Een duik in de dynamiek van een coldcrash

Grainfather (GF30) met glycolkoeler

So far so good, totdat ik ook maar eens een keer besluit mijn bier te gaan coldcrashen. De glycolkoeler ingesteld op de door Grainfather voorgestelde standaardwaarden -4,5 °C, hysterisis 3 °C.

Nadat het bier is uitvergist de temperatuur ingesteld op 5 °C. De temperatuur daalt gestaag tot de gevraagde 5 °C. Geen vuiltje aan de lucht, maar na ongeveer 10 uur begint de temperatuur ongevraagd op te lopen en besluit het systeem om de temperatuur zo rond de 8 °C te houden. De GF 30 blijft het signaal aan de glycolkoeler geven om te koelen met het effect dat de koeler koelvloeistof blijft aanvoeren. Niet echt de bedoeling natuurlijk en om dit effect uit de weg te gaan heb ik de ingestelde temperatuur aangepast aan 8 °C en de coldcrash afgerond op deze temperatuur.

Zoektocht

De zoektocht naar een antwoord op de vraag wat hier nu aan de hand is brengt mij bij een eerder gestelde vraag over dit fenomeen in de rubriek mr. Wizard van Brew Your Own. Ashton Lewis, met zijn jarenlange ervaring in de productie van rvs vergistingsvaten voor commerciële brouwerijen, brengt licht in de duisternis.

Een stukje natuurkunde

Neem een tank met een temperatuursonde onder het koeloppervlak van een verticale tank. Wanneer deze tank gekoeld wordt, zakt het koude bier naar de bodem wanneer de temperatuur daalt, het warmere bier wordt verdrongen en het verdrongen bier stijgt vanuit het midden van de tank naar de bovenkant; dit proces wordt convectie genoemd. De koeltoevoer blijft werken tot de gemeten biertemperatuur onder de instelwaarde daalt. Laten we aannemen dat het instelpunt 2 °C is om de koeling aan te houden tot voorbij het inversiepunt van de bierdichtheid. Wanneer het bier in contact met de koelmantels onder de 3 °C komt, beginnen de convectiestromen in het vergistingsvat van richting te veranderen en begint het koude bier naar boven te stijgen langs de wand van de tank waar de koelmantels zich bevinden. Uiteindelijk wordt de vloeistofstroom volledig omgekeerd, waarbij het koude bier dat langs de wanden omhoog stijgt, het warmere bier aan de oppervlakte verdringt naar het midden van de tank (dit helpt overigens ook bij de bezinking/flocculatie van de gist).

In het beschreven systeem blijft deze koeltoevoer stromen totdat het bier dat zich onder de koelmantel bevindt (d.w.z. lager op de tank) en in contact komt met de temperatuursonde, koeler is dan de 1 °C. Omdat de maximale dichtheid van bier 3 °C is en de tank niet geroerd wordt, blijft de bodem van de tank rond 3 °C terwijl het bier erboven blijft afkoelen door dit stratificatie-effect (stratificatie treedt op wanneer waterlagen verschillende dichtheden hebben als gevolg van verschillen in temperatuur).

IJsvorming

In dit scenario zal zich uiteindelijk ijs vormen aan de bovenkant van het vat (frostburn), omdat de temperatuursonde ‘blind’ is voor wat er boven zijn locatie gebeurt. De mate van bevriezing is het gevolg van de glycoltemperatuur, omdat het vriespunt van bier daalt naarmate het vloeibare bier geconcentreerder wordt. Dit is een veelvoorkomende ontwerpfout in veel commerciële biertanks die eenvoudig kan worden gecorrigeerd door de temperatuursonde(s) goed te plaatsen. Plaats de sonde niet boven het bierniveau!

Als de sonde zich boven het bierniveau bevindt, vooral in combinatie met een koelband in het bovenste deel van de tank, ontstaat er een ander soort dode hoek; de sonde detecteert de gastemperatuur in plaats van de biertemperatuur, de ingang naar de regelaar is altijd boven het instelpunt en de koeling wordt nooit uitgeschakeld. Sommige tanks, zelfs goed ontworpen kleine tanks, hebben meerdere koelmantels en sondes die gebruikt worden voor zoneregeling. In het scenario waarbij de bovenste sonde niet ondergedompeld is in het bier, bevriest de bovenkant van de tank het bier rond de bovenste koelmantel, terwijl het bier onder deze zone normaal geregeld wordt.

Productieproblemen

Commerciële brouwerijen hebben te maken met zeer reële productieproblemen die te maken hebben met temperatuurstratificatie als de oorzaak een gebrekkig ontwerp is, omdat de oplossingen erg duur kunnen zijn. De belangrijkste punten uit dit onderwerp zijn de volgende:

• Goed ontworpen tanks kunnen worden gekoeld tot 1 °C met glycol van 4 °C. Koudere glycol verhoogt de koelsnelheid, maar kan het doorschieten bij tussentemperaturen waarschijnlijker maken, kan het risico op bevriezing van de tank verhogen, verhoogt de kosten van leidingisolatie voor commerciële toepassingen en onttrekt meer energie aan het milieu dan minder koude glycol als tussentanks niet goed geïsoleerd zijn.

• Tanks zonder bodemkoeling lopen altijd het risico dat de tankbodem niet koeler is dan 3 °C omdat de zwaartekracht nooit een dag vrij neemt en bier kouder dan dit stijgt. Dit is de reden waarom meren en vijvers niet bevriezen tot ijsblokjes in de winter, en waarom de bodem van grotere meren nooit onder 4 °C zakt.

Overweeg om je aan/uit-vertraging aan te passen als je biertemperatuur lager is dan ongeveer 4 °C als je een diepere afkoeling wilt.”

Omkeerpunt water

Voor verdere uitleg op internet over het specifieke gedrag van water (en dus ook bier) nog het volgende.

“Bij de meeste materialen neemt de dichtheid af bij toenemende temperatuur. Bij de overgang van een vaste naar een vloeibare aggregatietoestand is er vaak een verdere plotselinge afname van de dichtheid. Water gedraagt zich echter anders dan de meeste stoffen. Anders zou ijs (d.w.z. water in vaste toestand) in water zinken. De ervaring leert echter dat dit niet het geval is. De reden waarom ijs op water drijft, is dat de dichtheid van het water toeneemt als het afkoelt en zijn maximum bereikt bij 4 °C. Daarna neemt de dichtheid weer af in de overgang van vloeibare naar vaste toestand. Zo heeft ijs een lagere dichtheid dan water. Ook hout dat op het water blijft drijven, heeft een lagere dichtheid dan water. Dit gedrag van water kan als volgt worden verklaard. De dichtheid neemt eerst af bij verhitting, omdat de moleculen steeds sneller bewegen en dus meer ruimte nodig hebben. Normaal gesproken wordt de kristalstructuur, die over het algemeen dichter bij elkaar ligt, dan opgelost tijdens de overgang van de vaste naar de vloeibare aggregatietoestand, waardoor de dichtheid verder afneemt. In ijs zijn de moleculen echter niet ruimtebesparend gerangschikt vanwege de sterke elektrostatische krachten tussen de waterstof- en zuurstofatomen, zodat ijs een lagere dichtheid heeft dan water. Zo neemt de dichtheid van ijs toe als het smelt. In het kristalrooster van ijs liggen de waterstofatomen relatief dicht bij de zuurstofatomen, maar relatief ver weg van andere waterstofatomen.”

Nu de praktijk

De temperatuur waarbij de temperatuur-dichtheidsrelatie omkeert, noemen we het omkeerpunt en ligt voor bier ergens rond 1-4 °C. Als er een doeltemperatuur voor de fermentor van minder dan 6 °C wordt ingesteld, kan het vergistingsvat eerst die temperatuur bereiken en zelfs enige tijd een redelijk uniforme temperatuurverdeling behouden. Het is echter waarschijnlijk dat op een bepaald moment, terwijl het koelsignaal is ingeschakeld, het bier direct naast de mantel (in het bovenste gebied) onder het inversiepunt zakt.

Als dit gebeurt, neemt de dichtheid van het bier in het bovenste gedeelte niet langer toe en in plaats van te zinken blijft het drijven, waardoor de natuurlijke convectiestroom het bier niet langer gelijkmatig in de vergistingsvat kan verdelen. Terwijl het bovenste gedeelte gekoeld blijft worden door de mantel wordt het onderste gedeelte niet gekoeld door de afwezigheid van de natuurlijke convectiestroom. Dit heeft tot gevolg dat het onderste gedeelte relatief warmer blijft dan het bovenste gedeelte, waardoor een niet-uniforme temperatuurverdeling ontstaat. In extreme omstandigheden kan het bier direct naast de mantel bevriezen.”

Resultaat

Het bier is desondanks prima gelukt. Het is een mooi blond bier geworden. De adviezen heb ik ter harte genomen en bij de volgende batch heb ik de coldcrash uitgevoerd op 6 °C. De temperatuur van de coldcrash is constant op 6 °C gebleven. Voorwaarde is wel dat er minimaal 15 liter wort in het vergistingsvat zit. Het koelgedeelte zit in het midden en maakt anders onvoldoende contact met de vloeistof.

Weer wat geleerd!

Bronnen

• https://ilri.nl/dichtheid-van-water/
• https://byo.com/mr-wizard/a-deep-dive-into-the-dynamics-of-glycol-chillers/