Keimen keine Chance

Abb. 1 Kurzzeiterhitzungsanlagen haben sich bei der Pasteurisation von Bier bewährt

Abb. 2 Schematische Darstellung einer Kurzzeiterhitzungsanlage

Abb. 3 Blockschaltbild einer PE-geführten Temperaturregelung

Abb. 4 In die Kurzzeiterhitzungsanlage sind vier Kompaktregler Trovis 6411 integriert

Abb. 5 Der elektrische Meßumformer Typ 994-0050-CE1010 leitet das Signal an die Niveauregelung weiter

Abb. 6 Blockschaltbild einer füllstandsgeführten Durchflußregelung

Abb. 7 Die totraumfreie Ausführung des Regelventils Typ 3347 beugt bakteriellen Ablagerungen vor

Kurzzeiterhitzer haben sich bei der Pasteurisation von Bier bewährt. Um Qualitätseinbußen zu verhindern, muß die thermische Belastung des Bieres möglichst kurz sein. Dennoch müssen alle schädlichen Keime zuverlässig abgetötet werden. Ein Kompromiß zwischen ausreichender Pasteurisation und angemessener Einwirkzeit läßt sich über ein intelligentes Regelungskonzept realisieren: Temperatur und Durchfluß werden kontinuierlich in Abhängigkeit von den Pasteurisationseinheiten geregelt. Letztere sind ein Maß für den Abtötungseffekt.

Anlagen zur Kurzzeiterhitzung befinden sich in der Regel zwischen Drucktank und Abfülleinrichtung. In ihnen finden vier Prozeßschritte statt: Aufwärmen, Erhitzen, Abkühlen und Puffern. Der Aufbau einer solchen Anlage ist in Abbildung 2 dargestellt.

Eine Pumpe fördert das kalte Bier (Kellertemperatur) in einen Wärmeaustauscher, wo es durch das vom Heißhalter abfließende Bier erwärmt wird. In der nachgeschalteten Erhitzersequenz bringt man es auf die endgültige Pasteurisationstemperatur, die in der Heißhaltestrecke konstant gehalten wird. Ihre Länge bestimmt die Dauer der Kurzzeiterhitzung, sie liegt zwischen 30 und 60 Sekunden. An-schließend gelangt das Bier wieder in den Plattenwärmetauscher und gibt dort seine Wärme an das zufließende Bier ab. Auf dem Weg zwischen Kurzzeiterhitzer und Abfüllanlage fließt das auf die Endtemperatur gekühlte Bier durch einen Puffertank mit Niveauregelung. Dieser dient zum Ausgleich von Leistungsschwankungen an der Abfüllmaschine.

Um eine hohe biologische Sicherheit bei der Pasteurisation des Bieres zu gewährleisten, werden an die Temperaturregelung hohe Anforderungen gestellt. Die Regelung des Pasteurisationseinheiten-Wertes (PE-Wert) erfolgt indirekt über die Temperatur. Pasteurisationseinheiten sind ein Maß für die Abtötung der Keime und damit für die biologische Sicherheit des Verfahrens. Die Wirkung von 1 PE bezieht sich auf eine Temperatur von 60 °C und eine Einwirkungszeit von einer Minute. Für eine ausreichende biologische Sicherheit sind mindestens 20 PE notwendig.

Der PE-Wert läßt sich nicht direkt regeln. Deshalb regelt man die Temperatur am Ausgang des Erhitzers, sie liegt zwischen 68 und 75 °C. Der Sollwert des Temperaturreglers ergibt sich aus dem geforderten PE-Sollwert, dem Bierdurchfluß und der daraus resultierenden Verweilzeit im Heißhalter (Abb. 3). Bei der Konzeption einer Kurzzeiterhitzungsanlage sind folgende regelungstechnische Aspekte zu berücksichtigen:

? Der Puffertank kompensiert kurzzeitige Störungen in der Abfüllanlage. Zudem hält die Flüssigkeitsstand-Regelung durch Variation des Bierzulaufs den Inhalt des Puffertanks in den zulässigen Grenzen. Bei einer Überschreitung des maximalen Füllstands durch längere Störungen, muß die Kurzzeiterhitzer abgeschaltet und gereinigt werden.

? Im Heißhalter muß bei der jeweils vorherrschenden Temperatur der CO2-Sättigungsdruck überschritten werden. Andernfalls würde es zu einer CO2-Ausgasung und damit zu möglichen Kontaminationen kommen. Eine Druckregelung am Ausgang des Heißhalters löst dieses Problem.

In die Kurzzeiterhitzungsanlage sind vier Kompaktregler Trovis 6411 integriert, wobei der PE- und der Flüssigkeitsstandregler mit einer Sondersoftware arbeiten (Abb. 4). Alle Reglerkomponenten lassen sich zur Fern-überwachung über eine Modbus-Schnittstelle an ein Leitsystem, beispielsweise Trovis 6500, ankoppeln.

Der Durchfluß-Sollwert leitet sich aus dem Füllstand ab, so daß bei einem einstellbaren Speicherinhalt ein Durchsatz von 100% vorliegt. Zwei getrennte Meßumformer für Druck oder ein Meßumformer für Differenzdruck erfassen den Füllstand im Puffertank (Abb. 5). Sie geben den Wert an einen Funktionsbaustein im Kompaktregler Trovis 6411 weiter, der ihn in einen Durchfluß-Sollwert umwandelt (Abb. 6).

Kommt es zu einer Störung in der Abfüllanlage, steigt der Füllstand im Puffertank und der Durchfluß-Sollwert muß durch den Regler auf einen Minimalwert reduziert werden. Diese Absenkung hat jedoch technische Grenzen: Ein zu geringer Durchsatz am Wärmeaustauscher erhöht die Reaktionszeit des Temperaturregelkreises am Heißhalter, so daß schließlich eine zuverlässige Regelung unmöglich wird. Deshalb begrenzt ein Rampenbaustein die Änderungsgeschwindigkeit des Durchfluß-Sollwertes. Das Ausgangssignal wird festgehalten, wenn die Temperatur-Regelabweichung größer ist als der eingestellte Grenzwert. Der minimale Durchfluß wird bis zum Erreichen des maximalen Füllstands beibehalten, danach erfolgt die Abschaltung der Kurzzeiterhitzungs-anlage.

Neben ihrer positiven pasteurisierenden Wirkung hat die Temperatur einen negativen Einfluß auf den Geschmack des Bieres. Aus diesem Grund wird über einen minimalen Durchfluß der Temperaturbereich in engen Grenzen gehalten. In Abhängigkeit vom eingestellten PE-Sollwert und dem Ist-Durchfluß ergibt sich der zu regelnde Temperatur-Sollwert, der dem PID-Regler aufgeschaltet wird. Zusätzlich überwacht der Regler den eingestellten PE-Wert, indem er aus den Durchfluß-Istwerten vor dem Wärmeaustauscher und der Temperatur im Heißhalter den PE-Istwert berechnet und mit dem parametrierten Wert vergleicht. Treten hierbei Abweichungen auf, wird ein Alarm ausgelöst.

Wie bereits beschrieben, wird bei steigendem Füllstand im Puffertank der Durchfluß vermindert. Darauf muß der PE-geführte Regler mit einer schnellen Temperaturreduzierung reagieren. Würde bei einem verminderten Durchsatz im Erhitzerkreislauf der Temperaturregelkreis nicht schnell genug auf die Mengenänderung reagieren, wäre eine Überhitzung des Bieres die Folge. In diesem Fall gibt der Temperaturregler einen Stop-Befehl an den Durchflußregler. Der Durchsatz wird auf dem momentanen Sollwert gehalten, bis der PE-Istwert mit dem eingestellten Sollwert wieder übereinstimmt.

Ein Absinken des Druckes im Heißhalter unter den CO2-Sättigungsdruck hätte ein Ausgasen der Kohlensäure und eine leichte Eiweißtrübung des Bieres zur Folge. Zu dem könnten in den freigesetzten Gasblasen allerdings Keime und Mikroorganismen den Pasteurisationsprozeß fast unbeschädigt durchlaufen. Das Ergebnis wäre eine Kontamination des Wärmeaustauschers, Puffertanks und der Rohrleitung zwischen Erhitzer und Abfüllanlage. Vor diesem Hintergrund kommt der Druckregelung eine große Bedeutung zu. Ein Druckregelventil, das hinter dem Wärmeaustauscher installiert ist, verhindert ein Absinken des Druckes im Heißhalter. Die Druckmessung erfolgt hinter dem Heißhalter.

Um den hohen hygienischen Ansprüchen zu genügen wird die Kurzzeiterhitzungsanlage, einschließlich aller eingebauten Meß- und Stellventile, zyklisch einer CIP-Reinigung unterzogen. Deshalb müssen alle produktberührten regelungstechnischen Komponenten CIP-fähig sein. Um Ablagerungen vorzubeugen müssen sie nicht nur selbst totraumfrei sein, sondern sich auch totraumfrei in Leitungen einbauen lassen. Das Regelventil Typ 3347 in Eckausführung erfüllt diese Anforderungen (Abb. 7). Seine glatten Durchgänge und die totraumfreie Kegelstangendurchführung gewährleisten einen sehr guten CIP-Reinigungseffekt. Alle produktberührten Bauteile sind aus korrosionsfestem, poliertem Edelstahl oder PTFE gefertigt. Eine Keimverschleppung über die PTFE-Packung in der Kegelstangenabdichtung ist nach heutigen Meßmethoden nicht nachzuweisen. Auch die PT100-Temperaturfühler Typ 994-0020 unterstützen die hygienische Konzeption der Kurzzeiterhitzungsanlage: Sie lassen sich spaltfrei in Rohrleitungen mit einem Nenndurchmesser von DN25 bis DN100 einschweißen. Ihre kurzen Ansprechzeiten stellen eine schnelle Regelung der Kurzzeiterhitzungsanlage sicher. Die zum Einsatz kommenden Druckmeßumformer Typ 994-0020 mit frontseitiger Membran erfüllen ebenfalls die Hygieneanforderungen.

Die Aufzeichnung der in der Anlage herrschenden Temperaturen und Drücke sowie der Durchflußwerte übernimmt ein Prozeßschreiber vom Typ994-0213.

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Dipl.-Ing. Markus Haase