Hefepropagation im Brauereimaßstab

Bei der Vermehrung von S. pastorianus spp. carlsbergensis wird der untergärige Hefestamm unter aeroben Bedingungen kultiviert, wobei Biomassebildung bei gleichbleibend hoher Vitalität und Viabilität angestrebt wird. Nach Erreichen der erwünschten Zellkonzentration wird die Hefe bis zum Einsatz gelagert. Ziele dieses Prozesses sind (a) eine reproduzierbare, qualitativ hochwertige Hefevermehrung und (b) diese Qualität bis zum Hefeeinsatz aufrechtzuerhalten, bzw. (c) den Prozess so zu steuern, dass keine Lagerung nötig ist (d. h. je nach Produktionsplanung eine Verkürzung oder Verlängerung der Propagation). Die Stellgrößen, die dazu am Prozess geändert werden können, sind neben der Temperatur, die Belüftungsrate und -intensität und die Inokulumskonzentration, wobei eine Erhöhung dieser Parameter eine Verkürzung der Prozesszeit, bei gleichzeitigen Einbußen der Qualität, mit sich bringt. In Brauereien werden Sensoren üblicherweise in Varivent-Ventilen integriert, um direkt im Produkt zu messen. Die Weitbereichssauerstoffsonde OXYPro® WR kann mit dem Varivent Adapter kombiniert werden, einem Zubehörteil, das über das PG 13.5 Gewinde an der Sonde befestigt werden kann. Dieser Adapter ermöglicht eine einfache und sichere Integration der Sonde in das Ventil (siehe Abb. 1). Die OXYPro® wird dann an die zentrale Steuereinheit angeschlossen und es können In-Line Sauerstoffmessungen durchgeführt werden. Zudem halten diese Sonden einer Reinigung unter CIP Bedingungen stand, was eine Grundvoraussetzung für die Anwendung in Brauereien ist. Zwei dieser Sonden wurden an unterschiedlichen Stellen in den Prozess integriert um sowohl im Kulturmedium als auch in der Abluft den Sauerstoffgehalt zu bestimmen.

S. pastorianus spp. carlsbergensis wurde in einem 340 hl Tank mit einem Reaktionsvolumen von 110 hl und einem Inokulumvolumen von 10 % V/V in Ausschlagwürze kultiviert. Während der Propagation wurde die Temperatur konstant auf 12 °C geregelt, und die Kultur linear mit 1,1 Nm³/h steriler Luft begast. Dabei wurde die Sauerstoffkonzentration während der Propagation auf 0,4 mg/l eingestellt. Die OXYPro® wurde zusammen mit anderen Sensoren an den Schaltschrank angeschlossen, der via Profibus mit dem Prozessleitsystem ProLeit (ProLeiT AG, Deutschland) verbunden war. Die OXYPro® Sauerstoffmessungen wurden mit Werten einer Referenzsonde eines anderen Herstellers verglichen. Die OXYPro® WR wurde über ein Varivent-Ventil in die Umwälzleitung integriert. Die Referenzsonde war ebenfalls in der Leitung installiert. Für die Messungen in der Gasphase wurde eine OXYPro® in der Abluftleitung montiert, während die Referenzsonde im Tankdom angebracht war. Die Sonden wurden nach dem Prozess unter CIP-Bedingungen gereinigt (2 % NaOH, Aktivchlor, HNO₃ < 1 %, Peressigsäure, T ≤ 50 °C).

Abbildung 3 zeigt die Sauerstoffmessungen mit zwei OXYPro® WR und zwei Referenzsonden während eines Hefepropagations-Prozesses in einem 340 hl Tank. Während der Hefevermehrung wurde der Sauerstoffgehalt im Tank auf 0,4 mg/l geregelt. Nach 4 Tagen war die Propagation abgeschlossen, die Tankkühlung setzte ein und die Belüftung wurde abgestellt, was deutlich an dem plötzlichen Abfall der Sauerstoffkurven, die in der Umwälzleitung aufgezeichnet wurden, zu erkennen ist. Die Messungen von OXYPro® und Referenzsonde zeigen immer einen ähnlichen Verlauf. In der Flüssigphase wiesen die optischen Sauerstoffsonde und die Referenzsonde allerdings einen Messunterschied von durchschnittlich 0,1 mg/l auf, was vermutlich auf unterschiedliche Kalibriervorgänge für die beiden Sonden zurückzuführen ist. Die Messungen in der Abluft dagegen sind für beide Sonden fast identisch, obwohl sie an unterschiedlichen Orten eingebaut waren (OXYPro®: Abluftleitung, Referenzsonde: Tankdom). Nach dem Abriegeln der Belüftung wurde der Tank mit Sterilluft unter Druck gesetzt, was in einem leichten Anstieg des Sauerstoffgehalts in der Abluft zu sehen ist. Zu diesem Zeitpunkt waren der Sauerstoff- und CO₂-Gehalt im Tank im Gleichgewicht. Da die Hefe das Wachstum eingestellt hatte und anfing zu gären, erhöhte das dabei entstehende CO₂ den Druck im Tank. Dieser wurde nach und nach abgelassen, wodurch es zu einer zeitweisen Abnahme des Sauerstoffs in der Abluft, bzw. in der Gasphase über dem Kulturmedium kam, und sich im gezackten Verlauf der Abluft-Messungen der beiden Sonden zeigt.  Es wurde festgestellt, dass die OXYPro®-Sonde die intermittierende Entlüftung aufgrund der höheren Zeitauflösung besser darstellen konnte als die Referenzsonde.
 

Die OXYPro® Weitbereichs-Sauerstoffsonden eignen sich hervorragend für die Messungen im Brauereimaßstab. Durch den Adapter lassen sich die Sonden leicht am Messort installieren und halten CIP Bedingungen stand. Unsere Versuche zeigen, dass sie eine gute Übereinstimmung mit Messungen von Referenzsonden aufweisen. Verbunden mit dem Prozessleitsystem ermöglichen sie die kontinuierliche Kontrolle von Propagationsprozessen und tragen so zur Aufrechterhaltung gleichbleibender Qualität bei der Bierherstellung bei.

Die Untersuchungen wurden im Rahmen des durch das BMBF geförderte WIPRO II Projektes (Förderkennzeichen 031B0475J) durchgeführt.