Gresser Mikrofluidmechanik und ihre Bedeutung für die Brauereipraxis

1. Auflage 2022
ISBN: 978-3-418-00931-5
Verlag: CARL, HANS, FACHVERLAG
Format: EPUB
Kopierschutz: 6 - ePub Watermark

E-Book, Deutsch, 160 Seiten

Dieses Handbuch fasst die Vielzahl von Publikationen und Vorträgen aus 40 Jahren Forschung und Entwicklung im Bereich der Strömungstechnik und Mikrofluidmechanik von em. o. Hochschulprofessor Dr.-Ing. Viktor Denk und seinem Nachfolger Prof. Dr.-Ing. habil. Antonio Delgado zusammen. Die zahlreichen Abbildungen, die die technischen Details einfach verdeutlichen sollen, machen dieses kompakte Handbuch zum ultimativen Nachschlagewerk der Mikrofluidmechanik und ihre Bedeutung für die Brauereipraxis, die die Anwendungen der Mikrofluidmechanik weit über die Verfahrenstechnik im Brauprozess hinausgehen. Das Buch wendet sich daher gleichermaßen an die Brautechniker und Brautechnologen sowie an die Techniker der Zulieferer für den Anlagen- und Apparatebau. Aber natürlich richtet sich dieses Buch genauso auch an Studierende und Wissenschaftler der Brau- und Getränkeindustrie. Es steht dabei stets die Optimierung der Qualität und Qualitätskonstanz sowie die Produktsicherheit des Endproduktes Bier im Vordergrund.

August Gresser (Jahrgang 1955) studierte nach der Absolvierung verschiedener Praktika in der Brauwirtschaft an der TUM Weihenstephan - Fakultät für Brauwesen, Lebensmitteltechnologie und Milchwissenschaft. Promotion am Lehrstuhl für Technologie der Brauerei I der TUM bei Prof. Dr. Ludwig Narziß mit Abschluss zur Führung des akademischen Grades eines Doktor-Ingenieurs (Dr.-Ing.) gleichzeitig war er technisch-wissenschaftlicher Assistent am Institut. 1986 wechselte er in die Brauindustrie zunächst als 1. Braumeister der Birra Moretti und anschließend wurde er Cheftechnologe der Gruppe Birra Moretti, Udine. 1991 zog es ihn nach Südtirol in die Brauerei Forst AG, wo er langjähriger Technischer Zentraldirektor war. 2007 machte er sich selbstständig und gründete anschließend die August Gresser & Partner KG | Consulting für die Brau- und Getränkeindustrie. Seit 2011 ist er Geschäftsführer von Slow Brewing - Das Brauen mit Zeit für Geschmack. Diese Wertegemeinschaft gründete er zusammen mit Freunden in München und führt seit 2015 auch das Slow Brewing Institut, das die Zertifizierung des Slow Brewing Gütesiegels für Bier durchführt. Ehrenamtlich ist August Gresser viele Jahre in der MEBAK (Mitteleuropäische Brautechnische Analysenkommission) und im VeW (Verband ehemaliger Weihenstephaner) tätig gewesen und wurde für seine Arbeit in diesen beiden Vereinen in Anerkennung und Würdigung seiner Verdienste auch zum Ehrenmitglied ernannt.

Autoren/Hrsg.

Gresser, August

Leseproben

6SCHONFÖRDERUNG VON HEISSWÜRZE IM SUDHAUS

6.1MAISCHBEHÄLTER (MISCHEN-RÜHREN-MAISCHEN)

6.1.1MISCHEN

Die mechanischen Verfahren zu Stoffvereinigung gliedern sich in die beiden Hauptgruppen Mischen und Kornvergrößerung. Die Gruppe der Mischverfahren besteht aus Rühren, Kneten und Trockenmischen. Diese Mischverfahren dienen z. B. zum Homogenisieren (vergleichsmäßigen), Suspendieren, Emulgieren, Fluidisieren, Dispergieren, Anteigen, Lösen und Sättigen. Zu den Kornvergrößerungsverfahren gehören Sintern, Granulieren, Tablettieren und Bikettieren.

Ziel aller Mischverfahren ist das Vereinigen verschiedenartiger Stoffe zu einem Gemisch mit möglichst vollkommener Gleichverteilung.

6.1.2RÜHREN

Rühren ist ein Verfahren, bei dem Flüssigkeiten miteinander vermischt werden oder gasförmige und feste Stoffe in Flüssigkeiten dispergiert oder gelöst werden.

Physikalisch betrachtet bedeutet das, dass die Mischung der Komponenten beim Rühren durch Strömungskräfte, die in der Rührströmung entstehen, erfolgt. Die Rührströmung wird vom rotierenden Rührorgan erzeugt; Art, Stärke und Richtung der Rührströmung hängen ab von Rührerform, Viskosität der Flüssigkeit und Relativgeschwindigkeit zwischen Rührer und Flüssigkeit.

Man unterscheidet nach Förderrichtung primär axial, radial und tangential fördernde Rührer. Zu den Axialrührern zählen Propeller-, Schrägblatt- und Wendelrührer. Scheibenrührer, Radialschaufelrührer und Impellerrührer fördern radial. Zu den tangentialen Bauarten gehören Anker-, Blatt- und Gitterrührer, vgl. Abbildung 3.

Abb. 3:Wichtige Rührerformen für die mechanischen Verfahren zur Stoffvereinigung

Der Rührer saugt das Mischgut axial an, und zwar die schwereren Komponenten von unten und die leichteren von oben. Das Mischgut wird vom Rührer erfasst, dispergiert und radial oder axial mit großer Energie wieder ausgeschleudert.

Die Maische ist eine Suspension mit turbulenter Rührströmung, die ein Entmischen oder Absetzen unter Schwerkrafteinfluss verhindern soll. Bei der Betrachtung eines kugelförmigen Partikels in einer ruhenden Flüssigkeit im Schwerefeld werden vereinfachende Voraussetzungen getroffen:

• das Partikel der Größe x ist starr,

• die festen Wände sind weit entfernt,

• das Fluid ist inkompressibel und newtonsch.

Auf ein kugelförmiges Partikel wirken im Gravitationsfeld nach der Anlaufphase (instationäre Anfangsphase) drei im Gleichgewicht stehende Kräfte:

• die Auftriebskraft FA,

• die Widerstandskraft FW,

• die Gewichtskraft FG.

Abb. 4:Skizze Kräftegleichgewicht an einem kugelförmigem Einzelpartikel

Dies bedeutet, dass die Beschleunigung der Kugel abgeschlossen ist. Es herrschen stationäre Verhältnisse. Das Partikel besitzt eine stationäre Endfallgeschwindigkeit wf (Sinkgeschwindigkeit), die von der Zähigkeit des Fluids ?, dem Dichteunterschied zwischen Partikel und Fluid (?? = ?s- ?f) und der Partikelgröße x abhängt.

6.1.3MAISCHEN

Die Maische ist im verfahrenstechnischen Sinn ein disperses System. Disperse Systeme bestehen aus der dispersen (disperse Element) 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 (Partikel, Schrot) mit einem hohen Feststoffgehalt von = 25 %.

Im Vorgang des Maischens und Rührens im Brauprozess 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, die Teilchen in Schwebe zu halten, so dass keine Partikel 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 Partikel werden ausgeglichen. Außerdem wird der Wärmeübergang zwischen Wand und Flüssigkeit geschaffen. Es sollen homogene Verhältnisse herrschen.

Nach technologischem Kenntnisstand wird beim Maischerühren eine maximale Umfanggeschwindigkeit von vU = m/s toleriert. Anderenfalls werden Lufteintrag in die Maische und erhöhte Scherkräfte befürchtet.

6.1.4AUSFÜHRUNG VON MAISCHGEFÄSSEN

Aus strömungsmechanischer Sicht werden Maischgefäße heute grundsätzlich rund und aus Edelstahl gefertigt. Die Heizflächen am Gefäßboden bzw. der Zarge müssen so ausgelegt sein, dass die Gesamtmaische mit 1,5 °C/min aufgeheizt werden kann (Vorlauftemperatur ca. 135 °C). Eine Überhitzung im Wandnahen muss vermieden werden. Die Grenzschichtdicke muss gering sein, um hohe Aufheizraten zu realisieren. Lasergeschweißte Heiztaschen sind heute üblich. Stand der Technik ist, die Heizflächen innen zur Produktseite in Form der Templatetechnik (Edelstahlbleche mit kugelförmigen Vertiefungen) zu fertigen. Dies hat den Vorteil, dass durch die größere Oberfläche und durch Turbulenzen in Wandnähe höhere Aufheizraten > 2 °C/min und bei Dampfdrücken von 1,7–2,5 bar niedrigere Heizmittelvorlauftemperaturen (geringere Grenzflächentemperaturen) möglich sind. Außerdem wird durch die Turbulenz das Fouling im Vergleich zu glatten Heizflächen deutlich verringert. Behälter können mehrere Heizzonen in der Zarge haben. Bei Bedarf wird zusätzlich eine Bodenheizzone eingebracht.

Abb. 5:Runde Maischbottichpfanne, KRONES AG, Werk Steinecker Freising

Beim Maischsystem „Shakesbeer“ von Steinecker KRONES sind im Gefäß zusätzlich Vibrationsrüttler installiert, die Frequenzen erzeugen, wobei die in der Maische enthaltenen Gaseinschlüsse ausgetrieben werden, vgl. Abbildung 6.

Abb. 6:Maischgefäß System „Shakesbeer“, KRONES AG, Werk Steinecker Freising

Daraus resultiert ein besserer Kontakt der Maischebestandteile und damit ein gesteigerter Stoff- und Wärmeaustausch.

6.1.5RÜHRERFORMEN UND RÜHRERTYPEN BEIM MAISCHEN

Die durch den Rührer beim Maischen erzeugte Turbulenz soll optimales Suspendieren und Homogenisieren ermöglichen. Bezüglich Wärmeaustausch wird eine schnelle Temperaturverteilung (keine Überhitzung im wandnahen Bereich, kleine Grenzschichtdicke) bei geringer Scherbelastung angestrebt.

Das Rührwerk besteht aus Antrieb, Rührerwelle mit Rührer und Wellendichtung sowie Rührbehälter. Der Behälter kann mit Einbauten, sog. Strombrechern (Bewehrung), ausgestattet sein. Einbauort, Art und Abmessung des Rührers, Rührerform oder Rührertyp sowie die Drehzahl prägen die erzeugte Strömung. Von großer Bedeutung sind die geometrischen Daten von Behälter und eingebautem Rührwerk. Bei der Auslegung eines Rührwerks konstruiert man um das Rührorgan herum und bezieht...

Über Autor(innen)

August Gresser (Jahrgang 1955) studierte nach der Absolvierung verschiedener Praktika in der Brauwirtschaft an der TUM Weihenstephan – Fakultät für Brauwesen, Lebensmitteltechnologie und Milchwissenschaft. Promotion am Lehrstuhl für Technologie der Brauerei I der TUM bei Prof. Dr. Ludwig Narziß mit Abschluss zur Führung des akademischen Grades eines Doktor-Ingenieurs (Dr.-Ing.) gleichzeitig war er technisch-wissenschaftlicher Assistent am Institut. 1986 wechselte er in die Brauindustrie zunächst als 1. Braumeister der Birra Moretti und anschließend wurde er Cheftechnologe der Gruppe Birra Moretti, Udine. 1991 zog es ihn nach Südtirol in die Brauerei Forst AG, wo er langjähriger Technischer Zentraldirektor war. 2007 machte er sich selbstständig und gründete anschließend die August Gresser & Partner KG | Consulting für die Brau- und Getränkeindustrie. Seit 2011 ist er Geschäftsführer von Slow Brewing – Das Brauen mit Zeit für Geschmack. Diese Wertegemeinschaft gründete er zusammen mit Freunden in München und führt seit 2015 auch das Slow Brewing Institut, das die Zertifizierung des Slow Brewing Gütesiegels für Bier durchführt.
Ehrenamtlich ist August Gresser viele Jahre in der MEBAK (Mitteleuropäische Brautechnische Analysenkommission) und im VeW (Verband ehemaliger Weihenstephaner) tätig gewesen und wurde für seine Arbeit in diesen beiden Vereinen in Anerkennung und Würdigung seiner Verdienste auch zum Ehrenmitglied ernannt.