DE19746437B4 - Verfahren und Vorrichtung zum Erwärmen von Maische und/oder Würze - Google Patents

Abstract

Verfahren zum Erwärmen von Maische und/oder Würze (4) bei der Herstellung von Bier, dadurch gekennzeichnet, dass Maische und/oder Würze durch Mikrowellen erwärmt werden.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erwärmen von Maische und /oder Würze.
• Kernstück der Brauerei ist das Sudhaus. Hier wird Malz geschrotet und mit heißem Wasser eingemaischt. Dies geschieht im Maischbottich. Die Malzinhaltsstoffe erfahren hierbei eine enzymatische Umwandlung bei der Polysaccharide zu Mono- und Disacchariden und hochmolekulares Eiweiß zu mittel- und niedermolekularem Stickstoff sowie freien Aminosäuren abgebaut wird.
• Nach dem Läuterprozeß, bei dem feste Bestandteile der Maische, wie z.B. die Spelzen des Malzes, von der flüssigen Phase (würze) getrennt werden, gelangt diese in die Sudpfanne. Hier wird die Würze gekocht. Zweck der Kochung ist es, zunächst die noch aktiven Enzyme zu inaktivieren, damit es nicht zu einem zu weitgehenden Abbau der Kohlenhydrate und der Eiweiße kommt. Ferner werden die vom Malz stammenden Milchsäurebakterien abgetötet und die Würze durch die Kochung sterilisiert. Die wesentliche Aufgabe der Kochung liegt jedoch in einer Reihe von chemischen Umwandlungen.
• Der Gehalt an in der Würze befindlichem Eiweiß wird dadurch reduziert, daß es denaturiert und ausflockt. Dies wird als Bruch bezeichnet, welcher grob sein soll und ein Qualitätsmerkmal der Kochung darstellt. In der Würzeanalytik wird das Eiweiß in verschiedene Fraktionen unterteilt, welche im Bier dann Einfluß auf Gärung, Schaum, Haltbarkeit und Vollmundigkeit haben. Es bestehen Normwerte für diese Fraktionen.
• Eine weitere Aufgabe der Würzekochung besteht in der Spaltung des Dimethylsulfid-Precursors (DMS-P) in freies Dimethylsulfid (DMS) und dessen Ausdampfung. Würde sich nach der Kochung, solange die Würze noch heiß ist, noch zuviel DMS-P in der Würze befinden, so könnte sich freies DMS bilden, welches nun im Whirlpool nicht mehr ausdampfen kann und zu einem Geschmacksfehler im fertigen Bier führen würde.
• Während des Kochprozesses wird der Würze Hopfen zugegeben. Die Kochtemperatur bewirkt eine Umisomerisation der α-Säure zur Iso-α-Säure, den für die Bierbittere maßgeblichen Wertbestandteil. Der Grad der Umwandlung ist abhängig von der Intensität der Kochung und wird als α-Säure-Ausbeute bezeichnet. Dieser Wert ist von technologischer und wirtschaftlicher Bedeutung, da der Hopfen ein teurer Rohstoff ist. Ein weiteres Kriterium der Kochung ist die Verdampfungsziffer. Die Verdampfung führt zum einen zu einer Konzentrierung der Würze auf die gewünschte Stammwürze und zum anderen entfernt der Wasserdampf Bestandteile, wie das freie DMS (Siedepunkt 37°C), aus der Würze.
• Nach der Kochung gelangt die Würze in noch heißem Zustand in den Whirlpool zur Heißtrubentfernung und im Anschluß daran nach der Abkühlung in einem Kühler in den Gärkeller.
• Die Erhitzung von Maische und Würze erfolgt in dampfbeheizten Rohrbündelwärmeüberträgern. Diese Kochsysteme können als Innenkocher in die Sudgefäße eingebaut sein oder als Außenkocher unter Verwendung von Pumpen neben dem Sudgefäß stehen. Bei den Innenkochern durchströmt die Würze den Kocher aufgrund der Konvektionsströmung. Diese Kochsysteme haben verschiedene Nachteile.
• Für die Wärmeübertragung ist nur eine bestimmte Fläche vorhanden. Der strömungsmechanischen Konstruktion kommt demnach große Bedeutung zu, um diese Fläche möglichst klein zu halten und einen guten Wirkungsgzad zu erreichen. Es kommt jedoch trotzdem zu Temperaturschichtungen in der ersten Kochphase, was aus den zuvor genannten Gründen die Intensität der Kochung reduziert. Hinsichtlich der Regelbarkeit sind diese Kochsysteme relativ träge gegenüber Änderungen der Temperatur des als Heizmittel verwendeten Sattdampfes.
• Für die Dampferzeugung werden Heizkessel verwendet, die ständig betriebsbereit gehalten werden müssen, was mit Energie- und Personalkosten verbunden ist. Darüber hinaus unterliegen immer mehr Brauereien strengeren Emissionsvorschriften, was die Feuerungssysteme der Heizkessel betrifft. Moderne Systeme wie Blockheizkraftwerke (BHKW) konnten sich bislang in den Brauereien nicht durchsetzen, da kein gleichzeitiger Bedarf von Strom und Wärme vorlag.
• Aus dem Fachbuch „Die Technologie der Würzebereitung", Enke Verlag, Stuttgart, 7. Auflage, ist ein Verfahren bekannt, bei dem zur Erwärmung von Maische bzw. Würze während des Brauprozesses die erforderliche Wärmeenergie durch Dampf, Heißwasser oder Verbrennungsgase eingekoppelt wird.
• Aus der US 5,667,828 ist ein Verfahren zu Pasteurisierung und Desinfizierung von Bier durch den Einsatz von Mikrowellenstrahlung bekannt.
• Die US 4,285,774 beschreibt ein Verfahren zum Entalkoholisieren und Konzentrieren von Bier durch Erwärmung mit Mikrowellen.
• Die DE 31 39 268 A1 beschreibt einen Heizkessel, in dem Flüssigkeiten durch Mikrowellen erhitzt werden können.
• Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Erhitzungssystem zu schaffen, welches es ermöglicht, Bierwürze und Maische in der Norm entsprechenden Qualität unter erheblicher Zeit und Energieersparnis herzustellen.
• Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1.
• Das erfindungsgemäße Kochsystem beschreitet einen anderen weg als die Eingangs beschriebenen Kochsysteme und löst deren Nachteile auf wirtschaftliche und umweltgerechte Art und Weise. Bei dem erfindungsgemäßen Kochsystem wird als Energiequelle eine Mikrowellenröhre (1) verwendet, welche z.B. mit dem Strom eines Blockheizkraftwerkes (2) betrieben werden kann. Diese wird außerhalb des Sudgefäßes (3) aufgestellt und an dieses entweder angeflanscht oder mit einem Mikrowellenleiter (7) mit dem Sudgefäß (3) verbunden (1). Die Mikrowellenquelle (1) kann sich auch im Inneren des sudgefäßes befinden (2), bzw. sich in einem Gefäß (3) zur kontinuierlichen Kochung befinden. Im Kochgefäß liegt dann über den gesamten als Resonator wirkenden Innenraum verteilt ein dreidimensionales Kochfeld vor, welches zu einer homogenen Erhitzung der Maische oder der Würze (4) vom Beginn der Kochung an führt. Die Mikrowellen werden durch eine gitterähnliche Abschirmung (6) davon abgehalten, das Sudgefäß (3) zu verlassen. Diese Abschirmung (6) stellt für den Dampf keinen Widerstand dar.
• Die Mikrowellenquelle (1) wird im Falle einer externen Aufstellung mit einer Wasserkühlung versehen (8), welche mit Brauwasser (9) als Kühlmittel betrieben wird. Diese Maßnahme dient der Erhöhung des Wirkungsgrades.
• Der Innenraum des Sudgefäßes (3) ist frei von Einbauten, welche die konvektive Zirkulation der Würze (4) stören könnten. Die Konstruktion des Sudpfanneninneren kann ohne Rücksicht auf den Kocher nach strömungsmechanischen Aspekten erfolgen. Zum Aufheizen der Würze kann die Mikrowellenquelle (1) durch Variation der Pulsfrequenz geregelt werden, was gegenüber der Regelung eines Dampfkessels einen Vorteil darstellt. Die Kochung wird durch einfaches Einschalten der Mikrowellenquelle (1) gestartet. Es besteht keine Notwendigkeit, die Betriebsbereitschaft aufrecht zu erhalten wie bei einem Dampfkessel. Darüber hinaus wird die Regelbarkeit dadurch unterstützt, daß bei einer Leistungsreduzierung der Mikrowellenquelle (1) kein Nachheizen auftritt. Die Kochung setzt rasch und überall im Flüssigkeitsvolumen (4) ein. Die chemischen Umsetzungsreaktionen setzen ebenfalls sofort ein, da es bei der Mikrowellenkochung von Beginn der Kochung an durch die Reibung der schwingenden Wassermoleküle zu Temperaturspitzen im atomaren Bereich kommt. Dadurch wird von Anfang an eine intensivere Kochung erzielt, als es bei einem dampfbeheizten Wärmeüberträger möglich wäre, bei dem nur an der Grenzfläche Würze/Heizfläche eine Erwärmung stattfindet. Bei der Mikrowellenkochung findet eine bedeutend bessere Umsetzung der Würzeinhaltsstoffe statt.
• Im wesentlichen betrifft dies den Eiweißanteil, das Dimethylsulfid und die α-Säure des Hopfens. Die beiden letzteren sind die die Kochzeit der klassischen Kochung bestimmenden Parameter. Diese liegt zwischen 60 und 90 Minuten. Die Umsetzung und Denaturierung des Eiweißes erfolgt bei der Mikrowellenkochung schneller, was sich bereits während der Kochung an einem besseren Ausflocken (Bruchbildung) des Eiweißes feststellen läßt und optisch sichtbar ist. Hierbei wirken sich die oben erwähnten Temperaturspitzen von bis zu 104 °C positiv aus. Die Gesamttemperatur der Würze übersteigt die Temperatur für atmosphärische Kochung nicht. Es lassen sich somit ansatzweise die Vorteile der Kochung bei erhöhter Temperatur nutzen, ohne die konstruktiven und technologischen Nachteile dieser sogenannten Niederdruckkochung (104 °C, geringer Überdruck). Bei der Niederdruckkochung sind die Sudgefäße bedeutend teurer und es treten Probleme seitens der Würzequalität auf, da die thermische Belastung größer ist und zum Ausdampfen der flüchtigen Würzebestandteile das Sudgefäß drucklos gemacht werden muß. Bei der Mikrowellenkochung findet das Ausdampfen ständig statt.
• Das Ausdampfen wird bei der Mikrowellenkochung noch dadurch unterstützt, daß aus der Würzeoberfläche austretender Dampf das Mikrowellenfeld nicht verläßt und somit nicht zu Dampfschwaden kondensiert, welche zum Teil wieder in die Flüssigkeit (4) eintreten. Der Dampf kann als Wasserdampfgas ausdampfen. Dies ist einer der Gründe für die bessere Verdampfung bei diesem System.
• Beim DMS wirkt sich die Mikrowellenkochung zweifach positiv aus. Die Spaltung des DMS-P geht rascher vonstatten, da dieser Prozeß bei höherer thermischer Intensität schneller abläuft. Die bessere Verdampfung bewirkt ein weitgehenderes Ausdampfen und somit niedrigere Gehalte an freiem DMS bereits nach kürzerer Kochzeit (3 und 4). Die beschriebene chemische Umsetzung des DMS begrenzt die Kochzeit heutiger Systeme auf mindestens 60 Minuten. Das Mikrowellenkochsystem läßt Kochzeiten von 30 bis 45 Minuten möglich werden, was die Kapazitäten einer Brauerei erheblich erhöht und den Energieaufwand senkt.
• Die Isomerisation der α-Säure des Hopfens ist ebenfalls zeit- und temperaturabhängig. Bei der intensiven Temperatureinwirkung der Mikrowellenkochung geht dieser Vorgang schneller vonstatten, was zur Folge hat, daß nach kürzerer Kochzeit bereits mehr α-Säure isomerisiert ist (5). Die Hopfengabe kann überdies aufgrund des folglich besseren Wirkungsgrades reduziert werden, was aufgrund des Hopfenpreises beachtliche wirtschaftliche Bedeutung hat.
• Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt im niedrigen Polyphenolgehalt der Würze. Diese Gerbstoffe sind in der würze für das Ausfällen des Eiweißes mitverantwortlich. Ihr Gehalt sollte in der Ausschlagwürze nach der Kochung niedrig sein, da sie sonst auch im fertigen Bier noch Eiweiß ausfällen werden. Dies wirkt sich negativ auf die Haltbarkeit aus. Der Gehalt an Polyphenolen ist bei der Mikrowellenkochung bedeutend niedriger als bei der Kochung des Standes der Technik. Dies erfordert bei der späteren Bierfiltration einen geringeren Einsatz an Stabilisierungsmitteln, mit denen die Gerbstoffe (Polyphenole) aus dem Bier entfernt werden, um somit indirekt Eiweißtrübungen zu verhindern.
• Es wurden Versuche zur Kochung von würze durchgeführt, wobei die Erhitzungsarten und die Erhitzungszeiten variiert wurden.
• Die Würzen wurden 30, 45 und 60 Minuten gekocht.
• Als Erhitzungssysteme wurden eine Mikrowellenquelle (Mikrowelle 1 und 2) und eine elektrische Direkterhitzung (Topf) verwendet.
• Die Würzeproben stammten aus einem Sud. Die Hopfengaben erfolgten bei jedem Versuch direkt nach Kochbeginn. Qualität und Quantität der Hopfengaben war jeweils gleich.
• Während der Kochung fand eine Kontrolle der Verdampfungsintensität und der Eiweißkoagulation (Bruchbildung) statt.
• Es konnte festgestellt werden, daß bei der Mikrowellenkochung die Verdampfung wesentlich intensiver war.
• Die Eiweißkoagulation zeichnete sich bei der Mikrowellenkochung durch eine außergewöhnlich grobe Bruchbildung aus, was als sehr positives Qualitätsmerkmal zu sehen ist. Diese positiven Befunde ergaben sich bei der Mikrowellenkochung aller drei Kochzeiten.
• Die konventionelle Kochung konnte diese Resultate nicht erreichen.
• Die würzen wurden nach dem Abkühlen analysiert. Die Ergebnisse sind den 3, 4 und 5, sowie der Beschreibung zu entnehmen.
• Es kann festgestellt werden, daß bei der Mikrowellenkochung in bedeutend kürzerer Zeit bessere Würzen erzielt werden.

Claims (15)

1. Verfahren zum Erwärmen von Maische und/oder Würze (4) bei der Herstellung von Bier, dadurch gekennzeichnet, dass Maische und/oder Würze durch Mikrowellen erwärmt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1 zur Herstellung von Ausschlagwürze, welches folgende Schritte umfasst: Beschicken eines Behälters (3) mit von unlöslichen Stoffen im wesentlichen befreiter Bierwürze (4); Einleiten von Mikrowellen in den Behälter (3) zum Erwärmen der Bierwürze (4) bis zur Kochtemperatur; wenigstens einmaliges Zugeben von Würzmitteln nach Kochbeginn der Bierwürze (4); und Aufrechterhalten der Kochtemperatur für maximal ca. 60 min und gleichzeitiges Ableiten von gasförmigem Wasser sowie darin enthaltenen flüchtigen Bestandteilen.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kochtemperatur für 10 bis 50 Minuten, insbesondere 10 bis 45 Minuten, vorzugsweise 10 bis 30 Minuten, besonders bevorzugt 30 bis 45 Minuten, aufrechterhalten wird.
4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrowellen in einem Frequenzbereich von 2,45 GHz verwendet werden.
5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrowellen mittels eines Oszillators (1) erzeugt werden.
6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abwärme der Mikrowellenquelle (1) verwendet wird, um das Brauwasser zu erwärmen (8, 9).
7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Strom zum Betreiben der Mikrowelle (1) einem Blockheizkraftwerk (2) entnommen wird.
8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren diskontinuierlich oder kontinuierlich durchgeführt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 1 zur Herstellung von Maische (4), dadurch gekennzeichnet, dass ein Behälter (3) mit Wasser und Malzschrot und/oder einer weiteren Kohlehydratquelle beschickt wird und Mikrowellen in den Behälter (3) zum Erwärmen der Maische (4) bis zur Abmaischtemperatur eingeleitet werden.
10. Vorrichtung zum Erwärmen von Maische und/oder Würze (4) bei der Herstellung von Bier dadurch gekennzeichnet, dass in der Vorrichtung eine Mikrowellenquelle (1) vorgesehen ist, die in Verbindung mit einem Sudbehälter (3) steht oder innerhalb des Sudbehälters angeordnet ist, so dass Maische und/oder Würze mittels der Mikrowellenquelle erwärmbar sind.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, mit, wenigstens einer Einrichtung (6) zum im wesentlichen vollständigen Reflektieren der Mikrowellen in den Sudbehälter (3) hinein, wobei die Einrichtung an einer Dampfauslassöffnung (5) des Sudbehälters (3) angeordnet ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass zur Leitung der Mikrowellen von einer externen Mikrowellenquelle (1) in das Innere des Sudbehälters (3) Mikrowellenleiter (7) vorgesehen sind.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrowellenleiter (7) am unteren Ende des Sudgefäßes (3) und/oder umfangsseitig und/oder seitlich und/oder am oberen Ende des Sudgefäßes (3) angeordnet sind.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrowellenleistung mittels einer elektronischen Steuer- und Regeleinrichtung einstellbar ist.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Sudbehälter (3) ein mikrowellendurchlässiges Gefäß zur Aufnahme des Würzmittels angeordnet ist.