Wasserentgasung in der Brauerei

Gegenüberstellung der heute eingesetzten Verfahren

In Brauereien und bei der Getränkeherstellung generell wird entgastes Wasser – gemeint ist eigentlich weitgehend sauerstofffreies Wasser – in zahlreichen Prozeßschritten für den Kieselguransatz und die laufende KG-Dosage, zum Anschwemmen der Bierfiltration, für die Ausschübe zum Flaschenfüller, beim letzten Spülschritt nach der Reinigung und nicht zuletzt zum Einstellen der Stammwürze oder des Alkoholgehaltes des Bieres nach der Filtration oder dem High-Gravity-Blending eingesetzt. Gerade beim Blending und der Herstellung von Biermischgetränken ist der Einsatz zwingend erforderlich, um den Sauerstoffgehalt im Bier bzw. fertigen Produkt nicht direkt zu erhöhen. Dieser Artikel beschreibt die physikalischen Grundlagen der Wasserentgasung und vergleicht die bekannten Verfahren zur Entgasung von Brauwasser bezüglich der erreichbaren Restsauerstoffgehalte, Verbräuche und Betriebskosten, Reinigbarkeit, Platzbedarf und Investitionskosten. Er soll so dem potentiellen Anwender helfen, das für ihn geeignetste Verfahren auszuwählen.

Die Anforderungen an die Entgasung gehen insbesondere in Brauereien mittlerweile zu sehr niedrigen Restsauerstoffgehalten von bis unter 0,02 ppm. Von den Herstellern werden heute Entgasungsverfahren und Anlagen angeboten, die sich verfahrens- und apparatetechnisch sowie in den erreichbaren Restsauerstoffgehalten zum Teil stark unterscheiden. Generell steigt mit sinkendem Restsauerstoffgehalt der verfahrens- und apparatetechnische Aufwand und somit auch Energieverbrauch und Investitionsbedarf an. Der Anwender sollte also von Beginn an klar definieren, welche Anlagenkapazität er mindestens benötigt und welcher Restsauerstoffgehalt für seinen Herstellprozeß bzw. die Einhaltung seiner Qualitätsparameter effektiv erforderlich ist.

Physikalische Grundlagen

Im Brau- oder Quellwasser der Brauereien und Getränkefirmen sind immer Gase und auch Sauerstoff gelöst, deren Konzentration von den jeweiligen Umgebungsbedingungen abhängen. Diese Umgebungsbedingungen sind im wesentlichen die Atmosphärenzusammensetzung, die Temperatur und der Druck, weniger dagegen die Luftfeuchte oder der Härtegrad des Wassers.

Der Sauerstoffanteil in Wasser beträgt, siehe Abbildung 1, bei 10 bis 15 °C und Umgebungsdruck etwa 8 bis 10 ppm. Um den Sauerstoff aus dem Wasser zu entfernen werden heute folgende verfahrens- und prozeßtechnische Maßnahmen einzeln oder in Kombination eingesetzt:

– Verringerung des Betriebsdruckes (Vakuum),
– Erhöhung der Wassertemperatur,
– Partialdruckabsenkung durch Einsatz eines Strippgases, möglichst in Gegenstromfahrweise,
– Erzeugung einer möglichst großen Kontakt- bzw. Stoffaustauschfläche zwischen Flüssig- und Gasphase im Entgasungsapparat,
– Gewährleistung einer möglichst langen Kontaktzeit zwischen Flüssig- und Gasphase,
– Chemische Bindung/Abreaktion des Sauerstoffs in sauerstofffreier Atmosphäre, auch katalytische Entgasung.

Diese Maßnahmen, mit Ausnahme der chemischen/katalytischen Entgasung werden im folgenden bezüglich ihrer Wirkung und ihrer effektiven Kombinationsmöglichkeiten untersucht.

Einfluß von Druck und Temperatur

Zur Beurteilung des Einflusses von Druck und Temperatur sollen zunächst die physikalischen Grundlagen zur Gaslöslichkeit in Wasser und die möglichen Einflußfaktoren auf den Sauerstoffgehalt betrachtet werden. Dazu ist in Abbildung 1 der Sauerstoffanteil für verschiedene
Betriebsdrücke in Abhängigkeit von der Temperatur bei atmosphärischer Zusammensetzung dargestellt.

Man erkennt, daß mit steigender Temperatur und mit sinkendem Umgebungsdruck die Gaslöslichkeit abnimmt. Die Abhängigkeit vom Druck ist fast proportional, die von der Temperatur dagegen vergleichsweise gering. Weiterhin fällt auf, daß die erreichbaren O2-Konzentrationen für den kompletten betrachteten Temperatur- und Druckbereich im ppm Bereich liegt. Eine Absenkung der O2-Konzentration im Wasser auf die oft geforderten Werte von 0,02 ppm ist also nicht durch moderate Druck- und Temperaturänderungen möglich. Nur durch extreme Bedingungen, d.h. einer Absenkung des Betriebsdruckes auf unter 2 mbar und Temperaturen von mindestens 20 °C, können die 0,02 ppm O2 erreicht werden – und das auch nur unter praktisch nicht erreichbaren Gleichgewichtsbedingungen. Zudem würde sich bei einer Anlagenleistung von 100 hl/h schon ein unwirtschaftlich hoher Abgasvolumenstrom von weit über 100 m2/h ergeben. Aus diesem Grund wird in der Praxis und damit bei allen hier betrachteten Verfahren eine Zusatzkomponente eingesetzt, das sogenannte Strippgas.

Partialdruckabsenkung durch Einsatz eines Strippgases

Durch den Einsatz des Strippgases soll zum einen der Sauerstoffanteil in der Gasphase für den Bereich sehr niedriger O2-Konzentrationen abgesenkt und das Phasengleichgewicht verschoben werden. Typischerweise wird CO2 als Strippgas eingesetzt, daß zum einen in der Getränkeindustrie so gut wie immer zur Verfügung steht und zum anderen eine sehr gute Wasserlöslichkeit und Verdrängungswirkung auf den gelösten Sauerstoff hat.

Der Effekt ist in Abbildung 2 zu sehen. Durch den Einsatz der Zusatzkomponente CO2 kann der Sauerstoffanteil in der Gasphase zu kleinen Werten hin verschoben und – entsprechend dem Henry’schen Gesetz – proportional die Sauerstoffkonzentration im Wasser bis hin zu kleinen Restwerten im Wasser abgesenkt werden. Durch eine Erhöhung der Temperatur, siehe rote Kurve, und insbesondere durch Vakuum, siehe blaue Kurve, können bei vergleichbarem Sauerstoffgehalt in der Gasphase deutlich niedrigere Restsauerstoffwerte im Wasser erreicht werden.

Allerdings zeigt Abbildung 2 auch, daß ein sehr geringer Sauerstoffanteil in der Gasphase erforderlich ist, um die geforderten Sauerstoffwerte von bis unter 0,02 mg/l zu erreichen. Um die dazu erforderlichen sehr großen und damit unökonomischen Strippgasmengen zu vermeiden, erfolgt die Prozeßführung bei allen modernen und effizienten Entgasungsverfahren im Gegenstrom.

Deshalb wird, wie im Schema der Abbildung 3 am Beispiel einer Kolonnenentgasung dargestellt, das Strippgas, rot dargestellt, im Gegenstrom zum zu entgasenden Wasserstrom, blau dargestellt, zugeführt. Der vorteilhafte Konzentrationsverlauf ist im Diagramm dargestellt: Das Wasser wird mit etwa 10 ppm am Kopf der Kolonne aufgegeben, fließt in den Sumpf und wird dabei durch das aufströmende CO2 kontinuierlich entgast. Das am Sumpf der Kolonne schon weitgehend sauerstofffreie Wasser wird mit dem der Kolonne gerade zugeführten sauerstofffreien CO2 gestrippt – wodurch die Konzentrationsdifferenz und damit die Entgasung maximal ist. Dadurch kann der Strippgasverbrauch und gleichzeitig der Restsauerstoffgehalt im Wasser deutlich gesenkt werden.

Einfluß von Stoffaustauschfläche und Kontaktzeit

Bei den betrachteten Effekten wurde vom Gleichgewichtszustand zwischen Gas- und Flüssigphase ausgegangen. Tatsächlich kann der Gleichgewichtszustand aufgrund der zeitlich begrenzten Kontaktzeit zwischen Gas- und Flüssigphase nur annähernd erreicht werden. Um möglichst nahe an den Gleichgewichtszustand zu kommen, ist ein möglichst weitgehender Stoffaustausch erforderlich.

Die Einflußfaktoren auf den Stoffaustausch m zwischen zwei Strömen sind in dem 1. Fick’schen Gesetz beschrieben:

(1) m = DA0 ∫ T (∂c/∂x) dt

Der Diffusionskoeffizient D ist für Sauerstoff/Wasser mit D20 °C = 2,1·10-9 m2/s sehr ungünstig und nur gering beeinflußbar. So steigt der Diffussionskoeffizient durch eine Erhöhung der Temperatur von 20 auf 80 °C nur um ca. 20 Prozent. Es muß also für eine möglichst große Stoffaustauschfläche A und Kontaktzeit T gesorgt werden, um einen weitgehenden Stoffaustausch zu erreichen. Diese wird bei den verschiedenen Verfahren auf unterschiedliche Weise erzeugt und ist in Tabelle 1 aufgeführt.

Ein möglichst großes Konzentrationsgefälle (dc/dx) kann wiederum am effizientesten durch eine konsequente Gegenstromführung von Strippgas zum Wasser und eine turbulente, oberflächenerneuernde Prozeßführung erreicht werden.

Zusätzliche konstruktive Einflußparameter

Darüberhinaus kann der Stoffübergang Kl*a, wobei Kl* der flüssigkeitsseitige Stoffübergangskoeffizient und a die spezifische Flüssigkeitsoberfläche in m2/m3 ist, individuell durch konstruktive Maßnahmen für die einzelnen Verfahren intensiviert werden. Für eine moderne Strippkolonne ist nach Untersuchungen von Zuiderweg (F.R.I. Report 92):

(2) Kl*a ~ wGwl 0,58*ReG -0,4*ScG-2/3

Kl* ist im Gegensatz zum gasseitigen Stoffübergangskoeffizient KG* transportbestimmend und kann von daher allein für die Abschätzung des Stoffüberganges
betrachtet werden. Bei der Berechnung des Stoffübergangs nach (2) sind wG und wl die Gas- und Flüssigkeitsgeschwindigkeit und ReG und ScG die Reynolds- (Turbulenzmaß) und Schmidt-Zahl (Viskositäts-Diffusionsverhältnis) der Gasphase, die durch konstruktive und prozeßtechnische Maßnahmen signifikant beeinflußt werden können und erst dadurch ein wirtschaftliches Entgasen auf die heute geforderten Werte ermöglicht.

Vergleich der Verfahren

Alle gängigen Entgasungsverfahren wie

– Membranentgasung,
– Sprühentgasung,
– Kolonnenentgasung kalt unter Umgebungsdruck,
– Kolonnenentgasung heiß unter Umgebungsdruck,
– Kolonnenentgasung kalt unter Vakuum

beruhen auf der Nutzung dieser Einflußparameter.

Die konstruktive Ausführung und Dimensionierung der Entgasungsapparate kann die vorbeschriebenen Einflußparameter durchaus gegenläufig beeinflussen. So bedeutet eine hohe Strömungsgeschwindigkeit und damit hohe Turbulenz zugleich meist eine geringere Kontaktzeit. Es liegt hier an dem Anlagenbauer basierend auf Erfahrungen, Berechnungen etc. den optimalen Kompromiß zu finden.

Die den einzelnen Entgasungsverfahren zugrunde liegenden physikalischen Methoden sind in Tabelle 1 aufgeführt.

Membranentgasung

Bei der Membranentgasung wird das zu entgasende Wasser entlang von Hohlfaser-Membranbündeln geführt, durch die Gas leicht diffundieren aber kein Wasser permeieren kann. Auf der anderen Membranseite im Inneren der Hohlfaser wird durch den Einsatz von CO2 und Anlegen von Vakuum ein starkes treibendes Konzentrationsgefälle des Sauerstoffs zur Strippgasseite und damit eine effiziente Entgasung erreicht. Durch die Gegenstromführung bleibt das ausgeprägte Konzentrationsgefälle auch bei nur noch geringem Sauerstoffgehalt im Wasser erhalten. Dadurch können bei entsprechender Dimensionierung, d.h. Reihenschaltung von Membranmodulen, Restsauerstoffwerte unter 0,02 ppm erreicht werden.

Die Membranentgasung ist bei kleinen Entgasungsleistungen eine kompakte und effiziente Entgasungsmethode mit sehr geringen CO2-Verbräuchen und Energiebedarf. Zu größeren Entgasungsleistungen hin steigt jedoch die Zahl der benötigten Membranmodule – da diese zur Erreichung des Durchsatzes parallel geschaltet werden müssen – und damit die Investitionskosten relativ stark an, so daß in der Regel andere Entgasungsverfahren wie die Kolonnenentgasung zu bevorzugen sind. Die in der Getränke- und Lebensmittelindustrie angewendete CIP-Reinigung ist nur in einem beschränkten Temperaturbereich und nicht mit allen üblichen Reinigungsmitteln und Zusätzen möglich.

Sprühentgasung

Bei der Sprühentgasung wird Wasser mit CO2 in einen oder mehrere evakuierte Behälter kalt verdüst. Durch den Vakuumbetrieb und den Einsatz von CO2 kann dadurch zunächst eine gute Entgasung mit relativ geringem CO2-Verbrauch erzielt werden. Einstufige Sprühentgasungen reichen für die in der Erfrischungsgetränkeindustrie geforderten Sauerstoffwerte oft schon aus und sind daher hier weit erbreitet. Sehr kleine Restsauerstoffwerte können jedoch aufgrund des fehlenden Gegenstromeffekts und der vergleichsweise kleinen Gas/Flüssig-Kontaktzeit und -Austauschfläche (Tropfen ca. 100 µm) nur durch eine mehrstufige und damit teure Anordnung mit deutlich höherem CO2-Verbrauch erreicht werden.

Deshalb kann es bei bestehenden Sprühentgasungsanlagen oft sinnvoll sein, eine Membranstufe mit CO2-Kopplung zur bestehenden Anlage nachzuschalten, um die heute geforderten Sauerstoffwerte und CO2-Verbräuche zu erreichen. Nach einem Patent der corosys GmbH kann dies ohne zusätzlichen CO2-Verbauch durchgeführt werden. Die Sprühentgasungen können uneingeschränkt mit allen üblichen Reinigungsmitteln und Temperaturen gereinigt werden.

Kolonnenentgasung

Die Kolonnenentgasungen kalt, heiß und Vakuum erfolgen alle nach dem gleichen Prinzip. Eine Kolonne mit Füllkörpern oder strukturierter Packung zur Erzeugung einer möglichst großen Oberfläche wird mit dem zu entgasenden Wasser berieselt. Das Wasser fließt entlang der Packung in das Unterteil der Kolonne und wird im Gegenstrom mit CO2 gestrippt, das am unteren Kolonnenende eingeleitet wird. Dadurch wird entlang der gesamten berieselten Packung eine hohe treibende Konzentrationsdifferenz für den Sauerstoff von der Wasser- zur Gasphase aufgebaut.

Die drei Verfahren unterscheiden sich wesentlich in der Nutzung physikalischer Effekte zur effizienten Entgasung:

Kolonnenentgasung kalt

Bei der Kolonnenentgasung kalt wird allein die Konzentrationsdifferenz bei Gegenstromführung und die sehr große Stoffaustauschfläche entlang der Packung zur Entgasung genutzt. Temperatur und Kolonnendruck entspricht Umgebungsbedingungen. Dadurch werden Restsauerstoffwerte < 0,05 ppm O2 im Wasser möglich bei einem relativ hohem CO2-Verbrauch von 2 bis 3 g/l, wovon jedoch der weitaus größte Teil im Wasser gelöst wird und nicht verloren ist.

Kolonnenentgasung heiß

Bei der Kolonnenentgasung heiß wird das Wasser auf üblicherweise 72 °C (Pasteurisierungstemperatur) aufgeheizt und bei dieser Temperatur entgast. Durch die erhöhte Temperatur sinkt die Löslichkeit und der Stoffübergang verbessert sich, wodurch die O2-Abreicherung verstärkt und der CO2-Verbrauch reduziert wird. Es werden Restsauerstoffwerte ≤ 0,02 ppm O2 im Wasser erreicht. Zusätzlich wird das Wasser durch die Heißstrippung pasteurisiert. Die Investitionskosten steigen jedoch durch den dazu erforderlichen Aufheiz- und Abkühlvorgang deutlich an. Auch die Betriebskosten steigen insbesondere bei kleinen Kapazitäten durch die zusätzliche Heizenergie und Wärmeverluste an, so daß dieses Verfahren fast nur bei großen bis sehr großen Leistungen interessant ist.

Kolonnenentgasung Vakuum

Schließlich nutzt die von der corosys GmbH entwickelte Kolonnenentgasung Vakuum (Abbildung 4) – im Gegensatz zur Heißstrippung – die Absenkung des Betriebsdrucks zur Erhöhung des Partialdruckgefälles und damit zur O2-Abreicherung. Diese Druckabsenkung ist – wie man jetzt weiß – die effizienteste Maßnahme, um sehr niedrige Sauerstoffrestwerte im Wasser zu erreichen. Durch das Vakuum werden nämlich einerseits die vergleichsweise niedrigsten Partialdrücke für kleine Restsauerstoffmengen erreicht, siehe Abbildung 2, und andererseits deutlich größere Gasgeschwindigkeiten und dadurch eine verbesserte Turbulenz und Stoffübergang gemäß Formel (2) erreicht. Es werden Restsauerstoffwerte < 0,02 ppm O2 im Wasser erreicht.

Außerdem sinkt die Gaslöslichkeit und somit die CO2-Löslichkeit im Wasser stark ab, wodurch ein wesentlich geringerer CO2-Verbrauch erreicht wird.
Die Investitionskosten steigen gegenüber der reinen Kaltstrippung etwas an. Diese etwas höheren Investitionen amortisieren sich aber relativ schnell durch den weit geringeren CO2-Verbrauch. Die Vakuumstrippung ist das effizienteste und wirtschaftlichste Verfahren für die Entgasung mittlerer und großer Kapazitäten auf Restsauerstoffwerte unter 0,02 ppm.

Alle Strippentgasungen können uneingeschränkt mit allen üblichen Reinigungsmitteln und Temperaturen gereinigt werden. Der Flächenbedarf ist gering. Je nach Verfahren und gefordertem Restsauerstoffgehalt und Durchsatz ist aber eine Raumhöhe von 5 bis zu 13 Metern für die Aufstellung der Strippkolonne erforderlich.

Faktoren bei der Entscheidung für den geeignetsten Prozeß

Bei der Entscheidung für den geeignetsten Prozeß sind zudem folgende in Tabelle 1 näher betrachteten Faktoren zu berücksichtigen:
– Verfügbare Medien und Energien und deren spezifische Kosten,
– Reinigbarkeit/CIP-Fähigkeit,
– Wartungsbedarf,
– Betriebskosten,
– Investkosten,
– Erforderlicher Restsauerstoffgehalt,
– Geforderter Durchsatz.

Zusätzlich sind gegebenenfalls kundenspezifisch noch Entscheidungskriterien wie Platzbedarf, Wassertemperatur, CO2-Reinheit u.a.m. zu berücksichtigen. Unter diesen Randbedingungen ist das für den jeweiligen Betrieb optimale Verfahren herauszufinden.

Typische Anwendungs- und Einsatzfälle

Membranentgasung

Eine kleinere 50 000 hl/a Brauerei benötigt entgastes Wasser nur zum Anschwemmen der Filter und für die Ausschübe. Ein bestehender Tank kann für die Pufferung von entgastem Wasser genutzt werden. Dieser reicht um den kurzzeitig hohen Bedarf an entgastem Wasser abzudecken. Für diese Aufgabe eignet sich in geradezu idealer Weise eine sehr kleine Membranentgasung. Diese kann kontinuierlich durchlaufen und den Tank befüllen. Die Investkosten und auch die Betriebskosten einer Membranentgasung sind für diesen Fall minimal.

Kolonnenentgasung Vakuum oder Heiß

Eine große ausländische 2 500 000 hl/a Brauerei benötigt das entgaste Wasser neben dem Anschwemmen der Filter vornehmlich für das Blenden von High-Gravity Bier. Die Abnahmemengen können bei gleichzeitigem Betrieb aller Filter bis zu 450 hl/h betragen. Der Sauerstoffwert muß möglichst niedrig sein, um eine Erhöhung der Sauerstoffwerte im geblendeten Bier zu vermeiden. Für diese Aufgabe eignet sich eine Kolonnenentgasung Vakuum oder Heiß. Beide Anlagen erreichen Sauerstoffwerte von 20 ppb oder darunter. Die Heißstrippung ist in der Anschaffung und im Betrieb durch den Dampf- und Glykolverbrauch teurer als die Vakuumstrippung. Die Vakuumstrippung muß für diesen Anwendungsfall mit einer UV-Desinfektionsanlage ausgerüstet werden. Bei der Heißstrippung erübrigt sich dies durch die gleichzeitig erreichte Pasteurisierung des Wassers bei 72 °C.

Kolonnenentgasung kalt

Eine mittelständige 200 000 hl/a Privatbrauerei benötigt entgastes Wasser neben den in der Brauerei üblichen Zwecken zusätzlich für die Herstellung von Biermischgetränken, Sodawasser und die Einstellung der Stammwürze nach der Filtration. Ein hoher CO2-Gehalt im Wasser ist hierbei durchaus von Vorteil. Hierfür ist sowohl bezüglich der Invest- als auch der Betriebskosten eine einfache Kolonnenentgasung kalt optimal. Die Anlage liefert zuverlässig Wasser mit deutlich unter 0,05 ppm O2 und ca. 2,0 g/l CO2. Sie ist einfach aufgebaut, günstig in der Anschaffung und nahezu wartungsfrei. Die Anlage wurde als Einheit zusammen mit der in Abbildung 5 dargestellten Feinblending- und Karbonisieranlage realisiert. Eine zentrale Steuerung und die Verknüpfung der Filtration, des Puffertankes für entgastes Wasser und der Teilanlagen über ein Paneel ermöglichen neben dem Feinblending und der Karbonisierung nach der Filtration gleichzeitig die Kühlung des entgasten Wassers und die Herstellung von Sodawasser. Die Regelung des Puffertankes und die Versorgung der diversen Verbrauchsstellen innerhalb der Brauerei mit entgastem Wasser erfolgt gleichfalls vollautomatisch durch die integrierte Simatic S7 300 Steuerung.

Dr.-Ing. Matthias Stumpf
Leiter Technik, corosys Prozeßsysteme und Sensoren GmbH, Hofheim am Taunus

Dipl.-Ing. Stephan Dittrich
Geschäftsführer, corosys Prozeßsysteme und Sensoren GmbH, Hofheim am Taunus

Brmst. Heinz Wasner
Technischer Leiter, Brauerei Zwettl Karl Schwarz GmbH

Brauindustrie 11/2004