Dry-hopping
Problemstellungen des Verfahrens
Eine neue Generation von Bieren mit ausgeprägterem und aromatischerem Hopfengeschmack, deren Entwicklung von der IPA-Revolution ins Rollen gebracht wurde, stösst bei einem breiten Publikum von Bierliebhabern auf immer grösseres Interesse. Wir verzeichnen zunehmende Mengen an Spezialbieren, doch die aktuell genutzten Dry-Hopping-Methoden stossen bei grösseren Hopfenmengen auf Hindernisse. Eine sichere, kontrollierte und automatisierte Lösung steigert die Effizienz und senkt die Kosten des Verfahrens sowie den Hopfenverbrauch bei gleichzeitiger Verbesserung von Qualität und Geschmack der Biere.
Hopfen ist im Brauereiwesen ein unverzichtbarer und gleichzeitig teurer Rohstoff. Beim Kalthopfen eines Bieres wird der Hopfen dem Jungbier am Ende der Gärung für ein intensiveres Aroma zugesetzt. So wird dafür gesorgt, dass die wertvollen, flüchtigeren Bestandteile bestimmter Hopfensorten auch wirklich zur Geltung kommen. Dieses Verfahren wird in der Regel bei Bierstilen wie IPAs (India Pale Ale) oder Imperial IPAs angewandt. Es verleiht ihnen besonders markante Aromen (Kräuter-, Gewürz-, Zitrusnoten usw.).
Beim Kalthopfen sind viele Parameter zu berücksichtigen. Neben dem Bier- und Hefe-Typ ist die Qualität des Hopfens als Rohstoff von grösster Bedeutung, d. h. Sorte, Ernte und Gehalt an Alpha- und Betasäuren, ätherischen Ölen usw. Doch bei der Sorge dafür, dass ein Bier das richtige Hopfenaroma erhält, spielen auch zahlreiche physikalische Parameter eine Rolle, die dafür zuständig sind, dass die Diffusion der notwendigen Bestandteile des Hopfens in das Bier unterstützt wird, z. B. die Oberfläche der Hopfenpartikel, die dem Bier ausgesetzt sind, die Kontaktzeit von Bier und Hopfen, die Temperatur (sowohl des Hopfens als auch des Bieres) und die Bewegung bzw. Strömung über die Hopfenoberfläche.
Aus Perspektive der Qualität sollte eine Sauerstoffaufnahme nach der ersten Gärung vermieden werden, um das Bier vor oxidativen Reaktionen und der (erneuten) Bildung von Diacetyl zu schützen, aber auch um den oxidativen Abbau der empfindlichen Betasäuren (Lupulone) des Hopfens zu vermeiden, was bekanntermassen den Biergeschmack beeinträchtigt.
Beim Kalthopfen sind viele Parameter zu berücksichtigen. Neben dem Bier- und Hefe-Typ ist die Qualität des Hopfens als Rohstoff von grösster Bedeutung, d. h. Sorte, Ernte und Gehalt an Alpha- und Betasäuren, ätherischen Ölen usw. Doch bei der Sorge dafür, dass ein Bier das richtige Hopfenaroma erhält, spielen auch zahlreiche physikalische Parameter eine Rolle
Handhabung grosser Hopfenmengen
Abhängig von der Chargengrösse und dem gewünschten Aromaniveau setzt Dry-Hopping voraus, dass entsprechend der Rezeptur eine bestimmte Menge Hopfen mit dem vergorenen Bier in Kontakt kommt. Die Konzentrationen reichen von leicht gehopften (0,5 g/l) bis zu stark gehopften Bieren (bis zu 30 g/l). Die aktuell genutzten Verfahren bereiten vielen Brauern Kopfzerbrechen, und wenn man sich die Biermengen in grösseren Gärtanks ansieht, wird deutlich, dass die zu verwendenden Hopfenmengen immer schwieriger zu handhaben sind.
Für eine Charge von 500 hl Bier bei einer Hopfengabe von 2 g/l sollten etwa 100 kg Hopfenpellets zugesetzt werden. Es versteht sich von selbst, dass diese Hopfenmengen mit zunehmendem Biervolumen und Dry-Hopping-Grad immer grösser werden.
Die bekannte Tatsache, dass Hopfenpellets auf das Siebenfache des ursprünglichen Pellet Volumens aufquellen, führt bei grossen Mengen dieser Pellets zu erheblichen Risikofaktoren hinsichtlich Verstopfungen und Störung der normalen Bierproduktion. Für die Homogenisierung ist zudem eine ordentliche Umwälzung des Inhalts der Gärtanks zu gewährleisten, damit eine gleichmässige Verteilung der Aromastoffe erreicht werden kann.
Hopfen direkt in das Bier einzugeben, ist bei grossen Hopfenmengen im Allgemeinen der Unterbringung des Hopfens in einem geschlossenen Tank mit Filterplatten vorzuziehen.
Aufgrund dieser Herausforderungen stehen die Brauer vor der Notwendigkeit, Hopfenpellets in Bier zu dosieren und darin aufzulösen, anstatt es über verpackte Hopfenmengen in kleineren Sekundärtanks neben dem Gärtank (so genannte Hopfenkanonen) zu zirkulieren. Es ist viel einfacher, die Hopfenpellets in diese Art von komplexen Systemen hineinzugeben, als die enorme Menge an grünem Schlamm aus pflanzlichen Stoffen herauszubekommen, wobei wertvolles Bier verloren geht.
Ausserdem können durch das Auflösen von Hopfenpellets im Bier die benötigten Hopfenmengen und die Gesamtkontaktzeit drastisch reduziert werden, da die Werte für den Oberflächenkontakt und die Diffusion um ein Vielfaches höher ausfallen. Das steigert die Effizienz und verkürzt den Zeitraum vom Halm zum Glas.
Hopfen direkt in das Bier einzugeben, ist bei grossen Hopfenmengen im Allgemeinen der Unterbringung des Hopfens in einem geschlossenen Tank mit Filterplatten vorzuziehen.
Derzeit genutzte Methoden des Hopfenstopfens resp. Kalthopfens
Die manuelle Zugabe des Hopfens in den Gärtank ist derzeit eine unsichere, zeitaufwendige, potenziell bierschädigende und komplexe Aufgabe. Das klassische Verfahren, die Hopfensäcke bis zum oberen Ende des Gärtanks zu bringen und den Hopfen – mit Sauerstoff Eintrag – über den Tankdomdeckel in das vergorene Bier zu dosieren, ist nicht die eleganteste Art.
Ein weiteres genutztes Verfahren, das aus der Milchwirtschaft stammt, ist das Dosieren und Auflösen von Zusatzstoffen mithilfe von Pumpen mit hoher Scherkraft. Die Dosierung aus offenen Behältern – auch mit CO, Schutzgasanwendung – gewährleistet jedoch nicht die korrekte Dosierung von vollständig entgasten Hopfenpellets. Der Einsatz von Pumpen mit hoher Scherkraft ist oft nicht von Vorteil, da es nicht das Ziel ist, eine Emulsion herzustellen oder das organische Hopfenmaterial zu pulverisieren. Das Zermahlen der Hopfenpellets trägt zu einem höheren Gehalt an Polyphenolen im Bier bei, die aus den pflanzlichen Bestandteilen stammen und im Allgemeinen als unerwünschtes Aroma angesehen werden. Ausserdem macht es eine geringere Partikelgrösse nicht leichter, den Hopfen, z. B. durch teilweises Dekantieren, wieder aus dem Bier zu entfernen. Eine weitere Möglichkeit, Hopfen in den Gärtank zu befördern, ist das befördern der Pellets über den Tankdomdeckel mithilfe von Druckluft so genannte Hop-to-the-Top-Systeme. Diese Methode erfordert einige recht kostspielige Hardware-Anpassungen, einschliesslich Änderungen am Tankdomdeckel, um eine vollständige Lösung zu erhalten und ein korrektes Reinigungsverfahren zu gewährleisten.
Die manuelle Zugabe des Hopfens in den Gärtank ist derzeit eine unsichere, zeitaufwendige, potenziell bierschädigende und komplexe Aufgabe. Das klassische Verfahren, die Hopfensäcke bis zum oberen Ende des Gärtanks zu bringen und den Hopfen – unbelüftet – über die Oberplatte in das vergorene Bier zu dosieren, ist nicht die eleganteste Art.
Auch die Entfernung des Hopfens aus dem Bier kann ein sehr komplexer Prozess sein: Am effektivsten ist die Verwendung einer Zentrifuge, die den Hopfen von dem homogenen Bier-Hopfen-Gemisch trennt. Einige Jungbierzentrifugen können auch zur Entfernung von suspendiertem Hopfen verwendet werden. Hierbei bleiben die gelösten Hopfenaromen erhalten und zusätzliche teure Investitionen können vermieden werden.
Ausser dem Zentrifugieren ist auch das Dekantieren der Hopfenpartikel möglich, wobei zu berücksichtigen ist, dass die schwerere Fraktion zum Konischer Boden des Gärtanks absinkt, während die Fraktionen, die leichter als Bier sind, nach oben schwimmen.
Je nach Auflösungsprozess und Art/Qualität des Hopfens kann der relative Anteil der schweren/leichten Fraktionen zwischen 95/5 und 70/30 stark variieren. Bestehende Verfahren zum Dry-Hopping grosser Biermengen in Gärtanks können mit neuen Methoden des Kalthopfens optimiert werden, wobei der Schwerpunkt auf schnelleren und stärker qualitätsorientierten Verfahren liegt. Dies erfordert neue Hardware und eine weitere Automatisierungsstufe, um sichere, reproduzierbare und flexible Dry-Hopping-Verfahren einzuführen.
Ausser dem Zentrifugieren ist auch das Dekantieren der Hopfenpartikel möglich, wobei zu berücksichtigen ist, dass die schwerere Fragmente zum konischen Boden des Gärtanks absinken, während die Fragmente, die leichter als Bier sind, nach oben schwimmen.
Mit Versuchen zur Lösung: AHOP
Eine Grossbrauerei erstellte einen Masterplan zur Rationalisierung ihres bestehenden Kaltblocks. Die grundlegende technische Studie wurde von Agidens, einem belgischen Anbieter von Prozesslösungen, durchgeführt. Ein automatisches und reproduzierbares Dry-Hopping-Verfahren sollte zur gewünschten Lösung dazugehören.
Da die konventionellen Methoden des Hopfenstopfens die Anforderungen eines vollautomatischen Prozesses nicht so recht erfüllten, schlug Agidens eine Lösung mit einem neu entwickelten Hopfendosierer namens AHOP und dem Einsatz eines IMXD-Rührwerks von Alfa Laval zur Durchmischung und Homogenisierung des Gärtank-Inhalts vor.
Das AHOP-Design wurde im Hinblick darauf entwickelt, eine wirtschaftliche Dosierlösung zu bieten, die einige der Problemstellungen bestehender Dry-Hopping-Systeme meistert.
Basierend auf der Siemens TIA-Portalplattform wurde ein rezepturgesteuertes, vollautomatisches und flexibles System entwickelt, das der Vielfalt an Bieren, Hopfentypen und anderen Zusatzstoffen gewachsen ist und bei dem manuelle Eingriffe, die derzeit bei kommerziellen Dosiersystemen erforderlich sind, vermieden werden.
Es wurden Praxistests durchgeführt, sowohl in Bezug auf Steigrohre als auch zum Einsatz von Rührsystemen, die in den bestehenden Gärtank eingebaut wurden, wodurch komplexe und teure Anpassungen des bestehenden Gärtank-Parks vermieden werden sollten. Die Systeme werden mithilfe einer Zentrifugalpumpe über einen externen Kreislauf gespeist, damit der Hopfen im Schwebezustand gehalten und die Diffusion der Aromastoffe optimiert wird.
Für das Umwälzen und die Homogenisierung des Gärtankinhalts wurden zwei Typen von Tankmischern untersucht, ein motorbetriebener (Alfa Laval Iso-Mix) und ein nicht motorbetriebener (AJET educator). Die vorgeschlagene Lösung wurde ausgiebig getestet, beginnend mit Wassertests zur Feinabstimmung des Hopfendosiersystems bis hin zu Tests mit handelsüblichen Biersorten (Tabelle 1).
| Bierstil | Saison | Belgisches Tripel | Typ Lager |
| Hopfenart | Hallertau mittelfrüh P90 | Mosaic P90 | Hallertau mittelfrüh P90 |
| Biertemperatur | 4°C | 20°C | 2°C |
| Hopfentemperatur | 4°C | 20°C | 15°C |
| Dry-Hopping-Niveau | 2g/l | 2.5 g/l | 1 g/l |
| Entgasungszeit | 60 s | 60 s | 60 s |
| Sauerstoffaufnahme | 2 ppb | 0 ppb | 0 ppb |
| Menge an zugesetztem Hopfen | 45 kg | 60 kg | 60 kg |
| Gesamtdosierungszeit | 20 min | 30 min | 30 min |
| Zirkulation | raiser pipe | motorbetriebenes Rührwerk | nicht motorbetriebenes Rührwerk |
| Auflösungszeit | 4 h | 30 min | 1 h |
| Dekantier Zeit | 15 min | 30 min | 20 min |
Besonderes Augenmerk wurde auf die Zerfallszeit der Pellets nach der Dosierung, die Dekantier Zeit nach erneuter Zirkulation und die Entfernung der Hopfenrückstände gelegt. In einigen Fällen erfolgte nach einer bestimmten Zirkulationszeit eine zusätzliche Hopfendosierung, wenn sensorische Tests vor der Produktfreigabe ergaben, dass ein wenig mehr Hopfen zugegeben werden sollte. Das System erwies sich als sehr flexibel, schnell und einfach zu bedienen. Darüber hinaus ergaben Verkostungstests der Biere, dass das AHOP-Modul ein deutlich besseres Gesamtgeschmacksprofil ergab als das Dry-Hopping-Verfahren mithilfe einer Hopfenkanone oder auch Hopfenrakete genannt.
- Manueller Einlass
- Einlass in die Entlüftungskammer
- Entgasung
- Einspritzung
- Wiederholung
Weitere Tests wurden mit der Dosierung von feineren Granulaten (Kaffeekörner) und flüssigen Zusätzen durchgeführt, wobei die Homogenisierung des Gärtankinhalts mit diesen Zusätzen beobachtet wurde. Die Dosierung dieser Art von Zusatzstoffen erwies sich als einfacher als die Dosierung von Hopfenpellets.
Die Anwendungsmöglichkeiten für die Dosierung von Pulvern, Granulaten und Flüssigkeiten sind schier unbegrenzt und bieten dem Brauer ein Spielfeld, auf dem er seiner Kreativität bei der Kreation neuer Bierrezepte freien Lauf lassen kann. Die Homogenisierung des Gärtankinhalts mit den Zusatzstoffen ging sehr schnell, wobei sowohl der IMXD (Iso-Mix external Drive) als auch ein Inline Tank-Strahlmischer, der AJET, verwendet wurden (die Merkmale sind in Tabelle 2 beschrieben). Der Strahlmischer hat den Vorteil, dass er nicht motorbetrieben und der Mischstrom im Tank bis zu fünfmal grösser ist als der externe Zirkulationsstrom, wobei der IMXD bei der Verwendung von stark ölhaltigem Hopfen die Sedimentation auf dem Konusboden des Gärtanks effektiver verhindert.
Merkmale des AJET-Mixers
| IEinlass-/Zirkulationsdurchsatz | 200 hl/h |
| Zirkulationsleistung im Tank | 1000 hl/h |
| Effektives Strömungsfeld im Tank | 14 mC |
| Format Steigrohr | DN50 |
| Länge des Steigrohrs | > 2000 mm |
Die Mischer sind so einstellbar, dass sie in jeden Gärtank eingebaut werden können, ohne die Hefeernte zu stören. Am Auslass des Gärtanks ist Vorsicht geboten, denn eine dort angebrachte Verengung verringert den bei der Hefeernte verfügbaren Auslass-Rohrabschnitt. Darüber hinaus bieten die Lösungen, die eine Umwälzung über den Gärtank vorsehen, dem Brauer die Möglichkeit, die Vorteile zu untersuchen, die sich daraus ergeben, dass der Inhalt des Gärtanks während der Gärung bzw. Reifung in optimaler Suspension gehalten wird. Es ist bekannt, dass dies die Gärung und/oder die Tiefkühlung beschleunigen kann, wodurch die Effizienz der gesamten Brauerei gesteigert und die Zeit vom Halm zum Glas weiter verkürzt werden kann.
Reinigungsfähigkeit – CIP
Die Reinigungszyklen folgten allen Wasser- und Produkttests, um sicherzustellen, dass die Mischsysteme mit Standard-CIP-Mitteln der Brauerei gereinigt werden können.
Das AHOP-Dosiermodul einschliesslich seiner Dosierkammer wurde kalt gereinigt, gemeinsam mit der CIP des Gärtanks. Die visuelle Inspektion der Verschlusseinheit und des Gärtanks sowie die Demontage der Hopfendosiereinheit zeigten, dass die Anlage perfekt CIP-fähig war.
Sowohl der Alfa Laval Iso-Mix als auch der nicht motorbetriebene Strahlmischer AJET erwiesen sich ebenfalls als vollständig CIP-fähig. Ein positiver Effekt beim Einsatz des Alfa Laval Iso-Mix ist die zusätzliche Reinigungsstrahlwirkung im unteren Teil des Gärtanks.
Der sich ständig weiterentwickelnde Brauereimarkt erfordert neue Verfahren und flexible Lösungen, um auf kontrollierte Weise qualitativ hochwertige und interessante Biere herzustellen. Die aktuellen Entwicklungen in puncto Dry-Hopping-Verfahren erleichtern die Dosierung von schwer zu handhabenden Zutaten wie Hopfenpellets.
Die Steigerung der Produktion von hopfengestopftem Bier ist mit der Vielfalt der Lösungen, die einige Lieferanten anbieten können, kein Problem mehr. Andere Anwendungen könnten interessant sein, z. B. die Dosierung von Gewürzen in die kalte Würze während des Umfüllens, anstatt sie im Sudhaus in die heisse Würze zu geben, oder die Dosierung von Trockenhefe und Zucker in das fertige Bier. Der Test des AHOP-Dosiermoduls und der Mischprozesse bestätigte seine einzigartigen Eigenschaften: Eine vollautomatische Lösung für die unbegrenzte Dosierung von sauerstoffarmen Hopfen und anderen Zusatzstoffen unter sicheren und hygienischen Bedingungen.