<Desc/Clms Page number 1>
Vorrichtung zur kontinuierlichen Züchtung und Gewinnung von Hefe
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Züchtung und Gewinnung von Hefe, vorzugsweise mit horizontaler Anordnung.
Es ist bekannt, die Züchtung von Hefe in einem einzigen Behälter grosser Kapazität auszuführen, z. B. in einem etwa 45. 000-90. 0001 Würze enthaltenden Behälter ; der Würze werden Nährstoffe zugeführt und für die Vermehrung der Hefezellen wird Luft eingeleitet.
Aus der deutschen AuslegeschriftNr. 1, 015. 761 ist ferner ein Gärbottich mit senkrechten, ihn in Ringzonen unterteilenden Wänden für die Durchführung einer ununterbrochenen Gärung in Flüssigkeiten, bekannt geworden, bei dem die Trennwände sich über die ganze Höhe des Bottichs erstrecken und jede Ringzone in die folgende mündet, so dass ein durchlaufender Kanal von der Seitenwand des Bottichs nach der Achse führt, wobei der Zulauf in tangentialer Richtung am oberen Rande des Bottichs vorgesehen ist und der Auslauf in der Mitte seines Bodens. Aus der österr. Patentschrift Nr. 149901 ist es bekannt, bei der Herstellung von Hefe den Gehalt an zur Entwicklung der Hefe nötigem Sauerstoff in der Würze durch Erhöhen des Druckes im Gärbottich zu vermehren.
Zur Erzielung höchster Ausbeuten an Hefe, bezogen auf die Menge an eingesetztem Kohlehydrat, ist es notwendug, sehr grosse Volumina Luft durch die Würze zu leiten, z. B. Luftmengen in der Grössenordnung von 14. 160 m3 Luft je Tonne erzeugter Hefe. Es ist nicht nur die Kompression und die anschlie- ssende Handhabung von Luftmengen dieser Grössenordnung schwierig und teuer, sondern auch das Hindurchleiten grosser Luftvolumina durch die Würze bewirkt ein beträchtliches Schäumen der Brühe. Der zuletzt genannten Schwierigkeit kann nur dadurch begegnet werden, dass ein beträchtlicher nicht ausgenützter Leerraum oberhalb der Würze vorgesehen wird. Zusätzlich werden häufig Antischaummittel zugegeben, um das Ausmass der Schaumbildung zu verringern. Solche Verbindungen sind teuer und verursachen einen erheblichen Aufwand im Rahmen der Herstellungskosten.
Durch Verringerung der Menge des durch die Würze zu leitenden Gases können somit die Kosten des Gärverfahrens verringert werden.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer Vorrichtung zur kontinuierlichen Züchtung und Gewinnung von Hefe, in der der nicht ausgenützte Raum oberhalb der Würze verringert und eine verminderte Gasmenge für die Belüftung angewendet werden kann.
Dieses Ziel wird gemäss der vorliegenden Erfindung mit einer Vorrichtung der oben genannten Art erreicht, die dadurch gekennzeichnet ist, dass sie eine rohrförmige Leitung aufweist, die mit einer Abscheidungsstufe und vorzugsweise auch mit einem Gärbehälter in Verbindung steht, wobei an der Leitung in Abständen voneinander Einrichtungen für die Zufuhr von Nährstoffen, für die Zufuhr von Sauerstoff bzw. sauerstoffhaltigem Gas, insbesondere Luft, und für das Abführen von kohlendioxydhaltigem Gas vorgesehen sind und die Abführungseinrichtungen für kohlendioxydhaltige Gase in eine Reinigungs- oder Waschvorrichtung münden, an der die Versorgungsleitung für die Einrichtungen zur Zufuhr von Sauerstoff bzw. sauerstoffhaltigem Gas, z. B. über eine Pumpe, angeschlossen ist.
Vorzugsweise soll die Leitung, die den Gärbehälter mit der Abscheidungsstufe verbindet, eine beträchtliche Länge aufweisen. Die genaue Länge der Leitung hängt hauptsächlich vom Durchmesser der rohrförmigen Leitung und vom gewünschten Ausstoss an Hefe ab. Bei Anwendung einer Leitung beträchtlicher Länge kann es zweckmässig sein, in der Leitung Windungen bzw. Umlenkungen anzuordnen, um das Leitungssystem auf verhältnismässig kleiner Bodenfläche unterbringen zu können ; z. B. kann die Leitung die Form einer Spirale mit relativ hohem Aufbau aufweisen. Die Leitung soll vorzugsweise einen kreisförmigen Innenquerschnitt aufweisen, wodurch deren Herstellung und Reinigung vereinfacht wird ; es können aber auch rohrförmige Leitungen mit anderem Querschnitt verwendet werden. Die rohrförmige Leitung kann einen konstanten Durchmesser aufweisen, z.
B. von etwa 15 bis 51 cm, oder einen zunehmenden Durchmesser in der Strömungsrichtung der Würze haben. Die rohrförmige Leitung zur Durchleitung der Würze ist in miteinander in Verbindung stehende Leitungsabschnitte unterteilt. In die Leitung können zweckmässige Rohre mit vermindertem Durchmesser und erforderlichenfalls Rückschlagventile, Drosseln od. ähnl. Einrichtungen eingeschaltet sein, die solange eine wesentliche Vermischung der Würze eines Leitungsabschnittes mit jener eines Leitungsabschnittes an der andern Seite verhindern, bis die Würze in den in Strömungsrichtung nächsten Leitungsabschnitt gelangt.
Der Einsatz von Ventilen, Drosseln, Pumpen oder Röhren mit vermindertem Querschnitt begünstigt ein turbulentes Fliessen der Flüssigkeit
<Desc/Clms Page number 2>
in der Leitung, das sehr erwünscht ist, um die Hefezellen mit den Nährstoffen und dem sauerstoffenthaltenden Gas, wie Luft oder Sauerstoff, in Berührung zu bringen.
Die Mehrzahl der Leitungsabschnitte oder sämtliche Abschnitte können mit Venturirohren oder Injektoren ausgestattet sein, durch die Nährlösungen und sauerstoffenthaltendes Gas in die Abschnitte eingeführt werden können. Durch Verwendung von hochprozentigem oder reinem Sauerstoff bei der Fermentation kann die Gasmenge, die durch die Würze geleitet werden muss, im Vergleich zur erforderlichen Luftmenge wesentlich vermindert werden und kann z. B. nur 1/66stel des erforderlichen Luftvolumens betragen. Damit ist auch der oberhalb der Würze liegende Leerraum entsprechend verringert oder beseitigt.
Wenn daher Sauerstoff verwendet wird, kann die Leitung, welche den Gärbehälter mit dem Reifung-
EMI2.1
kontinuierlich durch die rohrförmige Leitung geführt wird.
Vorzugsweise wird der Sauerstoff unter einem mehr als Atmosphärendruck betragenden Druck den einzelnen Leitungsabschnitten zugeleitet und die Leitung druckbeständig ausgelegt. Durch Zufuhr von Sauerstoff bei erhöhtem Druck wird die Löslichkeit des Sauerstoffes in der Würze und damit auch deren Verwertung durch die Hefe erhöht.
Um den Sauerstoff so vollständig wie möglich auszunützen, wird das verwendete Gas nach dem Durchleiten durch die Würze aus der Leitung abgezogen, zur Entfernung von Kohlendioxyd gewaschen und erneut zur Würze zurückgeführt. Ein schwach positiver Druck kann in solchen Fällen erforderlich sein, um den Widerstand des Gasstromes in den Wascheinrichtungen zu überwinden und dieser Druck kann durch Erhöhung des Druckes, mit welchem Sauerstoff in die Würze eingeführt wird, oder durch Pumpen des Gases aus der Leitung in die Wascheinrichtungen erzeugt werden.
Der nicht verwertete Sauerstoff sowie das CO2 und die andern Nebenprodukte können aus der Leitung zwischen den einzelnen Leitungsabschnitten durch übliche Einrichtungen entfernt werden ; z. B. können geschlossene Räume, vorzugsweise mit Kugelform, zwischen den Leitungsabschnitten vorgesehen sein, in denen verminderter Druck aufrechterhalten wird und in welchen vorzugsweise das Verhältnis Flüssig- keitsoberflächenbereich : Volumen im Vergleich mit jenem der Leitungsabschnitte erhöht ist ; aus diesen geschlossenen Räumen werden die gelösten Gase abgezogen und zu den Wascheinrichtungen geführt.
Anderseits können gewünschtenfalls zwischen den Leitungsabschnitten Pumpen angeordnet sein, z. B. solche, welche als Entlüftungspumpen bekannt sind und die Flüssigkeit und Gas aus einer Mischung trennen. Die Flüssigkeit wird dann in den in bezug auf die Strömungsrichtung nächsten Leitungsabschnitt geführt
EMI2.2
geleitet.
In den Leitungsabschnitten werden ständig geeignete Bedingungen, wie Nährstoffzufuhr, Hefekonzentration, pH-Wert, Temperatur, Wachstumsmodul und Sauerstoffzufuhr, eingestellt, wie sie für die Erzeugung von Hefe von Handelsqualität erforderlich sind, wobei die Hefezellen diesen Bedingungen in dem Masse unterworfen werden, wie sie aufeinanderfolgend durch die Leitungsabschnitte vor der Abscheidungsstufe geführt werden. Je grösser die Anzahl der Leitungsabschnitte ist, in welchen die Bedingungen geregelt
EMI2.3
Nährstoffe und gegebenenfalls Wasser werden vorzugsweise, z. B. durch Venturirohre oder Injektoren, zu Beginn der Leitungsabschnitte eingeführt, um die Bedingungen des Hefewachstums in jenen Leitungabschnitten zu regeln.
Das Volumen der Würze, die durch die Leitung geführt wird, nimmt infolge des Wachstums der Hefe, der zugeführten Nährstofflösungen und des Wassers zu und es ist daher, falls die gleiche Verweilzeit in allen Abschnitten der Leitung gewünscht sein sollte, das Volumen der Leitungsabschnitte in Strömungsrichtung der Würze zu erhöhen. Dies kann entweder dadurch erreicht werden, dass die Länge der Leitungsabschnitte bei konstantem Querschnitt der Leitung vergrössert wird, oder dass Leitungsabschnitte mit zunehmendem Durchmesser angewendet werden. Wenn das Hefewachstum exponentiell erfolgt, ist es notwendig, das Volumen der einzelnen Leitungsabschnitte exponentiell zu vergrössern.
Anderseits können Leitungsabschnitte gleicher Länge und gleichen Querschnitts vorgesehen sein, in welchem Falle die Hefeverweilzeit in jedem Leitungsabschnitt in Strömungsrichtung abnimmt.
Zur Erzielung von Hefe guter Handelsqualität ist eine "Reifungsstufe"vor der Abscheidungsstufe vorteilhaft. In dieser Reifungsstufe werden die Hefezellen verminderter Sauerstoffzufuhr und Nährstoffkonzentration, z. B. während einer bis zwei Stunden, ausgesetzt. Eine solche Reifung kann bei der erfindungsgemässen Vorrichtung dadurch erreicht werden, dass zusätzlich Leitungsabschnitte mit genügendem Fassungsraum vorgesehen werden, um die notwendige Verweilzeit zu gewährleisten, bei welcher die Nährstoffzufuhr vermindert oder vorzugsweise unterbrochen ist, und in welchen die Sauerstoffzufuhr vermindert oder unterbrochen ist.
Am Ende der Vorrichtung sind Einrichtungen vorgesehen, durch die hefeenthaltende Flüssigkeit kontinuierlich aus dem Reifungsbehälter abgezogen wird. Solche Einrichtungen können aus einem Auslass oder Ventil und einem Rohr bestehen, das zur Abscheidungsstufe führt ; es kann aber auch eine Pumpe oder eine ähnliche Einrichtung verwendet werden. Die vorgesehenen Einrichtungen sollen es ermöglichen, die Durchleitungsgeschwindigkeit der hefeenthaltenden Flüssigkeit von der Reifungsstufe zur Abscheidungsstufe, die eine Zentrifuge oder eine Filtrationsanlage sein kann, zu regeln.
<Desc/Clms Page number 3>
Zur Inbetriebnahme der Vorrichtung gemäss der Erfindung werden Hefe und Würze in den ersten Leitungsabschnitt eingeleitet, worauf in diesem Leitungsabschnitt unter Nährstoff- und Sauerstoff zufuhr das Wachstum der Hefe bis zu einer vorbestimmten Konzentration und einem vorbestimmten Volumen vorgetrieben wird. Dann wird mit der kontinuierlichen Überführung der Würze in den nächsten Leitungsabschnitt begonnen und diese Vorgangsweise wird unter Aufrechterhaltung der gewünschten Konzentrationen an Hefezellen und des gewünschten Volumens an Würze im ersten Leitungsabschnitt wiederholt.
Die Beschickung der übrigen Leitungsabschnitte erfolgt analog. Sobald alle Leitungsabschnitte bei konstantem Volumen und konstanter Zellenkonzentration arbeiten, wird mit dem kontinuierlichen Abziehen von hefeenthaltender Würze aus dem letzten Abschnitt der Leitung in einem solchen Ausmass begonnen, dass die Konzentration an Zellen und die Volumina in den vorhergehenden Leitungsabschnitten aufrechterhalten werden.
Die Vorrichtung gemäss der Erfindung kann aber auch aus einem gesonderten Gärbehälter üblicher Bauart, der genügend hefeenthaltende Würze enthält, um die Vorrichtung gemäss der Erfindung in kurzer Zeit zu füllen, vollständig gefüllt werden, worauf Nährstoffe und Sauerstoff in die beschickten Leitungsabschnitte geleitet werden und mit dem kontinuierlichen Betrieb begonnen wird. Die Hefe kann durch irgendwelche geeignete Methoden, z. B. Filtrieren und bzw. oder Zentrifugieren, gewonnen werden.
Die Länge der Leitung hängt wenigstens zum Teil vom Durchmesser derselben und dem gewünschten Ausstoss aus der Vorrichtung ab. Andere Faktoren, die die Dimensionierung der Leitung bestimmen, sind die Konzentration der Hefezellen in der hefeenthaltenden Würze und die stündliche Wachstums- geschwindigkeit "K" der Hefe bei einem vorbestimmten Ausstoss an Hefe. Im Falle einer Leitung von 50 cm Durchmesser mit gleichbleibendem kreisförmigem Querschnitt, die zur Erzeugung von 1000 kg Hefe/ Stunde bei 100 g Hefe pro l Würze unter Arbeitsbedingungen und für eine stündliche Wachstums-
EMI3.1
EMI3.2
2050. 0001 betragen, damit die gewünschte Menge an Hefe vorliegt.
Da der Durchmesser der Leitung 50 cm beträgt und das Volumen der Leitung wenigstens 50. 0001 ausmacht, so kann die geringste Länge "L" der Leitung durch die folgende Gleichung ermittelt werden :
EMI3.3
Durch den grossen Oberflächenbereich der Leitung im Vergleich zu deren Volumen ist das Kühlen der Würze einfacher als in üblichen Gärbehältern und es kann die Anbringung von Kühlmänteln um nur einige Leitungsabschnitte ausreichend sein.
In der Zeichnung ist in Fig. 1 eine Ausführungsform der Vorrichtung gemäss der Erfindung schematisch dargestellt, in welcher die Leitungsabschnitte gleiches Volumen aufweisen. Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch eine kugelförmige, zwischen zwei Abschnitten angeordnete Gasabführungseinrichtung. Beim Betrieb der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung wächst die Hefe in einem üblichen Gärbehälter 1, bis ein vorbestimmte Volumen an Würze mit einer vorbestimmten Konzentration an Hefe vorliegt. Hefeenthaltende Würze wird dann in den ersten Abschnitt der Leitung 2 und durch eine Gasabführungseinrichtung 3 geleitet, sodann durch die übrigen Leitungsabschnitte und Gasabführungseinrichtungen, bis die Leitung im wesentlichen gefüllt ist. Der Sauerstoff wird dann zur Pumpe 5 und über die Versorgungsleitung 6 zum Anfang jedes dieser Leitungsabschnitte geführt.
Die Nährstofflösungen werden zu den Leitungsabschnitten mittels Rohre 7 geleitet. Es sind Vorkehrungen getroffen, um die Geschwindigkeit der Sauerstoffzufuhr und der Nährstoffe zum Leitungsabschnitt 4, der als Reifungsstufe wirkt, zu variieren. Das Gas wird aus der hefeenthaltenden Brühe über die Rohre 8 in dem Masse abgezogen, als es durch die Gasabführungseinrichtungen geleitet wird und dieses Gas wird dann durch eine Reinigungs- bzw. Wascheinrichtung 9 geführt, in der Verunreinigungen, wie Kohlendioxyd, entfernt werden. Der aus der Reinigungs- bzw.
Waschvorrichtung austretende gereinigte Sauerstoff wird dann zur Pumpe 5 geführt und über Versorgungsleitung 6 den Leitungsabschnitten erneut zugeführt.
Die hefeenthaltende Würze wird kontinuierlich über Ventil 10 abgezogen und der Abscheidungsstufe 11, die aus einer Zentrifuge oder einer Filtrationsanlage besteht, zugeführt. Die Abzugsgeschwindigkeit von hefeenthaltender Würze durch das Ventil 10 zu der Abscheidungsstufe 11 wird so eingestellt, dass ein konstantes Volumen der Würze und eine konstante Konzentration von Hefezellen in den einzelnen Abschnitten der Leitung eingehalten wird. Gemäss Fig. 2 tritt hefeenthaltende Würze in den kugelförmigen Gasabscheider 13 aus Leitungsabschnitt 14 ein, steigt bis zur Höhe 15 des Abzugsrohres 16 an und tritt von dort in den nächsten Leitungsabschnitt ein.
Auf Grund des Ansteigens des Oberflächenbereiches der Würze beim Übergang von Leitungsabschnitt 14 in den Gasabscheider 13 werden die gelösten Gase, vor allem Sauerstoff und Kohlendioxyd, aus der Flüssigkeit freigesetzt, mittels Leitung 17 abgezogen und zu der Reinigungs- bzw. Wascheinrichtung geführt, in der Verunreinigungen, wie Kohlendioxyd und Aldehyde, aus dem Sauerstoff entfernt werden.