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Durch den zunehmenden Preisdruck suchen Hersteller von Lebensmitteln, Getränken und speziell Brauereien nach Lösungen, die die Wirtschaftlichkeit ihres Prozesses verbessern. Nicht nur im eigentlichen Produktionsprozess, sondern auch bei der Verarbeitung von Nebenprodukten gibt es in vielen Unternehmen ökonomisch interessante Verbesserungspotenziale. Möglichst einfach soll es gehen, diese zu heben - niemand möchte Zusatzaggregate in seine Fertigung integrieren, die das Einsparpotenzial durch Bedienaufwand, hohe Betriebskosten oder Störanfälligkeit zunichte machen. Anhand der Brauindustrie sollen drei Beispiele zur Prozessoptimierung mit Hilfe von Trenntechnologie betrachtet werden. Im Fokus liegt die Bierrückgewinnung aus Überschusshefe. (Überschusshefe ist die während der Fermentation am Tankboden abgesetzte Hefemenge) Diese enthält einen beträchtlichen Anteil an Bier. Die in einer Brauerei durchschnittlich anfallende Menge an Überschusshefen und Geläger beträgt je nach Brauverfahren etwa 2 bis 3Prozent des Gesamtjahresausstoßes. Eine Brauerei mit einem Ausstoß von etwa 1Mio. hl pro Jahr kommt so auf eine Verlustmenge von 3Mio. l Bier - eine beachtenswerte Menge. Für die Trennung der Bier-Hefe-Suspension bestehen verschiedene Verfahren:
�?� Trennung mittels Crossflow-Membranfiltration �?� Zentrifugale Trennung mittels Separator �?� Zentrifugale Trennung mittels Dekanter bzw. SedicanterEntscheidend für die Effizienz der Hefebiergewinnung ist ein hoher Hefe-Trockensubstanzgehalt (HTS) in der abgetrennten Hefe. Je höher dieser Gehalt, desto besser ist die Ausbeute an rückgewonnenem Bier. Es gilt, die Sauerstoffaufnahme zu vermeiden. Außerdem sollte der Aufwand für den Betrieb sowie die CIP-Reinigung möglichst gering sein. Idealerweise sollen diese Trennsysteme einfach in bestehende Anlagen zu integrieren sein.
Crossflow: effizient, aber aufwendige Technik
Im Praxiseinsatz bietet gegenüber traditionellen Methoden wie Hefepressen die Crossflow-Membranfiltration erhebliche Vorteile. Diese Filtrationsmethode kann als kontinuierliches Verfahren oder als Batch-Prozess betrieben werden. Die Hefe wird auf etwa 20 bis 22Prozent HTS konzentriert. Mit diesem System kann eine Sauerstoffaufnahme im gewonnenen Bier weitgehend ausgeschlossen werden. Durch Porenweiten von 0,02 bis 0,45µm werden kleinste Partikel abgeschieden. Die Membranoberfläche wird von der Suspension angeströmt. Das Bier tritt durch den Membrankörper hindurch, zurück bleiben die Feststoffe. Um den Crossflow-Effekt zu erreichen, sind hohe Fließgeschwindigkeiten innerhalb des Filtersystems notwendig. Das führt in den rohrförmigen Membrankanälen zu hohen Druckverlusten, welchen mit entsprechendem Energieaufwand für die Förderpumpen entgegengewirkt werden muss. Durch die eingetragene Energie bzw. Abwärme der Pumpen ist eine Kühlung der zirkulierenden Hefesuspension notwendig.Die Reinigung des Systems erfolgt automatisiert nach dem CIP-Verfahren. Dabei sind das Reinigungsverfahren und die Reinigungsmittel speziell auf die verwendeten Membranen abzustimmen. Der Reinigungserfolg ist neben der Verfahrenstechnik zusätzlich von Temperatur und Konzentration der Reinigungsmittel abhängig. Den Vorteilen der Crossflow-Membranfiltration steht also ein hoher technologischer Aufwand gegenüber.
Separator: effizient, aber geringe Feststoffmenge
Eine effiziente Methode zur Trennung von Bier und Hefe ist die Verarbeitung der Suspension in einem Tellerseparator. Die Hefesuspension wird dabei zentral in die Separatortrommel gepumpt und auf die volle Drehzahl beschleunigt. Dort werden Hefe und einzelne Proteinfraktionen mit Hilfe der Zentrifugalkraft vom Bier abgetrennt. Die abgeschiedene Hefe gleitet in den Feststoffraum der Trommel und wird über einen Öffnungsmechanismus periodisch aus der Trommel ausgetragen. Durch die hohen Zentrifugalkräfte lassen sich zudem Partikel abscheiden, die kleiner als 3µm sind.Die Feststoffgehalte im Hefekuchen liegen bei circa 18 bis 20Prozent HTS. Durch die hermetische Abdichtung des Separators, zum Beispiel mit entgastem Wasser, kann eine Sauerstoffaufnahme weitgehend ausgeschlossen werden. Um eine einwandfreie Betriebsweise des Separators zu gewährleisten, sollte die Feststoffkonzentration im Zulauf der Maschine möglichst gleich bleiben. Um hohe Feststoffkonzentrationen im Zulauf verarbeiten zu können, muss die Durchsatzleistung des Separators stark reduziert werden.
Dekanter: effizient, aber schlechte Klärung
Unempfindlich gegen Feststoffkonzentrationen und Schwankungen im Zulauf sind Dekanterzentrifugen. Durch eine automatische Anpassung der Schneckendrehzahl sowie Regulierung des Flüssigkeitsstands in der Trommel (Teichtiefe) kann flexibel auf Zulaufkonzentrationen reagiert werden. Der Feststoff wird kontinuierlich durch die Förderschnecke ausgetragen. Höhere Feststoffkonzentrationen stellen für diese Zentrifugen kein Problem dar und bieten dem Betreiber zusätzliche Flexibilität. Im Ausgetragenen Hefekuchen können Feststoffgehalte von etwa 20 bis 22Prozent HTS erreicht werden. Der Vorteil liegt außerdem in der vollautomatischen Betriebsweise sowie der CIP-Fähigkeit des Systems. Durch die bauartbedingt niedrigeren g-Zahlen innerhalb der Maschine ist die Klärung des Hefebiers, besonders bei proteinreichen Suspensionen, jedoch schlechter als in einem Separator.
Sedicanter: effiziente Kombination der Vorteile
Der Sedicanter ist eine Sonderform der Dekanterzentrifuge und vereint durch seine spezielle Bauart die Vorteile von Separator und Dekanter. Innerhalb der Trommel werden Beschleunigungswerte zwischen 6.500 und 10.000g erreicht. Dadurch werden auch feinste Stoffe abgeschieden. Der Trommelmantel besteht aus einem langen flachen Konus, der die Klärzone bildet, und einem sehr kurzen steilen Konus, über den die abgeschiedene Hefe in pastöser Form ausgetragen wird. Über ein Zulaufrohr, das bis ans Ende des langen Konus reicht, wird die Suspension aufgegeben und schonend beschleunigt. Somit steht die gesamte Länge dieses Konus als Klärstrecke zur Verfügung. Flüssigkeit und Feststoff durchströmen die Klärzone in der gleichen Richtung (Gleichstromprinzip). Dadurch lassen sich Turbulenzen und Rückvermischungen vermeiden. Die größte Kompression erfährt die Hefe am größten Durchmesser der Trommel, kurz vor dem Austrag. Dadurch wird der Feststoff zusätzlich aufkonzentriert. Die Ableitung der Flüssigkeit erfolgt unter Druck. Die Sauerstoffaufnahme im Bier beträgt weniger als 0,05ppm. Durch die schnelle Verarbeitung der Suspension wird eine Temperaturaufnahme im Produkt so gut wie vermieden. Daher ist keine zusätzlich Kühlung des Verfahrensraums notwendig. Das Antriebskonzept SimpDrive regelt die Differenzdrehzahl der Schnecke, sprich: Bei größeren Feststoffschwankungen im Zulauf erhöht sich entsprechend die Menge an Feststoff innerhalb der Trommel. Das System erkennt diese Mengenzunahme über das höhere Drehmoment der Schnecke und stellt automatisch die optimale Differenzdrehzahl ein. Mit Hilfe einer verstellbaren Schälscheibe lässt sich der Flüssigkeitsring (Teichtiefe) innerhalb der Trommel anpassen. Zusammen sorgt dies für einen hohen Feststoffgehalt in der abgeschiedenen Hefe von 24 bis 28Prozent HTS, eine gute Klärung des rückgewonnenen Biers und eine gleichbleibende Produktqualität.Die automatische CIP-Reinigung des Sedicanters ist einfach. Die Maschine kann problemlos in den bestehenden Reinigungszyklus der Brauerei integriert werden. Betrachtet man eine Brauerei mit einem jährlichen Ausstoß von 1Mio. hl, so können mit dem Sedicanter etwa 19.000hl/Jahr Hefebier aus Überschusshefe zurückgewonnen werden. Abhängig vom Bierverkaufspreis amortisiert sich das System im Idealfall innerhalb von ein bis zwei Jahren.
Bierrückgewinnung lohnt sich
Die Rückgewinnung von Bier aus Überschusshefe kann die Wirtschaftlichkeit des Brauprozesses entscheidend verbessern. Eine vielversprechende Alternative gegenüber anderen Trenntechnologien bietet der Sedicanter. Diese Technologie überzeugt durch hohe Bierausbeuten, einen hohen Feststoffgehalt im Hefekuchen und minimale Sauerstoffaufnahme. Zudem zeichnet sich dieses System durch eine einfach Installation, geringe Wartungs- und Betriebskosten sowie die Bedienungsfreundlichkeit aus.
