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Studie um den Maischetransport zu verbessern

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Studie um den Maischetransport zu verbessernOptimierte Läuterleistung für Maischefilter bei gleichzeitig sinkendem Energieverbrauch

Es ist allgemein bekannt, dass Scherkräfte während des Maischens, des Pumpens und des Läuterns vermieden werden müssen. Das gilt im Besonderen für fein gemahlenes Malz im Einsatz bei einer Dünnbettfiltration. In diesem Fall soll die Pumpendrehzahl auf maximal 1000 U/min begrenzt werden. Eine aktuelle Studie des Pumpenherstellers Packo Pumps zusammen mit der Universität Leuven zeigt einen neuen Ansatz auf, der eine bessere Läuterperformance und einen geringeren Energieeinsatz verspricht.
Branche
Brauereiindustrie
Art der Referenz
gemeinsame Studie von Packo Pumps und der Universität Leuven
Jahr
2017
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Um die gewünschte Fördermenge, den Filtrationsdruck und die niedrige Drehzahl zu erreichen, wird oftmals eine zu große Pumpe eingesetzt, welche weit vom gewünschten idealen Betriebspunkt (Best Efficiency Point) entfernt ist. Die Geschwindigkeit am äußeren Durchmesser des Laufrades definiert hierbei den Druck. Diese periphere Geschwindigkeit wird benötigt, um einen bestimmten Druck zu erzielen.

Bei geringerer Rotationsgeschwindigkeit würde man einen größeren Laufraddurchmesser benötigen, um dieselbe Umfangsgeschwindigkeit erzielen zu können.

Nur ein Teil der von der Pumpwelle absorbierten Energie kann in Leistung (Druck · Fördermenge) umgewandelt werden. Der Energieverlust entsteht durch die Differenz zwischen der Drehzahl an der Welle und der Fließgeschwindigkeit des Fördermediums. Diese Druckdifferenz geht als Scherkraft ins Fördermedium über.

Die geringste Scherung und die damit einhergehende geringe Schädigung des Fördermediums wird erreicht, wenn der Energieverlust am niedrigsten ist. Folglich bedeutet das, dass ein bestmöglicher Wirkungsgrad der Pumpe zur geringsten Produktschädigung führt. In einer ersten Testphase wurde dies durch gepumpte Tomaten bewiesen.

Während die Tomaten gefördert wurden, war der Pumpen-Wirkungsgrad ein weitaus relevanterer Faktor als die Motordrehzahl. Dieselben Ergebnisse wurden mit weiteren schersensitiven Produkten, wie beispielsweise sahnehaltiger Milch erzielt. In dieser Studie wurde das beschriebene Phänomen während einer Dünnbettfiltration an einer Pilot- und einer Industrieanlage getestet.



Versuche an der Pilotanlage


Die Versuche im Pilotmaßstab wurden auf der Brauanlage der Universität Gent in Belgien durchgeführt. Diese Anlage ist mit einem Maischefilter von Meura ausgestattet, der nach dem Prinzip der Dünnbettfiltration arbeitet. Der Maischefilter wird von einer Packo-Pumpe vom Typ MWP2 /40-160 (Referenzpumpe 1) versorgt. Die Pumpe ist mit einem Kanallaufrad für hohe Volumenströme ausgestattet.

Für das benötigte Filtrationsvolumen ist die Pumpe überdimensioniert, die Auswahl erfolgte lediglich nach der Pumpendrehzahl (<1000 U/min, um Produktschäden zu vermeiden) und der inneren lichten Weite, um Verblockungen der Pumpe beim Maischetransfer zu vermeiden.

In den Versuchen wurde diese Pumpe mit einer kleineren Pumpe verglichen, die mit einem offenen Laufrad ausgestattet war und mit einer höheren Drehzahl betrieben wurde. Ermittelt wurden die Filtrationszeiten sowie das Ausmaß der Produktschädigung.

Zur Ermittlung der Produktschädigung wurde der ß-Glucan-Gehalt der Vorderwürze bestimmt.

Aufbau des Experiments

  • 87 kg Pilsener Malz
  • 192,6 l Brauwasser (Wasser aus Umkehrosmose)
  • Einmaischen bei 63 °C und pH 5,3 (mit Milchsäure eingestellt)
  • 63 °C – 30 min
  • 72 °C – 20 min
  • 78 °C – 1 min
  • Aufheizrate 2 °C/min mit direkter Dampfinjektion
  • Förderung zum Maischefilter (Meura 2001) mit Referenzpumpe MWP2/40-160/(3K-160) ausgestattet mit einem Kanallaufrad und einer neuen Pumpe FP/63-25/114 (O-132) mit einem offenen Laufrad
  • Messung von Fördermenge, Druck, Filtratvolumen und Extrakt während der Maischefiltration bei 0,65 bar – Jeder Versuch in dreifacher Ausführung
Tabelle 1: Ergebnisse der Veruche im Pilotmaßstab

Tabelle 1: Ergebnisse der Veruche im Pilotmaßstab


In Tabelle 1 sind die Pumpendrehzahl, die Durchflussrate, die Druckdifferenz, der Pumpenwirkungsgrad und die Leistungsaufnahme während der verschiedenen Phasen der Dünnbettfiltration ersichtlich. Für die Auswertung der Ergebnisse wurde die Phase „Filtration“ herangezogen. Die Tabelle zeigt eine Abhängigkeit der Leistungsaufnahme vom Betriebspunkt und dem Wirkungsgrad. Die Sichtweise von Packo ist, dass die Schädigung des Produkts reduziert werden kann, wenn eine Pumpe mit möglichst hohem Wirkungsgrad bzw. mit möglichst geringem Energieverlust ausgewählt wird.

Der Energieverlust berechnet sich wie folgt:
Die Leistungsaufnahme beträgt 149 Watt, folglich liegt der Pumpenwirkungsgrad bei 4,5 Prozent. Das bedeutet, dass lediglich 4,5 Prozent der aufgenommenen Leistung dazu genutzt werden, die Flüssigkeit zu pumpen. Die restlichen 95,5 Prozent der aufgenommenen Leistung, also 142,295 Watt, sind sog. verlorene Leistung.

Dividiert man diesen Wert durch die Durchflussrate, erhält man die verlorene Leistung pro m3 / h:
142,295 W / 0,442 m³ / h = 321,93 Wh / m³

Der niedrigste Wert dieses Parameters wird den niedrigsten ß-Glucan-Gehalt aufweisen (geringste Produktschädigung) und die schnellste Filtrationszeit. Im Pilotmaßstab konnte klar gezeigt werden, dass die kleinere Pumpe eine geringere Produktschädigung hervorruft, selbst wenn sie bei höheren Drehzahlen (> 1000 U/min) betrieben wird.



Versuche an der Industrieanlage


Die Versuche im industriellen Maßstab wurden mit dem neuen Maischefilter der Brasserie St.-Feuillien in Belgien durchgeführt. Zur Maischefiltration nutzt die Brauerei die Dünnbettfiltrationstechnologie von Meura. Der Maischefilter ist ursprünglich ausgerüstet mit einer Packo-Pumpe vom Typ MCP2 / 65-250 (P1) mit halboffenem Laufrad, das genug freien Durchgang für Maische bietet. Auch in diesem Fall wurde die Pumpe ursprünglich für den Betrieb bei niedriger Drehzahl (<1000 U/min) ausgewählt, um Produktschädigungen zu vermeiden. Bei den Versuchen wurde klar, dass die Pumpe für diese Anwendung überdimensioniert war.

Die Versuche wurden deshalb mit verschiedenen Pumpentypen und verschiedenen Laufradtypen durchgeführt. Dabei wurden die gleichen Auslegungsparameter verwendet wie für die ursprünglich installierte, überdimensionierte Pumpe.

Die Versuche wurden mit einer herkömmlichen Freistrom- (Vortex) Pumpe (P3) und mit einer Packo Kreiselpumpe ICP3/80-200 (P4) gemacht.

Die Packo-Pumpe hat ein Kanallaufrad mit entsprechend großem Kugeldurchgang.

Aufbau des Experiments

  • 85 Tonnen Pilsener Malz
  • 212 hl Brauwasser (Wasser aus Umkehrosmose)
  • Einmaischen bei 63 °C, pH 5,3 (mit Milchsäure eingestellt)
  • 63 °C – 30 min
  • 72 °C – 20 min
  • 78 °C – 1 min
  • Aufheizrate 1 °C/min
  • Förderung zum Maischefilter (Meura 2001) mit der Referenzpumpe und zwei weiteren:
    P1: Packo Pumpe mit halboffenem Laufrad MCP2/65-250
    P3: Pumpe mit Vortexlaufrad
    P4: Packo Pumpe mit Kanallaufrad Typ ICP3/80-200
  • Messung von Fördermenge, Druck, Filtratvolumen und Extrakt während der Maischefiltration bei 0,65 bar
  • Jeder Versuch in doppelter Ausführung

Die Versuche sollten ein klares Bild ergeben, inwieweit eine Produktschädigung auch bei höheren Durchflussraten vom Wirkungsgrad der Pumpe abhängt. Dies gelang nur teilweise, es sind weitere Versuche mit einer kleineren Pumpe bei höheren Drehzahlen notwendig, die einen ähnlichen Wirkungsgrad (ca. 60 Prozent oder mehr) aufweist.

Trotzdem konnte festgestellt werden, dass die Pumpe mit dem niedrigsten Wirkungsgrad (P 3) bei niedriger Drehzahl (< 1000 U/min) eine größere Produktschädigung als die Pumpe mit höherer Drehzahl und höherem Wirkungsgrad (P 4) gezeigt hat (siehe Tabelle 2).

Als Schlussfolgerung kann gesagt werden, dass die ursprünglich installierte Pumpe korrekt gewählt war, da sie den besten Wirkungsgrad (geringste Energieverluste) während der Filtration aufweist. Eine weitere Schlussfolgerung lässt sich mit Blick auf den Energieverbrauch ziehen: Für größere Brauereien zahlt sich die Auswahl der Pumpe nach dem besten Wirkungsgrad doppelt aus, da dadurch auch der Energieverbrauch deutlich reduziert wird.


Abb. 2: Nach der Theorie der Maischefiltration ergibt ein minimaler Wert Fk das beste Filtrationsergebnis

Abb. 2: Nach der Theorie der Maischefiltration ergibt ein minimaler Wert Fk das beste Filtrationsergebnis

Abb. 3: Die Pumpen, die für die Versuche im Pilotmaßstab verwendet wurden.

Abb. 3: Die Pumpen, die für die Versuche im Pilotmaßstab verwendet wurden.

Abb. 4: Die beiden Pumpen der Pilotversuche im Vergleich

Abb. 4: Die beiden Pumpen der Pilotversuche im Vergleich

Abb. 5: Die Pumpen, die für die Versuche im industriellen Maßstab verwendet wurden

Abb. 5: Die Pumpen, die für die Versuche im industriellen Maßstab verwendet wurden

Tabelle 2: Ergebnisse der Versuch im industriellen Maßstab

Tabelle 2: Ergebnisse der Versuch im industriellen Maßstab




Zusammenfassung


Die weit verbreitete Meinung ist, dass die Pumpendrehzahl in einem Maischeprozess auf maximal 1 000 U / min begrenzt werden muss, um Scherkräfte zu minimieren. Um jedoch die gewünschte Fördermenge, den Filtrationsdruck und die niedrige Drehzahl zu erreichen, wird oftmals eine zu große Pumpe eingesetzt, welche weit vom gewünschten idealen Betriebspunkt (Best Efficiency Point) entfernt ist. Der trotzdem benötigte Druck kann nur mit einem entsprechend großen Laufrad erreicht werden. Die Motordrehzahl sinkt, aber die hohe Umfangsgeschwindigkeit der Laufradspitzen sorgt für das Erreichen des geforderten Drucks. Dies kann jedoch die Scherkraft erhöhen. Anhand der Messergebnisse
ist deutlich zu erkennen, dass eine höhere Umfangsgeschwindigkeit nicht automatisch einen Anstieg des ß-Glucans zur Folge hat. Ganz im Gegenteil, die neue kleinere Pumpe mit höherer Drehzahl war deutlich effizienter, was zu kürzeren Zeiten bei der Maischefiltration geführt hat. Die Messergebnisse wurden in der Industrieanlage bestätigt.

Das Fazit aus der gemeinsamen Studie von Packo Pumps und der Universität Leuven lautet, dass durch die Auswahl einer technisch hochwertigen Pumpe die Scherwirkung reduziert und die Filtrationszeit der Maische wesentlich verkürzt wird.

Durch die Kombination aller Parameter wie freier Kugeldurchgang, reduzierte Drehzahl und höchster Pumpenwirkungsgrad können die oben genannten Ziele erreicht werden.

Abb. 6: Die Pumpen der Versuche im industriellen Maßstab im Vergleich.

Abb. 6: Die Pumpen der Versuche im industriellen Maßstab im Vergleich.



Gert De Rouck
Lab of Enzyme-, Fermentation- and Brewing Technology (EFBT), KU Leuven Technology Campus Gent, Belgium (gert.derouck@kuleuven.be)


Bart Van Bastelaere
Sales & Marketing Manager Pumps, Packo Inox
(bart.vanbastelaere@packo.com)


Wim Bonte
SMU Manager Pumps, Packo Inox
(wim.bonte@packo.com)

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