Wir Deutschen lieben unser »flüssiges Brot«. Gerade in geselliger weihnachtlicher Runde ist ein wohlig Blondes etwas Feines! Übrigens: Wir Deutschen glauben, dass wir DIE Biernation sind. Allerdings stimmt das nicht ganz. Denn zumindest, was das Trinken betrifft, konsumieren die Tschechen mehr. Aber woher kommt das Bier eigentlich?

Bier: über 6000 Jahre alt

Das erste Bier soll bereits vor über 6000 Jahren gebraut worden sein. Die ersten, die Bier brauten, waren die Sumerer. Auch die Babylonier kannten 2000 v. Chr. bereits 20 verschiedene Biersorten. Laut einem Gesetz standen jedem Babylonier – je nach Rang – mindestens zwei Liter Bier am Tag zu. Die Griechen kannten Bier ebenfalls schon in vorchristlicher Zeit. Sie empfahlen es als Schlafmittel. Auch noch heutzutage soll Hopfen beruhigend wirken und beim Einschlafen helfen. Natürlich nur, wenn man nicht zu viel trinkt.

Nun aber zur Kernfrage: Seit wann kennen die Deutschen Bier? Bei uns ist Bier seit ungefähr 700 v. Chr. bekannt. Wenn ein besonders geschmackvolles Bier gebraut wurde, lud die Brauerin – Brauen war damals Frauensache – ihre Nachbarinnen zum Umtrunk, einem Bierkränzchen, ein. Aus diesem Brauch entstand später das Kaffeekränzchen.

Mönche als Brauherren

Mönche brauten seit dem 9. Jahrhundert Bier. 1040 wurde der Weihenstephan Brauerei offiziell eine Brau- und Schankbefugnis erteilt. Das macht sie zur ältesten Brauerei Deutschlands. Mit dem Verkauf von Bier ließ sich Geld verdienen. Das merkten auch schnell die Anwohner. Sie begannen daraufhin, ihr eigenes Bier zu brauen. Diese Konkurrenz zwischen Klöstern und Privatbetrieben war somit entfacht und führte dazu, dass den Klöstern das Schankrecht wieder entzogen wurde, insbesondere, weil auf das Bier der Mönche keine Steuern erhoben werden konnten.

Im Mittelalter fügten die Brauherren Allerlei – auch Giftiges – dem Bier hinzu. Das führte 1516 zum Erlassen des Reinheitsgebots. Danach durfte nur noch mit Wasser, Hopfen und Gerste gebraut werden. Hefe kannte man zu der Zeit noch nicht.

Optimierung durch Industrialisierung

Eine revolutionäre Erfindung war die Kältemaschine von Linde. Damit konnte jetzt das Bier unabhängig von den Außentemperaturen produziert und länger gelagert werden. Denn aus den Brauerfahrungen wussten die Braumeister, dass für eine optimale Vergärung eine bestimmte Temperatur, nämlich zwischen 8 und 15 Grad Celsius, nötig war. Deshalb konnte ein gutschmeckendes Bier früher nur im Winter bzw. in Höhlen oder Kellern gebraut werden. Später entdeckten die Bierhersteller, dass der Grund dafür die Hefe (Mikroorganismus) bzw. deren Aktivität war, welche für die Umwandlung des Malzzuckers in Kohlensäure und Alkohol sorgen.

Hightech im Brauprozess

Die Bierentstehung in den Brauereien heute ist ein durchautomatisierter Prozess beginnend vom Malz-Silo über die Gärung hin zum Abfüllen in Flaschen. Dies sichert die hohe Qualität und Reinheit der Biere bei vergleichsweise kleinem Preis. Auch wenn deutsches Bier ziemlich perfekt ist, lässt sich die Herstellung weiter optimieren.

Der Gärprozess stellt den zentralen Teilschritt der Bierherstellung dar. Dessen Verlauf bestimmt maßgeblich die Qualität und den Geschmack des Bieres. Das Bier, genauer gesagt die Würze, befindet sich zum Gären in bis zu 20 Meter hohen Edelstahltanks. Um Einblick in den fünf bis sieben Tage dauernden Gärprozess zu erhalten, wird momentan einmal am Tag eine Bierprobe vom Tank zur Bestimmung von Extrakt (Restzucker), Ethanol und pH-Wert im Labor genommen. Die Werte tragen die Brauer in eine Gärkarte ein. Anhand dieser Werte steuern sie den Gärverlauf und stützen sich dabei auf jahrhundertlangen Erfahrungswerte. Die lokal an einzelnen Stelle im Tank ermittelten Qualitätsparameter variieren jedoch aufgrund der mehrphasigen alkoholischen Gärung sowie der Konvektion im Tank stark, sodass die Werte nur bedingt aussagekräftig für den Gesamtprozess sind. Der hohe personelle Aufwand mit diesem Standardanalyseverfahren gestattet aber keine kürzeren Messzyklen. Die Zugewinnung an Messdaten ohne Mehraufwand und damit eine bessere Steuerbarkeit des Gärprozesses ist daher ein langgehegter Wunsch der Brauereien. Denn um beispielsweise 100 Prozent sicher zu stellen, dass die Gärung vollständig abgeschlossen ist, geben die Braumeister derzeit dem Bier beim Gären einen halben bis einen ganzen Tag mehr Zeit. Was wäre, wenn man zeitlich feiner messen und damit den Sicherheitsaufschlag weglassen könnte? Die Braumeister könnten durch die verkürzte Brauzeit mit ihren bestehenden Gärtanks mehr Bier produzieren. Genau an dieser Optimierungsschraube setzt das Fraunhofer IKTS an.

Die digitale Gärkarte für die Braumeister – 100%-Inline-Qualitätskontrolle

Zur vollständigen Überwachung des Gärprozesses wollen die IKTS-Wissenschaftler daher ein im und am Tank angebrachtes Sensorsystem entwickeln, welches permanent Messdaten über das gesamte Volumen erfasst. Ziel ist die Brechzahl, Temperatur, den pH-Wert und Ethanolgehalt simultan zu erfassen. Durch die so generierte digitale Gärkarte erhält der Braumeister einen umfassenden Einblick in den momentanen Zustand seines Bieres.

Ein zentraler Messparameter für jedes Bier stellt die Stammwürze dar. Die Stammwürze spiegelt den Anfangszuckergehalt wieder und legt somit den Nähstoffgehalt sowie den schlussendlichen Alkoholanteil des Bieres fest. Ein Pils beispielsweise hat eine Stammwürze von 11 bis 12, ein Weizen liegt bei 10 bis 13 Prozent. Das Bock muss mindestens 16 Prozent Stammwürze enthalten. Der sich verändernde Zuckergehalt beim Gären wird meist anhand der optischen Dichten, der sogenannten Brechzahl, der Würze indirekt bestimmt.

Die Bestimmung der Brechzahl erfolgt hierbei mit einem Refraktometer, welches die Lichtbrechung (Refraktion) oder die Totalreflexion an der Grenzfläche zwischen einem Messprisma und dem zu untersuchenden Probenmedium nutzt. Der resultierende Ablenkwinkel des Lichtes gibt Aufschluss über die Brechzahl der Flüssigkeit. Der Zuckergehalt wird wahlweise auch mittels dichtemessendem Biegeschwinger bestimmt. Diese Laborverfahren sind jedoch an die Grenze ihrer Miniaturisierbarkeit gestoßen. Eine kostengünstige Vor-Ort-Messung an oder im Tank ist daher mit den bisher bekannten Messmethoden schwer umsetzbar.

Diese Grenze wollen die IKTS-Wissenschaftler mit dem entwickelten multisensorischen Messsystem überwinden. Grundlage für dieses multisensorische Messsystem bildet ein miniaturisierter Brechzahlsensor mit einer nanostrukturierten plasmonischen Goldschicht. Die optischen Eigenschaften der Goldschicht verändern sich je nach Brechzahl des Bieres und werden mit einer kompakten Auswerteelektronik hochauflösend detektiert. Über das Aufbringen schwellender Polymerschichten, sogenannte Hydrogele, sollen über eine indirekte Brechzahländerung auch Ethanol und pH-Wert mit dem plasmonischen Brechzahlsensor bestimmt werden. (Ein allgemeinbekanntes Hydrogel ist das Gummibärchen, welches sich im Wasser ausdehnt und beim Trocknen wieder zusammenzieht.) Zum Schluss wird noch ein elektrischer Temperatursensor eingebaut und schon kann man alle entscheidenden Qualitätsparameter gleichzeitig inline messen.

Im ersten Schritt bauen die Physiker und Ingenieure das multisensorische Messsystem als Sonde auf. So kann die Messevaluierung sowohl im Labor als auch am Tank der Brauereien parallel erfolgen. Perspektivisch soll das Sensorsystem jedoch im Tank schwimmen. Dazu muss es über eine Inertialsensorik (IMU) und Auftriebsregelung verfügen, welche in Kombination mit akustischer und drahtloser Kommunikationstechnologie Bewegungsfreiheit garantieren. Denn über IMU, Auftrieb und Datenaustausch werden das Bewegungsprofil erfasst und gesteuert. Über Funk wollen die Wissenschaftler dem Sensorsystem beim Auftauchen die nächste Position mitteilen. Akustische Wellen sorgen hingegen für den Datenaustausch »unter Bier«.

Klingt komplex, meinen Sie? Ist es eigentlich auch, aber mit dem Sensorsystem des IKTS realisierbar. Die digitale 24 Stunden Bereitstellung aller essentiellen Parameter der Gärung muss also, wenn alles klappt, kein Traum der Braukunst bleiben. Die Braumeister können dann den Gärprozess zeitnah steuern, ihn verkürzen und Ressourcen einsparen. Somit sinken auch ihre Herstellungskosten. Und dies ganz ohne bestehende Tankanlagen aufwendig umzurüsten.

Nicht nur für das Bier geeignet

Ein solches Sensorsystem eignet sich aber nicht nur für die Bierherstellung. Die Miniaturisierung und der Datenaustausch in Flüssigkeiten prädestinieren es für Bereiche der chemischen und pharmazeutischen Industrien sowie der Biotechnologie. Außerdem erweist sich das Umweltmonitoring als interessantes Anwendungsfeld zur Überwachung und Qualitätssicherung von Ab-, Grund-, Bergbau- oder Prozesswässern. Das multisensorische Messsystem hilft dabei, Prozesse energetisch sowie zeitlich zu optimieren.

Nun nach dem ganzen Gerede von Bier, wünschen wir Ihnen beim Nächsten: Prost!

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