenfraktion mit einem Anteil von ca. 18 bis 25 % (Tab. 1.4). Von Belang sind also nicht nur die puren Spelzen, sondern auch ein bestimmter Prozentsatz an Grießen, die als “Distanzstücke” fungieren [1.15]. Erhaltene und gut ausgemahlene Spelzen ergeben ein hohes Spelzenvolumen (Soll > 700 ml/100 g). Der Pudermehlanteil ist auch eine wichtige Fraktion der Schrotsortierung. Die weitgehende Vermahlung des Mehlkörpers des Malzes ist zwar für die enzymatische Angreifbarkeit während des Maischens förderlich, die Durchlässigkeit der Treberschicht wird jedoch stark herabgesetzt. Bei zu feinem Schrot besteht insgesamt die Gefahr einer unvollständigen oder zumindest erschwerten Auswaschung. Daraus folgt, dass mit sinkendem Spelzenanteil die Aufhacktechnik optimiert bzw. ein alternatives Trennverfahren zum Läuterbottich zum Einsatz kommt wie beim klassischen Maischefilterbetrieb (6–8 cm) mit einem tendenziell feineren Schrot mit ca. 11 % Spelzenanteil.
Neuere Maischefilterbauarten (= Dünnschichtfilter 4,5 cm) sind in der Lage, ein mittels Hammermühle hergestelltes Pulverschrot (> 70 % < 150 μm) zu verarbeiten.
Tab. 1.4:Schrotsortierung für verschiedene Läutersysteme [1.29]
*Summe Feingrieß I u. II, ** Summe Grieß- und Pudermehl
1.6.2MALZLÖSUNG
Die Begriffe Malzqualität und Malzlösung stehen in engem Zusammenhang. Per Definition nach Lüers [1.30] liefert die Gesamtheit aller Methoden rückblickend ein Urteil über das Ausmaß der beim Mälzen stattgefundenen Veränderungen und vorausschauend Anhaltspunkte über die Verarbeitbarkeit des Malzes beim Brauprozess. Dies wird unter dem Begriff „Auflösungsgrad“ zusammengefasst. Die elementaren Veränderungen des Korns während des Keimprozesses betreffen neben den Wachstumserscheinungen des Blatt- und Wurzelkeims Umsetzungen im Mehlkörper, die durch bestimmte Enzymgruppen den Abbau hochmolekularer Reservestoffe in niedermolekulare Produkte bewirken. Palmer [1.31] stellte anlässlich des EBC-Congresses 1971 den Verlauf der Auflösung im Malzkorn schematisiert dar (Abb. 1.29).
Abb. 1.29:Gekeimtes Gerstenkorn [1.31]
Demnach verläuft die Auflösung vom Keimling parallel zum Schildchen auf der Rückenseite des Korns rascher. Diese Hypothese stellten Brown und Morris bereits 1890 auf [1.32]. Demzufolge ist das Korn unterschiedlich hart und man erhält ungleiche Mahlprodukte. Die Grobgrieße an der Spitze sind enzymarm sowie schwer aufschließbar und stellen beim Schroten einen Widerstand dar. Bei den Feingrießen, die sich bevorzugt in der unteren und z. T. mittleren Kornregion befinden, sind die Zellwände bereits abgebaut. Das bedarf keiner weiteren Zerkleinerung und liefert die Hauptmenge an Extraktbildnern. Sowohl Feingrieße als auch Mehl sind wasserlöslich oder enzymatisch gut angreifbar.
Fazit: Je knapper die Malzlösung ausfällt, desto härter ist das Korn und umso gröber fällt das Schrot aus. Je schlechter die Auflösung, umso wichtiger ist die Schrotbeschaffenheit.
Wird Malz infolge unsachgemäßer Lagerung feucht (6–10 %), so fällt das Schrot gröber aus und die Ausbeuteverluste steigen an. Dieser Negativeffekt kommt bei der Malzkonditionierung nicht zum Tragen, da nur vorwiegend der Wassergehalt der Spelzen erhöht wird.
Rein aus der Empirie äußert sich die Malzauflösung durch mechanische Zerreibbarkeit des Mehlkörpers. Im Lauf der letzten 80 Jahre wurden zahlreiche Methoden entwickelt, um die cytolytischen Vorgänge im Korn möglichst vollständig zu beschreiben [1.33]. Das Ziel, die Cytolyse nur durch eine Analyse zu erfassen, konnte bis heute nicht realisiert werden.
Tab. 1.5:Analysenmethoden zur Beurteilung der Cytolyse
| chemisch | mechanisch | |
| M/S-Differenz | ||
| Friabilimeter (inkl. ganzglasige) | ||
| Viskosität | Blattkeimentwicklung | |
| der Kongresswürzeder 65 °C-Würze | Schnittprobe (Längsschnitt) | |
| ß-Glucan | Härtetest nach Brabender | |
| der Kongresswürzeder 65 °C-Würze | ||
| Färbetest | Schrotsortierung (Prior 1896) | |
| MethylenblauCalcofluor | Pudermehlgehalt (Hartong 1939) Feinanteil über PGV 1994 |
Tabelle 1.5 gibt hierzu einen Methodenüberblick: Der Analyse der Mehl-Schrot-Differenz liegt der Gedanke zugrunde, dass mit zunehmender mechanischer Lösung des Mehlkörpers auch gröbere Schrotanteile infolge der ansteigenden Permeabilität ihren Extrakt ähnlich leicht hergeben wie das Feinmehl. Der Nachteil dieser Methode liegt in ihrem hohen analytischen Fehler. Die Viskosität der Kongresswürze lässt bei gut und sehr gut gelösten Malzen kaum Unterschiede finden. Die klassischen Analysen aus der Kongresswürze zur Charakterisierung der Mehlkörperlösung versagen bei inhomogenen Malzen. Aussagefähiger ist dagegen die in der VZ 65 °-Maische bestimmte Viskosität. Sie spiegelt die Wirkung des ß-Glucansolubilasenkomplexes wider, der die Esterbindung zwischen Eiweiß und Hemicellulose spaltet und damit hochmolekulares ß-Glucan, möglicherweise auch Pentosan [1.34] freisetzt. Demnach treten bei inhomogenen Malzen in der 65-°C-Maische gegenüber der konventionellen Kongresswürze erhöhte ß-Glucangehalte und Viskositätswerte auf. Der Verdacht auf Inhomogenität besteht dann, wenn bei ß-Glucan eine Differenz von > 150 mg/l zur Kongresswürze und bei der Viskosität ein Anstieg um 0,1 mPas vorliegen. Mit dieser geschilderten analytischen Weiterentwicklung kann das Inhomogenitätsproblem eingegrenzt werden. Das isotherme 65-°C-Maischverfahren führt zu einer praxisnäheren Beurteilung neuer Züchtungen und spiegelt die heute angewandten Maischverfahren mit kurzer Maischzeit und höherer Maischtemperatur besser wider. Deshalb und wegen der genaueren Differenzierung cytolytischer Merkmale löst das isotherme 65-°C- Maischverfahren das seit 1907 bestehende Kongressmaischverfahren für die Analytik von hellem Gerstenmalz künftig ab.
Die Schleif- und Färbemethoden (s. Bildanalyse) geben zwar gute Aussagen zur Auflösung und Homogenität, sind aber von der Präparationszeit und Auswertung her sehr aufwendig. Grundlage ist der direkte Nachweis hochmolekularer ß-Glucane im Malzendosperm. Im Kornlängsschnitt werden die ß-Glucane mit einem MG > 10000 D in den ungelösten und teilgelösten Endospermbereichen mit Calcofluor gefärbt, mit Fastgreen gegengefärbt und bei UV-Anregung als Fluoreszens sichtbar gemacht. Die Auswertung erfolgt über CCD-Kamera und Bildanalyse-Software. Über den Anteil des ungelösten (gefärbten) Bereichs zur Gesamtfläche des Malzkorns erfolgt eine Einteilung in die Auflösungsklassen. Ergeben sich Maxima in einzelnen Modifikationsklassen, ist das Malz inhomogen. Aus dieser Auswertung ergibt sich eine Prognose zum Ablauf bei der Würze- und Bierfiltration [1.35]. Ebenso kann zur Beurteilung der Läuterarbeit neben dem ß-Glucan-Gehalt die Analyse des Arabinoxylans (Pentosan) dienen [1.36].
Mit einer weiteren auf dem Einsatz von Calcofluor basierenden Methode ist es möglich, hochmolekulares ß-Glucan mittels Fließ-Injektions-Analyse zu quantifizieren.
In der Praxis ist häufig der Friabilimetertest, der als Screening bei der Malzanlieferung eingesetzt wird, zu finden. Die so ermittelte Mürbigkeit zeigt eine hohe Korrelation mit dem Anteil unterlöster Malze in Mischungen. Andererseits muss ein guter Friabilimeterwert (> 85 %) nicht zwingend eine günstige Viskosität und Mehl-Schrot-Differenz bedingen. Der Brabenderhärteprüfer kann als gedanklicher Vorläufer zum Friabilimeter gewertet werden, da die Kraft gemessen wurde, die nötig war, um vorgebrochenes Schrot weiter zu vermahlen. Nicht unerwähnt bleiben soll die Blattkeimentwicklung, wobei diese nicht parallel zur Auflösung des Malzes verlaufen muss. Auch die Bestimmung der Mehligkeit mittels Längsschnitt reichte allein nicht aus. In Zusammenhang mit der Laserbeugungs-Methode ist der Vorschlag von Prior 1896 hervorzuheben, Malz bei bestimmtem Walzenabstand zu schroten, um aus der Verteilung der einzelnen Schrotsortierungsanteile auf die Mürbigkeit zu schließen. Hartong griff diesen Gedanken 1939 auf und untersuchte die Pudermehlgehalte während der gesamten Keimzeit.
Basierend auf diesen geschilderten technologischen Zusammenhängen wurde untersucht [1.37], wie sich die unterschiedlichen Malzqualitäten auf die Feinfraktion des Schrots auswirken. Die zur Untersuchung herangezogenen Malze unterschiedlicher Lösung wurden durch Variation der Keimungsparameter (Temperatur, Zeit und Feuchte) aus ein und derselben Gerstensorte hergestellt.
Abb. 1.30:PGV von geschroteten Malzen unterschiedlicher Keimtemperatur [1.37]
Stellvertretend ist in Abbildung 1.30 die Partikelgrößenverteilung (PGV) der Malze aus der 12, 15, 18 °C-Keimung (44,5% Feuchte, 6 Tage) mit der zugehörigen Schwankungsbreite (3-fach-Ansatz, P = 95 %) dargestellt. Das Malz aus der 15-°C-Keimung weist, gefolgt vom Malz aus der 12-°C-Keimung, den höchsten Feinanteil auf. Den gängigen Malzanalysedaten entsprechend, ist es als gleichmäßig und gut gelöst zu charakterisieren. Aufgrund der niedrigeren Temperatur fallen die Umsetzungen beim 12-°C-Malz geringer aus. Bei der 18-°C-Keimung beginnt die Lösung zwar schneller und intensiver, doch verläuft sie sehr ungleichmäßig, was einen z. T. überlösten Mehlkörper mit harten, glasigen Spitzen („Lösungsgefälle“) zur Folge hat. Dies geht zu Lasten des Feinanteils. Die vergleichsweise großen Konfidenzintervalle lassen sich mit der Inhomogenität begründen, die aus der hohen Keimtemperatur resultiert. Die Messung erstreckt sich hinunter bis in den Größenbereich der Stärkekörner (5–30 μm).
Insgesamt zeigte sich, dass sich die Maßnahmen, die der Steigerung der Malzhomogenität förderlich sind, in der Partikelgrößenverteilung des Schrots (höherer Feinanteil) niederschlagen und stark inhomogene Malze anhand der geschilderten Methode unterschieden werden können.
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).
2.2.2STOFFÜBERTRAGUNG
Unter der Stoffübertragung versteht man den Transport einer oder mehrerer Komponenten eines Gemisches fluider oder fester Stoffe innerhalb einer Phase oder über Phasengrenzflächen hinweg [2.8-2.11]. Als Stoffdurchgang wird der Stofftransport von einer Phase durch eine Phasengrenze in eine andere Phase bezeichnet. Maßgeblich für die Geschwindigkeit ist das treibende Konzentrationsgefälle. Die Brown’sche Molekularbewegung ist nicht nur die Ursache für die Wärmeleitung, sondern führt aufgrund stochastischer Bewegungen der Moleküle zum Stofftransport. Die Stoffübertragung durch Diffusion beschreibt den Konzentrationsausgleich innerhalb einer Phase durch molekularen Stofftransport in Feststoffen, in ruhenden oder laminar strömenden Fluiden quer zur laminaren Strömung.
 | = | Stoffmengenstrom |
| D | = | Diffusionskoeffizient |
| A | = | Phasengrenzfläche |
 | = | örtlicher Konzentrationsgradient |
Der Diffusionskoeffizient (Diffusionskonstante, Diffusionszahl) hängt vom diffundierenden Stoff, dem ruhenden Stoff, den Konzentrationen, dem Druck und der Temperatur ab.
Abb. 2.6:Stofftransport durch Diffusion
Abb. 2.6 zeigt, wie ein Stoff durch eine ruhende Schicht der Dicke Δx (z. B. Phasengrenzschicht) in x-Richtung übertragen wird.
Der Stoffübergang (konvektiver Stofftransport) ist als Stoffübertragung zwischen einem bewegten Fluid und einer Phasengrenze oder umgekehrt definiert. Bei freier Konvektion erfolgt die Bewegung des Fluids durch Dichteunterschiede, die aus Temperatur- und/oder Konzentrationsgradienten resultieren. Bei erzwungener Konvektion wird die Strömung durch äußere Kräfte (Pumpen, Rührer etc.) erzeugt.
Der Stofftransport zur Phasengrenzfläche (Abb. 2.7) lautet:
| | = | Stoffstrom |
| D | = | Diffusionskoeffizient |
| ß | = | Stoffübergangszahl |
| A | = | Austauschfläche |
| cM | = | Konzentration im Kern der Strömung |
| cP | = | Konzentration an der Phasengrenze |
| δ | = | Grenzschichtdicke |
Abb. 2.7:Stoffübergang
Der Quotient aus D und δ zu einer Größe zusammengefasst, ergibt den Stoffübergangskoeffizienten β. β ist abhängig von der Strömung, den Stoffwerten (D, ρ, η des Fluids) und der Phasengrenzflächengeometrie. An der Phasengrenze besteht ein laminarer Grenzfilm (Konzentrationsgrenzschicht mit der Dicke δ), in der die Stoffübertragung zur Phasengrenze nicht mehr konvektiv, sondern allein durch Diffusion abläuft (Filmtheorie).
Der Stoffdurchgang zwischen zwei Fluiden (fl./fl.) lässt sich in zwei Phasen unterteilen:
•Stoffübergang vom Kern des Fluids 1 an die Phasengrenzfläche durch Konvektion bzw. Diffusion innerhalb des Grenzfilms auf der Seite des Fluids 1,
•Stoffübergang von der Phasengrenzfläche in den Kern des Fluids 2 durch Diffusion innerhalb des Grenzfilms bzw. Konvektion auf der Seite des Fluids 2.
Die so beschriebene Zweifilmtheorie basiert auf der Filmtheorie von Whitman und Lewis und wurde am Beispiel des Stoffübergangs Gas/Flüssigkeit entwickelt (Abb. 2.8). Es werden hierbei nur die Diffusionswiderstände innerhalb der gas- und flüssigkeitsseitigen Grenzschichten auf beiden Seiten berücksichtigt. Ein Stofftransportwiderstand an der Phasengrenzfläche wird vernachlässigt. An der Grenzfläche stellt sich augenblicklich das thermodynamische Gleichgewicht ein [2.5, 2.11].
Abb. 2.8:Konzentrationsverlauf nach der Zweifilmtheorie
Dimensionslose Kennzahlen der Stoffübertragung sind:
| l = | charakteristische Länge |
In der Maische findet ein Stoffaustausch zwischen fester und flüssiger Phase statt. Ob mit dem intensiven Rühren oder einer höheren Produktfeinheit eine Beschleunigung der biochemischen Abläufe möglich ist, wird unter Pkt. 2.5.2 diskutiert. Durch die enzymatischen Reaktionen werden ständig lösliche Abbauprodukte an die Grenzfläche transportiert, was die Beschreibung des Stoffaustausches noch komplexer macht.
Abb. 2.9:runde Maischbottichpfanne [2.12]
2.3AUSFÜHRUNG VON MAISCHGEFÄSSEN
Das Maischgefäß ist heute in der Regel rund und aus Edelstahl gefertigt. Frühere eckig gebaute Ausführungen (bis Ende der 1970er-Jahre) zur besseren Raumausnutzung konnten sich aufgrund strömungstechnischer Nachteile nicht durchsetzen. Auch eingebaute Kocher erwiesen sich im Hinblick auf die Spelzenschädigung und Fouling als nachteilig [2.13].
Früher wurden die Maischgefäße zur Beheizung mit Heißwasser oder Dampf mit Doppelböden oder aufgeschweißten Halbrohren bzw. Profilstählen ausgerüstet (Abb. 2.9). Die Heizflächen am Gefäßboden bzw. der Zarge waren so ausgelegt, dass die Gesamtmaische mit 1,5 °C/min aufgeheizt werden konnte. Heute sind lasergeschweißte Heiztaschen üblich. Die Heizflächen werden innen zur Produktseite in Form der Templatetechnik (Edelstahlbleche mit kugelförmigen Vertiefungen) angebracht [2.14, 2.15]. Dies hat den Vorteil, dass durch die dünnere Wand, größere Oberfläche (Dimples) und Turbulenzen in Wandnähe ein gleichmäßiger und schneller Wärmedurchgang (Erhöhung des k-Wertes) mit niedrigen Heizmittelvorlauftemperaturen möglich ist. Es kommen Dampftemperaturen von ≤ 120 °C (2 bar) bzw. Heißwassertemperaturen von 96–110 °C zur Anwendung, um eine Überhitzung im wandnahen Bereich zu vermeiden (geringere Grenzflächentemperaturen). Mit Heizraten von 1 °C/min für Malzmaischen und 1,5 °C/min für Rohfruchtmaischen ergeben sich kleinere Heizflächen als bei der oben geschilderten klassischen Ausführung. Der Behälter ist mit 1–2 Heizzonen in der Zarge versehen (Abb.2.10). Die Anordnung der Heizzonen richtet sich dabei nach den angestrebten Maischevolumen aus den Rezepten der Brauerei. Bei Bedarf wird zusätzlich eine Bodenheizzone eingebracht. Außerdem wird durch die Turbulenz das Fouling im Vergleich zu glatten Heizflächen deutlich verringert. Beim Maischsystem Shakesbeer® sind im Gefäß zusätzlich Vibrationsrüttler installiert, die eine Resonanzschwingung in der Maische erzeugen. Die in der Maische enthaltenen Luftbläschen werden ausgetrieben, woraus eine schnellere Durchfeuchtung, ein besserer Kontakt der Maischebestandteile und damit ein gesteigerter Stoffaustausch resultiert [2.16, 2.17, 2.18].
Abb. 2.10:Maischgefäß, System Shakesbeer® [2.19]
In Einzelfällen wird für die Maischeerhitzung eine Direktdampfinjektion vorgenommen [2.20]. Der gereinigte Heizdampf muss den Lebensmittelvorschriften entsprechen. Zu berücksichtigen ist auch, dass der Frischdampf in der Maische kondensiert, was einen Verdünnungseffekt zur Folge hat.
2.4PROZESSPARAMETER - BIERQUALITÄT
Eine wesentliche Aufgabe der Technologie besteht darin, den Brauprozess hinsichtlich der Produktqualität und Wirtschaftlichkeit zu optimieren. Dazu gehört auch, dass bei sich ändernden Rohstoffgegebenheiten durch Eingriff in die Prozessparameter die verschiedenen Qualitätsmerkmale von Zwischen- und Endprodukten nahezu konstant gehalten werden können. Deshalb lautet die Fragestellung, bevor in den folgenden Kapiteln der Einfluss einiger Parameter in der Sudhaustechnologie diskutiert werden soll:
Wie weit muss ein Parameter verändert werden, damit sich das Messergebnis gegenüber dem Vergleich tatsächlich verändert und nicht nur zufällig ist? Bei Betrachtung der einzelnen Prozessschritte in der Brauerei wird offensichtlich, dass es sich vorwiegend um temperatur- und zeitgesteuerte Abläufe handelt. Eine Ausnahme stellt der Abläutervorgang dar, der durch das System, den Rohstoff und das Verfahren festgelegt wird. Die Beurteilung eines Prozesseingriffs nach Änderung eines entsprechenden Parameters, z. B. Temperatur, Zeit, pH-Wert, kann nur über Messungen, sprich Analysen, erfolgen. Beispielsweise wird aus biochemischen Gesetzen das aufgezeichnete Verhalten (Abb. 2.11) eines Merkmals in Abhängigkeit eines bestimmten Parameters erwartet. Würden die einzelnen Messwerte zu einer Kurve verbunden, so ergäbe sich ein scheinbares Maximum. Wird dagegen um jeden Messwert das Konfidenzintervall (Vertrauensbereich) errichtet, so wird deutlich, dass sich die benachbarten Werte statistisch nicht voneinander unterscheiden lassen, da sich die Konfidenzintervalle überschneiden [2.21, 2.22]. Denn der wahre Wert zu jedem Messwert liegt mit einer vorzugebenden Sicherheit P irgendwo in dem Vertrauensbereich und kein Punkt des Intervalls kann bevorzugt werden. Unter der Voraussetzung, dass die Messwerte normal verteilt sind, gilt folgende Gleichung:
| μ | = | wahrer Wert |
 | = | Mittelwert der Messwerte |
| z | = | tabellierte Kenngröße aus der Normalverteilung |
| o’ | = | wahre Streuung |
| n | = | Anzahl der Messwerte |
| a | = | Konfidenzintervall |
Abb. 2.11:Beispielhafte Abhängigkeit des Messwerts vom Reaktionsparameter unter Einbeziehung der Konfidenzintervalle
Mit diesen Voraussetzungen kann in dem aufgeführten Beispiel ein Maximum nicht mehr statistisch nachgewiesen werden.
Abb. 2.12:Normalverteilung von Messwerten um den wahren Wert μ [2.23]
Die Zufallsvariable sei normalverteilt. Die Ergebnisse von Analysen schwanken bekanntlich immer. Sie schwanken um den wahren Wert μ. Analysiert man unendlich viele Proben (z. B. Bitterstoffe in 1 Liter Würze) und trägt die Ergebnisse und ihre Häufigkeit auf, so erhält man näherungsweise eine Normalverteilung (Abb. 2.12). Die Normalverteilung ist symmetrisch bezüglich des wahren Wertes μ, der auch als Mittelwert der Grundgesamtheit bezeichnet wird. Die Kurve hat an der Stelle des wahren Wertes ein Maximum. Die Standardabweichung σ ist ein Maß für die Streuung der Ergebnisse. Sie wird durch den Abstand der Wendepunkte der Häufigkeitskurve charakterisiert. σ muss nach DIN ISO 5725 [2.24] für das eigene Labor ermittelt werden. Je nach Größe des Intervalls liegt ein zufälliger Messwert × mit bestimmter Wahrscheinlichkeit in diesem Bereich. So wird zum Beispiel eine Fläche von 95 % durch ein Intervall der Größe μ ± 1.96 · σ charakterisiert. Wird statt einer Messung aus n Messungen ein Mittelwert aus zwei zufällig herausgegriffenen Werten gebildet, die Mittelwerte und ihre Häufigkeit wieder aufgetragen, so werden die Verteilungen enger, da die Messwerte, die weit vom wahren Wert entfernt sind, durch andere Werte bei der Mittelwertbildung ausgeglichen werden. Zusammenfassend ist festzustellen, dass es keine Verteilung der wahren Werte gibt. Der wahre Wert ist ein fester Wert, um den die Messwerte schwanken. Der Wert liegt mit der Wahrscheinlickeit P irgendwo im Vertrauensbereich a. Kein Punkt des Intervalls ist bevorzugt.
Ist das σ des Prüflabors nicht bekannt, so muss es mit den jeweiligen Versuchswerten (n ≥ 3) über die Standardabweichung s abgeschätzt werden.
| t | = | tabellierte Kenngröße aus der Student-Verteilung |
Die Erfahrung in der Technologie hat gezeigt, dass bestimmte biochemische Reaktionen auch bei minimalen Parameteränderungen ablaufen. Nur ist die vorhandene Analytik nicht immer dazu geeignet, diese Unterschiede zu dokumentieren, da der Analysenfehler zu groß ist.
Ein anschauliches Beispiel ist der koagulierbare Stickstoff, der als eines der Kriterien zur Beurteilung des Würzekochprozesses gilt und Bestandteil der Garantievereinbarungen bei der Sudhausabnahme ist. Als Richtwert werden 1,5–3,0 mg/100 ml in der heißen Ausschlagwürze (auf 12 GG % ber.) nach MEBAK-Richtlinien [2.25] genannt. Der Vorgang der Eiweißausscheidung kann mit einer Reaktion erster Ordnung beschrieben werden (Kap. 6). Die Ausfällungsrate hängt aber, wenn man die Kochsysteme verschiedener Brauereien vergleicht, nicht nur von der Temperatur und Zeit, sondern auch von der Würzebeschaffenheit (Malz, Sauerstoff, pH-Wert) und noch unbekannten Faktoren ab. In Abbildung 2.13 ist die Eiweißkoagulation in Abhängigkeit der Kochzeit bei einer konventionellen Kochung dargestellt [2.26]. Demnach resultiert aus einer 30-minütigen Kochzeitverlängerung (z. B. von 30 auf 60 min) noch kein statistisch abgesicherter Unterschied mit dem hohen σ (0,29 mg/100 ml). Zur Beurteilung der Eiweißkoagulation existiert leider keine alternative Analysenmethode.
Abb. 2.13:Abnahme des koagulierbaren N während einer konventionellen Kochung
Eine Lösung dieser Problematik kann nur dadurch gefunden werden, dass man die Schwankungsbreite durch Mehrfachversuche verringert.
Als Beispiel für eine hoch empfindliche und gut reproduzierbare Analysenmethode kann die DMS-P/DMS-Bestimmung angeführt werden.
Zu den unabdingbaren Voraussetzungen für eine optimale Würzekochung zählen neben der Eiweißkoagulation die weitgehende Spaltung des DMS-Precursors und die anschließende Ausdampfung des entstandenen freien DMS. Denn das Niveau an freiem DMS im Bier (Schwellenwert < 100 μg/l bei Allmalzbieren, < 50 μg/l bei Rohfruchtbieren) ist durch den DMS-Gehalt der Anstellwürze festgelegt. Als Haupteinflussgrößen der Spaltung sind zu nennen: Anfangskonzentration an DMS-P, Temperatur, Zeit und pH-Wert. Die Precursorspaltung verläuft bei konstanter Temperatur nach einer Reaktion erster Ordnung [2.27] (Kap. 6). Durch Veränderung der Kochverfahren (Einbau von Innen- oder Außenkochern) wurden im Hinblick auf die Erhaltung des Bierschaums die Kochzeiten drastisch verkürzt. Kochzeiten von 60–65 min, in Einzelfällen darunter, sind häufig anzutreffen. Damit können zwar befriedigende Schaumzahlen erreicht werden, jedoch besteht die Gefahr, dass die daraus resultierenden Biere ein DMS-Off-Flavour aufweisen. Also bleibt technologisch keine andere Wahl, als die Kochzeit zu verlängern bzw. auch Malze mit einem DMS-P-Gehalt < 5000 ppb einzusetzen. In Abbildung 2.14 sind die Mittelwerte der DMS-P-Gehalte mit ihrer Schwankungsbreite über der Kochzeit aufgetragen. Infolge des geringen Analysenfehlers fallen die Konfidenzintervalle ab 150 ppb so gering aus, dass sie symbolisch nicht mehr dargestellt werden können. Im vorliegenden Beispiel bewirkt eine Kochzeitverlängerung von 5 min eine tatsächliche Abnahme des DMS-P-Werts.
Abb. 2.14:DMS-P-Zerfall während der Kochung
2.5REAKTIONSKINETIK
2.5.1GRUNDLAGEN
Der Maischvorgang führt den beim Mälzen stattgefundenen Auflösungsprozess bis zu dem gewünschten Maß weiter. Die Malzinhaltsstoffe werden zunächst aus dem Schrot gelöst. Anschließend bauen die vorhandenen Enzyme die hochmolekularen Substanzen wie Stärke, Eiweiß, Stütz- und Gerüstsubstanzen in niedermolekulare Substanzen ab. Zur kinetischen Beschreibung wird der Abbau oder die Bildung einer Substanz in Abhängigkeit von der Temperatur über der Zeit erfasst. Als Maß für den zeitlichen Ablauf einer Reaktion dient die Reaktionsgeschwindigkeit:
Die in der Zeiteinheit dt sich umsetzende Stoffmenge dC ist einer Geschwindigkeitskonstanten kn und der zu einer beliebigen Zeit vorliegenden Konzentration des noch nicht umgesetzten Stoffs C proportional. Allgemeiner Ansatz (n-ter Ordnung) für den Abbau einer Substanz ist:
| kn | = | Geschwindigkeitskonstante |
Entsprechend der Zahl der reagierenden Stoffe und der Konzentration erfolgt eine Unterteilung in Reaktionsordnungen (Abb. 2.15). Der Abbau bzw. die Neubildung von Inhaltsstoffen folgt in den meisten Fällen einer Reaktion erster Ordnung.
Abb. 2.15:Klassifizierung der Reaktionen [2.28]
Die Konstanten kn sind temperaturabhängige Geschwindigkeitskonstanten der betreffenden Reaktion. Ihre Temperaturabhängigkeit ist nach Arrhenius wie folgt formuliert:
| k0 | = | Frequenzfaktor |
| Ea | = | Aktivierungsenergie |
| R | = | universelle Gaskonstante |
| T | = | absolute Temperatur |
Abb. 2.16:Arrheniusdiagramm
Bei logarithmischer Auftragung der k-Werte über dem Kehrwert der absoluten Temperatur, erhält man eine Gerade mit der Steigung –Ea/R. Somit kann die Aktivierungsenergie Ea bzw. der Frequenzfaktor k0 bei 1/T=0 ermittelt werden (Abb. 2.16).
2.5.2UNTERSUCHUNGEN ZUR ZEITOPTIMIERUNG VON MAISCHVERFAHREN
Bei der Würzebereitung nimmt das Maischen eine zentrale Rolle ein. Hierunter versteht man das Lösen der Malzinhaltsstoffe bzw. den Abbau hochmolekularer Substanzen in eine niedermolekulare wasserlösliche Form durch die malzeigenen Enzyme. Zur Steuerung der Umsetzungen stehen die Parameter Zeit, Temperatur und in geringerem Umfang Wasserstoffionenkonzentration und Feinheit des Schrots zur Verfügung. Durch die Wahl des Maischverfahrens (= Temperatur-Zeit-Verlauf) hat der Bierbrauer die Möglichkeit, den Biertyp zu beeinflussen bzw. schwankende Rohstoffqualitäten auszugleichen.
Die heute angewandten Maischverfahren beruhen weitgehend auf Empirie; sie wurden allerdings durch die Erkenntnisse der beteiligten Enzyme und deren Wirkungsoptima schrittweise verbessert. Die Züchtungsfortschritte der letzten drei Jahrzehnte führten zu homogenen und enzymstarken Malzen. Die heutige Malzqualität ermöglicht eine Anpassung der bestehenden Maischverfahren, was eine Kompatibilität mit den aktuellen Taktzeiten von Läuterbottich und Maischefilter möglich macht. Es stellt sich die Frage, ob die ausgedehnten Rastzeiten beim Maischen überhaupt noch nötig sind, um die gewünschten Stoffumsetzungen herbeizuführen bzw. ob intensive Maischverfahren mit langen Rastzeiten bei bestimmten Temperaturen nicht sogar qualitätsmindernde Auswirkungen (z. B. Verschlechterung des Bierschaums bei zu weit gehendem Eiweißabbau) nach sich ziehen.
Bisherige Arbeiten beschränken sich weitgehend auf die Anfangs- und Endzustände von Rasten bei vorgegebenen Maischverfahren. Zur Entwicklung der Technologie des Maischens haben folgende Arbeiten maßgeblich beigetragen:
•Windisch, Kolbach und Schild untersuchten 1932 den Einfluss der Maischparameter auf den Stärkeabbau anhand des Gesamt- und des vergärbaren Extrakts [2.29],
•Narziß [2.30] gab 1972 basierend auf Arbeiten von Heißinger und Durgun einen ausführlichen Überblick über die Wirkung hydrolytischer Enzyme und deren Abbauprodukte,
•Schur [2.31] erarbeitete 1975 sehr eingehend den Einfluss variierender Maischbedingungen auf die Amylolyse,
•Windisch et al. [2.32] führten 1931 Untersuchungen zum Eiweißabbau mittels Differenzierung der Eiweißabbauprodukte (löslicher Stickstoff, Formol-Stickstoff) durch,
•Jones and Pierce [2.33] entwickelten 1963 eine Methode, um das Verhalten von freien Aminosäuren während des Maischens verfolgen zu können.
Tab. 2.1:Erkenntnisse in der Technologie des Maischens
| Verfasser | Jahr | Thema |
| Windisch, W., Kolbach, P., Schild, E. | 1932 | Über den Stärkeabbau beim Maischen |
| Narziß, L. et al. | 1972 | Neue Erkenntnisse über Theorie und Praxis des Maischens |
| Schur, F. | 1975 | Untersuchungen zur Amylolyse |
| Windisch, W., Kolbach, P., Schild, E. | 1931 | Über den Eiweißabbau beim Maischen |
| Jones, M., Pierce, J. | 1963 | Quantifizierung von freien Aminosäuren während des Mälzens und Maischens |
| Visuri, K., Mikola, J., Enari, T.M. | 1969 | Isolierung und Charakterisierung der Carboxypeptidase aus der Gerste |
| Lintz, B., Narziß, L. | 1975 | Über das Verhalten eiweißabbauender Enzyme beim Maischen |
| Preece, I. A., Mackenzie, K. G. | 1952 | Untersuchungen über die Zusammensetzung von β-Glucan in Gerste |
| Schuster, K., Narziß, L., Kumada, J. | 1967 | Untersuchungen zum Verhalten der Gummistoffe während der Malz- und Bierbereitung |
| Erdal, K., Gjertsen, P. | 1967 | β-Glucan wurde in Malz nachgewiesen. ß-Glucane werden erst gelöst, wenn die Stärke verkleistert ist. |
| Litzenburger, K., Narziß, L. | 1977 | Weiterführende Untersuchungen zum Verhalten der Gummistoffe und der cytolytischen Enzyme während des Mälzens und Maischens |
•Visuri, Mikola und Enari [2.34] publizierten 1969, dass die Carboxypeptidase 80 % der beim Maischen gebildeten Aminosäuren freisetzt,
•Lintz und Narziß [2.35] bestimmten 1975 die optimalen Aktivitäten für eiweißabbauende Enzyme unter Berücksichtigung von Temperatur, pH-Wert, Zeit und Ionen (Brauwasser) beim Maischen,
•Preece [2.36] gelang es 1952, die Gummistoffe über Ammonsulfatfällung in Gerste zu fraktionieren,
•Erdal und Gjertsen [2.37] stellten 1967 eine Methode zur ß-Glucanbestimmung in Malz und Würze vor und stellten die Hypothese auf, dass der ß-Glucananstieg beim Maischen mit der Verkleisterung der Stärke zusammenhängt,
•Kumada [2.38] und später Litzenburger [2.39] bedienten sich dieser Methoden, um die Gummistoffe im Bierbereitungsprozess zu charakterisieren,
•Bamforth [2.40] stellte die Hypothese auf, dass der ß-Glucananstieg durch das enzymatische Freisetzen von ß-Glucan aus den Zellwänden bei ca. 60 °C mittels der ß-Glucansolubilase verursacht wird.
Die Aussagen über reaktionskinetische Vorgänge sind nur sehr unvollständig. Aus diesem Grund kamen in den folgenden Studien [2.41, 2.42] die wichtigsten Stoffumsetzungen, wie Stärke-, Eiweiß- und ß-Glucanabbau in Abhängigkeit von Temperatur und Zeit reaktionskinetisch umfassend zur Untersuchung. Weitere Parameter waren unterschiedliche Malzqualitäten (gg = gutgelöst, sg = schlechtgelöst; Tab. 2.2) und verschieden feine Schrote (Abb. 2.17).
Tab. 2.2:Malzanalysendaten
| Pilsener Malz | Schlecht gelöst | Gut gelöst |
| Extrakt wfr. (%) | 79,1 | 81,6 |
| pH-Wert | 5,93 | 5,88 |
| Farbe (EBC) | 2,6 | 3,0 |
| Kochfarbe (EBC) | 4,5 | 4,3 |
| MS-Diff. (%) | 8,1 | 1,5 |
| Friabilimeter (%) | 56,8 | 90,4 |
| Viskosität (mPas) | 1,91 | 1,48 |
| Lösl. N (mg/100g) | 595 | 748 |
| ELG (%) | 33,1 | 42,5 |
| FAN (mg/100g) | 128 | 139 |
| VZ 45 °C (%) | 23,6 | 38,5 |
| ß-Glucan (mg/l) | 1225 | 174 |
Abb. 2.17:Partikelgrößenverteilung der eingesetzten Schrote
2.5.2.1Stärkeabbau
Der Stärkeabbau ist der wichtigste enzymatische Vorgang beim Maischen. Hierbei muss die unlösliche Malzstärke in lösliche Form übergeführt und bis zu einem definierten Maß abgebaut werden (s. Jodnormalität, Endvergärungsgrad des angestrebten Biertyps). Als erstes müssen Stütz- und Gerüstsubstanzen und Eiweiße abgebaut werden, damit die Stärkekörner frei zugänglich sind (Bimodale Verteilung: Großkörner 25 μm, Kleinkörner 5 μm). Hauptbestandteile der Stärkekörner sind die α-Glucane Amylose (Glucoseeinheiten in α-1,4-Bindung) und Amylopektin (Glucoseeinheiten in α-1,4-u. α-1,6-Bindung).
Abb. 2.18:Aufbau des Stärkekorns [2.43]
Die Anordnung des Amylopektins im Stärkekorn führt zu der typischen Ringbildung bestehend aus amorphen und semikristallinen Schichten. Seine molekulare Struktur setzt sich aus kristallinen Clustern (Lamellen) von Doppelhelices zusammen (Abb. 2.18), die aus Glucoseeinheiten aufgebaut sind.
Nach dem enzymatischen Freilegen (Cytolyse, Proteolyse) der Stärkekörner erfolgen dann ein Quellen, Verkleistern und durch die Enzyme die Verflüssigung und der Angriff. Die ablaufenden Mechanismen sind bis heute nicht vollständig geklärt [2.44, 2.45]. Bekannt ist, dass bei der Verkleisterung das Stärkekorn Wasser aufnimmt, was im Bereich von 50 bis 65 °C zu einer stärkeren Quellung (amorphe Bereiche) führt. Mit zunehmender Temperatur schmelzen die kristallinen Bereiche und die Körner verlieren ihre Form. Abb 2.19 dokumentiert fotografisch die Veränderung des Stärkekorns während eines Infusionsmaischverfahrens [2.46].
Abb. 2.19:Morphologische Veränderung des suspendierten Stärkekorns [2.46]
Die Amylose geht kolloidal über, das Amylopektin ist für die Verkleisterung verantwortlich. Erst mit dem Verkleistern können die Stärkepolymere enzymatisch hydrolysiert werden. Bei mangelnder Verkleisterung können sich durch einen niedrigen Endvergärungsgrad, Jodreaktionen, Kleistertrübung und Filtrationsprobleme (α-Glucane) Qualitätseinbußen einstellen. Als Einflussfaktoren auf das Verkleisterungsverhalten werden der Lipidgehalt und das Verhältnis aus großen und kleinen Stärkekörnern genannt [2.44]. In extremen Gerstenjahrgängen kann sich die Verkleisterungstemperatur nach oben verschieben (bis ca. 67 °C), was eine technologische Korrektur erfordert.
Reaktionskinetische Untersuchungen zeigen, dass die Maltosebildung während der 65 °C-Rast bei einem Feinschrot aus gut gelöstem Malz nach 10 bis 20 min abgeschlossen ist (Abb. 2.20). Auch Schur [2.47, 2.48] stellte fest, dass innerhalb der Aufheizzeit von 50 °C auf 65 °C in 15 min die größte Menge an Maltose gebildet wird und sich während der eigentlichen Rast bei 65 °C nur noch geringfügige Mengen an Maltose bilden. Ein Grund dafür wurde in der kompetitiven Hemmung der ß-Amylase durch die bereits vorliegende Maltose gesehen.
Abb. 2.20:Maltosebildung, 65 °C isotherm [2.41]
Die Reaktionsgeschwindigkeiten für die Maltose- und Extraktbildung sind bei allen vier Versuchen, unabhängig von Schrotfeinheit (FS = Feinschrot, GS = Grobschrot) und Malzlösung (gg = gutgelöst, sg = schlechtgelöst) annähernd gleich (Abb. 2.20). Ebenso ergeben sich keine Unterschiede bei der Maltosebildung zwischen einem gut und einem schlecht gelösten Malz innerhalb des Fein- und des Grobschrots. Die Versuchsergebnisse zeigen, dass die Maltosebildung als Grundlage für die Vergärbarkeit nach 20 bis maximal 30 min abgeschlossen ist. Anscheinend bewirkt ein Überschuss an Enzymen keine zusätzliche Stoffumsetzung, bzw. die Anzahl der im Schrot befindlichen Enzyme reicht bei beiden Malzqualitäten aus, um die reaktiven enzymatisch angreifbaren Stellen vollständig zu belegen. Dies könnte auch der Grund dafür sein, dass beim Feinschrot die Stärkehydrolyse nicht schneller vonstatten geht. Mit den eingesetzten Prallmühlen (Hammermühle, Fächerschlägermühle) bleibt die Struktur der Stärkekörner (5–30 μm) erhalten und somit wird auch die Anzahl der reaktiven Stellen nicht erhöht [2.49]. Damit hat auch die Schrotung keinen Einfluss auf die vorhandene Verkleisterungstemperatur [2.44, 2.45].
Unter dem Aspekt eines forcierten Abbaus der Malzinhaltsstoffe (Zellwände) und eines tatsächlichen Angriffs der Stärkekörner ist der Einsatz des Dispax-Reactors® zu diskutieren. Verglichen wurden isotherme Maischen aus Pulverschrot (Prallmühle = Fächerschlägermühle) mit Dispaxmaischen [2.50]. Bezüglich des Stärkeabbaus ist kein signifikanter Unterschied zwischen beiden Zerkleinerungstechniken ersichtlich. Wie schon erwähnt, ist der Umsatz innerhalb der ersten 10 min am stärksten. Die deckungsgleichen Extraktverläufe lassen keinen gesteigerten Abbau der hochmolekularen Stärke bei der Dispergiertechnik erkennen. Bei unterschiedlich gelösten Malzen ist die Extraktbildung (Abb. 2.21) in beiden Fällen gut, verläuft, wie es aus den reaktionskinetischen Ergebnissen zu erwarten ist und führt zu verkürzten Maischzeiten. Schon die Dissertation von Einsiedler [2.41] s.o. zeigte, dass die Maltosebildung von der Malzlösung weitgehend unabhängig ist.
Abb. 2.21:Dispaxmaischen, 65 °C isotherm, Extraktbildung [2.50]
Die elektronenmikroskopischen Aufnahmen (Abb. 2.22) belegen sehr anschaulich, dass nach der Zerkleinerung des Malzes über den Dispax beim gut gelösten Malz die Zellwände in kleinen Fetzen vorliegen und die Stärkekörner (5–30 μm) frei zugänglich, aber trotz der angewendeten Zerkleinerungstechnik intakt vorliegen.
Abb. 2.22:REM-Aufnahme, gut gelöstes Malz, dispergiert
Nur der Einsatz einer Rührwerkskugelmühle führt zu einer Zerkleinerung der Stärkekörner. Diese Technik, die für den Brauereibetrieb allerdings nicht praktikabel ist, bewirkt einen Angriff der Stärkekornstruktur (Abb. 2.23) und eine Ausbeuteerhöhung.
Abb. 2.23:REM-Aufnahmen von Stärke vor (oben) und nach der Zerkleinerung (unten) mit der Rührwerkskugelmühle [2.51]
Brautechnologisch besteht die Eingriffsmöglichkeit darin, dass man niedriger einmaischt, dadurch Bestandteile der Stütz- und Gerüstsubstanzen wie Hemicellulosen, Lipide und Proteine freisetzt, somit die Quellung und Verkleisterung einleitet und hierdurch in einem gewissen Maße die enzymatischen Umsetzungen fördert.
Die Modellierung des Stärkeabbaus basiert auf der Vorstellung des Flüssig-Flüssig-Modells (Abb. 2.24), das in seiner Funktionsweise einem Schwamm gleicht. Das Schrot stellt die Schwammstruktur dar. Das Wasser lagert sich in die Hohlräume der Schrotpartikeln ein. Die Inhaltsbestandteile des Schrots lösen sich in dem Wasservolumen und somit liegt eine bestimmte Anfangskonzentration c0i des Stoffes i zum Zeitpunkt t=0 vor.
Abb. 2.24:Bildhafte Darstellung der Modellidee [2.52]
Durch das Konzentrationsgefälle in der Partikel und dem äußeren Wasser (später Würze) beginnt die Diffusion von Inhaltsbestandteilen von der Phasengrenzschicht in das äußere Wasservolumen, in welchem Konvektion herrscht, bis die Konzentrationen innen und außen den gleichen Betrag erreicht haben (Abb. 2.24).
Zur mathematischen Beschreibung werden Differentialgleichungen verwendet, die die Diffusionsvorgänge, die Massenbilanz und die Temperaturabhängigkeit berücksichtigen [2.52].
Abb. 2.25 zeigt beispielhaft den Vergleich zwischen Messung (Symbole) und Simulation (Kurvenverlauf) bei Verwendung eines Temperatur-Zeit-Profils. Mithilfe der entwickelten Modelle für den Stärke-, ß-Glucan- und Eiweißabbau ist eine Vorhersage des Umsetzungsverlaufs bei vorgegebenem Temperatur-Zeit-Profil möglich. Allerdings sind im Rahmen der Standardmalzanalyse zusätzliche Messungen (z. B. Anfangsgehalt Stärke, Zucker, Enzyme) erforderlich. Bei den einzusetzenden Modellkonstanten ist zwischen den universell einsetzbaren wie Aktivierungsenergie, Diffusionskoeffizient und Proportionalitätsfaktor, die nur einmal ermittelt werden müssen, und den spezifischen wie Frequenzfaktor, Geschwindigkeitskonstante und Verkleisterungstemperatur zu unterscheiden. Diese sind vom jeweils eingesetzten Rohstoff abhängig und müssten über einen längeren Zeitraum beobachtet werden. Des Weiteren ist der Soll-Ist-Zustand der Maische über weiter entwickelte Online-Messysteme zu kontrollieren.
Abb. 2.25:Modellvalidierung [2.52]
Wir kommen zur Frage der Maischzeitverkürzung zurück: In der Praxis beansprucht die 65 °C-Rast bei Dekoktionsverfahren im günstigsten Fall rund 60 min. Es muss zwangsläufig zur Diskussion gestellt werden, ob aus dieser aus technologischer Sicht unnötig langen Rast Nachteile für die Würzezusammensetzung (s. Eiweißfraktionen) resultieren. So konnte bereits Barth [2.53] nachweisen, dass längere Rasten bei 65 °C zu einem Abbau der hochmolekularen Fraktion (10000–60000 Dalton) und der Glycoproteide führen. Andererseits zeigte sich, dass bei höheren Temperaturen ≥ 70 °C die Lösung der Glycoproteide gefördert wird, ohne dass ein Abbau stattfindet.
2.5.2.2Eiweißabbau
Die Eiweißstoffe im Malz bestehen aus einem Gemisch unterschiedlicher stickstoffhaltiger Gruppen. Die genuinen Eiweiße (Albumine, Globuline, Prolamine, Gluteline) werden zu wasserlöslichen Peptiden abgebaut. Sie tragen zur Vollmundigkeit bei, beeinflussen den Bierschaum, sind beteiligt bei Farbreaktionen, sind essentiell für den Hefestoffwechsel (Leucin, Isoleucin, Valin), können aber auch zu Abscheidungsproblemen und mangelnder Stabilität führen. Die Lösung der Stickstoffsubstanzen verläuft während der Keimung wesentlich intensiver als der Stärkeabbau. Dies spiegelt sich in der Relation Mälzen/Maischen 1:0,6 bis 1,0 beim Eiweißabbau wider. Die Eiweißlösung ist infolgedessen durch die Malzqualität vorgegeben. Selbst mit hohen Einmaischtemperaturen gelingt es nicht, den Eiweißabbau unter einen bestimmten Wert zu bringen [2.54]. Insgesamt sind beim Maischen nur begrenzte Korrekturen möglich.
Abb. 2.26:Bildung der Aminosäuren, 50 °C isotherm [2.41]
Der Eiweißabbau bezüglich der Aminosäurenbildung wird deutlich durch die Schrotfeinheit beeinflusst (Abb. 2.26). Dies könnte auch der Grund sein, weshalb sich beim Maischen von Mehl und Schrot eine Differenz im Extrakt ergibt. Hier werden nicht nur Zucker, sondern auch Eiweißstoffe und Glucane erfasst. Des Weiteren übt die Malzlösung Einfluss aus. Bei Feinschroten ist die Bildung der Aminosäuren (Summe der einzelnen Aminosäuren mittels HPLC) spätestens nach 20 min abgeschlossen. Die Grobschrote erreichen erst nach 50 min das Niveau der Feinschrote. Allerdings ist nicht bekannt, inwieweit hochmolekulare schaumpositive Proteine bei längeren Rastzeiten als 20 min und einem hierdurch marginal erzielbaren Zuwachs an alpha-Aminostickstoff (FAN) zusätzlich abgebaut werden. Die relativ langsame Nachbildung an niedermolekularem Stickstoff zeigte sich schon bei früheren Untersuchungen [2.55]. Andererseits muss man sich darüber im Klaren sein, dass das Niveau des FAN einen Mindestwert in der Anstellwürze nicht unterschreiten darf. Für eine optimale Hefeernährung werden als Eckwerte 200-250 mg/l FAN (auf 12 GG % ber.) in der Anstellwürze genannt (22 % vom Gesamt-Stickstoff). Verschieden stark gelöste Malze und damit variierende FAN-Gehalte üben einen Einfluss auf die Bildung und Reduktion von 2-Acetolactat (Intermediärstoffwechselprodukt der Valinbiosynthese) bei der Gärung und Reifung aus. Aus einer starken Unterbilanzierung an FAN resultieren bei der Vergärung erhöhte Mengen an Acetohydroxisäuren und dadurch längere Reifungszeiten. Nachbesserung ist hier durch Absenkung der Einmaischtemperatur möglich. Das Niveau des gut gelösten Vergleichsmalzes wird jedoch meist nicht erreicht [2.56].
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