200-liter bierbrouwinstallatie: Het ontwerp – Deel 2

Wij brouwen met onze eigen 200-liter installatie bier. Deze installatie hebben we helemaal zelf gebouwd en dat was nogal een klus. Omdat we hier best trots op zijn, willen we het proces hiervan graag met jullie delen. Daarom hebben we een blogserie gemaakt over het tot stand komen van de installatie. In onze vorige blog heb je wat meer kunnen lezen over de installatie, waar we vandaan kwamen en hoe we de nieuwe installatie willen opzetten. In deze blog bespreken we het ontwerp van de HERMS brouwinstallatie.

Zoals gezegd in de vorige blog bouwen we een HERMS installatie. Waar dit voorheen RIMS was, moeten we nu nadenken over een aantal zaken die voorheen minder relevant waren: Hoe warm je de Maïschketel op? Welk vermogen is er nodig om 200 liter te verwarmen? Wat is de ideale stijgingstemperatuur? Hoe ga je om met leidingwerk? Hoe pomp je het bier door de warmtebron, en hoe pomp je het bier naar de kookketel? Kortom, voldoende vragen om een antwoord op te krijgen. We zijn begonnen met het ontwerp van de brouwinstallatie.

Drie ontwerpen

In totaal zijn er drie versies geweest van het nieuwe ontwerp die zich steeds meer gingen vormen naar een definitieve vorm. Hierin vind je natuurlijk telkens weer uitdagingen die je oplost om vervolgens opnieuw tegen andere uitdagingen aan te lopen. We zullen alle drie ontwerpen hier schematisch kort bekijken zodat je een goed beeld krijgt, hoe we de installatie hebben opgebouwd. Primair gaan de ontwerpen over een viertal processen: Maïschen, Filteren, Koken en Koelen. Het stukje vergisting en bottelen wilden we op dit moment in het proces nog niet over nadenken. Iets met in 7 sloten tegelijk lopen…

Eerste ontwerp

Het eerste ontwerp ziet er als volgt uit:

Schematisch overzicht 200 liter brouwinstallatie

In dit ontwerp zie je in de basis hoe onze installatie is opgebouwd. Er zijn in het brouwgedeelte drie ketels: de maischketel, de warmwaterketel en de kookketel. De lijnen in de tekeningen zijn slangen waardoor water, schoonmaakmiddel en wort kan lopen. Ook zie je een pomp die verantwoordelijk is voor het kunnen verplaatsen van de vloeistoffen. Door middel van de (vele) kranen is het mogelijk om te bepalen hoe de vloeistoffen lopen. Tevens kunnen we op deze manier eenvoudig schoonmaken. Wel kost dit allemaal aardig wat werk om telkens de kranen open en dicht te zetten, we houden van automatiseren waardoor we al snel hadden bedacht dat dit geen handmatige kranen moesten worden. In de warmwaterketel (HLT) hebben we een spiraal gemonteerd waar het wort doorheen kan lopen om zowel te koelen als te verwarmen.

Tweede ontwerp

Wel moesten er een aantal zaken nog wat beter uitgedacht worden. Dus kwam er een v2 van het ontwerp:

Tweede ontwerp 200 liter brouwinstallatie

In de v2 zien we al een meer uitgewerkt ontwerp. De kranen zijn drie-weg kranen geworden die eventueel elektrisch aangestuurd kunnen worden. Het filteren doen we handmatig middels een aparte filterkuip waar alle mout in terecht komt. Vervolgens verdelen we handmatig het wort over het mout tot we op het gewenste SG zitten. In dit ontwerp zijn we er vanuit gegaan dat we een verwarmingelement in onze warmwatertank plaatsen welke zowel het maischen als koken verzorgd. De uitdaging hierbij is dat het wort vanuit de kookketel moet worden getransporteerd en je hier verlies van warmte hebt. Dus nog even terug naar de tekentafel voor een derde ontwerp.

Derde ontwerp

Derde (en laatste) ontwerp van de brouwinstallatie.

Je ziet hier het laatste schema voordat we zijn gaan bouwen. Er is een keuze gemaakt om slangen voor een deel flexibel te maken zodat we deze eenvoudig ergens op kunnen aansluiten voor bijvoorbeeld het filteren of voor het verplaatsen van de installatie. Hierin is het goed om op te merken dat zowel de maisch- als kookketel los zijn gekoppeld van de rest van de installatie. De installatie is namelijk verrijdbaar, dus vandaar ook hier het gebruik van flexibele slangen. Ook is in dit ontwerp zichtbaar dat we hebben gekozen om een verwarmingselement te gebruiken in de kookketel zodat we het wort niet tijdens het koken hoeven te rond te pompen. We hebben dit opgelost door een 12 kW verwarmingselement te kopen welke we kunnen verplaatsen en in zowel de HLT (schoon water) en later direct in de kookketel kunnen hangen.

Onderdelen

Hieronder volgt een korte toelichting voor een aantal onderdelen van de brouwinstallatie.

Ketels

Ten eerste de ketels. Wij maken in onze installatie gebruik van een drietal ketels voor de warme bereiding. Dit betreffen allen dubbelwandige ketels waarvan de binnenkant van rvs is. Het voordeel van dubbelwandige ketels is dat dit goed isoleert en daardoor niet snel afkoelt. We hebben twee ketels van 200 liter ten behoeve van maischen en koken en een gamel van 50 liter als HLT.

Verwarmingselement

Initieel hebben we gekozen voor een los 12 kW verwarmingselement van AliExpress. Voor gebruik hebben we de stroomaansluiting eerst omgezet worden naar 3-fasen 25A. Voor een 12 kW element heb je namelijk krachtstroom nodig en dit is met een standaard stroomaansluiting in huis niet mogelijk. Je kunt een upgrade aanvragen bij de netbeheerder. Let op! Ga hier niet zelf mee lopen prutsen als je niet weet wat je doet, gezien de hoge spanning moet je ontzettend goed weten wat je doet. Besteed het lekker uit als je er geen kennis van hebt.

Het nadeel van een element dat je verplaatst is dat je het element inclusief de aansluiting met stroom onder water of wort kan komen te staan. In principe is deze aansluiting volledig waterdicht en letten we er op dat alleen het warme deel onder water komt, maar soms kan het door spatten en schoonmaken gebeuren dat er toch water in komt. Daarom hebben we de aansluiting in hars gegoten, dit is voor een half jaartje goed gegaan waarna het element toch kortsluiting heeft veroorzaakt. Het omhulsel hebben we natuurlijk wel geaard, maar aangezien we het toch niet helemaal schoon kunnen houden hebben we toch besloten om iets anders op te zoeken.

Nieuw element

Dit is de voornaamste reden om het element te vervangen. Maar we zien ook dat 12 kW ontzettend veel vermogen is, soms té veel waardoor het verwarmen zo hard gaat dat we middels een omweg het element op zo’n 9 kW laten draaien.

12 kW element, do not try this at home.

Uiteindelijk hebben we gekozen voor twee vaste elementen in de zijkant van de tanks, zo kun je de stroomaansluiting gewoon buiten de tank maken en kun je een kleiner element gebruiken voor de warmwatertank van 50 liter. Uiteindelijk hebben we gekozen voor twee elementen die precies in de tanks passen. Een element met een diameter van 25 cm en een vermogen van 5500 watt en een element van 50 cm en 10 kW vermogen. Deze elementen hebben we besteld bij BrewPi. Het mooie is dat dit ook nog beter verwarmt omdat de elementen helemaal rond onderin de tanks zitten.

Spiraal

Bij een HERMS opstelling laat je het bier indirect verwarmen. Zo komt de warmtebron niet direct in aanraking met het product. In de deksel van de HLT hebben we een spiraal of warmtewisselaar ingebouwd welke normaal gebruikt wordt in bierkoelers. Het bier loopt door de spiraal en wordt verwarmd door het water in de HLT. Deze brengen we op kooktemperatuur waarna we middels de pomp de temperatuur controleren. Deze tapspiralen kun je krijgen bij bijvoorbeeld Tapclean.

Kleppen

Voor de kranen hebben we elektrische 3-weg kleppen gekocht. Op deze manier kunnen we per brouwstap de gewenste richting instellen. We hebben in totaal vier van deze kleppen in gebruik. We hebben deze via onze vrienden van AliExpress besteld. Vanzelfsprekend zijn ze van RVS gemaakt, met EPDM (Teflon) afdichtingen, volledig voedselveilig dus.

Leidingwerk

Voor de installatie hebben gebruik gemaakt van voedselveilige siliconen slangen welke versterkt zijn, dit geeft ons flexibiliteit, zijn stevig genoeg tot een paar bar en ze zijn eenvoudig te vervangen. Deze kun je kopen bij bijvoorbeeld Brouwstore.

Pomp

Als pomp gebruiken we een slangenpomp. Deze pomp drukt als het ware de vloeistof door de slang met als voordeel dat de vloeistof enkel en alleen in aanraking komt met de slang in de pomp. Er kan dus nooit vuil in de waaier van de pomp achterblijven. Deze hebben we via via weten te scoren, waarna we wel de siliconen slang die erin zit hebben vervangen.

Temperatuursensoren

Een van de belangrijkste zaken in de brouwerij om in de gaten te houden is de temperatuur in de ketels. Dit is niet alleen handig tijdens het brouwen om de gewenste stappen te doorlopen, maar kan bijvoorbeeld ook handig zijn om achteraf te loggen of de brouwsessie goed is gegaan. Daarom hebben we rondgekeken hoe we op een eenvoudige manier zoveel mogelijk temperaturen in de gaten kunnen houden. Aangezien we gebruikmaken van een Raspberry Pi (zie volgende kopje), zijn we op zoek gegaan naar iets dat hierop eenvoudig aan te sluiten is. In eerste instantie zijn we uitgekomen op DS18B20 sensoren. Deze zijn namelijk snel te koppelen en hebben een hoge precisie in ons meetbereik, tenminste, dat dachten we. Boven de 85 graden krijgen ze toch een afwijking en onze brouwmeester wil toch zeker weten of we wel op kooktemperatuur komen (bubbeltjes zeggen niet genoeg). Vandaar zijn we overgeschakeld op ingegoten NTC-thermistoren. Met een kleine elektronische schakeling en een ADC converter aangesloten op de Raspberry Pi krijgen we nu juiste temperaturen over het hele bereik.

Automatisering

Wij zijn van nature luie jongens. Dit betekent dat we graag zaken willen automatiseren zodat het proces telkens op dezelfde manier opnieuw uitgevoerd kan worden. Zaken als de pomp, de kleppen, het warmte element en de temperatuursensoren worden aangestuurd door een Raspberry Pi. Deze staat via OpenPLC in verbinding met een server waarop ScadaBR is geïnstalleerd. Dit is een SCADA pakket waarmee we de gehele brouwerij aansturen en uitlezen. Het mooie hiervan is dat er veel data wordt opgeslagen en dit zelfs op afstand te besturen is.

Wel zorgt dit natuurlijk voor extra complexiteit en afhankelijkheden, iets om rekening mee te houden. Je moet wel weten wat je doet, en als er een vastloper is moet je deze snel weten op te lossen omdat je anders een hele brouwsessie kunt verpesten. Aangezien dit ook voor ons nog eens de nodige kopzorgen oplevert, zullen we hier in een volgende blog meer aandacht aan schenken, hopelijk is dit deel dan ook meer definitief gemaakt.

Om af te sluiten

Zoals je hebt kunnen lezen zijn er gaandeweg een aantal zaken in het ontwerp veranderd. Dit is nog lang niet alles wat er veranderd is, dat houd je nog even tegoed. In de volgende blog van deze serie kun je lezen hoe we de installatie hebben opgebouwd en waar we verder tegenaan zijn gelopen. We hopen dat deze blog net zo informatief was als de vorige blog.