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  • Technische Universitt Mnchen

    Lehrstuhl fr Maschinen- und Apparatekunde

    Entwicklung von Messmethoden zur Untersuchung der

    rheologischen Eigenschaften der Maische

    Jan Herrmann

    Vollstndiger Abdruck der von der Fakultt Wissenschaftszentrum Weihenstephan fr

    Ernhrung, Landnutzung und Umwelt der Technischen Universitt Mnchen zur

    Erlangung des akademischen Grades eines

    Doktor-Ingenieurs

    (Dr.-Ing.)

    genehmigten Dissertation.

    Vorsitzender: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Eberhard Geiger

    Prfer der Dissertation: 1. Univ.-Prof. Dr.-Ing. Karl Sommer

    2. Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Antonio Delgado

    3. Priv.-Doz. Dr.-Ing. habil. Annette Schwill-Miedaner

    Die Dissertation wurde am 04.11.2002 bei der Technischen Universitt Mnchen

    eingereicht und durch die Fakultt Wissenschaftszentrum Weihenstephan fr

    Ernhrung, Landnutzung und Umwelt am 26.11.2002 angenommen.

  • II

    Vorwort

    Die vorliegende Arbeit wurde in der Zeit von Januar 1998 bis September 2002 an der

    Fakultt Wissenschaftszentrum Weihenstephan fr Ernhrung, Landnutzung und Um-

    welt der Technischen Universitt Mnchen am Lehrstuhl fr Maschinen- und Apparate-

    kunde durchgefhrt.

    Herrn Univ.-Prof. Dr.-Ing. K. Sommer, dem Lehrstuhlinhaber, mchte ich fr die Mg-

    lichkeit danken, an seinem Institut eine Doktorarbeit durchfhren zu knnen. Die Viel-

    seitigkeit seines Lehrstuhls und die unvergesslichen Lehrstuhlseminare trugen zum

    interdisziplinren und eigenverantwortlichen Arbeiten bei. Die stete Bereitschaft von

    Herrn Sommer zu vielen wertvollen Diskussionen haben wesentlich zum Gelingen der

    Arbeit beigetragen.

    Herrn Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. A. Delgado, Lehrstuhl fr Fluidmechanik und Prozess-

    automation, danke ich fr die bernahme des Korreferates.

    Herrn Univ.-Prof. E. Geiger, Lehrstuhl fr Technologie der Brauerei II, danke ich fr die

    bernahme des Vorsitzes.

    Meinen herzlichen Dank mchte ich Frau Priv.-Doz. Dr.-Ing. habil. Annette Schwill-

    Miedaner aussprechen, die mich schon als Diplomand fr den Lehrstuhl gewinnen

    konnte und die ganze Zeit ber bestens untersttzt hat.

    Weiterhin danke ich allen Kollegen des Lehrstuhls, meinen Diplomanden und studenti-

    schen Mitarbeitern fr ihre Hilfsbereitschaft und das groe Engagement.

    Meiner lieben Freundin Kathrin Stotz, die mich bei der schriftlichen Ausarbeitung die-

    ser Arbeit von allen anderen Arbeiten entlastet und dadurch tatkrftig untersttzt hat,

    danke ich ganz besonders.

    Meinen Dank mchte ich auch den Mitarbeitern der Werkstatt unter der Leitung von

    Herrn Rauscher fr die Anfertigung der Sonderteile, ohne die diese Arbeit nicht mg-

    lich gewesen wre, aussprechen.

    Diese Arbeit widme ich meinen Eltern Gerlinde und Heinz Joachim Herrmann. Sie

    haben mich immer in meinem Vorhaben untersttzt und dadurch das Zustandekom-

    men ermglicht. Dafr bin ich ihnen sehr dankbar.

    Freising, im Oktober 2002

  • III

    Inhaltsverzeichnis

    FORMELZEICHEN, SYMBOLE UND DEREN BEDEUTUNG

    ABBILDUNGSVERZEICHNIS

    TABELLENVERZEICHNIS

    1. EINLEITUNG.........................................................................................................1 1.1. Problemstellung und Zielsetzung ........................................................................1 1.2. Prozessablauf: Zerkleinern, Maischen, Lutern ..................................................2 1.3. Maischbottich und Maischerhrer .......................................................................7 1.4. Messmethoden zur Erfassung der Stoffumsetzungen beim Maischen................9

    2. GRUNDLAGEN...................................................................................................10 2.1. Rheologische Grundlagen.................................................................................10

    2.1.1. Mikrorheologische Betrachtung ..................................................................11 2.1.2. Makrorheologische Betrachtung .................................................................12 2.1.3. Viskositt ....................................................................................................12 2.1.4. Flieverhalten von Suspensionen...............................................................14 2.1.5. Einfluss konzentrierter Suspensionen auf die Suspensionsviskositt.........16

    2.1.6. Maximale Packungsdichte max und intrinsische Viskositt [instrins] ............17 2.1.7. Nicht Newtonsches Flieverhalten von Suspensionen...........................18

    2.1.8. Einfluss der Partikelfraktionen auf die maximale Packungsdichte max.......23 2.1.9. Konzept der Aufteilung der dissipierten Energie unter Scherdeformation...26 2.1.10. quivalente Scherrate ..............................................................................27

    2.2. Kennzeichnung eines Partikelkollektives ..........................................................29 2.3. Beschreibung der Maische als Suspension ......................................................31

    2.3.1. Viskosittsbeeinflussende Vernderungen der dispersen Phase ...............32 2.3.2. Viskosittsbeeinflussende Inhaltsstoffe in der kontinuierlichen Phase .......34 2.3.3. Experimentelle Ermittlung der Maischeviskositt........................................36 2.3.4. Prinzip des rheometrischen Rhrens..........................................................40

    2.4. Klassische Beschreibung der Turbulenz ...........................................................41 2.4.1. Beanspruchung von Partikeln im Turbulenzfeld beim Rhren ....................43 2.4.2. Beanspruchung vom Spelz bei Scherkrften ..............................................45

  • IV

    3. MATERIAL UND METHODEN............................................................................46 3.1. Rohstoffe fr die Maischversuche .....................................................................46 3.2. Zerkleinerung vom Malz ....................................................................................47 3.3. Maischprogramme ............................................................................................47 3.4. Entwicklung der Versuchsanlage fr die Viskosittsmessung...........................48

    3.4.1. Aufbau der Versuchsanlage........................................................................48 3.4.2. Konstruktion des Probennehmers zur Viskosittsmessung der

    kontinuierlichen Phase ...............................................................................50 3.5. Kalibrierung des Rhrsystems ..........................................................................53 3.6. Nasssiebung .....................................................................................................55 3.7. Bildanalyse und Bildverarbeitung ......................................................................55

    3.7.1. Verkleisterung.............................................................................................55 3.7.2. Partikelcharakterisierung der Spelzen durch Bildanalyse ...........................56

    3.8. Glucanbestimmung .....................................................................................57 3.9. Dichtebestimmung der Maische ........................................................................57

    4. ERGEBNISSE UND DISKUSSION FR GROBSCHROTMAISCHEN...............58 4.1. Auswertung der Ergebnisse und Einteilung des Maischprozesses ...................58 4.2. Viskosittsverlauf der Maische fr Grobschrot unterschiedlicher Lsung .........60 4.3. Vergleich der Viskositt von Infusions und Isothermmaischen (Grobschrot)..62 4.4. Temperaturhaltezeit isothermer Maischen ........................................................63 4.5. Viskosittsverlauf der Suspension und der kontinuierlichen Phase ..................64 4.6. Vergleich Infusions und Isothermwrzeviskositt von Grobschrot .................66 4.7. Temperaturhaltezeit isothermer Wrzen ...........................................................66 4.8. Lsungsvorgnge whrend der Verkleisterung (62C Rast) ..........................67 4.9. Struktur der Wrze nach der Verkleisterung .....................................................68 4.10. Struktur der Wrze vor der Verkleisterung ........................................................69 4.11. Disperse Phase vor und nach der Verkleisterung .............................................71 4.12. Quellung und Desagglomeration der dispersen Phase .....................................72 4.13. Rheologisches Modell fr die Wrze vor der Verkleisterung.............................74 4.14. Abschtzung der Strukturkrfte nach der Verkleisterung ..................................77 4.15. Charakterisierung der Spelzenfraktion bei Grobschrot......................................79 4.16. Zusammenfassung fr Grobschrotmaischen.....................................................83

  • V

    5. SCHERBEANSPRUCHUNG DER WRZE UND ZERKLEINERUNG DER SPELZEN BEIM MAISCHEN..............................................................................85

    5.1. Scherbeanspruchung der Wrze beim Maischen..............................................85 5.2. Zerkleinerung der Spelzen ................................................................................87

    6. ERGEBNISSE FR FEINSCHROTMAISCHEN .................................................88 6.1. Disperse Phase vor und nach der Verkleisterung .............................................89 6.2. Wrzeviskositt vor der Verkleisterung bei Feinschrot......................................90 6.3. Viskosittsverlauf der Feinschrotmaische im Vergleich zur Grobschrotmaische

    ......................................................