Is it time to brew without boiling? Forced stripping of undesirable aroma substances from the beer wort

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1 Is it time to brew without boiling? Forced stripping of undesirable aroma substances from the beer wort CC-de34-p /12 CC LR By: Dr.-Ing. Roland Feilner On:

2 We do more. 2 Contents 1. Problem 2. Thermodynamics basics 3. Results 4. Interpretation of the results 5. Summary CC-de34-p /12 CC LR

3 We do more. 3 Problem Energy recovery System works with a recovered evaporation of around 4 %! Fig. 1: Wort boiling system with energy recovery Fig. 2: DMS reactions [39], [40], [41], [146], [151] A system that is positioned downstream from the hot trub separation system and is able to reduce mainly the free DMS generated in this process with a high vaporisation efficiency would be a sensible expansion of the state of the art system. Temperature + time DMS free Oxygen + time Wort bacteria Yeasts/wort bacteria

4 We do more. 4 Contents 1. Problem 2. Thermodynamics basics 3. Results 4. Interpretation of the results 5. Summary CC-de34-p /12 CC LR

5 We do more. 5 Thermodynamics basics: evaporation Thermal separation factor for evaporation of substances from a binary mixture The thermal separation factor is determined by the specific volatility of the individual substances and the evaporated solvent quantity. This factor precisely describes the evaporation for processes based on boiling. Tab. 1: Substance data for selected aroma substances in beer wort [45], [118], [132]; [137], [138], [139] Equation : Thermal separation factor, continuously reevaporating substances (x concentration, D evaporation, K distrib. function, A enrichment factor) [45] x u xo 1 D ( K A 1) N Aroma substance Distribution factors K (100 C) Molar mass [g*mol -1 ] Dimethyl sulphide 75.6 ± methyl butanol 57.5 ± methyl butanol 55.5 ± furfural 7.30 ± Benzaldehyde 21,9 ± Phenylethanol 5.57 ± Linalool ± Boling temperature [ C]

6 We do more. 6 Thermodynamics basics: Evaporation Kinetic separation factor for evaporation of substances in the evaporation process The separation factor is determined by the diffusion speeds of the individual substances in the respective flow condition. No primary energy supply Evaporation according to the partial pressure ratio f (T) Concentration Konzentration x & y [ ] Phase 1 (Fluid) Phase Phasen limit grenze jump Phase 2 (Gas) Fick's law m A M i i i D i xi i p R T turb i Flow-dependent mass transfer coefficient β of the liquid * i Re w (Re crit 400) D g 0,218 Re ' w 2 3 Grenzschichten Barriers Fig. 4: Two-film theory of an evaporation from a binary mixture [45] Lauflänge Length [μm] [µm] Stokes-Einstein relation: Dependency of the diffusion speed D of the molecule size k * T D 6 * * * r ' 0

7 We do more. 7 Contents 1. Problem 2. Thermodynamics basics 3. Results 4. Interpretation of the results 5. Summary CC-de34-p /12 CC LR

8 We do more. 8 Result from equipment tests Warm water tank Boiler External boiler Stripping gas Admission tank Wort chille r Fig. 5: Position in the process reevaporation after hot trub separation Swirl nozzle at wort infeed Vent pipe Rising vapour Boreas.mpg Wort level Wort discharge Stripping gas inlet Wort pump Fig. 6: Inside and outside view of the new development

9 We do more. 9 Application to reduce vaporisation Vaporisation is reduced by means of splitting the boiling process into specified boiling phases and boiling breaks with subsequent desorption. Optimised boiling with and without steam supply Fig. 8: Wort kettle trend DMS Konzentration concentration [µg/l] Traditionell Traditional Optimised Optimiert & Stripping stripping Stripping effect End Kochende of boiling Whirlpool (KM) After nach Stripping stripping (KM) (middle of cooling) Fig. 9: Comparison of DMS free with boiling program 1 Tab.2: DMS values of the wort in the middle of cooling before/after stripping, depending on the boiling program, standardised to 12 P (boiling [min] / heat retention [min] / boiling [min]). No. Boiling program [min] T strip [ C] DMS P coolant [µg/l] Prior to stripping DMS free [µg/l] After stripping DMS free [µg/l] Traditional No. 1 10/45/ No. 2 5/55/ No. 3 5/60/ No. 4 5/65/ Total evaporation [%] Kettle + stripper

10 We do more. 10 Application to reduce boiling time Heating Aufheizen for zum boiling Kochen Boiling Kochphase 11 Recirculation Umpumpen & and Ausschlagen casting WHP Rast stage Half halbe cooling Kühlzeit time 60,00 Traditionell Traditional Optimiert Optimised & Stripping stripping min boiling Kochung 50,00 40,00 50 min boiling 60 min Kochung [ ] 30,00 20, ,00 0,00 Thiobarbituric TBZ Zunahme acid [ ] number increase [-] Farb Zunahme Colour increase [EBC] Fig. 11: Increase of colour and thiobarbituric acid number over the entire boiling process up to the wort cooler Tab. 3: Comparison of DMSP values in worts in the middle of cooling Parameters Traditional (50 min) Optimised & stripping (40 min) DMS [μg/l] 23.8 ± ± 1.35 DMSP [μg/l] 35.5 ± ± 5.02 Boiling time reduction and total evaporation by 20 %; at the same time, reduction of DMSfree by 50 %

11 We do more. 11 Application to reduce boiling time 8 7 Traditional Traditionell Optimised Optimiert & stripping Stripping ESR signal Signalintensität intensity [10 6 ] Nach After min min Nach After min After 2 Nach Whirlpool After stripping 3 Nach 4Stripping boiling Kochung Kochung boiling Fig. 12: Comparison of ESR measurements of the processes (29 s retention time) Lower signal intensities with worts stripped with air No differents between before and after stripping -> indicator for no oxidation during the air stripping

12 We do more. 12 Quality development - DMS 70 Test Versuchsergebnisse results Calculated berechnete values Werte with mit A=3.5 A=3,5 DMS Reduction [%] y = x x R² = Stripping intensity ΔT[ C] Fig. 13: Reduction of DMS free depending on the stripping intensity and the interpolated control curve Fig. 14: Regulation in practical application Regulation allows for a controlled, efficient reduction of DMSfree (30 to 60 %)

13 We do more. 13 Quality development - carbonyls Stripping process with N2 -> elimination of oxidative influences pilot trails (water) production trails (wort) Fig. 16: reduction rates of the cabonyls solved in water and wort Higher molecules e.g. Furfural and Phenylethanal are better reduced in water!

14 We do more. 14 Quality development - hop oils vor Before Stripping stripping (KM) After nach stripping Stripping (middle (KM) of cooling) Concentration Konzentration [µg/l] Linalool α Terpineol Nerol β Caryophyllen α Humulen Farnesol Fig. 19: Positive development of the hop oils due to the stripping process There is no reduction, but a slight increase due to the stripping process.

15 We do more. 15 Quality development - DMS Oxygen + time DMS [ppb] Luft N2 Würze Bier Air Wort Beer Stripping effects vor Stripping N2 Stripping Luft Stripping Before stripping N2 stripping Air stripping DMS free Yeasts or microorganisms Figure 15: Standardised DMS free development up to the filled beer (ΔT 3 C) Evaporation independent of the type of the stripping gas and equal increase during fermentation (DMSO -> DMSfree)

16 We do more. 16 System comparison with the state of the art Expansion evaporator >< stripping Expansion evap. Stripping calculated for A= 3 Expansion evaporator calculated Stripping calculated for A=2 DMS free residue [%] x u xo 1 D ( A 1) N Fig. 21: Gentle-boil system make Schulz Evaporation Fig. 22: Comparison of the evaporation curves of a stripper with enrichment factor 2 & 3 with an expansion evaporator High evaporation efficiency & low re-evaporation (< 1 %) of the stripping system compared with the expansion evaporator

17 We do more. 17 Contents 1. Problem 2. Thermodynamics basics 3. Results and discussion 4. Interpretation of the results 5. Summary CC-de34-p /12 CC LR

18 We do more. 18 Interpretation: evaporation behaviour pilot trails (water) production trails (wort) turb D g 0,218 Re ' w 2 3 H2O Wort H2O Wort H2O Wort Fig. 27: comparison between the reduction of solved flavors in water and wort Ƞ = 0,3*10^( 6 Difference between water & wort matrix Depends on viscosity and molecule values Water Ƞ = 0,3*10 (-6) >< wort Ƞ = 0,6*10 (-6 ) Consideration of a mass transfer efficiency factor ε ε = f(ƞ; D) x u xo 1 [ * D * ( K A 1)] N

19 We do more. 19 Interpretation: hop oils No loss: Hop oils have a high molecular weight and a large structure. The barrier problem prevents these large molecules from evaporating. Water < << DMSfree Aroma substance Distribution factors K (100 C) Molar mass [g*mol -1 ] Dimethyl sulphide 75.6 ± methyl butanol 57.5 ± methyl butanol 55.5 ± furfural 7.30 ± Phenylethanol 5.57 ± Benzaldehyde 21.9 ± Linalool 35,46 ± 1,28 154,25 Increase: The emulsifying effect of the swirl nozzle homogenises the oils and makes them more accessible to analysis. Fig. 28: Extract solution, not emulsified (l) and homogenised (r)

20 We do more. 20 Contents 1. Problem 2. Thermodynamics basics 3. Results and discussion 4. Interpretation of the results 5. Summary CC-de34-p /12 CC LR

21 We do more. 21 Summary - Good reduction of low molecular flavors (DMS, 2,3 Methylbutanal) - Regulation of the reduction with the delta T of the evaporation in a continuous process - Less or no reduction of high molecular flavors (Linalool, hop oils) - Best way to optimize a existing wort-boiling with a desorption based process is to reduce the boling time - No oxidation through the stripping process with strippgas air - A reduction of the evaporation less than 4 % is not successful in a boiling process with an included heat recovery - Also the DMS free in the beer must be monitored. DMS free Oxygen + time Yeasts/wort bacteria

22 We do more. 22 References Projects Heidelberger Brauerei, Germany: Evaporation reduction from originally 8 % to 2 %; at the same time 20 % less DMSfree Baltika Brewery Yaroslavl, Russia: Boiling time reduction from 50 to 40 with according reduction of energy input and thermal load and reduction of DMS free by 50 %. Carlsberg Brewery, Israel: Evaporation reduction from 8 % to 3.5 %; boiling time reduction and thus increase of capacity by one brew per day. AbInbev China Sanming: Reduction of DMSfree by 60 % SAB Quito, South America: Reduction of DMSfree by 50 % SAB Pucallpa, South America: Currently in commissioning phase. Orders are going to be placed for other projects. Awards Winner FoodTec Award in silver, 2012 Nomination IChemAward 2012 Nomination Henrich-Funke- Pschorr research award 3 patents submitted Swirl insert, infeed valve, equipment and process for evaporating/deaerating liquids and application in brewing processes (DE ) Stripping process and equipment for removing undesired aroma substances from wort; (DE ) Process and equipment for targeted oxidation of beer wort

23 We do more. 23 Thanks to my doctoral advisers: Prof. F.-J. Methner Prof. D. Rehmann Heidelberger Brauerei: Brewmaster Lutz Wirsching Thomas Kunz! My degree candidates: Christian Bockisch Matthias Baldus Thomas Raufer

24 We do more. 24 Bibliography [1] Narziß, L., Miedaner, H., Schwill, A.: Versuche zur Optimierung der Hochtemperatur-Würzekochung. Teil I: Untersuchungen an Pilotanlagen. Monatsschrift für Brauwissenschaft 1983; 36: [2] Rübsam, H., Becker, T., Krottenthaler, M.: Optimierung der Sudhaustechnologie mit Dimethylsulfid als Leitkomponente. Brauwelt 2010; 150: [3] Zürcher, C, Gruss, R., Kleber, K.: Technologische Maßnahmen zur Reduzierung des Dimethylsulfidgehaltes im Bier. EBC-Proceedings 1979: [4] Scheuren, H., Sommer, K., Hertel, M.: Grundlagen der Ausdampfung von Aromastoffen in der Bierberei-tung - Teil 1. Aromastoffausdampfung. Brauwelt 2008; 148: [5] Mersmann, A., Kind, M., Stichlmair, J.: Thermische Verfahrenstechnik. Grundlagen und Methoden. Springer Berlin, 2005 [6] Scheuren, H., Heinemann, S., Hertel, M.: Vorhersage und experimentelle Bestätigung des Ausdampfver-haltens gängiger Würzekochsysteme. Brauwelt 2008; 148: [7] Scheuren, H,, Sommer, K,, Hertel, M.: Grundlagen der Ausdampfung von Aromastoffen in der Bierberei-tung - Teil 2. Ausdampfungsvorgänge. Brauwelt 2009; 149: [8] Hertel, M,, Dauth, H, Scheuren, H. Die Würzekochung - Ausdampfvorgänge korrekt betrachtet. Teil 1: Grundlagen der Verdampfung. Brauwelt 2007; 147: [9] Baehr H., Stephan K.: Wärme- und Stoffübertragung. [10] GEA Brewery Systems GmbH Huppman Tuchenhagen. Würzekochung mit dem JETSTAR. Informationsbroschüre. [11] Internetinformation vom : Ziemann Group. Brewing World. [12] Binkert, J., Haertl, D.: Neues Würzekochsystem mittels Expansionsverdampfung. Brauwelt 2001; 141: [13] Binkert, J., Härtl, D., Schulz-Hess, J.: Nachwuchs für das Schonkochverfahren. Brauwelt 2008; 148: [14] Meura. Ecostripper. Informationsbroschüre. ( ) [15] Hertel, M., Dauth, H.; Scheuren, H.: Die Würzekochung - Ausdampfvorgänge korrekt betrachtet. Teil 4: Entwicklung eines effizienteren Würzekochverfahrens. Brauwelt 2007; 147: [16] Feilner, R.: Schonend und effektiv - Produktentgasung mit innovativer Verteilung und Rieselfilmausbil-dung. Getränkeindustrie 2010: [17] Fa. Easyoil: Internetinformation Heizölpreis pro 100 Liter inkl. Mehrwertsteuer bei 3000 Liter Abnahmemenge für Heizöl EL nach DIN ( ) [18] Narziß, L., Miedaner, H., Eichhorn, P.: Untersuchungen zur Geschmacksstabilität des Bieres (Teil 1). Monatsschrift für Brauwissenschaft 1999; 52: [19] Narziß, L., Miedaner, H., Eichhorn, P.: Untersuchungen zur Geschmacksstabilität des Bieres (Teil 2). Monatsschrift für Brauwissenschaft 1999; 52: [20] Anger, H.-M., Krüger. E.: Kennzahlen zur Betriebskontrolle und Qualitätsbeschreibung in der Brauwirt-schaft: Behr, 1992 [21] Hanke, S.: Untersuchungen zum Einfluss der Hopfungstechnologie auf die Geschmacksstabilität und Harmonie untergäriger Biere. Dissertation. München 2010 [22] Narziß, L., Back, W.: Abriss der Bierbrauerei. Weinheim, Bergstr: WILEY-VCH, 2005; 7., akt. und erw. Aufl. [23] Wasmund, R.: Überarbeitete und erweiterte Reihen der mechanischen und thermischen Stoffwerte von Würze und Bier im Temperaturbereich zwischen 0 und 75 C. Monatsschrift für Brauwissenschaft 1976; 29: [24] Manger, H-. Wasser-, Wärme- und Kältebedarf in den Prozessstufen Maischen, Aufheizen der Würze, Kochen der Würze und Würzekühlung. Brauwelt 1997; 137 [25] Weinzierl, M.: Ein neuartiges Kochsystem auf Basis der Dünnschicht-Verdampfung. München, 2005 [26] Mezger, R.: Betrachtung moderner Würzekochsysteme bezüglich ihres Einflusses auf technologisch und physiologisch bedeutende Würzeinhaltsstoffe. Dissertation. Freising-Weihenstephan, 2006 [27] Narziß, L., Back, W.: Die Technologie der Würzebereitung. Weinheim, Bergstr, 2009; 8., überarb. und erg. Aufl. [28] Belitz, H., Grosch, W., Schieberle, P.: Lehrbuch der Lebensmittelchemie. Berlin: Springer, 2008; [29] Wasmuht, K., Stippler, K.: Kochsysteme und Schäume. Brauwelt 2000; 140:

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