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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Heißtrubabscheidung im Brauprozess
mit einem Abscheidebehälter,
der eine Würzezufuhr
und einen Würzeabzug
umfasst.
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Mit
ein wesentlicher Schritt im Brauprozess ist das so genannte Würzekochen.
Dabei wird die nach dem Maischen von Malzresten getrennte Würze in einer
Würze-
oder Sudpfanne unter Zugabe von Hopfen gekocht. Durch das Kochen
werden unerwünschte
Aromastoffe ausgetrieben, während
die für den
Geschmack des Bieres maßgeblichen
Aromastoffe vorrangig in der Würze
verbleiben. Die erwünschten
Aromastoffe – beispielsweise
Iso-α-Säuren- zeigen
nämlich
einen geringeren Dampf-Flüssigkeits-Verteilungsfaktor
als die unerwünschten,
so dass sich für
den Geschmack unerwünschte
Aromastoffe im Laufe des Würzekochens
in der Würze
abreichern.
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Moderne
Brauverfahren sind hinsichtlich der Prozessökonomie optimiert. Insbesondere
wird hierzu der Prozess des Würzekochens
generell verkürzt oder
es wird das Austreiben unerwünschter
Aromastoffe durch eine Behandlung der Würze nach einem Stripping-Verfahren
bzw. mittels einer Rektifizierung beschleunigt. Durch die Verkürzung der
Würzekochzeiten
besteht jedoch ein nicht unerhebliches Problem bei der Austreibung
solcher Aromastoffe, die aus einem Ausgangsstoff eine Bildungskinetik
während
des Würzekochens
zeigen. Ist die Würzekochzeit
kurz, so verbleibt der Ausgangsstoff in der Würze. Es besteht in nachfolgenden
Prozessschritten bei genügend
hohen Temperaturen insofern die Gefahr, dass der unerwünschte Aromastoff
erneut gebildet wird. Ein derartiger unerwünschter Aromastoff ist beispielsweise
Dimethylsulfid (DMS), welches beim Würzekochen, insbesondere bei
Temperaturen oberhalb von 80°C,
aus dem in der Würze
vorhandenen S-Methyl-Methionon (SMM) gebildet wird.
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Während bei
herkömmlichem
Würzekochen nahezu
sämtliches
SMM in DMS umgesetzt und letzteres aufgrund seines hohen Dampf-Flüssigkeits-Verteilungsfaktors
aus der Würze
ausgetrieben wird, verbleibt bei einem zu kurzem Würzekochen SMM
in der Würze,
so dass die Gefahr einer Neubildung von DMS in Nachfolgeprozessen
besteht.
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Nach
dem Würzekochen
wird als nächster Verfahrensschritt
im Brauprozess die Würze
zum Absetzen der koagulierten Eiweiße in einen Abscheidebehälter geleitet,
wobei sich bei noch hoher Temperatur das Eiweiß und die sonstigen unerwünschten Feststoffe
am Boden absetzen. Dieser Prozess wird auch Heißtrubabscheidung genannt. Da
die Temperatur der Würze
im Abscheidebehälter
noch oberhalb von 80°C
liegt, findet während
der Heißtrubabscheidung
im Falle einer reduzierten Würzekochzeit
insbesondere die unerwünschte
Nachbildung von DMS aus SMM statt.
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Um
diese Nachbildung zu verhindern gibt es nach heutigem Stand der
Technik zum einen die Lösung,
die Würze
vor der Heißtrubabscheidung
auf eine niedrigere Temperatur abzukühlen. Eine Vorkühlung der
Würze bewirkt
jedoch nachteiligerweise eine verschlechterte Heißtrubabscheidung.
Alternativ ist es bekannt, die Würze
nach der Heißtrubabscheidung
zu kochen, um die neu gebildeten unerwünschten Aromastoffe auszutreiben.
Nachteiligerweise ist dies jedoch mit einem zusätzlichen Energieeintrag verbunden.
Auch die Schaffung einer großen
Oberfläche
während
der Heißtrubabscheidung,
so dass eine größere Menge
an leicht flüchtigen
unerwünschten
Aromastoffen austritt, stellt keine zufriedenstellende Lösung dar.
Denn aufgrund der erhöhten
Oberfläche
kommt es zu einem höheren
Sauerstoffeintrag in die Würze,
was hinsichtlich des Geschmackes und insbesondere hinsichtlich der
Haltbarkeit des hergestellten Bieres nachteilig ist.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, die während der
Heißtrubabscheidung
neu gebildeten unerwünschten
Aromastoffe möglichst
effizient aus der Würze
zu entfernen.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass
die Würze
einer Vorrichtung zugeführt wird,
durch welche über
die Oberfläche
der im Abscheidebehälter
befindlichen Würze
ein Frischgasstrom geleitet werden kann.
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Die
Erfindung geht dabei in einem ersten Schritt von der Überlegung
aus, dass während
der Heißtrubabscheidung
eine Verdunstung insbesondere der leicht flüchtigen unerwünschten
Aromastoffe stattfindet. Dabei wird unter einer Verdunstung eines Stoffes
verstanden, dass aufgrund der Boltzmann-Verteilung ein gewisser
Anteil der Stoffteilchen auch bei einer Temperatur unterhalb des
Siedepunktes eine genügend
hohe kinetische Energie aufweist, um von der flüssigen in die gasförmige Phase überzutreten.
Umgekehrt existiert in der Gasphase ein gewisser Anteil an Stoffteilchen,
die aufgrund ihrer niedrigen kinetischen Energie in die flüssige Phase
zurücktreten.
Die Erfindung geht nun in einem zweiten Schritt von der Überlegung
aus, dass sich in einem ungestörten
System ein Gleichgewicht zwischen den in den gasförmigen Zustand übertretenden
und den in die flüssige
Phase zurücktretenden
Stoffteilchen einstellt. Ist das Gleichgewicht erreicht, so treten
genauso viele Stoffteilchen in die flüssige Phase zurück, wie
aus der flüssigen
Phase in die gasförmige Phase übertreten.
Makroskopisch findet keine weitere Verdunstung des Stoffes mehr
statt.
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Für die Würze bedeutet
dies während
der Heißtrubabscheidung,
dass sich die neu gebildeten leicht flüchtigen unerwünschten
Aromastoffe, wie insbesondere DMS, nach Erreichen des dynamischen Gleichgewichts
an der Grenzfläche
der Flüssigkeit nicht
weiter in der Würze
abreichern.
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Die
Erfindung erkennt schließlich
in einem letzten Schritt, dass ohne einen weiteren Energieeintrag
die leicht flüchtigen
unerwünschten
Aromastoffe in der Würze
weiter dadurch verringert werden können, dass das Gleichgewicht
an der Grenzfläche
der Flüssigkeit
gestört
wird. Wird ein Frischgasstrom über
die Oberfläche
der im Abscheidebehälter
befindlichen Würze
geleitet, so treten mehr Aromastoffteilchen in die gasförmige Phase
aus als erneut in die flüssige
Phase zurücktreten.
Das die Oberfläche überstreichende
Frischgas ist nämlich
nicht mit den un erwünschten
Aromastoffen angereichert, so dass aus diesem keine Aromastoffteilchen
in die die flüssige
Phase bzw. in die Würze übertreten
können.
Untersuchungen haben hierzu ergeben, dass durch das Vorsehen eines
Frischgasstromes während
der Heißtrubabscheidung
ein signifikanter Rückgang
der neu gebildeten unerwünschten
Aromastoffe erzielt wird.
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Dadurch,
dass die für
die Verdunstung benötigte
Energie der Umgebung entzogen wird, kommt es bei dem Verdunstungsvorgang
noch zusätzlich
zu einer Abkühlung
der Würze,
wodurch auch die Nachbildung unerwünschter Substanzen gehemmt
wird, was sich noch weiter vorteilhaft auf den Rest-DMS-Gehalt der
Würze auswirkt.
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Im
Anschluss an die Heißtrubabscheidung wird
die Würze
im Brauprozess generell stark abgekühlt, so dass ab diesem Zeitpunkt
keine thermische Nachbildung der unerwünschten Aromastoffe mehr stattfinden
kann.
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Die
durchgeführten
Untersuchungen haben ferner ergeben, dass die durch den Frischgasstrom erhöhte Verdunstungsrate
vornehmlich zu einer Abreicherung der neu gebildeten unerwünschten
Aromastoffe, wie insbesondere DMS führt. Die absolute Abreicherung
der in der Würze
erwünschten
Hopfenkomponenten ist aufgrund ihres gegenüber DMS niedrigeren Dampf-Flüssigkeits-Verteilungsfaktors deutlich
geringer und vernachlässigbar.
Das angegebene Verfahren bewirkt insgesamt bei einer verkürzten Würzekochzeit
eine effiziente Austreibung der unerwünschten Aromastoffe während der
Heißtrubabscheidung,
ohne dass dies einen negativen Einfluss auf das Aromastoffprofil
einer Anstellwürze
hat.
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Der
Frischgasstrom kann beispielsweise mittels einer Pumpe über die
Oberfläche
der Würze
geblasen werden. Da aber ohnehin ein Abführen des die aus der Würze ausgetretenen
Aromastoffe enthaltenden Brauchgases wünschenswert ist, wird dem Abscheidebehälter Frischgas
vorteilhafterweise dadurch zugeleitet, dass im Abscheidebehälter durch kontinuierliches
Absaugen ein Unterdruck erzeugt wird. Auf diese Weise wird mittels
einer einzigen Absaugvorrichtung sowohl das Brauchgas aus dem Abscheidebehälter abgezogen
als auch mittels des erzeugten Unterdrucks Frischgas in den Abscheidebehälter gezogen.
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Für die Erfindung
ist es nicht erforderlich, einen gerichteten Frischgasstrom über die
Oberfläche zu
leiten. Es genügt,
während
der Heißtrubabscheidung
das über
der Würze
stehende Gasvolumen kontinuierlich durch Zufuhr von Frischgas und
Abfuhr von Brauchgas in Bewegung zu halten bzw. aufzufrischen.
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Der
Unterdruck kann beispielsweise dadurch erzeugt werden, dass ein
geeignetes Pumpenaggregat an eine Absaugleitung angeschlossen wird,
die oberhalb des Würzepegels
in den Abscheidebehälter mündet. Hinsichtlich
einer weiteren Reduktion der Betriebskosten ist es von Vorteil,
wenn zur Erzeugung des Unterdrucks die Strömung eines Betriebsmittels,
insbesondere einer Kühlflüssigkeit,
verwendet wird. Die Strömung
einer Betriebsmittels kann nämlich
nach dem Venturi-Prinzip bzw. nach Art einer Strahlpumpe zum Erzeugen
von Unterdruck eingesetzt werden. In dieser vorteilhaften Ausgestaltung erfolgt
die Abreicherung der unerwünscht
neu gebildeten Aromastoffe während
der Heißtrubabscheidung
ohne eine zusätzliche
Energiezufuhr. Im Brauprozess kann leicht auf eine strömende Kühlflüssigkeit
zugegriffen werden. Kühlflüssigkeiten
werden beispielsweise zur Abkühlung
der Würze
nach der Heißtrubabscheidung
benötigt.
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Zweckmäßigerweise
wird der Frischgasstrom durch gesteuerte Absaugung und/oder Zuleitung
eingestellt. Hierdurch kann eine gewünschte Verdunstungsrate über den
Volumenstrom des zugeführten
Frischgases gesteuert werden. Die Steuerung kann dabei durch direktes
Ansteuern des Pumpenaggregats erfolgen. Auch wird die Menge an zuströmendem Frischgas
bzw. abströmendem
Brauchgas durch das Vorsehen geeigneter Ventilklappen in den entsprechenden
Zu- oder Ableitungen ermöglicht.
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Für den Fall
einer zu starken Abkühlung
der Würze
durch die gesteigerte Verdunstung und eines damit einhergehenden
schlechteren Heißtrubabscheideverhaltens,
kann der Frischgasstrom vorher durch eine geeignete Vorrichtung
auf eine gewünschte
Temperatur erwärmt
werden. Hierbei kann die Steuerung und Einstellung der Temperatur
des Frischgasstromes separat durch geeignete Einbauten geregelt
werden.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung wird die Würze im Abscheidebehälter rotiert.
Bei einem derartigen Verfahren wird die Würze mit einer Tangentialkomponente
in einen kreisförmigen
Abscheidebehälter
eingebracht. Hierdurch rotiert die Würze in einem in dieser Ausgestaltung
auch als Whirlpool bekannten Abscheidebehälter unter Ausbildung eines
zentralen Wirbels, wobei sich der Heißtrub zentral absetzt.
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Als
Frischgas können
verschiedene geeignete Gase eingesetzt werden. Insbesondere ist
es vorstellbar, durch die Wahl eines geeigneten Gases den Sauerstoffeintrag
in die Würze
zu minimieren. Bevorzugt wird jedoch als Frischgas Frischluft zugeführt, die
schlichtweg aus der Umgebung entnommen wird. Da sich der Sauerstoffeintrag
in die Würze gegenüber herkömmlichen
Heißtrubabscheidungen kaum
unterscheidet, stellt diese Variante eine einfache und kostengünstige Möglichkeit
dar. Um auch einen geringen Sauerstoffeintrag in die Würze zu verhindern,
wird vorteilhafter Weise der Stickstoffanteil in der zugeführten Luft
sukzessive erhöht.
Dies kann durch das Vorschalten sogenannter Stickstofferzeuger geschehen.
Je nach Bautyp produzieren diese Stickstoff mit einer Reinheit von über 99,99
%. Der Sauerstoffeintrag wird somit im Vergleich zu herkömmlichen
Heißtrubabscheidern
noch weiter reduziert.
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Durch
die größere Verdunstungsrate
bei der Heißtrubabscheidung
wird bei gleichbleibenden Standzeiten auch eine höhere Stammwürze erzielt, da
immer auch Wasser verdunstet und abgeführt wird. Um dies zu verhindern,
kann das Frischgas vor dem Zuführen
in den Heißtrubabscheider
durch Wasser geleitet werden. Hierdurch kann erreicht werden, dass
das zugeführte
Gas mit Wasser gesättigt
ist, wodurch eine Verdunstung von Wasser – bei gleichbleibender Verdunstung
unerwünschter
Aromastoffe – nahezu
verhindert werden kann.
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Die
beschriebene Aufgabe wird für
die Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1 erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass dem Abscheidebehälter
eine Einrichtung zur Frischgaszuführung zugeordnet ist, die zur
Erzeugung eines Frischgasstroms über
der Oberfläche
eingeleiteter Würze
ausgebildet ist.
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Um
den Frischgasstrom möglichst
effizient zu erreichen, ist in einer vorteilhaften Ausgestaltung der
Vorrichtung der Abscheidebehälter
beispielsweise durch das Vorsehen eines Deckels als ein abgeschlossener
Raum ausgebildet, in den oberhalb des Würzepegels während der Heißtrubabscheidung eine
an ein Frischgasreservoir angeschlossene Frischgaszuleitung und
eine ausgangsseitig an ein Pumpenaggregat angeschlossene Absaugleitung münden.
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Um
eine gute kontinuierliche Überströmung der
Oberfläche
mit Frischgas zu erhalten, ist die Frischgaszuleitung dabei bevorzugt
diametral der Absaugleitung gegenüber angeordnet.
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Zur
Ansteuerung gegebenenfalls vorhandener Ventilklappen oder des zur
Unterdruckerzeugung oder zum Einblasen des Frischgases eingesetzten Pumpenaggregats
ist vorteilhafterweise eine Steuereinheit eingerichtet. Eine derartige
Steuereinheit ermöglicht
es, während
der Heißtrubabscheidung
spezifische Prozessparameter wie Druck, Strömungsgeschwindigkeit, Zuführmenge
an Frischgas pro Zeit, Abfuhrmenge von Brauchgas pro Zeit, Temperatur
im Gasraum und/oder Konzentration der auszutreibenden Aromastoffe
im Gasraum oder im abgeführten Brauchgas
einzustellen. Auch ermöglicht
eine derartige Steuereinheit eine Regelung der Durchströmung des
Abscheidebehälters
nach einem oder mehreren der vorgenannten Prozessparameter. Hierfür sind entsprechende
Sensoren vorzusehen.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen sind den auf die Vorrichtung gerichteten
Unteransprüchen sowie
der oben aufgeführten
Beschreibung zu entnehmen.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
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1 schematisch
eine Vorrichtung zur Heißtrubabscheidung
im Brauprozess zur Durchführung
des genannten Verfahrens und
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2 in
einer Aufsicht einen Abscheidebehälter, wie er Teil der Vorrichtung
gemäß 1 ist.
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In 1 ist
zur Erläuterung
der Erfindung schematisch eine Vorrichtung 1 zur Heißtrubabscheidung
im Brauprozess dargestellt. Die Vorrichtung 1 umfasst einen
Abscheidebehälter 2,
an den eine Würzezufuhr 4 und
ein Würzeabzug 5 angeschlossen
sind. Zur Heißtrubabscheidung
wird in den Abscheidebehälter 2 die
nach dem Würzekochen
noch heiße
Würze 6 über die
Würzezufuhr 4 eingeleitet. Die
Würze 6 erreicht
hierbei im Abscheidebehälter 2 einen
Füllstand
bis zur Höhe
des Würzepegels 7. Nach
Abscheidung des Heißtrubs,
der koagulierte Eiweiße
und Hopfenreste umfasst, wird die gereinigte Würze 6 über den
Würzeabzug 5 über den
Abscheidebehälter 2 abgezogen
und anschließend
für weitere
Prozessschritte abgekühlt.
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Der
dargestellte Abscheidebehälter 2 bildet durch
das Vorsehen eines Deckels 9 in seinem Inneren einen abgeschlossenen
Raum. Oberhalb des Würzepegels 7 münden in
den Deckel 9 eine Frischgaszuleitung 11, über die
dem Gasvolumen oberhalb der Oberfläche der Würze 6 aus der Umgebung Frischluft
zuführbar
ist. Diametral der Frischgaszuleitung 11 angeordnet ist
ebenfalls in dem Deckel 9 eine Absaugleitung 12 eingebracht.
Die Absaugleitung 12 ist auslassseitig mit einem Pumpenaggregat 14 verbunden.
Das Pumpenaggregat 14 ist hierbei als eine Strahlpumpe 15 ausgebildet,
in der nach dem Venturi-Prinzip mittels eines die Kühlmittelleitung 16 durchströmenden Kühlmittels
Unterdruck erzeugt wird.
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Infolge
der Betätigung
des Pumpenaggregats 14 wird über die Absaugleitung 12 aus
dem Innenraum des Abscheidebehälters 2 kontinuierlich Brauchgas
abgezogen. Durch den Unterdruck wird gleichzeitig über die
Frischgaszuleitung 11 Frisch luft in den Innenraum des Abscheidebehälters 2 eingezogen.
Somit entsteht während
der Heißtrubabscheidung
ein kontinuierlicher Austausch der sich über der Oberfläche der
Würze 6 befindlichen
Luft. Über
der Oberfläche
der Würze 6 strömt kontinuierlich
Frischgas bzw. Frischluft.
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Durch
den ständigen
Austausch des Gases im Innenraum des Abscheidebehälters 2 wird
das Gleichgewicht zwischen Dampf und Würze 6 gestört. Infolge
dessen treten die insbesondere als leicht flüchtig bekannten unerwünschten
und neu gebildeten Aromastoffe vermehrt in die gasförmige Phase über. Somit
wird gegenüber
herkömmlichen
Verfahren die Abreicherung der unterwünschten und leicht flüchtigen
Aromastoffe in der Würze
deutlich verbessert. Die zur Geschmacksbildung des Bieres erwünschten
Hopfenkomponenten und übrigen
Aromastoffe weisen gegenüber
dem problematisch auftretenden unerwünschten Aromastoff DMS einen
deutlich niedrigeren Dampf-Flüssigkeits-Verteilungsfaktors
auf. Insofern wird deren Abreicherung durch das angegebene Verfahren
kaum beeinflusst. Da zur Erzeugung des Unterdrucks in der Absaugleitung 12 die
Strömung
eines Kühlmittels
herangezogen wird, wird die Abreicherung der während der Heißtrubabscheidung
gebildeten unerwünschten
Aromastoffe gänzlich
ohne zusätzliche
Energiezufuhr bewirkt.
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Zur
Steuerung oder Regelung des Gasaustausches im Innenraum des Abscheidebehälters 2 sind
sowohl in der Frischgaszuleitung 11 als auch in der Absaugleitung 12 Ventilklappen 17 angeordnet. Mittels
einer Steuereinheit 18, die die Ventilklappen 17 betätigt, kann
somit der Gasaustausch nach Prozessparametern gesteuert oder geregelt
werden. Zur Erfassung der Prozessparameter ist in dem Gasraum oberhalb
der Oberfläche
der Würze 6 in
dem Abscheidebehälter 2 ein
oder mehrer Sensoren 19 angeordnet. Dabei kann es sich
beispielsweise um Temperatur-, Strömungs- oder Konzentrationssensoren
handeln. Auch kann die Steuereinheit 18 dazu herangezogen
werden, direkt das Pumpenaggregat 14 zur Steuerung oder
Regelung des erzeugten Unterdrucks anzusteuern.
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2 zeigt
in einer Aufsicht den Abscheidebehälter 2 gemäß 1.
Man erkennt, dass der Abscheidebehälter 2 einen kreisförmigen Querschnitt aufweist.
In den auch als Whirlpool bezeichneten kreisförmigen Abscheidebehälter 2 strömt die Würze 6 mittels
der abgewinkelten Würzezufuhr 4 tangential ein.
Hierdurch wird eine Rotation der Würze 6 innerhalb des
Abscheidebehälters 2 erzielt.
Im Zentrum entsteht ein Wirbel, in dem sich zentral der Heißtrub abscheidet.
Man erkennt in 2 weiter den am Boden des Abscheidebehälters 2 angeordneten
Würzeabzug 5 sowie
die Frischgaszuleitung 11 und die Absaugleitung 12.
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- 1
- Vorrichtung
Heißtrubabscheidung
- 2
- Abscheidebehälter
- 4
- Würzezufuhr
- 5
- Würzeabzug
- 6
- Würze
- 7
- Würzepegel
- 9
- Deckel
- 11
- Frischgaszuleitung
- 12
- Absaugleitung
- 14
- Pumpenaggregat
- 15
- Strahlpumpe
- 16
- Kühlmittelleitung
- 17
- Ventilklappen
- 18
- Steuereinheit
- 19
- Sensor