Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Bier. Stand der Technik Die Herstellung von Bier umfasst üblicherweise zumindest die Schritte Mälzen eines Getreides, Herstellen einer Würze aus dem Getreide, Hauptgärung der Bierwürze, die auch verkürzt als Würze bezeichnet wird zu einem sogenannten Jungbier und einer Nachgärung des Jungbiers.

Beim Mälzen wird Getreide angekeimt, wobei sich Enzyme bilden, die eine Spal- tung der in dem Getreide enthalte Stärke zu Zucker ermöglicht. Das gemälzte

Getreide wird dann mit Wasser vermaischt und es wird eine Würze bereitet, wobei die Stärke durch die Enzyme gespalten und die so gewonnen Zucker in Lösung gehen. Bei der sich daran anschließenden Hauptgärung wird der Zucker durch Hefe zu Alkohol und Kohlendioxid (C0 ₂ ) umgesetzt. Das dabei erhaltene Zwischenprodukt wird als Jungbier bezeichnet. Nachdem zumindest ein Großteil des Zuckers in der Würze umgesetzt wurde, erfolgt die sogenannte Nachgärung des Jungbiers, die als Lagerung oder Reifung bezeichnet wird. Erst bei der Nachgärung entsteht das fertige Bier. Bei der Nachgärung werden von der Hefe nicht nur der verbliebenen Zucker, sondern wenn dieser zumindest weitgehend abge- baut ist auch Eiweiße und dgl. zu Alkohol und C0 ₂ verstoffwechselt.

Zumindest bei der Nachgärung steht der entsprechende Lagertank unter einem sogenannten Spundungsdruck. Dieser dient dazu, dass sich zumindest ein Teil des erzeugten C0 ₂ in dem Bier löst, so dass das fertige Bier einen C0 ₂ -Gehalt von typischerweise 4 bis 6 g/l für Pils und Lagerbiere sowie von 5 bis 8 g/l für Wei- zenbiere aufweist. Erst dadurch perlt das Bier. Bier mit einem C0 ₂ -Gehalt von weniger als 3g/l gilt als nicht genießbar und wird vom Verbraucher nicht akzeptiert.

Darstellung der Erfindung

Die Erfindung beruht auf mehreren Beobachtungen: Zum einen erfolgt die Hauptgärung heute in bis zu 30m hohen Gärtanks. Dadurch wirkt auf die Hefe ein hoher hydrostatischer Druck, der sich negativ auf die Hefe auswirkt, d.h. die Hefe verstoffwechselt den vorhandenen Zucker deutlich langsamer als bei geringerem hydrostatischen Druck. Zum anderen wird spätestens bei der Nachgärung der Druck in dem Lagertank z.B. durch einen Spundungsapparat um typischerweise 0,5 bis 2 Bar (1000 -2000hPa) über den Umgebungsdruck erhöht, damit sich die gewünschte Menge C0 ₂ in dem Bier löst. Der Druck unter dem die Nachgärung erfolgt, wird üblicherweise in Abhängigkeit der Temperatur bei der die Nachgärung abläuft und dem gewünschten C0 ₂ -Gehalt eingestellt und kann aus Spun- dungsdrucktabellen entnommen werden, die meist Werte zwischen 0,5 bar und 4 bar angeben. Damit die Lagertanks unter dem Druck nicht bersten müssen sie entsprechend stabil ausgeführt sein.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Investitionskosten für die Gärung zu reduzieren und Gärung zu optimieren.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Das Verfahren zur Herstellung von bevorzugt alkoholischem Bier hat zumindest die Schritte Hauptgärung von Würze in einem Gärtank zur Herstellung eines Jungbieres und/oder Nachgärung des Jungbiers in einem Lagertank. Vorzugsweise wird bei der Hauptgärung im Kopfbereich des Gärtanks ein Druck erzeugt, der kleiner als der Umgebungsdruck ist. Der Druck kann z.B. 750hPa oder kleiner sein, bevorzugt kleiner als 500hPa besonders bevorzugt kleiner als 250 hPa. Der Druck sollte lediglich oberhalb des Sättigungsdampfdrucks der Würze sein, um zu verhindern, dass diese siedet. Dadurch wird der auf der Hefe lastende Gesamtdruck, der sich aus dem hydrostatischen Druck und dem Luftdruck im Kopfbereich des Gärtanks zusammensetzt reduziert. Der minimal sinnvolle Luftdruck im Kopfbereich wird durch den Dampfdruck des bei der Gärung entstehenden Alkohols bestimmt. Weil die Hefe während der Gärung C0 ₂ produziert steigt der Druck im Kopfbereich des Gärtanks, wenn das entstandene C0 ₂ nicht abgezogen wird. Daher sollte zumindest ein Teil des Volumens des entstandenen C0 ₂ abgezogen werden um den Druck im Kopfbereich möglichst gering zu halten. Das ab- gezogene C0 ₂ wird bevorzugt gesammelt und kann ggf. gereinigt, komprimiert gespeichert und z.B. für das spätere Karbonisieren des Bieres verwendet werden. Dann entspricht das fertige Bier dem deutschen Reinheitsgebot.

Erniedrigt man den (Luft)Druck im Kopfbereich des Gärtanks z.B. mittels einer Vakuumpumpe auf z.B. lOOhPa so ist der Gesamtdruck am Boden eines Gärtanks mit einer Füllhöhe von 30m etwa der gleiche wie der am Boden Gärtanks mit einer Füllhöhe von nur 21m (bei atmosphärischen Umgebungsdruck von typischerweise größenordnungsmäßig 1013hPa im Kopfbereich), wodurch für die Hefe in dem Gärtank deutlich verbesserte Lebensbedingungen geschaffen werden. Auf die ansonsten bei diesen Füllhöhen notwendige Revitalisierung der Hefe vor der erneuten Verwendung kann daher verzichtet werden. Zudem verläuft die Gärung deutlich schneller, was den möglichen Bierausstoß erhöht. Alternativ könnte man die Füllhöhe in dem Gärtank um etwa 9m erhöhen, also den Gärtank bis zu einer Füllhöhe von bis zu 39m befüllen. Daraus resultiert eine geringere Stellfläche pro Volumen des Gärtanks, was insbesondere für Brauereien die in- nerhalb einer Stadt brauen einen Kostenvorteil ergibt oder beigegebener Fläche den möglichen Bierausstoß erhöht.

Alternativ oder zusätzlich kann auch der Druck im Kopfbereich des Lagertanks für die sich an die Hauptgärung anschließende Nachgärung reduziert werden, vor- zugsweise auf einen Wert, der kleiner oder gleich dem Umgebungsdruck ist. Dadurch wird die notwendige Druckfestigkeit des Lagertanks reduziert. Dieser kann also im Vergleich zu einem Lagertank nach dem Stand der Technik entsprechend einfacher und somit günstiger ausfallen. Zudem muss das Jungbier bei der Nachgärung nicht ganz so tief heruntergekühlt werden, weil mit der Nachgärung anders als nach dem Stand der Technik keine Lösung von C0 ₂ im Bier bezweckt wird. Ziel der Nachgärung bei Umgebungsdruck oder Unterdruck ist es möglichst wenig C0 ₂ in dem Bier zu lösen, denn dadurch werden auch sich oft an die Nachgärung anschließende Verfahrensschritte wie z.B. Filterung und/oder Pasteurisie- rung technisch vereinfacht und die für Investitionskosten für die dazu notwendigen Anlagen werden reduziert. Der C0 ₂ -Gehalt kann z.B. kleiner als 3g/l Bier sein, bevorzugt kleiner als 2g/l, besonders bevorzugt kleiner als 1 g/l Bier. Bier mit einem solch geringen C0 ₂ -Gehalt wird im Rahmen der Patentanmeldung auch als „drucklos" bezeichnet. Ein weiterer Vorteil der Nachgärung bei einem Druck im Kopfbereich des Lagertanks der kleiner oder gleich dem Umgebungsdruck ist, besteht darin, dass wenn kein C0 ₂ in dem Bier gelöst sein soll kann auch die Kühlung während der Nachgärung zumindest reduziert werden kann. Auch dadurch sinken die Produktionskosten. Die Temperatur bei der Nachgärung ist lediglich an die Hefe, nicht an den gewünschten C0 ₂ -Gehalt anzupassen.

Wenn die Kühlung reduziert werden kann, erfolgt die Nachgärung bei einer im Vergleich zum Stand der Technik erhöhten Temperatur und daher schneller als nach dem Stand der Technik. Auch dies führt zu einer weiteren Kostenersparnis.

Erst nach dem Abschluss der Nachgärung, , bevorzugt unmittelbar vor der Abfül- lung in die üblichen Gebinde wie Flaschen, Dosen oder Fässer wird das ansonsten fertige Bier bevorzugt mittels eines Inline-Karbonisierers vorzugsweise noch in der Brauerei mit C0 ₂ versetzt (karbonisiert), um es anschließend zum Kunden zu transportieren. Alternativ kann das Bier drucklos transportiert und am Bestimmungsort karbonisiert werden. Beim Karbonisieren des Bieres kann nahezu jeder gewünschte C0 ₂ -Gehalt eingestellt werden. Es können daher aus dem gleichen drucklosen Bier verschiedene Geschmacks- bzw. Rezenzrichtungen hergestellt werden, die sich jedoch (nur) durch den C0 ₂ -Gehalt unterscheiden

Natürlich kann das fertige Bier Zwischenschritten wie z.B. einer Filterung oder Pasteurisierung unterworfen werden. Dadurch, dass auch dies„drucklos", also vor dem Karbonisieren erfolgen kann, wird der technische Aufwand deutlich reduziert. Als Bier wird im Rahmen dieser Anmeldung das Produkt nach Abschluss der

Nachgärung bezeichnet, auch wenn noch nicht karbonisiert wurde.„Jungbier" ist also etwas anderes als Bier. Während der Hauptgärung wird die Würze zu Jungbier. Der Übergang erfolgt kontinuierlich. Lediglich der Einfachheit halber wird im Rahmen dieser Anmeldung die Würze bis zum Abschluss der Hauptgärung als Würze und erst mit Einsetzen der Nachgärung als Jungbier bezeichnet. Die

Hauptgärung und auch die Nachgärung erfolgt in Behältern. Lediglich um eine Unterscheidung der Behälter zu ermöglichen, wird das Gefäß für die Hauptgärung als„Gärtank" und das Gefäß für die Nachgärung als„Lagertank" bezeichnet. Natürlich kann in der Praxis der Gärtank auch der Lagertank sein. Bei manchen Brauereine ist dies aber schon wegen der unterschiedlichen Temperaturen bei denen die Haupt- und die Nachgärung ablaufen nicht der Fall. Nach der Erfindung ist das ansonsten übliche Umpumpen aber nicht mehr notwendig.

Als Kopfbereich eines Tanks wird üblicherweise der Bereich eines Tanks beschrieben, der zwischen dem Flüssigkeitsspiegel und dem Tankdeckel vorgese- hen ist. Dieser Bereich wird oft auch als„Gärraum" bezeichnet, weil er den bei der Gärung entstehenden Schaum aufnimmt. Nach der Erfindung sind der Gärtank und/oder Lagertank folglich bevorzugt geschlossene Behälter, mit einem Anschluß im Kopfbereich, über den mittels einer Unterdruckquelle, z.B. einer Vakuumpumpe im Kopfbereich des entsprechenden Tanks ein Unterdruck erzeugt werden kann. Alternativ kann auch der hydrostatische Druck genutzt werden, um einen Unterdruck im Kopfbereich des Gär- und/oder Lagertanks zu er- zeugen: Dazu genügt es, die entsprechende Flüssigkeit in den Tank einzufüllen und den Kopfraum dicht zu verschließen. Anschließend kann am unteren Ende des Tanks etwas Flüssigkeit über ein Ventil entnommen werden. Durch den hydrostatischen Druck der Flüssigkeit (Würze, Jungbier, Bier) stellt sich folglich im Kopfbereich ein Druck ein, der kleiner ist als der Umgebungsdruck und entweder durch die Differenz aus dem Umgebungsdruck und dem Druck der Flüssigkeitssäule in dem Tank oder den Dampfdruck der Flüssigkeit begrenzt ist. Ist der gewünschte Unterdruck im Kopfbereich eingestellt, dann kann das Ventil wieder geschlossen werden. Die auf diese Art abgezogene Flüssigkeit kann in einen anderen Tank wieder eingefüllt werden und so auch der Gärung zugeführt werden. Sie muss nicht verworfen werden.

Unterdruck meint hier einen Druck im Kopfbereich der kleiner ist als der atmosphärische Umgebungsdruck. Der Umgebungsdruck beträgt bei Normbedingun- gen 1013hPa, variiert aber je nach Höhe der Messstation und Wetterlage. Wenn nun am Ort der Haupt und/oder Nachgärung ein Umgebungsdruck von z.B. 1013 hPa herrscht, dann beträgt der Druck im Kopfbereich bevorzugt weniger als 1013 hPa, z.B. 750hPa oder weniger, bevorzugt weniger als500hPa, besonders bevorzugt weniger als 250hPa.

Durch die Einstellung des Drucks im Kopfbereich des Gär- und/oder Lagertanks auf einen vorbestimmten Wert, erhält man zudem ein Produkt das weniger von den üblichen Druckschwankungen abhängt. Durch Wahl einer vorbestimmten Temperatur und eines vorbestimmten (Unter)Drucks kann ein Jungbier bzw. ein Bier mit einem reproduzierbar eingestellten (geringen) C0 ₂ -Gehalt erzeugt werden. Der Druck im Kopfbereich des Gärtanks und/oder Lagertanks wird während der Haupt- bzw. Nachgärung bevorzugt zumindest in etwa auf einen konstanten Wert geregelt oder entsprechend gesteuert. Allerdings können Druckschwankungen in dem Gärtank und/oder Lagertank genutzt werden um eine zumindest teilweise Umschichtung des Jungbiers bzw. der Würze zu erreichen. Beispielsweise kann der Druck im Kopfraum um einen bestimmten Wert oszillieren.

Vorzugsweise wird ein Differenzdruck zwischen dem Bereich des Tankbodens und dem Kopfraum bestimmt. Besonders bevorzugt wird der Differenzdruck durch wenigstens zwei in einem festen bekannten vertikalen Abstand zueinander und unterhalb der zu erwartenden Füllhöhe angeordnete Drucksensoren bestimmt. Anhand dieses Differenzdrucks kann der Fortgang der Gärung, also der Abbau der in der Würze bzw. dem Jungbier enthaltenen Zucker bestimmt werden. Aus dem Differenzdruck kann wegen des bekannten vertikalen Abstands unmittelbar die Dichte und somit der Zuckergehalt der Flüssigkeit bestimmt wer- den. Zudem ist in der Regel die Anfangsdichte der Würze bekannt, was eine Kalibrierung der Messung erlaubt. Besonders bevorzugt wird die Änderung des Differenzdrucks als Funktion der Zeit bestimmt, also die Ableitung des Differenzdrucks. Weil die Haupt- als auch die Nachgärung jeweils bei zumindest in etwa konstanter Temperatur durchgeführt werden, kann anhand der Ableitung ohne Kenntniss des zu erwartenden minimalen Differenzdrucks oder der Anfangsdichte auf den Zuckergehalt geschlossen werden. Die bisher notwendige meist händisch durchgeführte Entnahme einer Probe kann dann entfallen. Ein weiterer Vorteil des Verfahrens ist, das der Differenzdruck ein Maß für die mittlere Dichte der Flüssigkeitssäule in dem Gär- und/oder Lagertank ist. Bei der händischen Probenentnahme erfolgt diese meist über einen Probenhahn im unteren Bereich des Tanks, wobei die Flüssigkeit in dem Tank meist entsprechend ihrer Dichte geschichtet ist (sofern keine aufwendige Umwälzung erfolgt). Ein Bier, das nach dem oben beschriebenen Verfahren gebraut wurde lässt sich analytisch von einem Bier, dass ohne die beschriebene Druckreduzierung gebraut wurde unterscheiden, weil die Hefe wegen des geringeren hydrostatischen Drucks und wegen des geringeren C0 ₂ -Partialdrucks in der Flüssigkeit weniger Stress leidet. Dieser geringe Stress äußert sich in einer geringfügig anderen Zusammensetzung der Stoffwechselprodukte, z.B. einem geringeren Diacetylwert.

Brauerei zur Durchführung des Verfahrens hat daher vorzugsweise zumindest einen Gär- und/oder Lagertank, der Mittel zum Erzeugen eines Drucks p kleiner oder gleich dem Umgebungsdruck im Kopfraum des Gär- und/oder Lagertanks während der Haupt-und/oder Nachgärung aufweist. Der Gär- und/oder Lagertank ist bevorzugt fest mit dem Sudhaus verrohrt oder einem Würze reservoir verrohrt. Ebenso bevorzugt kann der Gär- und/oder Lagertank mit einer Abfüllanlage zur Abfüllung des Biers in druckfeste Gebinde verbunden verrohrt sein, wobei die Abfüllanlage vorzugsweise einen Karbonisierer aufweist um das Bier mit dem gewünschten C0 ₂ -Gehalt zu versetzen (typischerweise größer gleich 3,5 g/l und kleiner gleich 10g/l Bier). Der Karbonisierer kann beispielsweise ein In- linekarboniserer sein. Alternativ kann das Karbonisieren auch in einem druckfesten Behälter erfolgen in dem das fertige Bier ausgeliefert wird.

Natürlich kann zwischen dem Gär- und/oder Lagertank eine Filterungsanlage oder eine Anlage zur Pasteurisierung und/oder Kurzzeiterhitzer, ebenso wie Pumpen, Ventile und dgl zwischengeschaltet sein.

Als Mittel zur Erzeugung des Unterdrucks im Kopfbereich des Gar- und/Lagertanks sind z.B. Vakuumpumpen und/oder Wasserstrahlpumpen und/oder Turbomolekularpumpen geeignet. Der Auslass der entsprechenden Pumpe ist bevorzugt zumindest mittelbar mit dem Karbonisierer verbunden, um das von der Hefe erzeugte C0 ₂ dem Bier wieder zuzusetzen. Besonders bevor- zugt speist die Pumpe ein Druckreservoir aus dem der Karbonisierer das C0 ₂ entnimmt.

Die Erfindung wurde anhand von Bier beschrieben, sie lässt sich aber auf alle bisher unter Überdruck oder atmosphärischem Druck fermentierten Getränke übertragen, sofern bei der Fermentation ein Gas entsteht, z.B. C0 ₂ . Indem der Druck im Kopfbereich des Fermentationsbehälters unter den Umgebungsdruck abgesenkt wird. Die alkoholische Gärung ist daher nur ein Beispiel für eine Fermentation. In einigen Ländern entfällt das oben genannte Mälzen, dort werden auch ungemälzte Stärketräger vermaischt und zu einer Würze bereitet, wobei die notwendigen Enzyme anders oder durch geringe Zugaben gemälzter Stärketräger zugesetzt werden.

Kern der Erfindung ist die Erkenntniss, dass der einzige Grund für eine Fermentation unter einem Überdruck im Kopfbereich eines Fermentationstanks die Lösung bzw. zumindest vorübergehende physikalische Bindung von C0 ₂ in der Flüssigkeit ist, dass aber dieser Überdruck im Kopfbereich zu einer Vielzahl von Problemen führt (s.o.), insbesondere auch die Fermentation verlangsamt, weil C0 ₂ ein Stoffwechsel produkt der für die Fermentation verwendeten Mikroorganismen, wie z.B. Hefen ist. Nach der herrschenden Lehrmeinung ist die Nachgärung unter einem Überdruck die einzige Methode um ausreichend C0 ₂ in Bier zu binden. Durch ein Absenken des Druckniveaus im Kopfbereich des Fermentationstanks unter den Umgebungsdruck kann eine Anreicherung des Stoffwechselprodukts reduziert, wenn nicht sogar verhindert werden. Der einzige vermeintliche Nachteil, dass das C0 ₂ dem Endprodukt durch das sogenannte Karbonisieren wieder zugefügt werden muss wird durch Vorteile (s.o.) beim Handling der drucklosen Zwischenprodukte überkompensiert. Beschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Figur 1 zeigt eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Die einzige Figur zeigt einen Gär- und Lagertank 10, mit einer Tankwandung 10, einem Tankboden 18 und einem Tankdeckel 19. Ein- und Auslass 12, der vorzugsweise über ein angedeutetes Ventil absperrbar ist kann z.B. Würze oder ein Jungbier (angedeutet als Flüssigkeitsspiegel 20) in den Tank 10 eingefüllt werden um diese in dem Tank 10 zu vergären. Entsprechend wurde der Würze bevorzugt Gärhefe zugesetzt. Über den Ein- und Auslass 12, bevorzugt im Bereich des Tankbodens 18 kann ein Zwischenprodukt, wie z.B. Jungbier oder auch„fertiges" Bier entnommen werden.

Zwischen dem Tankdeckel 19 und dem Flüssigkeitsspiegel 20 ist ein Kopfraum 17 der auch als Gärraum 17 bezeichnet wird. Mittels eines Manometers 15 bzw. eines Drucksensors 15 kann der Druck p im Kopfbereich 17 gemessen werden.

Eine Steuerung 40 wertet den gemessenen Druck p aus und steuert eine Unterdruckpumpe 30 derart an, dass der Druck p in dem Kopfraum kleiner als ein vorbestimmter Wert p _m ax ist. Bevorzugt wird die Unterdruckpumpe 30 so angesteu- ert, dass der Druck p dabei aber größer als eine untere Schranke p _min bleibt

Dadurch kann einen Anstieg des Drucks in dem Gärraum durch bei der Gärung freiwerdendes C0 ₂ kompensiert werden ohne dass die Gefahr besteht, das die Flüssigkeit das sieden anfängt, sofern die untere Schranke p _min größer als der Sättigungsdampfdruck (kurz„Dampfdruck") ist. An der Wandung 11 des Gar- und/oder Lagertanks 10 sind in einem festen vertikalen Abstand h zueinander zwei Drucksensoren pl, p2 angeordnet die Druck- werte pi, p ₂ an die Steuerung 40 übertragen. Der Differenzdruck Δρ=ρ ₂ -ρι ist direkt proportional zu der Dichte p=Ap/(h-g) der zwischen den beiden Drucksensoren stehenden Flüssigkeitssäule, wobei g die Erdbeschleunigung bezeichnet. Damit kann mittels der Differenzdruckmessung auch der Zuckergehalt be- stimmt werden.

Bezugszeichenliste

10 Gär- und/oder Lagertank

11 Wandung

12 Ein- und Auslass

14 Abzugsöffnung / Entlüftung

15 Manometer / Drucksensor

17 Kopfraum / Gärraum

18 Tankboden

19 Tankdeckel

20 Flüssigkeitsspiegel der Würze bzw. des Jungbiers

30 Unterdruckpumpe

40 Steuerung

Pl Drucksensor

P Drucksensor