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Diese Bachelorarbeit ist Teil einer Gruppenarbeit mit einem Individualanteil. Das Ziel dieser Projektarbeit war die Planung und Entwicklung einer 1,5 hl Versuchsbrauerei nach Industrie 4.0. Jedem Projektmitglied wurde eine Unit Operation als Teil der Gesamtanlage zugeteilt, welche zuerst mit einem R&I Schema dargestellt wurde und auf Basis dessen, eine User Requirement Specification (URS) und Verfahrensanweisung (SOP) erstellt. Industrie 4.0 beschreibt die Digitalisierung der Produktion und ist konzipiert um der Industrie ein Instrument für die Überwachung, Reproduzierbarkeit und Optimierung der Wertschöpfungskette zu ermöglichen. Ausgehend von den Grundlagen der Bierherstellung und den erworbenen Kenntnissen im Anlagenbau im Zuge des Bachelor Studiums Bioengineering, wurde ein automatisierbarer Prozess ausgelegt und die Anlage so spezifiziert, dass ein gesamtheitlicher Ablauf aller Prozessabschnitte innerhalb der Versuchsbrauanlage erfüllt ist. Das Ziel der vorliegenden Projektarbeit ist die Planung des Zylinderkonischen Gärtanks und dessen CIP-Reinigung, angeschlossen an ein Prozessleitsystem, wodurch alle Sensoren und Ventile automatisiert sind. Dadurch können während des Gärungs- und Reifeprozesses In-Prozess Kontrollen durchgeführt und Qualitätsmerkmale beeinflusst werden. Die Behältergeometrie charakterisiert sich durch erhöhten Steigraum aufgrund der Gas- und Schaumbildung als auch den konischen Boden des Tanks, wodurch sich die Hefe absetzen und am Ende der Klärung abgezogen werden kann. Der Fokus wurde auf ein hygienisches Design gesetzt, um Kontamination zu vermeiden und die Reproduzierbarkeit des Produkts zu gewährleisten. Alle produktberührten Oberflächen sind aus Edelstahl, die Schweißnähte sind glatt, passiviert und möglichst porenfrei sowie elektropoliert, um einen besseren Hefeabzug zu ermöglichen. Die Hauptaufgabe des Zylinderkonischen Gärtanks ist die Haupt- und Nachgärung, Reifung und Klärung, wobei die Hefe zunächst Zucker zu Ethanol und CO2 vergärt. Die während der Gärung erzeugte Reaktionswärme wird über die Kühlzonen des Tanks abgeführt. Durch den Hefestoffwechsel entstehen dabei Gärungsnebenprodukte die zum Teil in der Reifephase wieder abgebaut werden. Abschließend wird das Bier mittels Sedimentation der Hefe geklärt, wodurch maßgeblich die weitere kolloidale Stabilisierung und Filtrierbarkeit beeinflusst wird. This bachelor thesis is part of a group work with an individual part. The goal of this project work was the planning and development of a 1.5 hl pilot brewery, according to Industry 4.0. Each project member was assigned a unit operation as part of the overall plant, which was first represented with a P&I scheme and based on this, a user requirement specification (URS) and process instruction (SOP) was created. Industry 4.0 describes the digitalization of production and is designed to provide the industry with a tool for monitoring, reproducibility, and optimization of the value chain. Based on the basics of beer production and the acquired knowledge in plant engineering during the study of bioengineering, an automatable process was designed and the plant was specified in such a way that a holistic sequence of all process steps within the experimental brewing plant is fulfilled. The aim of the present project work is the design of the cylindrical conical fermentation tank and its CIP cleaning, connected to a process control system, whereby all sensors and valves are automated. Thus, in-process controls can be carried out during the fermentation and ripening process and quality characteristics can be influenced. The tank geometry is characterized by increased rising space due to gas and foam formation as well as the conical bottom of the tank, which allows the yeast to settle and be removed at the end of clarification. Focus has been placed on hygienic design to avoid contamination and ensure product reproducibility. All surfaces in contact with the product are made of stainless steel and the welds are smooth, passivated and as non-porous as possible, as well as electropolished to allow better yeast removal. The main task of the cylindrical conical fermentation tank is primary and secondary fermentation, maturation and clarification, where the yeast first ferments sugar to ethanol and CO2. The heat of reaction generated during fermentation is dissipated through the cooling zones of the tank. The yeast metabolism produces fermentation by-products, some of which are broken down again during the maturation phase. Finally, the beer is clarified by sedimentation of the yeast, which has a decisive influence on further colloidal stabilization and filterability. |
