Die Würzekochung: Ausdamp

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1 BRAUWELT WISSEN SUHAUS Würzkochung: Ausdamp Tl : Grundlagn dr Vrdampfung VERAMPFUNG AUF ZWEI WEGEN B nm vrlustfrn Kochsystm ohn Wärmrückgwnnung st dr Enrgbdarf währnd dr Kochung nur von dr Gsamtvrdampfung abhängg. s Artklrh soll twas Lcht ns unkl dr Ausdampfprozss brngn und dn Lsr hnschtlch manchr Vrsprchungn snsblsrn. Im rstn Tl wrdn d allgmnn Grundlagn dr untrschdlchn Vrdampfungsartn rklärt, bvor s m zwtn Tl durch Prasvrsuch bstätgt wrdn. r drtt Tl ght auf d Untrschd dr hut gänggn Kochsystm n. Tl 4 wrd sch damt bschäftgn, w d notwndg Gsamtvrdampfung wrklch rduzrt wrdn kann. HÄUFIG FINET MAN BEI AUSSA- GEN ÜBER VERAMPFUNGSVOR- GÄNGE bm Würzkochn bzw. übr d damt nhrghnd Rduzrung unrwünschtr Aromastoff, dass d bnötgt Gsamtvrdampfung von dr Größ dr Würzobrfläch abhängt ( 5). Ebnso wrd bhauptt, dass das kompl Vlstoffsystm Würz d Ausdampfung b jdr Kochung n untrschdlchm Maß bnflussn kann (6, 7). In dr Rgl vrtraut man dsn Aussagn. Wohr soll dr prasorrt Braur auch wssn, dass vls dr Wssnschaft dr Vrfahrnstchnk Thrmschr Prozss wdrsprcht? Autorn: pl.-ing. Marcus Hrtl, r.-ing. Hnz auth, pl.-ing. Hans Schurn und Prof. r.-ing- Karl Sommr, TU Münchn-Whnstphan, Lhrstuhl für Maschnn- und Apparatkund, Frsng lallgmn Grundlagn dr nfachn Vrdampfung/Kochung Bm Vrdampfn von Stoffgmschn ghn m Allgmnn all Komponn, sprchnd hrm Phasnglchgwcht, n d ampfphas übr. Komponn lgn dab n dr flüssgn und dr dampfförmgn Phas n untrschdlchn Konzratonn vor. sn Umstand macht man sch für thrmsch Trnnvrfahrn zunutz. So st Abrchrung nr Kompon aus nr Flüssgkt durch Kochung möglch, wl sch d Zusammnstzung ds ampfs von jnr dr sdndn Flüssgkt untrschdt. a d Konzraton ds so gnanntn Lchtrsdrs (b dr Würzkochung st ds z. B. mthylsulfd) m ampf höhr st, vrrngrt sch d Konzraton dsr Kompon m Zug dr Kochung n dr Flüssgkt. lphasnglchgwcht Vrdampft n Flüssgkt, so stht dr aufstgnd ampf m thrmodynamschn Glchgwcht mt dr sdndn Flüssgkt. ss Glchgwcht zwschn dn Phasn st durch d stoffbdngt Glchgwchtskurv vorggbn. B Phasnglchgwcht snd dr Gsamtdruck und d Tmpratur n bdn Phasn glch. l Matr Würz In Würz lgn d Aromastoff bzogn auf dn Wassrantl n nr drart hohn Vrdünnung vor, dass man sch vorstlln kann, n Aromastoffmolkül s b homognr Vrtlung nur von Wassrmolküln umgbn. swgn kann s auch nur zu Wchslwrkungn zwschn dm jwlgn Aromastoffmolkül und dn Molküln ds Wassrs kommn. sr Zustand wrd als unndlch Vrdünnung bzchnt (8). Würz wst jdoch nn Stammwürzantl von ca. 5 Proz auf. Es wär dnkbar, dass dr Antl an Stammwürz Enfluss auf das Phasnglchgwchtsvrhaltn von Aromastoffn n Würz habn könnt. Lubbrs t al. (9) stlltn hrzu fst, dass Aromakomponn auch n Spsn, drn Wassrghalt zwschn 5 und 9 Proz lgt, so hoch vrdünnt vorlgn, dass ds mt gutr Nährung dm Zustand dr unndlchn Vrdünnung n rnm Wassr sprcht. Godshall () bmrkt hrzu, dass b dn mamaln Kohlnhydratkonzratonn von Gtränkn (<5%) kn sgnfkant Vrändrung ds Phasnglchgwchtsvrhaltns fstgstllt wrdn kann. mzufolg kann das Ausdampfvrhaltn jds nzlnn Aromastoffs n Würz sparat und w n Phasnglchgwcht ds jwlgn Stoffs n rnm Wassr btrachtt wrdn. s lässt n dutlch mystfzrtr Btrachtung dr Matr Würz zu. Trotz hrr kompln Zusammnstzung lassn sch Ausdampfvorgäng shr nfach durch d bkanntn Gstzmäßgktn dr Phasnglchgwchts-Thrmodynamk bschrbn. Im Folgndn wrd das Phasnglchgwcht aus Gründn dr Enfachht übr nn konstantn ampf-flüssgkts-vrtlungsfaktor und nur n unndlchr Vrdünnung btrachtt. Für d b dr Würzkochung vorlgndn Bdngungn st ds zulässg. En ausführlchr Btrachtung ds Phasnglchgwchts kann dr Ltratur () nommn wrdn. lwarum sdt n Flüssgkt? En Flüssgkt sdt, wnn dr ampfdruck dr Flüssgkt dm Umgbungsdruck sprcht. En Sdn kann also auf zw Wgn ralsrt wrdn. 22 BRAUWELT NR. -2 (27)

2 SUHAUS WISSEN BRAUWELT fvorgäng korrkt btrachtt En Möglchkt bstht n dr Erhöhung ds ampfdrucks dr Flüssgkt durch Zufuhr von Wärm. B dr Kochung durch Wärmzufuhr sthn d Konzratonn dr Enzlkomponn m aufstgndn ampf m drktn Glchgwcht zu dn Konzratonn n dr sdndn Flüssgkt. Vrnfacht kann gsagt wrdn, dass d Konzraton y nr Aromakompon m ampf mt hrr Konzraton n dr Flüssgkt übr nn Vrtlungsfaktor K m Glchgwcht stht. sr Vrtlungsfaktor st m Brch unndlchr Vrdünnung (Würzkochung, s. o.) nur von dr Sdtmpratur dr Flüssgkt abhängg und somt übr d gsamt aur nr Würzkochung dsch. Kln Untrschd n dr Sdtmpratur, wlch durch untrschdlch Umgbungsdrück hrvorgrufn wrdn könnn, bnflussn d Höh ds Vrtlungsfaktors ncht sgnfkant (4). Es rgbt sch folgndr Glchgwchtszusammnhang: y = K () Abbldung stllt ds Bzhungn zwschn nm Flüssgkts- und nm ampflm bm Vrdampfn durch Wärmzufuhr vrnfacht dar. En wtr Möglchkt, n Flüssgkt zum Sdn zu brngn, bstht n dr Ändrung ds Umgbungsdrucks. En b Umgbungsdruck noch ncht sdnd, abr stark aufghzt Flüssgkt wrd hrb n nr Vorrchtung schlagartg auf n ndrgrs rucknvau spannt und bgnnt zu sdn. r aufstgnd ampf kann n dsm Fall ncht m Glchgwcht zur Flüssgkt vor dr Entspannung sthn. s st schon dadurch ggbn, dass d Würz vor dr Entspannung nn andrn ruck und n andr Tmpratur bstzt, als dr nach dr Entspannung aufstgnd ampf. obn bschrbnn Glchgwchtsbdngungn snd somt ncht rfüllt. r aufstgnd ampf stht n dsm Fall m Glchgwcht zur Flüssgkt, d durch das Sdn rsultrt. Somt glt für d Entspannungsvrdampfung: y = K Abbldung 2 rläutrt d Zusammnhäng zwschn dn nzlnn Flüssgktsund ampflmn b dr Vrdampfung durch Entspannung. Somt rgbt sch folgnd Bzhung zwschn dr Konzraton y nr Kompon m aufstgndm ampf und dr Konzraton drslbn Kompon n dr Flüssgkt vor dr Entspannung:, T, P y=ω K =ω En Zusammnhang zwschn dr Konzraton ns Stoffs n dr unspanntn Flüssgkt und dr spanntn Flüssgkt kann durch Enführung ns Vrhältnsfaktors ω bschrbn wrdn. r Faktor ω wrd w folgt dfnrt: ω = (3) y =ω K y, T, P, T,P y =K In wlchm Vrhältns sch d Würz nach dr Entspannung n aufstgndn ampfstrom und hrabflßndn Würzstrom auftlt, st hrb nur vom Tmpraturuntrschd dr Würz vor und nach dr Entspannung abhängg. Vrdampfn Flüssgktslm n nm konstantn Vrhältns aus ampf zu spanntr Flüssgkt (T T =konst.), glt für jds Flüssgktslm nr Substanz mt unndlch vrdünntn Komponn (Würz), dass d Größ ω m Brch dr unndlchn Vrdünnung glch blbt. y, T, P, T, P y =K Kn Glchgwcht Glchgwcht Entspannt Flüssgkt ampf Glchgwcht ampf Flüssgkt Abb. Nähr Btrachtung dr Vorgäng bm Vrdampfn durch Wärmzufuhr Unspannt Flüssgkt Abb. 2 Nähr Btrachtung dr Vorgäng bm Vrdampfn durch Entspannung (2) (4) BRAUWELT NR. -2 (27) 23

3 BRAUWELT WISSEN SUHAUS Aufgrund dr durch das Vrdampfn bdngtn Abnahm muss d Konzraton dr lchtrsdndn Aromastoff n dr spanntn Flüssgkt ( ) stts klnr sn als n dr Flüssgkt vor dr Entspannung ( ). swgn st b konstantm Vrtlungsfaktor dr Vrhältnsfaktor ω mmr klnr Ens und d Ausdampfung b dr Entspannungsvrdampfung somt mmr schlchtr, als b dr Kochung durch Wärmzufuhr. Hrb glt, dass sch d Ausdampfung nr Kompon mt stgndr Tmpraturdffrnz dr Würz vor dr Entspannung und nach dr Entspannung bnfalls vrschlchtrt. l untrschdlchn Artn dr Kochung Grundsätzlch untrschdt man dskontnurlch und kontnurlch Vrfahrn. skontnurlch Kochung B dr dskontnurlchn Kochung wrd n zu kochnd Flüssgkt chargnws, also dskontnurlch nm Kochgfäß zugführt und zum Sdn gbracht. Mt fortdaurndr Kochung vrdampft mmr mhr Lchtrsdr aus dr sdndn Flüssgkt und dr Schwrrsdr rchrt sch an. Es wrd dab angnommn, dass d vrblbnd Flüssgkt mmr homogn durchmscht st. Größ dr Vrdampfung st b dsr Art dr Kochung von dr pro Ztnht ngbrachtn Wärmnrg,. also vom Wärmstrom Q abhängg. Abbldung 3 zgt schmatsch d Vrhältnss b dr Ausdampfung nr Kompon b nr dskontnurlchn Kochung. y ( ) Mt dm ampfstrom wrd dr Lchtrsdr aus dr Würz L ausgtrbn. Größ dr Abnahm st nur von dr ausgdampftn Mng abhängg. En Bzug zwschn dr prozualn Rduzrung nr Kompon n dr Würz und dr vrdampftn Mng kann übr so gnannt Rückstandskurvn hrgstllt wrdn (2). Für n dskontnurlch Kochung rgbt sch n komplr Zusammnhang (Glchung (5)) zwschn dr Gsamtvrdampfung N und dr Abnahm nr Aromakompon am End nr Kochung. W Glchung (5) nommn wrdn kann, splt ggn allr Bhauptungn d Obrfläch dr kochndn Würz b nr bnötgtn Gsamtvrdampfung kn Roll, wohl abr b dr Gschwndgkt dr Vrdampfung: d y ( ) N = LN = Zur Lösung ds Intgrals wrd d jwlg Bzhung zwschn dr Konzraton nr Kompon m wchndn ampf und n dr sdndn Flüssgkt y ( ) bnötgt. Im Fall dr Kochung von Würz durch Wärmzufuhr, stht dr ampf m Glchgwcht zur sdndn Würz. Somt kann d Glchgwchtsbzhung (Glchung ()) drkt ngstzt und das Intgral glöst wrdn. Es rgbt sch somt für d Konzraton nr Kompon am End dr Kochung : ( ) ( K ) N = (5) (6) Abnahm Aromastoff nfach Kochung Abbldung 4 zgt dn typschn Vrlauf nr Abnahmkurv von Würzaromastoffn währnd dr Kochung. Kurv zgt d bst rzlbar Abrchrung, wlch durch n nfach stllaton durch Wärmzufuhr rrcht wrd. En ffzr Abrchrung st aufgrund dr durch das Phasnglchgwcht vorggbnn mamaln Anrchrung nr Kompon m ampf b nfachr Kochung ncht möglch. Kontnurlch Kochung B dr kontnurlchn Kochung durch Wärmzufuhr wrd d Würz kontnurlch nm Hzlm zu- und wdr abgführt (3). B dsr Art dr Kochung stht dr aufstgnd ampf gnau w b dr dskontnurlchn Kochung m Glchgwcht mt dr sdndn Flüssgkt. B Knntns dr Gsamtvrdampfung kann d Abnahm nr Aromakompon aus nr Würz mt glch blbndr Zusammnstzung und b glchn Bdngungn auf dn Hzflächn dshalb auch übr Glchung (6) bstmmt wrdn. En wtr Möglchkt dr kontnurlchn Kochung st d Entspannungsvrdampfung. B dsr Form dr Kochung wrd d Würz kontnurlch nm Entspannungsgfäß zu- und aus hm wdr abgführt. Bm Übrtrtt n das Entspannungsgfäß kommt s aufgrund ds ruckuntrschds zwschn Umgbungsdruck und ruck m Entspannungsgfäß zu nr schlagartgn Epanson dr Würz. s Art dr Vrdampfung folgt andrn Gstzmäßgktn, da dr ampf ncht mhr m.67 Aromastoff [-].33 L Gsamtvrdampfung [-] Abb. 3 arstllung dr dskontnurlchn Kochung Abb. 4 arstllung dr Rückstandskurv b dr nfachn offnn Kochung und somt ds bstmöglchn Abnahmvrlaufs 24 BRAUWELT NR. -2 (27)

4 SUHAUS WISSEN BRAUWELT Glchgwcht mt dr Würz vor dr Vrdampfung stht (sh obn). B Knntns ds Vrtlungsfaktors b spanntn Bdngungn sow dr Gsamtvrdampfung kann d Abnahm nr Aromakompon aus nr Würz mt glch blbndr Zusammnstzung und b glchm Tmpraturuntrschd nach Glchung (7) bstmmt wrdn. W s zgt, splt d dr Würz zur Vrfügung sthnd Obrfläch für n bnötgt Gsamtvrdampfung auch b dr Entspannungsvrdampfung kn Roll: = N ( K ) + (7) Aromastoff [-].5.5 Vrglch dr Rückstandskurvn lvrglch dr Rückstandskurvn En Vrglch dr Glchungn zur Ermttlung dr Rückstandskurvn vrdutlcht dn grundlgndn Untrschd zwschn nr nfachn Kochung und nr Entspannungsvrdampfung. Ght d Vrdampfung b dr nfachn Kochung ggn Proz, nährt sch d Abrchrung nr Komponn nach Glchung (6) bnfalls Proz. Rückstandskur Gsamtvrdampfung [-] Abb. 5 Vrglch dr Rückstandskurvn nr offnn Kochung und nr Entspannungsvrdampfung v nährt sch dr -Achs. Aus Glchung (7) wrd dutlch, dass b dr Entspannungsvrdampfung n %g Abrchrung ncht rrcht wrdn kann. Ght Q [kj] das Vrdampfungsvrhältns ggn Ens, so nährt sch d Kurv dm Wrt K. Somt st d Ausdampfung von Aromastoffn b dsr Art dr Würzkochung bgrnzt. BRAUWELT NR. -2 (27) 25

5 BRAUWELT WISSEN SUHAUS Abbldung 5 vrdutlcht ds Untrschd durch nn Vrglch dr vrschdnn Rückstandskurvn. Rückstandskurv dr Entspannungsvrdampfung st durch d obr Ln dargstllt. Jn Ln bstht aus nzlnn Abnahmpunktn. s solln vrdutlchn, dass s b dsr Form dr kontnurlchn, schlagartgn Vrdampfung, j nach ngstlltm Vrdampfungsvrhältns, mmr gnau nn Abnahmwrt n dr rsultrndn Flüssgkt (Würz) gbt. durchgzogn Ln zgt d Rückstandskurv dr nfachn offnn Kochung durch Wärmzufuhr. s Kurv bschrbt das bstmöglch Kochsystm. Es kann bshr (vgl. Tl 4) von knm andrn Kochsystm untrschrttn wrdn. Aus Abbldung 5 wrd rschtlch, dass d Rückstandskurv dr Entspannungsvrdampfung mt stgndr Vrdampfung mmr wtr von dr Rückstandskurv dr offnn Kochung durch Wärmzufuhr abwcht. Ausdampfung st dmzufolg schlchtr. prozual Abnahm nr Aromakompon b dr Entspannungsvrdampfung b nr Vrdampfung von fünf Proz wär b nr Kochung durch Wärmzufuhr brts b nr Gsamtvrdampfung von ca. 2,5 Proz rrcht. s macht d schlchtr Ausdampfung von Aromastoffn durch n Entspannungsvrdampfung dutlch. Für d Vrdampfung von Würz b atmosphärschn Bdngungn wrdn ca. 226 kj/l bnötgt, b ndrgrn Tmpraturn, w s mst dr Entspannungsvrdampfung hrrschn, stgt dsr Wrt sogar noch lcht an. swgn bnötgt n Entspannungsvrdampfung zum Errchn nr glchn Abnahm von Aromastoffn auch mmr mhr Enrg ( Q) (vgl. Abb. 5). lzusammnfassung Anhand dr allgmnn Grundlagn dr Vrdampfung und dr Erläutrung ds Phasnglchgwchts wurd dr Untrschd zwschn dskontnurlchr und kontnurlchr Kochung durch Wärmzufuhr sow dr Entspannungsvrdampfung gzgt. Glchungn zur Brchnung dr Rückstandskurvn vrdutlchn, dass kn Abhänggkt von dr Größ dr Obrfläch dr sdndn Würz strt. Folglch kann d Obrfläch ds Kochsystms d zum Errchn nr Zlkonzraton bnötgt Gsamtvrdampfung ncht bnflussn. mnmal bnötgt Gsamtvrdampfung st durch dn jwlgn Vrtlungsfaktor vorggbn. S wrd durch n Entspannungsvrdampfung aufgrund ds Vrhältnsfaktors ω jdoch vrschlchtrt. s Wtrn wurd gzgt, dass auch d Matr Würz knn Enfluss auf d Ausdampfung von Aromastoffn m Vrglch zu rnm Wassr hat. Entggngstzt Bhauptungn snd somt von dr wssnschaftlchn St wdrlgt. Im folgndn zwtn Tl dsr Vröfflchung wrdn d ausgführtn Grundlagn anhand ngr Bspl aus Prasvrsuchn vrfzrt. r drtt Tl vrglcht d gänggn Würzkochsystm mtnandr bzüglch hrr Ausdampfung. Im vrtn Tl wrd gzgt wrdn, dass n vrfahrnstchnsch korrkt Btrachtung dr Ausdampfvorgäng b dr Würzkochung zur Entwcklung ns vollkommn nuartgn Kochvrfahrns führt. Mt dsm st s möglch, d bnötgt Gsamtvrdampfung ral um rund 5 Proz untr d durch das Phasnglchgwcht vorggbn Vrdampfung zu rduzrn. sch daraus rgbndn Enrgnsparungn snd norm. lltratur. Wasmuth, K.; Wnzrl, M. und Gattrmyr, P.: Strombol bols wthout prssur-an attractv proposton. Brauwlt Intrnatonal V (23), S Wasmuth, K., t al.: Und s bwgt sch doch. Braundustr 88 (23), S Wnzrl, M.: En nuartgs Kochsystm auf Bass dr ünnschcht-vrdampfung, ssrtaton, Tchnsch Unvrstät Münchn, o.v.: r STE-Ausdampfkopf n nu Würzausdampfnrchtung. Brauwlt 4 (2), S rn, B.v. und Ptrs, W.: Ensatz von Entspannungsvrdampfrn m Übrund Untrdruckbrch. Brauwlt 43 (23), S Back, W.: Ausgwählt Kaptl dr Braurtchnolog, Fachvrlag Hans Carl GmbH, Nürnbrg, Mzgr, R.: Btrachtung modrnr Würzkochsystm bzüglch hrs Enflusss auf tchnologsch und physologsch bdutnd Würznhaltsstoff, ssrtaton, Tchnsch Unvrstät Münchn, Alss, P.; Frmgla, M. und Kkc, I.: Sgnfcanc of dlut rgons. Flud Phas Equlbra 7 (99), S Lubbrs, S.; Landy, P. und Volly, A.: Rton and Rlas of Aroma Compounds Contanng Protns. Foodtchnology 52 (998), S ; Godshall, M. A.: How Carbohydrats Influnc Food Flavor. Food Tchnology 5 (997), S Gmhlng, J. und Kolb, B.: Thrmodynamk, VCH-Vrlag, Wnhm, Gmhlng, J. und Brhm, A.: Grundopratonn Lhrbuch dr Tchnschn Chm, Band 2, Gorg Thm Vrlag, Stuttgart, Sattlr, K.: Thrmsch Trnnvrfahrn, VCH Vrlag, Wnhm, Hrtl, M. und Sommr, K.: Engnrng nvstgatons of th stamngbhavour of flavours durng th bolng of wort. Procdngs of th 3 th Congrss of th EBC (25), S. 65-7, Prag. 26 BRAUWELT NR. -2 (27)