Emissionslose Wasserentgasung

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Emissionslose Wasserentgasung

In der Getränke- und Brauwirtschaft hat sich die Entgasung als Teil der Wasseraufbereitung durchgehend etabliert. Je nach Industrie und Einsatz des entgasten Wassers werden Restsauerstoffwerte unter 10 ppb gefordert. Allen in der Getränkewirtschaft üblichen Verfahren ist die Verwendung eines Strippgases, meist CO2, in seltenen Fällen N2, gemein. Eine neue Technologie der Firma corosys kommt ohne Strippgas und ohne den Eintrag von thermischer Energie oder Chemikalien aus. Sie erreicht nach eigenen Angaben dabei dieselben niedrigen Restsauerstoffwerte wie die effektivsten der üblichen Verfahren.

Der sonst lebenswichtige Sauerstoff ist in den meisten Getränken unerwünscht. Die Oxidation führt zu einem Alterungsgeschmack im Produkt. Somit ist eine sauerstofffreie Arbeitsweise im gesamten Produktionsprozess unerlässlich, um die negativen Auswirkungen des Sauerstoffs auf die geschmackliche Stabilität des Bieres oder anderer Getränke zu minimieren. Wasser, das mit dem Bier in Berührung kommt, z. B. bei Ausschüben, Filteranschwemmungen oder als Blendingwasser, bedarf daher einer Entgasung.

Physikalische Grundlagen der Entgasung

Sauerstoff lässt sich durch chemische oder physikalische Verfahren aus dem Wasser entfernen. Da chemische Verfahren auf der Zugabe eines Reduktionsmittels beruhen und daher meist für die Produktion von Lebensmitteln ungeeignet sind, soll im Folgenden nur auf die physikalische Entgasung eingegangen werden.
Das Diagramm in Abbildung 1 zeigt die Gleichgewichtskonzentration des Sauerstoffs in Abhängigkeit der Wassertemperatur und des Sauerstoffpartialdrucks in der Gasphase. Bei höheren Temperaturen nimmt die Löslichkeit ab. Beispielsweise lösen sich bei Umgebungsluft mit 21 Prozent Sauerstoff ca. 9 ppm in Wasser von 20 °C. Ein niedriger Partialdruck verschiebt das Gleichgewicht, sodass sich weniger Sauerstoff löst bzw. sich der gelöste Sauerstoff entbindet. Diese beiden Zusammenhänge werden für die Entgasung genutzt.

Strippentgasung

Durch Einleiten eines sauerstofffreien Strippgases wird die Konzentration des Sauerstoffs und damit dessen Partialdruck gesenkt. Die Verschiebung des Phasengleichgewichtes bedingt den Übergang des Sauerstoffs vom Wasser in die Gasphase. In der Brauerei wird meist CO2 als Strippgas eingesetzt. Da es bei der Gärung entsteht und auch für die Karbonisierung und andere Prozesse verwendet wird, steht es so gut wie immer zur Verfügung. Eine häufig verwendete Alternative stellt Stickstoff dar, der zugekauft werden muss oder in Generatoren aus Umgebungsluft gewonnen wird. Kaltes Wasser kann je nach apparativer Gestaltung der Anlage auf unter 20 ppb entgast werden. Bei dieser Entgasung werden große Mengen CO2 benötigt.

Vakuumentgasung

Eine weitere Möglichkeit zur Senkung des Sauerstoffpartialdrucks liegt in der Absenkung des Gesamtdrucks im Entgasungsbehälter. Dies geschieht mithilfe einer Vakuumpumpe. In der Regel werden Flüssigkeitsring-Vakuumpumpen eingesetzt, die ein Vakuum von ca. 70 mbar abs. erzeugen können. Der somit erreichbare Restsauerstoffgehalt von ca. 1 ppm kann durch Kombination der Entgasung unter Vakuum mit einem Strippgas noch weiter auf Werte unter 10 ppb gesenkt werden. Im Vergleich zur atmosphärischen Strippentgasung ist bei diesem Verfahren der Verbrauch an CO2 deutlich geringer. Die Vakuumentgasungsanlagen Typ VWD setzen dieses Verfahren mit maximaler Effizienz um und stellen das Verfahren mit dem bisher niedrigsten realisierbaren CO2-Verbrauch dar.

Heißentgasung

Durch Erhitzen des Wassers nimmt die Sauerstofflöslichkeit ab und dieser entweicht teilweise. Die übliche Entgasungstemperatur beträgt 70 - 80 °C, wodurch eine zusätzliche Pasteurisierung erreicht wird. Dadurch kann darauf verzichtet werden, das Wasser nach der Entgasung zu entkeimen, z. B. durch eine UV-Anlage. Die Erwärmung geschieht mittels mehrstufigem Plattenwärmetauscher. In einer Regenerationsabteilung erwärmt das bereits entgaste heiße Wasser das Frischwasser, bevor dieses mittels Heizmedium auf Entgasungstemperatur gebracht wird. Somit lässt sich ein Wärmerückgewinn von bis zu 95 Prozent realisieren. Die Anhebung der Temperatur alleine reicht jedoch nicht aus, um die geforderten Restsauerstoffwerte zu erreichen. Ähnlich wie die Vakuumentgasung wird daher in der Regel auch dieses Verfahren mit der Strippentgasung kombiniert, um Sauerstoffwerte unter 10 ppb zu erreichen. Nachteil bei diesem Verfahren ist der Bedarf an Heiz- und Kühlmedien sowie die Aufheizzeiten, Vorteil ist die gleichzeitige Pasteurisierung des Wassers.

Gestaltung der Entgasungs­apparate

Um die oben beschriebenen physikalischen Vorgänge effizient ausnutzen zu können, muss das Wasser im Entgasungsbehälter bestmöglich mit der Gasphase in Kontakt gebracht werden. Hierzu gibt es verschiedene Ausführungsformen:

Sprühentgasung
Die einfachste Form stellt die Sprühentgasung dar. Das Wasser wird in einem Behälter verdüst und „regnet“ auf den Boden ab. Der Behälter kann dabei unter Vakuum stehen.
Meist wird dem Wasser vor Eintritt CO2 injiziert, welches zusammen mit dem Wasser in den Behälter tritt und als Strippgas dient. Um die Verweilzeit und damit die Kontaktdauer zu erhöhen, werden mehrere dieser Behälter hintereinander geschaltet. Der CO2-Verbrauch ist jedoch durch die kurze Kontaktzeit und das schnelle Abregnen sehr hoch.

Kolonnenentgasung
Die Entgasungskolonne ist mit Füllkörpern oder strukturierten Packungen aus Edelstahl gefüllt. Diese vergrößern die Oberfläche des von oben herabrieselnden Wassers. Die Kolonne ist für alle drei vorab beschriebenen Entgasungsverfahren geeignet. Von unten wird Strippgas eingebracht. Dieses durchströmt das herunterrieselnde Wasser von unten nach oben im Gegenstrom. Zusätzlich kann, wie oben beschrieben, die Kolonne unter Vakuum betrieben oder das Wasser vorab erwärmt werden.

Membranentgasung
Eine weitere Ausführung ist die Membran­entgasung. Wasser und Strippgas sind hier durch eine hydrophobe Hohlfasermembran voneinander getrennt. Auch hier können durch die Kaskadierung bzw. Serienschaltung von Modulen Restsauerstoffwerte unter 10 ppb erreicht werden. Nachteilig ist die eingeschränkte Reinigbarkeit der Membranmodule bezüglich der Temperatur und der zu verwendenden Chemikalien sowie die vom Hersteller angegebene Lebensdauer. Der Vorteil liegt im geringeren Höhenbedarf im Vergleich zu einer Kolonne.

Tab. 1 Übersicht über die gängigen Wasserentgasungen

Die Tabelle 1 zeigt die drei gängigen Kolonnen-Entgasungsanlagen, wie sie in Brauereien und Getränkebetrieben zu finden sind. Alle drei Verfahren basieren auf der Strippentgasung mit CO2 oder N2 in einer Kolonne. Die Heißentgasung kombiniert diese mit einer vorherigen Erwärmung des Wassers, die Vakuumentgasung strippt bei Unterdruck. Die verschiedenen Typen unterscheiden sich deutlich in der benötigten Menge CO2, um den angegebenen Restsauerstoffgehalt zu erreichen. Der Verbrauch an CO2 ist bei der Vakuumentgasung mit 0,3 g/l am geringsten, während bei der Kaltentgasung die 8-fache Menge benötigt wird.

Entgasung der neuen Generation

Basierend auf den drei bekannten Ausführungen der Kolonnenentgasung und der aus 125 installierten Anlagen mit einer Jahresgesamtleistung von 240 Mio hl gesammelten Erfahrung, hat die corosys Prozeßsysteme und Sensoren GmbH, Hofheim, nun mit der strippgasfreien Entgasung eine bahnbrechende Weiterentwicklung auf den Markt gebracht (Abb. 2).

Abb. 2 Kompakte Bauweise der strippgasfreien Wasserentgasung

Durch die Kombination zweier Stufen mit unterschiedlichen Drücken und einer optimierten Führung von Wasser und Vakuum- bzw. Gasströmen wird Wasser bei Umgebungstemperatur ohne vorherige Erwärmung und ohne den Einsatz von Strippgas auf Restsauerstoffwerte unter 10 ppb entgast. Beide Stufen der Kolonne sind mit Packungselementen gefüllt. Durch die eingesetzten Packungselemente wird die Oberfläche vergrößert und die Kontaktzeit deutlich verlängert.
Die erste Stufe der Kolonne dient der Vorentgasung des Wassers. Der Druck in diesem Teil der Kolonne liegt über dem Dampfdruck des Wassers. Durch den niedrigen Umgebungsdruck wird in diesem Schritt schon ein großer Anteil des gelösten Sauerstoffs aus dem Wasser entfernt. Diese Stufe wirkt wie die klassische Vakuumentgasung und reduziert den Sauerstoffgehalt auf unter 1 ppm.

In der zweiten Stufe der Kolonne wird ein Vakuum erzeugt, das dem Dampfdruck des Wassers entspricht und je nach Wassertemperatur bei ca. 10 - 30 mbar abs. liegt. Um ein solches Vakuum zu erzeugen, wird eine spezielle Hochleistungsvakuumpumpe eingesetzt, die sich durch einen robuste Bauweise und Unempfindlichkeit gegen Wasserdampf auszeichnet. Nun verdampft ein sehr geringer Teil des Wassers und übernimmt die Funktion des Strippgases. Mit dem Dampf wird der restliche Sauerstoff aus dem Wasser gestrippt und über die Vakuumpumpe aus der Kolonne befördert.

Auch die neue Hochvakuumentgasung weist bewährte Vorteile, wie die Wartungsfreiheit der Kolonne und eine schnelle Anfahrzeit, auf. Die geringfügig höheren Anschaffungskosten der strippgasfreien Wasserentgasung werden schnell durch die CO2-Einsparung kompensiert. Insbesondere in Ländern mit hohen CO2-Kosten stellt dies einen großen Vorteil dar. Im Hinblick auf die Emission des Treibhausgases CO2 ist diese Anlage eine Revolution, da bei der Wasserentgasung Zero-Emission Realität ist. Als Beispiel dient eine größere Brauerei, die über eine Wasserentgasungsanlage mit einer Leistung von 550 hl/h verfügt. Bei einem durchschnittlichen täglichen Betrieb von zehn Stunden emittiert diese Anlage direkt und indirekt über das entgaste Wasser 60 000 kg/a CO2. Dies stellt den bisher niedrigsten erreichbaren CO2-Verbrauch dar. Andere Verfahren liegen hier noch deutlich höher. Die Emissionen der Hochvakuumentgasung hingegen sind tatsächlich Null.
Weitere Vorteile ergeben sich bei der Installation der Anlage. Da diese nicht auf Hilfsstoffe, wie CO2 oder ein Heizmedium, angewiesen ist und die Abgase nicht ins Freie geführt werden müssen, reduziert sich der Verrohrungsaufwand erheblich.

Fazit

Durch die strippgasfreie Kaltentgasung können erhebliche Mengen an CO2 eingespart werden. Damit ist es ein äußerst ressourcen- und umweltschonendes, großtechnisch einsetzbares Verfahren. In vielen Ländern, insbesondere in Afrika, Mittel- und Südamerika, ist CO2 ein großer Kostenfaktor, der mit dieser Wasserentgasung komplett eliminiert wird. Daneben ist das Verfahren auch in Bereichen, in denen kein CO2 eingesetzt wird, z. B. in Heizkraftwerken für die Entgasung des Kreislaufwassers oder bei der Produktion stiller Getränke erfolgreich im Einsatz. Die Einsparung von CO2 als Treibhausgas ist elementarer Bestandteil einer nachhaltigen Unternehmensstrategie.

 

Stephan Dittrich
Geschäftsführer corosys Prozeßsysteme und Sensoren GmbH, Hofheim am Taunus

Nadine Kollbacher
Projektleiterin corosys Prozeßsysteme und Sensoren GmbH, Hofheim am Taunus

Jan Oertli
Projektleiter corosys Prozeßsysteme und Sensoren GmbH, Hofheim am Taunus

Brauwelt 36/2017

2020-03-04T10:31:10+01:00