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Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Hefe, insbesondere Backhefe
Gegenstand der Erfindung bildet ein neuartiges und besonders vorteilhaftes Verfahren
zur Herstellung von Hefe, insbesondere Backhefe, in zuckerhaltigen Nährlösungen
nach dem Belüftungsverfahren sowie eine besonders zweckentsprechende Vorrichtung
zur Durchführung dieses erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Bei der technischen Herstellung von Hefe, insbesondere von Backhefe,
ist es möglich, die Hefeausbeute innerhalb bestimmter Grenzen beliebig zu variieren.
Ein einwandfreies Züchtungsverfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß jeder Hefeausbeute
eine ganz bestimmte Alkoholausbeute entspricht. Durch Festlegung der Hefeausbeute
wird daher auch ein ganz bestimmtes Verhältnis von Hefe- und Alkoholgewinnung erzielt.
Ausschlaggebend für die Höhe der Hefeausbeute ist die im Verlaufe des Züchtungsprozesses
angewandte Luftmenge.
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Es gibt Hefezüchtungsverfahren, welche die Gesamtluftgabe in gleichen
Raten auf die Zulaufstunden verteilen. Diese stündlichen Luftraten werden auf Grund
von Erfahrungen vergrößert, wenn die Hefeausbeuten niedrig liegen, dagegen werden
sie verringert, wenn die Hefeausbeuten höher als gewünscht sind. Andere Züchtungsverfahren
sehen eine Staffelung der stündlichen Luftgaben vor. Der Grad einer solchen Staffelung
kann der Vermehrungskurve der Hefe oder aber auch der Dosierungskurve des Hauptrohstoffes,
beispielsweise der Melasse, angepaßt sein.
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Die praktische Handhabung einer derartig gestaffelten Luftgabe erfolgt
in der Weise, daß im Gärschema Vorschriften über die stündlichen Luftmengen gegeben
werden, die man mittels eines Luftsystems mit oder ohne zusätzliche Bewegung in
der Nährflüssigkeit einbläst.
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In jedem Falle ist so die Luftgabe an ein bestimmtes Schema gebunden,
das auf einer Summe von Erfahrungen aufgebaut worden ist. Dieses Schema für die
Luftgabe setzt also einen normalen und durchschnittlichen Verlauf des Züchtungsprozesses
voraus.
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Die Luftmengen, die für die Neubildung von 1 kg Hefe mit 27 % Trockensubstanz
(=H27) benötigt werden, sind von Fall zu Fall recht verschieden, denn ihre Größe
hängt von einer ganzen Reihe von Faktoren ab. Die Kubikmeter Luft, die pro Kilogramm
neugebildeter Hefe benötigt werden, nennt man den relativen Luftbedarf.
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Der wesentlichste Faktor, der den relativen Luftbedarf - bei Anwendung
der verschiedensten Züchtungsverfahren - bestimmt, ist die Art und Dimensionierung
der apparativen Einrichtung. So spielt die Form des Züchtungsgefäßes insofern eine
Rolle, als durch einen hohen Flüssigkeitsstand eine verlängerte Verweilzeit der
Luftblasen in der Flüssigkeit und damit eine bessere Ausnutzung der Luft gegeben
ist. Noch mehr als durch die Form des Züchtungsgefäßes wird die Wirksamkeit der
Belüftung durch die Art des Belüftungssystems beeinflußt, denn dieses ist entscheidend
für die Luftblasengröße und deren Verweilzeit in der Flüssigkeit.
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Jeder Züchtungsbetrieb muß sich Erfahrungen sammeln, bis er den Einfluß
derjenigen Faktoren, die durch die Belüftungseinrichtung gegeben sind, für die verschiedensten
Züchtungsphasen richtig einsetzen und berücksichtigen kann. Aber selbst die besten
Erfahrungen nutzen oft nichts, wenn man zu anderen Nährstoffqualitäten oder zu anderen
Konzentrationen der Nährlösung übergehen muß, die eine von der üblichen abweichende
Luftdosierung erfordern. Es bedarf dann oft vieler Betriebsversuche, bis endlich
die richtige Luftdosierung gefunden ist. Darüber hinaus lassen sich verschiedene
andere Faktoren aufzählen, die zum Teil völlig unvorhergesehen die Wirksamkeit einer
Luftgabe ganz erheblich beeinflussen können. Als Beispiel sei hier nur darauf hingewiesen,
daß eine falsche Gärfettdosierung auf längere Zeit die Luftwirksamkeit auf etwa
die Hälfte ihrer normalen Wirksamkeit herabsetzen kann, was sich zweifellos auf
die Hefeausbeute auswirkt.
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Es ist jedoch bekannt, daß es für die Qualität der gezüchteten Hefe
von größter Wichtigkeit ist, daß diejenige Hefeausbeute erzielt wird, auf welche
die
NährstofPgaben im voraus bilanziert sind. Eine Luftdosierung,
d. h. die Einhaltung bestimmter Luftmengen für die Luftgaben, genügt nicht, um die
notwendige Betriebssicherheit zu schaffen, die unbedingt eine bestimmte Hefeausbeute
gewährleistet.
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In Erkenntnis dieser Sachlage ist daher in den letzten Jahrzehnten
mehrfach versucht worden, Gärungs- und Wachstumsvorgänge bei Hefen durch automatische
Bestimmung chemischer oder physikalischer Größen auszulösen bzw. zu steuern. So
beschreibt die deutsche Patentschrift 739 021 ein Verfahren zum Züchten von Mikroorganismen,
bei dem die Dosierung der Luft- oder Nährstoffzufuhr in Abhängigkeit vom Kohlensäure-
und Sauerstoffgehalt der Abluft bewirkt wird. Auch die im Verlauf der Gärung entstehende
Kohlensäuremenge ist als Arbeits-bzw. Impulsmittel für die Auslösung und Steuerung
der den Gärvorgang beeinflussenden Faktoren vorgeschlagen worden (s. deutsche Patentschrift
965 310). Schließlich hat man auch schon den Vorschlag gemacht (vgl. deutsche Patentschrift
917122), mit Hilfe von dem Gärtank zugeordneten Sendegeräten, welche eine Einstellung
entsprechend den Gärungsveränderlichen übermittelt erhalten und deren Sendewerte
einem Mehrfachschreiber übermittelt werden, und von Fernsteuersendegeräten, welche
mit Empfängergeräten zum Verändern der Gärungsveränderlichen in Verbindung stehen,
die in einem Drucktank stattfindende Gärung von Weiß- oder Rotwein zu lenken, indem
so neben dem Kohlensäuredruck auch die Maischetemperatur und die öchsle-Grade ausgewertet
werden.
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Während sich die vorerwähnten Verfahren fast ausschließlich die Messung
von außerhalb der Nährlösungen erfaßbaren Faktoren zunutze machen, gründet sich
die vorliegende Erfindung gerade auf die kontinuierliche Bestimmung der wichtigsten
und für den Züchtungserfolg entscheidenden Größen in der Nährlösung selbst. Es wurde
nämlich gefunden, daß sich alle diese mit der Belüftung zusammenhängenden Unsicherheiten
bei der Herstellung von Hefe, insbesondere Backhefe, in zuckerhaltigen Nährlösungen
nach dem Belüftungsverfahren in außerordentlich einfacher und sicherer Weise völlig
beseitigen lassen, und zwar erfindungsgemäß dadurch, daß der fortlaufend zu messende
Gehalt der Nährflüssigkeit an gelöstem Sauerstoff durch eine entsprechende Regelung
der Luftzufuhr zumindest abschnittsweise auf einer von der jeweils gewünschten Hefeausbeute
bestimmten Höhe gehalten wird. Durch eine solche kontinuierliche Messung und Regulierung
des in der Nährlösung gelösten Sauerstoffs kann so eine sichere Dosierung der für
das jeweilige Züchtungsverfahren notwendigen Luftmenge bewerkstelligt werden.
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Jeder Ausbeutehöhe entspricht ein bestimmtes Sauerstoffniveau in der
Nährlösung, das weder unternoch überschritten werden darf. Ist erst einmal in diesem
Sinne die Sauerstoffkurve für ein bestimmtes Verfahren ermittelt, so kann die Luftmaschine
im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens automatisch oder von Hand so geregelt
werden, daß jederzeit der zur Züchtung notwendige Sauerstoff zur Verfügung steht.
Auch läßt sich auf diesem Wege eine Fehldosierung mit Sicherheit vermeiden.
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Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt in der
Möglichkeit, daß mit der Sauerstoff-Meßanordnung die verschiedensten Partien des
Züchtungsgefäßinhaltes ausgetestet werden können, so daß sich klar erkennen läßt,
ob in einem umschriebenen Bereich des Züchtungsgefäßes etwa ein geringeres Sauerstoffniveau
herrscht als in den übrigen Teilen. Durch solche Zonen der Sauerstoffarmut können
Störungen des Züchtungsverlaufs verursacht werden, die durch das erfindungsgemäße
Verfahren ebenfalls ausgeschaltet werden können. Dagegen gab es bisher keine Möglichkeit,
solche Zonen zu erkennen.
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Von ganz besonderer Wichtigkeit ist ferner noch ein weiterer Vorteil
des erfindungsgemäßen Verfahrens. Durch die laufende Kontrolle des gelösten Sauerstoffs
kann beispielsweise erkannt werden, daß die Kapazität eines Belüftungssystems für
eine bestimmte Zulaufmenge nicht ausreicht. Es zeigt sich dann ein Absinken der
Stromkurve, das durch Erhöhung der Luftmenge nicht ausgeglichen werden kann. Es
wird also erkannt, daß der Sauerstoffverzehr größer ist als die Sauerstoffmenge,
die durch das System maximal nachgeschoben werden kann.
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Für die Messung und Bestimmung des in einem flüssigen Medium gelösten
Sauerstoffs sind in der Literatur verschiedene Methoden vorgeschlagen worden, von
denen allein die elektrometrische an die bei kontinuierlichen biotechnischen Messungen
gegebenen Verhältnisse angepaßt werden kann. Um die gestellte Aufgabe lösen zu können,
war es daher noch notwendig, zahlreiche Faktoren, wie Konzentration der Nährlösungsbestandteile,
pH-Bereich und Temperaturverlauf, so abzustimmen, daß deren durch den Züchtungsprozeß
bedingten Veränderungen keine Verfälschung der Sauerstoffmessung verursachen.
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Mit besonderem Vorteil wird nach obigem für die Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens eine Vorrichtung verwendet, welche mit einer beispielsweise aus Elektroden
und Amperemeter bestehenden Meßapparatur für die Bestimmung des Gehaltes der Nährflüssigkeit
an gelöstem Sauerstoff ausgestattet ist, die ihrerseits mit dem Regelorgan zur Dosierung
der Luftzufuhr derart gekuppelt ist, daß dasselbe ständig auf das jeweils gewünschte
Sauerstoffniveau einspielt.
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Die nachstehenden Beispiele 1 und 2 zeigen die technische Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens, das ohne Schwierigkeiten an die wechselnden Bedürfnisse
des Betriebes angepaßt werden kann. Beispiel 1 Für die Hefezüchtung wurde ein zylindrisches
Gefäß mit 300 mm Durchmesser und 500 mm Höhe (Gesamtinhalt = 351) verwendet. Zur
Belüftung wurde das bekannte Vogelbusch-System mit rotierendem Belüftungspropeller
benutzt. Die Gesamtnährstoffmenge betrug 1 kg Melasse und 50'% Saccharose, 16,5
g Diammonphosphat und 40,65 g Stickstoffsalze mit etwa 21% Stickstoffgehalt. Als
Stickstoffsalze dienten Ammoniumsulfat und Ammoniakwasser, das in äquivalenten Mengen
jeweils so eingesetzt wurde, daß das beabsichtigte pIi im Bereich von 4,5 bis 5.0
eingehalten werden konnte. Ebenso wurden die notwendigen Magnesiumsalze, Spurenelemente
und Wuchsstoffe ergänzt. Als Stellhefte wurden 308,5 g Backhefe (handelsübliche
Ware) mit 27% Trockensubstanz angewandt. Die Gesamtmenge des für die Züchtung benötigten
Wassers wurde vorgelegt und betrug 171. Zur Anwendung kam ein Zulaufverfahren mit
10stündigem Zulauf nach bekanntem Gärschema.
Die stündlichen Melassegaben
wurden im Beispiel wie folgt gewählt: 1. Zulaufstunde .... 59/o der Melassemenge
2. Zulaufstunde .... 5 0/a der Melassemenge 3. Zulaufstunde .... 8'% der
Melassemenge 4. Zulaufstunde .... 10% der Melassemenge 5. Zulaufstunde .... 10%
der Melassemenge 6. Zulaufstunde .... 11% der Melassemenge 7. Zulaufstunde ....
14% der Melassemenge B. Zulaufstunde .... 140/a der Melassemenge 9. Zulaufstunde
.... 13'% der Melassemenge 10. Zulaufstunde .... 10'0/a der Melassemenge Die Salzgaben
richten sich bekanntlich nach den gegebenen Melassemengen und brauchen deshalb nicht
gesondert aufgeführt zu werden.
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Der Zulauf muß in Abhängigkeit von Wachstum, Qualität der Melasse
usw. entsprechend der Sauerstoffkurve in seiner ratenmäßigen Aufeinanderfolge variiert
werden. Die Züchtungstemperatur betrug 30'' C.
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Es wurde eine Einstabmeßkette aus Kunststoff nach den Vorschriften
von T öd t (Fritz Tödt, Elektrochemische Sauerstoffmessungen, Verlag Walter
de Gruyter & Co., Berlin, 1958) mit der Elektrodenkombination Goldamalgam-Eisen
verwendet. Das Meßinstrument war ein normales Mikroamperemeter der Firma Gossen.
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Die Meßkette wurde so in den Züchtungsbottich gebracht, daß sie etwa
mit ihrer Spitze 10 cm unter der unteren Schaumgrenze in die Flüssigkeit hineinragte.
Da die Stromanzeige von der Elektrodengröße abhängt, muß der Sättigungsbereich durch
Testmessungen auf dem Meßinstrument festgelegt werden.
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Im Diagramm 1 b (s. Fig. I) sind der Verlauf der Sauerstoffanzeige
für den 10stündigen Zulauf und eine halbstündige Nachbelüftung dargestellt. Der
Sättigungswert mit etwa 32 Mikroampere wurde nach 1 Stunde erreicht und konnte trotz
Luftsteigerung nicht auf seiner Höhe gehalten werden, da der Sauerstoffverzehr einerseits
und die geringere Sauerstofflöslichkeit andererseits einer Sättigung entgegenwirken.
Am Ende der Gärung betrug der Sättigungswert nur etwa 26 Mikroampere. Nach dieser
Kurve wurde die Luftdosierung eingestellt, die im Diagramm 1 a (s. Fig. I) wiedergegeben
ist.
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Mit diesem Verfahren konnten Höchstausbeuten im praktisch spirituslosen
Verfahren erzielt werden. Die Ausbeuten betrugen auf die Melasse berechnet 97,9%
Hefe mit 270/a Trockensubstanz (H27) und 0,17'% Alkohol. Daraus errechnet sich ein
technischer Wirkungsgrad von 108,2 Punkten (in der Hefepraxis wird der Wirkungsgrad
aus den Ausbeuteprozenten, die sich auf Melasse beziehen, nach folgender Formel
errechnet: W = 1,1 - Prozent H27 -I- 3 - Prozent Alkohol). Aus dem Gesamtluftverbrauch
und der geernteten Hefe errechnet sich ein relativer Luftverbrauch von 71 Luft je
Gramm H27 (neugebildet).
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Die Hefe hatte eine sehr gute Haltbarkeit, sehr gute Triebkraft und
gutes, normales Aussehen. Ihr Rohproteingehalt betrug 43,4%.
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Beispiel 2 In der gleichen Apparatur und mit derselben Meßeinrichtung
wurde ein Züchtungsverfahren angestrebt, das etwa 60'% H27 neben den entsprechenden
Alkoholmengen liefern sollte. Dazu kamen ebenfalls l kg
Melasse mit 500/a
Saccharose, 9,9 g Diammonphosphat, 4,69 g Stickstoffsalze (s. Beispiel 1) und die
erforderlichen Spurenelemente und Magnesiumsalze zur Anwendung. Eine Wuchsstoffergänzung
ist bei dieser Ausbeutehöhe nicht erforderlich. Das vorgelegte Wasser betrug 171
und die Stellhefemenge für dieses Beispiel 185,2g Backhefe mit 27'0/a Trockensubstanz.
Wegen der beabsichtigten niederen Hefeausbeute kam einer der bekannten 8stündigen
Zuläufe mit den entsprechenden Salzdosierungen zur Anwendung. Die Melasse wurde
wie folgt dosiert: 1. Zulaufstunde .... 7,5'% der Melassemenge 2. Zulaufstunde
.... 1.01/o der Melassemenge 3. Zulaufstunde .... 13 % der Melassemenge 4.
Zulaufstunde .... 14% der Melassemenge 5. Zulaufstunde .... 16,5'% der Melassemenge
6. Zulaufstunde .... 18% der Melassemenge 7. Zulaufstunde .... 13% der Melassemenge
B. Zulaufstunde .... 80/a der Melassemenge Die Züchtungstemperatur betrug
30° C.
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Das Diagramm 2 (Fig. 1I) zeigt mit seiner Kurve d den Verlauf der
Sauerstoffmessungen in Mikroampere. Nach den Eichwerten ist für diese Ausbeutehöhe
ein Sauerstoffniveau zwischen 17,5 und 15 Mikroampere einzuhalten. Die Einhaltung
dieses Niveaus machte in den ersten 3 Stunden Schwierigkeiten, weil der Sauerstoffverzehr
sehr gering ist und andere störende Faktoren, wie Gärfettgaben usw. besonders stark
sind. Nach der 3. Stunde war es möglich, durch allmählich gesteigerte Belüftung
das Niveau einzuhalten. Die benötigte Luftmenge ergibt sich aus der Kurve c der
Fig.1I. Auch hier war das eingehaltene pH 4,5 bis 5,0.
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An Ausbeute wurden erzielt: 62,3 % H27 und 12,2% Alkohol. Das ergibt
einen Wirkungsgrad von 105,1. Die Qualität der Hefe entsprach der des Beispiels
1. Der Rohproteingehalt betrug 40,2%.
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Die Einhaltung des gewünschten Sauerstoffniveaus kann auch unter Verwendung
einer bekannten Automatik erfolgen. Als Beispiel gelte das in Fig. III gegebene
Schema. Den mit den Elektroden E gemessenen Sauerstoffwert zeigt das Amperemeter
A an. Dieser Strommesser A wirkt über eine Reglereinrichtung R auf die Steuerung
St der Luftmaschine L ein. Sinkt beispielsweise der Sauerstoffwert unter das gewünschte
Niveau, so wird der Regler so beeinffußt, daß über die Steuerung die Luftmaschine
so lange mehr Luft liefert, bis das gewünschte Sauerstoffniveau wieder erreicht
ist. Steigt andererseits das Sauerstoffniveau zu hoch an, so wird die Luftmenge
so lange vermindert, bis das gewünschte Sauerstoffniveau ebenfalls wieder erreicht
ist. Auf diese Weise kann mit Hilfe der Automatik (Reglereinrichtung) über das Sauerstoffniveau
die Ausbeutehöhe für Hefe genauestens eingehalten werden.