Fachartikel

Multisensor-Messgerät

Transparenz im Gärprozess

Transparenz im Gärprozess

Joachim Rogg ist Brauereibesitzer in sechster Generation. Er produziert nicht nur sein eigenes Bier: Als Lohnbrauer ist er auch eine wichtige Anlaufstelle für kleinere Betriebe. Das Multisensor-Messgerät Fermentation Monitor QWX43 von Endress+Hauser hilft ihm, eine bestmögliche Qualität zu erreichen – und seinen Kunden einen nützlichen Dienst zu bieten.  

Besondere Biersorten – das ist der Anspruch vieler kleiner Bierbrauer, die neue Geschmacksrichtungen kreieren, indem sie zum Beispiel auf außergewöhnliche Hopfensorten oder spezielle Gärverfahren setzen. Viele dieser aufstrebenden Craft-Beer-Brauer scheuen die hohen Kosten, die bei der Investition in Produktionsanlagen und Infrastruktur anfallen, und gehen mit ihren Rezepten, Rohstoffen, Flaschen, Etiketten und Kronkorken lieber zu Brauereien, mit denen sie ihre Biere und ihre Ideen umsetzen können. Sie legen ihr „Ei“ quasi in ein fremdes Nest, in dem es ausgebrütet wird, und deshalb nennt man sie auch Kuckucksbrauer. Doch anders als im Tierreich ist das Ganze eine klassische Win-win-Situation: Auch die mit der Bierherstellung beauftragten sogenannten Lohnbrauer profitieren, denn für sie ist die höhere Auslastung ihrer Brau- und Abfüllanlagen ein lukratives Zusatzgeschäft. Sie unterstützen ihre Kunden außerdem bei der Auswahl der passenden Rohstoffe für deren Bier, stehen während des gesamten Herstellungsprozesses beratend zur Seite und entwickeln im besten Fall bestehende Rezepturen weiter.  

Tradition und Innovation 

Ein solcher Lohnbrauer ist Joachim Rogg, der schon in sechster Generation seinen Brauereibetrieb führt, den letzten von ehemals mehr als 100 im Landkreis Breisgau-Hochschwarzwald. Seit 1846 braut die Familie Rogg Qualitätsbiere in Lenzkirch, einem heilklimatischen Kurort im Herzen des Schwarzwalds. Der Unternehmenserfolg kommt nicht von ungefähr: Seine Grundlage ist eine konstant hohe Qualität der gebrauten Biere.   

Roggs Stammkunden kommen aus dem südbadischen Raum, der nahen Schweiz und aus dem Elsass. Unter ihnen sind auch mehrere Kuckucksbrauer. Für sie öffnete Rogg erstmals 2013 die Türen und Tanks seiner Privatbrauerei und war damit einer der Ersten in der Region, der jungen Fremdbetrieben freie Kapazitäten zur Verfügung stellte. In Roggs Brauerei stehen neben größeren Tanks auch zwei kleinere, in denen maximal 20 Hektoliter Bier gebraut werden können – genau die Größe, nach denen viele Kuckucksbrauer suchen.   

„Das gibt einem als Brauer große Sicherheit“ 

Das Gerät, das ohne großen Aufwand am Gärtank angebracht wird und direkt ins Bier eintaucht, misst rund um die Uhr und mit hoher Genauigkeit Dichte, Ultraschall-Laufzeit und Prozesstemperatur. Aus den Rohmesswerten berechnet ein Algorithmus in Echtzeit die für den Braumeister relevanten Parameter, wie zum Beispiel Stammwürze, Extrakt, Alkoholgehalt und Vergärungsgrad. „Mit dem zweimal täglichen Spindeln, das nur die Momentaufnahme eines hochdynamisch verlaufenden Gärprozesseses ist, können wir eine solche Genauigkeit niemals erreichen, auch nicht mit einer kombinierten Laboranalyse der Probe“, sagt Rogg. Ein weiteres Problem liege darin, dass das Spindeln oder die Labormessung sich meist auf nur eine Messgröße stütze, beispielsweise die Dichte. Diese reiche aber nicht aus, um etwa den Extraktgehalt und den tatsächlich gebildeten Ethanolgehalt zu messen.  

Das Gerät liefert aber nicht nur kontinuierlich hochgenaue Messwerte. Vielmehr werden diese per WLAN an das IIoT-Ökosystem Netilion von Endress+Hauser übermittelt. Somit können sie dann über ein mobiles Endgerät oder einen Computer mit Internetzugang jederzeit und von überall aus abgerufen werden. Eine direkte Anbindung an das Leitsystem ist ebenfalls möglich. Zudem kann der Brauer sich von dem Messgerät mit sogenannten Push-Nachrichten über kritische Abweichungen im Gärprozess frühzeitig informieren lassen. „Ein automatischer Alarm auf dem Handy, zum Beispiel wenn die Kühlung ausfällt, das gibt einem als Brauer große Sicherheit“, sagt Rogg. Das Gerät Fermentation Monitor QWX43 ermöglicht überdies eine erhebliche Arbeitserleichterung, denn er ersetzt die manuellen Probenahmen, für die die Brauer oder ihre Mitarbeitenden vor Ort sein müssen und die pro Tank bis zu 15 Minuten in Anspruch nehmen. 

Tradition und Handwerk spielen für Joachim Rogg eine große Rolle. Aber um die Qualität seiner Produkte und die Prozesse in seiner Brauerei weiter zu optimieren, setzte er schon immer auf den Fortschritt und moderne Technik. Deshalb nutzt er seit rund zwei Jahren auch das Multisensor-Messgerät Fermentation Monitor QWX43 von Endress+Hauser. Dank der Innovation erhält er kontinuierliche Einblicke in den Gärprozess. 

Datenbasierte Prozessoptimierung 

Nach Auffassung Roggs können die Vorteile des Messgeräts Fermentation Monitor QWX43 vor allem in seinem Lohnbrauer-Geschäft zum Tragen kommen. Haben die Kuckucksbrauer zu ihm den ersten Kontakt aufgenommen und ist anschließend ein Einvernehmen über Aspekte wie Biersorte, Menge, Abfüllung, Leergut und Kosten erzielt, findet in der Regel das erste Treffen vor Ort statt. „Die meisten wollen ein Gefühl für das Brauen bekommen“, sagt Rogg, der überzeugt ist, dass ein Bier nur so gut werden kann wie die Beziehung, die der Braumeister zu seinem Produkt aufbaut. Gemeinsam werden dann wichtige Prozesse bei der Herstellung und wesentliche Parameter besprochen, Rogg berät mit seiner ganzen Expertise. „Und wenn das Bier dann gebraut wird, wollen meine Auftraggeber natürlich genau wissen, wie der Gärprozess verläuft und ob ihr Produkt bei uns in guten Händen ist.“ 

Für Lohnbrauer Rogg, der sich als verlässlicher Partner und Dienstleister sieht, ist es selbstverständlich, seinen Kunden die während des Gärprozesses erhobenen Daten zur Verfügung zu stellen. Ohne Fermentation Monitor QWX43 ist das aufwendig, aber mit dem innovativen Messgerät nur eine Sache von Sekunden. Rogg ermöglicht den Auftraggebern ganz einfach den digitalen Zugang zu den von dem Gerät kontinuierlich erhobenen Messwerten. Die Kuckucksbrauer können diese dann über ihr eigenes Smartphone, Tablet oder Computer jederzeit selbst abrufen. Transparenz, so hat es Rogg erlebt, schätzen die Kuckucksbrauer in vielerlei Hinsicht. „Sie wollen wissen, wie das Brauen genau funktioniert. Ihnen geht es um ein qualitativ hochwertiges Produkt und um eine möglichst effiziente Herstellung“, so Rogg.  

Neben der Transparenz kann der Lohnbrauer bei seinen Kunden mit erweiterten Serviceleistungen punkten. Denn auf Basis der vom Fermentation Monitor QWX43 automatisch gespeicherten Messwerte kann er Analysen vornehmen, einzelne Chargen miteinander vergleichen und seinen Auftraggebern dann eine datenbasierte Prozessverbesserung und Produktentwicklung anbieten. Eine produzierte Charge, die einen idealen Gärprozess durchlief, lässt sich mit Fermentation Monitor QWX43 überdies als Referenz-Charge kennzeichnen, mit der die Messwerte der laufenden Charge dann automatisch und kontinuierlich abgeglichen werden. Ist die Abweichung zu groß, wird der Brauer von der App informiert und kann sofort gegensteuern. Die Kunden erhalten nicht nur ein optimiertes Produkt, sondern eine höhere Planungssicherheit, weil anhand der Messwerte ein verlässlicher Zeitplan für die Weiterverarbeitung erstellt werden kann, etwa für die Abfüllung. 

Hefe kann genau kontrolliert werden 

Rogg sagt von sich selbst, dass er gemeinsam mit seinem Team von 35 Mitarbeitern „Biere mit Charakter“ mache, die rund, harmonisch und möglichst rein sein sollen, aber definitiv kein Einheitsbrei. Die speziellen Ideen so mancher Craft-Beer-Brauer, die mittlerweile zu seinen Kunden gehören, hätten jedoch alles übertroffen, was er als Traditionsbraumeister bis dato kannte. Dem steht er jedoch aufgeschlossen gegenüber: „Durch die Craft Beer-Bewegung ist beim Brauen viel in Bewegung gekommen und ich habe einige neue Dinge gelernt“, berichtet Rogg. 

Einige Craft-Beer-Brauer setzen auf die Verwendung von Trockenhefe, das birgt Herausforderungen. „Grundsätzlich müssen wir die Hefe ständig kontrollieren, um festzustellen, wie weit die alkoholische Gärung ist, und wann wir den Tank unter Druck setzen müssen, damit wir die nötige Kohlensäure ins Bier hineinbekommen. Nur wenn sich die Hefe richtig wohlfühlt, entstehen am Ende des Tages qualitativ hochwertige Biere“, erläutert Rogg. Trockenhefe muss vor der Zugabe in den Tank mit exakt temperiertem Wasser angerührt werden. Achtet man nicht genau auf die Temperatur, gefährdet das die Gärung. „Mithilfe des Fermentation Monitors sieht man sofort, wenn mit dem Gärungsgrad etwas nicht stimmt. Dann kann man den Prozess vorzeitig abbrechen und die Hefe ersetzen,“ sagt Rogg. 

Die sogenannte Anstellhefe ist deshalb wichtig, weil sie den entscheidenden Beitrag für die Produktivität der Gärung, das Verhalten während der Reifung sowie den Erhalt der gewünschten Bierqualität leistet. Ihre Qualität lässt sich anhand der Ethanolbildungsrate, der Entstehung üblicher Stoffwechselnebenprodukte und des Nährstoffverbrauchs ermitteln. Die detaillierten, hochgenauen und wiederholbaren Messwerte von Fermentation Monitor QWX43 sind verlässliche Indikatoren für die Ethanolbildung und den Nährstoffabbau. Zusätzlich kann die Zunahme der Hefezellzahl am Anfang des Prozesses aus einer Viskositätserhöhung des Mediums abgeleitet werden. Durch den Vergleich aktueller Prozessdaten mit Daten der letzten Gärvorgänge entscheidet der Braumeister dann, ob die verwendete Hefe durch frische ersetzt werden sollte.  

Die hochgenauen Messwerte des Geräts Fermentation Monitor QWX43 und die Vergleichbarkeit mehrerer Chargen sind überdies sehr hilfreich, um gesetzliche Vorgaben exakt einzuhalten. Denn der Alkoholgehalt eines Bieres darf von dem auf der Flasche angegebenen Wert maximal 0,5 Prozentpunkte abweichen. „Wenn ein Brauer also beim Vergleich der Chargen merkt, dass sich ein Bier in Richtung einer kritischen Abweichung entwickelt, passt er den Brauprozess an, indem er zum Beispiel weniger Malz verwendet“, erläutert Rogg. 

Die richtige Kombination 

Möglich wird die genaue Beobachtung des Gärprozesses dadurch, dass das Multisensor-Gerät Fermentation Monitor QWX43 verschiedene Messprinzipien in einem Sensorsystem vereinigt. Es kombiniert die vibronische Messtechnik mit der Ultraschallmesstechnik. Bei der Vibronikmessung werden durch sogenannte piezoelektrische Elemente die Gabeln des Messgeräts zur Schwingung angeregt. Daraus lassen sich Angaben über die Dichte eines Mediums ableiten: Je geringer die Schwingfrequenz, desto höher die Dichte. Zusätzlich erzeugen die piezoelektrischen Elemente ein hochfrequentes Ultraschall-Signal zwischen den Schwinggabeln, dessen Geschwindigkeit sich hochgenau bestimmen lässt und das sich je nach Zusammensetzung des Mediums verändert. 

Dichte und Ultraschall sind deshalb wichtig, weil sich beide während des Gärprozesses verändern. Die Dichte verringert sich, und zwar durch den Zuckerabbau genauso wie durch die Alkoholbildung beziehungsweise die Alkoholzunahme. Dagegen verändert sich die Schallgeschwindigkeit nicht im Gleichklang: Bei Zuckerabbau verringert sie sich, bei Alkoholzunahme erhöht sie sich. Das Verhalten von Dichte und Schallgeschwindigkeit jeweils für sich allein genommen würde es nicht ermöglichen, die Reaktionsmechanismen während der Gärung und auch die Verhältnisse von Alkohol und Extraktgehalt im Gärverlauf zueinander zu bestimmen. Nur über eine intelligente Vernetzung der gemessenen Variablen und die Einbeziehung zahlreicher empirisch ermittelter Reaktionskinetiken können Alkoholbildung und Extraktabnahme unabhängig voneinander dargestellt werden. 

Das Messgerät erkennt auch, in welchem Gärzustand sich der Prozess gerade befindet. Zusätzlich kann mittels des gleichen Sensors eine Unterscheidung der vergärbaren und nicht-vergärbaren Zucker der Würze vor Anfang der Gärung zuverlässig vorgenommen werden. Dies ermöglicht eine optimale Qualitätskontrolle und -planung. Überdies verfügt Fermentation Monitor QWX43 über zwei intelligent platzierte PT1000-Temperatursensoren. All dies zusammengenommen sorgt dafür, dass ein Multisensor-Messgerät wie Fermentation Monitor QWX43 den Gärprozess ganzheitlicher abbilden kann als reine Dichte- oder Ultraschallmessgeräte. 

Zeit und Aufwand sparen

Das Messsystem Fermentation Monitor QWX43, das drei verschiedene Messverfahren in einem Gerät kombiniert und alle relevanten Parameter misst, ermöglicht eine kontinuierliche und automatisierte Überwachung des Gärprozesses. Die Brauer sparen Zeit und Aufwand, weil das Messgerät Laboranalysen und Spindeln ersetzt. Ihren Brauprozess können sie datenbasiert optimieren. Gärgrad, Extrakt- und Alkoholgehalt lassen sich per App abrufen, also ohne vor Ort zu sein. Das ist vor allem auch für Kuckucksbrauer interessant, die ihre Biere von einem Lohnbrauer herstellen lassen – und für den Lohnbrauer, der seinen Kunden einen besonderen Service anbieten kann. Zusätzlich gibt es das Gerät Fermentation Monitor QWX43 in einer Version, die nicht zwingend eine App nutzt, sondern direkt in das Leitsystem des Brauers integriert ist. 

Autoren: Julia Rosenheim, Product Owner GIL Innovation Lab, Florian Falger, Business Model / Market Manager GIL Innovation Lab, beide Endress+Hauser Level+Pressure  

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