Technologie der Bierherstellung in ZKT-Tanks

Entstehung von ZKT

Seitdem das Bierbrauen in seine industrielle Phase eingetreten ist, wurde die Entwicklung neuer Technologien zur Steigerung von der Rentabilität zu seiner Haupttendenz. Fast alle Entwicklungen wurden darauf konzentriert, die Braukosten durch Verbilligung des Verfahrens und Verringerung der Mitarbeiterzahl zu senken und den Umschlag von Produktionsanlagen durch Reduzierung der Gär- und Nachgärzeiten, soweit es möglich ist, zu beschleunigen. 

Eine alte klassische deutsche Brauregel besagte: Die Gärung der Bierwürze dauert eine Woche, die Nachgärung - so viele Wochen, wie hoch das Prozent des Stammwürzegehalts ist. Aber schon im XIX. Jahrhundert hat sie an Aktualität verloren. Vom zunehmenden Wettbewerb getrieben, strebten die Bierbrauer an, den Bierherstellungsprozess so weit wie möglich zu beschleunigen.

Ein zeigendes Beispiel für solche Untersuchgen sind die Entwicklungen des Schweizer Wissenschaftlers Nathan, der im XIX. Jahrhundert ein Verfahren zum überschnellen Bierbrauen entwickelte und erstmals in der Praxis eingesetzte: Der gesamte Gär- und Nachgärprozess dauerte nach seinem Verfahren nur 10-14 Tage (je nach Stammwürzegehalt). Durch die Auswahl von besonderen thermischen und technologischen Bedingungen erhöhte Nathan den Zuwachs der Hefemasse um 2,5-mal. In einem frühen Stadium entfernte er aus dem Jungbier das Kohlendioxid, das in dieser Etappe flüchtige Substanzen enthält, die den unreifen Geschmack des Getränks verursachen. Danach wurde das Bier mit reiner Kohlensäure angereichert und abgeklärt. Dieses Verfahren hat keine breite Anwendung gefunden. Gemäß dem Kommentar der tschechischen Experten erreicht das Bier, dessen Gärung nach dem Nathan-Verfahren beschleunigt wurde, die traditionelle Qualität des tschechischen Bieres nicht. (Dasselbe könnte auch über das deutsche Bier gesagt werden).

Dieses Verfahren versprach allerding eine wesentliche Beschleunigung des Umlaufs von Produktionsanlagen, was es in den Augen vieler Brauer mit Geschäftsgeist sehr attraktiv machte. Das ist ein gutes Zeugnis dafür, dass bereits in der Vergangenheit der Minimierung der gesamten Durchlaufzeit eine große Bedeutung beigemessen wurde.

Nach den Worten von Zdeněk Šubrt, der ehemalige Technologe der Brauerei Plzeňský Prazdroj a. s., wurde der erste wirklich funktionierende ZKT im Jahre 1928 in Europa in der Brauerei Kulmbach (Bayern) aufgestellt. Die Abmessungen dieses Tanks waren nicht so beeindruckend wie bei den modernen: sein Durchmesser betrug 3 Meter, die Höhe war 10 Meter. Das Fassungsvolumen des Tanks betrug ca. 80 Kubikmeter (800 Hektoliter). Gerade den Fachleuten der Brauerei Kulmbach wird auch die Ehre der Erfindung eines neuen Hefestamms, der für die Gärung in ZKT, wo die Höhe der Würze und daher auch der Druck auf die Hefezellen wesentlich grösser wurde, geeignet war, zugeschrieben. Relative Größe einer Hopfenzelle hat sich dabei halbiert. 7)

Noch später wurden die Technologie der Gärung und Nachgärung unter Druck, die den Herstellungszyklus von hellem Bier mit einem Alkoholgehalt von 11% auf 14-15 Tage reduzierte, sowie das kontinuierliche Gärverfahren zur Herstellung des Bieres im industriellen Ausmaß entwickelt. (In der UdSSR wurde dieses Verfahren erstmals im Jahr 1973 in der Brauerei „Moskworetskij Piwowarennij Sawod“ eingeführt). Heute sind standardmäßig etwa 15-20 Tage für den Gär- und Nachgärprozess vorgesehen, aber die Tendenz zur Reduzierung der Durchlaufzeiten setzt sich fort. Das größte Hemmnis dafür bleibt die Notwendigkeit, die Qualität des produzierten Biers mindestens zu erhalten. Wie sich gezeigt hat, baten die zylindrokonischen Tanks dafür die besten Voraussetzungen.

Darüber hinaus spielte noch ein Faktor eine wichtige Rolle dabei, den ZKT-Tanks Priorität einzuräumen: Mit der Entwicklung der Brauindustrie konnte die Größe der existierenden Gärbehälter die gestiegenen Anforderungen der Braumeister nicht mehr erfüllen. Es bestand ein dringender Bedarf an größeren und gleichzeitig wirtschaftlicheren Tanks. Aus einer Reihe von technischen und technologischen Gründen gibt es leider Einschränkungen in Bezug auf die Größe von Gärbehältern und Lagertanks. Alle diesen Gründen schufen wesentliche Voraussetzungen zur Entstehung von zylindrokonischen Tanks.

Das erste Versuchsexemplar eines Gärbehälters mit einem großen Fassungsvolumen (Eintankverfahren) wurde noch im Jahr 1908 hergestellt. Der "Vater" dieses Vorläufers von ZKT war derselbe Schweizer Wissenschaftler Nathan. Die Tankgröße betrug 100 Hektoliter, der gesamte Produktionszyklus dauerte 12 Tage. Dazu muss man sagen, dass sich die Idee der Anwendung von Großbehältern im Bierbrauen zu damaliger Zeit nicht durchgesetzt hat. Es entstanden die damals praktisch unlösbare Probleme - vor allem mit der schlechteren Sedimentation der Hefe (die Technologie war nicht ausgereift) und mit der Sicherung gründlicher Sanierung von Anlagen.

Es ist anzumerken, dass die ersten ZKT-Tanks aus herkömmlichem Normalstahl, der von innen mit speziellem Harz beschichtet war, hergestellt wurden. Diese Schutzschicht musste ständig erneuert werden. Heutzutage werden die ZKT-Tanks ausschließlich aus rostfreiem Stahl gefertigt. Laut dem tschechischen Brauer F. Hlavacek wurde der Edelstahl in Europa erstmals im Jahr 1957 für die Herstellung von Großtanks eingesetzt. Die breite Nutzung des Edelstahls führte zu einer Kehrtwende in der weiteren Entwicklung der Technologien der Bierherstellung.

In den sechziger Jahren des XX. Jahrhunderts bricht die "Ära von ZKT" an: Damals beginnt die rasche Verbreitung neuer Technologie über Länder und Kontinente hinweg. Bereits zu dieser Zeit teilten sich die ZKT-Tanks in zylindrokonischen Gärtanks (ZKG), zylindrokonischen Lagertanks (ZKL) und Unitanks (die die Hauptmerkmale von ZKG und ZKL in sich vereinen).

Dank der erfolgreichen technischen Lösung begann der Bau der ZKT-Tanks auf der frischen Luft. Bisher wurde die Idee, Gär- und Lagertanks "außerhalb" der Brauerei zu platzieren, zumindest als verrückt betrachtet. Die Möglichkeit ihrer Verwirklichung wurde als beinahe revolutionär empfunden. Da die Gär- und Nachgärphasen im Brauprozess am längsten dauern, waren für die Gär- und Lagerräumen die größten Hallen der Brauerei vorgesehen. Traditionell bestanden sie aus separaten Räumen, in denen Holzfässer oder Tanks standen.

Nun traten die Brauer, die durch die Abmessungen der Innenräume nicht mehr eingeschränkt waren, in einen unausgesprochenen Wettbewerb: Wer wird den größten ZKT bauen oder mehr Bier produzieren und damit die Konkurrenz hinter sich lassen? Bereits damals hatten ZKT-Tanks das Fassungsvermögen von 5 Tausend Hektoliter, den Durchmesser von fünf Meter und die Höhe von achtzehn Meter. In den siebziger Jahren setzte sich die Technologie der Bierherstellung in den ZKT-Tanks in den meisten europäischen Ländern durch.

In den gleichen Jahren wurde die Technologie der Kühlung von ZKT-Tanks durchgearbeitet und abgerundet, insbesondere - Betrieb und Reihenfolge der Aktivierung der einzelnen Kühlmäntel und des Konus (wie bekannt, trägt eine ordnungsgemäße Kühlung von ZKT zur bessere Ausscheidung der Hefe bei). Es wurde auch festgestellt, dass ein ZKT den geringsten Bitterstoffverlust (ca. 10%) aufweist, sowie die maximale Sättigung des Bieres mit CO2 und die Entfernung des sich bei der Gärung bildenden Kohlendioxids ermöglicht.

Die wichtigsten Vor- und Nachteile der ZKT-Tanks
Das technische Niveau eines zylindrokonischen Tanks (und der dazugehörigen Ausrüstung) ermöglicht unter der Bedingung einer guten Technologiekenntnis die Erzielung einer stabil hohen, standardmäßigen Qualität des hergestellten Bieres sogar bei höchsten Produktionsvolumen. Der Prozess der Biergärung im ZKT lässt sich dabei relativ einfach automatisieren bzw. computerisieren. Gleiches gilt für den Prozess der Reinigung und Sanierung des Tanks.

Die relativ hohen Anfangsinvestitionen sind deshalb wirtschaftlich sinnvoll, weil ZKT es ermöglicht, die Fermentation des Bieres wesentlich zu beschleunigen und dadurch das Produktionsvolumen zu erhöhen. Gerade aus diesem Grund ist die ZKT-Technologie heutzutage das verbreitetste Verfahren der Bierherstellung heute in allen Industrieländern.

Durch eine senkrechte Aufstellung der Gär- und Kaltreifungstanks haben die Konstrukteure von ZKT die Effizienz der Auslastung der Produktionsflächen enorm gesteigert. Auch heute gilt dieser Faktor als einer der wichtigsten zusätzlichen Vorteile des Bierbrauens in ZKT.

Bestimmte Schwierigkeiten mit der Sedimentation der Hefezellen in ZKT, auf die die Pioniere des Bierbrauens einst stießen, werden heute mit Hilfe bewährter Kühlverfahren erfolgreich überwunden und sind von der Kategorie der Probleme in die Kategorie der herkömmlichen Arbeitsfragen übergegangen. Die im Vergleich zur klassischen Technologie langsamere Vermehrung der Hefezellen wird durch eine bessere Belüftung der Würze und höhere Hefedosage kompensiert.

ZKT ermöglicht es, die Arbeitsplätze umweltfreundlicher zu gestalten und dadurch  die Arbeitsleistung wesentlich zu erhöhen und die Selbstkosten zu senken. Die Möglichkeit des unabhängigen Betriebs aller Kühlmäntel macht den Kühlmodus von ZKT flexibel und effizient. Zu den zusätzlichen Vorteilen der zylindrokonischen Tanks gehört auch die Möglichkeit schneller Entfernung absetzender Hefe.

Zu den wichtigsten Nachteilen von ZKT gehören die Unmöglichkeit der vollständigen Entfernung der Hefedecke, die sich auf der Oberfläche der gärenden Würze bildet, und die im Vergleich mit einer Pfanne längere Sedimentation von Hefezellen. In den zylindrokonischen Gärtanks (ZKG) muss man außerdem ca. 20% des gesamten Behältervolumens für den sich hier bildenden Schaum reservieren, was zu einer deutlichen Verringerung der Produktionseffizienz eines Tanks führt. In den traditionellen Gärgefäßen wird jedoch auch etwa 20% des füllungsfreien Raums reserviert. Für die zylindrokonischen Lagertanks, wo 10% des füllungsfreien Raums reserviert wird, trifft dieser Nachteil weniger zu.

Was die effektivsten Bedingungen für die Anwendung von ZKT-Tanks angeht, muss hervorgehoben werden, dass der ganze Sinn der Nutzung von ZKT in dem von Nathan entdeckten Effekt besteht: Eine Erhöhung des hydrostatischen Drucks der Biersäule trägt zu seiner beschleunigten Anreicherung mit CO2 während der Nachgärung bei. (Von der Geschwindigkeit der CO2- Ansammlung und vom CO2-Gehalt hängt die Geschwindigkeit der Bildung von organoleptischen Eigenschaften (Bukett) des Bieres, d.h. seine Reifung ab). Dadurch wird die Dauer des Brauzyklus verkürzt. Der einfachste Weg, um die Höhe der Würze zu erhöhen, ist, den gebrauchten Tank senkrecht aufzustellen, um anstatt des horizontalen Tanks einen zylindrokonischen Tank zu bekommen. Das ist ja eigentlich gerade das, was Nathan gemacht hat.

In diesem Zusammenhang wird es klar, warum die Kapazität von ZKT (bei Standardproportionen eines Tanks) mindestens 20 Hektoliter betragen sollte.  Andernfalls wird keine erforderliche Höhe der Biersäule, die den Mechanismus der beschleunigten Kohlendioxidanreicherung unter erhöhtem Druck auslösen sollt, gewährleistet. Es ist auch darauf hinzuweisen, dass bei der Kapazität von 20-30 Hektolitern der Effekt von ZKT nur in geringem Maße beobachtet wird. Die Reifung des Bieres wird hier um einige Tage beschleunigt. Nur beim Fassungsvermögen ab 150-200 Hektoliter (Volumen nicht für kleine, sondern für eine mittelständische Brauerei) ist ZKT wirklich effektiv. Die Anwendung von vertikal angeordneten Gär- und Nachgärtanks in Minibrauereien lässt sich daher vor allem durch den Wunsch nach einer kompakteren Aufstellung der Anlagen erklären. 

Materialien, die zur Herstellung von ZKT-Tanks verwendet werden.

Die ersten ZTK-Tanks wurden aus herkömmlichem schwarzem Stahl, der von innen mit einer speziellen Beschichtung auf der Basis Epoxidharzen versehen war. Eine solche Beschichtung sollte regelmäßig erneuert werden. Heute werden ZTK-Tanks ausschließlich aus Edelstahl gefertigt. Gewöhnlich nutzt man Edelstahl nach DIN 1.4301, aber die teureren Marken mit höherer Beständigkeit - AISI 304 oder AISI 316L – können auch zum Einsatz kommen. Wie bereits erwähnt, ist Stahl ein ziemlich neutrales Material, das gegen Auswirkung von Bier und Gärungsnebenprodukten sowie Sanierungsmitteln widerstandsfähig ist.

Aus heutiger Sicht ist Stahl ein optimales Material. Allerdings ist dabei zu berücksichtigen, dass trotz seiner Anwendung die Entstehung der Korrosion nicht ganz vermieden werden kann. Sie kann unter folgenden Bedingungen entstehen:

  • Bei Anwesenheit von Chlorid-Ionen oder Molekülen von freiem Chlor im neutralen oder sauren Milieu.
  • Wenn Schweißen des Edelstahls nicht in der inerten Schutzgasatmosphäre (z.B. in Argon-Umgebung) durchgeführt wurde. Daraus resultiert eine wesentliche Änderung der Stahleigenschaften an den Stellen, die in der Wärmeeinflusszone lagen. 
  • Beim Kontakt mit herkömmlichem Stahl. In diesem Fall reicht der Kontakt mit einem geriebenen oder verrosteten Bereich des konventionellen Stahls aus, um die Bildung der Korrosion zu verursachen.