CHILLER IN DER WEINPRODUKTION. WIE BERECHNET MAN GÄRUNGSWÄRME?

In einem meiner früheren Artikel habe ich die Frage aufgeworfen, inwieweit es sinnvoll ist, die während der Gärung des Weins benötigte Kältemenge zu berechnen, das heißt:

– Wie viel Wärme wird bei der Gärung von Rot- oder Weißwein freigesetzt? Gibt es einen Unterschied?

– Wie viel Kälte ist für die Gärung erforderlich?

– Für welche Leistung sollte eine Kältemaschine ausgewählt werden?

Als physiologische Eigenschaft gibt die Hefe während des Gärungsprozesses Wärme ab. Das heißt, jede Hefezelle verbraucht Zucker und Sauerstoff O₂ und setzt Kohlenstoff CO₂, Alkohol und Wärme frei (Hefe verbraucht und setzt noch viel mehr frei, aber in diesem Artikel werde ich mich auf die wichtigsten Punkte konzentrieren). Und in den klassischen technologischen Lehrbüchern des letzten Jahrhunderts wird es angegeben, dass die Menge dieser Wärme etwa 23,5 kcal pro Gramm-Molekül Zucker beträgt. Sowohl kcal als auch Gramm-Moleküle sind jedoch veraltete Werte, die heute nur noch von wenigen (oder gar nicht mehr, insbesondere von Kältetechnikern) verwendet werden. Bei der Suche nach einer Kältemaschine mit der erforderlichen Leistung stellt sich beispielsweise immer die Frage nach der erforderlichen Kühlleistung, die in kW gemessen wird, und dem erforderlichen Temperaturbereich, der in Grad Celsius °C gemessen wird.

Das Temperaturregime ist mehr oder weniger klar und kann auf die folgenden Grundstufen zusammengestellt werden:

Auch hier handelt es sich um vorläufige Empfehlungen, da jeder Winzer seine eigene Erfahrung oder die Erfahrung anderer Winzer nutzt, um eine bestimmte Temperatur zu wählen, und diese von den in dieser Tabelle angegebenen Werten abweichen kann. Im Allgemeinen liegen diese Temperaturen jedoch in der Nähe der hier angegebenen Werte.

Doch bei der Kühlleistung stellen sich Fragen. Schließlich muss jeder Winzer genau so viel Kälte zuführen, wie bei der Gärung an Wärme freigesetzt wird, damit die Gärtemperatur auf dem vom Winzer geplanten Niveau gehalten wird. Mit anderen Worten: Der Winzer braucht eine einfache Formel, um diesen Kältebedarf zu berechnen. In diesem Artikel versuche ich, einen solchen einfachen Leitfaden für Winzer zu entwickeln.

Zunächst möchte ich jedoch anmerken, dass der Kaltwassersatz, die Sie mit Kälte versorgen soll, nicht nur nach dem Bedarf der während der Gärung freigesetzten Wärmemenge ausgewählt werden sollte, sondern auch die zusätzlich auftretenden Wärmezuflüsse abdecken sollte, wie z.B. Wärme aus der Außenluft und der Sonne, Wärmeverluste in Rohrleitungen und Straßen, parallele Belastung durch andere technologische Prozesse, die möglicherweise gleichzeitig mit der Gärung stattfinden, usw.  Ich weise darauf hin, dass ich in diesem Artikel nur die Wärmebelastung durch die Gärung berücksichtige und alle anderen Faktoren der Vereinfachung vorerst weglasse.

Kommen wir also zurück zum eigentlichen Gärungsprozess. Wie ich bereits erwähnt habe, haben Wissenschaftler die Wärmemenge gemessen, die während der alkoholischen Gärung aus einer Einheit Zucker freigesetzt wird. Für jeden Winzer ist es praktisch, die Zuckermenge in % Brix oder g/l zu messen. Die Wärmemenge sollte in diese Werte umgerechnet werden.

Im Zuge der Untersuchung dieser Frage kann aus den verfügbaren offenen Quellen geschlossen werden, dass im Durchschnitt 1 Gramm Zucker während der Gärung mit Hefe etwa 0,56 kJ Wärme erzeugt.

Wenn ich also das Volumen der Würze/Maische und die Zuckermenge zu Beginn des Gärprozesses kenne, kann ich eine Formel zur Berechnung der gesamten Wärmemenge ableiten, die während der vollständigen Gärung des verfügbaren Zuckers im verfügbaren Volumen der Würze/Maische freigesetzt werden sollte:

∑ Wärmeleistung = Wärmeleistung von 1 g Zucker * Zuckermenge * Volumen der Würze/Maische.

Wenn man eine solche Berechnung durchführt, kann man verstehen, dass z. B. bei einem Ausgangszucker von 22 % etwa 34 kW Wärme pro 1 000 Liter Würze/Maische bzw. etwa 340 kW pro 10 000 Liter freigesetzt werden.

An dieser Stelle muss jedoch gesondert darauf hingewiesen werden, dass diese Leistung keinesfalls für die Auswahl des Kaltwassersatzes herangezogen werden kann, da es sich hierbei um die gesamte Wärmemenge handelt, die während des gesamten Gärprozesses vom anfänglichen Zuckerwert in der Würze/Maische bis zum so genannten „Trocken“ erzeugt wird. Da sich der Gärungsprozess über einen längeren Zeitraum erstreckt und von verschiedenen Faktoren abhängt, ist die Leistung pro Stunde unterschiedlich.

Die Winzer sind daran gewöhnt, den Gärungsprozess in zwei Hauptphasen zu unterteilen: die starke Gärung und die stille Gärung. Es ist logisch zu verstehen, dass während der starken Gärung der größte Teil der Wärme erzeugt wird. Um das Problem zu vereinfachen, gehen wir davon aus, dass die gesamte Wärmeleistung der starken Gärung zuzuordnen ist. So kann der Winzer, der die Dauer kennt, die erforderliche Kühlleistung berechnen. Beträgt die Dauer der starken Gärung beispielsweise 5 Tage, so beläuft sich die Belastung der Kältemaschine auf etwa 0,3 kW Kälte, bei einer Dauer von 10 Tagen auf 0,15 kW.

Dieser Wert ist also der notwendige Parameter für die Auswahl der Kältemaschine.

Ich möchte Sie jedoch darauf aufmerksam machen, dass es sich immer noch um ein mathematisches Modell handelt und dass es in der Praxis viele Faktoren gibt, die diesen Wert beeinflussen und leicht verändern können. So wird ein Teil der Wärme, die während des Lebens der Hefe entsteht, von CO₂ und Alkoholen aufgenommen und fließt während der Gärung aus dem Würzevolumen heraus. Verschiedenen Dokumenten zufolge kann dieser Wert bis zu 10 % der gesamten Gärwärme betragen. So kann z.B. die Kühlleistung um diesen Wert reduziert werden.

Die angegebenen Werte von 0,56 kJ/g erlauben es Ihnen aber auf jeden Fall, eine Kältemaschine mit Vorrat zu wählen und sich so vor einer übermäßigen Erwärmung der Würze/Maische während der Gärung zu schützen. Vergessen Sie jedoch nicht, eine umfassende Berechnung des gleichzeitig bestehenden Kühlbedarfs vorzunehmen und erst danach eine Kältemaschine auszuwählen. Wenn es nicht möglich ist, solche Berechnungen durchzuführen, wenden Sie sich bitte an qualifizierte Fachleute oder direkt an mich.

Und schließlich möchte ich noch hinzufügen, dass es neben der Kühlung auch Fälle gibt, in denen man die Maische während der Gärung erhitzen muss. Zum Beispiel bei sehr kaltem Wetter. Eine Kältemaschine mit der Fähigkeit, im Wärmepumpenbetrieb zu arbeiten (d. h. eine Kältemaschine mit Wassererwärmungsfunktion), hilft daher auch bei minimalen Änderungen an den Rohrleitungen, da dem Tankmantel warmes Wasser und nicht kaltes Wasser von der Kältemaschine zugeführt werden muss. Auf diese Weise kann der Winzer für die notwendige Heizung sorgen, um die gewünschte Gärtemperatur zu halten.

Können die Chillers  parallel zum Heizen und Kühlen betrieben werden? Ja, das ist möglich, denn technisch gesehen erzeugt eine Kältemaschine/Wärmepumpe immer gleichzeitig Wärme und Kälte. Die Frage ist, ob eine solche Kältemaschine mit der Möglichkeit der Wassererwärmung ausgestattet ist, denn die meisten Kältemaschinen geben die Wärme an die Außenluft ab, so dass es keine Möglichkeit gibt, diese Wärme an den Winzer weiterzuleiten. Vergessen Sie dies also nicht und bestellen Sie eine Kältemaschine mit den für Ihre Aufgaben erforderlichen Optionen.

In diesem Artikel habe ich mich auf die Berechnung der Wärme während der Gärung konzentriert, da die Gärung einer der stärksten und längsten technologischen Prozesse ist, der Kälte erfordert. Außerdem habe ich über die Kältemaschinen erzählt, die das Wasser für den Bedarf des Winzers sowohl zu kühlen als auch zu erhitzen, ermöglichen. Weitere Informationen finden Sie in unseren anderen Artikeln, oder wenden Sie sich für eine Beratung direkt an mich.