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Optimierung der Fermentation von Bierwürze in den Phasen der Gärung und Reifung durch adaptive Strömungsgestaltung
Projekt
Förderkennzeichen: AiF 12779/09 BG
Laufzeit: 01.01.2010
- 31.12.2013
Fördersumme: 649.100 Euro
Forschungszweck: Angewandte Forschung
Die Fermentation von Bierwürze ist ein Schlüsselprozess
der Bierproduktion. Sie hat essentielle
Bedeutung für die Produkt- und Prozessqualität,
die innere Logistik und die Wirtschaftlichkeit.
Dieser komplexe Verfahrensschritt zeichnet sich
durch stark ineinander greifende physikalische,
(bio-)chemische und mikrobiologische Wechselwirkungen
aus. Zunehmend setzt sich sowohl in
der wissenschaftlichen Literatur als auch in der
Braupraxis die Erkenntnis durch, dass die Interaktionen
von Hefestoffwechsel, Stoff- und
Wärmetransport mit dem strömungsbedingten
Transport innerhalb des Gärtanks eng verbunden
sind. Dies betrifft nicht nur die Gärung, sondern
auch die Reifungs- und Lagerungsphase. Bisher
gibt es nur eine unzureichende Wissensbasis,
um adaptiv die Strömung in den Fermentationstanks
zu gestalten. Die Schließung dieser Wissenslücke
würde erhebliche ökonomische Optimierungsmöglichkeiten
bezüglich einer auf die
vorhandenen Kapazitäten und Personalressourcen
adaptierten Innenlogistik inkl. der Tankbelegungszeiten
eröffnen.
Ziel des Forschungsvorhabens ist es, eine für
den Einsatz in KMU geeignete, robuste, wissensbasierte
Optimierungsstrategie zu erarbeiten,
welche die Optimierung der Bierwürzefermentation
mittels gezielter thermischer Beeinflussung
der Konvektionsvorgänge im Fermentationstank
und/oder struktureller Maßnahmen
ermöglicht.
Folgende Teilziele werden hierbei angestrebt:
Systematische experimentelle Beschreibung
der Wechselwirkungen zwischen Hefestoffwechsel
und konvektivem Impuls-, Stoff- und
Energietransport in Abhängigkeit von praxisrelevanten
Randbedingungen (Gestaltung und
AiF 12779/09 BG
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Einstellung der Temperierzonen, Tankgeometrie,
usw.) und Anfangsbedingungen (Eigenschaften
von Würze und Hefe vor Beginn der
Gärung, mikrobiologische und rohstoffbedingte
Variabilitäten etc.).
Hieraus ergibt sich eine Datenbasis bestehend
aus physiko-chemischen und mikrobiologischen
Daten der offline-Analytik und online-
Messungen der lokalen Temperaturen
und Geschwindigkeiten in Laborfermentern
und größeren Fermentern sowie aus numerischen
Simulationen des konvektiven Impulsund
Energietransports.
Anhand der Datenbasis lassen sich Maßnahmen
zur regelungstechnischen Beeinflussung
des konvektiven Transports mittels thermischer
Aktoren und/oder struktureller Optimierung
entwerfen, um gezielt auf die Homogenität
der Hefeverteilung einzuwirken.
Aus den gewonnenen Erkenntnissen über die
Beeinflussung der Hefeverteilung und des Hefemetabolismus
durch konvektive Prozesse
und aus dem entworfenen Maßnahmenkatalog
(UZ 1-3) folgt einerseits die Bereitstellung
eines adaptiven Strömungsführungssystems
(=künstliches neuronales Netz) auf der
Grundlage hybrider Verfahren. Dieses adaptive
Strömungsführungssystem wird sich im
Anschluss an das Vorhaben mit angemessenem
Aufwand softwaremäßig in die Produktionssysteme
von KMU integrieren lassen.
Andererseits stehen erprobte strukturelle Optimierungsmaßnahmen
zur Verfügung, welche
durch apparative Nachrüstung den Eingang
in die Produktionssysteme der KMU
finden.
Die Bearbeitung des Vorhabens erfolgt branchenübergreifend
und interdisziplinär an drei Instituten
mit brauwissenschaftlicher/prozesstechnischer,
thermofluiddynamischer und regelungstechnischer
Kompetenz.
Wirtschaftliche Bedeutung:
Die Ergebnisse werden für alle Wirtschaftszweige
von Interesse sein, die sich mit Fermentationsprozessen
beschäftigen. Hierbei spielt sowohl
die durch Temperiereinheiten vermittelte
bzw. unterstützte adaptive Strömungsführung
eine Rolle (z.B. Abwasserreinigung) als auch die
erzielbare Beeinflussung des Mikroorganismenmetabolismus,
z. B. bei der Produktion sekundärer
Metaboliten wie dies in der Herstellung von
Pharmazeutika genutzt wird (z. B. bei der Antibiotikaproduktion).
Ebenso können Unternehmen
der Verfahrenstechnik, der Produktions- und
Mess-, Regel- und Automatisierungstechnik von
der Entwicklung der Optimierungs- und Prozessführungsstrategien
profitieren. Die Übertragbarkeit
der Methoden auf andere Produktionsprozesse
außerhalb der Lebensmittelindustrie ist
hierbei prinzipiell gegeben. Primärer Nutznießer
der Ergebnisse wird die Brauwirtschaft sein.
In Deutschland erwirtschafteten im Jahre 2008
1.300 Braustätten mit rund 30.000 Beschäftigten
(hiervon 93 % kleine und mittelständische
Unternehmen) einen Umsatz von 8,2 Mrd. €. Die
Ergebnisse werden diese Zielgruppe in die Lage
versetzen, ihre Produkt- und Prozessqualität zu
steigern, die Produktionskosten zu reduzieren
sowie die Umwelt zu schonen. Ein Prozessführungssystem
für die Fermentation mit dem Ziel
einer technologiegerechten Konvektion im Tank
führt zu einer verbesserten Produktqualität bei
kürzeren Fermentationszeiten, besserem Hefemanagement
und gleichzeitiger Erhöhung der Filterstandzeiten.
Dies führt zu einer Reduzierung
der Betriebskosten; gleichzeitig wird die Reproduzierbarkeit
des Herstellungsprozesses verbessert.
Bei der geplanten Entwicklung nimmt die Nachrüstbarkeit
eine zentrale Stellung ein. Der zu erwartende
minimale konstruktive Aufwand ermöglicht
die Nachrüstung bereits bestehender
Systeme bei geringen Investitionskosten.
Abschnittsübersicht
Fachgebiete
- Verfahrenstechnik Lebensmittel