Die Herausforderung der Bierabfüllung

Was aus Sicht eines Brauers ganz einfach klingt, bereitet den Fachleuten der Vakuumtechnik große Kopfschmerzen. Im Prinzip ist das Entlüften einer Glasflasche eine äußerst einfache Aufgabe, die bereits vor mehr als hundert Jahren erfolgreich bewältigt wurde (Glasmuseum Wertheim 2025). Die modernen Abfüllmaschinen von heute füllen wiederum 60.000 Flaschen pro Stunde oder sogar noch mehr.

Das Entleeren einer Flasche, das Spülen mit CO₂ und das Befüllen geschieht innerhalb von Sekunden (Krones 2025). Ein gewisses Überlaufen ist grundsätzlich unvermeidbar, nicht nur im Falle einer Fehlfunktion. Somit gelangt eine beträchtliche Menge Flüssigkeit in das Vakuumsystem.

Vakuumpumpen sind nicht risikofrei

Tatsächlich sind Vakuumpumpen dafür ausgelegt, Gase von niedrigem auf atmosphärischen Druck zu komprimieren. Flüssigkeiten hingegen sind grundsätzlich inkompressibel. Schlimmer noch: Die Flüssigkeit, in der Regel Wasser, die in das Vakuumsystem gelangen könnte, kann aufgrund des Temperaturanstiegs einen Phasenübergang (Verdampfung) durchlaufen. Vakuumpumpen können leicht Innentemperaturen von über hundert Grad erzeugen – genug, um jegliches flüssige Wasser zu verdampfen.

Nur 18 g flüssiges Wasser, das ein Volumen von etwa 18 ml einnimmt, nehmen bei Verdampfung bei Raumtemperatur ein Volumen von etwa 24 l ein – ein Faktor von 1.333. Abgesehen von der möglichen Entstehung von Überdrücken kann die Verdampfung im Inneren von Pumpen das Wärmemanagement erheblich stören, insbesondere bei sogenannten Trockenpumpen, die ohne jegliches Schmiermittel im Ansaugraum arbeiten.

Dennoch geht die größte Gefahr für Vakuumsysteme möglicherweise von den verschiedenen Bestandteilen des Bieres aus, die Ablagerungen bilden können. Zucker und Stärke, die aus Malz stammen und durch Tröpfchen transportiert werden, können harte Schichten bilden, beispielsweise durch Karamellisierung. Unabhängig davon, für welche Pumpentechnologie man sich entscheidet, sind vorzeitige Pumpenausfälle möglich – ja sogar wahrscheinlich.

Der beste Weg, ein Vakuumpumpensystem zu schützen, besteht darin, den flüssigen Anteil vom gasförmigen zu trennen. Es stehen zahlreiche Lösungen zur Verfügung, um Flüssigkeiten, meist in Form von Tröpfchen, aus Gasströmen abzutrennen. Zyklone nutzen die hohe Trägheit von Tröpfchen in konzentrischen Gasströmen.

Die Zentrifugalkraft drückt die Flüssigkeitspartikel, die eine höhere Dichte als das Gas haben, an die Wand des Zylinders, während die Gasmoleküle durch den zentralen Auslass des Behälters entweichen können. Filter mit speziell auf bestimmte Anwendungen zugeschnittenen Patronen können im Grunde alle relevanten Partikel aus dem Prozess entfernen, können jedoch die Sauggeschwindigkeit verringern, insbesondere wenn sie verstopft sind. Leider ist die Sache bei der Bierabfüllung noch komplizierter. Der Grund dafür ist der Schaum.

Das Problem mit dem Schaum

Für manche Biertrinker ist er sogar wichtiger als die köstliche Flüssigkeit darunter – der Schaum oder die Schaumkrone eines guten Bieres. Der Schaum ist alles andere als ein Nebenprodukt der Gärung und der Freisetzung von Kohlendioxid – er ist ein Gestaltungselement. Dementsprechend gibt es eine Vielzahl veröffentlichter Forschungsarbeiten zu diesem Thema.

Das Bier, das in das Vakuumsystem gelangt, wird im Grunde genommen zum Schäumen gezwungen. Abgesehen von dem Schaum, der durch die turbulente Strömung der Flüssigkeit entsteht, was zur Bildung von Gaseinschlüssen führt, findet eine stetige Freisetzung von CO₂ aus der Flüssigkeit statt.

Die Freisetzung von Kohlendioxid allein reicht jedoch nicht aus, um Schaum zu erzeugen. Zahlreiche Inhaltsstoffe des Bieres wirken als Tenside, die die Bildung stabiler Blasen an der Oberfläche der Flüssigkeit ermöglichen.

Die Löslichkeit eines Gases in einer Flüssigkeit wird durch das Henrysche Gesetz beschrieben, das im Wesentlichen besagt, dass das Verhältnis zwischen dem Gas in der Gasphase über der Flüssigkeit und dem in der Flüssigkeit gelösten Gas konstant ist – die Henry-Konstante.

Die Löslichkeit von CO₂ in Wasser ist aufgrund der Bildung von Kohlensäure H₂CO₃ und deren ionischen Dissoziationsprodukten (Bicarbonat HCO₃⁻ und Carbonat CO₃^2-) außerordentlich hoch (Sander 2023, Speers und Macintosh 2013).

Das Öffnen einer Bierflasche bedeutet, den Innendruck, der typischerweise unter 6 bar liegt (begrenzt durch die Druckentlastung des Kronkorkens), auf Atmosphärendruck zu senken. Bier, das in das Vakuumsystem gelangt, ist einem sogar zehnmal niedrigeren Druck ausgesetzt, was unweigerlich zur Freisetzung von CO₂ führt.

Obwohl das Bier in einer geöffneten Flasche eine stark übersättigte Flüssigkeit ist, findet die Blasenbildung kaum in der Flüssigkeit selbst statt. Wer das Sprudeln in einem Glas schon einmal genau beobachtet hat, weiß, dass Blasen an der Glasoberfläche entstehen.
Keimbildungsstellen sind typischerweise kleine Unebenheiten mit erhöhter Rauheit im mikroskopischen Maßstab.

Während sich vollkommen glatte Oberflächen leicht mit der Flüssigkeit bedecken lassen, können mikroskopische Vertiefungen aufgrund der Oberflächenspannung nicht ausgefüllt werden. Hier kann sich das aus dem Bier freigesetzte Gas ansammeln. Um weiter zu wachsen und eine Blase zu bilden, muss ein bestimmter Radius überwunden werden. Der Grund dafür ist der Laplace-Druck 2, der den Innendruck einer Blase bestimmt und so hoch sein kann, dass sich das Gas leichter wieder in der Flüssigkeit löst, als dass es in die Blase diffundiert.

Kleine Blasen schrumpfen daher und verschwinden, insbesondere wenn sie vollständig von der Flüssigkeit umgeben sind (homogene Keimbildung). Die Bedingungen an rauen Oberflächen sind für die Blasenbildung günstiger (heterogene Keimbildung). Kleine Spalten können das Gas vor hohen Laplace-Drücken schützen, und schließlich kann sich genug Gas ansammeln, um ausreichend große Gasblasen zu bilden. Da der Laplace-Druck mit dem Radius abnimmt, wird die Diffusion von Gas in die Blase energetisch günstiger, und die Blase kann weiter wachsen. Ab einer bestimmten Größe erzwingt der Auftrieb das Ablösen der Blase, und sie steigt an die Oberfläche.

Dieses Verhalten lässt sich grundsätzlich in jedem Glas beobachten, am besten jedoch in Gläsern mit sogenannten „Moussier-Punkten“ (auch „Efferveszenzpunkte“ genannt) (Zwiesel-Glas 2025). Dabei handelt es sich um Stellen mit bewusst erhöhter Rauheit, die eine intensive Blasenbildung auslösen.

Auf ihrem Weg nach oben wächst die Blase noch etwas weiter, da der durch das Gewicht der darüber liegenden Flüssigkeit verursachte Druck abnimmt. Man kann grob von einem Druckabfall von einem mbar pro Zentimeter ausgehen. Selbst in hohen Gläsern ist der Gesamtdruckabfall und damit das Blasenwachstum gering, da der atmosphärische Druck (circa 1.000 mbar) davon unberührt bleibt und hinzugerechnet werden muss.

Das Erreichen der Oberfläche des Getränks bedeutet für die meisten Blasen das Ende. Mineralwasser und Sekt sind bekannte Beispiele dafür. Bei Bier hingegen können Blasen an der Oberfläche überleben, dank Inhaltsstoffen, die als Tenside wirken.

Proteine (LTP1, Z, …) – die hauptsächlich aus Weizenmalz stammen –, Iso-Alphasäuren aus Hopfen und Polysaccharide sind nur einige der oberflächenaktiven Stoffe, die die Schaumbildung und -stabilisierung begünstigen. Im Bier sind auch Substanzen vorhanden, die der Schaumbildung entgegenwirken. Lipide, freie Fettsäuren und nicht zuletzt Ethanol wirken sich negativ auf die Schaumbildung aus.

Das komplexe Zusammenspiel dieser Inhaltsstoffe führt zu einer Oberflächenspannung von Bier, die niedriger ist als die von Wasser. Während Wasser eine Oberflächenspannung von etwa 73 mN/m aufweist, liegt diese bei typischen Bieren im Bereich von 40 bis 50 mN/m.
Reines Wasser ist natürlich nicht in der Lage, zu schäumen. Es ist jedoch bemerkenswert, dass wasserbasierte Seifenlösungen, die zur Herstellung von Seifenblasen verwendet werden, typischerweise noch niedrigere Oberflächenspannungswerte aufweisen, was dazu beiträgt, die sehr dünnen Filme bis hinunter auf einige Nanometer zu stabilisieren.

Diese geringen Filmdicken sind der Grund dafür, dass Seifenblasen so farbenprächtig sind. Interferenzeffekte des reflektierten Lichts an der Innen- und Außenfläche können dazu führen, dass verschiedene Wellenlängen des sichtbaren Lichts (circa 400 bis 800 nm) ausgelöscht werden.

Glücklicherweise kommen solche dünnen Wandstärken bei Bierblasen kaum vor. Zudem sorgt die Mehrfachstreuung des Lichts im Bier für das typische, schöne weiße Aussehen.

Man könnte hoffen, dass Bierschaum unter Vakuum einfach platzt. Allein durch Anwendung des idealen Gasgesetzes lässt sich erkennen, dass eine Schaumblase bei 0,1 bar das Zehnfache des Volumens einnimmt wie bei 1 bar. Dies verringert natürlich die Dicke der Blasenhülle. Die neue Dicke lässt sich näherungsweise berechnen mit: x^'=xa^(-2/3), wobei a die Volumenvergrößerung a=V₂/V₁ ist und x’ beziehungsweise x die Dicke nach beziehungsweise vor der Volumenvergrößerung 3. Die ursprüngliche Dicke der Blasenhaut verringert sich nur auf (V₂/V₁)(-2/3) = 0,21, also etwa ein Fünftel der ursprünglichen Dicke.

Die Hoffnung, dass der Schaum unter Vakuumbedingungen einfach platzt, weil das Volumen zunimmt, ist jedoch vergeblich. Vom Kontakt mit der Flüssigkeitsoberfläche aufgrund des Auftriebs bis zum endgültigen Bersten der Schaumblasen kann sich die Wandstärke zwischen zwei Blasen um Größenordnungen ändern.

Biergläser-Experiment

Dies wird in Leybolds Biergläser-Experiment anschaulich demonstriert. Es zeigt das Wachstum von Blasen infolge einer Verringerung des Umgebungsdrucks. Am Ende schießen riesige Blasen aus dem Glas. Man kann auch beobachten, dass die Form der Blasen alles andere als rund ist. Die Bildung von Plateau-Grenzen 4 ist bei Schäumen mit dünnen Filmgrenzen gut bekannt.

Im Allgemeinen ist aufgrund der Oberflächenspannung eine kugelförmige Blasenform energetisch günstig. Bei zwei nebeneinander liegenden Blasen, zwischen denen kaum Flüssigkeit vorhanden ist, kann diese Bedingung nicht für beide Blasen gleichzeitig erfüllt werden. Das Ergebnis ist eine flache Grenze ohne Krümmung. Die Schaumstruktur mit mehreren solcher Blasen, zwischen denen kaum Flüssigkeit vorhanden ist („Trockenschaum“), folgt den Gesetzen von Plateau: Drei Filme treffen an einer Plateau-Grenze in einem Winkel von 120 Grad aufeinander, und an einem Scheitelpunkt bilden vier Plateau-Grenzen ein Tetraeder mit einem Winkel von 109,49 Grad zwischen ihnen.

Bei Bierschaum ist dieses Verhalten jedoch kaum zu beobachten. Der Grund dafür ist, dass er während seiner gesamten Lebensdauer in der Regel feucht bleibt. Es gibt verschiedene Mechanismen, die zum Zerfall von Schaum führen, doch nicht alle sind für Bier gleichermaßen wichtig.

Drainage beschreibt den – durch die Schwerkraft angetriebenen – Fluss von Flüssigkeit aus dem Schaum zurück in die Flüssigkeitsphase. Sie ist der Hauptmechanismus, der den Film zwischen zwei Blasen verdünnt. Stabilisierende Mechanismen wie der Marangoni- oder Gibs-Marangoni-Effekt (die Flüssigkeit wandert aufgrund eines Gradienten der Oberflächenspannung in Bereiche mit hoher Oberflächenspannung) wirken dem entgegen und verhindern ein vorzeitiges Aufbrechen.

Tatsächlich sind Schaumzerfallsmechanismen wie Blasenbruch oder Koaleszenz in Bierschaum kaum zu beobachten – im Gegensatz zu anderen Schaumarten. Die Schaumkrone eines Bieres kann je nach Biersorte bemerkenswert stabil sein.

Die Ostwald-Reifung, manchmal auch als Disproportionierung bezeichnet, beschreibt das bevorzugte Wachstum größerer Blasen auf Kosten kleinerer Blasen. Auch hier treibt der höhere Laplace-Druck kleinerer Blasen die Diffusion von Gas in größere Blasen an.

An der obersten Schicht der Schaumblasen diffundiert CO₂ aufgrund des Partialdruckunterschieds schnell in die Umgebung – ein wichtiger Effekt für die Schaumalterung. Bei einigen Bieren wird dieser Effekt durch die Zugabe von Stickstoff wirksam gemildert. Die geringe Löslichkeit von N₂ in wässrigen Lösungen und der hohe Stickstoffanteil in der Luft behindern den Gasaustausch.

Aus vakuumtechnischer Sicht ist Schaum ein sehr schwieriger Gegner. Zyklone können kleine Schaumfragmente kaum abscheiden, da die effektive Dichte (und damit die Trägheit) nahe an der des Gases 5 liegen kann. Filter wiederum verringern stets die Sauggeschwindigkeit des Vakuumpumpensystems. Sind sie einmal verstopft, ist der Leistungsabfall noch gravierender. Nasser Schaum kann sogar Filter durchdringen, und die nachgeschaltete Flüssigkeit kann neuen Schaum erzeugen, der zudem durch den Druckabfall über dem Filterelement ausgelöst wird.

Vermeidung von Schaum

Die eindeutig beste Methode, mit Schaum in einem Vakuumsystem umzugehen, ist, Schaum zu vermeiden. Dafür gibt es zahlreiche chemische Möglichkeiten. Leider reagieren Lebensmittelanwendungen äußerst empfindlich auf jegliche Art von Chemikalien, die ihr Produkt verunreinigen könnten. Keine Brauerei wird dieses Risiko eingehen, auch wenn es vielleicht nur bei seltenen Störungen auftritt.

Es gibt auch andere Möglichkeiten der Entschäumung. Die Ultraschallentschäumung beispielsweise beruht auf Resonanzeffekten bei Schaumblasen, deren Durchmesser im Bereich der akustischen Wellenlänge liegen. Die mechanische Entfernung von Schaum ist natürlich relativ einfach. Beide Methoden lassen sich unter Vakuumbedingungen jedoch nicht ohne Weiteres anwenden.

Ein interessanter Ansatz zur passiven Schaumkontrolle ist die Oberflächenbehandlung. Jüngste Studien zu superamphiphoben Oberflächen zeigen bemerkenswerte Ergebnisse. Nanopartikelbasierte Oberflächenbeschichtungen erzeugen einen Luftspalt, in dem Gasblasen platzen und das Gas freisetzen können, bevor sie die Flüssigkeitsoberfläche erreichen und zum Schaumbildung beitragen.

Technisch gesehen sind Wasserringpumpen wahrscheinlich die widerstandsfähigsten Pumpenlösungen, doch sie gehen mit einem hohen Wasserverbrauch und einer deutlich geringeren Energieeffizienz einher, was einen höheren Energieverbrauch als bei modernen Pumpenlösungen bedeutet. Der ständig rotierende Flüssigkeitsring verursacht naturgemäß höhere Strömungsverluste als Rotationsmechanismen, die auf Ölschmierung basieren, oder gar solche ohne jegliches Dichtungsmittel – sogenannte „trockene“ Pumpen.

Wasserringpumpen

Wasserringpumpen können effizienter werden, wenn innerhalb der Pumpe ein erheblicher Kondensationseffekt auftritt; da die Hauptbestandteile des Gasgemischs bei der Bierabfüllung jedoch Luft und Kohlendioxid sind, findet im Grunde keine Kondensation statt. Der Unterschied im Wirkungsgrad (= Förderleistung/Leistung) kann leicht 20 bis 30 Prozent erreichen, was 40 (m³/h)/kW statt 50 (m³/h)/kW bedeutet. Drücke, die deutlich unter 100 mbar liegen – wie sie bei der Bierflaschenabfüllung erforderlich sein können, stellen für LRP eine noch größere Herausforderung dar. Bei 10 mbar erreichen moderne Trockenschraubpumpen Wirkungsgrade von mehr als 90 (m³/h)/kW – ein Druck, der für Wasserringpumpen nicht erreichbar ist.

Ölgeschmierte Vakuumpumpen

Ölgeschmierte Vakuumpumpen kommen in der Bierabfüllung zum Einsatz, obwohl diese Technologie zwangsläufig das Risiko einer Rückkontamination des Produkts birgt (beispielsweise bei einer versehentlichen Entlüftung des Systems durch die Pumpe). Daher können sogenannte „lebensmitteltaugliche“ Öle als Schmiermittel für die Pumpen verwendet werden.

Ein Lebensmittelskandal lässt sich jedoch kaum abmildern, wenn Kunden erfahren, dass sich lebensmitteltaugliches Öl in ihrem Bier befand. Abgesehen davon reagiert jedes Schmiermittel empfindlich auf selbst geringste Mengen an Rückständen aus dem Abfüllprozess. Darüber hinaus ist das Ausspülen oder Auflösen von Prozessmaterial unmöglich, da sich das Spülmittel unweigerlich mit dem Schmiermittel vermischt.

Die Trockenpumpentechnologie, bei der in der Saugkammer kein Schmiermittel verwendet wird, lässt sich spülen und ist möglicherweise die beste Pumpentechnologie, solange ein Verschleppen aus dem Abfüllprozess nicht vollständig vermieden werden kann. Auch heute noch stellt Schaum eine große Herausforderung für Vakuumsysteme dar.