DE1517814B2

DE1517814B2 - Verfahren und vorrichtung zur kontinuierlichen behandlung von fluessigkeiten mit enzymproduzierenden mikroorganismen

Info

Publication number: DE1517814B2
Application number: DE1966J0031689
Authority: DE
Inventors: Auf Nichtnennung Antrag
Original assignee: Intermag Getränke-Technik AG, Aarau (Schweiz)
Priority date: 1966-09-02
Filing date: 1966-09-02
Publication date: 1976-11-18
Also published as: DE1517814A1; CH489601A; FR1589364A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur kontinuierlichen Behandlung von Flüssigkeiten mit enzymproduzierenden Mikroorganismen hoher Konzentration, vorzugsweise zur Gärung von alkoholischen Getränken wie Wein, Bier oder Sekt oder zur Säurereifung von Rahm zur Käseherstellung mittels Lab sowie auch eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Kontinuierliche Vergärungen von Würze in Gegenwart von Hefe zur Bierherstellung sind aus der britischen Patentschrift 8 72 395 sowie den deutschen Auslegeschriften 12 05 041 und 12 07 324 bekannt. Die ersteren beiden Druckschriften betreffen zweistufige Gärverfahren, bei denen ein Gemisch aus Würze, Hefe und Luft in einem ersten Behälter unter intensivem Rühren kontinuierlich der Gärung unterworfen und das Gemisch in einem zweiten Behälter unter schwächerem Rühren weitervergoren wird, worauf die Hefe abgetrennt und die vergorene Würze nach Kühlung unter Abtrennung der Hefe abgeführt wird. Die letztgenannte deutsche Auslegeschrift beschreibt das kontinuierliche Vergären von Würze in Gegenwart von Hefe hoher Konzentration in einem schlanken Gärturm, der an seinem unteren Ende Zuführungen für Würze und Luft aufweist und mit einer Hefeabsetzkammer am oberen Ende in Verbindung steht, wobei über die ganze Länge des Gärturmes sich über den Querschnitt desselben erstreckende perforierte Verteilereiemente angebracht sind. Mit einer solchen Vorrichtung sei es möglich, mit Hefekonzentrationen von etwa 20 bis 60% zu arbeiten und damit den Gärprozeß entsprechend zu beschleunigen.

Insbesondere aus der DT-PS 3 40 904 ist die Vergärung von Zuckerlösungen mittels an Trägermaterial fixierter Hefe (»Fesselgärung«) bekannt. Bei diesem Verfahren wird jedoch nicht mit einer Anschwemmschicht auf einem porösen Körper gearbeitet.

Alle diese bekannten Verfahren besitzen jedoch den Nachteil, daß die Hefe in der Würze suspendiert wird, so daß sie in der zu vergärenden Würze in nur verhältnismäßig geringer Konzentration von etwa 2 bis 5% vorliegt. Da es jedoch bekannt ist, daß die Gärgeschwindigkeit eine Funktion der Hefe- bzw. Enzymkonzentration ist, bieten die Verfahren in dieser Beziehung keinen Vorteil gegenüber diskontinuierlichen Verfahren. Gemäß der deutschen Auslegeschrift 12 07 324 soll mit sehr hohen Hefekonzentrationen zwischen 20 und 60% gearbeitet werden, indem man versucht, in einem Gärturm die Hefe durch direkte Abstützung mit Hilfe von Stützelementen und durch die Verteilung der Strömung der Fermentationsgase über den Querschnitt des Turmes in einem Zustand der Suspension zu halten. Auch bei diesem Verfahren ist jedoch die Enzymkonzentration nur zu Beginn des Verfahrens groß, während bei kontinuierlicher Verfahrensführung die Hefe sehr schnell nach oben in die Absetzkammer mitgerissen und damit verdünnt wird.

Ein weiterer Nachteil der bekannten Verfahren ist der, daß das Bier nur sehr unvollstä-ndig'von der Hefe "25 getrennt wird, so daß eine zusätzliche Filtrationsstufe angeschlossen werden muß. Weiterhin ist es nachteilig, daß die Hefezellen im Laufe des Gärverfahrens absterben und damit verbraucht werden, so daß nach einiger Zeit das Verfahren unterbrochen und die gesamte Anlage entleert werden muß.

Aufgabe der Erfindung war es daher, ein Verfahren zur kontinuierlichen Behandlung von Flüssigkeiten mit enzymproduzierenden Mikroorganismen, wie beispielsweise zur kontinuierlichen Behandlung von Würze mit Hefe, zu schaffen, bei dem die Vergärungszeiten dadurch sehr beachtlich herabgesetzt werden, daß man die Enzymkonzentration in der Gärkammer so stark wie möglich steigert. Außerdem bezweckt das Verfahren, mit möglichst raumsparenden Apparaten auskommen zu können, die leicht gehandhabt werden können und aus denen nach dem Verbrauch der enzymproduzierenden Mikroorganismen diese ohne langwierige Montagearbeiten vollständig entfernt werden können. Schließlich soll es nach dem Verfahren auch möglich sein, unter Temperaturerhöhung über das bisher bekannte Optimum für die betreffenden Enzymsysteme hinaus und unter Druckerhöhung zu arbeiten, um so die Behandlungszeit weiter herabsetzen zu können. Schließlich bezweckt die vorliegende Erfindung auch?

eine besonders konstruierte Apparatur zur Durchführung dieses Verfahrens zu liefern.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist im Patentanspruch 1 angegeben.

Der Einfachheit halber sei das Verfahren nachfolgend anhand der Vergärung von Würze in Gegenwart von Hefe zu Bier erläutert, wobei jedoch ausdrücklich darauf hingewiesen wird, daß das Verfahren auch für jede andere Behandlung von Flüssigkeiten mit Enzymen geeignet ist, wie beispielsweise die Gärung anderer alkoholischer Getränke wie Wein oder Sekt sowie etwa die Säurereifung von Rahm zur Käseherstellung mittels Lab.

Zweckmäßigerweise geht man bei dem Verfahren nach der Erfindung so vor, daß man die Mikroorganismen, hier beispielshalber Hefe, in einer wäßrigen Aufschlämmung durch die Einlaßöffnung einer Gärkammer einpumpt, deren Auslaßöffnung aus einem porösen Körper wie beispielsweise einer frittenartigen porösen

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Platte besteht. Da die Poren des porösen Körpers so klein sind, daß die Zellen auf ihm in der Gärkammer zurückgehalten werden, während das Aufschlämmwasser durch ihn hindurchtritt, sammeln sich die Zellen als Anschwemmung auf dem porösen Körper an. Danach wird kontinuierlich die zu behandelnde Flüssigkeit, wie hier beispielsweise Würze für die Biergewinnung, durch die Gärkammer hindurchgeleitet, bis die Mikroorganismen in der Gärkammer verbraucht sind. Sodann wird die Durchleitung der zu behandelnden Flüssigkeit kurzfristig unterbrochen und die verbrauchten Zellen etwa durch Rückspülen aus der Gärkammer entfernt. Nachfolgend werden erneut suspendierte Zellen in die Gärkammer eingepreßt und danach erneut zu behandelnde Flüssigkeit, wie beispielsweise Würze, kontinuierlich hindurchgeleitet.

Es ist zu ersehen, daß die zeitweilige Unterbrechung des kontinuierlichen Verfahrens nach der Erfindung zwecks Entfernung der verbrauchten Zellen nur kurzfristig ist und daher für die Praxis kaum ins Gewicht fällt

Statt die Mikroorganismen vor dem Hindurchleiten der zu behandelnden Flüssigkeit in die Gärkammer einzuführen, können diese auch der zu behandelnden Flüssigkeit selbst in der für die Anschwemmung erforderlichen Menge zugesetzt werden, wobei sie sich ebenfalls als Anschwemmung auf dem porösen Körper am Auslaßende der Gärkammer absetzen.

Besonders zweckmäßig ist es, bei dem Verfahren nach der Erfindung die zu behandelnde Flüssigkeit durch zwei oder mehrere hintereinandergeschaltete Gärkammern hindurchzuleiten, wodurch die Vergärungsgeschwindigkeit stark erhöht wird und der stets während des Vergärens auftretende Aktivitätsverlust während eines großen Teils der Behandlungsperiode vernachlässigt werden kann. Das Arbeiten mit mehreren hintereinandergeschalteten porösen Körpern mit darauf angeschwemmten Mikroorganismen bzw. mit mehreren hintereinanderliegenden Gärkammern hat den weiteren Vorteil, daß man mit verschiedenen Zellen, wie beispielsweise verschiedenen Hefesorten, arbeiten kann, die zu einer unterschiedlichen Vergärungsgeschwindigkeit führen.

Zweckmäßigerweise wird bei dem vorliegenden Verfahren die Flüssigkeit durch die Behandlungskammern unter Druck durchgepreßt. Außerdem arbeitet man günstigerweise bei erhöhten Temperaturen, da auf diese Weise die Gärgeschwindigkeit weiter erhöht werden kann.

Bei bisher bekannten Gärverfahren war man der Auffassung, daß die Temperatur der zu behandelnden Flüssigkeit, wie Würze für die Biergewinnung, über das für die verwendeten Mikroorganismen bekannte Temperaturoptimum hinaus nicht gesteigert werden könne, ohne diese in beachtlichem Maße zu zerstören und damit die Vergärungsgeschwindigkeit herabzusetzen. Bei dem vorliegenden Verfahren, bei dem die Enzymkonzentration in der Behandlungszone sehr groß ist, fand man, daß ein durch Temperaturerhöhung über das Optimum für die betreffender! Mikroorganismen hinaus verursachter Aktivitätsverlust keine wesentlichen nachteiligen Folgen auf das Verfahren ausübt und die Vorteile der durch die Temperaturerhöhung bewirkten Beschleunigung der Gärung diesen Nachteil weit übersteigen. Daher ist es besonders vorteilhaft, bei dem Verfahren nach der Erfindung die Temperatur der zu behandelnden Flüssigkeit, etwa durch in den Gärkammern angeordnete Heizelemente, über das für den betreffenden Mikroorganismus bekannte Optimum hinaus zu steigern. Auch kann man bei Verwendung mehrerer Behandlungskammern von Kammer zu Kammer steigende oder fallende Temperaturen anwenden.

Schließlich ist es in vielen Fällen auch zweckmäßig, zusammen mit der zu behandelnden Flüssigkeit, wie Würze für die Biergewinnung, Sauerstoff oder Stickstoff in die Gärkammer einzublasen.

Die Vorteile des vorliegenden Verfahrens gegenüber bekannten Verfahren liegen in erster Linie darin, daß die Verweilzeiten in der Behandlungszone sehr stark herabgesetzt werden können, da infolge der hohen Enzymkonzentration in der Anschwemmung der Mikroorganismen in der Behandlungskammer die chemischen Umwandlungen, wie beispielsweise die Gärung oder Säurereifung von Rahm, sehr viel schneller verlaufen. Aus diesem Grunde benötigt man nach dem vorliegenden Verfahren sehr viel kleinere Apparaturen als nach dem Stand der Technik zur Gewinnung gleicher Mengen behandelter Flüssigkeit und spart Arbeitszeit und Arbeitskräfte ein. Durch diesen schnellen Durchsatz der zu behandelnden Flüssigkeit'durch die Behandlungszone kann man außerdem den Verfahrensdruck und die Verfahrenstemperatur über das bisher bekannte Optimum hinaus erhöhen, da durch den dabei erzielten Zeitgewinn durch weitere Herabsetzung der Behandlungszeit die Nachteile durch erhöhten Aktivitätsverlust ausgeglichen und vernachlässigt werden können. Ein weiterer Vorteil des Verfahrens liegt darin, daß bei den geringen Ausmaßen der erforderlichen Apparatur nach gewisser Zeit der stets auch bei bekannten Verfahren erforderliche Austausch der Mikrorganismen mühelos und in sehr kurzer Zeit durchgeführt werden kann.

Im Patentanspruch 2 ist eine Vorrichtung zur Durchführung des beanspruchten Verfahrens angegeben. Eine vorteilhafte Ausgestaltung dieser Vorrichtung nennt der Patentanspruch 3.

Zur weiteren Erläuterung des Verfahrens nach der Erfindung wird nachfolgend diese Vorrichtung sowie deren Verwendung beschrieben. Diese Vorrichtung besitzt wenigstens eine Kammer mit zwei wechselweise durch Aßsperrorgane zu verschließenden Einlaßöffnungen für die Mikroorganismen und die zu behandelnde Flüssigkeit und eine durch einen porösen Körper gebildete Auslaßöffnung für die Flüssigkeit sowie eine mit der Auslaßöffnung in Verbindung stehende Sammelleitung für die aus der Kammer austretende Flüssigkeit.

Zweckmäßigerweise besitzt die Vorrichtung eine oder mehrere hintereinandergeschaltete Kammern mit je einer Einlaßöffnung für die Mikroorganismen und je einer Einlaß- und Auslaßöffnung für die zu behandelnde Flüssigkeit, wobei jeweils der die Auslaßöffnung bildende poröse Körper der vorausgehenden Kammer die Einlaßöffnung für die nachfolgende Kammer bildet, sowie eine mit der Auslaßöffnung der letzten Kammer in Verbindung stehende Sammelleitung. Sofern die porösen Körper nach einer zweckmäßigen Ausführungsform der Erfindung stromabwärts mit Stützelemer.ten versehen sir.d, können diese etwa aus Siebplatten bestehen, durch die die Flüssigkeit direkt in die nächste Kammer gelangt, oder vollwandige Platten sein, wobei die Flüssigkeit dann von diesen Platten in einen seitlich von den Kammern angeordneten Kanal •and von dort in die nächste Kammer umgeleitet wird. Zweckmäßigerweise können dabei in einigen oder allen hintereinandergeschalteten Kammern Einrichtungen zur Temperaturveränderung, wie Beheizung oder

Kühlung der zu behandelnden Flüssigkeit vorgesehen sein. Heizeinrichtungen können dabei zweckmäßigerweise aus parallel zu den porösen Körpern angeordneten Wärmeaustauscherplatten bestehen, die Durchbrechungen aufweisen, durch die die zu behandelnde Flüssigkeit hindurchtritt.

Anhand der Zeichnung, die eine Ausführungsform der Vorrichtung zur Durchführung des vorliegenden Verfahrens wiedergibt, wird die Erfindung weiter erläutert.

Mit Hilfe einer von Hand betriebenen Druckvorrichtung tO werden die beiden Druckdeckel 1 und 9 gegen drei zwischen ihnen angeordnete Behandlungskammern 6, 6a und 66 gepreßt. Diese Behandlungskammern sind in Reihe hintereinandergeschaltet und werden durch poröse Platten 5,5a und 5b, die durch Stützelemente 4, 4a und 4b verstärkt sind, voneinander getrennt.

Die Rohrleitung 2, die seitliche Öffnungen zu jeder der Behandlungskammern 6,6a und 6b besitzt, dient als Zuführungsleitung für eine Suspension der Mikroorganismen beispielsweise in Wasser. Mit Hilfe eines in der Rohrleitung 2 verschiebbar gelagerten Rohrstutzens 8, der ebenfalls seitliche Öffnungen aufweist, können die Einlaßöffnungen zu den Behandlungskammern wahlweise verschlossen oder geöffnet werden. Eine zweite Rohrleitung 3, die zur Einführung der zu behandelnden Flüssigkeit in die erste Behandlungskammer 6 dient, kann durch einen ähnlichen Rohrstutzen 7 verschlossen werden. Die Sammelleitung 11 dient der Abführung der aus der letzten Behandlungskammer 6b austretenden fertig behandelten Flüssigkeit.

Beim Betrieb der beschriebenen Vorrichtung wird zuerst mit Hilfe des Rohrstutzens 7 die Einlaßöffnung für die zu behandelnde Flüssigkeit in der Rohrleitung 3 verschlossen. Darauf wird durch Rohrleitung 2 und die Einlaßöffnungen dieser Rohrleitung zu den Behändlungskammern 6,6a und 6b eine wäßrige Suspension der Mikroorganismen in die Behandlungskammern gepumpt, wobei die Flüssigkeit der Suspension durch die porösen Platten 5, 5a und 5b sowie durch die Sammelleitung 11 abgezogen wird und sich die Mikrooragnismen als Anschwemmung in den Behandlungskammern auf den porösen Platten ansammeln. Daraufhin werden mit Hilfe des Rohrstutzens 8 die Einlaßöffnungen der Rohrleitung 2 zu den Behandlungskammern 6, 6a und 6b verschlossen, und die Einlaßöffnung der Rohrleitung 3 zu der ersten Behandlungskammer 6 wird durch Betätigung des Rohrstutzens 7 geöffnet. Nunmehr wird durch die Rohrleitung 3 die zu behandelnde Flüssigkeit durch die hintereinandergeschalteten Behandlungskammern 6,6a und 6b hindurchgepumpt und tritt aus der Behandlungskammer 6b in die Sammelleitung 11 aus. Dabei durchströmt die Flüssigkeit in jeder der Behandlungskammern zuerst die auf der porösen Platte abgelagerte Anschwemmung der Mikroorganismen und anschließend die poröse Platte selbst. In den Behandlungskammern 6, 6a und 6b können außerdem nicht dargestellte Wärmeaustauschplatten vorgesehen sein, die Durchbrechungen aufweisen, durch welche die Flüssigkeit hindurchströmt. Diese Platten können entweder zur Kühlung oder zur Beheizung der zu behandelnden Flüssigkeit dienen und in jeder der Behandlungskammern eine unterschiedliche Temperatur aufweisen.

Die in der Zeichnung dargestellten Merkmale der Vorrichtung können in mannigfaltiger Weise abgewandelt werden. So können beispielsweise die dargestellten Rohrstutzen 7 und 8 durch andere Absperrorgane wie übliche Ventile ersetzt werden, und die Behandlungskammern 6, 6a und 6b können mit getrennten Zuführungsleitungen für die Mikroorganismen versehen sein, so daß man in die einzelnen Behandlungskammern unterschiedliche Mikroorganismen einführen kann.

Die folgenden Beispiele dienen der weiteren Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Beispiel 1

In einem Laboratoriumsversuch wurde die oben beschriebene Vorrichtung mit nur einer Kammer zur Vergärung von Bierwürze mit Hilfe von Hefe verwendet. Dabei wurde zu Beginn des Versuches gewaschene und abgepreßte Brauereihefe als zähflüssige Masse in Wasser aufgeschlämmt in die Behandlungskammer in einer solchen Menge eingeführt, daß sich auf der porösen Platte mit einer Fläche von 20 χ 20 ein Hefekuchen mit einer Stärke von 30 mm absetzte. <^<: Nunmehr wurde Ausgangsbierwürze von 13,2% Gesamtextrakt durch die Behandlungskammer, den Hefekuchen und die poröse Platte hindurchgepumpt. Dabei wurde zu Beginn des Versuches das in dem Hefekuchen noch enthaltene Wasser von der Bierwürze ausgespült, so daß der Vorlauf des Verfahrens weggeworfen wurde. Die Temperatur in der Behandlungskammer wurde auf 14° C gehalten. Die Kontaktzeit der Bierwürze in dem Hefekuchen betrug etwa 2 min.

Der scheinbare Extrakt des aus der Behandlungskammer austretenden Bieres betrug 4,2%.

Dieser Versuch zeigt, daß es nach der vorliegenden Erfindung gelingt, in einem kontinuierlichen Verfahren mit Kontaktzeiten der Bierwürze mit der Hefe von nur etwa 2 min übliche Vergärungsgrade zu erhalten, die bisher nur bei Kontaktzeiten von vielen Stunden erreichbar waren.

Beispiel 2

Nach der grundsätzlichen Arbeitsweise gemäß Beispiel 1 wurde Melasse mit einer Saccharose-Konzen- ,( tration von 78,6 g/l bei einer Durchflußleistung von 24 l/h-m² bis auf 5,18 Volumen-% Äthanol vergoren. Das entspricht einer Ausbeute von 97%. Bei 26 1/h-m² Durchfluß ergaben sich 5,22 Volumen-% Äthanol, was einer Ausbeute von 99% entspricht

Beispiel 3

Durch Variation der Durchflußgeschwindigkeit bzw. der Anzahl der Passagen durch Hefe-Anschwemmschichten kann ein erwünschter Restzuckergehalt eingestellt werden. So wurde Most mit einer Zuckerkonzentration von 175 g Glucose bzw. Fructo.se je Liter nach der ersten Passage auf 7,1 Volumen-% Äthanol abgebaut bei einem Rest-Zuckergehalt von 78 g/l, nach der zweiten Passage jedoch auf 9,4 Volumen-%Äthanol bei einein erwünschten Rest-Zuckergehalt von 20 g/l.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur kontinuierlichen Behandlung von Flüssigkeiten mit enzymproduzierenden Mikroorganismen hoher Konzentration, bei dem die Flüssigkeit an fixierten Mikroorganismen vorbeigeieitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß man die Flüssigkeit durch eine Anschwemmung der Mikroorganismen auf wenigstens einem porösen Körper und durch den porösen Körper hindurch leitet, dessen Porenweite so bemessen ist, daß die Mikroorganismen im wesentlichen vollständig auf dem porösen Körper zurückgehalten werden, der Durchtritt der zu behandelnden Flüssigkeit aber gestattet wird.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch wenigstens eine Kammer mit zwei wechselweise durch Absperrorgane (7,8) zu verschließenden Einlaßöffnungen (2, 3) für die Mikroorganismen und die zu behandelnde Flüssigkeit, einer durch einen porösen Körper (5,5a, 5b) gebildeten Auslaßöffnung für die Flüssigkeit und einer mit der Auslaßöffnung in Verbindung stehenden Sammelleitung (11) für die aus der Kammer austretende Flüssigkeit.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die porösen Körper (5, 5a, 5b) zusätzlich durch Stützelemente (4, Aa, 4b) zur Druckbeaufschlagung verfestigt sind.