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Verfahren und Vorrichtung zur Regelung des Zu-und/oder Ablaufes bei der biologischen Oxydation von Alkohol zu Essigsäure
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren samt zugehöriger Vorrichtung zur Regelung des Zuund/oder Ablaufes bei der biologischen Oxydation von Alkohol zu Essigsäure mittels Fesselgärung oder submerser Gärung.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bei der Regelung des Zu-und/oder Ablaufes des Gärsubstrates bzw. des Gärungsproduktes dann optimale Gärbedingungen erzielt werden können, wenn diese Regelung in Abhängigkeit von der augenblicklichen Alkoholkonzentration der aus dem Essigbildner entweichenden Abgase erfolgt. Der im wasserdampfgesättigten Abgasgemisch enthaltene Alkohol-Wasserdampf steht nämlich jeweils im Gleichgewicht mit der Alkoholkonzentration des Gärsubstrates bzw. im fortschreitenden Stadium der Gärung, mit jener des Gärungsproduktes, wobei diese Zuordnung unabhängig vom Belüftungssystem, von der Füllhöhe des Essigbildners usw. ist und nur von der Gärtemperatur abhängt, die man in der Regel konstant hält.
Insbesondere bei diskontinuierlich erfolgender Essigerzeugung weist nun das im Essigbildner befindliche Gärsubstrat unmittelbar nach der Auffüllung des Essigbildners mit frischem Gärsubstrat (Maische) in vielen Fällen eine Alkoholkonzentration von 5 Vol.-% auf, die erst im Zuge der Essiggärung allmählich bis auf ungefähr 0, 15 Vol.-% abnimmt. Hiebei verringert sich die entsprechende Alkoholkonzentration der aus dem Essigbildner entweichenden Gärungsabgase annähernd im selben Verhältnis, u. zw. von etwa 13, 5 mg Alkoholdampf pro Liter Abgas auf etwa 0, 4 mg Alkoholdampf pro Liter Abgas.
Zur Erfassung der Alkoholkonzentration der Gärungsabgase hat sich die Verwendung eines nach dem Prinzip der katalytischen Verbrennung des Alkohols, also unter Ausnutzung der durch Oxydation des Alkohols entstehenden Wärmetönung arbeitenden Analysiergeräts als zweckmässig erwiesen, wobei allerdings, wie diesbezügliche Versuche ergeben haben, die Alkoholkonzentration der dem Gerät zuströmenden Abgase maximal nur 2 mg Alkohol pro Liter Abgas betragen soll.
Führt man also einem solchen Analysiergerät die unmittelbar aus dem Essigbildner kommenden, am Beginn des Gärvorganges eine Alkoholkonzentration von etwa 13, 5 mg Alkohol pro Liter Abgas aufweisenden Abgase zu, so sinkt die Wirksamkeit des dadurch überbeanspruchten Katalysators in kurzer Zeit erheblich ab, wodurch das Analysiergerät die Alkoholkonzentration der Abgase nicht mehr in befriedigender Weise erfassen kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Regelungsverfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, dessen Genauigkeit von der jeweils anfallenden Grösse der Alkoholkonzentration der Gärungsabgase vollkommen unabhängig ist, u. zw. auch dann, wenn man fallweise ein mit einem Katalysator arbeitendes Analysiergerät verwenden will. Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass aus den Gärungsabgasen, vorzugsweise aus einem Teil derselben, der Alkohol bis auf eine konstant gehaltene Alkoholkonzentration kontinuierlich ausgewaschen wird und die zur Konstanthaltung der Alkoholkonzentration in den Abgasen augenblicklich erforderliche Waschwassermenge für einen Regeleingriff im Zu-und/oder Ablauf des Gärsubstrates bzw. des Gärungsproduktes herangezogen wird.
Obwohl also letzthin die augenblickliche Alkoholkonzentration der aus dem Essigbildner unmittelbar abströmenden Abgase die den Ablauf des Verfahrens allein beherrschende Regelgrösse ist, braucht diese Regelgrösse vorteilhafterweise nicht direkt durch das Analysiergerät erfasst zu werden, sondern letzteres dient nur dazu, um die gleiche Regelgrösse in anderer Form, nämlich als augenblicklich erforderliche
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Waschwassermenge, in das Verfahren einbeziehen zu können. Je höher nämlich die Alkoholkonzentration, der aus dem Essigbildner abströmenden Gärungsabgase ist, desto mehr Waschwasser ist erforderlich, um in den gewaschenen Abgasen die über das Analysiemerät einzuregelnde Konstanz der Alkoholkonzentration aufrecht zu erhalten.
Somit ist die zur Konstanthaltung der Alkoholkonzentration der gewaschenen
Gärungsabgase augenblicklich erforderliche Waschwassermenge eine der augenblicklichen Alkoholkonzen- tration der nicht gewaschenen Abgase vollkommen adäquate und konforme Regelgrösse. Das erfindungsgemässe Verfahren ist solcherart durchwegs auch unter Verwendung eines nach dem Prinzip der katalytischen Verbrennung des Alkohols arbeitenden Analysiergerätes durchführbar, denn die Lebensdauer des im Gerät befindlichen Katalysators ist umso grösser, je niedriger die Alkoholkonzentration der dem
Gerät zugeführten Abgase ist.
Da nun die betreffenden Alkoholkonzentrationen durch das geregelte Auswaschen der Abgase ohne weiteres auf einen Wert reduziert werden können, der beträchtlich unterhalb der nach Auffüllung des Essigbildners auftretenden Konzentrationen liegt, so können kritische
Konzentrationen vom Katalysator vollkommen fern gehalten werden, wodurch sich für ihn die grösstmögliche Lebensdauer ergibt.
Zweckmässigerweise wird man hiebei die konstante Alkoholkonzentration der gewaschenen Abgase auf die gewünschte Restalkoholkonzentration des Gärsubstrates einstellen. Ein allfällig verwendeter Katalysator hat dann nur zur Oxydation von besonders geringen Alkoholmengen zu dienen, da zum unverzögerten Einsetzen der Gärung der nachfolgenden Charge nur eine verhältnismässig niedrige Restalkoholkonzentration des Gärsubstrates erforderlich ist. Auch die jeweils gewünschte Restalkoholkonzentration des aus dem Essigbildner auszustossenden fertigen Gärungsproduktes lässt sich mit absoluter Genauigkeit erreichen. Die bei erreichter gewünschter Restalkoholkonzentration erfolgende Unterbrechung der Waschwasserzufuhr kann hiebei den Ausstoss des Gärsubstrates bzw. Gärungsproduktes auslösen.
Ist nämlich die Alkoholkonzentration der unmittelbar aus dem Essigbildner entweichenden Abgase auf den Wert der konstant gehaltenen, der gewünschten Restalkoholkonzentration des Gärsubstrates zugeordneten Alkoholkonzentration der gewaschenen Abgase abgesunken, dann ist ein Wascheffekt nicht mehr nötig.
Das Verfahren kann selbstverständlich auch bei der kontinuierlichen Essigerzeugung eingesetzt werden, u. zw. unabhängig davon, ob diese kontinuierliche Erzeugung im Ein- oder Mehrbottichsystem erfolgen soll. Auch dann kann nämlich die Regelung des Ab- oder Zulaufes in Abhängigkeit vom Restalkohol des zum Ausstoss gelangenden Gärungsproduktes stattfinden. Der Ausstoss wird bei kontinuierlicher Essigerzeugung in jenem Augenblick ausgelöst werden, in welchem die Waschwasserzufuhr unterbrochen ist. Es ist hiebei für die Erfindung unerheblich, ob der Regeleingriff auf die Zufuhr von frischem Gärsubstrat oder auf den Ausstoss des bereits abgegorenen Gärproduktes erfolgt. Im Zwei- oder Mehrbottichsystem kann es unter Umständen zweckmässig sein, den Regeleingriff auf die Pumpe abzugeben, welche angegorene Maische von einem Essigbildner zum nächstfolgenden zu fördern hat.
Bei einer erfindungsgemässen Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, die in an sich bekannter Weise einen Gärbehälter mit einem in die Abgasleitung eingeschalteten Abgaswäscher aufweist, zweigt von der vom Abgaswäscher wegführenden Abgasleitung eine, vorzugsweise mit einer Dosierpumpe versehene, Messleitung ab, die zu einem Analysiergerät führt, das zur Erfassung der Alkoholkonzentration der bereits gewaschenen Abgase dient, an welches Gerät ein Regler angeschlossen ist, mittels welchem die zur Konstanthaltung der Alkoholkonzentration der gewaschenen Abgase augenblicklich erforderliche Waschwassermenge über ein mit ihm in Steuerverbindung stehendes, in die Waschwasserzuleitung eingebautes Ventil einregelbar ist.
Dieses Ventil kann dabei einen seine Verstellung mitmachenden Steuerkontakt aufweisen, über welchen die Stromleitung zum elektrischen Antriebsmotor der Ablaufpumpe lediglich dann geschlossen ist, wenn sich das Ventil in Schliessstellung befindet.
Das erfindungsgemässe Verfahren ist an Hand der Zeichnungen näher erläutert, die Ausführungsbeispiele der zur Verfahrensdurchführung dienenden erfindungsgemässen Vorrichtung wiedergibt. Fig. l zeigt in schematischer Darstellung eine Vorrichtung für diskontinuierliche Essigerzeugung. Fig. 2 veranschaulicht, ebenfalls schematisch, eine Vorrichtung für kontinuierliche Essigerzeugung, u. zw. an Hand eines zwei hintereinander geschaltete Essigbildner aufweisenden Systems.
In Fig. l ist mit--l--der im wesentlichen geschlossen ausgeführte, mit einem rotierenden
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Freie. Von diesem Leitungsteil--4--zweigt die Messleitung--6--, in welche die Dosierpumpe --7-- eingebaut ist, zu dem die Alkoholkonzentration der bereits gewaschenen Abgase erfassenden
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Analysiergerät --8-- ab. Dieses arbeitet in an sich bekannter Weise nach dem Prinzip der katalytischen Verbrennung des Alkohols, also unter Auswertung der durch die Oxydation des Alkohols entstehenden augenblicklichen Wärmetönung. An das Analysiergerät --8-- ist der Regler --9-- angeschlossen, der mit dem die Waschwasserzufuhr regelnden Motorventil --12-- in Steuerverbindung steht.
Dieses ist in
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Waschwasserzuleitung-10-eingebaut.Motorventil --12-- weist den seine Verstellung mitmachenden Steuerkontakt --13-- auf, über welchen die Stromleitung --14-- zum elektrischen Antriebsmotor --15-- der Ablaufpumpe --16-- lediglich dann geschlossen ist, wenn sich das Motorventil--12--in Schliessstellung befindet.
Letzteres ist dann der Fall, wenn die mittels des Analysiergerätes--8--konstant gehaltene Alkoholkonzentration der gewaschenen Abgase gleich ist der einer gewünschten Restalkoholkonzentration des Gärsubstrates zugeordneten Alkoholkonzentration der nicht gewaschenen Abgase.
Die infolge des submersen Gärvorganges im Essigbildner--l--entstehenden, Alkoholdampf enthaltenden Abgase gelangen durch den Teil --3-- der Abgasleitung --3,4-- in den Abgaswäscher - -5--, strömen in diesem nach oben und verlassen ihn durch den Leitungsteil--4--. Das durch die Waschwasserzuleitung-10-zugeführte Waschwasser durchfliesst den Abgaswäscher-5-von oben
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Teil der in den Abgasen vorhandenen Alkoholdämpfe vom Waschwasser absorbiert wird. Somit weisen die den Abgaswäscher --5-- durch den Abgasleitungsteil--4--verlassenden Abgase im allgemeinen eine
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augenblicklich dem Abgaswäscher zugeführte Waschwassermenge ist.
Mit Hilfe der Dosierpumpe-7wird über die Messleitung-6-ein Teil der Abgase aus dem Leitungsteil --4-- abgesaugt und dem Analysiergerät --8-- zugeführt. Dieses erfasst die Alkoholkonzentration der bereits gewaschenen Abgase, indem es eine dieser Alkoholkonzentration entsprechende elektrische Spannung liefert, welche die
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Alkoholkonzentration der aus dem Abgaswäscher austretenden Abgase während des gesamten Gärvorganges auf jenem Wert, welcher der gewünschten Restalkoholkonzentration des Gärsubstrates zugeordnet ist. Wenn nun diese Restalkoholkonzentration im Essigbildner erreicht ist, kann im Abgaswäscher --5-- keine Verringerung der Alkoholkonzentration der Abgase mehr erfolgen, da sonst die eben angeführte Regelbedingung nicht mehr erfüllt wäre.
Der Regler--9--bewirkt also, dass sich das
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--12-- schliesst. HiebeiRestbefüllung aufweist. Mittels einer einfachen Automatik lässt sich erreichen, dass nach Ablauf der gewünschten Menge des fertigen Gärungsproduktes die Ablaufpumpe wieder ausgeschaltet wird und anschliessend die Zufuhr frischen Gärsubstrates erfolgt, bis die bei --b-- angedeutete Endbefüllung des Essigbildners-l-erreicht ist, wonach der beschriebene Vorgang wieder von neuem beginnt.
Natürlich kann an Stelle des Motorventils--12--bei Verwendung eines entsprechenden Reglers auch ein pneumatisch oder hydraulisch betätigtes, ebenfalls mit einem entsprechenden Steuerkontakt ausgestattetes Ventil Verwendung finden.
In der eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Essigerzeugung wiedergebenden Fig. 2 ist mit-l'- der erste Essigbildner bezeichnet, der, wie auch der folgende Essigbildners im wesentlichen geschlossen ausgeführt und mit einem rotierenden Luftverteilungssystem --2'-- ausgestattet ist. Das
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ist. Ober eine Leitung--21--, eine Ablaufpumpe--16"--und eine Leitung --2-- erfolgt der Ausstoss des fertigen Gärungsproduktes.
Ober die Leitung --18-- wird dem Essigbildner --1'-- Gärsubstrat mit etwa 10 Vol.-% Alkohol zugeführt, wobei über das Luftverteilungssystem-2'-die entsprechende Luftversorgung erfolgt. Die Alkoholkonzentration im Essigbildner--l'--stellt sich je nach der Gärungsgeschwindigkeit im nachgeschalteten Essigbildner auf einen bestimmten Wert ein. Vorzugsweise wird man eine
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Alkoholkonzentration von etwa 3 Vol.-% anstreben, was einer Säurekonzentration von etwa 6 bis 7% entspricht. Bei dieser Säurekonzentration wird erfahrungsgemäss die höchste Gärgeschwindigkeit erreicht, wodurch eine Verringerung des Volumens der Essigbildner ermöglicht wird. Dieses angegorene Gärsubstrat wird entsprechend der Ausstossmenge aus dem Essigbildner --1"-- letzterem zugeführt.
In diesem wird der Alkohol durch biologische Oxydation auf 0, 15 Vol.-% reduziert. Die über das Luftverteilungssystem
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desüber die Leitung --4"-- ins Freie. Über die Messleitung-6"--wird mittels der Dosierpumpe - ein Teilstrom der Abgase dem die Alkoholkonzentration der bereits gewaschenen Abgase erfassenden Analysiergerät --8"-- zugeführt, von welchem in gleicher Weise wie gemäss Fig. 1 der Impuls an den angeschlossenen Regler --9"- abgegeben wird. Letzterer betätigt in Abhängigkeit vom Alkoholgehalt der aus dem Abgaswäscher abströmenden Abgase das Motorventil--12"--, über welches so viel Waschwasser dem Kopf des Abgaswäschers --5"-- zugeführt wird, dass das aus dem Abgaswäscher abströmende Abgas einen gewünschten Restalkoholgehalt aufweist.
Im allgemeinen wird jene Alkoholkonzentration im aus dem Abgaswäscher austretenden Abgas angestrebt, welche im Gleichgeweicht mit der Alkoholkonzentration des fertigen Gärungsproduktes steht. Im vorliegenden Fall
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--1"-- das17--, wodurch frisches Gärsubstrat dem Essigbehälter --1'-- bzw. angegorenes Gärsubstrat dem Essigbehälter --1"-- zugeführt wird.
Das erfindungsgemässe Verfahren zur Regelung des Zu-und/oder Ablaufes lässt sich selbstverständlich auch auf das kontinuierliche Einbottichsystem anwenden. In diesem Falle wird das frische Gärsubstrat unter Umgehung des Essigbildners --1'-- über die Leitung --19-- gleich dem Essigbildner --1"-- zugeführt. Die Regelung ergibt sich sinngemäss aus den vorstehenden Darlegungen.
Es ist ihm Rahmen der Erfindung gleichgültig, ob das Regelventil --12"-- mit einem, wie oben beschrieben, elektrischen Antriebsmotor in steuernder Verbindung steht, oder aber ob dieses Regelventil
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-12"-- mit einemüber eine als Überlauf ausgebildete Abzugsleitung erfolgt. Das Schwimmerventil-20-würde dann entfallen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Regelung des Zu-und/oder Ablaufes bei der biologischen Oxydation von Alkohol
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den Gärungsabgasen, vorzugsweise aus einem Teil derselben, der Alkohol bis auf eine konstant gehaltene Alkoholkonzentration kontinuierlich ausgewaschen wird und die zur Konstanthaltung der Alkoholkonzentration in den gewaschenen Abgasen augenblicklich erforderliche Waschwassermenge für einen Regeleingriff im Zu- und/oder Ablauf des Gärsubstrates bzw. des Gärungsproduktes herangezogen wird.
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