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Eine grössere Zahl Erfindungen der letzten Zeit bezweckt mit mehr oder weniger Erfolg die Verbesserung der bekannten unwirtschaftlichen Lüftungsverfahren von gärenden Würzen durch Pressluft mittels gelochter Rohrleitungen. Meist kommen dabei kostspielige Einrichtungen zur Verwendung, die entweder die angestrebte feine Verteilung der Luft nicht in erwünschtem Masse erreichen, oder bei welchen die Durchführung der erforderlichen Reinigung schwierig ist und hauptsächlich im Hinblick auf Infektionsmöglichkeiten Anlass zu Klagen gibt.
Hinsichtlich der Luftverteilung bildet das Lüftungsverfahren der französischen Patentschrift Nr. 765295 einen beachtenswerten Vorschlag, der weiter unten zum Vergleich mit dem Erfindungsgegenstande besprochen wird.
Den Gegenstand vorliegender Erfindung bildet ein Verfahren und eine Einrichtung zur Feinverteilung von Gasen in Flüssigkeiten, die sich besonders gut zum Lüften von Gärflüssigkeiten eignen und sich wesentlich von den bisherigen, den gleichen Zweck verfolgenden Vorschlägen unterscheiden.
Die Erfindung wird im folgenden mit Bezug auf ihre Verwendung zum Lüften erläutert, ist aber nicht auf diese beispielsweise Ausführung beschränkt.
Versuche haben gezeigt, dass sich Gase, die gegebenenfalls unter Druck durch einen geeignet ausgeführten Anschluss einer mit grosser Geschwindigkeit eine Rohrleitung durchströmenden Flüssigkeit zugeführt werden, in dieser Flüssigkeit zu so feinen Bläschen verteilen, dass sie mit ihr eine feine gleichmässige Emulsion bilden, deren Verhältnis der gasförmigen zur flüssigen Phase nach Wunsch und Bedarf durch Regulierung der Gaszuführung oder Strömungsgeschwindigkeit in ihrer Menge und eventuell bezüglich Druck und Temperatur bestimmt und eingestellt werden kann.
Mit der durch die erwähnte französiche Patentschrift bekannt gewordenen Einrichtung wird die feine Verteilung der Luft ebenfalls durch die Relativgeschwindigkeit der am Luftstrom vorbeistreichenden Flüssigkeit bewirkt. Allerdings kann hier mit einem gleich niedrigen Kraftaufwand keine so grosse Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit erzeugt werden, wie mittels einer Druckpumpe in der Rohrleitung im Sinne der vorliegenden Erfindung.
Da die Luftbläschen auch umso kleiner werden, je grösser die Differenz der Strömungsgeschwindigkeiten von Flüssigkeit und Gas, also deren Relativbewegung ist, wird mit der bekannten Einrichtung auch nicht eine so feine Verteilung der Luft in, zum grössten Teil für das freie Auge kaum sichtbare, bis mikroskopisch kleine Partikelchen erzielt, wie sie erfindungsgemäss infolge der angewendeten hohen Strömungsgeschwindigkeit erreicht wird.
Den Luftverteilungsvorgang kann man sich nach der französischen Patentschrift in zwei Phasen erfolgend vorstellen ; in der ersten Phase die Bildung von Luftblasen entsprechend den Austrittsöffnungen des Belüftungskörpers, und in der zweiten Phase deren Zertrümmerung durch die umlaufende Bewegung der Belüftungsflügel bzw. dadurch, dass die Flüssigkeitsströmung die austretenden Luftbläschen darin hindert, jene natürliche Grösse zu erreichen, welche sie in ruhender Flüssigkeit haben würden. Zur Erzeugung einer wirksamen Geschwindigkeit der Flüssigkeitsströmung ist eine hohe Drehzahl des Belüftungskörpers erforderlich, dessen Abmessungen infolge notwendiger Anpassung an die üblichen Bottichdurchmesser beträchtlich gross sein werden.
Die Belüftungskörper werden deshalb auch bei günstigst gewählter Form grossen Reibungswiderstand in der Flüssigkeit zu überwinden haben, was wieder grossen Kraftaufwand bedingt, der ein Mehrfaches des Kraftaufwandes für den Antrieb der Pumpe nach der vorliegenden Erfindung betragen wird. Ob es aus statischen Gründen überhaupt möglich ist,
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dem Belüftungskörper auf wirtschaftliche Weise eine so hohe Drehzahl zu erteilen, um die erforderliche Luftmenge aus der Atmosphäre frei und in wirklich feiner Verteilung, wie sie die erfindungsgemässe Ausführung ergibt, anzusaugen, ist zumindest zweifelhaft.
Nach dem Verfahren der französischen Patentschrift kann auch keine gleichmässige Grösse der Luftbläschen erreicht werden, da die Relativgeschwindigkeit selbstredend am äusseren Umfange des rotierenden Belüftungskörpers eine grössere ist, als an den der Achse des Rotationskörpers nähergelegenen Stellen.
Da die französische Patentschrift Nr. 765295 eine umlaufende Belüftungseinrichtung betrifft, kann diese nur für Gärbottiche von kreisrundem Querschnitt zur Anwendung kommen, weil bei den wegen besserer Raumausnutzung immer häufiger angewendeten Gärbottichen mit rechteckigem Querschnitt ein oft sehr bedenklicher Anteil der gärenden Flüssigkeit unbelüftet bliebe, während nach der vorliegenden Erfindung der Wirkungsgrad der Belüftung von der Querschnittsform des Gärbottichs nicht beeinflusst wird.
Weiter haben die durchgeführten Versuche gezeigt, dass grössere Strömungsgeschwindigkeiten solcher Gas-Flüssigkeits-Emulsionen die Trennung der gasförmigen von der flüssigen Phase auf eine lange Strecke der Strömung verhindern und so die ursprüngliche feine Verteilung des Gases in der Flüssigkeit erhalten.
Bei seinen ersten Versuchen hat der Anmelder die scheinbar am nächsten liegende Anwendung von Strahlapparaten versucht, gelangte jedoch bald zu der Erkenntnis, dass dieses Mittel zur wirtschaftlichen Erreichung des angestrebten Zweckes ungeeignet ist. Der notwendige Kraftaufwand zur Überwindung des Widerstandes der Düse, mittels welcher die hohe Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit erzeugt wird, erwies sich für eine wirtschaftliche Belüftung als zu hoch, ausserdem war die Luftverteilung in der Flüssigkeit eine sehr ungleichmässige, denn neben einem Anteile an feinen Luftbläschen war in dem Flüssigkeits-Luftgemiseh der grösste Luftanteil in grösseren und ganz grossen Blasen enthalten.
Die Erklärung für den grossen Kraftbedarf ergab sich daraus, dass der Querschnitt der Flüssigkeitsleitung an der Düsenspitze bei den normal gebräuchlichen Strahlapparaten auf 1/20-1/50 verengt wird.
So weitgehende Querschnittsverengungen und die dadurch bedingte grosse Steigerung der Strömungsgeschwindigkeit und des Reibungswiderstandes, können natürlich nur durch entsprechend hohen Druck überwunden werden, welcher einen äquivalenten Kraftaufwand bedingt.
Die ungleichmässige Grössenverteilung der Luft bei Anwendung von Strahlapparaten erklärt sich der Anmelder nach den bei den Versuchen gewonnenen Erfahrungen damit, dass unmittelbar hinter der Luftansaugstelle an der Düsenspitze durch den Diffusor fast augenblicklich eine Erweiterung auf den ursprünglichen, eventuell einen noch etwas grösseren Querschnitt der Rohrleitung und dabei gegenüber der Ansaugestelle eine Herabsetzung der Strömungsgeschwindigkeit auf erfolgt und dass sich bei dieser relativ sehr grossen Verlangsamung die vielleicht in feiner Verteilung mitgerissenen Luftbläschen zu grösseren und grossen Blasen vereinigen.
Diese Erkenntnisse wurden zur Ausführung der vorliegenden Erfindung in folgender Weise verwendet :
Die Sättigung der Würze mit Luft wurde aus der bisher üblichen Lüftungseinrichtung in eine Rohrleitung verlegt, durch welche die im Gärbottich befindliche gärende Würze mit einer solchen Strömungsgeschwindigkeit umgewälzt wird, dass die ihr an einer Stelle der Druckleitung zwischen Umwälzpumpe und Bottichinhalt zugeführte Luft durch die aus der Geschwindigkeitsdifferenz der Luft-und Flüssigkeitsströmung resultierende Oberflächenreibung in der erforderlichen Menge mitgerissen und in der Würze fein verteilt wird.
Hinter dem Luftanschluss wird die eventuell zu einer Rohrschlange gewundene Rohrleitung in bekannter Weise so lang gehalten, dass die in der Würze enthaltenen Hefezellen Zeit finden, um sich an den feinen Luftbläschen zu adsorbieren, die sich dann bei Eintritt in den freien Bottichinhalt nicht mehr voneinander lösen und während des, durch die Feinheit der Luftbläschen bedingten langsamen Aufstieges haben die Hefezellen genügend Zeit, die Luft wirtschaftlich auszunutzen.
Diese Rohrleitung ist mit einem Ende an ein in dem Gärbottich befindliches Verteilersystem - das eventuell auch ein vorhandenes Luftverteilungsrohrsystem sein kann-und mit dem andern Ende an die Druckseite einer Umwälzpumpe angeschlossen, deren Saugleitung an geeigneter Stelle des Gärgefässes mündet. Von der Pumpe wird ein Teil der Würze aus dem Gärbottich abgesaugt und mit grosser Geschwindigkeit durch die erwähnte Rohrleitung gedrückt, in welcher sie mit Luft gesättigt und gelüftet und in Form einer feinen Luft-Würze-Emulsion durch das Verteilungssystem in den
Bottich zurückgedrückt Wird. Diese Belüftung der im Kreislauf strömenden Würze erfolgt solange als es vom Standpunkte der Gärung erforderlich erscheint.
Auf diese Weise durchgeführte Versuchsgärungen haben gezeigt, dass infolge der feinen Zer- stäubung der Luft in der Flüssigkeit, welche nicht nur in der langen Rohrleitung, sondern auch noch nach dem Durchdrücken durch das Verteilungssystem erhalten bleibt, die Ausnutzung der Luft eine mehrfach bessere ist und sich den Grenzen einer erreichbar vollkommenen Ausnutzung sehr nähert.
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Die Würze schäumt bei diesem Arbeitsverfahren auch nicht in dem Masse, wie bei der bisher zumeist üblichen Lüftungsart.
In der Zeichnung stellt Fig. 1 einen Längsschnitt und Fig. 2 einen Grundriss der beispielsweisen Ausführung der Lüftung nach der vorliegenden Erfindung schematisch dar.
Die Würze wird aus dem Gärbottich 1 mittels der Pumpe 2 abgesaugt und durch den Kühler 3, welcher in diesem Falle ausserhalb des Bottichs untergebracht ist, gedrückt. Man kann natürlich auch, wie bisher üblich, mittels einer, im Gärbottich untergebrachten Rohrschlange kühlen, in welchem Falle allerdings der Kühler 3 entfällt und die Druckleitung der Pumpe direkt an die Rohrschlange 4 angeschlossen wird, wie in der Zeichnung punktiert angedeutet ist. Nach Durchfluss des Kühlers strömt die Würze in die Rohrleitung 4, in welche der Luftanschluss 5 mit dem Regulierventil 6 zur Einführung der gegebenenfalls regulierbar verdichteten und abgekühlten Luft mündet. Im Verlaufe der durchgeführten Versuche haben sich für den Luft-bzw. Gasanschluss die in den Fig. 3 und 4 schematisch veranschaulichten Ausführungsformen als zweckmässig erwiesen.
In Fig. 5 ist die mehrfache Anordnung einer der vorbeschriebenen Ausführungen im Verlaufe einer zu einer Spirale gewundenen Rohrleitung und in Fig. 6 sind mehrfach parallel nebeneinander angeordnete Anschlüsse dargestellt.
Die Anschlüsse werden konstruktiv so ausgeführt, dass sie zum Zwecke leichter Reinigung auf einfache Weise geöffnet werden können.
Alle diese Luft-bzw. Gasanschlüsse können mit einem Absperr-und Regulierorgan versehen werden, um die zu verteilende Gasmenge ändern zu können.
Die Wahl der einzelnen Ausführungen und deren Anzahl ist von dem erforderlichen Verhältnis von Gas zu Flüssigkeit und der dem betreffenden Erzeugungsvorgang entsprechend gewählten Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit und dem Drucke des in der Flüssigkeit zu verteilenden Gases abhängig.
Die Würze, in welcher sich die fein verteilte Luft emulgiert, wird dann durch die Rohrleitung mit einer solchen Strömungsgeschwindigkeit gedrückt, dass die Luft in der gärenden Würze in ihrer feinen Verteilung erhalten bleibt, damit mit ihr soviel Hefezellen als möglich in die notwendige Berührung kommen. Die Luftwürzeemulsion tritt dann mit unverminderter Geschwindigkeit durch das Ver-
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werden können.
Nach durchgeführten Feststellungen ist die Luft in der Würze zu ganz feinen Bläschen bis zu mikroskopischer Grösse verteilt, und, soweit sie unter Benutzung einer Lupe erfasst werden können, kann man den Durchmesser der überwiegenden Mehrzahl der Bläschen mit 1/30-1/50 mm und darunter, im Durchschnitt mit zirka 1/"mm annehmen.
Bei den bisher üblichen Lüftungsverfahren verlassen die Bläschen das Verteilungsrohrsystem zumeist mit einem Durchmesser von 2 bis 3 mm, steigen infolge des durch ihr Volumen bedingten grossen Auftriebes in der Würze schnell an die Oberfläche und verbinden sich aus dem gleichen Grunde gegenseitig rasch zu Blasen von bedeutender Grösse. Der Vergleich der bisher üblichen Bläschen von 3 mm Durchmesser mit solchen mit dem wahrscheinlichen durchschnittlichen Durchmesser von höchstens etwa 0-03 mm bei der vorliegenden Erfindung ergibt, dass die Anzahl der Bläschen aus der gleichen Menge der verwendeten Luft eine millionenmal grössere ist und deren Oberfläche sich hundertfach vergrössert hat.
Infolge dieser bedeutenden Vervielfachung der Anzahl der Bläschen und deren dichter Verteilung in der Würze wird die Berührung der Hefezellen mit der Luft ungemein gefördert, was eine rasche Ausnutzung der verwendeten Luft durch die Hefezellen herbeiführt. Eine weitere Folge der feinen Verteilung der Luft ist die, dass durch deren in dem erwogenen Falle hundertfach vergrösserte Oberfläche in gleichem Verhältnis sowohl die'Reibung der Oberfläche der Bläschen an der Würze erhöht als auch deren Auftrieb verkleinert und infolgedessen das Aufsteigen der Bläschen in der Flüssigkeit verlangsamt. Dadurch wird die Dauer der Verbindung der Hefezellen mit den Luftbläschen um ein vielfaches verlängert, so dass sie für den gegebenen Zweck auf das Wirksamste ausgenutzt werden.
Bei der beschriebenen Erfindung wird das Verweilen der Luftbläschen in der Würze noch durch das ständige Abpumpen einer bedeutenden Würzemenge vom Boden des Bottich unterstützt, was sich bei dem durch ihre geringfügige Grösse bedingten langsamen Aufsteigen in bedeutendem Masse äussert.
Da bei den bisher üblichen Lüftungsverfahren mehr als 90% der angewendeten Luft unausgenutzt entweicht, ergibt sich bei der zweckmässigen Ausnutzung nach der vorliegenden Erfindung eine Luftersparnis von 80 bis 90% gegenüber den bisher noch zumeist gebräuchlichen Belüftung durch gelochte Rohre erforderlichen Luftmengen.
Da durch das langsame Aufsteigen der feinen Bläschen die Flüssigkeit bei weitem nicht so stürmisch aufgewirbelt wird, wie dies bei den bisher zumeist üblichen Lüftungsverfahren der Fall ist, vermindert sich bei Lüftung von gärenden Würzen gemäss der Erfindung auch der Verlust an verflüchtigtem Alkohol sehr wesentlich.
Nach Beendigung der Gärung wird beim Ablassen der vergorenen Würze deren kleiner, in dem Verteilungssystem verbliebener Anteil eventuell durch verdichtete Luft herausgedrängt. Die Reinigung und Sterilisierung des Verteilersystems ist eine leichte, schnelle und verlässliche, weil die grosse Strömungsgeschwindigkeit der in ihm umlaufenden Würze jede Ablagerung von Unreinigkeiten verhindert,
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so dass es nach Durchjagen von Spülwasser und Ausdämpfen gründlich gereinigt und sterilisiert erscheint.
Da der ständige Kreislauf der Würze während des Gärens den Einbau eines Kühlers in die Umlaufleitung ermöglicht, wie in der Zeichnung der beispielsweisen Ausführung angedeutet erscheint, ist eine Kühlschlange innerhalb des Bottich nicht notwendig, was im Einklang mit dem Bestreben steht, in die Gärbottiche so wenig als möglich von Einrichtungen einzubauen, deren Reinigung schwierig ist und die zur Einnistung von unwillkommenen Infektionen Möglichkeit bieten.
Für die vorliegend beschriebene Erfindung können eventuell die bestehenden Lüftungsrohrsysteme benutzt werden, gleichgültig, ob sie kleine oder grössere Austrittsöffnungen besitzen und es genügt, sie durch die Umlaufleitung, eine Pumpe und entsprechend ausgeführten Luftanschluss zu ergänzen, so dass bestehende Gärbottiche mit kleinem Aufwand schnell und ohne Schwierigkeiten dem Verfahren nach der vorliegenden Erfindung angepasst werden können.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Verfahren zum Ansaugen und zur Feinverteilung von Gasen in Flüssigkeiten durch Oberflächenreibung der mit grosser Geschwindigkeit an dem zugeführten Gase entlang strömenden Flüssigkeit, besonders für Gär-und andere Zwecke, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansaugung des Gases an einem nicht oder nur unwesentlich verengten Querschnitt der Flüssigkeitsleitung erfolgt und die Strömungsgeschwindigkeit nach erfolgtem Ansaugen des Gases in der Rohrleitung auf gleicher oder nur wenig herabgesetzter Höhe erhalten bleibt, um das Gas in der Flüssigkeit feinst zu verteilen und in der feinen Verteilung zu erhalten.