Wissens-Zwinker: Überwachung des Biergärprozesses über Dichte und CO2 Bildung

Warum dieser Test?

Die Dichte wird bereits in den meisten Brauereien zur Überwachung des Gärprozesses und der Bestimmung des finalen Alkoholgehalts gemessen. Vor allem in Klein- und Mikrobrauereien geschieht dies meist noch immer durch «Spindeln». Hierzu muss für jeden Messpunkt eine Probe aus dem Gärtank entnommen werden, welche dann mittels Aräometer vermessen wird. Um den Gärverlauf verfolgen zu können benötigt man nun viele solcher Messungen und dementsprechend einen hohen Aufwand an Zeit und Bier. Wir stellen in diesem Wissenszwinker zwei automatisierbare Alternativen vor, einerseits die direkte Inline – Dichtemessung mittels DLO-M2 und andrerseits die (Durchfluss-) Messung des gebildeten CO2 mit einem DGF-SFS Modul.

Was ist ein Wissens-Zwinker?

Kennen Sie das Bedürfnis manchmal schnell etwas zu messen, zu zeichnen oder zu basteln? Dabei zählt die Geschwindigkeit bis zum Resultat mehr als die perfekte (wissenschaftliche) Herangehensweise. Aus diesem Grund haben wir bei uns einen Wissens-Zwinker eingeführt. Sozusagen Wissenschaft mit einem Augenzwinkern. Dabei wollen wir nicht wissenschaftlich etwas beweisen, sondern schnell etwas pragmatisch aufzeigen. Bei Interesse vertiefen wir diese Ergebnisse gerne mit Ihnen und Ihrem Projekt.

Ergebnisse

Die Stammwürze wurde gemessen und betrug 15,82° Plato gemäss DLO mit proprietärem Konzentrationspaket, die Verifikationsmessung mit dem Laborgerät DSA 5000 M (Anton Paar) ergaben 15.75 °Plato was ausgezeichnet übereinstimmt (typische Messfehler mit dem Aräometer sind im Bereich 0.1° Plato – 0.2° Plato für geübte Benutzer, mit üblichen Handheld-Geräten bei 0.25°Plato). Der Dichteverlauf wurde während dem gesamten Gärprozess kontinuierlich gemessen und ist zusammen mit dem daraus berechneten, scheinbaren Extrakt auf Abbildung 1 zu sehen. Der Verlauf ist wie erwartet: Nach einer kurzen, stabilen Anlaufphase beschleunigt sich die Reaktion, bevor sie dann in eine Sättigung läuft und der Gärprozess schlussendlich wieder zum Stillstand kommt. 

Abbildung 1: Verlauf von Dichte und scheinbarem Extrakt während des Gärprozesses

Das gegensätzliche Verhalten ist für den Alkoholgehalt zu beobachten, welcher aus diesen Daten ebenfalls berechnet werden kann (Abbildung 2)

Abbildung 2: Verlauf von Alkoholgehalt und realem Extrakt während dem Gärprozess

Somit konnten durch die Dichtemessung alle relevanten Parameter der Biergärung in Echtzeit überwacht werden und Extrakt sowie Alkoholgehalt des fertigen Bieres sind ebenfalls bekannt.

Die zweite Möglichkeit zur Bestimmung derselben Parameter besteht in der Messung des entstehenden CO2, da dies in einem festen stöchiometrischen Verhältnis zum Ethanol gebildet wird:

C6H1206 -> 2 C2H5OH+ 2CO2

Oder als Massenbilanz in g/mol:

180.16 -> 2 * 46.07 + 2* 44.01

Die summierte Strömung des mittels SFS-DGF Strömungsmodul gemessenen CO2 Flusses ergibt die insgesamt gebildete Menge CO2, aus welcher entsprechend der obigen Formel ebenfalls auf die Masse an Alkohol und somit auf den Alkoholgehalt geschlossen werden kann. Im Experiment fiel der gemessene CO2-Fluss insgesamt um einen Faktor 1.29 tiefer aus als gemäss der Dichtemessung zu erwarten wäre (Abbildung 3, Abbildung 4 zeigt dann die entsprechend korrigierte Rückrechnung des Extraktes/Alkoholgehalts). Der Reaktionsverlauf wird sehr gut durch die Strömungsmessung abgebildet, sodass eine Steuerung des Gärprozesses unter Verwendung des Korrekturfaktors bereits möglich wäre.

Abbildung 3: Gemessener CO2 Fluss im Vergleich zum erwarteten CO2 Fluss (gemäss Dichtedaten)
Abbildung 4: Rückrechnung des Alkoholgehalts sowie des Extraktes aus der CO2 Strömungsmessung mit Korrekturfaktor

Gründe für die tieferen Messwerte beim CO2 Strom könnte neben kleinen Leckagen die Feuchtigkeit sowie der Ethanolgehalt im gemessenen Gas sein (Ein thermisches Messprinzip wurde verwendet, welches sensibel auf die Gaszusammensetzung ist). Zukünftig ist für solche Messungen deshalb eine zusätzliche Bestimmung der Feuchtigkeit bzw. des Ethanolgehalts empfehlenswert. Erstere kann mittels zusätzlichem HYT-Feuchtemodul bewerkstelligt werden. Nach Messung der Feuchtigkeit kann der bereits verwendete DGF-Dichtesensor dann die Konzentration der übrigen beiden Komponenten CO2 und Ethanol bestimmen. Somit kann das thermische Durchfluss-Signal des SFS-Strömungsmoduls korrigiert und die tatsächlich gebildete Menge CO2 genauer bestimmt werden.

Welche Sensoren wurden verwendet?

Dichtesensor DLO-M2

  • Klicken Sie hier um mehr über unseren Sensor zu erfahren.

Dichtesensor DGF-i1

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Strömungssensor SFS01

  • Klicken Sie hier um mehr über den Strömungssensor der IST AG zu erfahren.

Vorgehen

Stammwürze (15.75 °Plato) wurde in eine 3l Laborflasche abgefüllt und durch Zugabe von Hefe innerhalb von < 2 Tagen vergoren (herzlichen Dank an Severin Ramseyer für Würze + Hefe). Dabei wurde das Gemisch kontinuierlich unter Verwendung eines 140um Maschenfilters durch einen DLO-M2 Dichtesensor gepumpt. Gleichzeitig wurde das entstehende CO2 durch eine Waschflasche (gefüllt mit Wasser) zu einem DGF-SFS Modul geleitet. Das Modul war auf ein Gemisch aus Luft+CO2 eingestellt. Die Daten wurden jeweils auf einem Laptop mittels «Remote Control» Software geloggt. Der gesamte Aufbau ist auf Abbildung 5 zu sehen.

Abbildung 5: Versuchsaufbau

Fazit

Eine kontinuierliche Dichtemessung mittels DLO-M2 wurde erfolgreich zur Verfolgung des Biergärprozesses umgesetzt und Extrakt sowie Alkoholgehalt des fertigen Produktes konnten bestimmt werden. Die Strömungsmessung des entstehenden CO2 stimmte qualitativ sehr gut mit der Dichtemessung überein und könnte für die Steuerung des Gärprozesses ebenfalls verwendet werden. Zur quantitativen Rückrechnung auf Alkoholgehalt und Extrakt aus den Strömungsdaten muss vorerst ein Korrekturfaktor verwendet werden. In Zukunft würde aber eine Messung der Feuchtigkeit und des Ethanolgehalts im CO2 vorgenommen, um die CO2 Menge genauer bestimmen zu können. 

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