Kapitel 5 - Hefemanagement

Hefestammhaltung und Hefereinzucht

• Übersicht Hefemanagement aus dem Skript S.2

Hefestammwahl

• Stammwürzekonzentration
• max. Gärtemperatur, Temperaturführung
• Gärführung
• Angärgeschwindigkeit
• Extraktabbau/Vergärungsgrad
• Zellvermehrung
• Diacetylbildung/-abbau
• Gärungsnebenproduktbildung
• SO₂-Bildung
• Sedimentionsverhalten
• sensorische Bierqualität
• Schaumstabilität

Methoden Hefestammhaltung

• Schrägagarkultur
  • Rekultivierung alle 4 Wochen
  • bei Parafinüberschichtung alle 3 Monate
• Gefriertrocknung
  • -40 °C flüssiges CO₂ -> Verdampfung bei -5 °C
  • min. 1 Jahr haltbar
• direktes Einfrieren
  • -196 °C oder -80 °C (50% Glycerin) (Vermeidung Eiskristalle)
  • min. 1 Jahr haltbar
• Trocknung (Industrieanwendung)
• Prüfung auf Reinheit und Einheitlichkeit
  • auf Verdünnungsausstriche unterschiedliche Koloniemorphologien
  • konventionelle stammspezifische Differenzierung über physiologische produktrelevante Eigenschaften
  • Karyotyp-Analyse, Mikrosatelliten-Typisierung, AFLP (amplified fragment-length polymorphism) liefern eindeutige Differenzierungen

Hefereinzucht

Anzeichen Degeneration Hefesatz

• flockiger Hefesatz
• Gärung langsamer, nicht vollständig
• Gärintensität im Labor nach wenigen Führungen schlechter
• Reifungsprozess dauert länger
• mehr höhere Alkohole statt Ester -> weniger aromatisch, mehr trocken
• Schaumhaltbarkeit nimmt ab
• Vitalität nimmt ab, Totanteil steigt -> hefiger Autolysegeschmack
• FAN und pH im Fertigbier steigt (weniger Verwertung alpha-Aminostickstoff)
• Verschlechterung Geschmacksstabilität (Reduktionsvermögen nimmt ab)

eigene Reinzucht im Labor

• eigener Hefestamm, individuelles Bier
• geringeres biologisches Risiko
• reproduzierbare Hefequalität
• Unabhänigkeit vom Lieferanten

1. Selektion eines geeigneten Stamms (Probegärung)
2. Isolation einzelner Zelle
3. Weiterführung in Würze bis Carlsbergkolben (10 ml, 100ml, 1l, 10l)

Sauerstoff

Ziele

• Herführung vitale, gärkräftige Hefe
• sterile Bedingungen
• richtiger Zeitrahmen
• geringe Laborhefemenge für große Reinzuchtmenge
• Steuerung über Temperatur (5 °C über Gärtemperatur)
• moderate Belüftung (Kontrolle durch Hefezellzahl und Extrakt)
• => hohe Zellzahl bei niedrigem Vergärungsgrad

Maximale Sauerstoffaufnahmerate

• Oxygen Uptake Rate (OUR)
• 0-10h -> 70% Sättigung : 7,8 mg/g*h
• 10-20h -> 40% Sättigung : -9 mg/g*h
• 20-40h -> 0% Sättigung : 13,2 mg/g*h

Viel hilft viel

• (+) gute Durchmischung, kein Sedimentbildung
• (+) Erhalt wirksame Hefeoberfläche
• (+) wirksame CO₂-Entfernung
• (-) kostenintensiv
• (-) 50 % Steigraum nötig
• (-) Verlust schaumpositive Inhaltsstoffe
• (-) übermäßige Oxidation
• (-) oxidativer Stress Hefezelle
• (-) Erhöhung Hefemutation

=> Steuerung über genauen Sauerstoffbedarf

Sauerstoffaufnahmesystematik

Teilmodell 1: Sauerstoffbedarf

(1)

\begin{align} OD = \Delta X \cdot od \end{align}

(2)

\begin{align} V_{O_2} = \frac{OD}{\rho_{O_2}} \end{align}

(3)

\begin{align} V_{Luft} = \frac{V_{O_2}}{\varphi_{O_2}} \end{align}

Teilmodell 2: Sauerstoffübergang

(4)

\begin{align} OD_{max} = \Delta X(t) \cdot od \end{align}

(5)

\begin{align} r_{O_2} = X(t) \cdot OUR \end{align}

(6)

\begin{align} t_Z = \frac{OD_{max}}{r_{O_2,d}} \end{align}

(7)

\begin{align} \frac{X}{dt} = \mu \cdot X \end{align}

• benötigter Sauerstoff wird in beiden Phasen in Hälfte der Prozesszeit aufgenommen
• O₂-Aufnahme unabhängig von O₂-Konzentration in Lösung
• O₂ in Lösung wird unter diesen Bedingungen vollständig verbraucht

Teilmodell 3: Sauerstoffaufnahme

• Abschätzung erforderliche Belüftungszeit von Hefefermentation
• OTR = O₂-Transportrate

(8)

\begin{align} t_B = \frac{c_{L,O_2,max}}{OTR} \end{align}

(9)

\begin{align} n_Z = \frac{OD_{max}}{c_{L,O_2,max}} \end{align}

Trockenhefe

• kleine Brauereien ohen Hefeherführung
• Versendung zu Lizenzbetrieben
• Spezialbiere
• Backup
• (+) einfache Lagerung
• (+) wesentlich längere Haltbarkeit
• (+) einfacher Transport
• (+) einfaches Handling
• (+) keine Vermehrung nötig
• (-) >50 % tote Zellen
• (-) mikrobiologische Sicherheit
• (-) Qualitätskonstanz

Hefeherführung

Konventionelle Herführung

• Würzegabe im Hochkräusenstadium
• Anpassung Temperatur an Anstelltemperatur

Moderne Hefeherführung (Propagation)

• in geschlossenen Anlagen
• ständige oder Intervall-Belüftung
• Umwälzen durch Rühren oder Pumpen
• (+) höhere Wachstumsraten
• (+) bessere Physiologie (Enzyme, Lipidsynthese)
• (+) ausreichend Hefe in kurzer Zeit
• (+) hohe mikrobiologische Sicherheit
• (+) reproduzierbare Gärverläufte
• (+) hoher Automatisierungsgrad
• (+) schnelle und effektiviere Veläufe in Bezug Qualität
• (-) keine konstante Hefe-/Jungbierqualität über Prozess
• (-) hohe Zellzahlen garantieren keine Qualität
• (-) starke Nährstoffzehrung über Prozess
• (-) Crabtree-Effekt (Repression aerober Stoffwechsel)
• (-) Temperatur effektivster Parameter
• (-) O₂-Zufuhr auch ausreichen bei hohen Wachstumsraten
• (-) O₂-Versorung unabhängig von O₂-Konzentration

Sequencing Batch

1. Inokulation der Reinzucht
2. kontinuierliche/Intervallbelüftung, Rühren, Umpumpen
3. Hefeentnahme in exponentieller Phase
4. Auffüllen mit frischer Würze

Zweitank-Propagationsanlage

1. Belüften/Kühlen Propagationstank
2. Sterilisation Vermehrungstank
3. Umpumpen Propagation -> Vermehrung, dort Belüften/Kühlen
4. Sterilistaion Propagationstank
5. Befüllen Propagation, Entleeren Vermehrung

Propagationsanlagen

• direkte Tankbelüftung
  • Belüftungsring
  • Belüftungslanze
  • Belüftungskugel
  • Rührwerk
• Belüftung Umpumpleitung
  • frequenzgesteuerte Pumpe und Belüftungsdüse
  • Düsenwahl wichtig (Scherkräfte -> neg. Filtrierbarkeit)

Hefeassimilation

• Merkmale
  • Zellen in log-Phase
  • keine zusätzliche Würzebehandlung
  • Ein- oder Mehrtankverfahren, Umpumpvorrichtung
  • Belüftungseinrichtung
  • Repeated-Fed-Batch-Verfahren
• Einflussfaktoren
  • Wachstumsbedingungen
  • brauereispezifische, technologische Aspekte
  • geometrische Verhältnisse
  • -> gezielte Abstimmung für optimale Vermehrung
• Steuerungsparameter
  • Temperatur (18 °C 1d, 12 °C 3d)
  • Extrakt, Mischungsverhältnis
  • Sauerstoffversorgung
  • CO₂-Gehalt

Hefebehandlung

Hefeernte

• Bottichgärung gleich nach Schlauchen
• ZKG so oft und so zeitig wie möglich
  • Nährstoffmangel, hoher Druck schwächen Hefe
  • schnelle Abtrennung -> weniger Autolyse und Exkretion
• langsames Abziehen im Konus
  • Vermeidung Trichterbildung
  • polierter Konus, pulsierende Pumpen

Behandlung der Erntehefe

• schonende Druckentlastung
• Hefesieb, Wäsche
• Hefekühlen (1-3 °C)
• Hefelagerung (20-50 % Wasserzusatz)
• Lagerzeit so kurz wie möglich

Hefesieb

• CO₂-Entfernung
• Belüftung
• Entfernung von Verunreinigungen auf Zelloberfläche
• (+) Vergärungsgrad steigt
• (+) Viabilität steigt

Hefekühler

• Erhöhung der Lagerdauer durch Erhalt des Lebendanteils

Hefelagerung

• gute Seperation von Trub und toten Zellen
• CO₂-Entfernung und Druckentlastung
• Aufbewahrungstempeatur 2-4 °C
• keine Belüftung während Lagerung
• Homogenisierung
• Aktivierung vor Wiederanstellen durch Homogenisieren und Belüften
• Hefelagertank
  • Kühlzonen (Konus)
  • Homogenisierungseinrichtung (Umpumpleitung, Rührwerk)
  • Belüftungsmöglichkeit (intern/extern)

Versorgung mit Sauerstoff

• Hefeherführung
  • Propagation
  • Herführung unter aeroben Bedingungen
• Flotation (evtl. Zweitbelüftung)
• Würzebelüftung
  • Heißbelüftung
  • Kaltbelüftung
  • Begasung mit O₂
  • Begasung mit Luft
• Sauerstoff als Wachstumsfaktor
  • Synthese von Sterolen
  • Synthese von Fettsäuren als Vorläufer von Lipiden
  • Mitochondrienbildung (Lokalisation wichtiger Enzyme)
  • Regulation der Genexpression (aerob/anaerob)
  • aber auch Stressfaktor durch reaktive Radikale

Luft oder Reinsauerstoff?

• Luft
  • Sterilluftversorgung meist vorhanden
  • Ausreichende O₂-Versorgung (8-10 mg/l)
  • höheres Gasvolumen (mehr Oberfläche)
• O₂
  • Alternative bei fehlender Druckluftversorgung
  • nötig bei höherem Bedarf (high gravity)
  • Gefahr Überdosierung (> 40 ppm)
  • Geschmacksveränderungen
  • toxischer Effekt

Belüftungseinrichtungen

• Belüftungskerzen
  • Sintermetall
  • Keramik
  • Porengröße 5 µm, Nachschalten Mischer
• Schälscheibe Heißwürzeseperators (Druckentlastung Zentrifuge und Kühler)
• Zentrifugalmischer
• Vertouridüse/Zweistoffdüse
  • Verengung Würzeleitung (Steigerung Würzegeschwindigkeit)
  • Einziehen Luft
  • Druckentlastung (Querschnittserweiterung)
  • feinste Zerschlagung Luftblasen

Hefegabe

• nach Masse: 0,5 l dickbreiig/ h
• nach Zellzahl: 10-15 Mio Z./ml (30 für Starkbier, High Gravity)
• Formen der Gabe
  • nur aus Reinzucht
    • (+) hohe Vitabilitäat
    • (+) schnelle Vermehrung
    • (+) einfache Dosage
    • (+) schnell, weitreichender pH-Sturz
    • (+) mikrobiologische Sicherheit
    • (+) niedrig Diacetyl
    • (+) konstant hohe Qualität
    • (-) hohe Investitionskosten
    • (-) hohes Tankvolumen
  • nur aus Ernte
    • (+) evtl. schneller Extraktabbau
    • (+) niedriger Althefeanteil
    • (+) niedrige Investtionskosten
    • (-) mikrobiologisches Risiko
    • (-) Hefeautolysat
    • (-) Qualitätsschwankungen
    • (-) Hefeaufbewahrung
  • Mischung aus Reinzucht/Ernte
    • (+) Beschleunigte Angärphase
    • (+) konstant hohe Qualität
    • (+) weniger Althefeanteil, weniger Reinzucht nötig
    • (+) hohe Flexibiliät, niedrigere Investionsvolumen
    • (-) mikrobiologisches Risiko
    • (-) Bedarf Erntehefetanks
    • (-) arbeitsintensiv
  • durch Kräusen aus Drauflassverfahren

Hefebier und Überschusshefe

• Überschusshefe 2-3% vom Gesamtbierausstoß
• 50 % der Hefefeuchtmasse können als Bier zurückgewonnen werden

Rückgewinnung

Filtersysteme

• Filterpresse
  • Kuchenfiltration unter Auspressen
  • hohe Feststoffkonzentration (bis 30 %)
  • geringer Energiebedarf
  • viel manuelle Arbeit
  • schlechte Bierqualität
    • keine CO₂-Atmosphäre
    • O₂ Aufnahme
    • hohe Filtrationstemperatur
    • hohe Stressbelastung für Hefe
• CrossFlow-Verfahren
  • Membranprozess
  • Feststoffkonzentration 18-20%
  • klar definierte Rückhalterate
  • automatsiches System
  • CrossFlow ist druckabhängig -> viel Energie
  • Abweichung von Bierqualität
    • hohe Filtrationstemperatur (12-15 °C)
    • hohe Geschwindigkeit (3-5 m/s)
    • hohe Zyklusanzahl (bis 450 Umläufe)
• VMF (Vibratory Membrane Filtration)
  • Membranprozess
  • definierte Rückhalterate
  • Bierausbeuten 50-65%
  • Überströmung druckunabhängig -> wenig Energie
  • kein Einfluss auf Bierqualität
    • Filtrationstemperatur 5-8 °C
    • geringe Geschwindigkeit 0.01 m/s
    • minimale Umwälzung (ca. 10)
• Zentrifuge/Dekanter
  • Sedimentation im Zentrifugalkraftfeld
  • Feststoffkonzentration bis 22%
  • hohe Leistungsaufnahme
  • automatisches System
  • nicht definierte Bierqualität
    • schlecht definierte Abscheidung
    • varrierende Qualtität
    • Trübung, biosche Belastung

Dosage von Hefebieren

• Heißbereich
  • Würzepfanne, Whirlpool
  • Verdampfungsverluste
  • schlechte Alterungsstabilität
• Kaltbereich
  • Gärkeller, Lagerkeller, Filtration
  • Beeinflussung Biereigenschaften erst bei höheren Dosagen
  • signifikante Beeinflussung Sensorik nur bei qualitativ schlechtem Hefebier
  • deutliche Verringung 2-Furfural

Aufbewahrung Hefebier

• bei zu hohen Temperaturen
  • Zunahme kurz- und mittelkettigen Fettsäuren
  • Abnahme Ester
  • Anstieg Aktivität Proteinase A
  • deutliche Zunahme FAN
• Aufbewahrung so kurz wie möglich
• T < 4 °C
• KZE -> Inaktivierung Proteinase A (sonst Strecker-Aldehyde durch FAN)
• Gelägerhefe nicht verwenden
• Hefebier nochmals Gären (mittelkettige Fettsäuren)

Abfallhefe

• 15-18 t / 10000 hl Verkaufsbier
• hoher CSB-Wert (0,53 kg/hl) -> nicht Abwasser
• Entsorgung: Trocknen als Mischfutter in Viehindustrie
• Vitamingewinnung Pharmazie
• Verwertung Biogasanlage
• Verwertung Verbrennungsanlage (vorher Trocknen)