Theoretische Grundlagen
Bei der alkoholischen Gärung werden die in Fruchtsäften enthaltenen
Hexosen überwiegend zu Ethanol und Kohlendioxid in nahezu stöchiometrischem Verhältnis
umgesetzt. Die grundlegende Gärungsgleichung wurde bereits 1810 von J. Gay-Lussac
aufgestellt: C6H12O6 → 2 C2H5OH
+ 2 CO2
Der Verlauf dieses biologisch-chemischen Prozesses ist durch physikalische
Faktoren wie Temperatur und CO2-Druck, chemische Faktoren wie Zucker-
und Alkoholkonzentration sowie Stickstoffverbindungen im Gärgut und biologische
Faktoren wie Hefen u.a. Mikroorganismen beeinflussbar.
Die Größen, durch die die Reaktionsgeschwindigkeit der alkoholischen
Gärung in einem Gebinde geregelt werden können, sind Temperatur und CO2-Druck.
Im Gegensatz zum Braugewerbe, sind in der Kellereiwirtschaft Drucktanks
eher noch selten. So bleibt als Regelgröße hier vornehmlich die Temperatur.
Mit steigender Temperatur erhöht sich die Gärgeschwindigkeit, wobei
das Optimum bei ca. 25°C erreicht ist. Die meisten Hefen stellen ihre Gärtätigkeit
bei 30 bis 40°C ein, was bedeutet, dass diese Temperaturen nicht überschritten
werden dürfen. Die alkoholische Gärung ist eine exotherme Reaktion. Handelt es sich
um größere Behälter, reicht die Kühlung durch die Umgebungstemperatur nicht mehr
aus. Die Wärme muss mit Kühlmitteln (Berieselung der Tanks mit Wasser, Plattenkühlkörpern
oder Kühlschlangen in oder an den Tanks) abgeführt werden, um eine zu rasche Gärung
mit den bekannten Nebeneffekten, beispielsweise des Verlustes an Aromastoffen oder
der Fuselbildung, zu vermeiden. Eine kontrollierte alkoholische Gärung von bestimmbarem
zeitlichem Ablauf wird deshalb angestrebt.
Ziel dieser Erfindung ist es somit, über die Messung des Flusses des
entstehenden Kohlendioxids die Vergärungsrate zu bestimmen, um auf Grund dieses
Wertes die Temperatur so zu steuern, dass eine optimale Vergärungsgeschwindigkeit
eingehalten wird.
Gasmesseinrichtungen für diesen Zweck müssen über eine sehr hohe Genauigkeit
über einen breiten Messbereich verfügen, da der Gesamtumsatz als Integral des Gasmassenflusses
über die Zeit bestimmt wird.
Für die Messung des Gasflusses eignen sich Volumenmessgeräte (z.B.
Kammergaszähler, auch wegen ihres hohen Preises) oder Strömungsmessgeräte weniger,
da bei ihnen, um die Gasmasse berechnen zu können, zusätzlich Druck und Temperatur
erfasst werden müssten.
Elektrothermische Massenflussmesser messen druck- und temperaturunabhängig
den Gasmassenfluss. Sie sind außerdem erheblich preiswerter, jedoch immer noch zu
teuer, um als Einzelmessgerät für jeden Tank verwendet zu werden.
Um Beschaffungskosten und vor allem den Kalibrieraufwand niedrig zu
halten, ist es sinnvoll, den sich relativ langsam ändernden Gärgasfluss mehrerer
Tanks mit nur einem Massenflussmesser zu messen.
Demzufolge liegt dieser Erfindung die Aufgabe zugrunde, mit nur einer
Gasmesseinrichtung die Gasentwicklung in mehreren Tanks zu messen, mittels der ausgewerteten
Messergebnisse den Gärverlauf in den einzelnen Tanks individuell zu verfolgen und
zu registrieren sowie über Temperatur- und/oder Druckregeleinrichtungen den Gärverlauf
zu steuern.
Die Gärgase der einzelnen Tanks werden über Magnetventile zyklisch
auf eine zum Massenflussmesser führende Leitung, den Gas-Bus, aufgeschaltet und
über diesen dem Messgerät zugeführt. Alle anderen Tanks entgasen während dieser
Messzeit in den freien Raum oder in eine Abgasleitung.