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Digitale Massendurchflussregler Intelligente Sauerstoffregelung verbessert Brauprozess

Von Saskia Hantsche*

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Mettler-Toledo GmbH
Process Sensing Technologies PST GmbH
Brooks Instrument GmbH

Craft-Bier bedeutet „handwerklich gemachtes Bier”, und tatsächlich legen Craft-Bier-Brauer großen Wert auf traditionelle Herstellungsprozesse. Doch während man bei den Rezepturen experimentieren darf, muss der Brauprozess selbst genau kontrolliert und präzise gesteuert werden. Die größte Mälzerei der USA setzt hier auf digitale Massendurchflussregler.

Digitale Massedurchflussregler wie der SLAMf verfügen über native Funktionen, welche die gesamte Produktion sicherer machen und ihre Performance steigern. Er kann beispielsweise eine Vielzahl von Daten zu sammeln, welche die Abläufe und kritischen Prozesse innerhalb der Produktion optimieren.
Digitale Massedurchflussregler wie der SLAMf verfügen über native Funktionen, welche die gesamte Produktion sicherer machen und ihre Performance steigern. Er kann beispielsweise eine Vielzahl von Daten zu sammeln, welche die Abläufe und kritischen Prozesse innerhalb der Produktion optimieren.
(Bild: Brooks Instrument)

Einer der wichtigsten Prozesse beim Bierbrauen ist die Gärung. Damit der Zellstoffwechsel der Hefekulturen reibungslos funktioniert, ist eine stabile Prozessumgebung erforderlich. Die Bierhefe (Saccharomyces cerevisiae) benötigt einen konstanten, optimalen Sauerstoffgehalt und eine kontrollierte Temperatur. Nur unter idealen Bedingungen kann sie möglichst viel Zucker in Kohlendioxid und Alkohol umwandeln. Bereits minimale Abweichungen oder Störungen können die Mikroorganismen schädigen oder sogar zerstören.

Daher wollte Rahr Malting den Gärprozess modernisieren und den gesamten Ablauf besser kontrollieren. Bisher war die Regulierung des Sauerstoffgehalts mittels mechanischer Druckluftzufuhr erfolgt, gemessen durch Schwebekörper-Durchflussmesser (Rotameter). Bei der Modernisierung der Prozesse entschied sich das Unternehmen auf Innovation zu setzen – und die Sauerstoffzufuhr intelligenter zu regeln.

Die Mälzerei Rahr Malting
Hintergrund

Der überwiegende Teil der Brauereien in den USA bezieht sein Malz von Rahr Malting in Shakopee, Minnesota, der größten Mälzerei der USA. Dort wird nicht nur gemälzt, sondern hier werden auch neue Rezepturen getestet und weiterentwickelt.
Der überwiegende Teil der Brauereien in den USA bezieht sein Malz von Rahr Malting in Shakopee, Minnesota, der größten Mälzerei der USA. Dort wird nicht nur gemälzt, sondern hier werden auch neue Rezepturen getestet und weiterentwickelt.
(Bild: Brooks Instrument)

Alles begann mit der Brauerfamilie Rahr, die 1847 vom Rheinland aus nach Amerika auswanderte, und ihrer großen Leidenschaft für gutes Bier. Weil immer mehr deutsche Siedler nach deutschem Qualitätsbier verlangten, gründete William Rahr die Eagle Brewery: die erste Lagerbierbrauerei in Wisconsin. Boden und Klima ließen dort Gerste von besonderer Qualität wachsen – wie geschaffen für das Bierbrauen. So gründete William Rahr auch gleich noch eine Mälzerei, die nicht nur seine eigene Brauerei beliefern sollte, sondern auch mehrere benachbarte Brauereien. Heute, fast 175 Jahre später, ist Rahr eine der größten und erfolgreichsten Mälzereien der Welt. Rahr Malting produziert und liefert das Malz für rund 90 Prozent der Brauereien in den USA.

Die Messung und Steuerung von Sauerstoff in Flüssigkeiten ist etwas für Spezialisten. Deshalb wandte sich Rahr für eine Lösung an ein Fachunternehmen für Prozessinstrumentierung, die William E. Young Company aus St. Paul, Minnesota. Nach einer Analyse der Anforderungen empfahlen die Experten, anstelle der Rotameter auf moderne, digitale Massendurchflussregler zu setzen. „Nach der Erweiterung des Technical Centers wollte Rahr dazu übergehen, reinen Sauerstoff anstelle von Luft zu verwenden. Dadurch wollten sie die Hefe stärker aktivieren, reproduzierbare Sudrezepturen herstellen und im Endeffekt die Produktionsmengen maximieren. Und dazu brauchten sie einen kontrollierbaren, automatisierten Prozess”, erklärt Jan Christensen, der Experte für Massendurchfluss von Brooks Instrument vor Ort.

Digitale Massendurchflussregler (MFC) haben den Vorteil, dass sie die Verbindung zur Prozessleittechnik dank digitaler Protokolle besonders einfach machen. Über Protokolle wie zum Beispiel Ethernet/IP, Profinet oder EtherCAT lassen sich die vom MFC bereitgestellten Daten direkt in die Steuerung einbeziehen – in Echtzeit.

Komfortzone für die Hefe

Die William E. Young Company empfahl einen digitalen Massendurchflussregler von Brooks Instrument mit einem robusten NEMA4X/IP66-Schutzgehäuse. Der Massendurchflussregler der Serie SLAMf kann mithilfe eines Sensors den Sauerstoffdurchfluss präzise messen, den Wert mit einem eingestellten Grenzwert abgleichen und dann den Zufluss über das integrierte Präzisions-Ventil elektronisch steuern. Der Einsatz dieser modernen Regler gewährleistet, dass der Sauerstoffgehalt im Gärkessel immer im optimalen Bereich bleibt – der „Komfortzone“ für die Hefekulturen.

Damit dies funktioniert, reagiert der thermische Massendurchflussregler in Millisekunden auf Veränderungen und hält Prozesse auf Kurs. Seine Reaktionsgeschwindigkeit ist von großer Bedeutung, wenn Sauerstoff-Grenzwerte unter- oder überschritten werden. Das dicht schließende Ventil („zero-leak-by“) sorgt darüber hinaus dafür, dass die zugeführten Mengen präzise eingehalten werden. Wichtig für die Auswahl des Geräts war auch die hohe Reproduzierbarkeit. Sie stellt sicher, dass die geregelten Werte immer wieder erreicht werden und die Abweichungen nicht zu groß werden. Dazu wird der MFC regelmäßig mit primären Referenzstandards validiert und kalibriert.

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Der Schlüssel zu mehr Sicherheit und Performance

Digitale MFCs wie der SLAMf verfügen über native Funktionen, die die gesamte Produktion sicherer machen und ihre Performance steigern. Er ist beispielsweise in der Lage, eine Vielzahl von Daten zu sammeln, welche die Abläufe und kritischen Prozesse innerhalb der Produktion optimieren. Gegenüber den analogen Protokollen von früher setzen sich zunehmend die digitalen Kommunikationsprotokolle durch. Klar im Trend sind hierbei Ethernet basierte Protokolle wie Ethernet/IP, Ethercat oder Profinet, wie sie bereits im SLAMf und in anderen neuen MFCs der SLA-Serie von Brooks Instrument integriert sind.

Die vielen Vorteile moderner Steuerungs-, Diagnose- und Alarmfunktionen lassen sich erst durch digitale Protokolle nutzen. Denn sie vernetzen Sensoren, Antriebe, Pumpen, Messgeräte, Regler und vieles mehr mit der zentralen Steuerung oder SPS. Im SLAMf und den anderen intelligenten MFCs von Brooks Instrument sind bereits viele Alarm- und Diagnosefunktionen eingebettet, welche die Wartung und Instandsetzung deutlich erleichtern. Vom Kalibrierintervall bis zum Firmware-Update helfen diese beispielsweise bei der Predictive Maintenance. Mithilfe der Daten lassen sich Kalibrierintervalle auslesen und koordinieren. Servicezeiten können besser geplant und unproduktive Downtimes reduziert werden.

„Zu den Anwendungen in der Lebensmittel- und Getränkeherstellung, auf die sich unsere MFCs konzentrieren, gehören Eiscreme, Käse, Butter, Joghurt, Fleisch aus Zellkulturen und die Gärung von Bier und Wein“, sagt Al Harvey, Industrial Sales Director bei Brooks Instrument und Spezialist für industrielle Durchflussmessung. „Jede Anwendung erfordert eine messbare, konstante Menge an Luft, Kohlendioxid oder anderen Gasen, um die Rezeptur genau zu befolgen”, fügt er hinzu.

Durch die intelligente Technologie der neuen, digitalen Massendurchflussregler produziert man im Rahr Malting Technical Center nun wiederholbare und automatisierte Rezepturen auf gleichbleibend hohem Niveau. Dies wird dafür sorgen, dass das Unternehmen auch in Zukunft Biere entwickelt, die perfekt auf die Bedürfnisse der Konsumenten zugeschnitten sind.

* Die Autorin ist Biotech Specialist bei Brooks Instrument, Dresden.

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