Brauindustrie

Hopfen und Hightech

Die Brauereien in Deutschland sehen sich erheblichen Veränderungen ausgesetzt: Während der heimische Markt stagniert, nimmt gleichzeitig die Sortenvielfalt rasant zu. SCOPE-Chefredakteur Hajo Stotz beschreibt, wie die Prozessindustrie den Brauern hilft, hochwertige Biere trotz kleinerer Mengen effizienter zu produzieren.

Tradition und Technik: In einer modernen Brauerei spielt die Tradition vor allem im Marketing eine große Rolle – beim Brauprozess selbst wird heute aber auf modernste Technologie gesetzt. (Bild: Siemens)

„Wie das Bier gebraut werden soll“: So lautet der Titel der Verordnung, die Herzog Wilhelm IV. im April 1516 in Bayern erließ und die heute unter dem Namen „Reinheitsgebot“ bekannt ist.

Laut dem Gebot darf Bier nur aus Wasser, Malz, Hopfen und Hefe hergestellt werden. Damit ist das Reinheitsgebot das älteste heute noch gültige Lebensmittelgesetz, das zunächst in Bayern, seit 1871 dann in ganz Deutschland Anwendung fand. Bier selbst ist natürlich weit älter – bereits vor 10.000 Jahren hingen die ersten Braukessel über dem Feuer. Die Sumerer kannten schon Brau-„Bücher“ und die Babylonier mindestens 20 Biersorten.

Doch was man früher unter der Bezeichnung Bier trank, hatte mit dem, was wir heute darunter kennen, wenig zu tun. Zwar besteht die Würze bei guten Bieren neben Wasser seit Urzeiten aus Brotgetreide: Gerste, Weizen oder Hafer. Doch es wurden auch gerne Hirse, Bohnen, Erbsen oder andere stärkehaltige Körner genommen, die sich vermälzen ließen. Und im mittelalterlichen Deutschland sind zum Beispiel Bilsenkraut, Sumpfporst, Tollkirschen, Schlafmohn, Muskatnuss oder Wermut als bewusstseinsverändernde Bierzusätze belegt. Vielleicht war das Reinheitsgebot ja eigentlich der Welt erstes Anti-Drogen-Gesetz.

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Doch auch mit Reinheitsgebot war der Brauprozess bis Ende des 19. Jahrhunderts von vielen Zufalls- oder unbekannten Faktoren abhängig, die eine gleichbleibende Qualität nahezu unmöglich machten. So fehlt etwa in der Urfassung des Reinheitsgebots noch die Hefe – Mikroorganismen waren unbekannt. Erst die Entdeckungen des 19. Jahrhunderts, wie etwa Kühlmaschine, Chemie- und Filtertechnik, ermöglichen es, Bier zu allen Jahreszeiten auch in großen Mengen in gleichbleibender Qualität herzustellen.

Viele dieser Erfindungen wurden in Deutschland im späten 19. Jahrhundert gemacht, was wahrscheinlich zu dem heutigen Bild der Welt von Deutschland als Bierbrau-Nation ebenfalls mit beigetragen hat. Carl Linde beispielsweise entwickelte 1871 eine leistungsfähige Kühlmaschine auf Kältemittelbasis für das Bierbrauen, und die Linde AG wurde mit Unterstützung von zwei Brauereien gegründet.

Heute reichen Hopfen, Malz, Hefe und Wasser, die ausschließlichen Zutaten für Bier nach dem Reinheitsgebot, auf Grund der Lebensmittelgesetze und Wettbewerbsbedingungen bei weitem nicht mehr aus, um marktfähiges Bier herzustellen. „Als fünfter Rohstoff für eine Brauerei werden die Produktionsdaten vom Rohstoffeingang bis zum Abfüllkeller immer wichtiger. Diese bestimmen im Zusammenspiel mit moderner Automatisierungstechnik den Betriebsablauf und helfen dem Braumeister, die Produktion effizienter zu steuern“, erklärt Gunther Walden, Leiter der Branche Nahrungsmittel und Getränke bei der Siemens-Division Process Industries and Drives. Entwicklungen in der Informationstechnologie leisten heute einen entscheidenden Beitrag, um in bestehenden Brauereien Betriebsabläufe zu optimieren, Energie zu sparen und den Ausstoß bei gleichbleibenden oder kleineren Kapazitäten zu erhöhen. „In den letzten 40 Jahren hat die Basisautomatisierung die Produktion effizienter und verlässlicher gemacht. Allein in den letzten 15 Jahren ist die Produktivität in Sudhäusern mittels Automatisierung durchschnittlich um 30 Prozent gestiegen“, weiß Walden. „Heute entwickelt sich die Prozessautomatisierung zu einem unentbehrlichen Tool, um auch die Neben- und Hilfsprozesse der Brauereien zu optimieren.“

Mit fortschreitender Automatisierung und Sensorik fallen in Brauereien immer mehr Daten an, aus denen Berichte über Betriebsabläufe und den Zustand von Anlagenkomponenten wie beispielsweise Kompressoren und Pumpen erstellt werden. Prozessparameter wie Druck und Temperatur im Sudhaus oder aus dem Gärkeller werden in den Leitstand gemeldet und Rezepturen immer häufiger elektronisch verwaltet. „Der Trend zu mehr Sorten und Mischgetränken erfordert von den Brauereien außerdem zunehmende Flexibilität in Produktion und Abfüllung“, erklärt Walden.

Reduzierter Wasserverbrauch

Mit dem Prozessleitsystem Braumat standardisiert Siemens die Regelungs- und Automatisierungstechnik und erhöht damit die Betriebssicherheit. Das Resultat: Die Lösung unterstützt das handwerkliche Können der Bierbrauer, indem es einen kontinuierlichen Brauereibetrieb und Wiederholbarkeit der Prozesse sicherstellt. Der Informationstechnologie kommt eine wachsende Bedeutung zu: Moderne Systeme können immer mehr Prozessparameter immer genauer überwachen und zudem den Zustand oder drohende Ausfälle von Komponenten registrieren. Durch den Einsatz von MES (Manufacturing Execution System)-Anwendungen wie Simatic IT kann die Brauereileitung mittels der erfassten Daten die Prozesse auswerten und fortlaufend optimieren. Des Weiteren lassen sich diese Informationen in handfeste wirtschaftliche Vorteile wie ein geringerer Verbrauch von Rohstoffen und Energie ummünzen.

So wurde etwa der Wasserverbrauch für die Herstellung von einem Liter Bier in den letzten zwei Jahrzehnten von rund 10 Liter auf durchschnittlich 3,5 Liter reduziert. „Mit der Simulation von Anlagen und Prozessen können wir den optimalen Ablauf von Prozessen erkennen und komplexe Abläufe besser als bisher steuern“, fasst Gunther Walden zusammen.

Die Situation am Markt zeigt das große Potenzial für die neuen Lösungen: Jede dritte Brauerei weltweit wie auch in Deutschland nutzt Automatisierungstechnik aus dem letzten Jahrhundert, die von den heutigen Standards weit entfernt ist. Mit neueren Automatisierungslösungen lassen sich nicht nur mehr Daten verarbeiten, sondern die einzelnen Prozessschritte besser vernetzen und Anlagen umfassend über einen Leitstand zentral steuern. Vorteil für die Brauereien: Die Produktion ist flexibler, die Schwankungsbreiten bei Hauptprozessen zur Bierherstellung wird verringert und Nebenprozesse präziser gesteuert.

Bitburger setzt mit Innoline MES eine speziell für die Getränkeabfüllung zugeschnittene MES-Lösung ein. Das Modul Line Monitoring erfasst Betriebsdaten aus Abfüll- und Verpackungsanlagen und wertet sie aus. Grafische Darstellungen helfen, das Verhalten der Linien und eventuelle Störquellen zügig zu erkennen. (Bild: MPDV-News 34)

Das hat auch die Bitburger-Braugruppe erkannt. Sie setzt mit dem Innoline MES von KHS ein speziell für die Getränkeabfüllung zugeschnittenes System ein, das auf der Lösung Hydra von Mpdv basiert. Hydra stellt die Verbindung her zwischen der technisch orientierten Fertigungsebene und der eher kommerziell ausgerichteten ERP-Ebene. Darüber hinaus bietet die Lösung den produktionsnah agierenden Abteilungen Informations-, Auswertungs- und Planungsfunktionen für die Bereiche Produktion, Personal und Qualität. Bitburger verfolgte mit dem Projekt drei Hauptziele: Die administrativen Prozesse sollten optimiert werden und zusätzliche Transparenz geschaffen werden. Durch detaillierte Prozessanalysen sollten Kosteneinsparungen erzielt werden, indem Schwachpunkte aufgezeigt und gezielte Eingriffe für Verbesserungen ermöglicht werden. Zudem sollten die Auswertungen standardisiert werden, um innerhalb der Gruppe Vergleichsmöglichkeiten zu schaffen.

Diese Ziele erreicht das MES mit den integrierten Modulen Line Monitoring, Order Scheduling, Order Execution und Production Analysis. Durch Schnittstellen zum SAP-System und zu anderen Systemen, wie zum Beispiel Logistik, sparen die Bitburger-Mitarbeiter nun Zeit, da Eingaben nur noch in einem System erfolgen müssen. Die automatische Synchronisation der Systeme verhindert zudem eine redundante Datenhaltung. Derzeit sind am Standort Bitburg neun Abfüll- und Verpackungslinien an das Innoline MES angeschlossen. Dominik Polster, Leiter zentrales Projekt- und Prozessmanagement der Braugruppe: „Aus unserer Sicht war es die richtige Entscheidung, gemeinsam mit KHS in das Pilotprojekt zur Einführung des Innoline MES einzusteigen. Alle unsere Vorstellungen sind in das System mit eingeflossen. Unsere Prozesse sind nun genau so optimiert, wie wir es uns im Vorfeld gewünscht hatten.“

Auch die Veltins-Brauerei optimiert ihre Prozesse laufend. Das Unternehmen stellt sich täglich einem wachsenden Wettbewerb mit stagnierenden Pro-Kopf-Verbräuchen und steigenden Energiekosten. Damit sich diese mit maximaler Produktivität herstellen lassen, hat die Privatbrauerei im Sauerland sämtliche Produktions- und Materialflussketten durchstrukturiert – mit Hilfe des Softwarehauses Eplan wurden 95 % der Betriebstechnik elektrotechnisch eindeutig spezifiziert und dokumentiert.

Bei sämtlichen Planungsarbeiten nutzen die Experten von Veltins für die Elektrotechnik durchgängig die Engineering-Umgebung von Eplan. „Wir haben vielleicht fünf Prozent unserer Anlagen, die nicht im Eplan angelegt sind“, gewährt Walter Bauer, Geschäftsführer Technik der Veltins-Brauerei, einen Einblick. Bereits vor Jahren wurde Eplan als führendes Softwarewerkzeug eingeführt – seinerzeit in Gestalt der Version 5.2. Dieser Einstieg war bei der Brauerei im Sauerland gleichbedeutend mit einer kompletten Durchstrukturierung des Betriebes in Funktionsbereiche. „Damals haben wir die Weichen gestellt für einen Nomenklaturschlüssel, der noch heute seine Gültigkeit hat“, erläutert Bauer. Der Technik-Geschäftsführer hat den Release-Wechsel von 5.7 auf die heutige Eplan Plattform Version P8 vorangetrieben und begleitet.

Den Wechsel hat die traditionsreiche Privatbrauerei über einen längeren Zeitraum vollzogen. „Unsere Lieferanten müssen mit ihren Daten hinterherkommen“, erläutert Walter Bauer. „Einen Rückwärtsgang gab es für uns nicht mehr, als der Wechsel auf Eplan Electric P8 beschlossene Sache war.“ Somit sind auch die Zulieferer gefordert, die neueste Version einzusetzen, aber es gibt „Nachzügler“: „Wir haben Lieferanten, mit denen wir über Jahre hinweg vertrauensvoll zusammenarbeiten, die aber noch Eplan 5.7 im Einsatz haben. Das macht die Verknüpfung in diesem Bereich dann etwas komplizierter.“

Die Disziplin im Engineering macht sich bei Veltins spätestens dann bezahlt, wenn die Ursache für eine Störung in dem über Jahrzehnte hinweg gewachsenen Betrieb zu finden ist. Weil sich Störungen aufgrund der mit Eplan umgesetzten Struktur sehr schnell funktional und vor allem auch räumlich zuordnen lassen, sind Fehler in der Regel schnell behoben. 2.150 Projekte sind bei Veltins in Eplan angelegt. Dem Instandhaltungspersonal stehen dafür in allen Produktionsbereichen die Eplan Daten über den Eplan Viewer per WLAN-Netzwerk drahtlos für Wartungs- und Servicearbeiten zur Verfügung. Vor Ort gibt es ferner eine gedruckte Dokumentation im Schaltschrank.

Bei sämtlichen Planungsarbeiten nutzen die Experten von Veltins für die Elektrotechnik die Engineering-Umgebung von Eplan. Walter Bauer, Geschäftsführer Technik: „Wir haben vielleicht fünf Prozent unserer Anlagen, die nicht im Eplan angelegt sind.“ (Bild: Eplan)

Die Schnelligkeit bei Wartungs- und Servicearbeiten versetzt die Brauerei Veltins in die Lage, Umrüstungs- oder Erweiterungsarbeiten in den Wintermonaten straff durchorganisiert zu realisieren. Ein zweiter Vorteil resultiert aus der steigenden Anlagenverfügbarkeit, die unter dem Strich die Produktivität der Brauerei erhöht – und damit nachhaltig die Wettbewerbsfähigkeit stärkt.

China wächst, Deutschland stagniert

Hinsichtlich der Wettbewerbsfähigkeit ist Deutschland bei den Maschinen (Nahrungsmittel und Verpackung) die Nummer eins auf dem Weltmarkt. Am internationalen Außenhandel mit diesen beiden Maschinengattungen haben wir 23 Prozent Anteil. Doch trotz des technischen Fortschrittes kämpfen die deutschen Brauereien hart am Markt – auch wenn es auf den ersten Blick scheint, als könnten sie nicht klagen: Von knapp 1,5 Milliarden Hektolitern im Jahr 2003 ist die weltweite Produktion inzwischen bei fast 2 Milliarden Hektolitern angekommen. Aber das Wachstum ist sehr ungleich verteilt. In Europa und den USA stagniert die Produktion, in Südamerika und Afrika wächst sie, aber der wahre Wachstumsmotor ist über die letzten Jahre eindeutig Asien: In China sind die Zuwächse schon seit Jahren zweistellig, 2013 wurde dort bereits über eine halbe Milliarde Hektoliter Bier produziert, doppelt so viel wie in den USA.

Und in Deutschland stagniert der Bierkonsum bei 106 Litern pro Kopf, die Produktion bei 95 Millionen Hektolitern, über 1.300 Brauereien kämpfen hart um Marktanteile. Hinzu kommt nun noch der Trend der Craft Breweries und Mikrobrauereien, die den Größeren Marktanteile streitig machen. Der Trend stammt aus den USA, wo die Craft Breweries als Antwort auf die Dominanz der Großbrauereien wie Pilze aus dem Boden schossen. Heute haben die Vereinigten Staaten mit nahezu 3.500 die größte Anzahl an Brauereien weltweit (Deutschland: ca. 1.400). Die Produktion von Craftbrauereien stieg dort allein 2014 um 18 Prozent und hat aktuell einen Marktanteil von 11 Prozent.

Der Trend verändert aber auch den deutschen Markt spürbar: Auch in hiesigen Supermarktregalen finden sich immer öfter Biere für 2,50 Euro pro Flasche, und ein Edel-Bier wie ein Schneider Weisse Mathilda Soleil kostet schon mal 6,50 Euro die Flasche. Experten begrüßen die damit einhergehende Imagesteigerung für Bier.

Effizienzsteigerung um 30 Prozent

Aber der große Erfolg wird für die Craft-Brauer zum Problem, wenn immer größere Mengen nachgefragt werden. Etwa bei „Schlafly Bottleworks“, die 1991 von zwei Bierliebhabern in St. Louis, Missouri, gegründet wurde. Die Nachfrage wuchs rasant und die Braumeister mussten immer mehr Nachtschichten einlegen. 2009 installierte Schlafly das Braumat-System und steigerte die Effizienz in der Produktion um 30 Prozent. Die Zeit der Nachtschichten war damit vorbei – und das, obwohl die Produktion von 35.000 Hektoliter im Jahr 2009 auf 70.000 Hektoliter 2014 verdoppelt wurde.

Die aufstrebenden Craftbierbrauereien sind daher an Automatisierungsprozessen sehr interessiert, und darin liegen für die Brautechnik-Hersteller große Chancen. Denn auch in Deutschland gibt es zunehmend Neugründungen von Kleinbrauereien mit meist phantasievollen Namen wie Braufactum, Biermanufaktur, Crew, Hopfenstopfer, Hopfenlust oder Schwarzwaldgold. Sie alle treten an, ausdrucksvolle, hochwertige Biere zu brauen. Manche schmecken extrem nach Hopfen, andere nach Banane, Zitrone, Karamell oder Kirsche. Es gibt neben den klassischen Sorten weitgehend unbekannte Biersorten wie Indian Pale Ale, Trappistenbier, Fruchtbier, Sauerbier, Stout, Porter – die Vielfalt ist nahezu grenzenlos.

Die Automatisierung gibt den experimentierfreudigen Brauern dabei die Möglichkeit, sich wieder mehr auf die Kernaufgaben zu konzentrieren. „Mit der Automatisierung merken die Braumeister, dass sie wieder Zeit haben, sich mit dem zu beschäftigen, was eigentlich ihre Leidenschaft ist: dem Austüfteln neuer Rezepte“, berichtet Siemens-Bereichsleiter Walden.

Bierbrauen für Anfänger mit dem Brewbot: Die Brauer können die Anlage per App steuern, die genau signalisiert, wann welche Zutat hinzugegeben werden muss. Die Fünf-Liter-Anlagen sollen rund 1.800 Euro kosten. (Bild: Brewbot)

Neue Biere austüfteln soll bald auch jeder Bierliebhaber in der heimischen Küche können: Der Brewbot produziert vollautomatisch hausgebrautes Bier. Die Innovation liegt in der Automatisierung: Die Nutzer können den Brauroboter per App steuern, das Gerät überwacht den Prozess per Sensoren und zieht das Wasser nach Bedarf aus dem Wasserhahn. Per App wird signalisiert, wann genau welche Zutaten hinzugegeben werden müssen. Der gesamte Brauprozess dauert etwa fünf Stunden.

Zu Hause darf der private Brauer dann auch nach Herzenslust mit Zutaten wie Ingwer, Zitronenschalen, Koriander, Chili und allen möglichen Früchten experimentieren, wie es viele Craft-Breweries in den USA vormachen.

Deutschen Brauereien ist das auf Grund des Reinheitsgebots verwehrt. Doch trotz dieser Einschränkung gibt es viele Möglichkeiten, neue Aromen zu entwickeln. Und an der Verordnung, die nächstes Jahr ihren 500. Geburtstag feiert, werden auch experimentierfreudige deutsche Brauer nicht rütteln – zu erfolgreich ist das Marketing-Argument: „Gebraut nach dem deutschen Reinheitsgebot“. hs

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