Big Data für Obstbrände von gleichbleibend hoher Qualität

Digitalisierung ermöglicht Blick in die Black Box, die Destillationsanlage

02.03.2020 - Deutschland

Qualitativ hochwertige Spirituosen – sie sind in der Obst- und Kleinbrennerei essenziell, um am Markt bestehen zu können. Doch ob der Brand gelingt, beruhte bisher nur auf dem Fingerspitzengefühl der Anlagenbetreiber. Das Projekt Brennerei 4.0 soll das nun ändern: Die Forschungs- und Lehrbrennerei der Universität Hohenheim in Stuttgart ließ dafür eine ihrer Destillationsanlagen durch die Firma Carl GmbH digitalisieren. So wollen die Forscher Einblick in die bisher unbekannten Abläufe in der Anlage erhalten. Ihr Ziel: Praxisempfehlungen für die rund 14.000 Klein- und Obstbrenner Deutschlands.

Die sensorischen Prüfergebnisse der Kleinbrenner-Landesverbände offenbaren ein hohes Verbesserungspotenzial: Die alle zwei Jahre erhobenen Qualitätsdaten bewerten jeweils rund 1.500 Spirituosen, und rund 37 Prozent davon zeigen merkliche Qualitätsabweichungen oder gar deutliche Mängel. Für viele Kleinbrenner stellt das ein Problem dar.

„2018 wurde das Branntweinmonopolgesetz abgeschafft“, berichtet Prof. Dr. Ralf Kölling-Paternoga, Leiter des Fachgebiets Hefegenetik und Gärungstechnologie an der Universität Hohenheim. „Bis dahin hat man seine Produkte – unabhängig von der Qualität – zu festgesetzten Preisen abliefern können. Doch jetzt muss jeder seine Produkte selbst vermarkten. Die Qualität wird daher für die rund 14.000 Brennereien in Deutschland immer wichtiger.“

„Grund für Qualitätsmängel sind oft fehlende Kenntnisse der Verfahrenstechnik“, erklärt Dr. Daniel Einfalt, Leiter der Forschungs- und Lehrbrennerei an der Universität Hohenheim. Beim Brennen von Spirituosen, erläutert er, werde die alkoholhaltige Maische im Kessel erhitzt. „Bei der anschließenden Destillation wird Alkohol im Dampf angereichert: Alkohol siedet bei 78 Grad Celsius, Wasser erst bei 100, so dass auf diese Weise beides getrennt werden kann. Der Dampf steigt auf, kondensiert auf höherer Ebene auf einem sogenannten Verstärkerboden. Das geschieht auf mehreren Ebenen – je höher, desto höher wird der Alkoholgehalt.“

Ganz oben gibt es den sogenannten Dephlegmator in der Destillationsanlage – eine Kühlanlage, um auf die heißen Alkoholdämpfe einzuwirken. Bestandteile mit hohem Siedepunkt werden dabei kondensiert und tropfen zurück auf den obersten Verstärkerboden. „Der Destillationsvorgang wird nun also umgekehrt: Wir haben eine Wasserscheide, da dieses früher kondensiert als der Alkohol.“

Destillationsanlagen sind bisher eine Black Box

„Man kann also unten Gas geben und oben bremsen“, fasst der Experte das Verfahren zusammen. „Beim Brennen unterscheiden wir zwischen Vor-, Mittel- und Nachlauf – genutzt wird der Mittellauf. Und je nachdem, wann man wieviel Gas gibt oder bremst, kann man den Vor- und Nachlauf verschieben. Das verändert die Aromen im Produkt.“

Doch daran, wie man idealerweise diesen Brennvorgang steuert, scheiden sich die Geister. „Bei 10 Brennern gibt es 10 Meinungen dazu“, so Dr. Einfalt. Die Qualität beruhe daher ausschließlich auf Erfahrung und Geschick der Brenner – denn die Destillationsanlagen seien bisher eine Black Box.

Digitalisierung ermöglicht neue Einblicke

„Für eine gleichbleibend hohe Qualität der Obstbrände müssen wir Einblick in diese Black Box erhalten – und das ermöglicht uns die Digitalisierung.“ Die Hohenheimer Forscher haben daher für rund 40.000 Euro eine ihrer Kupferdestillationsanlagen von der Firma Carl GmbH aus Eislingen digitalisieren lassen.

„Nun haben wir zehn Temperatursensoren an der Anlage und Ansatzmöglichkeiten für weitere Sensoren“, erläutert Alexander Plank, Geschäftsführer der Firma Carl GmbH. „Zudem messen wir die Volumenströme des Dephlegmator-Rückflusses, des sogenannten Phlegmas, und des Produktes. So erhalten wir einen umfassenden Einblick in die verschiedenen Stoffströme. Denn bisher wusste niemand, was genau in der Anlage eigentlich geschieht.“

Empfehlungen vor allem für Kleinbrennereien

Das Produkt untersuchen die Forscher anschließend auf Aromakomponenten. „Es gibt oftmals charakteristische Aromastoffe, zum Beispiel bei der Willams Christ-Birne, die dann als eine Art Leitsubstanzen für die Qualität gelten können“, so Dr. Einfalt über das weitere Vorgehen.

„Das Projekt Brennerei 4.0 adressiert vor allem die kleinen Brennereien, die natürlich nicht selbst ihre Anlagen digitalisieren lassen können – die technische Ausstattung würde den Preis einer Anlage verdoppeln“, so Dr. Einfalt. „Unser Ziel sind daher Empfehlungen für die Praxis auf wissenschaftlicher Grundlage, die wir aus den digitalen Daten ableiten.“

Wichtigstes Ziel: Qualitätssicherung

Doch auch ein weiteres Problem nehmen die Forscher ins Visier: Die Schaumbildung. „Um Schaumbildungen in den Griff zu bekommen, werden derzeit üblicherweise Silikonöle eingesetzt. Diese gelangen über die Schlempe letztendlich auf die Felder. Wir wollen dazu natürliche Alternativen finden, beispielsweise mittels gezieltem Wasserstrahl.“

„Letztendlich suchen wir also den optimalen Brennvorgang in Abhängigkeit vom Ausgangsstoff“, fasst Dr. Einfalt zusammen, „für bestmögliche Qualität mit optimiertem Energieverbrauch.“