Sauerstoff – die Herausforderung aller Brauer

Fla­sche rei­ni­gen, Bier rein, Fla­sche zu. Es könn­te ja alles so leicht sein. Trotz­dem wis­sen wir alle – und dabei ist es fast egal, in wel­cher Men­ge wir abfül­len – dass die Abfül­lung von Bier mit ein paar Her­aus­for­de­run­gen auf­war­tet. Denn egal, ob Hob­by­brau­er oder gro­ße Braue­rei: eine Gemein­sam­keit liegt zum Bei­spiel dar­in, die Sauer­stoff­auf­nah­me zu mini­mie­ren.
Doch wel­che Mög­lich­kei­ten zur Sauer­stoff­mi­ni­mie­rung gibt es? Ein ent­schei­den­der Fak­tor bei der Beant­wor­tung ist die Grö­ße des Abfüll­be­triebs. Denn was bei einem Hob­by­brau­er funk­tio­niert, kann bei einer grö­ße­ren Craft­braue­rei schon hin­fäl­lig sein. Und in der indus­tri­el­len Abfül­lung gibt es ganz ande­re Stell­schrau­ben, an denen man dre­hen kann.

Bei der Abfüllung von Bier ist einer der wichtigsten Punkte die Reduzierung der Sauerstoffaufnahme

Fan­gen wir zunächst mit den Basics an. Sauer­stoff benö­tigt man beim Brau­pro­zess nur bis zur Fer­men­ta­ti­on. Er wird vor der Gärung gemein­sam mit der Wür­ze in den Mai­sche­kes­sel Gär­bot­tich ein­ge­tra­gen und soll die Ver­meh­rung der Hefe begüns­ti­gen. Nach der Gärung ist das Bier nahe­zu sauer­stoff­frei, und die­ser Zustand soll­te soweit wie mög­lich auch wäh­rend der Fil­tra­ti­on, Lage­rung und Abfül­lung bei­be­hal­ten wer­den.

Doch was ist nach der Gärung das Pro­blem am Sauer­stoff? Die täg­li­che Luft, die wir atmen, besteht schließ­lich haupt­säch­lich aus einem Gemisch der Gase Stick­stoff und Sauer­stoff sowie zu einem mini­ma­len Pro­zent­satz aus Argon und Koh­len­stoff­di­oxid. Die wei­te­ren Bestand­tei­le kön­nen an die­ser Stel­le getrost igno­riert wer­den.

In ers­ter Linie gefähr­det Sauer­stoff, der bei­spiels­wei­se wäh­rend des Füll­pro­zes­ses ins Bier kommt, die Geschmacks­sta­bi­li­tät – und damit die Pro­dukt­qua­li­tät. Denn durch den Sauer­stoff ent­steht nach eini­ger Zeit ein soge­nann­ter Alte­rungs­ge­schmack — das Bier schmeckt nicht mehr so, wie vom Brau­er beab­sich­tigt. Dies äußert sich bei­spiels­wei­se in dem Ver­lust des Hop­fen­aro­mas, der Hop­fen­bit­te­re und der Voll­mun­dig­keit.

Während der Sauerstoff bei der Gärung die Vermehrung der Hefe begünstigt, gefährdet er beim abgefüllten Produkt u.a. die Geschmacksstabilität.

Wenn man es also schafft, die Sauer­stoff­auf­nah­me zu mini­mie­ren, hat das einen direk­ten Ein­fluss auf die Qua­li­tät und Halt­bar­keit des Pro­dukts. Doch an wel­chen Stel­len kann man dies errei­chen? Auf der Suche nach Lösungs­we­gen gehen Hob­by­brau­er und indus­tri­el­le Abfül­ler dann auf­grund der ver­schie­de­nen Aus­gangs­si­tua­tio­nen und Mög­lich­kei­ten unter­schied­li­che Wege.

Um zu einer Ant­wort zu kom­men, ist es grund­sätz­lich wich­tig, alle Ein­gangs­grö­ßen, wel­che Ein­fluss auf die Sauer­stoff­auf­nah­me haben, per­fekt auf­ein­an­der abzu­stim­men. Dazu müs­sen jeder Brau­er und auch die Maschi­nen­bau­un­ter­neh­men wie zum Bei­spiel die Kro­nes AG alle Pro­zess­schrit­te genau betrach­ten. Dies fängt schon bei der zu befül­len­den Fla­sche an. Denn bereits dort lässt sich Sauer­stoff fin­den, der wäh­rend der Befül­lung ins Pro­dukt migrie­ren kann.

Bei der indus­tri­el­len Abfül­lung wer­den des­we­gen die befüll­ten Bier­fla­schen stich­pro­ben­ar­tig auf die O2-Ein­brin­gung über­prüft. Wenn der Sauer­stoff­ge­halt inner­halb der Grenz­wer­te liegt, kann die Pro­duk­ti­on wei­ter­lau­fen. Wenn nicht, müs­sen neue Ein­stel­lun­gen vor­ge­nom­men wer­den. Dies kann jedoch auch bei geüb­ten Fach­leu­ten oft eini­ge Zeit in Anspruch neh­men und ver­läuft in der Regel immer in Abstim­mung von Pro­duk­ti­on und einem Labor.

In einem Ent­wick­lungs­pro­jekt bei der Kro­nes AG woll­te man die­sen Ablauf dras­tisch ver­kür­zen und ver­ein­fa­chen, wenn nicht sogar unnö­tig machen. Dabei ist her­aus­ge­kom­men: Die Mes­sung von O2, N2 und CO2-Kon­zen­tra­ti­on im Gas­raum des Fül­ler­pro­dukt­kes­sels kann direkt zu die­ser Pro­zess­op­ti­mie­rung füh­ren — und alles, was man dafür benö­tigt ist ein Sen­sor. Die Grö­ße des Betriebs bezie­hungs­wei­se der Aus­stoß spie­len dabei kei­ne Rol­le.

Der Einsatz einer kleinen Komponente mit großer Wirkung

Der Kern­ge­dan­ke die­ses Ent­wick­lungs­pro­jekts ist ein­fach zu erklä­ren: Das Gas­ge­misch, das bei der Vor­be­hand­lung in der Bier­fla­sche ent­steht, steht in einem direk­ten Zusam­men­hang mit dem Gas im Kes­sel, in dem das Pro­dukt zur Abfül­lung bereit­steht. Ein O2-Sen­sor misst des­we­gen die Gas­zu­sam­men­set­zung wäh­rend der Pro­duk­ti­on. Je nach Füll­sys­tem kön­nen die Para­me­ter der Vor­be­hand­lung an ver­schie­de­nen Stel­len am Fül­ler ana­ly­siert, über­wacht und gere­gelt wer­den.

Durch das Vor­span­nen und durch die Rück­luft ent­steht ein kon­ti­nu­ier­li­cher Gas­aus­tausch zwi­schen der Fla­sche und dem Pro­dukt­kes­sel. Es ent­steht ein Gleich­ge­wicht der Gas­kon­zen­tra­ti­on. Durch die Instal­la­ti­on eines Sen­sors kann die Zusam­men­set­zung des Gases ein­fach ermit­telt wer­den. Da es sich, ver­ein­facht aus­ge­drückt, in ers­ter Linie um ein Gemisch aus zwei Haupt­kom­po­nen­ten han­delt (N2 – Luft, CO2 – Luft, nur Luft) reicht es, wenn man nur eine Kom­po­nen­te, bei­spiels­wei­se den Sauer­stoff­ge­halt, ermit­telt. Dar­aus las­sen sich die wei­te­ren Wer­te ablei­ten.

Doch wie misst man den Sauer­stoff­ge­halt?

Die Funktionsweise des Prozessgas-​Regelungssystems von Krones

Das Licht einer LED regt den opti­schen Sauer­stoff­sen­sor dazu an, Fluo­res­zenz zu emit­tie­ren. Wenn der Sen­sor auf ein Sauer­stoff­mo­le­kül trifft, wird die über­schüs­si­ge Ener­gie in einem strah­lungs­frei­en Trans­fer auf die­ses Mole­kül über­tra­gen, wodurch das Fluo­res­zenz­si­gnal ver­rin­gert oder gelöscht wird. Der Grad der Löschung kor­re­liert mit dem Sauer­stoff­par­ti­al­druck in der Matrix, der in dyna­mi­schem Gleich­ge­wicht mit dem Sauer­stoff in der Pro­be steht. Die Abkling­zeit­mes­sung ist intern refe­ren­ziert.

Das Sys­tem hat für den Anla­gen­be­trei­ber signi­fi­kan­te Vor­tei­le. Zunächst benö­tigt er kei­ne geson­der­ten Mess­ge­rä­te, die sich oft­mals als sehr unzu­ver­läs­sig erwei­sen.

Die bis­her teu­ren und auf­wän­di­gen Sauer­stoff­qua­li­täts­kon­trol­len wer­den opti­miert und kön­nen schon wäh­rend der Abfül­lung betrach­tet wer­den. Denn auf dem Bild­schirm sieht man die Pro­zess­gü­te in Echt­zeit.

Mit Hilfe eines Sensors wird beim Prozessgas-Regelungssystem die Prozessgüte in Echtzeit angezeigt.

Soll­te sich der Sauer­stoff­ge­halt ändern und einen klar defi­nier­ten Bereich ver­las­sen, kön­nen sofort Gegen­maß­nah­men ein­ge­lei­tet wer­den. Soll­te bei­spiels­wei­se der vor­ge­ge­be­ne Sauerstoff-​Zielwert unter­schrit­ten wer­den, kann das Sys­tem durch eine auto­ma­ti­sche Redu­zie­rung der Spül­men­ge die CO2-Ein­spa­rung ermög­li­chen. Bei einem Über­schrei­ten führt das zu einer Erhö­hung der Spül­men­ge, um die Qua­li­täts­kri­te­ri­en der O2-Auf­nah­me sicher­zu­stel­len. Der gesam­te Abfüll­pro­zess kann so auf den Punkt opti­miert wer­den.

Das Prozessgas-Regelungssystem beim Krone VFS-C Füllventil: Bei Unterschreitung des vorgegebenen O2-Zielwerts kann das System eine CO2-Einsparung durch automatische Reduzierung der Spülmenge ermöglichen, ohne die Qualitätskriterien zu gefährden. Bei einer Überschreitung erhöht das System die Spülmenge, um die Qualitätskriterien der O2-Aufnahme zu gewährleisten.

Durch die schnel­le Aus­wer­tung des Vor­be­hand­lungs­re­sul­tats wird auch die Inbe­trieb­nah­me erleich­tert und etwai­ge Sauer­stoff­pro­ble­me kön­nen via Tele­ser­vice beho­ben wer­den.

Doch an wel­chen wei­te­ren Stel­len wird Sauer­stoff auf­ge­nom­men?

Vorspannen und Überschäumen

Die offen­sicht­lichs­te Mög­lich­keit fin­det man zwi­schen den bei­den Vor­gän­gen „Bier kommt in die Fla­sche“ und „Fla­sche wird Ver­schlos­sen“. Und auch hier unter­schei­den sich die Lösungs­an­sät­ze bei Hob­by­brau­ern und gro­ßen Braue­rei­en.

In der indus­tri­el­len Ver­ar­bei­tung sieht ein Ansatz fol­gen­der­ma­ßen aus: Die Glas­fla­sche wird an das Ven­til ange­presst und mehr­fach eva­ku­iert: Der Behäl­ter wird mit CO2 gespült und vor­ge­spannt – bis der Druck in der Fla­sche dem des Ring­be­häl­ters mit dem abzu­fül­len­den Bier gleicht. Das Bier läuft also ohne Druck­un­ter­schied in den Behäl­ter, schäumt nicht und ver­liert so kei­ne Koh­len­säu­re. Dabei arbei­tet der Fül­ler für opti­ma­les Fließ­ver­hal­ten mit ver­schie­de­nen Geschwin­dig­kei­ten. Berührt die ein­strö­men­de Flüs­sig­keit dann die am Füll­rohr ange­brach­te Son­de, schließt sich das Ven­til. Nach einer Beru­hi­gungs­pha­se wird per Ent­las­tungs­ven­til der Druck im Kopf­raum der Glas­fla­sche abge­baut und das abge­füll­te Pro­dukt ver­lässt die Maschi­ne und macht sich auf den Weg zum Ver­schlie­ßer.

Gera­de an die­ser Stel­le füllt sich der Kopf­raum der Fla­sche mit Sauer­stoff, der vor dem Auf­set­zen des Kron­kor­kens wie­der ent­fernt wer­den muss. In Braue­rei­en wird dazu rund 80° Cel­si­us hei­ßes Was­ser in den Kopf­raum der Fla­sche gespritzt, die soge­nann­te Hoch­druck­ein­sprit­zung (HDE). Dadurch schäumt das Bier auf und ver­drängt somit den Sauer­stoff aus der Fla­sche. Die Her­aus­for­de­rung dabei ist, genau soweit auf­zu­schäu­men, dass die Schaum­kro­ne mit Fla­schen­mün­dung abschließt und kein Pro­dukt über den Fla­schen­hals hin­aus­läuft. Die HDE ist des­we­gen leis­tungs­ab­hän­gig druck­ge­steu­ert und lässt sich auto­ma­tisch auf die Schäu­mungs­hö­he ein­stel­len. Nach der Ein­sprit­zung wird die Fla­sche ver­schlos­sen. Der Sauer­stoff wur­de, soweit wie mög­lich, ver­drängt.

Die Mög­lich­keit, so prä­zi­se mit Druck zu arbei­ten, hat der Hob­by­brau­er in der Regel nicht, selbst wenn er sehr ver­siert ist in Sachen Gegen­druck­ab­fül­lung. Des­halb soll­te er sich nicht an den Füll­hö­hen der Indus­trie ori­en­tie­ren, son­dern etwas groß­zü­gi­ger fül­len. Die Rech­nung dahin­ter ist (zumin­dest, wenn man sie stark ver­ein­facht) sim­pel: Je vol­ler die Fla­sche, des­to weni­ger Platz für Sauer­stoff.

Den genau­en Sauer­stoff­ge­halt in der Fla­sche kennt der Hob­by­brau­er zu die­sem Zeit­punkt jedoch nicht – eine Gemein­sam­keit, die er mit Craft­bre­wern und Groß­braue­rei­en teilt.

Gerade während des Transports zwischen Füller und Verschließer gelangt Sauerstoff in den Flaschenhals.

Die vor­he­ri­gen Aus­füh­run­gen zei­gen: In einer für Brau­er idea­len Welt wür­de die Sauer­stoff­auf­nah­me nur an den not­wen­di­gen Stel­len erfol­gen und man wür­de bei der Abfül­lung ohne auf­wän­di­ge Labor­tests, zeit­in­ten­si­ve Ein­stel­lun­gen an der Maschi­ne, Hoch­druck­ein­sprit­zung und Sen­so­ren aus­kom­men. Unmög­lich, denn dazu müss­te der gan­ze Pro­zess der Abfül­lung im luft­lee­ren Raum statt­fin­den.

Doch ist es wirk­lich eine Uto­pie?

Ein 2‑in-​1-​Prinzip im Vakuum

Dass der Groß­teil der Sauer­stoff­auf­nah­me zwi­schen Fül­ler und Ver­schlie­ßer statt­fin­det, lässt sich logi­scher­wei­se auf den feh­len­den Ver­schluss zurück­füh­ren. Die­se Tat­sa­che führ­te in der Kro­nes For­schung und Ent­wick­lung zu der Über­le­gung: Wie könn­te man das Zeit­fens­ter der befüll­ten aber noch unver­schlos­se­nen Fla­sche deut­lich ver­kür­zen, um die Sauer­stoff­auf­nah­me zu redu­zie­ren. Die logi­sche Ant­wort war schnell gefun­den: die Fla­sche muss sofort nach dem Füll­vor­gang ver­schlos­sen wer­den.

Gelun­gen ist dies erst­ma­lig der Kro­nes AG. 2017 wur­de eine Maschi­ne vor­ge­stellt, die Fül­ler und Ver­schlie­ßer in eine Ein­heit zusam­men­fasst und dabei die Sauer­stoff­auf­nah­me nahe­zu eli­mi­niert: der Dyna­fill

Doch wie funk­tio­niert das genau?

Zunächst fährt das Füll­ven­til in eine Druck­kam­mer und eine Glas­fla­sche wird ange­presst. Nach­dem der Behäl­ter mit CO2 gespült wur­de, star­tet schon der Füll­pro­zess, der bei Errei­chen des Kes­sel­drucks been­det wird.

Par­al­lel wird wäh­rend des Spül­vor­gangs auch ein Ver­schluss ein­ge­ge­ben und die gesam­te Kam­mer abge­dich­tet. Die Druck­kam­mer wird eva­ku­iert und mit CO2 beauf­schlagt. Hat das Füll­ven­til sei­ne Auf­ga­be been­det, fährt es zurück und macht Platz für den Ver­schlie­ßer­kopf, der einen Kro­nen­kor­ken auf die Fla­sche setzt. Die Fla­sche senkt sich und fährt aus der Füll- und Ver­schließ­ein­heit.

Der Dynafill von Krones birgt große Vorteile in Sachen Qualität, da das System eine Abfüllung in geschlossener, definierter Atmosphäre ermöglicht. Das Fehlen des Rückgases bei der Abfüllung verhindert, dass der Füllkessel mit Sauerstoff belastet wird.

Der geschlos­se­ne hygie­ni­sche Füll- und Ver­schließ­be­reich sorgt für opti­ma­le Pro­dukt­rein­heit, denn es muss kein Rück­gas in den Pro­dukt­kes­sel zurück­ge­führt wer­den. Außer­dem ist kei­ne Hoch­druck­ein­sprit­zung erfor­der­lich und beim Fül­len geht kein Pro­dukt ver­lo­ren. Ergän­zend eli­mi­niert die Abfül­lung in einem Vakuum-​ähnlichen Raum die Sauer­stoff­auf­nah­me bei die­sem Pro­zess nahe­zu voll­stän­dig.

Die Maschi­ne war im Brau­we­sen eine klei­ne Revo­lu­ti­on: Sie ermög­licht, die Fla­sche inner­halb einer hal­ben Sekun­de zu fül­len. Zusam­men mit dem Ver­schlie­ßen dau­ert der gesam­te Pro­zess gera­de ein­mal fünf Sekun­den. Die Maschi­ne ist damit bemer­kens­wert schnell, eli­mi­niert qua­si neben­bei das Über­lau­fen des Schau­mes bei der Abfül­lung und redu­ziert die Sauer­stoff­auf­nah­me dras­tisch.

Ein wei­te­rer Vor­teil am Ran­de: Dank die­ses 2‑in-​1-​Prinzips benö­tigt die Anla­ge deut­lich weni­ger Platz als eine übli­che Füller-​Verschließer-​Kombination.

Große Technologien für kleine Anwendungen

Hob­by­brau­er ste­hen oft vor vie­len Her­aus­for­de­run­gen, wie in die­sem Bei­spiel bei der Redu­zie­rung der Sauer­stoff­auf­nah­me. So kommt oft ein Fül­ler mit Kurz­rohr zum Ein­satz. Die Druck­be­auf­schla­gung mit CO2 erfolgt dabei von oben. Das End­re­sul­tat: Im unte­ren Bereich bzw. in der gan­zen Fla­sche hat man noch sehr viel Sauer­stoff und das Bier fließt durch die­sen Raum. Eine ver­stärk­te Sauer­stoff­auf­nah­me ist die Fol­ge. Dies kann ver­mie­den wer­den, indem man zunächst im Hob­by­bereich einen Lang­rohr­fül­ler ein­setzt, bei dem durch das Lang­rohr die Fla­sche mit CO2 gespült, vor­ge­spannt und befüllt wird. Hier ist eine signi­fi­kan­te Redu­zie­rung der Sauer­stoff­auf­nah­me zu ver­zeich­nen.

Zusätz­lich soll­te beim manu­el­len Ver­kor­ken dar­auf geach­tet wer­den, dass mög­lichst wenig Luft im Fla­schen­hals ist. Dies kann durch leich­tes Auf­schäu­men des Bie­res ver­min­dert wer­den. Ein leich­tes schla­gen gegen die Fla­sche kann den gewünsch­ten Effekt dabei schon her­bei­füh­ren.

Und um die best­mög­li­chen Resul­ta­te zu erzie­len, gibt es Bast­ler, die gewöhn­li­che Vaku­um­pum­pen modi­fi­zie­ren und damit die Fla­sche vor der Beauf­schla­gung mit CO2 vor­eva­ku­ie­ren.

Wie man sieht benö­tigt man in der Heim­braue­rei Ein­falls­reich­tum. Manch­mal lohnt es sich aber, die Lösun­gen der gro­ßen Pro­zess­tech­nik­an­bie­ter zu betrach­ten um eige­ne, bedarfs­ori­en­tier­te Ant­wor­ten zu fin­den. So ver­fah­ren auch gro­ße Maschi­nen­bau­un­ter­neh­men wie Kro­nes. Ent­wick­lun­gen und Tech­no­lo­gien, die im gro­ßen Maß­stab Anwen­dung fin­den, wer­den auch für den Ein­satz bei Maschi­nen mit klei­ner Leis­tung geprüft und gege­be­nen­falls adap­tiert. Und natür­lich auch umge­kehrt. Denn oft kann eine klei­ne Idee eine gro­ße Wir­kung ent­fal­ten.

Doch nicht nur bei der Redu­zie­rung des Sauer­stoff­ein­sat­zes kann man sich von den „Gro­ßen“ etwas abschau­en. Auch bei Sicher­heits­aspek­ten: So ist ein Split­ter­schutz bei der Abfül­lung unter Gegen­druck uner­läss­lich, um vor teil­wei­se schwe­ren Ver­let­zun­gen zu schüt­zen.

Bei allen Unter­schie­den glei­chen sich die pri­va­ten Brau­er und die kleinen‑, mit­tel­stän­di­schen sowie Gro­ßen Unter­neh­men jedoch in einem wich­ti­gen Punkt: bei dem Anspruch, ein gutes Bier zu brau­en. Ein Bier, auf das man als Brau­er stolz ist.

Egal ob bei großen Abfüllbetrieben oder bei Hobbybrauereien: Jeder muss für seine Bedürfnisse maßgeschneiderte Lösungen finden.


Phil­ipp Schön
Kro­nes AG
09401 — 70 4567

Flo­ri­an Pöschl
Kro­nes AG
09401 – 70 6943

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