Der CO2-Mangel: CO2 durch Stickstoff im Sudhaus ersetzen

16. Dezember 2022Keith Gribbins

Es gibt eine erschreckende Anzahl von Anwendungen, bei denen eine Craft-Brauerei CO2 im Brau-, Verpackungs- und Servierprozess verwendet: Aufrechterhaltung des richtigen Drucks in Tanks für Prozessanwendungen; Umfüllen von Bier oder Produkten von einem Tank in einen anderen; Karbonisierung dieses Produkts; Auswaschen von Sauerstoff vor dem Verpacken; Verpacken von Bier in einem Dosenfüller- oder Keg-Shaker-Betrieb; Vorspülen der Brite-Tanks nach der Reinigung und Desinfektion; und in einem Restaurant oder Pub Fassbier einschenken. Das ist nur der Anfang.

„Wir verwenden überall in der Brauerei und im Schankraum CO2“, sagte Max McKenna, Senior Marketing Manager bei der in Boston ansässigen Dorchester Brewing Co. „Es wird zum Entleeren von Tanks, an der Verpackungslinie, im Keller zum Kohlenhydratbrauen und im Schankraum verwendet.“ Bier servieren – in jeder Phase des Weges.“

Wie viele Handwerksbrauereien hat auch Dorchester Brewing mit einem Mangel an CO2 in kommerzieller Qualität für seinen Betrieb zu kämpfen (lesen Sie hier alle Ursachen dieses Mangels).

„Aufgrund unseres Vertrags haben wir trotz der steigenden Preise in anderen Teilen des Marktes keine Preiserhöhung bei unserem aktuellen CO2-Lieferanten gesehen“, sagte McKenna. „Die Auswirkungen waren bisher vor allem auf eine begrenzte Zuteilung zurückzuführen.“

Um diesen CO2-Mangel auszugleichen, verwendet Dorchester Brewing für bestimmte Anwendungen Stickstoff anstelle von CO2.

„Es gibt eine Reihe betrieblicher Funktionen, die wir auf Stickstoff übertragen konnten“, fuhr McKenna fort. „Einige der wirkungsvollsten sind das Spülen von Tanks und das Schutzgas während der Konserven- und Verschließprozesse. Bisher waren dies die größten Deltas für uns, da diese Prozesse eine so große CO2-Menge erfordern. Wir haben das auch schon seit langem.“ Wir hatten spezielle Nitro-Bierleitungen im Schankraum. Wir verwenden einen speziellen Stickstoffgenerator, um unseren gesamten Stickstoff für den Schankraum zu erzeugen – sowohl für die speziellen Nitro-Bierleitungen als auch für unsere Biergasmischung.“

N2 ist das am wirtschaftlichsten herzustellende Inertgas und kann im Keller, in der Verpackungshalle und im Schankraum einer Handwerksbrauerei einige produktive Anwendungen finden. N2 ist in der Anschaffung günstiger als CO2 in Getränkequalität und je nach regionalem Angebot in der Regel leichter verfügbar.

N2 kann als Gas in Hochdruckflaschen und in flüssiger Form in Dewar-Gefäßen oder großen Lagertanks erworben werden. Stickstoff kann auch vor Ort mit einem Stickstoffgenerator erzeugt werden. Stickstoffgeneratoren funktionieren, indem sie die Sauerstoffmoleküle in der Luft entfernen.

Stickstoff ist das am häufigsten vorkommende Element in der Erdatmosphäre (78 Prozent), der Rest besteht aus Sauerstoff und Spurengasen. Dadurch ist es auch umweltfreundlicher, da Sie weniger CO2 ausstoßen.

Beim Brauen und Verpacken kann N2 verwendet werden, um zu verhindern, dass Sauerstoff in das Bier gelangt. Bei richtiger Anwendung (die meisten Leute mischen CO2 mit N2 beim Umgang mit kohlensäurehaltigem Bier) kann N2 zur Tankreinigung, zum Umfüllen von Bier von Tank zu Tank, zum Unterdrucksetzen von Fässern vor der Lagerung, zum Entleeren von Dosen während der Begasung unter dem Deckel und zum Aufgießen von Nitro anstelle von CO2 verwendet werden als Zutat für Geschmack und Mundgefühl. In der Bar kann Nitro in Zapfleitungen für Nitrobiere und in Hochdruck-/Langstreckenanwendungen verwendet werden, bei denen Stickstoff mit einem bestimmten Prozentsatz CO2 gemischt wird, um ein schaumiges Bier am Zapfhahn zu verhindern. N2 kann sogar als Strippgas zur Wasserentgasung verwendet werden, wenn dies Teil Ihres Betriebs ist.

Nun, wie wir in früheren Artikeln zum Thema „CO2-Knappheit“ erwähnt haben, ist Stickstoff nicht bei allen Anwendungen in einem Sudhaus ein exakter Ersatz für CO2. Diese Gase verhalten sich unterschiedlich. Sie haben unterschiedliche Molekulargewichte und unterschiedliche Dichten.

Beispielsweise ist CO2 in Flüssigkeiten viel besser löslich als N2. Deshalb erzeugt Stickstoff kleinere Blasen und hat im Bier ein anderes Mundgefühl. Aus diesem Grund verwenden Brauer auch einen flüssigen N2-Tropf, um Biere mit Stickstoff anzureichern, und nicht N2-Gas. Die Leute sagen, dass CO2 auch einen Hauch von Bitterkeit oder Säure hinzufügt, den Stickstoff nicht erzeugt, was möglicherweise das Geschmacksprofil verändern kann. Die Umstellung auf Stickstoff wird nicht alle CO2-Probleme lösen.

„Da ist Potenzial“, sagte Chuck Skypeck, Leiter technischer Brauprojekte bei der Brewers Association, „aber Stickstoff ist kein Allheilmittel und auch keine schnelle Lösung. CO2 und Stickstoff verhalten sich ganz unterschiedlich. Wenn man zum Beispiel einen Tank spült, Man erhält viel mehr Mischung aus Stickstoff und der im Tank befindlichen Luft als beim Spülen mit CO2. Es wird also viel mehr Stickstoff benötigt. Das ist eine Erkenntnis, die ich immer wieder höre wieder.

„Ein Brauer, von dem ich weiß, dass er wirklich schlau ist, hat damit begonnen, CO2 durch Stickstoff zu ersetzen, und der Sauerstoffgehalt in seinem Bier ist deutlich gestiegen, also arbeiten sie jetzt mit Mischungen aus Stickstoff und CO2 und haben etwas mehr Glück. So ist es.“ nicht nur: „Hey, wir werden anfangen, Stickstoff zu verwenden und alle unsere Probleme lösen.“ Es wäre toll, mehr in der Literatur darüber zu lesen, und wir sehen immer mehr Leute, die tatsächlich Nachforschungen anstellen und, wie Sie wissen, Best Practices für die Durchführung dieser Substitution entwickeln.“

Die Lieferung dieser Gase wird unterschiedlich sein, da beide unterschiedliche Dichten haben, was zu einigen technischen oder lagertechnischen Änderungen führen kann. Hören Sie, wie Jason Perkins, Braumeister bei Allagash Brewing Co., über die Umgestaltung seiner Dosenlinie und seines Gasverteilers spricht, um CO2 für den Druck der Einfüllschüssel und N2 für den Verschließer und den Blasenbrecher zu nutzen. Die Lagerung kann variieren.

„Es gibt definitiv einige Unterschiede, die teilweise darauf zurückzuführen sind, wie wir Stickstoff beziehen“, sagte McKenna. „Wir beziehen reinen flüssigen Stickstoff in Dewargefäßen, daher sieht die Lagerung ganz anders aus als in unserem großen CO2-Tank – kleiner, auf Rollen, gelagert im begehbaren Kühllager. Viele der Prozesse, die wir umgestellt haben.“ sind ein ziemlich sauberer Eins-zu-Eins-Umstieg von CO2 auf Stickstoff, aber auch hier haben wir sehr sorgfältig darauf geachtet, wie wir die Übergänge effektiv und verantwortungsvoll gestalten können, um sicherzustellen, dass das Bier die höchste Qualität behält Bei jedem Schritt auf dem Weg dorthin war es von entscheidender Bedeutung, mit den Herstellern unserer Geräte für die Prozesse zu sprechen, die wir umgestellt haben. In manchen Fällen handelt es sich um ziemlich einfache Plug-and-Play-Austausche, während in anderen Fällen solche erforderlich sind zusätzliche Investitionen in Materialien, Infrastruktur, Fertigung usw.

Laut diesem hervorragenden Artikel von The Titus Co. (einem Anbieter von Luftkompressoren, Lufttrocknern und Luftkompressordienstleistungen aus Pennsylvania) funktionieren Stickstoffgeneratoren auf eine von zwei Arten:

Druckwechseladsorption : Druckwechseladsorption (PSA) funktioniert durch die Trennung von Molekülen mithilfe eines Kohlenstoffmolekularsiebs. Dieses Sieb hat Poren in der Größe von Sauerstoffmolekülen und fängt diese Moleküle beim Passieren auf, während größere Stickstoffmoleküle durchgelassen werden. Anschließend gibt der Generator Sauerstoff über eine weitere Kammer ab. Das Ergebnis dieses Prozesses ist, dass Stickstoff einen Reinheitsgrad von bis zu 99,999 % haben kann.

Membran-Stickstofferzeugung : Die Membran-Stickstofferzeugung erfolgt durch die Trennung von Molekülen mithilfe von Polymerfasern. Die Fasern sind hohl und haben Oberflächenlöcher, die klein genug sind, damit Sauerstoff hindurchtreten kann, aber zu klein für Stickstoffmoleküle, wodurch Sauerstoff aus dem Gasstrom entfernt wird. Generatoren, die diese Methode verwenden, können Stickstoff mit einem Reinheitsgrad von bis zu 99,5 % erzeugen.

Nun, N2-Generatoren vom PSA-Typ können hochreinen Stickstoff in großen Mengen und mit hohem Durchfluss erzeugen, und der reinste Stickstoff ist das, was viele Brauereien verlangen. Ultrarein bedeutet etwa 99,9995 Prozent gegenüber 99 Prozent. Membran-N2-Generatoren eignen sich hervorragend für kleinere Brauereien, die Alternativen mit geringem Volumen und geringem Durchfluss benötigen, bei denen eine Reinheit von 99 bis 99,9 Prozent akzeptabel ist.

Die Stickstoffgeneratoren von Atlas Copco nutzen die letztgenannte Technologie und sind im Wesentlichen kompakte Industrieluftkompressoren mit einer speziellen Membran zur Abtrennung von Stickstoff aus dem Druckluftstrom. Craft-Brauereien sind eine große Zielgruppe für Atlas Copo. Laut diesem Whitepaper von Atlas Copco zahlen Brauereien bei der Stickstofferzeugung vor Ort in der Regel etwa 0,10 bis 0,15 US-Dollar pro Kubikfuß. Wie sieht das im Vergleich zu Ihren CO2-Kosten aus?

Stickstoffgeneratoren gibt es in allen Größen.

„Wir bieten sechs Standardpakete an, die 80 Prozent aller Brauereien abdecken – von einigen tausend Barrel pro Jahr bis zu mehreren hunderttausend Barrel pro Jahr“, sagte Peter Asquini, Business Development Manager für Industriegase bei Atlas Copco. „Eine Brauerei kann ihren Stickstoffgenerator überdimensionieren, um Wachstum zu ermöglichen und gleichzeitig die Effizienz beizubehalten. Außerdem kann durch den modularen Aufbau ein zweiter Generator hinzugefügt werden, wenn das Geschäft der Brauerei erheblich wächst.“

Asquini ist sich bewusst, dass diese Generatoren nicht die Anforderungen jedes Brauers erfüllen werden.

„Bei der Verwendung von Stickstoff geht es nicht darum, CO2 vollständig zu ersetzen“, erklärte Asquini, „aber wir glauben, dass Brauer ihren Verbrauch um etwa 70 Prozent reduzieren können. Der Haupttreiber ist Nachhaltigkeit. Jeder Brauer kann ganz einfach seinen eigenen Stickstoff herstellen. Sie werden ihn nicht mehr verbrauchen.“ ein Treibhausgas, das besser für die Umwelt ist. Es wird Ihnen vom ersten Monat an eine Amortisation bescheren, die sich direkt in Ihrem Endergebnis niederschlägt, und wenn dies vor dem Kauf nicht nachgewiesen werden kann, dann kaufen Sie nicht. Das ist unsere einfache Regel. Die Nachfrage nach CO2 zur Herstellung von Produkten wie Trockeneis, das eine erhebliche Menge CO2 verbraucht und für den Transport von Impfstoffen notwendig ist, nimmt zu. Brauereien in den Vereinigten Staaten teilen Bedenken hinsichtlich des Angebotsniveaus und fragen sich, ob sie der Nachfrage der Brauereien gleichzeitig gerecht werden können das Preisniveau konstant halten.“

Atlas Copco fasst in diesem Video die PREIS-Vorteile der Verwendung von Stickstoff zusammen:

Wie bereits erwähnt, wird die N2-Reinheit für Craft Brewer ein großes Anliegen sein. Ebenso wie CO2 interagiert Stickstoff mit dem Bier oder der Würze und Verunreinigungen können weitergegeben werden. Aus diesem Grund werden viele dieser Stickstoffgeneratoren für Lebensmittel- und Getränkeanwendungen als ölfreie Geräte angepriesen (weitere Informationen zu den Reinheitsvorteilen ölfreier Kompressoren finden Sie weiter unten in der Seitenleiste „Letztes Wort“).

„Wenn das CO2 bei uns ankommt, wird es auf Qualität und Verunreinigung überprüft – ein weiterer wirklich wichtiger Aspekt der Zusammenarbeit mit einem großartigen Lieferanten“, sagte McKenna. „Bei Stickstoff ist es etwas anders, weshalb wir bisher reinen flüssigen Stickstoff beziehen. Eine weitere Sache, die wir prüfen, ist die Beschaffung und Preisgestaltung eines hauseigenen Stickstoffgenerators – wiederum mit Schwerpunkt.“ auf die Reinheit des Stickstoffs, der erzeugt wird, um die Sauerstoffaufnahme zu begrenzen. Wir betrachten dies als eine potenzielle Investition in die Zukunft, sodass die einzigen vollständig CO2-abhängigen Prozesse in der Brauerei die Karbonisierung von Bier und der Schankraumservice wären.

„Aber eine Sache, die es wirklich zu beachten gilt – wiederum eine scheinbar pingelige Sache, die übersehen werden kann, aber für die Aufrechterhaltung der Bierqualität von entscheidender Bedeutung ist – ist, dass jeder Stickstoffgenerator Stickstoff erzeugen muss, der bis zur zweiten oder dritten Dezimalstelle rein ist [dh 99,99 Prozent rein], um die Sauerstoffaufnahme und das Oxidationsrisiko zu begrenzen. Diese Art von Präzision und Reinheit kostet den Stickstoffgenerator mehr, stellt aber die Qualität des Stickstoffs und damit des Bieres sicher.“

Brauer benötigen beim Einsatz von Stickstoff zahlreiche Daten und Qualitätskontrollen. Wenn eine Brauerei beispielsweise N2 verwendet, um Bier zwischen Tanks zu transportieren, sollte die CO2-Stabilität während des gesamten Prozesses im Tank und in der Dose oder Flasche verfolgt werden. Es gibt bestimmte Anwendungen, bei denen reines N2 wahrscheinlich nicht funktioniert – wie zum Beispiel im Einfüllbehälter –, wenn reines N2 dazu führen würde, dass das CO2 aus der Lösung ausgeschieden wird. Daher werden einige Bierbrauer eine 50/50-Mischung für CO2 und N2 für Füllbehälteranwendungen verwenden, während andere einfach die Finger davon lassen.

N2 Profi-Tipp : Reden wir über die Wartung. Stickstoffgeneratoren sind tatsächlich so nah wie möglich am „Fit-and-Forget“-Prinzip, aber einige Verbrauchsmaterialien, wie z. B. Filter, müssen halbjährlich ausgetauscht werden. Ein echter Service ist häufig etwa alle 4.000 Stunden erforderlich. Das gleiche Team, das sich um Ihren Luftkompressor kümmert, kümmert sich auch um Ihren Generator. Die meisten Generatoren verfügen über eine einfache Steuerung – ähnlich wie bei Ihrem iPhone – und verfügen über eine vollständige Fernüberwachungsfunktion über eine App.

Die Tankspülung unterscheidet sich aus mehreren Gründen bei Stickstoff. N2 lässt sich gut mit Luft mischen, sodass es O2 nicht so stark beeinträchtigt wie CO2. N2 ist außerdem leichter als Luft und füllt Tanks daher von oben nach unten, während CO2 von unten nach oben gefüllt wird. Zum Spülen eines Tanks wird viel mehr N2 benötigt als CO2, und oft ist eine Massensprengung erforderlich. Sparen Sie immer noch Geld?

Auch beim Umgang mit einem neuen Industriegas wird es neue Sicherheitsbedenken geben. Eine Brauerei muss auf jeden Fall O2-Messgeräte installieren, damit die Mitarbeiter die Luftqualität in einer geschlossenen Umgebung visuell sehen können – etwa wenn Sie jetzt Dewars mit N2 in Ihrem Kühler lagern.

Aber die Kostenvorteile können beispielsweise bei einer CO2-Rückgewinnungsanlage leicht überwiegen. In diesem Webinar nennt Dion Quinn von Foth Production Solutions (einem Maschinenbauunternehmen) die Kosten für die Erzeugung von N2 8 bis 20 US-Dollar pro Tonne im Vergleich zur Sammlung von CO2 über eine Rückgewinnungsanlage, die 50 bis 200 US-Dollar und mehr pro Tonne kosten kann.

Zu den Vorteilen eines Stickstoffgenerators gehört die Eliminierung oder zumindest die Verringerung der Abhängigkeit von CO2- und Stickstoffverträgen und -lieferungen. Dies kann zu Einsparungen bei der Lagerhaltung führen, da eine Brauerei nur so viel produzieren und lagern kann, wie sie benötigt, wodurch die Notwendigkeit entfällt, Stickstoffflaschen zu lagern und herumzuschleppen. Wie bei CO2 zahlen die Kunden auch für den Transport und die Lieferung von Stickstoff. Mit einem Nitrogenerator ist dies weniger problematisch.

Stickstoffgeneratoren lassen sich normalerweise leicht in eine Sudhausumgebung integrieren. Kleinere Stickstoffgeneratoren können an der Wand montiert werden, nehmen also keine Stellfläche ein und sind geräuscharm. Diese Pakete kommen mit wechselnden Umgebungstemperaturen gut zurecht und weisen eine große Temperaturwechseltoleranz auf. Installationen im Freien sind möglich, werden jedoch in Klimazonen mit extremen Höhen und Tiefen nicht empfohlen.

Bei der Dimensionierung eines Stickstoffgenerators empfiehlt Asquini die Beantwortung dieser vier Fragen:

Es gibt eine Reihe von Herstellern von Stickstoffgeneratoren, darunter Atlas Copco, Parker Hannifin, South-Tek Systems, Milcarb und Holtec Gas Systems. Asquini stellte fest, dass ein kleiner Stickstoffgenerator auf der Grundlage eines fünfjährigen Mietkaufprogramms etwa 800 US-Dollar pro Monat kostet.

„Letztendlich: Wenn Stickstoff das Richtige für Sie ist, haben Sie eine große Auswahl an Lieferanten und Technologien“, sagte Asquini. „Finden Sie das richtige Gerät für Sie und stellen Sie sicher, dass Sie die TCO [Gesamtbetriebskosten] vollständig untersuchen und die Stromkosten zwischen den Geräten und die Servicekosten vergleichen. Sie werden oft feststellen, dass das Gerät mit dem niedrigsten Kaufpreis nicht das richtige für Sie ist.“ Operationen.“

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Ein Stickstoffgeneratorsystem verwendet einen Luftkompressor, und die meisten Craft-Brauereien verfügen bereits über einen Kompressor, was praktisch ist.

Wozu dient ein Luftkompressor in einer Craft-Brauerei? Fördern von Flüssigkeiten durch Rohrleitungen und Tanks. Energie für pneumatischen Transport und Steuerung. Belüftung von Würze, Hefe oder Wasser. Modulierende Ventile. Spülgas zur Verdrängung von Lösungen in Tanks während des Reinigungsprozesses und zur Unterstützung beim Fasswaschvorgang.

Für viele Anwendungen in Brauereien ist der ausschließliche Einsatz von 100 Prozent ölfreien Luftkompressoren erforderlich. Wenn Öl mit Bier in Kontakt kommt, schädigt es das Getränk, indem es die Hefe abtötet und die schaumige Schaumkrone flacher macht, was zu einem schlechten Biergeschmack führt.

Es ist auch ein Sicherheitsrisiko. Da die Lebensmittel- und Getränkeproduktion so sensibel ist, gelten zu Recht strenge Qualitäts- und Reinheitsstandards. Ein Beispiel: Die ölfreien Luftkompressoren der Sullair SRL-Serie im Leistungsbereich von 10 bis 15 PS (7,5 bis 11 kW) eignen sich ideal für Handwerksbrauereien. Brauereien genießen die Geräuschlosigkeit dieser Art von Maschinen. Die SRL-Serie bietet einen Geräuschpegel von nur 48 dBA, wodurch sich die Kompressoren für Innenanwendungen ohne separaten schallgedämpften Raum eignen.

Wenn die Luftreinheit von entscheidender Bedeutung ist, beispielsweise in Brauereikneipen und Handwerksbrauereien, ist ölfreie Luft unerlässlich. Ölpartikel in der Druckluft können nachgelagerte Prozesse und die Produktion verunreinigen. Da viele Brauereien jedes Jahr Tausende von Fässern oder Kisten produzieren, kann es sich niemand leisten, ein solches Risiko einzugehen. Ein ölfreier Kompressor ist besonders vorteilhaft für Anwendungen, bei denen die Luft in direkten Kontakt mit den Zutaten kommt. Selbst bei Anwendungen, bei denen kein direkter Kontakt zwischen den Zutaten und der Luft besteht, wie etwa in einer Verpackungslinie, kann ein ölfreier Kompressor hilfreich sein, um das Endprodukt so sauber zu halten, dass man es in den Mund nehmen kann.

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