Messung von Kohlendioxid (CO2) in Brauereien und Weinkellern

Die Messung von Kohlendioxid (CO2) in Brauereien und Weinkellern wird jedes Jahr einfacher, schneller und zuverlässiger. Bei der Gärung von Bier, Wein und anderen Produkten entsteht Kohlendioxid in relativ hohen Konzentrationen. Jeder erinnert sich sicherlich an die Szene aus einem Keller oder einer Brauerei, in der eine Kerze brennt und nicht ausgehen darf. Früher wurde die Kerze genau als solcher einfacher Detektor für gefährliche Konzentrationen von Kohlendioxid verwendet. 

Einheiten der Kohlendioxidkonzentration (CO2)

Die Einheiten der Kohlendioxidkonzentration CO2 und allgemein aller Gase und Gemische können in zwei Einheiten angegeben werden. Klassisch sind Prozente. Das heißt, der Anteil der Konzentration der Komponente an der Konzentration des gesamten Gemisches, multipliziert mit 100, drückt die Konzentration in Prozent des Volumens (%Vol.) aus. Bei toxischen Gasen sind bereits kleine Konzentrationen gefährlich. Es wäre jedoch unpraktisch, sie in Hundertstel oder Tausendstel Prozent auszudrücken. Daher wurde die Einheit ppm eingeführt. Ppm ist die Abkürzung des lateinischen pars per million. Es handelt sich also um ein Teilchen pro Million Teilchen des Ganzen. 

100 % = 1 000 000 ppm

1 % = 10 000 ppm

1 ‰ = 1 000 ppm

Eigenschaften von Kohlendioxid CO2

Kohlendioxid ist ein farbloses Gas ohne Geruch und Geschmack. In niedrigen Konzentrationen kommt es gewöhnlich in der Luft vor. CO2 ist heute ein viel diskutiertes Thema im Hinblick auf die globale Erwärmung. Zehnmal höhere Konzentrationen werden im Rahmen der Luftqualität in Büros, Krankenhäusern oder Schulen gemessen. Bei erhöhter CO2-Konzentration, die mit erhöhter Temperatur und Feuchtigkeit kombiniert wird, kann es zu Aufmerksamkeitsverlust, Müdigkeit und Schlafstörungen kommen. Bei der Gärung entstehen jedoch um eine Größenordnung höhere Konzentrationen von Kohlendioxid. Also Zehntausende ppm CO2. 

Kohlendioxid ist 1,5-mal schwerer als Luft. Daraus ergibt sich, dass es sich am Boden hält und dort ansammelt. An diese wichtige Eigenschaft muss bei der Installation von Sensoren und Gasdetektoren gedacht werden. Eingeführte Normen schreiben die Einstellung von Warnpunkten vor. Die Richtlinie der Europäischen Kommission legt den maximalen Expositionsgrenzwert am Arbeitsplatz TWA fest. Über einen Zeitraum von 8 Stunden darf die Konzentration von Kohlendioxid den Wert von 5000 ppm nicht überschreiten. Ein kurzfristiger Grenzwert von 15 Minuten ist in der Richtlinie nicht vorgeschrieben. Zur Beurteilung der Luftqualität ist weiterhin die Norm EN 13779 zu beachten. 

Entstehung von Kohlendioxid CO2 bei der Gärung

Kohlendioxid CO2 entsteht in der Natur auf verschiedene Weise. In der Brauerei und im Weinkeller entsteht es hauptsächlich bei der Gärung oder Fermentation. Beim Gärprozess werden Zucker unter Ausschluss von Luft (anaerobe Gärung) in Ethanol und Kohlendioxid umgewandelt.

Beim Bier entsteht nach der Balling-Formel 0,9565 g CO2 aus 2,0665 g vergärbarem Extrakt. Jungbier bindet CO2 nur in begrenztem Maße. Der Großteil des CO2 wird daher in den Raum freigesetzt und sinkt anschließend zu Boden. Am meisten Kohlendioxid entsteht bei der Hauptgärung, gefolgt von der Nachgärung. Ebenso entweicht bei der Fermentation bei der Weinherstellung eine große Menge Kohlendioxid in den Raum. Es ist notwendig, die Arbeiter in Brauereien und Weingütern vor einer Vergiftung durch dieses Gas zu schützen.

Kohlendioxid-Detektionssystem CO₂

Das Kohlendioxid-Detektionssystem CO₂ soll vor allem den sicheren Betrieb von Brauereien und Weingütern gewährleisten. In vielen kleinen Weingütern ist immer noch der langjährige Brauch verbreitet, eine Kerze anzuzünden, die bei Anhäufung einer großen Menge CO2 erlischt. Ein moderner und dennoch kostengünstiger Ansatz zur Gewährleistung der Sicherheit besteht aus einzelnen Sensoren mit optischen NDIR-Sensoren, einer Auswerteeinheit und optischer oder akustischer Signalgebung. 

Optische NDIR-Sensoren funktionieren nach dem Beer-Lambert-Gesetz, bei dem bestimmte Wellenlängen des Infrarotlichts von den Molekülen des gemessenen Gases absorbiert werden.

Der Sensor besteht aus zwei Messröhren. In beiden befindet sich eine Infrarotlampe und ein Infrarotdetektor. In einem Rohr befindet sich ein Referenzgas, üblicherweise Stickstoff, und im anderen das zu messende Gas. Die erfassten Wellenlängen des gemessenen Gases werden mit dem Referenzgas verglichen. 

Kohlendioxid ist schwerer als Luft, daher hält es sich am Boden. Das bedeutet, dass die Sensoren so nah wie möglich am Boden installiert werden sollten. Üblicherweise ist eine Platzierung 10–20 cm über dem Boden ideal. Die einzelnen Sensoren senden dann kontinuierlich ein Signal mit der gemessenen Konzentration an die Zentraleinheit im Schaltschrank. Die Zentraleinheit wertet alle Konzentrationen aus und aktiviert die Belüftung oder die Warnsignalgebung. 

Die Einstellung der Schaltgrenzen der Zentraleinheit erfolgt in Übereinstimmung mit der Gesetzgebung und der Menge des bei der Gärung emittierten Kohlendioxids. Die Richtlinie der Europäischen Kommission 2006/15/EC legt die maximalen Expositionsgrenzwerte für die Dauer der Arbeitszeit fest. Nach dieser Richtlinie ist es zulässig, eine Konzentration von 5000 ppm CO2 über einen Zeitraum von 8 Stunden zu erreichen.

Ein kurzfristiges Überschreiten der Konzentration muss aus Sicherheitsgründen überwacht werden. Der Anschluss von Warn- und anderen Sicherheitselementen an die einzelnen Warnschwellen muss je nach Anwendung individuell bewertet werden. An die einzelnen Schaltgrenzen können verschiedene Elemente wie Ventilatoren, Sirenen, Leuchtfeuer und Warnschilder angeschlossen werden. Bei Anschluss eines Tasters kann ein Test des gesamten Systems durchgeführt werden. 

Beim Erreichen der Warnschwelle von 5000 ppm aktiviert die Zentraleinheit das an die Zentraleinheit angeschlossene Belüftungssystem, anschließend bei 15 000 ppm leuchtet die Warnsignalgebung auf, bei Überschreitung von 25 000 ppm wird die akustische Signalgebung aktiviert und bei 30 000 ppm werden Leuchtschilder aktiviert, die Personen vor dem Betreten des Raumes warnen. 

Der Konzentrationssensor E2618-CO2-50K ist Mitglied der neuen Reihe multifunktionaler Messgeräte PluraSens®. Für den Einsatz in Brauereien und Weingütern wird er mit einem temperaturkompensierten optischen NDIR-Sensor mit einem Bereich von 0-50000 ppm CO2 geliefert.

Die Sensoren der Reihe E2618 sind eine intelligente Lösung für moderne Anwendungen mit ModBus RS485-Kommunikation und zwei analogen Ausgängen 4-20mA/0-10V.

Die CO2-Detektionszentrale wird in Ausführungen für 10 Sensoren oder für 6 Sensoren geliefert. Die Zentraleinheit ist für das Sammeln und Auswerten von Informationen aus den einzelnen Sensoren des Detektionssystems vorgesehen. Die Einstellung der Zentraleinheit ist für den Einsatz in den einzelnen Anwendungen angepasst. 

Das SVN 500 LED-Leuchtschild ist eine der möglichen Peripherien für das Kohlendioxid-Detektionssystem in Brauereien und Weingütern. Bei Überschreitung der gesundheitsgefährdenden Konzentration des überwachten toxischen Gases übermittelt das Detektionssystem die Information und aktiviert das Warnschild. Das Gehäuse des SVN 500 besteht aus einem Aluminiumprofil mit eloxierter Oberfläche, roten (durchsichtigen) und silbernen (undurchsichtigen) Plexiglaswänden und Seitenteilen aus schwarzem Kunststoff. Das LED-Leuchtschild kann sowohl in Innen- als auch in Außenbereichen angebracht werden.