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Gärverfahren.
Die moderne Hefeindustrie ziiehtet die Hefe ausschliesslich in Grossgärbottichen. Die neueren Stufen-und sogenannten kontinuierlichen Gärverfahren haben dabei für den praktischen Betrieb ihre besonderen spezifischen Schwierigkeiten. Beim Stufengärverfahren ist die Bedienung der einzelnen Bottich umständlich, bei kontinuierlichen Verfahren können schädliche Ablagerungen von Hefezellen und Sinkstoffe in den einzelnen Bottichen nicht vermieden werden. Diese Umstände haben zu einem Gärverfahren geführt, das sich nicht nur den biologischen Bedingungen der Hefezüchtung in der genauesten Weise anpassen lässt, sondern auch jede Voraussetzung für die optimale Einfachheit und Sicherheit des technischen Betriebes erfüllt und dazu verbunden ist mit einem Maximum an Ersparnissen bezüglich des Kraft-und Raumbedarfes.
Die theoretischen Grundlagen für das Verfahren sind die folgenden :
Lässt man eine Nährlösung mit bestimmter Zellmenge durch einen begrenzten Raum fliessen, so wird sich die letztere, wenn sonst die Vorbedingungen dafür vorhanden sind, in einer bestimmten Zeit, beispielsweise in einer Stunde, um ihren natürlichen Zuwachsfaktor vermehrt haben. Soll dabei die Bedingung erfüllt werden, dass der Zellinhalt der Flächeneinheit des Austrittsquersehnittes gleich demjenigen der Flächeneinheit des Eintrittsquerschnittes ist, so muss entweder der Austrittsquerschnitt vergrössert werden oder die Austrittsgeschwindigkeit steigen. Im letzteren Falle erhält man einen Raum gleichen Querschnitts, durch welchen die zellhaltige Nährlösung mit veränderlicher Geschwindigkeit strömt.
Soll die Nährlösung dabei in jeder Beziehung eine stets gleichbleibende Konzentration behalten, so tritt die Länge des Raumes unmittelbar als Funktion der Gesamtvermehrung der Zellen auf und es verhalten sieh die Eintritts-und Austrittsgeschwindigkeiten der Nährlösung wie die Eintrittsmenge der Zellen zu der Austrittsmenge in der Zeiteinheit. Hat der Raum beispielsweise für die in einer Stunde eintretende Zellmenge 1 die Länge 1 m, so wächst diese Länge entsprechend dem stündlichen Zuwachsfaktor der Zellmenge. Gleichzeitig wächst dabei, wenn die Eintrittsgeschwindigkeit pro Stunde ebenfalls auf 1 gesetzt wird, die Austrittsgeschwindigkeit um denselben Faktor.
Es ist also der stündliche Anfall an Zellmaterial, d. h. die in dem veränderlichen Raumvolumen der Nährlösung neu entstandene Zellmenge rechnerisch ein Produkt aus der stündlichen Austrittsgeschwindigkeit und der Zellenzahl im Raumquerschnitt. Ist derselbe 10 cm' gross und beträgt die eintretende Zellmenge bei einem Zuwaehsfaktor von 1'26/St in der Stunde 5'0 kg, so erhält man einen stündlichen Anfall von 1'3 kg neu gebildeter Hefe und eine Raumlänge von 1'26 m.
Soll die anfallende Menge vergrössert werden, so ergibt sieh für eine zweite Stunde eine Verlängerung des Raumes um 1'5876 und für die dritte Stunde um 2 m, die
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länge gesetzmässig abhängig von dem gewählten Verhältnis der Eintritts-zur Austrittsmenge der Zdlen und ihrer Vermehrungsgeschwindigkeit. Eine weitere Abhängigkeit ist gegeben durch den Zcllinhalt pro Raumeinheit, offenbar muss die Raumlänge umgekehrt proportional dem Zdlinhalt pro Raumeinheit wachsen. Die dritte Abhängigkeit ergibt die Eintrittsgeschwindigkeit, die mit Rücksicht auf den gesicherten Transport der Zellen im Raum zu wählen ist.
Die Zellen und etwaigen Sinkstoffe der Nährflüssigkeit dürfen sich in demselben an keiner Stelle ablagern, es sind also bei der Berechnung der
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Eintrittsgeschwindigkeit als Bestimmungsfaktoren die spezifischen Gewichte der Zellen, der Sinkstoffe und der Nährlösung einzusetzen. Da die Austrittsgesehwindigkeit im allgemeinen ein Vielfaches der
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Ablagerungen an den Raumwandungen stattfinden ; damit ist eine der wichtigsten biologischen Bedin- gelingen fur den Prozess erfüllt.
Stellt man sich den Raum als ein Rohr vor, so ist es fernerhin ersichtlich, dass an jeder beliebigen
Stelle desselben unter sonst gleichen Verhältnissen immer derselbe in der Zeiteinheit wiederkehrende
Zustand des laufenden Prozesses vorhanden ist, dass dieser also in jedem Augenblick und an jeder Stelle beliebig beeinflusst werden kann. Die Korrektur des Prozesses kann demgemäss auf die genaueste Weise stattfinden, z. B. durch eine Modifikation der Temperatur, durch Ruhestellung im Generationsweehsel- punkt usw. Da sich ein eventueller Fehler im Prozess nur auf die Rohrlänge nach der Korrekturstelle erstreckt, wird der aus dem Fehler resultierende Verlust nur immer einen Teil des gesamten Rohrinhaltes betreffen, also im Verhältnis zu dem Verlust eines Grossgärbottiches ausserordentlich klein ausfallen.
Es ist also das Verfahren ganz allgemein dem Bottichverfahren auch in dieser Beziehung weitestens überlegen.
Die praktische Ausführung des Systems zeigt Fig. 1. a36 stellt ein vertikales Rohr dar, in welchem sich am Boden ein einziger Diafragmenkorper D befindet, der die Luft in ganz feinen Bläsehen in die
Nährlösung treten lässt. Die zusätzlichen Nährstoffe treten in Lösung durch die feinen Durchbohrungen des vertikalen Mittelrohres r, unter Druck in feinen Strahlen aus.
Stellt man sieh den Durchgang einer bestimmten Zellmenge im Rohr vor, so wird die Zellmenge während des Durchganges entsprechend der Vermehrungsgeschwindigkeit wachsen, dieser Zuwaehsmenge entsprechen die eingeführten Nährstoff- mengen. Da der Rohrinhalt immer derselbe bleiben soll, so muss das stündlich abgeführte Maisehequantum durch die Zufuhr einer bestimmten Wassermenge abzüglich des eingeführten Nährstoffquantums ersetzt werden. Diese Wassermenge tritt in scharfen Strahlen durch eine Düse d in das Rohr ein, die Wasser- temperatur ist so gewählt, dass die Maischewärme immer der optimalen Wachstumstemperatur der
Zellen entspricht. Der Abfluss der Maische geschieht kontinuierlich am Boden des Rohres unter dem
Belüftungskörper.
Die Abflssgeschwindigkeit im Rohrquerschnitt hat ihre, durch die Eintrittsgeschwin-
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durch ihre ständige Abspülung mit dem aus der Düse tretenden Zusatzwasser. Die vorstehende technische Ausführung des Rohres a36 stellt gewissermassen einen kontinuierlich arbeitenden Reinzuchtbottieh dar, der ständig eine gewisse Hefemenge liefert. Entleert man das Rohr, ohne die Wasserdüse d abzustellen, so wird nicht nur die Rohrwand, sondern auch der Belüftungskörper D durch die aufprallenden Wasserstrahlen reingespiilt.
Der Durchmesser eines solchen Rohres ist festgelegt durch die Ausführbarkeit des Belüftungskörpers, dureh die Bedingung, dass die Rohrwand vollkommen glatt sein soll, also keine Nietund Schweissnaht aufweisen darf, durch die Bedingung, dass der Streukegel der Düse d die Rohrwand scharf abspritzen soll und durch die Forderung, dass die dem Rohr zugeführte Nährlösung in der kürzesten Zeitspanne in den ganzen Rohrinhalt verteilt werden soll.
Setzt man eine Anzahl von Rohren nach a36 gemäss Fig. 1 zusammen, so erhält man den technischen Apparat für das neue Gärverfahren. Aus dem Rohr al tritt die hefehaltige Maisehe mit der berechneten Anfangsgeschwindigkeit nach Fig. 2 in die nächstfolgenden Rohre a2-a". Die Strömungs- geschwindigkeit wächst dabei gesetzmässig bis zu ihrem Austreten aus dem Endrohr a@ und ist hier ein
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änderliehe Faktor im ganzen System, alle Rohre haben sonst gleichgrosse Luftzufuhr, jedes Rohr erhält dieselbe Menge Nährlösung und dieselbe Menge Zusatzwasser, der Apparat kann somit auf eine ständige und unveränderliche Stundenleistung eingestellt werden.
Das Rohr a,., Fig. 1, soll ein Rohr darstellen, in welchem die Zellen in Ruhe gestellt werden, in welchem also eine Regenerierung ihrer Vitalität stattfinden soll, dieses Rohr hat daher keinen Belüftungskörper und gegebenenfalls auch kein Zuflussrohr für Nährlösung bzw. ein solches, welches abstellbar ist. Aus dem Rohr a@ tritt die Hefe in ein Sammelgefäss b1, in welchem sie durch die kohlensäurehaltige Abluft der Rohre belüftet und bewegt wird. Die
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keitsdruek haben, dass also auch ihr eventuell durch Absaugen zu vermindernder Gehalt an gelöster Kohlensäure gleich ist.
Das vorstehende Verfahren, die Fabrikation von Hefe in Strömungsrohren, bietet also zusammengefasst folgende Vorteile : a) Die genaueste und bequemste Anpassung an die biologischen Bedingungen der Zellenvermehrung
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b) Die Möglichkeit an jeder Stelle des Strömungssystems, also in jedem Zeitpunkt des Prozesses, beliebige Veränderungen vorzunehmen. e) Die Sicherung des gleichmässigen technischen Effektes nach einmaliger Einstellung der Apparatur auf eine bestimmte Leistung. d) Die kontinuierliche Selbstreinigung der Apparatur während des Prozesses. e) Den Fortfall jeder manuellen oder automatischen Betätigung von Ventilen, Abschlussorganen usw. nach erstmaliger Einstellung der Apparatur auf eine bestimmte Leistung.
f) Die Reduzierung der Betriebskosten, die Reduzierung des Raum-und Kraftbedarfs auf ein
Minimum bei grösster Betriebssicherheit. Was die Reduzierung des Raumes und Kraftbedarf für eine bestimmte Leistung anbetrifft, so sollen die nachstehenden Zahlen diesen besonderen technischen Fortschritt des Verfahrens besonders illustrieren : In einem Apparat nach Fig. 1 mit einer Grundfläche von 5 m2 und einer Höhe von 4 m können pro Tag 2000 kg Hefe bei einer Anstellhefemenge von 125 kg erzeugt werden. Der Luftbedarf pro Stunde ist 78 m3 und der Kraftbedarf für den Kompressor 3'5 PS. Ein Grossgärbottieh gleicher Leistung hat einen Inhalt von 75-80 m3 und eine Grundfläche von 22 m2.
Der maximale Luftbedarf bei Rohrbelüftung ist 2500-3000 m3 (für gleiche Hefeausbeuten) und der Kraftbedarf 80-90 PS. Die Separatorenstation hat 4 Separatoren à 10. 000l Stundenleistung zum Abseparieren der Maische, für das neue Verfahren genügt ein Separator à 2000 l Stundenleistung.
Die weiteren Vorteile des Verfahrens in bezug auf Infektionssicherheit, auf Sterilisierung der Apparatur, auf die Möglichkeit mit grossen Zellenvermehrungszahlen ohne besondere Komplikationen zu arbeiten sind gegenüber dem Verfahren der Zellzüchtung so augenfällig, dass darüber nichts weiter ausgeführt zu werden braucht.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Gärverfahren, dadurch gekennzeichnet, dass der Gärprozess in hintereinandergeschalteten Rohren stattfindet, die von der Garflüssigkeit mit zunehmender Geschwindigkeit durchströmt werden, die vom Eintritt bis zum Austritt dem jeweiligen Vermehrungsfaktor der Anstellhefe entspricht und so gross ist, dass Ablagerungen von Sinkstoffen, Hefezellen usw. nicht stattfinden können.