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Verfahren und Vorrichtung zur Enzymbehandlung, insbesondere zur alkoholischen Gärung, einer Flüssigkeit
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Enzymbehandlung, insbesondere zur alkoholischen Gärung, einer durch eine Ansammlung von Enzymträgern, vorzugsweise Gärhefezellen, hindurchgeleiteten Flüs- sigkeit. Anwendbar ist das Verfahren vor allem für die Herstellung alkoholischer Getränke, wie Bier,
Wein oder Sekt. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Es ist bekannt, dass man bei der Bierherstellung verhältnismässig schnell ablaufende Vergärungen von Bierwürze in Gegenwart von Hefe erhält, wenn man mit verhältnismässig grossen Hefegaben arbeitet.
So hat man bereits ein kontinuierliches Vergären von Würze in Gegenwart von Hefe hoher Konzen- tration innerhalb eines schlanken Gärturms durchgeführt, der an seinem unteren Ende Zuführungen für
Würze und Luft aufweist und am oberen Ende mit einerHefeabsetzkammer in Verbindung steht. Aus dem oberen Teil der Absetzkammer wird das Bier abgezogen. Ein solcher Gärturm wird mit Hefekonzentrationen von weit mehr als 150 g/l betrieben, um dadurch den Gärprozess entsprechend zu beschleunigen.
Diese sehr grossen Hefemengen werden in dem Gärturm in Form aufgelockerter"Hefepfropfen"durch zusätzliches Abstützen der suspendierten Hefe mit Hilfe von perforierten Stützböden gegen ein Absinken gesichert und durch die Verteilung der Strömung der Fermentationsgase über den gesamten Querschnitt des Turmes in einem "Schwebezustand" gehalten.
Auch bei andern Schnellgärverfahren wird die als Enzymträger wirkende Hefe, etwa durch kräftiges mechanisches Rühren, in der Würze suspendiert gehalten, damit die Zellwände dieser Hefezellen weitgehend für den Austausch bei dem die Gärung ergebenden Stoffwechsel der Hefezellen zur Verfügung stehen.
Bei einem solchen Schwebezustand der Hefezellen sind die wesentlichen Enzyme der als Enzymträger dienenden Hefezellen in nur verhältnismässig geringerKonzentration in der zu vergärenden Würze vorhanden. Die erreichbare Gärgeschwindigkeit und damit die Ausnutzung der Einrichtungen und Anlagen für die Vergärung ist also, wenn man von einer die Gärung beschleunigenden Temperatursteigerung absieht. durch die Forderung nach dem "Schwebezustand" der Hefe innerhalb der Würze bzw. der zu behandelnden Flüssigkeit begrenzt.
Die Erfindung hat den Zweck, die Gärgeschwindigkeit durch eine neue Verfahrensweise sehr stark zu erhöhen und gleichzeitig den Aufwand für die Einrichtungen und Anlagen zu verringern, insgesamt also die Wirtschaftlichkeit der Herstellung alkoholischer Getränke zu verbessern.
Es wurde gefunden, dass eine erhebliche Steigerung der Gärgeschwindigkeit durch noch stärkere Enzym-oder Enzymträgerkonzentration in einer begrenzten"Gärzone"erreichbar ist, wenn man die Enzymträger vor einem für die Flüssigkeit durchlässigen, die Enzymträger aber im wesentlichen zurückhaltenden porösen Staukörper innerhalb einer kompakten Anschwemmschicht festhält und die zu behandelnde Flüssigkeit mit einstellbarem Überdruck durch diese Anschwemmschicht und den porösen Staukörper hindurchtreibt.
Der Druck steigert die Kontaktintensität zwischen den in der Flüssigkeit enthaltenen Stoffen und den aktiven Enzymgruppen infolge Durchdringens der semipermeablen Membran der Hefe als osmotischer Austausch und Enzymtransport ; die unter Druck durch die engen, noch offen bleibenden Porenkanäle innerhalb des Enzymträger-"Kuchens"hindurchströmende Flüssigkeit umspült die
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Oberflächen mit einer hohen Relativ-Strömungsgeschwindigkeit.
Da in der gesamten kompakten An- schwemmschicht die Enzymkonzentration sehr viel höher als in einer üblichen Hefesuspension ist, und die ho he Relativgeschwindigkeit der Strömung den bereits durch den Druck gesteigerten Austausch durch die Zellenwände noch zusätzlich erhöht, ergibt sich eine ganz wesentliche Steigerung der Gärge- schwindigkeit und der Gärleistung je Volumeneinheit der Gärzone. Dies wirkt sich in einer räumlichen
Verkleinerung der zur Gärung der Flüssigkeit bestimmten Vorrichtung vorteilhaft aus. Das Verfahren kann in einer einzigen Stufe, dann zweckmässigerweise bei verhältnismässig hohen Temperaturen, oder in zwei oder mehr aufeinanderfolgenden Stufen durchgeführt werden.
Das erfindungsgemässe Verfahren zur Enzymbehandlung, insbesondere zur alkoholischen Gärung, einer durch eine Ansammlung von Enzymträgem, wie Gärhefezellen, hindurchgeleiteten Flüssigkeit ist demnach dadurch gekennzeichnet, dass man die Enzymträger vor einem im wesentlichen nur für die
Flüssigkeit durchlässigen porösen Staukörper in einer kompakten Anschwemmschicht konzentriert und die Flüssigkeit unter Anwendung eines einstellbaren hydraulischen Druckgefälles durch zumindest eine solche Enzymträgerschicht hindurchtreibt, um sie in dieser Schicht kurzzeitig einer starken Enzymein- wirkung auszusetzen.
Eine erfindungsgemässe Vorrichtung zum Durchführen des neuen Verfahrens ist grundsätzlich ge- kennzeichnet durch einen für das Hindurchleiten der Flüssigkeit unter Druck geeigneten Behälter mit Ein- und Auslass, zumindest eine kompakte, zwischen Einlass und Auslass sich über den gesamten Durch- flussquerschnitt für die zu behandelnde Flüssigkeit erstreckende Enzymträgerschicht in dem Behälter, einen die Enzymträgerschicht an ihrer Rückseite stützenden Staukörper, Mittel, wie Strömungsdruck,
Gravitation oder Zentrifugalkraft, zum Festhalten der Enzymträgerschicht an dem Staukörper, Mittel zum Einführen und Unterdruck-Setzen der Flüssigkeit in dem Behälter vor der Enzymträgerschicht und
Mittel zum Abführen der durch die Enzymträgerschicht hindurchgetriebenen Flüssigkeit.
Soweit in der obigen Definition der Erfindung der Ausdruck "Enzymträger" verwendet wird, so ist damit grundsätzlich irgendein Enzym enthaltender oder produzierender Mikroorganismus, vorzugsweise
Hefe, zu verstehen, doch sind auch synthetische Enzymträger im Sinne der Erfindung anwendbar, bei- spielsweise fein verteilte Trägermaterialien, auf denen die Enzyme durch Eintauchen der Trägermate- rialien in einer Enzymlösung absorbiert worden sind, ohne jedoch ihre Wirkung auf die die Träger um- spülende Flüssigkeit einzubüssen.
Die"Anschwemmschicht"kann ausser denEnzymträgem auch an sich bekannte Auflockerungsstoffe, wie Biospäne, Asbestfasem und Kieselgur, enthalten, die den Enzymträgern vor dem Herstellen der An- schwemmschicht beigemischt werden können.
Zur näherenErläuterung der Erfindung wird die Vergärung von Bierwürze nach dem neuen Verfahren geschildert ; es sei jedoch ausdrücklich darauf hingewiesen, dass das Verfahren auch für viele andere Behandlungen von Flüssigkeiten mit Enzymen geeignet ist, nicht nur für die Gärung anderer alkoholischer Getränke, etwa Wein oder Sekt, sondern gegebenenfalls auch für die Säurereifung von Rahm als Vorstufe zur Käseherstellung mittels Lab.
Das erfindungsgemässe Verfahren lässt sich grundsätzlich unter Verwendung bekannter, vorzugsweise rückspülbarer Anschwemmfilter durchführen, wenn vor deren porösen Filterstützkörpern genügend freier Raum für die Anschwemmschicht mit den Enzymträgem vorhanden ist ; es empfiehlt sich jedoch, besondere Vorrichtungen zu verwenden, von denen eine in Verbindung mit einer Erläuterung der Erfindung weiter unten beschrieben werden soll.
Zum Vergären von Bierwürze geht man bei dem erfindungsgemässen Verfahren derart vor, dass man zunächst den Enzymträger, beispielsweise in Form von Bierhefe, in einer wässerigen Aufschlämmung in eine"Gärkammer"einpumpt, deren Auslass durch einen porösen Staukörper, wie beispielsweise eine fein gefrittete poröse Platte, gebildet wird. Die Poren des porösen Staukörpers bzw. der porösen Platte sollen so klein sein, dass die Enzymträger in der Gärkammer auf dem Stau-oder Filterkörper in Form einer Anschwemmschicht konzentriert und zurückgehalten werden, während dasaufschlämmwasser durch den porösen Körper hindurchtritt.
Anschliessend wird die zu behandelnde Flüssigkeit, gegebenenfalls unterBeigabe von Sauerstoff oder Stickstoff, beim Beispiel vorgefilterte Bierwürze, in die Gärkammer hineingeleitet und mit einem Druck zwischen etwa 0, 3 bis 4 atü, gegebenenfalls auch noch höherem Druck, durch die von den Enzymträgem in sehr hoher Konzentration gebildete Anschwemmschicht hindurchgetrieben.
Dieses Hindurchtreiben von zu vergärenderBierwürze durch die kompakte Ansammlung von Enzymträgem kann so lange fortgesetzt werden, bis die Poren der Anschwemmschicht durch aus der Würze stammende feine organische Partikel, die"Trubstoffe", weitgehend verstopft sind und der zum Hindurchtreiben der Würze durch die
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Enzymträgerschicht erforderliche Druck stark ansteigt. Dann wird das Hindurchleiten der zu behandeln- den Flüssigkeit kurzfristig unterbrochen und die bisher benutzte Anschwemmschicht durch Rückspülen aus der Gärkammer entfernt.
Nach Aufbringen einer neuen Anschwemmschicht mit frischen Enzymträger auf den porösen Staukörper kann wieder zu behandelnde Flüssigkeit kontinuierlich durch die Enzymträ- gerschicht hindurchgetrieben werden.
Die zeitweilige Unterbrechung des Hindurchleitens der zu behandelnden Flüssigkeit durch die Gär- kammer, die zwecks Entfemens der nicht mehr genügend durchlässigen Anschwemmschicht erforderlich wird, ist nur kurzfristig und fällt daher für die praktische Anwendung des erfindungsgemässen Verfahrens kaum ins Gewicht.
Will man auch derartige Unterbrechungen vermeiden, so kann man entweder eine kontinuierlich zu reinigende und wieder mit einer neuen Schicht zu versehende drehfilterähnliche Apparatur verwen- den oder man kann die Flüssigkeit momentan auf eine zweite Gärkammervorrichtung umschalten, um während dieser Zeit die Reinigung und Erneuerung in der ersten Vorrichtung durchführen zu können.
Statt die Enzymträger vor dem Hindurchleiten der zu behandelnden Flüssigkeit in wässeriger Suspen- sion auf dem porösen Staukörper anzuschwemmen, kann man die Enzymträger auch in der für die An- schwemmung erforderlichen Menge dem ersten Teil der zu behandelnden Flüssigkeit zusetzen, die dann die Anschwemmschicht in kurzer Zeit herstellt.
Um hohe Gesamt-Vergärungsgrade der Würze zu erzielen, ist es zweckmässig, die zu behandelnde
Flüssigkeit durch zwei oder mehrere hintereinander geschaltete G ärkammern mit je einer Anschwemm- schicht hindurchzuleiten ; dabei erfolgt die Vergärung in jeweils kleineren Teilschritten : man kann dann auch in den aufeinanderfolgenden Stufen mit unterschiedlichen Temperaturen der Bierwürze arbeiten, etwa mit 30 bis 350C in einer ersten"Hauptgärstufe"und mit etwa 10 bis 150C in einer zweiten Stufe.
Das mehrstufige Arbeiten mit zwei oder mehreren hintereinander geschalteten Anschwemmschichten der Enzymträger hat den weiteren Vorteil, dass man mit unterschiedlichen Enzymträgem, wie beispielsweise verschiedenen Hefesorten, arbeiten kann, was unterschiedliche Vergärungsgeschwindigkeiten und/oder unterschiedliche Vergärungsgrade erzielen lässt und auch eine Beeinflussung des Geschmacks des G ärproduktes gestattet.
Selbstverständlich lassen sich bei dem erfindungsgemässen Verfahren auch bekannte Massnahmen zur Beschleunigung der Vergärung anwenden ; beispielsweise kann man bei erhöhten Temperaturen arbeiten, die oberhalb der bisher für optimal gehaltenen Temperaturwerte liegen.
Eine für das Durchführen des soeben geschilderten Verfahrens entworfene erfindungsgemässe Gäreinrichtung ist in den Zeichnungen veranschaulicht. Die Fig. 1 zeigt in der Hauptsache eine Gärkammer mit Enzymträger-Anschwemmschicht ; die an sich bekannten zusätzlichen Geräte sind nur symbolisch dargestellt ; die Fig. 2 zeigt die Anordnung mehrerer übereinanderliegender Gärkammem, die je nach Bedarf parallel zueinander als eine Stufe mit entsprechend grossem Durchsatz oder hintereinander in mehrstufiger Arbeitsweise benutzt werden können.
Die in Fig. 1 dargestellte Gärkammer --1-- hat ein etwa zylindrisches, druckfestes Gehäuse-2-, in dem ein scheibenförmiger, feinporöser Staukörper --3-- senkrecht zur Achse --4-- des Gehäuses - dichtend eingebaut ist. Dieser Staukörper --3-- trennt einen Einlassraum --5--, der durch den Deckel --6-- abgeschlossen ist, von dem Auslassraum --7--, den der andere Deckel --8-- abschliesst.
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über einen als Kühler oder Vorwärmer dienenden Wärmetauscher --11--, mit vorgefilterter Bierwürze unter einem zwischen etwa 0, 3 und 5 atü einstellbaren Überdruck gespeist wird, wobei die Temperatur der Würze zwischen etwa 10 und 40 C liegen kann.
Der scheibenförmige Staukörper --3-- nimmt an seiner dem Einlassraum zugewendeten Seite eine vorzugsweise durch Anschwemmen aufgebrachte
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Asbest oder Kieselgur, durchsetzt sein kann. Innerhalb dieser Enzymträgerschicht von beispielsweise 15 bis 50 mm Stärke wirken die Enzyme auf die zu behandelnde Flüssigkeit ein, welche diese Schicht in etwa 1 bis 5 min durchströmt.
Der Durchsatz kann etwa auf 50 11m der Enzymträgerschicht und Stunde gehalten werden, indem man den Einspeisedruck der Würze entsprechend regelt. Das aus dem Auslassraum --7-- über die Aus- lassleitung --17-- abfliessende Bier ist blank gefiltert, da die Schicht --12-- und der feinporöse Stau- körper --3-- Hefezellen und Trübstoffe zurückhalten. Das während des Vergärungsvorganges in der Enzymträgerschicht --12-- freiwerdende Kohlendioxyd wird in Form feiner Bläschen von der zu vergärenden Würze mitgerissen und kann sich im Auslassraum --7-- von der Würze trennen, ehe diese abfliesst oder abgezogen wird.
Das Kohlendioxyd wird über den im Raum --7-- oben liegenden Leitungs-
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anschluss zur beliebigen Verwendung abgeführt.
Zum Einbringen einer Suspension von Enzymträgem und den meist erwünschten Auflockerungsmitteln ist mit dem Einlassraum --5-- ein Mischgefäss --13-- verbindbar, in dem die Suspension hergestellt werden kann ; die Suspensionsflüssigkeit lässt sich dann durch den Staukörper --3-- hindurchdrücken, der die suspendierten Partikel als Anschwemmschicht zurückhält. Man könnte aber auch in der Würzezuleitung --9-- eine Einschleusvorrichtung --14-- (die in Fig. 1 nur gestrichelt angedeutet ist) für die Partikel der Enzymträgerschicht --12-- vorsehen und diese Partikel zu Beginn des Arbeitens der Vorrichtung von den ersten Würzemengen an den Staukörper --3-- anschwemmen lassen.
Zum Beseitigen einer weitgehend verstopften Enzymträgerschicht könnte man die Gärkammer öffnen, den porösen Staukörper --3-- mit der auf ihm sitzenden Enzymträgerschicht --12-- ausbauen und ihn durch einen neuen Staukörper ersetzen, auf den dann eine neue Enzymträgerschicht aufgebracht wird.
Zweckmässiger ist jedoch ein vonAnschwemmfiltem bekanntesRückspülen, vorzugsweise unter Anwenden stossartiger Rückspüldrücke, die über eine besondere Rückspüldruckleitung --15-- auf die Rückseite des Staukörpers --3-- gegeben werden. Die dabei von der Vorderseite dieses Körpers gelösten Fragmente der Enzymträgerschicht --12-- können dann über den mit einer zentralen Auflockerungsdüse versehenen Abführstutzen --16-- ausgespült werden.
Die Gärkammer nach Fig. 1 kann sowohl mit waagrechter Achse --4-- als auch mit stehender Achse, also mit waagrechter oder nur schwach geneigter Enzymträgerschicht --12-- betrieben werden. Das Arbeiten mit etwa waagrechter Enzymschicht hat den Vorteil, dass auch bei Unterbrechung des Würzestromes die Enzymträgerschicht ungestört bleibt, ein Nachteil könnte darin liegen, dass das Ausspülen der Teile einer zu beseitigenden Schicht eine stärkere Spülung erfordert.
Bei der nur schematisch skizzierten Anordnung nach Fig. 2 sind vier Gärkammern --20,21,22 und
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Öffnen ihrer Ventile-26a, 27a und 28a-- die Gärkammem hintereinanderschalten, so dass die Würze die vier Kammern nacheinander durchströmt.
Um ein Abfliessen von Kohlendioxyd aus den Auslassräumen der Gärkammem zu gestatten, sind jeweils an den höchsten Stellen dieser Auslassräume einstellbare Druckbegrenzungsventile-29, 30, 31, 32- angeschlossen, deren Öffnen und Schliessen in Abhängigkeit von der Standhöhe der Flüssigkeit in den Auslassräumen gesteuert werden kann.
Die Rückspüleinrichtungen sind in der Fig. 2 nicht dargestellt.
Bei eingehenden Versuchen, die mit einer erfindungsgemässen Gäreinrichtung ähnlich Fig. l, aber in kleinem Massstab und ohneRückspülvorrichtung, durchgeführt worden sind, ergaben sich überraschend hohe Gärleistungen.
Es wurde zunächst in einem Laboratoriumsversuch auf einer 20 x 20 cm messenden feinporösen Stauplatte ein "hefekuchen" von 30 mm Stärke aus gewaschener und abgepresster Brauereihefe durch Anschwemmen der in Wasser suspendierten Hefe aufgebracht.
Durch diesen Hefekuchen wurde sodann frische Bierwürze mit 13, 2% Gesamtextraktgehalt unter einem Überdruck hindurchgetrieben, wobei jeder Volumenanteil der Würze während 2 min im Kontakt mit den Hefezellen im Hefekuchen blieb und der Durchsatz etwa 2 l/h betrug. Der scheinbare Gesamtextraktgehalt des aus der Behandlungskammer austretenden Bieres ging bis auf einen minimalen Wert von 4. 20/0 herunter, es wurde also ein guter Vergärungsgrad in ausserordentlich kurzer Zeit erzielt.
Weitere Versuche haben ergeben, dass bei gleichbleibender Kontaktzeit von 2 min zwischen Würze und Hefezellen durch Steigerung des Druckes, mit dem die Würze durch den Hefekuchen hindurchgepresst wird, auf etwa 4 atü eine Erhöhung der Gärleistung möglich war. Auch höhere Temperatur ergab günstigere Werte ; so war beispielsweise die über längere Zeitspannen gemessene mittlere Differenz der Extraktgehalte vor und nach der Gärung unter ähnlichen Bedingungen
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<tb> bei <SEP> 150C <SEP> Arbeitstemperatur <SEP> 7 <SEP> %
<tb> bei <SEP> 15 <SEP> bis <SEP> 200C <SEP> Arbeitstemperatur <SEP> 8 <SEP> %
<tb> bei <SEP> 20 <SEP> bis <SEP> 300C <SEP> Arbeitstemperatur <SEP> 8. <SEP> 50/0 <SEP>
<tb> bei <SEP> über <SEP> 300C <SEP> Arbeitstemperatur <SEP> etwa <SEP> 9 <SEP> %.
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Die Ausnutzungszeit einer Enzymträgerschicht, d. h. die Zeit bis zum notwendigen Austausch der Schicht, liegt nach den bisher durchgeführten Versuchen bei zumindest 8 hö bei guter Vorfilterung der
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Würze und überlegter Druckführung sollten sich auch 13 bis 14 h erreichen lassen.
Als Gärvorrichtungen kann man auch Sieb-, Filter- und andere Zentrifugen verwenden, an deren durchlässigen Wänden oder Stauwänden sich unter Einwirkung der Zentrifugalkraft kompakte Enzymträ- gerschichten anstauen lassen, durch die eine zu behandelnde Flüssigkeit mit einem Differenzdruck von einigen at hindurchgetrieben werden kann, wobei der Druck von der Drehzahl der Zentrifuge bzw. der
Zentrifugalkraft abhängt.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Enzymbehandlung, insbesondere zur alkoholischen Gärung, einer durch eine An- sammlung von Enzymträgem, wie Gärhefe llen, hindurchgeleiteten Flüssigkeit, dadurch gekennzeichnet, dassmandieEnzymträgervoreinemimwesentlichennurdieFlüssigkeitdurchlässigen porösen Staukörper in einer kompakten Anschwemmschicht konzentriert und die Flüssigkeit unter Anwenden eines einstellbaren hydraulischen Druckgefälles durch zumindest eine solche Enzymträgerschicht hindurchtreibt, um sie in dieser Schicht kurzzeitig einer starken Enzymeinwirkung auszusetzen.