Translate

Zoeken in deze blog

zondag 21 mei 2017

DLVO

Dat een tank borrelende graanprut een populair drankje als bier oplevert mag een wonder heten. Drijvende kracht achter dit brouwproces is de onooglijke gistcel. Moeilijk in de hand te houden, maar met het flocculatie-model van dr. Eddy van Hamersveld heeft ook de brouwer straks alles onder controle (http://delta.tudelft.nl/artikel/bierbrouwers-doen-maar-wat/12094).

De aloude kunst van het bierbrouwen draait om de fermentatie van wort, een gekookt mengsel van gemoute gerst, water en de smaakmaker hop. Het was Louis Pasteur die aantoonde dat de omzetting van de grondstoffen wordt veroorzaakt door levende organismen. Gistsoorten als de Saccharomyces carlsbergensis zetten de suikers die in de brij voorkomen onder andere om in koolzuurgas en het vrolijk makende ethanol.
Tijdens de Middeleeuwen beleefde het gerstenat zijn hoogtijdagen: per hoofd van de bevolking werd vierhonderd liter per jaar achterover geslagen, vooral omdat men zich niet aan het drinkwater waagde dat veelal van beroerde kwaliteit was. Tegenwoordig wordt door de Duitsers het meeste 'afgepilst'; hun jaarlijkse inname bedraagt 138 liter. Nederlanders doen het met 85 liter iets rustiger aan.
Bier is dus big business. Heineken, met ruim honderd vestigingen in zo'n vijftig landen een van 's werelds grootste brouwers, produceert zestig miljoen hectoliter op jaarbasis. Het handhaven van een constante smaak en kwaliteit is hierdoor een permanente bron van zorg.
,,De gist is zeer bepalend voor de smaak'', weet scheikundige Van Hamersveld. ,,Brouwers proberen hun gist voor zichzelf te houden en doen er vrij geheimzinnig over. Het wordt in één centrale tank bewaard en vanaf daar naar de brouwtanks geleid.'' (http://delta.tudelft.nl/artikel/bierbrouwers-doen-maar-wat/12094).

Van Hamersveld promoveerde ...bij de vakgroep bioprocestechnologie (STM) op een onderzoek naar vlokvorming van brouwersgist. Vlokvorming of flocculatie is een cruciale fase van het brouwproces. De celdeling van het gist stopt, waarna de gistcellen samenklonteren en bezinken. Door deze sedimentatie kan de gist worden gescheiden van het zogenaamde jongbier dat na een periode van lagering (opslag) wordt gebotteld.
,,Flocculatie is een belangrijk begrip in de brouwerswereld'', meent Van Hamersveld. Problemen tijdens de biervergisting hebben volgens hem meestal te maken met de flocculatie. Bij onvoldoende vlokvorming is er tijdens de lagering te veel gist in het bier aanwezig, waardoor de restomzetting van de ingrediënten niet goed verloopt en extra filtering nodig is. Een te sterke vlokvorming leidt weer tot een zeer trage vergisting en kost dus tijd.
Van Hamersveld: ,,Je kan de flocculatie beïnvloeden door detemperatuur te veranderen, maar daardoor wijzigt de smaak ook. Brouwers houden het proces meestal in de hand door het bier te versnijden: als de vergisting niet helemaal verloopt als gewenst, wordt de inhoud van de ene tank met de andere gemengd. Maar hoe de vlokvorming precies in elkaar steekt, hoe de gistdeeltjes met elkaar in aanraking komen en onder welke omstandigheden dit gebeurt, is bij de brouwers nauwelijks bekend. Ze doen dus maar wat. Wel met beleid natuurlijk, want ze hebben een hoop ervaring.'' (http://delta.tudelft.nl/artikel/bierbrouwers-doen-maar-wat/12094).

Met een multidisciplinair team van genetici en moleculair plantkundigen verrichtte Van Hamersveld onderzoek naar deze factoren. ,,Het flocculatie-proces is altijd vooral uit de genetische hoek onderzocht'', vertelt hij. ,,Er werd vermoed dat lange moleculen uit de gistcelwand een rol speelden. Met behulp van de DLVO-theorie, die de wisselwerking beschrijft tussen deeltjes in een vloeistof, hebben we berekend hoe groot de aantrekkingskracht tussen de gistcellen zou moeten zijn. De gemeten waarde lag veel hoger, dus die aanvullende biologische interactie lag inderdaad voor de hand.''
Voor de meetapparatuur moest Van Hamersveld uitwijken naar Engeland. ,,Het University College London heeft een photometric dispension analyser. Die werkt met een doorstroommeter waarbij het bier continu een lichtbundel passeert. Hierdoor kan je het vlokvormingsproces on-line volgen. Je kan de gistvlokjes ook met het blote oog zien dwarrelen, maar dat apparaat is veel gevoeliger. Uit eigen waarneming dachten we namelijk dat de vlokvorming na ongeveer honderdvijftig uur plaatsvond. Dat bleek al twee dagen eerder te gebeuren.''
In totaal heeft Van Hamersveld ongeveer tweehonderd uur proeven gedaan met een biertank in een brouwerij. ,,In zo'n grote tank meten is echt geweldig'', vindt hij. ,,Je loopt in feite over je opstelling heen, en dat maak je als onderzoeker maar weinig mee.''
,,Het was nog lastig om de meting voor elkaar te krijgen. De vlokjes zijn in het begin heel klein, ongeveer drie cellen groot, en daardoor hadden we nogal last van de koolstofdioxide-belletjes. Om de bellen van de cellen te scheiden gebruikten we een apparaatje buiten de tank, een glazen potje dat op een metalen plaat was gelijmd. Dat knalde op een gegeven moment uit elkaar, en het bier spoot in het rond. Maar gelukkig stond ik er vlak bij dus de tank is niet leeggestroomd.'' (http://delta.tudelft.nl/artikel/bierbrouwers-doen-maar-wat/12094).

Uit het onderzoek blijkt dat het veranderen van de vloeistofsnelheid het meest geschikt is om de vlokvorming en sedimentatie van het gist te beïnvloeden. Van Hamersveld: ,,Er zijn een aantal parameters waaraan je kan sleutelen als het misgaat. Bij een te sterke flocculatie is het zaak de boel goed in beweging te houden. Dit kan je doen door het overtollige koolstofdioxide te laten circuleren, of door eenvoudig een roerder te installeren.''
,,Dat laatste is trouwens nicht im Frage: brouwers willenliever geen ingewikkelde enge dingen in hun tanks. Dit is deels terug te voeren op traditie, maar de tanks moeten ook na elke fermentatie, om de tien à twaalf dagen, helemaal gereinigd worden. Ingewikkeld binnenwerk maakt dat moeilijker. Bij een zwakke flocculatie kun je eigenlijk niet zo veel doen. Ik heb nog voorgesteld genetisch gemodificeerd gist te gebruiken, maar daar is men toch wat huiverig voor. Gemodificeerd gist kan suiker veel efficiënter omzetten.''
De interesse van de bierindustrie is inmiddels gewekt. ,,Het zit er wel in dat ze het model gaan toepassen'', verwacht Van Hamersveld. ,,Maar het verhaal is best technisch. Een productieafdeling wil geen computermodel van duizend regels, maar een eenvoudige formule die ze gelijk kunnen invullen. Nee, ik mag niet zeggen over welke brouwer het gaat.'' (http://delta.tudelft.nl/artikel/bierbrouwers-doen-maar-wat/12094).

Flocculatie of vlokvorming is een proces waarbij deeltjes zich aan elkaar hechten in een losse structuur. Een bekend voorbeeld is de vorming van sneeuwvlokken door samenvoeging van sneeuwkristallen.
De structuur van vlokken is ‘luchtig’ en ook weer vrij eenvoudig te verbreken omdat de binding tussen de moleculen en groepen moleculen niet zo sterk is. Dit in tegenstelling tot kristallisatie waarbij (groepen) moleculen zich sterk aan elkaar hechten.
Flocculatie wordt bij waterzuivering gebruikt voor het verwijderen van stoffen uit water. Dit proces wordt zowel toegepast bij de zuivering van grond- en oppervlaktewater tot drinkwater als bij de zuivering van rioolwater. Nadat in water zwevende deeltjes zijn gedestabiliseerd door coagulatie kunnen ze samenvlokken door langzame beweging in het water. Flocculatiemiddelen versnellen de vlokvorming tot grotere vlokken. De gevormde vlokken kunnen uit het water worden verwijderd door ze te laten bezinken of opdrijven of door ze eruit te filteren.
Als flocculant worden chemicaliën gebruikt die bestaan uit lange moleculen (polymeren). Behalve synthetische flocculanten zoals polyacrylamide, kunnen ook natuurlijke flocculanten zoals chitosan worden gebruikt.
ij de vergisting van wijn en bier klonteren uitgewerkte gisten samen en bezinken of drijven op. De snelheid van deze flocculatie kan worden beïnvloed door factoren als temperatuur en beweging. Het juiste moment van flocculatie is belangrijk omdat te snelle vlokvorming de vergisting onnodig vertraagt. Te langzaam uitvlokken betekent dat er gist achterblijft die dan later alsnog moet worden verwijderd.
Bij het verwijderen van achtergebleven gisten en andere zwevende deeltjes die de drank troebel maken of de smaak nadelig beïnvloeden, kan behalve filtratie ook flocculatie worden ingezet. Van oudsher werden hier stoffen als vislijm, eiwit, bloed of melk voor gebruikt. Tegenwoordig wordt gelatine veel gebruikt, ook voor het helder maken van vruchtensappen (https://nl.wikipedia.org/wiki/Flocculatie). (http://www.bier-brouwer.nl/index.php?option=com_content&view=article&id=89&Itemid=203)

Uitvlokken : het neerslaan van gecoaguleerde eiwitten en eiwit-looistof-verbindingen in de gehopte wort. Uitvlokken of flocculatie is een proces van vlokvorming waarbij deeltjes zich aan elkaar hechten in een losse structuur. Een bekend voorbeeld is de vorming van sneeuwvlokken door samenvoeging van sneeuwkristallen.
Bij de vergisting van wijn en bier klonteren uitgewerkte gisten samen en bezinken of drijven op. De snelheid van deze flocculatie kan worden beïnvloed door factoren als temperatuur en beweging. Het juiste moment van flocculatie is belangrijk omdat te snelle vlokvorming de vergisting onnodig vertraagt. Te langzaam uitvlokken betekent dat er gist achterblijft die dan later alsnog moet worden verwijderd.
Bij het verwijderen van achtergebleven gisten en andere zwevende deeltjes die de drank troebel maken of de smaak nadelig beïnvloeden, kan behalve filtratie ook flocculatie worden ingezet. Van oudsher werden hier stoffen als eiwit, bloed of melk voor gebruikt. Tegenwoordig wordt gelatine veel gebruikt, ook voor het helder maken van vruchtensappen (http://biervat.blogspot.nl/2013/05/bier-van-tot-z-u.html).

For many industrial applications in which the yeast Saccharomyces cerevisiae is used, e.g. beer, wine and alcohol production, appropriate flocculation behaviour is certainly one of the most important characteristics of a good production strain. Yeast flocculation is a very complex process that depends on the expression of specific flocculation genes such as FLO1, FLO5, FLO8 and FLO11. The transcriptional activity of the flocculation genes is influenced by the nutritional status of the yeast cells as well as other stress factors. Flocculation is also controlled by factors that affect cell wall composition or morphology. This implies that, during industrial fermentation processes, flocculation is affected by numerous parameters such as nutrient conditions, dissolved oxygen, pH, fermentation temperature, and yeast handling and storage conditions. Theoretically, rational use of these parameters offers the possibility of gaining control over the flocculation process. However, flocculation is a very strain-specific phenomenon, making it difficult to predict specific responses. In addition, certain genes involved in flocculation are extremely variable, causing frequent changes in the flocculation profile of some strains. Therefore, both a profound knowledge of flocculation theory as well as close monitoring and characterisation of the production strain are essential in order to gain maximal control over flocculation. In this review, the various parameters that influence flocculation in real-scale brewing are critically discussed. However, many of the conclusions will also be useful in various other industrial processes where control over yeast flocculation is desirable (www.hobbybrouwen.nl/forum/index.php?topic=9189.0).

Bij flocculatie op het einde van de vergisting worden er aggregaten gevormd tussen losse gistcellen of moeder-dochtercellen. Dit zijn geen vaste verbindingen (covalente zoals bij de moeder-dochter cellen) maar zwak fysische bindingen die door mechanische roeren uit elkaar kunnen worden gehaald; de flocculatie is mechanische reversibel.
Deze aggregaten kunnen voldoende groot worden om binnen bv een week te sedimenteren. De interacties die hier belangrijk zijn (electrostatisch, hydrofoob; veroorzaakt door oppervlakteeiwitten (de FLO's en polysacchariden) zijn vergelijkbaar als bij eiwitaggregatie tijdens de cold-break.

Flocculatie, is het vermogen van de gist om te aggregeren, ofwel het vormen van vlokken die sneller uitzakken. Een hoog flocculente gist zakt snel uit naar de bodem en zal dus snel een helder bier geven omdat er weinig cellen in oplossing blijven. Het omgekeerde is ook waar, een laag flocculente gist zal langzaam uitzakken en een troebellig bier geven. De aanwezigheid van Ca++ (calcium) verbetert de flocculatie van de gist. Denk daarbij aan waarden van 100 mg/l. (www.twortwat.nl/clubbladen?blad=2014-10)

Uiteindelijk is gistflocculatie een fysische chemisch verhaal van deeltjes die bepaalde oppervlakteeigenschappen hebben (voor de nerd - DLVO-theorie). (www.hobbybrouwen.nl/forum/index.php?topic=9189.0).

Met het uitwerken van zo’n theorie hielden diverse coryfeeën zich in de dertiger jaren bezig. Evert Verwey en Theo Overbeek, werkend op het Philips Natuurkundig Laboratorium (NatLab), en beiden gepromoveerd bij Kruyt in Utrecht, zagen kans de theorie tijdens de oorlogsjaren te vervolmaken. De bezettende Duitsers beschouwden het onderzoek als ‘Kriegswichtig’ en gaven toestemming er aan te blijven werken te Eindhoven. Een van de sleutels tot het antwoord was dat de ladingsverdeling via een reversibel opladingsproces werd berekend. Het bleek met deze theorie mogelijk alle vier bovengenoemde punten te beantwoorden (www.nemokennislink.nl/publicaties/stabiliteit-van-colloiden).

DLVO
De theorie werd in een monografie (1948) gepubliceerd. Dit boek is nog lezenswaard door zijn inhoud, de visie die er uit spreekt en de heldere wijze van presentatie.Vorig jaar verscheen een zogenaamd Dover herdruk, hetgeen als kwaliteitskeurmerk beschouwd mag worden. Later bleek dat Deryagin en Landau geheel onafhankelijk ook de essentie van het oplaadproces hadden bedacht. Hun artikel is niet erg helder, is van veel beperkter omvang, en staat in een Russisch tijdschrift, zodat het enige tijd geduurd heeft alvorens het Westen er na de oorlog kennis van kon nemen. De theorie staat thans bekend als DLVO theorie. D en de L staan voor Deryagin en Landau, V en O voor Verwey en Overbeek. De invloed van deze theorie op het colloïdchemisch denken is enorm en duurt nog steeds voort. Je hoeft er de nieuwste nummers van de vaktijdschriften maar op na te slaan. Al met al is de naam DLVO een terechte erkenning van de vier grondleggers (www.nemokennislink.nl/publicaties/stabiliteit-van-colloiden).


The DLVO theory is named after Boris Derjaguin and Lev Landau, Evert Verwey and Theodoor Overbeek (nl).
The theory explains the aggregation of aqueous dispersions quantitatively and describes the force between charged surfaces interacting through a liquid medium. It combines the effects of the van der Waals attraction and the electrostatic repulsion due to the so-called double layer of counterions. The electrostatic part of the DLVO interaction is computed in the mean field approximation in the limit of low surface potentials - that is when the potential energy of an elementary charge on the surface is much smaller than the thermal energy scale, {\displaystyle k_{B}T}  k_B T. For two spheres of radius {\displaystyle a} a each having a charge {\displaystyle Z} Z (expressed in units of the elementary charge) separated by a center-to-center distance {\displaystyle r} r in a fluid of dielectric constant {\displaystyle \epsilon _{r}} \epsilon_r containing a concentration {\displaystyle n} n of monovalent ions, the electrostatic potential takes the form of a screened-Coulomb or Yukawa potential,... DLVO theory is a dispersion stabilizing theory in which zero potential is used to explain that as two particles approach one another their ionic atmospheres begin to overlap and a repulsion force is developed.[1] In this theory, two forces are considered to impact of colloidal stability: Van der Waal forces and Coulombic (Entropic) forces.
The total potential energy is described as the sum of the attraction potential and the repulsion potential. When two particles approach each other, electrostatic repulsion increases and the interference between their electrical double layers increases. Meanwhile, the Van der Waals attraction increases as they get closer. At each distance, the net potential energy of the smaller value is subtracted from the larger value.[2]
The combination of these forces results in a deep attractive well, which is referred to as the primary minimum. At larger distances, the energy profile goes through a maximum energy barrier, and subsequently passes through a shallow minimum, which is referred to as the secondary minimum.[3]
At maximum energy barrier, repulsion is greater than attraction. Particles rebound after interparticle contact, and remain dispersed throughout the medium. The maximum energy needs to be greater than the thermal energy. Otherwise, particles will aggregate due to the attraction potential.[3] The height of the barrier indicates how stable the system is. Since particles have to overcome this barrier in order to aggregate, two particles on a collision course must have sufficient kinetic energy due to their velocity and mass.[2] If the barrier is cleared, then the net interaction is all attractive, and as a result the particles aggregate. This inner region is often referred to as an energy trap since the colloids can be considered to be trapped together by Van der Waals forces.[2]
For a colloidal system, the thermodynamic equilibrium state may be reached when the particles are in deep primary minimum. At primary minimum, attractive forces overpower the repulsive forces at low molecular distances. Particles coagulate and this process is not reversible.[4] However, when the maximum energy barrier is too high to overcome, the colloid particles may stay in the secondary minimum, where particles are held together weaker than the primary minimum.[5] Particles form weak attractions but are easily redispersed. Thus, the adhesion at secondary minimum can be reversible.[6]
History[edit]
In 1923, Debye and Hückel reported the first successful theory for the distribution of charges in ionic solutions.[7] The framework of linearized Debye–Hückel theory subsequently was applied to colloidal dispersions by Levine and Dube [8] [9] who found that charged colloidal particles should experience a strong medium-range repulsion and a weaker long-range attraction. This theory did not explain the observed instability of colloidal dispersions against irreversible aggregation in solutions of high ionic strength. In 1941, Derjaguin and Landau introduced a theory for the stability of colloidal dispersions that invoked a fundamental instability driven by strong but short-ranged van der Waals attractions countered by the stabilizing influence of electrostatic repulsions. [10] Seven years later, Verwey and Overbeek independently arrived at the same result. [11] This so-called DLVO theory resolved the failure of the Levine–Dube theory to account for the dependence of colloidal dispersions' stability on the ionic strength of the electrolyte. [12]
Derivation of DLVO theory[edit]
DLVO theory is the combined effect of van der Waals and double layer force. For the derivation, different conditions must be taken into account and different equations can be obtained.[13] But some useful assumptions can effectively simplify the process, which are suitable for ordinary conditions. The simplified way to derive it is to add the two parts together (https://en.wikipedia.org/wiki/DLVO_theory).

Geen opmerkingen:

Een reactie posten