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Feinporig, fest und üppig die Schaumkrone, das Bier herrlich frisch und spritzig: So sollte es sein bei einem frisch gezapften Bier. Warum das in keinem Fall sieben Minuten dauern muss und was sonst noch eine Rolle spielt auf dem Weg zum perfekt gezapften Bier, erklärt uns Dr. Johannes Tippmann.

Immer wieder kommt es vor, dass es der Person am Zapfhahn nicht möglich ist, ein Bierglas in einer ordentlichen Geschwindigkeit voll zu schenken, obwohl die Bierschankanlage scheinbar perfekt eingestellt ist. Der viel diskutierte Sättigungsdruck spielt natürlich eine wichtige Rolle, ebenso wie die Biertemperatur. Aber weitere Faktoren werden oft zu wenig berücksichtigt. Sie sollen in diesem Artikel dargestellt und erläutert werden.

Die Qualität des Zapfens hat sich in den letzten Jahren signifikant verbessert (Foto: Die Freien Brauer GmbH & Co. KG)
Die Qualität des Zapfens hat sich in den letzten Jahren signifikant verbessert (Foto: Die Freien Brauer GmbH & Co. KG)

 

Dass das 7-Minuten-Pils längst der Vergangenheit angehört, hat sich mittlerweile allgemein herumgesprochen. Dank zahlreicher Untersuchungen zum idealen Sättigungs- und Betriebsdruck ist es zusammen mit der heute vorhandenen Technik kein Hexenwerk mehr, ein Bier mit appetitlicher Schaumkrone und guter Rezenz in akzeptabler Zeit zu zapfen. Aber immer wieder kommt es vor, dass am Zapfhahn die sprichwörtliche Schaumparty abgeht und das Zapfpersonal zur schieren Verzweiflung treibt. Die Ursachen für solche Situationen sind leicht in den Griff zu bekommen, wenn ein paar Randbedingungen beachtet werden. Eine größere Herausforderung stellt allerdings die Situation dar, dass das Bier zwar „schwarz“ aus dem Hahn läuft, aber trotzdem im Glas nur Schaum entsteht.

 

Reynoldszahl als wichtigste Basis

Um strömungsmechanische Effekte richtig verstehen zu können, ist die Betrachtung der Reynoldszahl (Re) unumgänglich. Diese dimensionslose Kennziffer beschreibt in Abhängigkeit von Dichte, Strömungsgeschwindigkeit, Rohrdurchmesser und dynamischer Viskosität das Verhältnis von Trägheits- zu Zähigkeitskräften. Unter der Berücksichtigung der notwendigen Randgrößen liegt bei langsamem Fluss eines Mediums eine sogenannte laminare Strömung vor, bei höheren und hohen Fließgeschwindigkeiten turbulente Strömung. In der Literatur wird diese Geschwindigkeitsverteilung gerne mit einem Vektorprofil in einer Rohrleitung dargestellt, bei der in der laminaren Strömung eine Art Schichtung gezeigt wird, während die Darstellung der turbulenten Strömung einen intensiven Stoffaustausch über den Strömungsquerschnitt beschreibt. Bildlich kann man sich diese beiden Zustände auch mit einem ruhigen Meer (laminare Strömung) im Gegensatz zu einer stürmischen See (turbulent) vorstellen oder mit dem langsamen (laminar) bzw. schnellen (turbulent) Einschenken einer Flasche Weißbier in ein Glas, was für manchen Biertrinker immer noch eine gewisse Herausforderung darstellt.

Darstellung verschiedener Strömungsarten beim Einfließen in ein Bierglas; links schonende Methode, rechts Methode mit vermutlich starker Schaumentwicklung
Darstellung verschiedener Strömungsarten beim Einfließen in ein Bierglas; links schonende Methode, rechts Methode mit vermutlich starker Schaumentwicklung

 

Fluid Bier: ein Zweistoffgemisch

Eine besondere Berücksichtigung bei der Strömungsbetrachtung von Bier müssen zwei wichtige Eigenschaften des Bieres erhalten. Bei Bier handelt es sich, wie bei allen karbonisierten Getränken, um ein sogenanntes Zweistoffgemisch. Die kontinuierliche Phase des Bieres beinhaltet dabei physikalisch gelöstes CO2. Wäre das CO2 chemisch gebunden, gäbe es weit weniger Probleme mit Schaumbildung, aber es würde beim Trinken auch nicht freigesetzt werden.

Viele strömungsmechanische Betrachtungen ziehen als Beispiele Wasser oder Öl als Fluid heran. Da sich aus diesen Flüssigkeiten – außer sich evtl. bildenden Dampfphasen – keine nennenswerten Gasentbindungen einstellen, ist es kein Problem, beispielsweise mit der Bernoulli-Gleichung Druckauslegungen durchzuführen. Beim Zweistoffgemisch Bier allerdings ist in hydraulischen Systemen stets darauf zu achten, dass der benötigte Sättigungsdruck nicht unterschritten wird.

Der Eigenschaft Zweistoffgemisch ist es im Fall des Bieres aber auch geschuldet, dass der in den meisten Regionen gewünschte Schaum in der entsprechenden Menge im Bierglas entstehen kann. An dieser Stelle kommt die zweite Herausforderung des Bieres mit ins Spiel. Andere Getränke zeigen meist nur ein kurzes Aufschäumen, dieses verschwindet jedoch nach relativ kurzer Zeit wieder, sehr oft sogar ohne dass es der Anwender mitbekommt. Anders verhält es sich beim Bier, das durch das Austreten des CO2 eine recht stabile Schaumkrone ausbildet. Gerade beim Einschenken in ein Glas ist das nicht erwünscht, da entweder der notwendige Füllgrad im Glas nicht gleich erreicht werden kann oder – bei ungeduldigen Zapfern – eine signifikante Menge an Bier verloren geht.

 

Was sind Ursachen des Schäumens?

Das Bier kann in Bezug auf den CO2-Gehalt in drei Klassen geteilt werden: lack, mit gewünschtem CO2-Gehalt und aufkarbonisiert. Gerade die letztgenannte Eigenschaft führt häufig zum Schäumen am Hahn. Der entgegengebrachte Sättigungsdruck reicht nicht mehr aus, das CO2 bleibt nicht Lösung. Bereits in der Leitung bilden sich Gasblasen, die vor allem bei der Verwendung von Kompensatorhähnen zu starker Schaumbildung am Auslauf führen. Dies ist mit Sicherheit die häufigste Ursache von Zapfproblemen. In der Regel werden dann die Merkmale CO2-Gehalt des Bieres, Temperatur und eingestellter Sättigungsdruck kontrolliert.

Stimmen diese mit den Anforderungen überein und es schäumt trotzdem, steht der Anwender unter Umständen vor einem Problem, das es zu lösen gilt. Die Ansätze hierfür sind unterschiedlich, aber immer wieder auf die Stoffeigenschaften des oben erwähnten Zweistoffgemischs zurückzuführen.

Die Konstruktion der Schankanlage spielt dabei eine wichtige Rolle. Wird z.B. nach einer dünnen Leitung der Querschnitt im Hahn spontan vergrößert, können Effekte des Carnot'schen Stoßdiffusors auftreten. Dieser kann zu turbulenten Strömungsverhältnissen führen, welche die Entbindung des CO2 begünstigen.

Schematische Darstellung des Carnot-Effekts bei spontanen Querschnittsveränderungen
Schematische Darstellung des Carnot-Effekts bei spontanen Querschnittsveränderungen

 

Manchmal ist auch der verwendete Zapfhahn selbst eine Ursache für Schaumbildung. Dies betrifft insbesondere Kompensatorhähne. Es ist weitestgehend bekannt, dass durch den engen Spalt zwischen Gehäuse und Kompensator in der Leitung entstandene Gasblasen förmlich zerrissen werden. Die Reaktion des Zapfers ist dabei häufig, den Volumenstrom herunterzuregeln. Was er dadurch erreicht, ist eine Verringerung der Reynoldszahl, wodurch die Entbindung von CO2 unterdrückt wird. Eine Erhöhung der Fließgeschwindigkeit hingegen führt zu turbulenter Strömung mit erhöhter Schaumentwicklung.

Allerdings gibt es den Fall, dass in der Leitung kein Entbinden festgestellt werden kann, am Hahn aber trotzdem nur Schaum austritt. Hier ist dann im Hahn selbst mit seinem Kompensator die Ursache zu suchen. Neben schlecht gearbeiteten Oberflächen spielt hier vor allem der Kompensator selbst eine entscheidende Rolle: ein sehr kurzer oder ein frei schwimmender Kompensator. Ersterer erzeugt dadurch, dass der Druck auf einer extrem kurzen Strecke abgebaut werden muss und der Kompensator daher einen sehr kleinen Ringspalt hat, bei hohen Volumenströmen sehr hohe Reynoldszahlen – mit dem bereits bekannten Effekt. Zweiterer beginnt bei erhöhten Volumenströmen zu vibrieren, die Konsequenz hiervon ist bekannt. Es ist also ratsam, einen nicht zu kurzen und vor allem sicher in der Strömung liegenden Kompensator zu verwenden. Geführte Kompensatoren oder Kompensatoren aus Edelstahl versprechen hier effektive Besserung.

Bier oder Apfelsaft, das ist hier die Frage
Bier oder Apfelsaft, das ist hier die Frage

Ist das Austreten von Schaum aus dem Zapfhahn unter Kontrolle, kommt es dennoch immer wieder zu Problemen mit Schaum im Glas. Auch hierfür lassen sich eine Reihe von Ursachen durch die Strömungsverhältnisse erklären. Wie genau, das lest ihr nächste Woche im zweiten Teil des Beitrags von Dr. Johannes Tippmann.

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