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Verfahren und Vorrichtung zur Hefegewinnung Eine Anzahl verschiedener
Mikroorganismen ist bisher Gegenstand industrieller Herstellung gewesen, wobei dieselben
in zweckmäßigen Nährlösungen gezüchtet worden sind. Auf das Endresultat wirken hauptsächlich
folgende Faktoren ein: die verfügbare Sauerstoffmenge, die Konzentration der Nährstoffe,
die Temperatur und die Wasserstoffionenkonzentration.
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Ein Teil dieser Mikroorganismen, z. B. Saccaromyces, @Torula, Endomyces
u. a., nutzen nun die Nährstoffe in den Züchtflüssigkeiten je nach der verfügbaren
Menge von Luftsauerstoff auf sehr verschiedene Weise aus. Bei Abwesenheit von Sauerstoff
bauen beispielsweise die' Saccaromycesarten sehr wenig neue Zellsubstanz auf, während
sie . statt dessen die zugeführte Zuckernahrung in Alkohol und Kohlensäure zerlegen.
Bei größerer Menge von verfügbarem Sauerstoff werden dagegen große Mengen neuer
Zellsubstanz aufgebaut, während die Alkoholbildung gering wird.
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Die Konzentration der Nährstoffe spielt dabei eine ziemlich große
Rolle, da beispielsweise eine höhere Konzentration des Nährstoffes Zucker die Alkoholbildung
begünstigt, während eine niedrigere Konzentration die Hefebildung begünstigt. Wenn
man eine bestimmte, von einer Mehrzahl von Faktoren abhängige Konzentration überschreitet,
kann man auch mit der intensivsten Lüftung der Züchtflüssigkeit die Alkoholbildung
nicht verhindern.
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Seit langer Zeit hat man eine Arbeitsweise verwendet, nach welcher
den Organismen, je nachdem sie die in der Züchtflüssigkeit befindliche Nahrung verbraucht
haben, neue Nahrung nach und nach zugeführt wird. Auf :diese Weise hat man in den
Fällen, bei denen das Hauptgewicht auf die Neubildung von Zellsubstanz gelegt war,
Nährstoffkonzentrationen in der Flüssigkeit solcher Höhe, daß sie dieser Zellsubstanzneubildun.g
schädlich sind, vermieden.
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Da die Reaktionen zur Aufnahme bzw. Zersetzung der Nahrung verhältnismäßig
schnell verlaufen, wird die wirkliche Konzentration der Nährstoffe in der Züchtflüssigkeit
sehr niedrig, und von dieser außerordentlich niedrigen Konzentration hängt es ab,
ob man hohe Ausbeuten neugebildeter Zellsubstanz erhält.
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Die Wasserstoffionenkonzentration ist beispielsweise bei der Hefefabrikation
derart von Einfluß, daß bei niedriger Wasserstoffionenkonzentration der Hefezuwachs
erhöht wird und umgekehrt.
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Ein weiterer Faktor von großer Bedeutung für das Endresultat ist in
erster Linie die
Art und Weise, in der der Luftsauerstoff und die
Nährstoffe zugeführt werden.
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Die Verfahren, nach denen man bisher die genannten Faktoren. bei der
:Züchtung von, Mikroorganismen ausgenutzt hat, hatti mancherlei Nachteile.
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Um dies näher zu erläutern, wird im fölr genden als Beispiel auf die
Herstellung von Preßhefe eingegangen. Hierbei sindgroßeLtiftmengen erforderlich,
gewöhnlich soo bis
300 m3 pro Stunde und Quadratmeter Bodenfläche der Gärbottiche.
I2an hat dabei angestrebt, die Luft soweit wie möglich zu zerteilen und sie auch
so gleichförmig wie möglich in der Flüssigkeit zu verteilen. Hierzn hat man gewöhnlich
ein mit kleinen .Löchern versehenes Rohrsystem oder, um eine noch feinere Verteilung
zu erreichen, einen porösen Boden verwendet, welche ein Stück oberhalb des Bottichbodens
angebracht sind. Beim Einpressen der Luft in die Flüssigkeit wird eine größere oder
kleinere Anzahl von Luftblasen gebildet; die aufsteigen und dabei die Flüssigkeit
mitreißen, so daß Strömungen in der im Bottich enthaltenen Flüssigkeit entstehen.
Ein Teil der der Luft zugeführten Energie wird dabei auf die umgebende Flüssigkeit
übertragen. Die verdrängte Flüssigkeitsmenge wird durch neue Flüssigkeit ersetzt,
welche von den oberen Teilen des Bottiches zugeführt wird. Man hat auch die Belüftung
in der Weise vorgenommen, daß man einen Teil der Flüssigkeit mittels einer Strahlpumpe
absaugte und diese abgesaugte und mit Luftbläschen durchsetzte Luft wieder in der
Nähe des Behälterbodens der Hauptflüssigkeitsmasse zuführte. Hierbei befindet sich
aber der Hauptteil der Flüssigkeit in einer unregelmäßigen Bewegung. Die in den
beiden genannten Fällen im Behälter auf und ab gehenden Strömungen kreuzen und begegnen
einander, und ein großer Teil der zugeführten Energie wird verbraucht zur '
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der Reibungsarbeit zwischen den Strömungen und geht für die Zirkulationsarbeit verloren.
Ist nun die Luftverteilung im Bottich grob und ungleichförmig, so wird die Viscosität
des Bottichinhaltes nur unbedeutend erhöht, und die zurückfließende Flüssigkeit
sammelt sich in kräftigen Strömen mit großen Luftblasen. Wird dagegen die Luftzerteilung
so weit ,getrieben, daß die Luftblasen klein werden, so steigert sich die Viscosität
des Bottichinhaltes, und die Rückflußströme werden kürz und bleiben lokal. Führt
man nun wie gewöhnlich die Nährlösungen in .einem oder mehreren Strahlen aus über
dem Bottich angebrachten Mundstücken zu, so ist offenbar die zur homogenen Einmischung.
der zugeführten Nahrung in den Bottichinhalt erforderliche Zeit wesentlich-länger
in einem
| Bottich mit kleinen lokalen Strömungen als in |
| einem Bottich mit kräftigen Strömungen. |
| Wenn der Feinverteilungsgrad so weit g'e- |
| '-t-e_ip,ben worden ist,. daß der Inhalt' des Bot- |
| 1-@$ beinahe in Schaum übergegangen ist, |
| .4!#2iken die Überkonzentrationen in der Nähe |
| `::tler'Zufuhrstellen sehr groß, was unmöglich |
| u verhindern ist. |
Eine zu weit gehende Feinverteilung der Luft wirkt somit den Vorteilen der allmählichen
Zuführung von Nährstoffen aus den angegebenen Ursachen entgegen. Durch die bisher
verwendeten Anordnungen, hat man zwar die Vorteile einer verlängerten Kontaktzeit
und auch einer vergrößerten Kontaktfläche zwischen Luft und Flüssigkeit erreichen
können, aber statt dessen sind gewisse Übelstände entstanden, wie Verminderung der
Ausbeute an neugebildeter Zellsubstanz, welche den obenerwähnten Vorteilen entgegengewirkt
haben.
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich nun auf ein Verfahren, durch
welches die bei dem älteren Verfahren auftretenden Nachteile vermieden werden, wobei
gleichzeitig auch eine ganze Reihe wichtiger Vorteile erreicht werden. Das Verfahren
besteht hauptsächlich darin, daß die im Gärgefäß enthaltene Flüssigkeit durch über
das Niveau der unbelüfteten Flüssigkeit emporragende senkrechte Scheidewände in
zwei oller mehr Flüssigkeitszonen unterteilt und ein Teil dieser Zonen belüftet
wird, wobei -die Flüssigkeit in den belüfteten Flüssigkeitsteil bzw. den belüfteten
Flüssigkeitsteilen unter Einwirkung der Luftbläschen über den Rand der Scheidewände
in die nicht gelüfteten Zonen des Gefäßes unter Abgabe des größten Teiles der Luftbläschen
überläuft, und daß während des so hervorgerufenen Kreislaufes der Flüssigkeit Nährstoffe
für die Hefe allmählich an einer oder mehreren so gelegenen Stellen des Kreislaufes,
zweckmäßig in die ungelüftete Zone, zugeführt werden, daß sie sich in der vorbeiströmenden
Flüssigkeit schnell und gleichförmig verteilen.
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Hieraus ergibt sich also, daß man nach der Erfindung den Gärbottich
wie eine Mammutpumpe arbeiten läßt, wobei die zur Züchtung verwendete Luftmenge
als Trehmittel verwendet wird. Ferner wird die zur Züchtung erforderliche Nahrung
in den durch die Pumpv orrichtung hervorgebrachten Flüssigkeitsstrom derart eingeführt,
daß die Nahrung in dem Flüssigkeitsstrom schnell und gleichförmig verteilt wird.
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Die verschiedenen Zonen können auf mehrfache -Weise geschaffen werden,
beispielsweise dadurch, daß man einen Apparat in Räume abteilt, welche .in Verbindung
miteinander stehen, oder, wenn es sich um Gärbottiche
handelt,
dadurch, daß man in der Richtung der Flüssigkeitsströme Schirme, Rohre oder andere
Trennungsorgane anbringt, so daß getrennte Zonen der angegebenen Art entstehen.
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Die Erfindung umfaßt auch eine Vorrichtung zui# Ausführung des oben
beschriebenen Verfahrens. Diese Vorrichtung ist auf den beiliegenden Zeichnungen
veranschaulicht; es zeigen: Abb, i schematisch eine Ausführungsform einer Vorrichtung,
die zur Ausführung des Verfahrens besonders gebaut ist, Abb. 2 eine Einrichtung,
bei welcher mehrere -Vorrichtungen nach Abb. i reihengeschaltet sind.
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Nach Abb. i besteht die Vorrichtung aus einem [J Rohr, dessen beide
Schenkel A und B
oben mit einer LTberlaufv orrichtung versehen sind.
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Die Nährlösung wird in die Vorrichtung derart eingeführt, daß das
Flüssigkeitsniveau sich in einer Entfernung von beispielsweise i m von der Überlaufvorrichtung
C befindet. Durch das Rohr D, welches auf dem innerhalb der Vorrichtung befindlichen
Teil mit kleinen Löchern von beispielsweise o,5 mm= Größe versehen ist, wobei die
Löcher vorzugsweise in seitlicher Richtung angeordnet sind, wird Luft unten in den
Schenkel A eingeführt. Dabei werden Gasbläschen in der im Schenkel A eingeschlossenen
Flüssigkeit gebildet. Infolgedessen wird das spezifische Gewicht der Mischung von
Luft und Flüssigkeit kleiner .als dasjenige der Flüssigkeit, so daß der Flüssigkeitsspiegel
im Schenkel A steigt. Nach kurzer Zeit fängt die Flüssigkeit an, über die Überlaufvorrichtung
zu strömen und gelangt in den Schenkel B. Beim Strömen über C und über die im Schenkel
B befindliche Platte E werden die Luftbläschen zersprengt, wobei die Luft aus der
in diesem Falle oben offenen Vorrichtung entweicht. Die von Luftbläschen befreite
Flüssigkeit strömt in den Schenkel B hinab, aus welchem eine entsprechende Flüssigkeitsmenge
durch das untere Ende des ()-Rohres in den Schenkel A hineinströmt, um das Gleichgewicht
zwischen den Flüssigkeitssäulen in A und B wiederherzustellen. Auf diese Weise entsteht
ein Umlauf von A über C nach B und von dort wieder nach A
hinein.
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Die Umlaufgeschwindigkeit ist von der je Zeiteinheit zugeführten Luftmenge,
von dem Feinverteilungsgrad der Luft, von dem Höhenunterschied zwischen dem Flüssigkeitsspiegel
in B und dem Flüssigkeitsspiegel in A
und weiter von dem inneren Reibungswiderstand
in der Vorrichtung und in der Flüssigkeit abhängig. Der Flüssigkeit in der Vorrichtung
setzt man nun eine Kultur von Mikroorganismen, beispielsweise Mutterhefe, zu, so
daß sie der Flüssigkeit homogen beigemischt wird, worauf man mit der Züchtung anfangen
kann. Durch das Rohr F, das mit einer Spritzvorrichtung G versehen ist, wird der
Nährstoff für die Hefe eingeführt, z. B. Arnmoniumsulfat, Diammoniumsulfät, Kohlenhydrate
usw., wodurch man, praktisch genommen, augenblicklich eine homogene Mischung im
Schenkel B erhält. Der obere Teil des Schenkels B ist nach der Zeichnung erweitert,
um die Reaktionszeit für die durch F zugeführten Nährstoffe zu verlängern. Der untere
engere Teil des Schenkels B ist von einem Wassermantel H umgeben oder mit einer
anderen Vorrichtung zur Temperaturregelung versehen.
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In dem unteren Verbindungsrohr zwischen den Schenkeln A und B ist
eine zweite Zufuhrvorrichtung I für Nährstoffe angebracht, welche zweckmäßig mit
einer umlaufenden Spritze K versehen ist, durch welche die Nährstoffe in mehr oder
weniger verdünnter Form eingeführt werden. Wenn beispielsweise die Nährsalze bei
F zugeführt worden sind, kann der Kohlehydratnährstoff, beispielsweise Zucker, bei
I eingeführt werden. Bei der vorliegenden Vorrichtung ist es somit möglich, die
Nährstoffe an der gewünschten Stelle des Kreislaufes und je nach ihrer Zusammensetzung
in der gewünschten Reihenfolge zuzuführen.
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Wenn man die Mikroorganismen von der Flüssigkeit abzuscheiden und
gleichzeitig die Flüssigkeit von Zersetzungsprodukten, die bei der Lebenstätigkeit
der Hefe entstehen, oder von anderen Stoffen zu befreien wünscht, welche der Entwicklung
der Hefe entgegenwirken, kann man die Vorrichtung mit zu diesem Zweck geeigneten
Einrichtungen versehen. Hierzu ist bei der Vorrichtung nach Alb. i ein dünnes
Rohr L vorgesehen, das durch den Schenkel A hindurchgeht und in @velches durch das
vom Rohre D abgezweigte Rohr l11 Luft eingeführt wird. Die durch das Rohr L aufsteigende
Flüssigkeit wird im Gasabscheider "von Gasen befreit, worauf die Flüssigkeit in
dein Zentrifugalseparator 0 von der Hefe abgeschieden wird. Die äbgetrennte Flüssigkeit
wird durch die Leitung P abgeleitet, während die Hefe durch das Rohr R wieder in
die Flüssigkeit im Schenkel B eingeführt wird.
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Abb.2 veranschaulicht ein Beispiel der Zusammenschaltung einer Anzahl
von Vorrichtungen nach Abb. i in offener und geschlossener Reihe, wobei somit der
Rückfluß von einem Apparat unten unter der Luftzuführstelle des nächsten Apparates
eingeleitet
wird. jede Vorrichtung der Reihe ist hierbei mit einer
oder mehreren Zufuhrstellen für Nährstoffe versehen.
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Hieraus ergibt sich, daß die Erfindung allein oder in Kombination
mit bekannten Verfahren eine Anzahl neuer -Wirkungen ermöglicht, indem sowohl der
Rohstoff als auch die Vorrichtung in abweichender und besserer Weise als'bisher
ausgenutzt werden können.
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Da zweckmäßigerweise auch der Hefezüchtung Luft zugeführt wird, wenn
man die Erzielung eines verhältnismäßig kleinen Hefezuwachses und einer großen Alkoholmenge
bezweckt, kann die Erfindung auch in solchen Fällen mit gutem Erfolg verwendet werden.
Die Erfindung ist somit nicht beschränkt auf solche Züchtungsverfahren, bei welchen
nur eine Neubildung von Zellsubstanz angestrebt wird, sondern kann auf irgendwelche
andere Verfahren angewendet werden, bei denen Luft zugeführt wird.
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Im vorstehenden ist als Beispiel die Züchtung von Saccaromysearten
zur Fabrikation von Preßhefe angeführt worden, jedoch kann das erfindungsgemäße
Verfahren bei irgendwelcher Züchtung von aeroeben Mikroorganismen, deren Lebenstätigkeit
durch-Zufuhr von Luft erhöht werden kann, verwendet werden.
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Unter Nährstoffen sind hier sämtliche für die Lebenstätigkeit der
Mikroorganismen erforderlichen Nährstoffe verstanden. Unter Zufuhr von Nährstoffen
ist hier demnach die gesamte Zufuhr von derartigen Stoffen verstanden, unabhängig
davon, ob diese gleichzeitig oder jeder für sich zugeführt werden, oder ob sie die
ursprüngliche Form haben oder in Flüssigkeit aufgelöst sind, und unabhängig davon,
ob sie an einer oder mehreren Stellen des Umlaufstromes zugeführt werden. Was oben
von der Bildung von Alkohol gesagt ist, gilt auch von der Bildung irgendeines anderen
Zwischenpxoduktes der in Frage stehenden Reaktionen.