DE4324293C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Vermehren von Hefe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Vermehren von Hefe.

Hefevermehrungsanlagen sind insbesondere aus Brauereien bekannt. Beim Bierbrauen wird die Hefe üblicherweise für mehrere Sude wiederverwendet. Nach mehrmaligem Führen der Hefe wird jedoch, um Infektionen zu vermeiden, neue Hefe aus Reinzuchthefe herangezogen. Dazu wird eine kleine Menge Reinzuchthefe, die von einer Hefebank gekauft wird, durch wiederholtes Zugeben von steriler Würze im Labor auf bis zu etwa 30 l Hefesuspension vermehrt. Da bekannt ist, daß die optimale Vermehrungsrate bei einer Verdünnung von ca. 10⁶ bis 10⁸ Zellen pro ml Suspension liegt, wird in der Praxis mehrmals nach einer bestimmten Zeit etwa die 5fache Menge Würze auf die Hefesuspension gegeben. Dabei wird die Suspension in immer größere Gefäße umgefüllt, da eine kleine, der Atmosphäre ausgesetzte Oberfläche das sterile Arbeiten erleichtert. Die Menge Hefe, die aus Reinzuchthefe heranzuziehen ist, liegt bei etwa 1/5 der Ausschlagwürze eines Sudes. Die Zeitspanne, nach der immer wieder verdünnt wird, wird derzeit im Labor empirisch durch eine einmalige Zellzahlbestimmung der Ausgangsprobe ermittelt. Danach erfolgt die Verdünnung für alle Chargen nach einem festgelegten Zeitrhythmus.

Nachteilig ist an diesem Verfahren, daß das mehrmalige Umfüllen sehr umständlich ist und einen großen Reinigungs- und Sterilisationsaufwand erfordert. Die sich aus der Dichte der Hefesuspension ergebenden optimalen Verdünnungszeitpunkte stimmen mit den einmal fix festgelegten Verdünnungszeitpunkten nur sehr ungenau überein. Wenn die Konzentration der Suspension im Verdünnungszeitpunkt zu gering ist, erhöht sich auf Grund langsamer Vermehrung der Hefezellen die Gefahr der Vermehrung von Fremdzellen. Ist die Konzentration zu hoch, verringert sich die Wachstumsgeschwindigkeit.

Bekannt ist aus der DE-PS 41 37 537 ein Verfahren zum Vermehren von Hefezellen, bei dem die zu vermehrende Würze-Hefe-Suspension durch einen Kreislauf außerhalb des Vermehrungsbehälters durchmischt wird. Beim Umpumpen wird der Suspension weitere Sterilwürze in einem vorgegebenen Mischungsverhältnis von Hefesuspension, Luft und Würze zugeführt.

Da dem Gärbehälter Sterilwürze in einem fix vorgegebenen Mischungsverhältnis von Hefesuspension, Luft und Würze zugeführt wird, ist es nicht möglich, die Würzezugabe genau an die Zelldichte in der Suspension anzupassen. Das Durchmischen soll bei diesem Verfahren eine weitgehend homogene Hefeverteilung im Gärbehälter bewirken. Dadurch ist es nicht möglich, schnell absinkende Hefezellen gezielt eher nach oben zu befördern als Hefezellen, die lange in Schwebe bleiben.

Dieses Verfahren ist auch nicht dafür geeignet, aus einer kleinen Menge Reinzuchthefe, wie etwa einem Liter, die zur weiteren Vermehrung benötigte Hefe herzuziehen. Für kleinere Mengen Würze-Hefe-Suspension ist ein großer Tank, der für die weitere Hefevermehrung konzipiert ist, nicht geeignet, da kleinere Reinzuchthefemengen in einem solchen Tank einer zu großen freien Oberfläche ausgesetzt sind. Auch ein Umwälzen, wie es bei diesem bekannten Verfahren vorgesehen ist, ist mit sehr kleinen Hefemengen nicht möglich.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu finden, um eine Würze-Hefe-Suspension im optimalen, durch die Dichte der Suspension vorgegebenen Verdünnungszeitpunkt mit weiterer Würze zu versetzen und das Arbeiten mit geringen Hefeansatzmengen zu ermöglichen.

Gelöst wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Verfahrens nach Anspruch 1 und den Merkmalen der Vorrichtung nach Anspruch 8.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Durch das Messen der Trübung in einem Kreislauf außerhalb des Gärbehälters kann in bestimmten Abständen die Dichte der Suspension genau bestimmt werden. Da die Hefe bei einer bestimmten Dichte die optimalen Vermehrungsbedingungen vorfindet, ist es ratsam, die Suspension in etwa bei dieser Zellzahldichte zu halten und erst bei Erreichen der Dichteobergrenze weiter zu verdünnen.

Die Suspension wird vorzugsweise nicht kontinuierlich umgeschichtet, da sonst die Gefahr zu groß ist, daß Hefezellen beim Durchlauf durch die Pumpe beschädigt werden.

Beim Entfernen der Suspension unten aus dem Behälter werden schnell sinkende Hefezellen früher nach oben gefördert als langsam schwebende. Da schnell sinkende Hefezellen inaktiver sind als lange schwebende Zellen, ist es vorteilhaft vorwiegend diese Zellen dem Durchlauf durch die Pumpe auszusetzen und die aktiveren Zellen zu schonen. Dies kann nur durch das erfindungsgemäße Umschichten, nicht jedoch beim Mischen der Suspension erreicht werden.

Das spezielle Umschichtverfahren ermöglicht es die Vorrichtung und das Verfahren auch zur Vermehrung obergäriger Hefe zu verwenden.

Vorteilhaft an dem Verfahren ist auch, daß nur ein Behälter benötigt wird, der nicht bewegt werden muß. Die Leitungen zum Befüllen, Entleeren, Beimpfen und Reinigen können fest angeschlossen werden, und die gesamte Anlage kann auf engstem Raum aufgestellt werden. Da das System noch nicht einmal zur Reinigung demontiert werden muß, ist die Infektionsgefahr gegenüber herkömmlichen Anlagen erheblich reduziert.

Die Anlage kann vollautomatisch arbeiten oder ohne Änderung des Konzepts und der Verrohrung halbautomatisch bzw. manuell gefahren werden. Wenn ein automatisches Trübungsmeßgerät verwendet wird, wird durch dessen Meßimpuls bei einer bestimmten Trübung die Zugabe weiterer Sterilwürze ausgelöst. Durch die Montage von pneumatischen oder magnetischen Ventilantrieben auf Handventilen kann die Anlage auch nachträglich leicht automatisiert werden. Sogar bestehende andere Anlagen sind durch die Modulbauweise der Vorrichtung leicht nachrüstbar.

Als Ausgangsmenge für das Verfahren reicht ca. 1 l Reinzuchthefe. Es müssen daher keine größeren Mengen Reinzuchthefe gekauft oder im Labor hergestellt werden.

Das Höhen-Durchmesser-Verhältnis des Gärbehälters von ca. 4 : 1 führt zu einer geringen freien Oberfläche der Suspension. Hierdurch wird ebenso wie durch das Arbeiten mit dem jeweils günstigsten Verdünnungsfaktor die Gefahr einer Infektion erheblich verringert.

Das Vermehren im günstigsten Verdünnungsbereich verkürzt auch die Belegungszeit der Anlage und verringert damit die Anlagenkosten.

Die Vorrichtung kann durch die Vorgabe eines neuen Trübungsgrenzwertes an eine andere Hefesorte sehr leicht angepaßt werden.

Zusätzliche Aggregate für z. B. Suspensionsbelüftung und Sauerstoffmessung können im Bypaß installiert werden. Das Reinigen und Sterilisieren ist dann in den normalen Prozeß zu integrieren.

Bedingt durch die Größe und das Höhen-Durchmesser-Verhältnis des Behälters können genormte Rohre als Zarge verwendet werden. Dies vermindert die Herstellungskosten erheblich im Vergleich zu bisher gefertigten Gärgefäßen.

Der kompakte Aufbau der Anlage ermöglicht es, die Vorrichtung inklusive Steuerung im Werk auf einem Grundrahmen vorzufertigen und dann schlüsselfertig zu liefern, was die Herstellungskosten weiter vermindert.

Vorteilhaft ist auch ein seitlicher Einlauf der Suspension aus Würze und Hefe unterhalb des Flüssigkeitsspiegels. Dadurch kann eine Schaumbildung vermindert werden. Dies hat wiederum zur Folge, daß der Kopfraum des Gärbehälters kleiner ausgelegt werden kann, um die Herstellungskosten zu reduzieren. Dies wird durch mehrere Abzweigungen der Umwälzleitung erreicht, welche jeweils unter die entsprechend festgelegten Flüssigkeitsspiegel seitlich in den Behälter münden. Da durch die Lage der entsprechenden Abzweigung diese während des Umwälzens mit Flüssigkeit bedeckt ist, ist auch eine umgekehrte Fließrichtung beim Umpumpen möglich. Somit ist auch eine Umwälzung bei verschiedenen Flüssigkeitsmengen gewährleistet, ohne daß Toträume entstehen.

Die Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Die Vorrichtung zum Vermehren der Hefe besteht aus einem Gärbehälter 1 und einer Umschichtvorrichtung 2.

Der Gärbehälter 1 ist ein zylindrisches Gefäß mit einem Höhen- Durchmesser-Verhältnis von etwa 4 : 1. Es läuft unten in einen Konus 3 aus und ist oben durch einen Deckel 4 abgeschlossen. Sein Nettovolumen beträgt etwa 70 l und sein Bruttovolumen etwa 93 l. Am Konus 3 ist ein Würzezulauf 5, ein Impfstutzen 6, der auch zur Probenahme geeignet ist, und ein Auslauf 7 vorgesehen. Der Würzezulauf 5 und der Auslauf 7 können auch über ein gemeinsames Rohr in das Gärgefäß 1 einmünden. Im Deckel 4 sind Bohrungen für eine Stabsonde 8, eine Sprüheinrichtung 9 der CIP-Reinigung und einen Zulauf 10 vorgesehen. Die Stabsonde 8 mißt etwa 2-3 Niveaus. Der Zulauf 10 ist sowohl mit der Umschichtvorrichtung 2 als auch mit einer Sterilbe- und -entlüftung 11 verbunden.

Die Umschichtvorrichtung 2 ist über den Auslauf 7 und den Zulauf 10 mit dem Gärbehälter 1 verbunden. An den Auslauf 7 schließt sich eine Pumpe 12 an, der ein Trübungsmeßgerät 13 zum Messen der Hefezellzahl nachgeschaltet ist. Nach dem Trübungsmeßgerät 13 sind eine Würzebelüftungsvorrichtung 14 und ein Sauerstoffmeßgerät 15 angeordnet. Das Sauerstoffmeßgerät 15 ist schließlich über eine Leitung mit dem Zulauf 10 des Gärbehälters 1 verbunden. Zwischen Sauerstoffmeßgerät 15 und Zulauf 10 ist eine Abzweigung 16 vorgesehen, über die Hefe aus dem System entnommen werden kann und die auch als Rücklauf für das Reinigungsmedium dient.

Wenn die Pumpe 12, der Trübungsmesser 13, die Würzebelüftung 14 und das Sauerstoffmeßgerät 15 auch für einen nachgeschalteten größeren Hefevermehrungstank verwendet werden sollen, wird zwischen dem Auslauf 7 des Gärbehälters 1 und der Pumpe 12 der Umschichtvorrichtung 2 ein T-Stück 17 vorgesehen, über das Hefesuspension von diesem größeren Hefevermehrungstank zur Umschichtvorrichtung 2 gelangen kann, und zwischen Sauerstoffmeßgerät 15 und Zulauf 10 ein weiteres T-Stück 18, über das die Hefesuspension zurück zum Hefevermehrungstank gelangt.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die gesamte Vorrichtung zuerst gereinigt, indem Reinigungslösung über die Sprüheinrichtung 9 der CIP-Reinigung, im Gärbehälter 1 versprüht wird. Die Lösung wird mittels der Pumpe 12 über das T- Stück 16 zur CIP-Station zurückgefördert. Der Impfstutzen 6 am Gärbehälter 1 wird kurzfristig geöffnet, um in den Reinigungsprozeß eingeschlossen zu sein. Die Reinigung kann somit durch eine konventionelle CIP-Station erfolgen. Danach wird die Anlage mit Sattdampf sterilisiert und anschließend wird das Kondensat mit Sterilluft ausgeblasen. Durch den Überdruck im System wird eine Reinfektion vermieden, und mit der Sterilluft wird die Anlage gleichzeitig vorgekühlt.

Danach werden etwa 10 l Sterilwürze mittels Sterilluft über den Würzezulauf 5 in den Gärbehälter 1 eingebracht. Bei Erreichen eines ersten Niveaus der Stabsonde 8, das einem Inhalt von 10 l im Gärbehälter 1 entspricht, wird über die Pumpe 12 und die Würzebelüftungsvorrichtung 14 die Würze bei geringer Förderleistung der Pumpe 12 im Kreis gepumpt und sterilbelüftet. Die Kontrolle der Würzebelüftung kann automatisch über das Sauerstoffmeßgerät 15 oder manuell über einen Sterilluftdurchflußmesser erfolgen. Nach einer festgelegten Belüftungszeit oder nach Erreichen eines Sollwertes des Sauerstoffgehaltes wird die Pumpe 12 ausgeschaltet.

Zu der sterilbelüfteten Würze im Gärbehälter 1 wird nun ca. 1 Liter (maximal 3 l) Laborreinzuchthefe aus einem geschlossenen Laborgefäß durch Ausschieben mit Sterilluft oder durch das Höhengefälle zwischen Laborgefäß und Gärbehälter 1 über den Impfstutzen 6 gegeben. Die Kontaktstellen werden vorher durch Abflammen sterilisiert.

Die Vermehrung der Hefezellen erfolgt bei 18 bis 20°C. Wenn die Anlage in einer Brauerei im Kaltblockbereich aufgestellt wird, ist eine Kühlung nicht notwendig. Nach einer festgelegten Zeitspanne schichtet die Pumpe 12 die Hefesuspension ca. 2 Minuten lang um, indem sie aus dem Auslauf 7 Hefe-Würzemischung abzieht und über den Zulauf 10 in den Gärbehälter 1 wieder zurückführt. Dabei wird die gesamte Hefesuspension zweimal umgeschichtet und mit dem Trübungsmeßgerät 13 die Trübung gemessen. Bei einer bestimmten Maximal-Trübung von beispielsweise 6000 bis 8000 EBC werden z. B. 20 l Sterilwürze zur Hefesuspension gegeben. Dadurch sinkt die Trübung am Trübungsmeßgerät 13 erst einmal auf einen niedrigeren Wert ab, da die Suspension verdünnt wird. Beim Vergären der zugegebenen Würze entsteht weitere Hefe, die den Trübungswert ansteigen läßt. Die Hefesuspension wird weiterhin in bestimmten Zeitabständen umgeschichtet, wobei die Trübung am Trübungsmeßgerät 13 gemessen wird. Wird die Maximal-Trübung erreicht, wird wieder Würze zur Suspension zugegeben.

Dieser Ablauf wiederholt sich so lange, bis der Gärbehälter 1 gefüllt ist und der Trübungsmeßwert den Sollwert erreicht hat und in Grenzen konstant ist. Danach wird die Suspension mittels Sterilluft aus dem Gärbehälter 1 gedrückt und entweder direkt zum Anstellen eines kleinen Sudes verwendet oder in einem größeren Hefevermehrungstank weitervermehrt.

Eine automatische Steuerung ermöglicht es, mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung das Hefevermehrungsverfahren durchzuführen. Die Steuerung regelt in Abhängigkeit von den am Trübungsmeßgerät gemessenen Werten die Zugabe weiterer Würze.

Die theoretische Verdopplungsrate für Hefezellen beträgt bei einer Temperatur von 20°C und obergäriger Brauhefe für 12 Gewichtsprozent Stammwürze (log 2)/0,14 = 2 Stunden 9 Minuten.

Wenn beispielsweise 2mal verdünnt wird, d. h. zum Beispiel von 1 l auf 11 l und von 11 l auf 70 l, bleibt die Suspensionsdichte im optimalen Bereich zwischen 10⁶ und 10⁸ Zellen/ml, d. h. der Verdopplungsfaktor bleibt nahezu konstant. Nach der oben angegebenen Formel werden theoretisch ca. 5 Stunden und 45 Minuten benötigt, um die Ausgangszelldichte zu erreichen.

Wenn 3mal verdünnt wird, d. h. 1 l Reinzuchthefe auf 10 l Würze, diese mit 19 l Sterilwürze auf 30 l und diese mit 40 l Sterilwürze auf 70 l, ergeben sich die Volumina, Zellzahldichten und Wachstumszeiten nach folgender Tabelle:

Tabelle

Die Optimierung der Verdünnungsschritte ist von der eingesetzten Hefe abhängig und kann bei der Inbetriebnahme der Anlage leicht durchgeführt werden.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel zeigt Fig. 2. Fig. 2 entspricht Fig. 1 bis auf folgende Änderungen. In Fig. 2 ist die Rohrleitung 10 mit einer Abzweigung 19 und einer Abzweigung 20 verbunden. Die Flüssigkeit kann durch Öffnen des entsprechenden Ventils 22 oder 21 durch die Pumpe 12 knapp unterhalb des Flüssigkeitsspiegels in das Gärgefäß 1 gefördert werden. Aus dem Auslauf 7 fließt sie im Kreislauf wieder zur Pumpe 12. Dadurch ist auch die Drehrichtung des Flüssigkeitsstromes umkehrbar. Hierbei wird über das jeweils geöffnete Ventil 22 oder 21 die Flüssigkeit angesaugt und im Kreislauf in den unteren Teil des Gärgefäßes 1 gefördert. Je nach vorher festgelegten Flüssigkeitsspiegeln ergeben sich die Anzahl und die Lage der Abzweigungen.

Das Gärgefäß kann mit einer Heizzone 23 zur Erwärmung der Flüssigkeit versehen werden. Zur Inhaltsmessung kann eine Druckmeßeinrichtung 24 verwendet werden.

Den Aufbau der Vorrichtung zeigt Fig. 3. Ein Schaltschrank 25, das Gärgefäß 1 und die Pumpe 12 sowie mehrere Armaturen und Regeleinrichtungen sind auf einem gemeinsamen Grundrahmen 26 kompakt aufgebaut.

Claims (21)

1. Verfahren zum Vermehren von Hefe, bei dem

• a) ein vorgegebenes Volumen Würze in einen Gärbehälter (1) vorgelegt wird,
• b) ein vorgegebenes Volumen Hefe zur Würze gegeben wird,
• c) die Mischung nach bestimmten Zeitintervallen aus dem Gärbehälter (1) entfernt und dem Gärbehälter (1) wieder zugeführt wird,
• d) bei einer bestimmten Trübung weitere Würze zur Mischung gegeben wird und
• e) die Schritte c) und d) sooft wiederholt werden, bis der Gärbehälter (1) auf ein bestimmtes Maß gefüllt ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das vorgegebene Volumen Hefe in Schritt b) etwa 1 bis maximal 3 l Reinzuchthefe sind.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in Schritt c) die Mischung nach bestimmten Zeitintervallen oben aus dem Gärbehälter (1) entfernt und unten dem Gärbehälter (1) wieder zugeführt wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß während des Schrittes c) die Mischung seitlich unterhalb des jeweiligen Flüssigkeitsspiegels zurückgeführt bzw. entfernt wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischung mittels Sterilluft aus dem Gärbehälter (1) in ein nachfolgendes Gefäß gefördert wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß während des Schrittes c) die Mischung durch ein Trübungsmeßgerät (13) geleitet wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß während des Schrittes c) der Mischung Sauerstoff zugeführt wird.

8. Vorrichtung zum Vermehren von Hefe mit

• 1.) einem Gärbehälter (1), der
  • a) einen Würzezulauf (5),
  • b) einen Impfstutzen (6),
  • c) im oberen Bereich einen Zulauf (10) und
  • d) im unteren Bereich einen Auslauf (7) aufweist, und
• 2.) einer Umschichtvorrichtung (2), die
  • a) eine Pumpe (12),
  • b) eine Leitung zwischen Auslauf (7) und Pumpe (12) und
  • c) eine Leitung zwischen Pumpe (12) und Zulauf (10) aufweist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Würzelauf (5) und der Auslauf (7) über ein gemeinsames Rohr in das Gärgefäß (1) einmünden.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Gärbehälter (1) ein Niveaumeßgerät (8) aufweist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß als Niveaumeßgerät (8) eine Stabsonde mit 2 bis 3 Niveaus eingesetzt wird.

12. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Gärbehälter (1) eine Sterilbe- und -entlüftung (11) aufweist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Gärbehälter (1) eine Sprüheinrichtung (9) für Reinigungsprozesse aufweist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschichtvorrichtung (2) eine Würzebelüftungs­ vorrichtung (14) aufweist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschichtvorrichtung (2) ein Sauerstoffmeßgerät (15) aufweist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschichtvorrichtung (2) eine automatische Steuerung aufweist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Gärbehälter (1) und die Pumpe (12) auf einem gemeinsamen Grundrahmen (26) stehen.

18. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Gärbehälter (1), die Pumpe (12) und ein Schaltschrank (25) auf einem gemeinsamen Grundrahmen (26) stehen.

19. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß in Abhängigkeit von den verschiedenen Flüssigkeitsspiegeln ein oder mehrere Abzweigungen (19, 20) der Rohrleitung (10) jeweils unterhalb der entsprechend festgelegten Flüssigkeitsspiegel seitlich mit dem Gärgefäß (1) verbunden sind.

20. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Gärgefäß (1) eine Heizzone (23) aufweist.

21. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß als Niveaumessung Druckmeßeinrichtungen (24) verwendet werden.