Signifikante Schwandreduzierung dank Tankgeometrie und Oberflächenbeschaffenheit bei zylindrokonischen Gärtanks

Praxis-Erkenntnisse aus BrauKon-Langzeitversuch I Bierschwand ist seit jeher eine der größten Herausforderungen in Brauereien im Hinblick auf eine effiziente Biergewinnung und die Maximierung des Verkaufsbiers. Besonders bei der Herstellung von hopfenbetonten Craft-Bieren, bei denen das Hopfenstopfen oft Anwendung findet, verringert sich die Bierausbeute drastisch. Durch die neusten Praxis-Erkenntnisse eines BrauKon Langzeitversuchs kann nun durch die Anpassung zweier Merkmale innerhalb der zylindrokonischen Gärtanks (ZKTs) eine signifikante Schwandreduzierung erzielt werden – essentiell sind eine besondere Oberflächenbeschaffenheit und ein definierter Konus-Winkel.

Die Notwendigkeit des Langzeitversuchs des Anlagenherstellers BrauKon ergab sich im Rahmen einer Tankerweiterung. Durch die Ergänzung zwei neuer Gärtanks bei einem Kundenprojekt zuzüglich zu zwei bestehenden Tanks wurde schnell sichtbar, dass die Mengen der abgefüllten Biere aus den jeweiligen Tanks stark variierten.  Ein Vergleich der Abfüllberichte zeigte auf, dass die Effizienz der bestehenden Tanks besser war als die der neuen. So ergab sich auch der Bedarf das Thema Schwandreduktion in Kombination mit den möglichen Einflussfaktoren bei zylindrokonischen Gärtanks genauer zu beleuchten.

Die Rolle des Konus und der Oberflächenbeschaffenheit

Es wurden die Unterschiede zwischen den beiden verschiedenen Tanktypen herausgearbeitet und zusammen mit den Parametern, die für eine erhöhte Effizienz verantwortlich schienen, verglichen. Es kristallisierte sich heraus, dass sich die ZKTs in zwei Merkmalen signifikant unterschieden: im Konusöffnungswinkel und der Oberflächenbeschaffenheit des jeweiligen Tanks.

Während Tank 1 einen Öffnungswinkel von 70° aufwies, besaß Tank 2 einen Öffnungswinkel von 60°. Des Weiteren unterschieden sich die Tanks in ihrer Oberflächenbeschaffenheit der Innenseite des Konus. Die Oberfläche in Tank 1 besaß einen Längsschliff mit Elektropolitur, Tank 2 nur den „klassischen“ Längsschliff. Diese beiden unterschiedlichen Merkmale führten zu dem Entschluss, den Langzeitversuch mit vier verschiedenen Tanks und mit der Standardisierung von allen weiteren Variablen im Bierherstellungsprozess durchzuführen. Letztendlich gelangte man zur Hypothese, dass diese beiden oben genannten Faktoren als Ursache für die unterschiedliche Effizienz in Frage kamen. Das Ziel des Praxisversuchs war es somit, den Bierverlust, der bei der Produktion von hopfengestopften Bieren in den unterschiedlichen zylindrokonischen Tanks (ZKTs) entsteht, zu vergleichen.

Jeder Tank wurde über einen Zeitraum von zwölf Monaten im Schnitt zwischen sieben bis elf Mal belegt. Verwendet wurden vier Tanks á 60 hl:

• Tank 1 mit 60° Konus-Öffnungswinkel und klassischem Längsschliff
• Tank 2 mit 60° Konus-Öffnungswinkel mit klassischem Längsschliff und Elektropolitur <0,3 µ Rauigkeit
• Tank 3 mit 70° Konus-Öffnungswinkel mit klassischem Längsschliff
• Tank 4 mit 70° Konus-Öffnungswinkel mit klassischem Längsschliff und Elektropolitur <0,3 µ Rauigkeit

                                                

Seit jeher hoher Schwand insbesondere bei hopfenbetonten Craft-Bieren

Bei der Herstellung stark hopfenbetonter und fruchtig aromatischer Bierstile, wie Pale Ales und India Pale Ales, ist die Technik des Hopfenstopfens weit verbreitet und wird angewandt, um die Biere auf natürliche Art und Weise zu aromatisieren. Hierbei wird fast ausschließlich mit Hopfenpellets gearbeitet, die die positive Eigenschaft haben, dass sie sich sobald sie in Kontakt mit Bier kommen, auflösen und die gebundenen ätherischen Öle direkt an das Bier abgeben. Der große Nachteil beim Hopfenstopfen liegt allerdings in einem sehr hohen Bierverlust, da Hopfenpellets bei ihrer Verwendung das bis zu 6-fache des eigenen Volumens an Bier aufnehmen, ohne es im weiteren Herstellungsprozess wieder abzugeben. Das Hopfenstopfen, auch „dry hopping“ genannt, kann somit in Abhängigkeit von der eingesetzten Hopfenmenge und -Produkten den Schwand um bis zu 50 Prozent erhöhen.

Beim täglichen Umgang mit dieser Technologie in Kombination mit dem Einsatz von verschiedensten Hopfensorten, Hopfenmengen und Hopfenprodukten ist bekannt, dass die Schwände variieren können. Bis zum neusten BrauKon Praxistest wurden jedoch bislang keine Versuche unternommen, die verantwortlichen Parameter der Tankgeometrie und -beschaffenheit näher zu betrachten und herauszuarbeiten, welche Produktionsfaktoren oder Materialien angepasst werden können, um den Schwand einzuschränken und die Bierausbeute dadurch zu steigern. Durch den Langzeitversuch der BrauKon bei Frau Gruber in Gundelfingen (ehemals Camba Old Factory) wurde nun eine branchenweite Lösung gefunden, die mit einer signifikanten Effizienzsteigerung der Gärtanks und einer Maximierung der Ausbeute einhergeht.  Doch nicht selten liegt beim Thema Effizienzsteigerung in der Bierherstellung die Vermutung nahe, dass die Maximierung der Ausbeute mit einer Qualitätsminderung des Bieres einhergeht. Der aktuelle Langzeitversuch beweist nun das Gegenteil.

Bei den verwendeten Bieren handelte es sich ausschließlich um hopfengestopfte India Pale Ales, Imperial India Pale Ales und Triple India Pale Ales. Ziel war es, mit über 40 Tankbelegungen in etwas mehr als einem Jahr und gleichbleibenden Praxisbedingungen den Bierverlust sowie eine möglicherweise höhere Ausbeute zu bestimmen und das Einsparungspotential aufzuweisen. Anschließend wurde der Praxis-Test aus Gundelfingen auf der eigenen Brauanlage der Camba Bavaria am Firmensitz der BrauKon in Seeon bestätigt.  Das Resultat: Insgesamt konnten bis zu fünf Prozent Unterschied in der Ausbeute hopfengestopfter Biere erzielt werden. 

Standardisierung weiterer Einflussfaktoren

Essentiell im Hinblick auf die Vergleichbarkeit und Aussagekraft der erzielten Ergebnisse war es, dieselben Grundvoraussetzungen für jeden Tank zu schaffen sowie für die weiteren Einflussfaktoren, die bei der Bierherstellung eine signifikante Rolle spielen. Im Praxis-Langzeitversuch wurden daher alle weiteren Variablen, wie der Hefestamm und -Menge, das Hopfenprodukt und -Menge sowie die Hopfenstopftechnik, standardisiert. Zudem wurde dabei mit einem konstanten Tankvolumen gearbeitet.

• Auswahl des Hefestamms und Menge

Hefestämme besitzen unterschiedlichste Eigenschaften, die sowohl direkten Einfluss auf das Gärverhalten als auch auf das Bier selbst haben. Die Vermehrung der Hefe und die Bildung von Biomasse sowie deren Sedimentationsverhalten ist von essentieller Bedeutung, da sie maßgeblich an den Schwänden und Bierverlusten beteiligt sind. Aufgrund dieser Eigenschaft der Hefe wurden daher der Hefestamm und Hefemenge (Hefezellen / ml) im Langzeitversuch standardisiert. Der Vergärungsgrad der gewählten Hefe lag im Schnitt zwischen 75 – 82% und besitzt ein schwaches- bis mittelmäßiges Sedimentationsverhalten – was bei dieser Art von hopfengestopften Bieren – den „Hazy IPAs“ – absolut erwünscht ist. Die Menge der Zellzahl bei der Hefegabe wurde ebenfalls standardisiert.

• Auswahl der Hopfenprodukte und Menge

Noch wichtiger bei der Standardisierung der Parameter war die Auswahl der Hopfenprodukte sowie der Menge, die beim „Dry Hopping“ der Biere Verwendung finden. Einige Hopfenprodukte unterscheiden sich eklatant in ihrem Aufbau bzw. ihrer Zusammensetzung und somit auch in ihrer Wirkungsweise und ihrem Sedimentationsverhalten. Letzteres ist maßbeglich dafür verantwortlich, wie hoch die Bierschwände ausfallen. Bei Hopfenpelltes, die aus größeren Pflanzenbestandteilen bestehen, (wie Typ 90) sedimentieren deren Bestandteile erfahrungsgemäß deutlich schneller, als bei Hopfenpellets, die aus kleineren Pflanzenbestanteilen (wie Typ 45) bestehen. Aufgrund von Schwerkraft setzen sich die großen Pflanzenbestanteile schneller ab. Dies hat zur Folge, dass die Trennung zwischen Feststoffen und Bier zum einen schneller stattfindet und sich zum anderen die Lagerzeiten der Biere verkürzt. Ein weiterer großer Vorteil zeigt sich auch darin, dass der „Kalttrub“, bestehend aus Eiweiß, Hefe und überwiegend Hopfen, deutlich kompakter ist und sich dieser schneller und einfacher vom Bier trennen bzw. entfernen lässt. Aufgrund dieser Eigenschaften wurden für den Praxis-Versuch überwiegend BBC Pellets und Typ 90 Pellets im Mengenbereich zwischen 10-15g/l verwendet.

• Standardisierung des Abschießens

Um den Schwand und den Bierverlust im Praxistest nicht unnötig zu erhöhen, wurde der Prozess des Abschießens auf zwei Mitarbeiter limitiert und die Menge, die abgelassen wurde, festgelegt. Es wurde ebenfalls bestimmt, nur die Ablagerung, die sich bei der Kühlung von 1,5°C absetzen sowie so wenig Flüssigkeit wie möglich, abzulassen.

Maximale Schwand-Reduzierung: Ein BrauKon ZKT mit 70°-Konus-Öffnungswinkel in Kombination mit einer elektropolierten Oberfläche

Aus dem direkten Vergleich der Schwand-Ergebnisse der Tanks (Tabelle 1-4) wurde deutlich ersichtlich, dass die Art der Oberflächenbeschaffenheit einen eindeutigen Einfluss auf die Effizienz der Tanks hat. Die Technik der Elektropolitur sowohl bei dem 60° Konus-Öffnungswinkel als auch bei dem 70° Konus-Öffnungswinkel wies eine signifikanten Schwandreduzierung auf. Der elektropolierte Tank erzielte bis zu 3,5% mehr Ausbeute gegenüber dem klassisch längsgeschliffenen Tank. Des Weiteren konnte auch die aufgestellte Hypothese zum Einfluss des Konus-Öffnungswinkels auf den Schwand deutlich nachgewiesen werden. Widererwartend erwies sich die Verwendung des flacheren Konus-Öffnungswinkel von 70° als deutlicher Vorteil gegenüber dem klassischen 60° Konus-Öffnungswinkel – hier konnten zwischen 2,6 -3,8% Schwand-Reduzierung bei den Langzeittests erzielt werden.

Die folgende Klassifizierung unterstreicht, welcher Tank mit welchen Merkmalen am besten funktioniert und somit den geringsten Schwand und höchste Effizienz beweist:

• Platz 1. ZKT mit 70° und Elektropolitur 22,48%
• Platz 2. ZKT mit 60° und Elektropolitur 25,01%
• Platz 3. ZKT mit 70° und Längsschliff 26,01%
• Platz 4. ZKT mit 60° und Längsschliff 29,89%

Der flachere 70°-Konus-Öffnungswinkel in Kombination mit einem polierten Konus-Inneren wies mit 22,48% mit Abstand den geringsten Schwand auf.

Tabelle 1: Auswertung ZKT 70° mit Längsschliff

Tankbelegung	Kaltwürze in hl	Abfüllmenge in hl	Schwand in hl	Schwand in %
	42,4	30,8	11,4	27,01
	38,9	28,7	10,2	26,22
	42,2	32,3	9,9	23,42
	40,7	30,9	9,8	24,0
	41,6	29,9	11,7	28,06
	41,7	30,7	11,0	26,38
	41,9	30,1	11,8	28,13
	41,7	30,5	11,2	26,89
	40,9	31,1	9,8	24,00
	Durchschnittlicher Schwand:	26,01%

Tabelle 2: Auswertung ZKT 70° mit Elektropolitur

Tankbelegung	Kaltwürze in hl	Abfüllmenge in hl	Schwand in hl	Schwand in %
	43,0	32,3	10,7	24,81
	42,3	33,0	9,3	21,99
	40,2	31,5	8,7	21,64
	42,0	32,9	9,1	21,63
	62,7	48,7	14,0	22,3
	40,3	31,9	8,4	20,92
	41,1	31,2	9,9	24,09
	Durchschnittlicher Schwand:	22,48%

Tabelle 3: Auswertung ZKT 60° mit Längsschliff

Tankbelegung	Kaltwürze in hl	Abfüllmenge in hl	Schwand in hl	Schwand in %
	64,0	48,4	15,6	24,38
	42,2	30,3	11,9	28,17
	42,0	26,0	16,1	38,21
	43,1	29,8	13,3	30,83
	36,2	25,3	10,9	30,09
	39,6	29,0	10,6	26,8
	41,0	28,4	12,6	30,73
	Durchschnittlicher Schwand:	29,89%

Tabelle 4: Auswertung ZKT 60° mit Elektropolitur

Tankbelegung	Kaltwürze in hl	Abfüllmenge in hl	Schwand in hl	Schwand in %
	41,8	30,0	11,8	28,23
	38,7	29,9	8,8	22,74
	61,8	44,7	17,1	27,67
	40,5	31,1	9,4	23,28
	40,4	31,9	8,5	21,08
	42,0	32,9	9,1	21,63
	41,8	33,0	8,8	21,05
	42,2	30,2	12,0	28,50
	42,4	31,2	11,2	26,48
	41,5	30,1	11,4	27,4
	42,1	30,7	11,4	27,01
	Durchschnittlicher Schwand:	25,01%

Fazit I Die Minimierung des Schwands und die Maximierung der Ausbeute sind im Brauerei-Alltag allgegenwärtig und geben nicht nur Aufschluss über die Effektivität beim Bierbrauen, sondern resultieren im besten Fall in einer signifikanten Maximierung des Verkaufsbiers. Der Langzeitversuch des Anlagenherstellers BrauKon hat nun in der Praxis bewiesen, dass eine deutliche Schwand-Reduzierung durch die Nutzung eines zylindrokonischen Tanks (ZKTs) mit 70°-Konus-Öffnungswinkel in Kombination mit einer elektropolierten Tankoberfläche mit <0,3 µ Rauigkeit möglich ist und die Effizienz der Tanks damit deutlich steigert. Dies geling nun ohne bei der Herstellung von hochwertigen Bieren, Abstriche in der Qualität machen zu müssen und ohne weitere Investitionen in personelle, zeitliche oder energietechnische Aufwendungen nach der Anschaffung der Gärtankart machen zu müssen. Es zeigte sich, dass sich die Biomasse des Kalttrubs durch den flacheren Konus-Öffnungswinkel besser im Tank-Konus sammelte und einfacher abtragen ließ, ohne zu viel wertvolles Produkt zu verlieren. Der Versuch wurde anhand von insgesamt vier ZKTs mit unterschiedlichem Konus-Öffnungswinkel und Oberflächenbeschaffenheit der Tanks durchgeführt, um die höchstmögliche Schwand-Einsparung zu ermitteln. Insgesamt konnten sogar teilweise bis zu fünf Prozent Unterschied in der Ausbeute hopfengestopfter Biere erzielt werden. 

Autoren:

• Christian Kull, Leiter Qualitätssicherung Technologie,
  Entwicklung und Gesellschafter, Braukon GmbH

• Enzo Frauenschuh, Geschäftsführer und Braumeister, FrauGruber Craft Brewing GmbH

Themen-Schlagwörter: BrauKon, Schwandreduzierung, Tankgeometrie, Oberflächenbeschaffenheit, zylindrokonische Gärtanks, Craft-Biere, Praxisversuche