DE1517814C3 - Verfahren und Vorrichtung zur kontinuierlichen Behandlung von Flüssigkeiten mit enzymproduzierenden Mikroorganismen - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur kontinuierlichen Behandlung von Flüssigkeiten mit enzymproduzierenden MikroorganismenInfo
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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 Verteilerelemente 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 unvollständig von der Hefe
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 enzymproduzierenddn
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 aucfi, eine besonders konstruierte Apparatur zur Durchführung dieses Verfahrens zu liefern.
Schließlich bezweckt die vorliegende Erfindung aucfi, 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
3 4
Platte besteht. Da die Poren des porösen Körpers so den betreffenden Mikroorganismus bekannte Optimum
klein sind, daß die Zellen auf ihm in der Gärkammer hinaus zu steigern. Auch kann man bei Verwendung
zurückgehalten werden, während das Aufschlämmwas- mehrerer Behandlungskammern von Kammer zu
ser durch ihn hindurchtritt, sammeln sich die Zellen als Kammer steigende oder fallende Temperaturen anwen-
Anschwemmung auf dem porösen Körper an. Danach 5 den.
wird kontinuierlich die zu behandelnde Flüssigkeit, wie Schließlich ist es in vielen Fällen auch zweckmäßig,
hier beispielsweise Würze für die Biergewinnung, durch zusammen mit der zu behandelnden Flüssigkeit, wie
die Gärkammer hindurchgeleitet, bis die Mikroorganis- Würze für die Biergewinnung, Sauerstoff oder Stickstoff
men in der Gärkammer verbraucht sind. Sodann wird in die Gärkammer einzublasen.
die Durchleitung der zu behandelnden Flüssigkeit io Die Vorteile des vorliegenden Verfahrens gegenüber
kurzfristig unterbrochen und die verbrauchten Zellen bekannten Verfahren liegen in erster Linie darin, daß
etwa durch Rückspülen aus der Gärkammer entfernt die Verweilzeiten in der Behandlungszone sehr stark
Nachfolgend werden erneut suspendierte Zellen in die herabgesetzt werden können, da infolge der hohen
Gärkammer eingepreßt und danach erneut zu behan- Enzymkonzentration in der Anschwemmung der Mi-
delnde Flüssigkeit, wie beispielsweise Würze, kontinu- 15 kroorganismen in der Behandlungskammer die chemi-
ierlich hindurchgeleitet. sehen Umwandlungen, wie beispielsweise die Gärung
Es ist zu ersehen, daß die zeitweilige Unterbrechung oder Säurereifung von Rahm, sehr viel schneller
des kontinuierlichen Verfahrens nach der Erfindung verlaufen. Aus diesem Grunde benötigt man nach dem
zwecks Entfernung der verbrauchten Zellen nur vorliegenden Verfahren sehr viel kleinere Apparaturen
kurzfristig ist und daher für die Praxis kaum ins Gewicht 20 als nach dem Stand der Technik zur Gewinnung gleicher
fällt. Mengen behandelter Flüssigkeit und spart Arbeitszeit
Statt die Mikroorganismen vor dem Hindurchleiten und Arbeitskräfte ein. Durch diesen schnellen Durchsatz
der zu behandelnden Flüssigkeit in die Gärkammer der zu behandelnden Flüssigkeit durch die Behandlungseinzuführen,
können diese auch der zu behandelnden zone kann man außerdem den Verfahrensdruek und die
Flüssigkeit selbst in der für die Anschwemmung 25 Verfahrenstemperatur über das bisher bekannte Optierforderlichen
Menge zugesetzt werden, wobei sie sich mum hinaus erhöhen, da durch den dabei erzielten
ebenfalls als Anschwemmung auf dem porösen Körper Zeitgewinn durch weitere Herabsetzung der Behandam
Auslaßende der Gärkammer absetzen. lungszeit die Nachteile durch erhöhten Aktivitätsverlust
Besonders zweckmäßig ist es, bei dem Verfahren ausgeglichen und vernachlässigt werden können. Ein
nach der Erfindung die zu behandelnde Flüssigkeit 30 weiterer Vorteil des Verfahrens liegt darin, daß bei den
durch zwei oder mehrere hintereinandergeschaltete geringen Ausmaßen der erforderlichen Apparatur nach
Gärkammern hindurchzuleiten, wodurch die Vergä- gewisser Zeit der stets auch bei bekannten Verfahren
rungsgeschwindigkeit stark erhöht wird und der stets erforderliche Austausch der Mikrorganismen mühelos
während des Vergärens auftretende Aktivitätsverlust und in sehr kurzer Zeit durchgeführt werden kann,
während eines großen Teils der Behandlungsperiode 35 Im Patentanspruch 2 ist eine Vorrichtung zur
während eines großen Teils der Behandlungsperiode 35 Im Patentanspruch 2 ist eine Vorrichtung zur
vernachlässigt werden kann. Das Arbeiten mit mehre- Durchführung des beanspruchten Verfahrens angege-
ren hintereinandergeschalteten porösen Körpern mit ben. Eine vorteilhafte Ausgestaltung dieser Vorrichtung
darauf angeschwemmten Mikroorganismen bzw. mit nennt der Patentanspruch 3.
mehreren hintereinanderliegenden Gärkammern hat Zur weiteren Erläuterung des Verfahrens nach der
den weiteren Vorteil, daß man mit verschiedenen Zellen, 40 Erfindung wird nachfolgend diese Vorrichtung sowie
wie beispielsweise verschiedenen Hefesorten, arbeiten deren Verwendung beschrieben. Diese Vorrichtung
kann, die zu einer unterschiedlichen Vergärungsge- besitzt wenigstens eine Kammer mit zwei wechselweise
schwindigkeit führen. durch Absperrorgane zu verschließenden Einlaßöffnun-
Zweckmäßigerweise wird bei dem vorliegenden gen für die Mikroorganismen und die zu behandelnde
Verfahren die Flüssigkeit durch die Behandlungskam- 45 Flüssigkeit und eine durch einen porösen Körper
mern unter Druck durchgepreßt. Außerdem arbeitet gebildete Auslaßöffnung für die Flüssigkeit sowie eine
man günstigerweise bei erhöhten Temperaturen, da auf mit der Auslaßöffnung in Verbindung stehende Sammel-
diese Weise die Gärgeschwindigkeit weiter erhöht leitung für die aus der Kammer austretende Flüssigkeit,
werden kann. Zweckmäßigerweise besitzt die Vorrichtung eine
werden kann. Zweckmäßigerweise besitzt die Vorrichtung eine
Bei bisher bekannten Gärverfahren war man der 50 oder mehrere hintereinandergeschaltete Kammern mit
Auffassung, daß die Temperatur der zu behandelnden je einer Einlaßöffnung für die Mikroorganismen und je
Flüssigkeit, wie Würze für die Biergewinnung, über das einer Einlaß- und Auslaßöffnung für die zu behandelnde
für die verwendeten Mikroorganismen bekannte Tem- Flüssigkeit, wobei jeweils der die Auslaßöffnung f
peraturoptimum hinaus nicht gesteigert werden könne, bildende poröse Körper der vorausgehenden Kammer
ohne diese in beachtlichem Maße zu zerstören und 55 die Einlaßöffnung für die nachfolgende Kammer bildet,
damit die Vergärungsgeschwindigkeit herabzusetzen. sowie eine mit der Auslaßöffnung der letzten Kammer
Bei dem vorliegenden Verfahren, bei dem die in Verbindung stehende Sammelleitung. Sofern die
Enzymkonzentration in der Behandlungszone sehr groß porösen Körper nach einer zweckmäßigen Ausfüh-
ist, fand man, daß ein durch Temperaturerhöhung über rungsform der Erfindung stromabwärts mit Stützele-
das Optimum für die betreffenden Mikroorganismen 60 menten versehen sind, können diese etwa aus
hinaus verursachter Aktivitätsverlust keine wesentli- Siebplatten bestehen, durch die die Flüssigkeit direkt in
chen nachteiligen Folgen auf das Verfahren ausübt und die nächste Kammer gelangt, oder vollwandige Platten
die Vorteile der durch die Temperaturerhöhung sein, wobei die Flüssigkeit dann von diesen Platten in
bewirkten Beschleunigung der Gärung diesen Nachteil einen seitlich von den Kammern angeordneten Kanal
weit übersteigen. Daher ist es besonders vorteilhaft, bei 65 und von dort in die nächste Kammer umgeleitet wird,
dem Verfahren nach der Erfindung die Temperatur der Zweckmäßigerweise können dabei in einigen oder allen
zu behandelnden Flüssigkeit, etwa durch in den hintereinandergeschalteten Kammern Einrichtungen
Gärkammern angeordnete Heizelemente, über das für 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 10 werden die beiden Druckdeckel 1 und 9 gegen
drei zwischen ihnen angeordnete Behandlungskammern 6, 6a und 6b 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 66 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.
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.
Nach der grundsätzlichen Arbeitsweise - gemäß Beispiel 1 wurde Melasse mit einer Saccharose-Konzentration
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.
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. Fructose 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 VoIumen-%Äthanol
bei einem erwünschten Rest-Zuckergehalt von 20 g/l.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (3)
1. Verfahren zur kontinuierlichen Behandlung von Flüssigkeiten mit enzymproduzierenden Mikroorganismen
hoher Konzentration, bei dem die Flüssigkeit an fixierten Mikroorganismen vorbeigeleitet 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, 4a, 4b) zur Druckbeaufschlagung verfestigt sind.
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