Verstehen und Nutzen von Echtzeitdaten im CMP-Prozess

1934 gründete der Vater des japanischen Whiskys, Masataku Taketsuru, die Nikka Whisky Distilling Co. Ltd in der nordjapanischen Stadt Yoichi. Er entschied sich für Yoichi, weil das dortige Klima dem von Schottland ähnelt, wo er selbst gelernt hatte, Whisky herzustellen. Yoichi wurde als aktueller Markenname gewählt, und die Stadt ist stolz auf ihre Popularität im Ausland als Repräsentant des japanischen Whiskys.

Die Whiskyfabrik Moji von Nikka im südlichen Japan blickt auf eine mehr als 100-jährige Geschichte zurück und wurde 1914 als „Suzuki Shoten Dairi Distillery“ gegründet. Moji florierte in der Meiji-Ära als Hafen, der von der japanischen Regierung für den Export ausgewiesen wurde. Die noch bestehende Rotklinkeranlage im westlichen Stil spiegelte den damaligen Stand der Technik wider. Nach verschiedenen Fusionen wurde sie als Teil von Nikka Whisky ab 2006 als wichtigste Produktionsstätte der Asahi Group Holdings für Shochu genutzt, ein traditionelles japanisches destilliertes Getränk. In den letzten Jahren produzierte das Werk nicht nur Shochu, sondern auch Whisky und andere Spirituosen. Als gemischtes Werk von Nikka Whisky produziert sie auch hochwertigen Roh-Sake.

Feiner Shochu-Geschmack: Prozesse und Fachkenntnisse des Shochu-Destilliermeisters werden von Generation zu Generation weitergegeben

Im Werk Moji von Nikka Whisky werden mehrere Sorten authentischen Gersten-Shochus hergestellt. Es gibt zwei Arten von Shochu: Otsu-rui und Kou-rui. Otsu-rui Shochu, der zumeist mit einem einzigen Destillationsverfahren hergestellt wird, zeichnet sich durch den ausgeprägten Geschmack seiner Rohstoffe aus. Dem gegenüber ist Kou-rui Shochu, der in einem kontinuierlichen Destillationsverfahren hergestellt wird, für seinen einfachen Geschmack bekannt. Beide Destillationsverfahren wurden ursprünglich zur Herstellung von Whisky verwendet.

Das Hauptprodukt des Moji-Werks von Nikka Whisky ist Kou-Otsu Konwa Shochu.  Kou-Otsu Konwa Shochu ist eine Mischung aus Otsu-rui Shochu und Kou-rui Shochu und bietet einen milderen Geschmack, der leichter mit vielen verschiedenen Gerichten kombiniert werden kann. Dies erfordert jedoch das sorgfältige Mischen mehrerer verschiedener Arten von unverarbeitetem Shochu, was eine sehr aufmerksame Steuerung des Herstellungsprozesses erfordert.

„Der schöne Duft unseres Otsu-rui Shochu stammt hauptsächlich aus dem Ester (duftende Komponente), der aus Hefe hergestellt wird“, sagt Iori Takahashi vom Moji-Werk von Nikka Whisky. „Wir müssen uns bei jedem Schritt sehr genau konzentrieren – von der Koji-Herstellung bis zur Destillation. Insbesondere die Gärtemperatur muss je nach den weiteren Gärbedingungen ständig kontrolliert werden, um ein gutes Umfeld für die Hefegärung zu schaffen. 

Neil Takahashi weist darauf hin, dass für den Herstellungsprozess von Shochu lebende Rohstoffe wie Koji und eine Mischung aus Koji und Hefe verwendet werden. Aus diesem Grund erfordern selbst bei einer groß angelegten automatisierten Produktion viele Schritte immer noch die Fähigkeiten und fünf Sinne eines erfahrenen Shochu-Destillateurs. Darüber hinaus ist die Anhäufung von Wissen und Feedback der Schlüssel, um die Bedingungen der Koji-Produktion und die zugegebene Wassermenge gemäß den täglichen Schwankungen von Temperatur, Luftfeuchtigkeit und anderen externen Umweltfaktoren genau steuern zu können.  Die Leidenschaft für Handwerkskunst gedeiht immer noch im hochmodernen Automatisierungsprozess in der japanischen Shochu-Industrie.

Ersetzen der manuellen Probenahme durch kontinuierliche Inline-Messung der Alkoholkonzentration 

Das Vaisala-Refraktometer wird verwendet, um die Alkoholkonzentration (Stärke) nach der Destillation unter reduziertem Druck zu bestimmen. Es wird am Ausgang der Destillationsblase installiert, wo die Destillation durchgeführt und die Inline-Konzentration gemessen wird.

Das sorgfältige Timing des genauen Endzeitpunkts der Destillation ist im Herstellungsprozess von Shochu sehr wichtig, da sein Geschmack in den frühen, mittleren und späten Stadien der Destillation völlig unterschiedlich ist. Daher darf der genau richtige Moment zum Erreichen des gewünschten Geschmacks nicht verpasst werden. Eine Verzögerung beim Stoppen der Destillation wirkt sich stark auf die Qualität des Shochus aus. Wird die Destillation hingegen zu früh beendet, ist die Alkoholausbeute unzureichend.

Vor der Einführung der Inline-Messung des Brechungsindexes der Alkoholkonzentration waren kurz vor Abschluss der Destillation für jede Charge mehrere Analysen der Laborproben erforderlich. Aus diesem Grund musste der Verantwortliche vor Ort bleiben, um mit seiner Arbeit zu beginnen, wenn der Zeitpunkt zum Beenden der Destillation nahte. Dies ist ein entscheidender Punkt im Destillationsprozess, der bei unsachgemäßer Durchführung nach dem monatelangen Prozess der Koji-Produktion, der Hefemaischegärung und der zweiten Gärung zum Scheitern führen kann. Probenmessungen, die von verschiedenen Mitarbeitern durchgeführt werden, wirken sich direkt auf die Qualität des Shochu und seine Alkoholkonzentration aus. Es war ganz deutlich erkennbar, dass eine genaue digitale Steuerung und kontinuierliche Überwachung eine gleichbleibende Qualität liefern würden. Dies würde jedoch ein hochpräzises Instrument erfordern, das viele Sorten verschiedenen Roh-Shochus verarbeiten könnte.

Die Entdeckung des Vaisala Refraktometers

Im Jahr 2020 erstellte Vaisala produktspezifische Kalibrierungseinstellungen für die Alkoholkonzentrationen mehrerer Produkte im Moji-Werk von Nikka Whisky, die auf den Ergebnissen der Refraktometer-Messungen von Vaisala basierten. Es gab jedoch einige Bedenken, da die Verwendung eines Refraktometers zur Bestimmung der Alkoholkonzentration zu dieser Zeit eine neue Messmethode im Moji-Werk von Nikka Whisky darstellte.

„Als es mir zum ersten Mal erklärt wurde, hatte ich ehrlich gesagt das Gefühl, dass es keine Korrelation zwischen einem Brechungsindex und der Alkoholkonzentration gebe, wodurch die Erkennung schwer zu erreichen wäre.“ sagt Herr Takahashi. „Man sagt, dass 99 % der in Shochu enthaltenen Inhaltsstoffe Wasser und Ethanol sind. Die Qualität des Shochu wird durch den Duftstoff bestimmt, der in den restlichen 1 % enthalten ist.  Ich dachte, dass dieser kleine Unterschied von 1 % einen großen Effekt auf einen Brechungsindex haben würde, so dass es unmöglich wäre, den Brechungsindex auf lineare Weise zu erkennen.“ 

Nachdem die Tests der Proben von Nikka und die Messdaten des Vaisala-Refraktometers eine klare Korrelation zeigten, wurde entschieden, das Refraktometer zu Testzwecken in der Prozesslinie von Nikka zu installieren. Die Ergebnisse aus einem Testmonat zeigten eine stabile Korrelation der Messungen, was Herrn Takahashi davon überzeugte, dass das Inline-Prozessrefraktometer von Vaisala in ihrem Prozessbetrieb installiert werden konnte.

Darüber hinaus wurde die Prismen-Selbstreinigungsfunktion des Refraktometers von Vaisala verifiziert. Diese war ebenfalls Anlass der kritischen Betrachtungen, es stellte sich jedoch keinerlei Verschlechterung der Genauigkeit während der Betriebslebensdauer des Prismas ein. „Hätten wir die Selbstreinigungseigenschaft nicht bestätigen können, hätten wir über die Einführung einer CIP-Reinigung nachgedacht“, sagt Herr Takahashi. „Da dies jedoch nicht erforderlich war, konnten wir unsere Kapitalinvestition niedrig halten, was ein weiterer wichtiger Faktor für unsere Entscheidung war, das Vaisala-Refraktometer in unseren Prozess zu integrieren.“

Vorteile der Inline-Refraktometermessung zur Herstellung von Shochu 

• Verbesserungen bei der Stichprobeneffizienz und Fortschritte in der Automatisierung
  Nach der Umstellung von der Laboranalyse von Proben auf die Inline-Messung wurden deutliche Qualitäts- und Kostenvorteile identifiziert. „Der erste Schritt bestand darin, die Effizienz der Probenahme zu verbessern“, sagt Herr Takahashi. „Bei der Probenahme muss der Verantwortliche ca. 20 Minuten vor Abschluss der Destillation vor Ort sein. Da jeden Tag zwei Chargen destilliert werden, hat sich die Arbeitseffizienz um zweimal täglich 20 Minuten bzw. 40 Minuten pro Tag verbessert. Derzeit steuern wir den Prozess basierend auf Werten, die mit dem Vaisala-Refraktometer gemessen wurden, was zu einem fast vollständig automatisierten Beendigung des Destillationsprozesses geführt hat.“
• Verbesserte Konsistenz der Qualität
  In Bezug auf die Qualitätskontrolle haben klare Standards für die vom Refraktometer gemessenen Werte die Unstimmigkeiten reduziert, die früher auftraten, als der Zeitpunkt des Abschlusses der Destillation von Arbeitern bestimmt wurde. Dies trug zu einer konsistenteren Produktqualität bei und ermöglichte die Überprüfung und Analyse der Qualität anhand numerischer Daten.
• Maßgeschneiderte Lösung für die Anwendung 
  „Wir haben von Vaisala eine hervorragende Unterstützung in der Anwendung erhalten, was zu einer auf unseren Prozess zugeschnittenen Messlösung geführt hat, und wir planen, das Inline-Refraktometer auch in anderen Produktlinien einzusetzen, beispielsweise bei neuem Roh-Shochu und in der Destillation “, erklärt Herr Takahashi.
• Wartungsfrei
  Da sich das Alkoholvolumen ständig verändert, entstehen viele Luftblasen, und während des Destillationsprozesses treten häufig Schwankungen des Durchflusses auf.  Dies führt zu einer Umgebung, in der es im Allgemeinen wahrscheinlicher ist, dass Messfehler in der Produktionslinie auftreten.  Als in der Vergangenheit im Moji-Werk von Nikka Whisky versucht wurde, Werte, die von einem Massendurchflussmesser erhalten wurden, in Dichte umzurechnen, waren die umgerechneten Alkoholkonzentrationswerte in der aus dem Destillierer austretenden Flüssigkeit aufgrund der Schwankungen in der Durchflussrate und der Luftblasen instabil. Diese Erfahrung führte zu der Annahme, dass die Luftblasen und die Schwankungen der Durchflussrate die Inline-Messung erschweren würden.

„Das Refraktometer von Vaisala wird nicht von Luftblasen beeinflusst, und die Messwerte sind stabil“, kommentiert Herr Takahashi.

„Die Stabilität der Messwerte ist auch bei der Einstellung der Maschinensteuerung sehr hilfreich.“ In den ganzen zwei Jahren seit Beginn der Verwendung des Vaisala-Refraktometers hat es reibungslos funktioniert, ohne dass es regelmäßig zu Störungen, plötzlichen Problemen oder Abweichungen kam. „Wir analysieren tägliche Trends in den Komponentenwerten nach der Destillation, um sicherzustellen, dass wir den richtigen Destillationszeitpunkt ermitteln“, sagt Herr Takahashi. „In diesen ersten zwei Jahren waren die dabei gemessenen Werte jedoch immer stabil. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass keine laufenden Kosten anfallen, da während des Betriebs keine größeren Probleme aufgetreten sind.“
 

Die Perspektive des Brechungsindex

„Ich denke, dass die Messung des Brechungsindexes die Korrelation zwischen den Shochu-Sorten und der Alkoholstärke genau anzeigt“, sagt Herr Takahashi. „Es beeindruckt mich, wie vielseitig das Refraktometer einsetzbar ist, sofern eine Korrelation zwischen Brechungsindex und der zu messenden Substanz besteht.“

Um weiterhin täglich Verbesserungen vorzunehmen, wird Vaisala in Vorbereitung auf den weiteren Ausbau der Produktlinien für eine Vielzahl von Marken weiterhin genau auf das Feedback des Kunden hören, was die Anpassung produktspezifischer Kalibrierungseinstellungen und Schnittstellenanzeigen angeht. Zukünftig wird im Bereich Lebensmittel und Getränke eine weitere Automatisierung erwartet, um die Kosteneffizienz und Hygiene zu verbessern. 

Vor langer Zeit entstand in Yoichi und Moji eine neue Destillationskultur, die Ergebnis der Integration des Könnens und der Intuition des Meisters des Shochu-Destillateurs ist. Mit modernster Messtechnik von Vaisala könnte dies ein Jahrhundert später tatsächlich noch einmal passieren. Wir hoffen, dass die Messtechnologien von Vaisala weiterhin Verbesserungen in einer Vielzahl von Sektoren unterstützen, von der Infrastruktur bis in den Alltag und die Kultur.
 

Über Vaisala Refraktometer 

Die Prozessrefraktometer K-PATENTS von Vaisala können für genaue Inline-Messungen der Flüssigkeitskonzentration in verschiedenen Branchen und Anwendungen eingesetzt werden. Die Refraktometer sind mit 3-A-Hygienezertifizierung erhältlich und eignen sich ideal für die hygienische Verarbeitung. 

Vaisala Refraktometer können in Tanks oder Rohrleitungen mit einem Durchmesser von 2,5 Zoll oder weniger installiert werden. Das Refraktometer kann diagonal montiert werden, entweder direkt an der äußeren Ecke des Rohrbogens oder über eine Durchflusszelle mit Sanitärklemme oder Varivent®-Anschluss.

Erfahren Sie hier mehr über die Refraktometer-Technologie.