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Verfahren und Vorrichtung zum Ausscheiden
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von Trübstoffen aus einer zu vergärenden Flüssigkeit Die Erfindung
betrifft ein Verfahren zum Ausschellen von Trisbstoffen aus einer in eirem Gärbehälter
befindlichen zu vergerenden Flüssigkeit, in der die schweren Trübstoffe enthaltenden
Bestandteile sich gegenläüfig zu den leichtercn abwärts bewegen.
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Ein solcher Vorgnng tritt beispielsweise bei der Bier-Herstellung
auf, aber auch beim Gären von Wein und anderen Flüssigkeiten, wo die entstehende
Kohlensäure nach oben steigt und gärstarke Hefe mitnimmt, während die Trübstoffe,
bei Bier insbesondere der sogenannte Kuhltrub infolge seiner relativen Schwere die
Tendenz hat sioh nach unten zu bewegen und allmählich
sich nach
unten zu bewegen und allmählich am Boden des Gefässes abzusetzen. Bei der Bier-Herstellung
verläuft das bekannte Verfahren im wesentlichen so, dass zunächst der gekühlten
WUrze Hefe zugegeben wird und die Flüssigkeit in einen sog. Anstell- oder Sedimentationsbehälter
eingelassen wird. Die Wurz.e beginnt durch die Hefezugabe bereits zu giren, wobei
der Kühltrub sich am Boden absetz-t; bei eillcn anderen Verfahren un-ter Zufuhr
von atmosphärischer Luft erfolgt das Absetzen an der Oberfläche infolge Verbindungmit
Sauerstoff. Erst nach dieser Vorstufe des Verfahrens wird die Würze in den Hauptbeli@ter
also den eigentlichen Gärbehälter überführt, wobei der Kühltrub entweder am Boden
oder an der Oberfläche im Anstellbehälter zurückbleibt. Innerhalb von beispielsweise
7 bis 8 Tager vollzieht sich die Hauptgärung, wobei sich die Hafe vermehrt.
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Die dabei entstehende Wärme erfordert eine laufende Kühlung, wobei
sich Hefe in dünner Schicht am Boden des Gärbehälters absetzt und abgezogen werden
Inuss, bevor das entstandene Jungbier in den Behälter für die Nachgärung überführt
wird. Dabei wird nicht etwa reine Hefe abgezogen, sondern ein Gemisch von Hefe,
Kühltrub und Jungbier in Form eines relativ zähen Gemisches. Es ist also eine zweifache
Reinigung erforderlich, nämlich zunächst im Anstellbehälter und anschliessend im
Gärbehälter.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, dieses Verfahren zu vereinfachen
und Trübstoffe einschtiesslich überschüssigtr Hefe mittels eines Verfahrens zu beseitigen,
das in einem einzigen Behälter durchgeführt werden kann.
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Diese Aufgabe wird nach der Erfindung durch ein Verfahren der eingangs
beschriebenen Art gelöst, das sich dadurch kennzeichnet, dass der Flüssigkeit während
der Garung im
unteren Bereich des Gärbehälters durch eine Querschnittsverengung
eine beschleunigte Bewegun in vertikaler Richtung erteilt wird, welche die Ansammlung
der schwereren Bestandteile unterhalb der Verengung beschleunigt und dass diese
von dort nach Bedarf entnommen werden.
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Bei diesem Verfahren kann dem Gärbehälter für die Hauptgärung die
Würze mit Kühltrub und Hefe zugeführt werden ohne dass die Beseitigung mindestens
eines grossen Anteils nn Kühltrub vorher in eino]fl Anstellbehälter erfolgt. Beim
Einsetzen der Gärung steht die entstehende Kohlensäure im unteren Teil des Gärungsbehälters
unter stärkerem Flüssigkeitsdruck und erfährt bei ihrer Aufwärtsbewegung im Bereich
der Querschnittsverengung eine erhebliche Beschleunigung, die eine Turbulenz derart
begünstigt, dass Kohlensäure mit Hefe und einem Anteil an Würze ständig nach oben
steigt, während gekühlte Würzflüssigkeit aus den oberen Bereich kontinuierlich nach
unten abströmt.
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Da der untere Teil des Behälters nicht gekühlt ist, hat er in:Colge
höherer Temperatur eine stärkere Garung mit entsprechend gesteigerter Kohlensäureentwicklung
und Hefevermchrung. Tatsächlich verlaufen, wie alXinem Glasmodell beobachtet werden
konntc, durch den engen Hals gegenläufige Strömungen, nämlich im Kern nach oben
und längs der Aussenseiten der Verengung nach unten. Dadurch ist eine ständige Zirkulation
während der Hauptgärung gewährleistet, von der die schwereren Bestandteile jedoch
weniger betroffen sind. Diese Bestandteile und insbesondere der Kühitrub setzen
sich daher relativ rasch am Boden des Behälters ab, von wo der Kühltrub innerhalb
von etwa sechs Stunden entnommen werden kann und auch verbrauchte Hefe zellen nach
Bedarf abgezogen werden können. Gemass einer bevorzugten Ausführungsform wird das
Verfahren so durchgeführt, dass jeweils, bevor eine Entnahme der abzuscheidenden
Bestandteile
erfolgt, die Verbindung zwischen dem oberen und unteren Behälterteil, also oberhalb
und unterhalb der Querschnittsverengung, durch geeignete Massnahmen gesperrt bzw.
unterbrochen wird. Dies hat den Vorteil, dass während der Entnahme aus dem oberen
Hauptteil des Behälters keine Flüssigkeit nachströmt und die Turbulenz sich zugunsten
einer kompakten Entnahme vorübergehend beruhigt.
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Weiter kann das erfindungsgemässe Verfahren vorteilhaft so durchgeführt
werden, das tlcr der Gärungsverlauf durch Ändern des Querschnitts der Verengung
gesteuert wird.
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Hierdurch lassen sich in vorteilhafter Weise Gärdauer, Gärgeschwindigkeit
sowie die Temperatur regeln.
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Das Volumen der Flüssigkeit bzw. des Behölters unterhalb der Querschnittsverengung
beträgt vorzugsweise etwa 1 bis 10 % des darüberbefindlichen Volumens, wodurch eine
Konzentration der abzuscheidenden Stoffe im unteren Bereich begünstigt wird.
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Die beispielsweise bei der Bierherstellung erforderliche Hefezugabe
zur zu vergärenden Würze kann wiederum nach einer bevorzugten DurchfUhrungsart des
erfindungsgemässen Verfahrens in der Weise erfolgen, dass Hefe für den Gärvorgang
in einen vorzugsweise lösbar vorgesehenen Behälterteil unterhalb der Querschnittsverengung
eingebracht wird.
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Dies gibt die Möglichkeit, die erforderliche Hefemenge
im unteren Teil des Behälters vorzusehen, @@@ diesen dann unterhalb der Verengung
an den ilauptteil anzuschliessen ..
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Wenn dann die Verbindung zwischen dem oberen und dem unteren Volumen
hergestellt wird, Setzt die Gärung im unteren, die
Hefe enthaltenden
Teil, mit grosser Intensität ein und verstärkt den durch die Querschnittsverengung
hervorgerufenen Turbulenzeffekt, weil zunächst nur im unteren Bereich Kohlensäure
entsteht.
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Die Erfindung betrifft weiter eine Vorrichtung zur Durchführung des
erfindungsgemässen Verfahrens mit einem Gärbehälter für die zu vergärcnde Flüssigkeit,
die sich dadurch kenrlzeichllet, dass der Boden des Behälters mit im wesenteichen
konis@er Gestalt ausgebildet und im Bereich seines unteren Endes mit einem darunter
befindlichen klelneren Gefäss verbunden ist, an das eine Entnahmeleitung angeschlossen
ist.
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In diesem Falle stellt die Verbindungsstelle des Behälters mit dem
darunter befindlichen Ge@äss die Querschnittsverengung fUr das Gesamtvolumen dar,
wobei die oben erwähnte Turbulenz einen ständigen, durch die Verengung bescllleunigten,
Austausch zwischen dem Inhalt des Behälters und dem des Gefässes bewirkt. Die zur
Einhaltung der gewünschten Gärtemperatur eriorderliche Ableitung der laufend entstehenden
Warme erfolgt dabei mindestens überwiegend am Gärbehälter, während das darunter
befindliche Gefäss wenig oder gar nicht pe-
kühlt wirdffindet dort verstärkte Gärung gegenüber dem darüber befindlichen Behälter
statt mit entsprechend vermehrter Kohlensäureerzeugung, die die Fliessgeschwindigkeit
nach oben verstärkt und damit den Antrieb für die Fldssigkeitszirkulation zwischen
dem Gärbehälter und dem darunter befindlichen Gefäss. Letzeres ist wesentlich kleiner
als der Gärbehälter, und sein Volumen sollte nicht mehr als 10 % vorzugsweise nur
1 bis 3 % vom Volumen des Gärbehälters betragen. Es besitzt daher auch eine kleinere
Bodenfläche
die eine entsprechend grössere Schichtdicke der Ablagerung
an Trübstoffen ergibt, die dadurch relativ sauber und frei von Beirnengungen, insbesondere
von zu vergärender Flüssigkeit über die Entnahmeleitung in Bodennähe nach Bedarf
beseitigt werden können0 Der Gärbehälter wird mit deIn darunter befindlichen Gefäss
zweckmässig über ein Absperrventil verbunden, das gemäss einer bevorzugten Ausführungsform
der erfindungsgemässen Vorrichtung einstellbar derart ausgebildet ist, dass ein
mehr oder weniger grosser Durchström-Querschnitt freigegeben werden kann, um damit
den Gärvorgang zu steuern, Vor einer Entnahme von im Gefäss abgelagerten Substanzen
wird das Absperrventil geschlossen,und am G@fäss ist zweckmässig eine Belüftungsvorrichtung
vorzusehen, die bei der Entnahme einen Lufteintritt in das Gefass ermögliche.
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Besonders vorteilhaft ist es;bei der Vorrichtung, ausser der Entnahmeleitung
in Bodennähe des Gefässes eine zweite Entnahmeleitung weiter oberhalb vorzusehen.
Dies ermöglicht eine Rückgewinnung von gärstarker Hefe, die sich oberhalb verbrauchter,
gärschwacher Hefe und eventueller Trübstoffe absetzt. Sie stellt ein wichtiges Nebenprodukt
dar, das auf diese Weiee mit einer erfindungsgemässen Vorrichtung sauber gewonnen
werden kann, Vorvugsweise ist am Gefäss ein Schauglas vorgesehen, das eine Kontrolle
über die jeweilige Höhe der Ablagerungen ermöglicht.
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Vorzugsweise ist das untere Gefäss an dem Gärbehälter lösbar angeschlossen.
Der Gärbehälter selbst, der erhebliche Ausmasse haben kann, besitzt natürlich eine
eigene Abstützung, so dass das Gefäss darunter nach Bedarf montiert oder
entfernt
werden kann0 Diesbezüglich ist erfindungsgemäss eine besonders vorteilhafte Art
zum Einbringen der Hefe in die Würze vorgesehen, indem in das Gefäss die gewünschte
Menge von Hefe eingegeben und dann das wenigstens teilweise gefüllte Gefäss unter
dem mit Würze gefüllten Behälter angebi-acIit> und darauf die Verbindung durch
Öffnen des Absperrventils hogestellt wird. Mit der spontan in das Gefäss eindringenden
Würze wird spontan die Gärung eingeleitet, und unter sehr lebhafter Kohlensäureentwicklung
beginnt der oben beschriehene Zirkulationsprezess zwischen dem Gärbehälter und dem
Gefäss. Nach anfänglicher Entfernung der am Boden des Gefässes sich ansammelnden
Trübstoffe und ggf.
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wahlweiser Entnahme von Hefe gleichfalls aus dem Gefäss kan@@ach Ablauf
der hauptgärung das Gefäss wieder entfernt werden, während im Gärbehälten selbst
auch nach die Nachgärung bei entsprechend eingestellter Temperatur stattfinden kann.
Dadurch entfallen alle Massnahmen der Überleitung der Würze von einer Behälter in
den andereil, weil der einzige Gärbehälter zugleich die Funlctienen des Anstellbehälters,
des hauptgärbehälters und des Nachgärbehälters übernimmt.
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Die Erfindung ist nachtehend anhand der schematischen Zeichnung beispielsweise
näher erläutert, und zwar für den Fall der Vergärung von Wurze bei der Bierherstellung.
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Die Zeichnung zeigt einen Garbehälter 1, der erhebliche Ausmasse haben
kann und oben abgebrochen dargestellt ist.
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Die Höhe kann beispielsweise bis etwa 22 m betragen. Der Behälter
1 weist einen zylindrischen Hauptteil 2 auf, dessen Boden 3 konisch gestaltet ist
und etwa 1/10 der Höhe des Gesamtbehälters einnehmen kann, mit einem Konuswinkel
von beispielsweise 75°. Der Boden 3 ist an der tiefsten Stelle
mit
einer Durchlassöffnung 4 versehen und hier über ein Absperrventil 10 mit wahlweise
einstellbarem Durchflussquerschnitt mit einem darunter befindlichen Gefäss 5 verbunden,
das wesentlich kleiner als der Behälter 1 ist.
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Sein Volumen beträgt beispielsweise nur 2 % von dem Volumen des Gärbehälters
1, und die Flache seines Bodens 6 hat nur einen Bruchteil des Querschnitts im zylindrischen
Teil 2 des Gärbehälters 1. An den Boden 6 des Gef.sses 5 anschliessende Seitenwände
7 verjüngen sich bis zu einem verengten Jialsteil 8, dessen lichter Querschnitt
etwa in der Grössenordnung der Öffnung 4 am Boden des Gärbehälters 1 liegt. Das
Absperrventil 10 ist oben und unten durch geeigenete Anschlussarmaturen mit Dichtungen
einerseits mit dem Gärbehälter 1 und andererseits mit den Genass 5 lösbar verbunden.
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In Bodennähe ist eine Entnnahmeleitung 12 mit einem Ventil 13 an das
Gefäss 5 angeschlossen und mit Abstand darüber eine zweite Entnahmeleitung 14 mit
einem Ventil 15. Im oberen Bereich nahe dem Halsteil 8 ist eine Belüftungseinrichtung
11 an das Cefäss 5 angeschlossen und weiter ein Organ 16 zur Entnahme von Proben.
Seitlich ist ein Schauelas 17 in die Wand des Cefässes 5 eingelassen, das eine visuelle
Kontrolle des Inhalts gestattet. Bei 9 ist schematisch eine Abstützung für den Gärbehälter
1 angedeutet.
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Gem. einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens
wird zunächst die den Kühltrub noch enthaltende Würze in dem Gehärbehälter 1 eingefüllt,
wobei das Absperrventil 10 zunächst geschlossen ist. In das noch nicht mit dem Gärbehälter
1 verbundene Gefäss 5 wird die für den Gär vorgang erforderliche Heremenge eingegeben
und dann das Gefäss 5 über die untere Anschlussarmatur am Absperrventil
10
mit diesem verbunden. Nachdem die Verbindung durch Öffnen des Ventils 10 hergestellt
ist, stürzt Würze aus dem Gärbehlter 1 in das Gefäss 5 und tritt dort auf die Hefe,
wodurch der Gärvorgang spontan sehr lebhaft eingeleitet wird. Unter derri Druck
der Flüssigkeitssäule im Gärbehälter 1 steigt die be@der Gärung entstehende Kohlensäure
aus dem Gefäss 5 nach. oben und wird im Bereich des Ventils 10 weil der anschliessenden
engen Querschnitte ges Gefässes 5 und des Gärbehälters 1 erheblich beschleunigt,
so dass eine heftige Aufwärtsntrömung im achsnahen Bereich des Gärbehälters 1 entsteht,
während gleichzeitig längs der gekühlten Wandbereiche des Gärbehälters 1 Würze in
das Gefäss 3 nachströmt.
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Mit der Gärung entsteht Warme im Gefäss 5, welche gleichzeitig die
gärende Hefe, die z.T. auch an der Kohlensäure haften, in den Gärbehälter 1 .* @
@ transportiert, in welchem sich der Kühltrub zunächst in der Schwebe befindet,
Jedoch laufend mit der abströmenden Würze in das Gefäss 5 gelangt Dieser Vorgang
vollzieht sich laufend, während beispielsweise etwa 5 bis 6 Stunden, inden dauernd
Kohlensäure und aktive Hefe nach oben und Würze mit Kühltrub nach unten strömt,
Infolge seiner Schwere setzt sich der Kühltrub am Boden des Gefässes 5 ab. Gleichzeitig
vermehrt sich die Hefe und das Volumen der sich vermehrenden Hefe ist im Schauglas
4 sichtbar. Der Vorgang erfolgt unter laufender Kühlung auf die bevorzugte Temperatur,
beispielsweise etwa zwischen 6 und 8°, wobei während des Hauptteils der Hauptgärung
der Oberteil
des Garbehälters 1, also der oben zylindrische Bereich
2 stärker und der Konus 3 ebenso wie das Gefäss 5 praktisch nicht gekühlt wird.
Dies begünstigt wiederum die thermische Abwärtsströmung längs der Aussenwände und
die Aufwärtsströmung aus dem relativ wärmeren Gefäss 5.
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Durch wahlweise Steuerung des engsten Durchflussquerschnitts am Absperrventil
10 kawa die Gärdauer bzw. die Gärgeschwindigkeit nach Wunsch beeinf].usst werden0
Bei einem üblichen Verlauf hat sich nach 5 bis 6 Stunden bereits praktsich der ganze
Kühltrub im Gefäss 5 über dem Boden 6 abgesetzt, während die Hauptgärung die iibliche
Zeit von 6 bis 8 Tagen weiterläuft. Erst am Ende dor Hauptgärung beispielsweise
während der letzten zwei Tage, wird auch der konische Teil 3 stark gekühlt, damit
die liefe sich absetzt.
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Ausscr dem Kühltrub setzen sich auch verbrauchte Hefe zellen am Boden
des Gefässes 5 ab und können mit diesem zusammen über die Entnahmeleitung 12 entnommen
werden0 Hierfür wird zunächst das Absperrventil 10 vorübergehend geschlossen, die
belüftungseinrichtung 11 und das Ventil 13 der Entnahme leitung 12 geöffnet. Gleichzeitig
kann nach Bedarf und Wunsch über die Entnahmeleitung 14 aktive bzw. gärstarke Hefe
entnommen werden, die sich oberhalb des Kühltrubs absetzt, da sic durch Anlagerung
an Kohlensäure leichter ist.
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Es ist ein besonderer Vorteil der Erfindung, dass der Sedimcntationsvorgang
im Gefäss 5 schon vor der Entnahme eine praktisch saubere Trennung der aktiven Hefezellen
von den übrigen Trübstoffen bei der Entnahme vorzugsweise über die getrennten Leitungen
12 und 14 ermöglicht. Es entfällt daher Jeder Aufwand an Geräten und Arbeit für
die nachträgliche Trennung der verschiedenen im Gefäss 5 sich absetzenden Substanzen.
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Proben der Flüssigkeit, also der Würzen können dem Gärbehalter 1,
zweckmässig jedoch dem oberen Bereich des Gefässes 5, über das hierfür vorgesenene
Organ 16 entnommen werden, da die Zusammensetzung infolge des lebhaften Austausches
hier praktisch die gleiche wie im Gärbehälter 1 ist.
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Weiter ist es von Vorteil, dass die über dem Boden 6 des Gefässes
5 sich anhäufonden Substanzen in relativ fester Form vorliegen und praktisch ohne
Verlust an Würze oder Jungbier beseitigt werden können. Insbesendere die gärstarke
Hefe ist hinreichend sauber und für die Wiederverwendung, gu'c. geeignet, gegenüber
der im bekannten Verfahren abgezogenen Hefe, die mit gärschwachen Bestandteilen
sowie Würze und @ungbier im allgemeinen stark vermischt ist. Die für die Trennung
erforderlichen Vibrationssiebe, Filter oder Waschanlagen sowie der Aufwand für deren
Reinigung entfällt daher bei der Erfindung. Entsprechendes gilt für den Kühltrub,
der als Viehfutter oder dgl. verwendet werden kann.
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Die Erfindung ist nicht an Einzelheiten des Ausführungsbeispiels gebunden.
Wesentlich ist die Querschnittsverengung, die statt der gezeigtn Verbindunsstelle
mit Ventil auch im Rahmen eines einzigen Behälters vorgesehen werden könnte, der
daan im unteren Bereich entsprechend mit Entnahme- und Be1'üftungseinrichtungen
zu versehen wäre. Auch kann mit nur einer Entnahmeleitung gearbeitet werden, über
die nacheinander erst Kühltrub und dann Hefe abziehbar ist. Getrennte Leitungen
erleichtern und beschleuni gen jedoch den Vorgang. Die Gestalt des Gärbehälters
und des kleinen Gefässes darunter kann anders als im Beispiel gewählt werden, und
es kann von Vorteil sein, dem Boden des Gcfässes einen zur Entnahmeleitung hin leicht
abwärts geneigten Verlauf zu geben. So könnte der
Abzug des Xühltrubs
auch etwa zentrisch von einem leicht konischen Boden erfolgen.
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Die Erfindung ist auch nicht auf dei Anwendung bei der nicht herstellung
beschränkt, sondern eignet sich für alle Arten von Verfahren, wo auszuscheidende
Stoffe in zu vergärenden Medien auftreten, beispielsweise bei der Herstellung von
Wein. Unabhängig davon, ob die zu vergärende Flüssigkeit bereits Hefe enthält oder
diese vor oder nach dem Füllen des Gärbehältern der Flüssigkeit zugegeben wird,
wirkt sich die Querschnittsscrengung günstig auf die Abscheidung der Triibstoffe
aus sowie auf die durch Turbulenz bzw. zwangsläufige Zirkulation bedingteSteigerung
der Kontaktzeit zwischen den reagierenden Substanzen. Echebliche fortschrittlich
Bedeutung kommt weiter der mit der Erfindung gegebenen Möglichkeit zu über eine
Steuerung des Durchflussquerschnitts der verengten Stelle den Gärvorgang in einem
gewünschten Sinne zti beeinflussen.
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L e e rse i te