Martin Öfele
In diesem Gastartikel von der Firma EUWA über die Brauwasser Aufbereitung in Brauereien werden folgende Schwerpunkte geklärt:
✓ Vorbehandlung: Entkeimung, Partikelentfernung, Entfernung von überschüssigem Chlor, Mangan & Eisen
✓ Hauptaufbereitung: Enthärtung des Brauwassers
✓ Nachbehandlung: Entgasung, Desinfektion, Aufhärtung u.v.m
✓ Vor-, Nachteile und Fazit für die Brauwasser Aufbereitung in Brauereien
Die Brauwasser Aufbereitung
Die Brauwasser Aufbereitung: Ein kleiner Überblick
Wasseraufbereitung für Brauzwecke
Die verschiedenen Verfahren zur Brauwasser Aufbereitung richten sich stets nach der Zusammensetzung der jeweils vorhandenen Wässer und nach den anzustrebenden Verwendungszwecken. Unterschiede z. B. bei Produktionswasser, Kühlwasser und Wasser für Flaschenspülung müssen ggf. berücksichtigt werden, wobei meist jedoch ein Produktionswasser für mehrere Zwecke aufbereitet wird.
Bei der ganzen Wasseraufbereitung sind stets zu berücksichtigen:
- Härte des Brauwassers
Vor allem die Carbonathärte, sprich die Menge an Calcium- und Magnesium Ionen und deren Carbonate sind hierbei zu beachten.
Technologisch wirkt sich dies nachteilig auf den Geschmack, der Rezenz und vor allem auf den pH der Masiche (zu alkalisch) aus.
Technisch können durch Ablagerungen Störungen im Betrieb (Flaschenfüllung, Kühlung, …) auftreten.
Ohne Aufbereitung können sowohl technologisch als auch technisch Probleme auftreten. Grenzwerte sind zu beachten
- Grobe Partikel & Eisen/Mangan/Silber
Weder für den verfahrenstechnischen Betrieb noch für das eigentliche Produkt sollten zu grobe Partikel oder zu hohe Mengen an Eisen, Mangan oder Silber (meist Oberflächenwässer) Störfaktor sein. Ausfällungen, Verfärbungen, Gushing (plötzliches Überschäumen) und geschmackliche Veränderungen sind demnach stets zu vermeiden und die entsprechenen Aufbereitungsmöglichkeiten (siehe gleich) ggf. angewendet werden.
- Kontaminanten & Infektionskeime
Fremde Hefe, Schimmelpilze & Bakterien (Essigesäure- oder Milchsäure-) greifen logsicherweise unmittelbar in den brautechnologischen Prozess ein und sind deshalb, von der Trinkwasserverordnung abgesehen, strikt zu meiden. Zwar selten ein Problem, aber dennoch ist Wasser ein idealer Keimträger und sollte auch als solcher stets überprüft und je nach Herjunft bearbeitet werden. Auch hier ist gerade bei Oberflächenwwasser Vorsicht geboten.
Ein wertvoller Gastbeitrag: Das ist EUWA
Die Brauwasser Aufbereitung: Ein offensichtlich wichtiges Thema, welches für einige Brauereien Kernpunkt der Planung sein sollte und gleichzeitig so wenig verfahrenstechnischen Aufmerksamkeit zuteil wird. Wir freuen uns deshalb Dominik Wiedenbauer als Gast dabei zu haben. Dominik Wiedenbauer (Kundenbetreuung) von der Firma EUWA hilft uns im heutigen Artikel, einige Aufbereitungsmethoden für Brauereien aufzudecken, miteinander zu vergleichen und anwendugsspezifisch für Brauer erste Fazits zu ziehen. Alles im Sinne einer effizienten Brauwasser Aufbereitung & Planung für Brauzwecke.
Brauwasser Aufbereitung
Vorbehandlung
1) Ultrafiltration
1.1 Funktionsweise
Die Ultrafiltration ist im Sinne der Brauwasser Aufbereitung eine überaus empfehlenswerte & moderne Alternative zu den klassischen Kies- und Mehrschichtfiltern. Sie entfernt Partikel jeder Art aus dem Wasser. Durch ihre gegenüber der Mikrofiltration kleinere Porenweite hält sie neben Bakterien auch Viren bis zu 99,999% zurück. Somit stellt die Ultrafiltration eine echte Keimbarriere dar. Auch bei der Entfernung von Eisen / Mangan / Arsen findet die UF Anwendung.
Mit 0,02 µm ist es die feinste Partikelfiltration, ohne gleichzeitig die ionogene Zusammensetzung zu verändern. Diese Aufbereitungstechnologie ist besonders für Oberflächenwasser oder Wasser aus oberflächennahen Brunnen ideal geeignet.
Die Membrane selbst bestehen aus PES (Polyethersulfon) und sind gegenüber Chemikalien wesentlich unempfindlicher als die der Umkehrosmose.
Der Filter kann in beide Flussrichtungen verwendet werden. Das Unfiltrat gelangt von oben in den Filter, kann als Filtrat schließlich von unten entnommen werden, wobei nach einer gewissen Zeit eben die Flussrichtung geändert werden kann. Dadurch entstehen wechselnde Scherkräfte, die ein Festsetzen der Verschmutzungen vermeiden.
Der Anlagenaufbau ist modular und kann somit problemlos erweitert werden. Die Gehäuse sind hierbei in Plastik und Edelstahl erhältlich. Um die UF zu schützen, muss stets ein Vorfilter mit einer Tiefe von 200µm vorgeschaltet werden, um somit eventuelle Störungen im UF-Betrieb zu meiden. Jetfilter haben hierbei den Vorteil, dass sie automatisch gespült und dauerhaft betrieben werden können.
Die UF hat einen sehr geringen Druckverlust von < 0.5 bar, was die Ultrafiltration auch aus energetischer Sicht zu einem interessanten Verfahren macht. Die Filtration im Dead-End-Modus wird aus energetischen Gründen bevorzugt eingesetzt, wobei sich die Ausbeute über Dauer und Häufigkeit der Spülungen ergibt.
Alles in allem ist die Ultrafiltration eine praktische Alternative zu den Standard Mehrschichtfiltern, um entsprechendes Wasser (vor allem Oberflächenwasser) mikrobiell & partikeltechnisch im gewünschten Maße aufzubereiten. Wie bereits beschrieben, werden durch die Ultrafiltration Partikel, Keime & Viren bis zu einer Größe von 0,02 µm entfernt. Verfügt die Brauerei über einen eigenen Brunnen, dann kann die Wasserqualität je nach Brunnentiefe durch Oberflächenwässer stark beeinflusst werden und eben so ggf. ausgebessert werden.
Die Vorteile nochmal auf einen Blick:
- Rückhalten von Bakterien, Viren & Partikel (Oberflächenwasser)
- Unempfindlich gegen Chemikalien
- Flussrichtungsänderungen möglich (kein Festsetzen von Verschmutzungen)
- Geringer Druckverlust (energetisch interessant)
- Problemlos erweiterbar (modularer Aufbau)
1.2 Rückspülung & chemische Reinigung
Das Rückspülwasser wird intern in der Anlage erzeugt. Somit wird keine Rückspülpumpe benötigt. Wenn der Ausgangsdruck durch Rückspülen nicht mehr erreicht wird, muss eine chemische Reinigung erfolgen.
– Die alkalische Reinigung erfolgt mit NaOH, die saure mit Schwefelsäure (H2SO4)
– Für die Desinfektion wird standardmäßig Natriumhypochlorit (NaOCl) verwendet.
2) Kiesfilter
2.1 Funktionsweise
Der am häufigsten verwendete Filter in der Brauwasser Aufbereitung ist der Kiesfilter, wobei verschiedene Sand- und Kiessorten zum Einsatz kommen.
– Eisenentfernung: Ist z. B. der Eisengehalt des Rohwassers sehr hoch, wird vor der Filtration Flockungsmittel und ggf. ein zusätzlicher Fällungsreaktor vorinstalliert. Kiesfilter werden also neben der klassischen Entfernung von Partikel auch für die gezielte Ausfällung von Eisen & Mangan verwendet. Dabei spielt die Ausbildung einer Filterhaut zwischen den einzelnen Kieskörner für die Partikelrückhaltung eine entscheidende Rolle.
– Manganentfernung: Bei höheren Mangankonzentrationen empfiehlt es sich „Grünsand“ als Katalysator zu verwenden.
Zur Oxidation wird Luft eingeblasen, wobei Eisen und Mangan mithilfe von Grünsand & Flockungsmitteln zu Oxiden/Hydroxiden (siehe unten) reagieren, ausflocken (koagulieren) und abfiltriert werden können. Denn wie gesagt: Verfärbungen, Ausfällungen & geschmackliche Änderungen können bei zu hohen Werten dadurch weitestgehend vermieden werden. Es ist hierbei stets die Konzentration an Eisen & Mangen im Rohwasser zu beachten.
2.2 Aufbau & Rückspülung
Der Aufbau ist an sich erstmal trivial. Der Filter ist mit Kies verschiedener Körnung beschickt. Ggf. kommt auch Hydroanthrazit zum Einsatz. Die Rückspülung erfolgt in der Regel mengenabhängig & erlaubt die Entfernung der Trubstoffe.
– Es empfiehlt sich die Füllung alle 3 Jahre zu tauschen
– Die Fließrichtung ist standardmäßig von Oben nach Unten
– Unten befindet sich ein Düsenboden, welcher beim Rückspülen des Filters Wasser oder Wasser-Luft-Gemisch von unten nach oben befördert. Der Düsenboden dient hierbei zur gleichmäßigen Verteilung des Rückspülwassers und der Druckluft (Geschwindigkeit ca. 25-60 m/h)
2.3 Nachteile
Der Kiesfilter hat im Wesentlichen die gleiche Funktion wie die Ultrafiltration. Durch die unterschiedlichen Kiesschichten werden feine Partikel zurückgehalten.
– KF sind jedoch kostenintensiv & werden nur noch bei besonderen Anwendungen verwendet, die über die UF nicht im gewünschten Maße ökonomisch abgedeckt werden können. Die UF ist sowohl in der Anschaffung, als auch bei laufenden Kosten ansonsten meist das günstigere System.
– Ein KF wird mengenmäßig regeneriert. Nach einer gewissen Wassermenge wird dieser zurück gespült, um die Partikel zu entfernen. Diese Unflexibilität kann sich u.U. unökonomisch auf die Aufbereitung auswirken. Bei der UF hingegen haben die Membrane einen gewissen Widerstand. Verlegen sich die Membrane, dann steigt auch der Druck. So wird dem System signalisiert, dass gespült werden muss.
– Bei einem KF muss das Filtermaterial alle 3 Jahre recht aufwändig getauscht werden. Membranen haben dagegen eine garantierte Haltbarkeit von 5 Jahren.
– Außerdem ist der Platzbedarf eines KF größer als bei einer UF. Unter Umständen können somit kosten in der Layoutplanung gespart werden.
Nochmal eine kleine Übersicht der Vor- und Nachteilen von Kiesfilteranlagen:
- Rückhalten von Partikeln (Oberflächenwasser)
- Mangen- & Eisenentfernung (Vorgeschaltete Belüftung & Katalysator)
- Hoher Platzbedarf
- Mengenmäßige Regeneration (nicht widerstandsabhängig)
- Aufwändiges Auswechseln des Filtermateriales (alle 3 Jahre)
- Kostenintensiv
3) Aktivkohlefilter
3.1 Funktionsweise
Aktivkohlefilter werden zur Entchlorung und Adsorption (von THM & anderen organischen Verbindungen) eingesetzt, was sowohl hygienische als auch getränketechnologische Gründe hat.
– Bei der Entchlorung handelt es sich um einen sehr wichtigen Prozess bei Wässern mit hohem Chlorgehalt. Korrosion der Anlagen, Fehlgeschmack & Ausbleichen (Limonaden) sollen dadurch verhindert werden. Die Entchlorung selber ist ein relativ schneller Prozess, bei dem die Aktivkohle an der Reaktion teilnimmt und das freie Chlor in Chlorid umgewandelt wird. Die Reaktion erfolgt innerhalb von Sekunden in den oberen 10 cm des Filterbetts.
– Die Adsorption beinhaltet mehrere Punkte. Abhängig von der Konzentration der Polarität und der gegenseitigen Beeinflussung der Bestandteile, die entfernt werden sollen, wird die benötigte Kontaktzeit bestimmt. Diese liegt üblicherweise zwischen 8 und 20 Minuten.
Zum einen dient sie zur Entfernung von sogenannten Trihalogenmethanen (THM) wie z.B. Trichlormethan (Chloroform), Tribrommethan & Trifluormethan. Ein Grenzwert von 0,01 mg/l darf nicht überschritten werden. Besser ist es bei < 1 ppb zu bleiben. THMs können im Allgemeinen während des Aufbereitungsprozesses entstehen (bei der Chlorung des Trinkwassers durch Reaktion des Chlors/Chlorverbindungen mit organischen Inhaltsstoffen im
Trinkwasser). Für Tetrachlormethan gibt es Hinweise auf ein krebserregendes Potential. Für die anderen Stoffe kann dies entweder nicht sicher ausgeschlossen werden oder es sind andere toxische Wirkungen vorhanden.
Zum anderen sollen andere organische Verbindungen (z.B Huminsäure) und somit auch unerwünschte Gerüche & Färbungen gezielt beseitigt werden.
3.2 Aufbau
Aktivkohle, die aus Kokosnüssen hergestellt ist, weist die größte mechanische Stabilität auf und ist die gängigsten Form für den Betrieb. Der Filteraufbau entspricht dem eines klassischen Kiesfilters. Eine Belüftung zur Oxidation gewisser Stoffe wird jedoch nicht benötigt. Da Aktivkohle eine sehr große Oberfläche hat, besteht eine erhöhte Gefahr von mikrobiologischen Kontaminationen. Daher muss das System in Abhängigkeit der mikrobiologischen Befunde mindestens einmal pro Woche mit Dampf oder Heißwasser sterilisiert werden.
- Bei Chlor sind 95°C bzw. 105°C ausreichend (1,2bar Dampfdruck)
- Bei THM sollten 140°C erreicht werden (2,8bar Dampfdruck)
Der Austausch der Aktivkohle sollte nach Sättigung (THM) oder mind. alle 1-3 Jahre erfolgen.
- Entfernung von Färbungen, Gerüchen & toxischen Bestandteilen durch Adsorption
- Vermeidung von Korrosion, Fehlgeschmäckern & Ausbleichungen durch Entchlorung
- Betreuungsintensiv
- Wöchentliche Sterilisierung, um biologische Kontamination zu vermeiden
3.3 Rückspülung/Klassierung
Die Rückspülung dient neben der Auflockerung der Entfernung von Feinabrieb. Der Zeitpunkt der Reinigung wird über die Mikrobiologie ermittelt. Das Wasser zur Rückspülung sollte der Qualität der nächstfolgenden Aufbereitungsstufe entsprechen.
4) UV-Anlage
4.1 Funktionsweise
Das praktische an UV-Anlagen: Je nach Bedarf & Strahlungsdosis können zwei wichtige Aspekte der Brauwasser Aufbereitung miteinander vereint und genutzt werden:
a) UV kann mit Hilfe von Niederdruckstrahlern (Wellenlänge: 254 nm) zur Desinfektion eingesetzt werden & somit das Brauwasser mikrobiell schützen, wenn es nach der Aufbereitung im Lagertank gespeichert wird. Bei ständiger Entnahme wird so immer desinfiziertes Wasser nachgespeist. Findet keine Abnahme statt, wird das Wasser aus dem Lagertank über die UV Anlage umgewälzt und somit mikrobiologisch sauber gehalten und schützt somit das gelagerte Wasser vor dem Eintrag von Mikroorganismen. Grund: Das vom UV-System erzeugte Ultraviolettlicht reduziert das Ausmaß der Viren und Bakterien im Prozessstrom. Dabei wird die DNA (bzw. RNA bei einem Virus) strukturell gestört (z.B. Dimerisierung), was die Replikation des Organismus verhindert.
b) Ein weiteres interessantes Anwendungsgebiet für UV Anlagen ist die Entchlorung von Wasser, wobei dafür eine etwas höhere Strahlungsdosis nötig ist. Mithilfe dieser großen Intensität löst man die instabilen Verbindungen von Hypochlorid oder Chlordioxid. Das UV-Licht regt dabei die Bindungen so stark an, dass sich diese öffnen. Über eine Radikal-Kettenreaktion bildet sich Chlorid, Chlorit und Chlorat. Zum Beispiel können UV-Entchlorungsanlagen vor Umkehrosmose-Anlagen eingesetzt werden, um die Membran zu schützen und gleichzeitig auf Aktivkohlefilter verzichten zu können. Für den photochemischen Abbau von Chlor und Chlordioxid im Wasser ist, wie bereits erlöutert, eine im Vergleich zur Desinfektion höhere Strahlungsdosis notwendig.
Für beide Anwendungen gilt:
Um eine UV-Lampe erfolgreich einzusetzen, muss das Wasser frei von Eisen, Mangan und Trübung sein, da sich diese auf den Strahlern ablegen können. Ein zu beachtendes Maß ist hierbei die Transmission bei 254 µm. Die normale Lampenlebensdauer beträgt bis zu 8000h.
- Mikrobiologische Sicherheit bei eingesetztem/gelagertem Prozesswasser
- Vermeidung von Korrosion, Fehlgeschmäckern & Ausbleichungen durch Entchlorung
- Erhöhter Stromverbrauch
- Keine Depotwirkung (nachträglicher Schutz)
- Entfernung von Mangan, Eisen & Trübungen u.U. nötig
Brauwasser Aufbereitung
Wasseraufbereitung
1) Umkehrosmose
1.1 Funktionsweise
Immer mehr Anwender in der Brau- und Getränkeindustrie entscheiden sich in der Brauwasser Aufbereitung für Umkehrosmoseanlagen von EUWA, auf Wunsch in hygieneoptimierter Edelstahlbauweise. Die Umkehrosmose ist ein Membrantrennverfahren und heute das am häufigsten verwendete Aufbereitungssystem zur Entkarbonisierung und Entsalzung.
Dabei werden alle Ionen weitestgehend zurückgehalten. Organische Verunreinigungen, sowie Eisen, Mangan & Trübung müssen jedoch vorab entfernt werden. Hierbei wäre eine Ultrafiltration mit einer Porengröße von 0,02 µm die ideale Vorbehandlung. CO2 und Inhibitoren (siehe Bild) sollen hierbei die Löslichkeit schwer löslicher Stoffe erhöhen und somit für den weiteren Trennprozess im Crossflow „zur Verfügung stehen“.
Zeitgleich zur Erzeugung von Reinwasser (Permeat) sorgt ein zweiter, kleinerer Wasserstrom durch Überströmung der Membran für die nötigen Scherkräfte, um die zurückgehaltenen Ionen zuverlässig und kontinuierlich aus dem System zu entfernen. Zentraler Vorteil einer Umkehrosmose Anlage zur Wasseraufbereitung ist neben ihrer hohen Effizienz und Wirtschaftlichkeit ihre hervorragende Automatisierbarkeit.
Die Druckrohre sind entweder aus Kunststoff (GFK) oder Edelstahl. Sie können mit bis zu 8 Membranmodulen mit einem Durchmesser von 4 und 8 Zoll mit je einem Meter Länge bestückt werden. Verbunden sind diese mit einem Interconnector. Der erforderliche Druck richtet sich nach dem Salzgehalt und beträgt normalerweise zwischen 7-15 bar. Bei Meerwasser kann dieser sogar bis auf 60bar steigen.
Wichtig ist, dass die Membranen nie trocken werden!
Das System kann aus mehreren Bänken bestehen, welche im Tannenbaumprinzip aufgebaut sind. Das Abwasser der ersten Bank wird über die zweite und gegebenenfalls dritte Bank geleitet. Die dabei entstehenden Abwassermengen liegen so bei etwa 8%.
Wichtig ist es, eine möglichst hohe Effizienz des Systems zu erreichen. Dazu gehört der Einsatz von Ultra Low Pressure Membranen, um den Energieverbrauch zu reduzieren und der Einsatz von CO2 und speziellen Inhibitoren, die eine hohe Ausbeute bis 95% ermöglichen. Diese erhöhen die Löslichkeit von schwer löslichen Stoffen (z.B. CaCO3, SiO2, BaSO4, CaSO4, SrSO4, CaF). Das Löslichkeitsgleichgewicht soll dabei soweit verschoben werden, dass die Salze im Konzentrat nicht auf der Membran ausfallen.
Es gibt oft das Vorurteil, dass RO-Anlagen zu viel Abwasser produzieren. Durch immer bessere Membrantechniken und Inhibitoren kann die Ausbeute, je nach Wasserqualität, auf 95% erhöht werden.
Dieser Abwasseranfall wird auch relativ schnell durch die Nachteile eines Ionentauschers aufgehoben.
1.2 Aufbau
Um die Membran zu schützen, wird ein Vorfilter eingesetzt. Diese Feinfilter müssen stehts über die Druckdifferenz kontrolliert werden (Reinigung bzw. Ersatz bei dP > 1bar).
Die Hochdruckpumpe wird mittels Frequenzumformer auf einen bestimmten Druck geregelt.
Von dort geht es in die erste Bank. Das Konzentrat der ersten Bank wird gegebenenfalls in eine zweite Bank geleitet usw. Dessen Konzentrat wiederum kann in einer 3. Bank aufbereitet werden.
1.3 Reinigung
Bei der Reinigung unterscheidet man Fouling (organische Verunreinigung) und Scaling (anorganische Verunreinigung).
Oxidationsmittel wie Chlor dürfen zur Reinigung nicht eingesetzt werden, da Sie die Membran schädigen.
Es gibt spezielle Membranen, die bis 85°C sanitisiert werden können.
- Um Fouling zu entfernen wird NaOH verwendet
- Gegen Scaling kommt eine Säure zum Einsatz (i.d.R. Zitronensäure)
- Effektive Entkarbonisierung & Entsalzung
- Hohe Effizienz (Ausbeute bis zu 95 % möglich)
- Hohe Wirtschaftlichkeit
- Gute Automatisierbarkeit
- Vorfilter nötig (Schutz der Membrane)
- Kein Chlor zur Desinfektion zulässig (Membranschädigung möglich)
2) Kalkfällung
Funktionsweise
Das Prinzip der Kalkfällung beruht darauf, dass eine Lösung von gelöschtem Kalk (= Calciumhydroxid, Ca(OH)2) Hydrogencarbonat als unlösliches Calciumcarbonat ausfällt. Der als Kalkwasser zugesetze Löschkalk bindet zunächst freies, dann halb gebundenes Kohlendioxid und bewirkt dadurch die Ausscheidung des Calciumhydrogencarbonates in Form von Calciumcarbonat (CaCo3). Die Nachteile zu hoher Calciumcarbonatgehalte werden in diesem Artikel über das Brauwasser näher beschrieben.
Man unterscheidet einstufige und zweistufige Langsam-Kalkanlagen, sowie Schnell-Entkarbonisierungen.
– Einstufige Langsam-Kalkanlagen
Wie wir wissen, gibt es neben der üblichen Calcium-Carbonathärte auch noch Magnesium. Bei der Zugabe von gelöschtem Kalk entsteht ebenfalls MgCO3. Dieses ist löslich und kann somit nicht entfernt werden, sprich Mg bleibt als MgCO3 im Wasser erhalten. Daher folgende Voraussetzung: Der Mg-Anteil darf nicht zu hoch sein, wobei Mg-Härte < 3°dH bzw. Mg-Härte < Nicht-Carbonathärte empfohlen werden. Andernfalls kann sich MgSO4 („Bittersalz“) geschmacklich nachteilig auf das Brauwasser auswirken.
– Zweistufige Langsam-Kalkanlagen
Übersteigt die Magnesiumhärte die oben erwähnte Grenze dann doch, kann durch einen Überschuss an Kalkwasser (Ca(OH)2) eine hohe Alkalität von pH 10,5–11 erzeugt werden, die für die weitere Ausscheidung des MgCO3 in Form von Magnesiumhydroxid erforderlich ist.
Sprich das Kalkwasser wird in einem Gefäß „überdosiert“ (Reaktor 1) und die Mg-Härte somit in Form von Mg(OH)2 ausgefällt. Das u.U. problematische MgCO3 kann somit wieder entfernt werden. Das Wasser wird dann mit weiterem Rohwasser in Reaktor 2 gemischt, um die erhöhte Alkalität zumindest teilweise zu kompensieren.
Ergebnis: Zwar etwas erhöhte pH-Werte, jedoch ist die Carbonathärte nun weitestgehend entfernt und für weitere pH-Änderungen (alkalisch) im Brauprozess zum Glück nicht mehr im Brauwasser.
In allen Verfahren müssen Kiesfilter zur Feststoffabtrennung nachgeschaltet werden. Jedoch zeichnen sich die Verfahren durch geringe Betriebskosten und einen niedrigen Abwasseranfall aus.
Alles in allem ist diese Art der Brauwasser Aufbereitung nur noch vereinzelt anzutreffen, was praktische Gründe hat (siehe unten).
- Einfach & billig
- Effektives Enthärten für niedrige Maische pH-Werte
- Wenig Abwasser
- Hohe Verweilzeit (1 - 1,5 h)
- Schwere Automatisierung
- Schwere Reinigung
3) Ionenaustauscher
3.1 Funktionsweise
Die Ionenaustauscher sind eine noch weit verbreitete Form der Brauwasser Aufbereitung, die jedoch weitestgehend durch Umkehrosmose ersetzt wird (dazu gleich mehr).
Für den Einsatz in der Brau- und Getränkeindustrie bietet EUWA sowohl Kationen- als auch Anionenaustauscher in verschiedenen Bauformen an. Auch mit Ionenaustauschern lässt sich die ionogene Zusammensetzung eines Wassers gezielt verändern. Ionenaustauscher dienen also allgemein zur Entcarbonisierung oder Entsalzung besonders harter oder magnesiareicher Wässer.
Ionen-Austauscher bestehen meist aus Kunstharzen (Feststoffe), die aus dem Brauwasser positiv geladene Ionen (Kationen) oder negativ geladene Ionen (Anionen) aufnehmen und im Austausch dafür eine äquivalente Menge anderer Ionen gleichen Vorzeichens (H+ oder OH-) an sie abgeben können.
– Schwach saurer Kationenaustauscher
Schwach saure Kationenaustauscher binden die an HCO3 gebundenen Ca2+ und Mg2+ -Ionen (Entkarbonisierung), während unter Entstehung von Wasse und Kohlendioxid das Carbonat nun entfernt ist. Die Regeneration erfolgt mit HCl oder H2SO4 im Gleichstrom, eine Rückspülung ist direkt im Behälter möglich. Vorteil ist die hohe Austauschkapazität und der geringe Chemikalienüberschuß des Regeneriermittels, in der Regel eben HCl.
Zu beachten sind die mäßigen Überwachungsmöglichkeiten sowie die Gefahr von Über- bzw. Unterregeneration. Außerdem gilt zu beachten, dass die Qualität im Auslauf, je nach Laufzeit, bedingt durch den Ionenschlupf, variiert. Die HCO3-Ionen Konzentration schwankt schließlich um einem m-Wert von 0-0.6 mval/l.
– Stark saurer Kationenaustauscher
Starksaure Austauscher dagegen tauschen Ca2+ -, Mg2+ – und Na+ -Ionen der Hydrogencarbonate, aber auch der Sulfate, Chloride und Nitrate (Salze starker Säuren) gegen H+-Ionen aus und geht somit einen Schritt weiter als eine einfache Entkarbonisierung.
Bei stark sauren Austauschern unterscheidet man zwischen säureregenrierten Austauschern in der H-Form und kochsalzregenierten Austauschern in der Na-Form. Letztere werden auch Enthärter genannt. Die Ablaufqualität ist konstant und kann bei der säureregenerierten Variante bei sogenannten Eugemataustauschern qualitätsabhängig überwacht werden. Die Regeneration kann im Gleichstrom oder, um Chemikalien und Wasser zu sparen, auch im Gegenstrom erfolgen.
– Stark/schwach basische Anionenaustauscher
Anionenaustauscher können entweder „schwachbasisch“ oder „starkbasisch“ reagieren, wobei erstere die Anionen starker Säuren (SO2−, Cl−, NO−) gegen Hydroxyl- oder Chlorid-Ionen austauschen, während Letztere durch ihre starke Dissoziation sogar sehr schwache Säure-Anionen wie Kohlensäure oder Kieselsäure zu binden vermögen.
Anionenaustauscher werden üblicherweise zur Nitrat und Chlorid-Entfernung eingesetzt. Die Regeneration erfolgt überwiegend mit NaOH, kann aber zur Nitratentfernung auch mit der Abfallsäure der Kationenaustauscher erfolgen.
3.2 Aufbau
Lediglich für Enthärter können die Behälter in Edelstahl gebaut werden. Ansonsten müssen Schwarzstahlbehälter mit lebensmittelechter Gummierung oder GFK-Behälter eingesetzt werden.
Aufgrund des stark belasteten Abwassers und der Kosten werden anstelle der säureregenerierten Austauscher heute überwiegend Umkehrosmoseanlagen eingesetzt.
- Gezielte Änderung der ionogenen Zusammensetzung
- Hohe Kosten
- Starke Abwasserbelastung
- Meist kosten- & prozesseffizientere Alternativen (z.B. Umkehrosmose)
Brauwasser Aufbereitung
Nachbehandlung
1) EROX
1.1 Funktionsweise
Die Entgasung des Wassers ist für verschiedene Einsatzzwecke u.U. erforderlich und ein wichtiger Bestandteil der Brauwasser Aufbereitung einer Brauerei.
Hierbei wird, falls nötig, die Konzentration der im Wasser gelösten Gase unter das ursprüngliche Niveau gesenkt. Egal ob zur Anschwemmung der Filterhilfsmaterialien, zum Vorfüllen der Leitungen, oder zum Verschnitt stärker eingebrauter Biere mit Wasser (High Gravity Verfahren) zur gewünschten Stammwürze: Es wird luft- bzw. sauerstofffreies Wasser benötigt. Zwei Gase spielen dabei aus technologischen & qualtätstechnischen Gründen eine wichtige Rolle (siehe gleich).
Die verwendeten Hohlfasermembranen sind nur für Gase durchlässig, nicht jedoch für Flüssigkeiten. Aufgrund der hydrophoben Eigenschaften der Hohlfasern durchdringt der Wasserstrom nicht die Poren der Membran. Die Entgasung erfolgt hierbei durch den Einsatz von Stripgas, welches durch das Anlegen eines Vakuums unterstützt werden kann.
- Entfernung von Sauerstoff
In Sachen Produktqualität soll durch die Entgasung vermieden werden, dass ein zu hoher O2-Gehalt Geschmack, Farbe & Aroma des Enproduktes negativ verändert, was von verschiedenen Oxidationsprozessen bedingt wird.
Dieses kann selbstverständlich auch eine Bedeutung bei der inerten Arbeitsweise im Sudhaus haben.
Zu hohe Sauerstoffeinflüsse können u.U. beim Maischen die Enzymarbeit (Stärke- & Eiweißabbau) und beim Läutern maßgeblich die Geschwindigkeit des Abläuterns (Polymerisation von Pentosanen) beeinträchtigen.
Über das Erox-System können O2 Werte von <5pbb erreicht werden
- Entfernung von Kohlendioxid
Freies CO2 reagiert aggressiv gegenüber Schwarzstahl-Leitungen und -Gefäßen. Um somit die Gefahr von Korrosion oder anderen Beeinträchtigungen von Anlagen und Baugruppen zu verringern, kommt das EROX®-Verfahren zur Entgasung von überschüssigem CO2 zum Einsatz.
1.2 Aufbau
Kernstück des Ganzen: Die Entgasung in den Membranmodulen (Bsp: CO2 Entgasung)
Das Kernstück der Erox besteht aus Hohlfasermembranmodule, die über eine große Oberfläche verfügen. Die Membranen sind semipermeabel, d.h. durchlässig für Gas, jedoch nicht für Wasser. Das Wasser fließt dabei im Aufstrom auf der Außenseite der Membran, während im Inneren der Membran ein Vakuum anliegt und das Stripgas im Abstrom zur Vakuumpumpe geleitet wird.
Das System wird immer im Gegenstrom betrieben.
Wobei zur CO2-Entfernung der Einsatz von Sterilluft als Stripgas im Regelfall bereits ausreicht.
Zur O2-Entgasung wird CO2-Gas im Gegenstrom benutzt.
Das Rohwasser wird mit einem Partikelfilter (1µm) filtriert, um die Hohlfasermodule gegen weiteren Schmutz zu schützen.
Das Gehäuse ist in FDA-konforme Kunststoffausführung, sowie ein Edelstahlgehäuse erhältlich.
Folgende Vorteile bietet EROX® im Gegensatz zu anderen traditionellen Vakuumentgasungssystemen:
- Geringe Betriebskosten (keine weitere Pumpenenergie durch inline Entgasung über Membrane)
- Vermeidung von Ausfällungen (bedingt durch den sonst üblichen Heißbetrieb)
- Kompakte Bauweise (kompakter und platzsparender als offene Strippkolonne)
- Sauerstoffgehalte < 5 ppb möglich
- CIP reinigbar
- Wenig Wartungsaufwand
- Geringer Stripgasverbrauch
- Keine Gefahr von Verkeimungen (geschlossenes System)
2) Chlordioxid
2.1 Funktionsweise
Chlordioxid ist in der kompletten Brauwasser Aufbereitung eines der am häufigsten vorkommenden Desinfektonsmittel. Es vermeidet die nachteiligen Wirkungen des Chlors (schleimhautreizend, umweltfeindlich) und ist im Gegensatz zu Ozon stabiler und kostengünstiger herzustellen.
Die Reaktion (siehe rechts) zur Herstellung der verwendeten Chlordioxid-Lösung erfolgt hierbei kurz vor der Dosage.
2.2 Vorteile gegenüber anderen Desinfektionsmitteln
Chlordioxid als wässrige Lösung besitzt hervorragende bakterizide (z. B. E.coli), sporizide, virizide und algizide Eigenschaften.
PH abhängig hat ClO2 eine etwas stärkere Oxidationskraft gegenüber anderen Desinfektionsmitteln (Peressigsäure, Wasserstoffperoxid, Chlorbleichlauge, Chlor) und dadurch geringere Einsatzkonzentrationen. Auch eine stärkere Entkeimungswirkung und schnellere desinfizierende Wirkung im Vergleich zu Chlor macht Chlordioxid zu einer attraktiven Alternative.
Der weitere Vorteil dieses Systems ist die einfache und sichere Bedienung sowie die Tatsache, dass sie faktisch keine unerwünschten Nebenprodukte wie THM produzieren. Zudem bleibt das Wasser für eine gewisse Zeit geschützt (Depotwirkung).
- Einfache & sichere Bedienung
- Keine unerwünschten Nebenprodukte (z.B. THM)
- Nachträglicher Schutz im Wasser (Depotwirkung)
- Schnelle Desinfektion (mit geringen Einsatzkonzentrationen)
3) NaOh-Dosage
Wenn das Wasser nur geringe Mengen an überschüssigem CO2 enthält und diese entfernt werden müssen, kann durch Zugabe von NaOH eine Neutralisation erfolgen.
Diese Methode ist jedoch nur für Betriebswasser geeignet und nicht für Brauwasser.
4) Riesler
4.1 Funktionsweise
Ein CO2 -Rieseler hat die Aufgabe, freie und agressive Kohlensäure aus Roh- oder aufbereitetem Wasser zu entfernen.
Wasser wird von oben in den Behälter gepumpt und von unten über die Filterrohre abgezogen. Luft wird im Gegenstrom von unten nach oben geblasen, wodurch CO2 ausgetrieben wird. Somit lässt sich der Gehalt an Kohlensäure je nach Bedarf einstellen.
CO2 Riesler werden jedoch nur noch selten gebaut (in den letzten Jahren 3-4 Stück im Hause EUWA), da sie Umgebungsluft einsaugen und dadurch mikrobiologische Risiken bergen.
4.2 Aufbau
Ein Riesler besteht aus 3 Zonen.
– Im zylindrischen Teil kommt nach 1/3 der Lochboden. Durch diesen Lochboden wird die Luft nach oben gedrückt.
– Über dem Lochboden befinden sich ein Füllkörper aus Edelstahl oder Kunststoff (Raschig-Ringe). Sie vergrößern die Fläche und sorgen für eine besser Verwirbelung des Wassers. Die freigewordenen Gase werden somit besser frei.
– Im oberen Teil befindet sich ein freier Raum (wie ein Kamin) worüber die Abluft in die Umgebung abgegeben werden kann.
Im unteren Boden befinden sich zudem Rohrleitungen mit Filterschlitzen, welche in den zylindrischen Teil gezogen werden, seitlich abgehen. Zudem enthält ein Riesler Marmorkies der einen Säure-Durschlag des Ionentauschers abpuffern kann.
Riesler werden aus Plastik gefertigt, da die freie Kohlensäure gegenüber herkömmlichem Edelstahl sehr aggressiv ist. Als alternative könnte man Schwarzstahl mit Gummierung wählen, was jedoch sehr teuer wäre.
- Entfernung von aggressiver Kohlensäure
- Hohe Kosten
- Korrosionsrestistente Materialen nötig (Plastik, Schwarzstahl mit Gummierung: teuer)
- Mikrobiologische Risiken (Einsaugen von Umgebungsluft)
5) CALMIX®
Wie wir wissen, spielen Calcium-Salze eine wesentliche Rolle im Brauprozess. Sie reagieren mit Malzbestandteilen (Phosphate) und setzen dabei H+-Ionen frei. Das wiederum hängt vom ursprünglichen Anionenpartner ab. Je nach Anionen-Partner (HCO3-) kann sich der pH-Wert der Maische auch aml unerwünscht erhöhen. Deshalb das Ziel: Die Nichtkarbonathärte des Brauwassers erhöhen. Welche Auswirkungen ein zu hoher Maisch-pH haben kann, haben wir in unserem ersten Artikel über das Brauwasser gezeigt.
Ein kleiner Überblick:
– Oxalat-Prophylaxe durch davorige Ausfällung in niedrigeren pHs und somit Vermeidung von Gushing
– bessere Enzymarbeit durch niedrige pH-Werte nahe am jeweiligen Optimum (Sudhausausbeute, Aminsosäuregehalt)
– u.v.m
Die Aufhärtung bei CALMIX® ist ein zweistufiger Prozess.
1) Eine gesättigte Kalklösung wird durch das ELIWA-Verfahren bereitsgestellt, mit dem zuvor aufbereitetem Wasser vermischt, über Membranfiltration gereinigt und in einem Tank gespeichert.
2) Diese Lösung wird nun Fluss- und pH geregelt mit Salzsäure und/oder Schwefelsäure versetzt.
Daraus entstehen eine gesättigte und echt gelöste CaCl2 und/oder CaSO4-Lösung, was (siehe oben) den erwähnten pH-Wert der Maische auf ein gewünschtes, leicht saures Niveau bringen sollte.
Bei der Brauwasser-CALMIX® wird dem Wasser also eine individuell konfigurierte Lösung aus gesättigtem Kalkwasser und Mineralsäuren zudosiert, bevor es die Brauwasseraufbereitung verlässt und in der Brauwasserreserve vorgehalten wird. Die Brauerei hat so den von ihr gewünschten Calciumgehalt und das gewünschte Verhältnis von Chlorid zu Sulfat im fertigen Brauwasser vollautomatisch eingestellt. Der Vorteil liegt im Vergleich zur herkömmlichen Zugabe von pulvrigem CaCl2 und CaSO4 in der durchgängigen Automatisierung und der damit verbundenen Vermeidung manueller Eingriffe, was gleichbedeutend mit einer reproduzierbaren und dokumentierten Qualität ist.
Auch eine Anpassung an die individuellen Bierstile kann im Rezept hinterlegt werden.
Kostenvorteile:
Und: Bei CALMIX® werden echt gelöste Salze dosiert und keine Suspension wie bei der Gabe von Braugips, was die Ausbeute der zugegebenen Salze deutlich erhöht und Kosten spart. Des Weiteren schlägt sich die positive pH-Wert-Beeinflussung mittels des CALMIX® -Verfahrens in einem deutlich geringeren Milch- oder Mineralsäurebedarf im Sudhaus nieder. Ggf. kann auch ganz darauf verzichtet werden.
- Erniedrigung des Maische-pHs (durch Erhöhung der Nicht-Carbonathärte)
- Reproduzierbare Qualität (durchgängige Automatisierung möglich)
- Rezeptspezifische Anpassungen
- Hohe Ausbeute der zugegebenen Salze (echt gelöst)
- Verzicht auf nachträgliche Würze- oder Maischesäuerung möglich
6) Ozon
Die Ozondesinfektion besteht aus einem Ozongenerator, einem Injektor und dem Restozonvernichter.
Ein Vorteil ist die Depotwirkung von Ozon, allerdings zerfällt es nach einer gewissen Zeit vollständig.
Der Nachteil ist der sehr hohe Energiebedarf.
Enthält das Wasser Bromid, so kann durch O3 Bromat gebildet werden.
Verwendet wird es gerne in Zusammenhang mit einer Mineral- oder Tafelwasseraufbereitung.
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Einblicke in die Wasseraufbereitung von EUWA
Mit über 50 Jahren Erfahrung in der industriellen Wasseraufbereitung für die Getränke-, Nahrungs- und Lebensmittelindustrie ist EUWA der Spezialist für individuell angepasste Gesamtlösungen rund um die Wasseraufbereitung. Für die Trinkwasser- und Mineralwasseraufbereitung bietet Ihnen EUWA optimale und effiziente Aufbereitungsverfahren – Made in Germany.
Zu unserem weiteren Produktportfolio zählen auch die Brauwasseraufbereitung sowie die Getränkewasseraufbereitung (z.B. für Softdrinks und Fruchtsäfte).
Mehr zu unseren patentierten Verfahren und Anlagen.
Vom umfangreichen Protfolie profitieren Hersteller aus der Getränke-, Nahrungs- und Lebensmittelindustrie mit oft strengen Wasseranforderungen.
Unsere Anlagen beginnen i.d.R. mit einer Leistung von 500l/h. Hiermit kann eine Brauerei mit einem Jahressausstoß von bis zu 4000hl versorgt werden. Die Ausschlagsgröße kann hierbei auch stark variieren. Je nach örtlichem Wasser sind oftmals auch komplett andere oder auch kaum Aufbereitungsanlagen nötig, weshalb jeder Kundnekontakt individuell abgestimmt auf die Bedürfnisse ist.
Zum Nachschlagen
Literatur
Kunze: Technologie Brauer & Mälzer
2011, 10. Auflage, VLB, Berlin, S. 88 - 97
Narziß L.: Abriss der Bierbrauerei
2017, 8. Auflage, WILEY-VCH Verlag, Weinheim, S. 103 - 115
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