Verfahren und Vorrichtung zur ununterbrochenen Vergärung von zuckerarmen Gärflüssigkeiten auf Alkohol. Die Verfahren zur ununterbrochenen Ver- gärung kohlehydrathaltiger Flüssigkeiten auf Alkohol haben bisher nur bei der Her- stellung von Alkohol aus Sulfitablaugen und Holzzuckerwürzen Anwendung gefunden.
Bei der Vergärung von Rüben- und Zucker rohrmelasse hat sich die vollkontinuierliche Gärungsführung nicht einführen lassen, weil bei der stets schwankenden Beschaffen heit der Melassen der Gärverlauf so stark wechselt, dass die Voraussetzung für jeden wirklich ununterbrochenen Betrieb, nämlich das Erreichen eines Beharrungszustandes über längere Zeit, nicht eintreten kann. Ausserdem sind Melassegärungen so stark. Infektionen ausgesetzt, dass, der halbkonti nuierliche Betrieb mit nach Bedarf vorge nommener Unterbrechung und Desinfektion der Gärbottiche vorgezogen wird.
Für die Alkoholgewinnung aus Stärke (Kartoffel, Getreide usw.) kommen ununterbrochen arbeitende Gärverfahren überhaupt nicht in Frage, da das Ineinandergreifen der ver schiedenen Verfahrensabschnitte, wie Dämp= fen, Verzuckern, Vergären. usw., ein Ausge stalten zu ununterbrochenem Betrieb un möglich machen.
Bei der Vergärung von Sulfitablaugen und Holzzuckerwürzen treten Infektionen trotz der seltenen Reinigung der Gärbottiche kaum auf, weil diese Maischen infolge ihres Gehaltes an schwefligsauren und ameisen sauren Salzen geschützt sind. Derartige Maischen enthalten nur etwa 1-4% vergär- baren Zucker und fallen in so grossen Men gen an, dass zu ihrer Vergärung schon seit langem ununterbrochene Gärverfahren, unter anderem zur Ersparnis an Gärraum, mit Nutzen angewendet werden. Besondere Ver breitung hat die kontinuierliche Fessel gärung gefunden.
Es sind weiter Verfahren bekannt geworden, bei der Vergärung von Sulfitablaugen und Holzzuckerwürzen, deren Ausgangsstoff in beiden Fällen der durch Säure verzuckerte Zellstoff ist, die in der vergorenen 3laische enthaltene gesamte Hefe durch Ausschleudern abzuscheiden und die so gewonnene Hefemilch der frisch zu ver- gärenden Zuckerlösung wieder zuzumischen.
Bei diesen sogenannten "Gärverfahren mit Heferückführung" wird eine hohe Hefekon zentration in der gärenden Maische erreicht, die jedenfalls 10 kg Hefe (berechnel: auf Presshefe mit<B>75%</B> Wassergehalt.) je 1000 Liter Gärflüssigkeit übersteigt und zu nimmt bis zur Hefesättigung, das heisst bis zu der Hefekonzentration, bei welcher eine Neubildung von Hefe infolge Mangel an Wirkungsraum nicht mehr eintritt. Bei die sem Zustand ist die sogenannte "spezifische zelluläre Sättigung" an Hefezellen in der Maische erreicht.
Je nach dem Zuckergehalt und der Qualität der Gärlösung, das heisst ihrem Gehalt an gärungsfördernden und gärungshemmenden Stoffen bei der Hefe sättigung beträgt der Gehalt an Hefe je ein:' Maische 110 . 10s bis 500 . 10<B>'</B> Zellen und mehr.
Durch die vorliegende Erfindung soll die Möglichkeit geschaffen werden, das "Gärver fahren mit. Heferückführung" für die un unterbrochene Vergärung von -zuckerarmen Gärflüssigkeiten, z. B. Sulfitablaugen und Holzzuckerwürzen, so auszugestalten, dass die höchstmögliche Ausbeute an Alkohol in der kürzesten Gärzeit erreicht. wird unter Berücksichtigung der im Betriebe oft weeh- selnden Arbeitsbedingungen.
Gegenstand der Erfindung ist ein Ver fahren und eine Vorrichtung zur ununter brochenen Vergärung von zuckerarmen Gär flüssiglLeiten, wie zum Beispiel Sulfitablau- gen und Holzzuckerwürzen, auf Alkohol mit Hefe unter Verwendung mehrerer Gär bottiche und unter Rückführung der aus der vergorenen Maische abgeschiedenen Hefe milch in den ersten Gärbottich.
Das Gärverfahren gemäss der Erfindung ist dadurch gelz-ennzeichnet, dass die beim kurz geschilderten Verfahren anfallende Hefe milch der schon in Gärung befindlichen Maische zuesetzt, die Hefe in den Gär- L' Bottichen frei beweglich, vorzugsweise durch Rolirbogenumwälzpumpen, in Suspension ge halten und die vergorene Maische mit der darin suspendierten Hefe in einem Nachgär- bottich gespeichert wird, in welchem sich allenfalls auftretende:
Änderungen der zu- und abgeführten Flüssigkeitsmengen aus gleichen können und von dem aus sie einer Trennvorrichtung, vorzugsweise einer Hefe zentrifuge mit kurzen Unterbrechungen zu deren Reinigung zugeführt wird. Zweck mässigerweise wird die umlaufende Hefe so ).ew, dass ihre Konzentration im Gär- 1 ählt, system der spezifischen zellulären Sättigung entspricht.
Das Verfahren gellt beispielsweise davon aus, dass die zu vergärenden, verhältnismässig zuckerarmen Gärflüssigkeiten, wie Sulfit- ablaugen oder Holzzuckerwürzen,
in prak tisch ununterbrochenem Strom in die Gär- anlage aufgenommen \-erden und dass von der Gäranlage ein ebenfalls praktisch un unterbrochener Strom von ausgegorener ent- liefter Maische in die Destillieranlage gelie fert wird.
Wenn es sich darum handelt, zuckerarme Flüssigkeiten zu vergären, die bei geringerer Hefekonzentration praktisch ausreichend auf Alkohol vergoren werden können, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die Hefe aus der vergorenen Maische in einem von Einbauten freien Abscheider abzutrennen.
Hierbei wird die Hefemilch zweckmässigerweise nach mög lichst wirbelfreiem Eintritt der vergorenen Flüssigkeit in den Abscheider oberhalb der tiefsten Stelle des Abscheiders abgezogen und dein ersten Gärbottich wieder zugeführt, während an der tiefsten Stelle die mecha nischem Verunreinigungen entfernt werden; hierbei. ist es vorteilhaft, den Abscheider un ter einem Flüssigkeitsüberdruck, z. B. von etwa 0,5-2 atü zu halten.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung zur Dnrcliführung des Verfahrens ist gekenn zeichnet durch mindestens einen Hauptgär- bott,ich, vorzugsweise zwei Hauptgärbottiche, einen Nachgärbottich und eine Hefeab- sclieidevorriclitung, wobei die Gärbottiche von allen Einbauten frei und mit Vorrich tungen versehen sind, die eine zusätzliche Flüssigkeitsbewegung bewirken. Es werden zum Beispiel Gärbottiche verwendet, wie sie zum Beispiel beim Fesselgärverfahren oder bei dem Verfahren, das mit zwangsläufig geführter Hefe arbeitet, üblich sind.
Der Durchsatz der Gäranlage wird zweck mässigerweise so geregelt, dass die Gärflüssig- keit bei normal laufendem Betrieb den Vor ratsbottich gerade dann verlässt, wenn die Zuckerlösungen eben ausgegoren sind. Alle Gärbottiche sind vorzugsweise mit Vorrich tungen versehen, mit denen die Hefe in Suspension gehalten werden, kann. Zu die sem Zweck kann die Vorrichtung zum Bei spiel mit Rohrbogenumwälzpumpen ausge stattet sein. Derartige Pumpen haben einen bedeutend geringeren Kraftverbrauch als die früher benutzten Rührwerke und sind des halb wirtschaftlicher.
In der beigefügten Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der zur Durchführung des Verfahrens erfindungsgemäss bestimmten Vorrichtung dargestellt, und zwar zeigt: Fig. 1 die Anlage in schematischer Dar stellung, Fig. 2 eine andere Ausführungsart eines Teils derselben.
Die zu vergärende Ablauge oder Würze wird in ununterbrochenem Strome dem Hefe enthaltenden Gärbottich 1 unten durch die Leitung 2 zugeführt, steigt in ihm hoch und läuft dem zweiten Gärbottich 3 durch die Leitung 4 unten zu. Die vergorene Maische tritt dann durch die Überlaufleitung 6 in den Vorratsbehälter oder Nachgärbottich 5. Eine Pumpe 7 führt die vergorene Maische mit der darin enthaltenen Hefe durch die Leitung 8 dem Refeseparator 9, zu, mit welchem mög lichst die gesamte Hefe abgeschieden und als Hefemilch durch die Leitung 10 dem in voller Gärung befindlichen Bottich 1 oben wieder zugeführt wird.
Die enthefte ver gorene Würze wird vom Separator 9, dem Hochbehälter der Alkoholdestillationsanlage durch die Leitung 11 zugeführt. Mittels der Rohrbogenumwälzpumpen 12 wird im un- tern Teil der Bottiche für eine zusätzliche Flüssigkeitsbewegung gesorgt. Für den Fall, dass es notwendig sein sollte, die Hefe milch zu reinigen, kann dieselbe zu einer besonderen Behandlung (Waschung, Säure zugabe und dergleichen) für mehrere Stun den in dem Nebenbehälter 13 gespeichert werden. Bei der hohen Hefekonzentration in dein Bottichen geht während dieser Zeit die Vergärung der Maische ungestört weiter.
Bei der Vergärung gewisser zuckerarmer Flüssigkeiten hat es sich als zweckmässig er wiesen, an Stelle des .Separators 9 einen in die Leitung 8 eingebauten: Hefeabscheider zu verwenden. Derselbe besteht, wie in Fig. 2 gezeigt, aus einem zweckmässig mit koni schem Boden versehenen, von Einbauten freien Gefäss 14, in welchem die Hefe aus der vergorenen Flüssigkeit ununterbrochen abgetrennt werden kann, um dann, wie bisher, dem Gärungsbottich 1 durch Leitung 10 zugeführt zu werden.
Die Abscheidung der Hefe erfolgt hier bei nicht so vollständig wie durch Aus schleudern. Beim Ausschleudern werden ge gen 95 % der in der vergorenen Flüssigkeit vorhandenen Hefe als Hefemilch, die etwa 8-10 % der vergorenen Flüssigkeitsmenge ausmacht, wiedergewonnen. Aus dem Ab- scheider können dagegen gegen<B>50%</B> der Hefe mit 15-20% der vergorenen Flüssig keit abgezogen werden.
Daher ist auch die- Hefekonzentration in den Gärbottichen 1, 3 und 5 geringer als hei einem Wiedergewin nen der Hefe durch Ausschleudern. Sie be-. trägt hierbei etwa 40-80 X 108 Zellen pro cm'.
Die vergorene Ablauge soll möglichst wirbelfrei in den Abscheider eintreten. Der Eintrittsstutzen 15 ist daher gegen den Ab- scheider zu konisch erweitert. Ein einfaches Prallblech 16 lenkt die eintretende Flüssig keit nach unten und verhindert, dass sie direkt der Leitung 11 zufliesst. Die im konischen Teil sich sammelnde Hefe wird oberhalb der tiefsten Stelle über ein Regel ventil 17 seitlich abgezogen.
Das Ablassventil 18 an der tiefsten Stelle dient zum Entfernen von mechanischen Verunreinigungen (Kalk teilchen, Itigninreste und -dergleichen), die zweckmässig dem Neutralisations- hezw. Klärbottich für unvergorene Gärflüssigkeit zugeführt werden.
Es ist gefunden tvorden, dass die beste Vergärung dann eintritt, wenn die Hefe zellen in der Maisehe frei beweglich bleiben, derart, dass sie an der Bewegung teilnehmen, die in der gärenden Flüssigkeit durch die sieh entwickelnde Kohlensäure hervorgeru- fen wird,- so dass sie in ständigem Ortswechsel fortlaufend mit neuen, unvergorenen Zucker enthaltenden Flüssigkeitsteilchen in terüh- rung kommen;
die Hefemilch wird also, wenn sie in den obersten 'feil des ersten Gär bottichs in die schon teilweise vergorene Flüssigkeit eintritt, wo die Kohlensäure entwicklung am stärksten ist, schnell Über den ganzen Bottichinhalt verteilt. Die ein zelnen Hefezellen durchlaufen also das Clär- system nicht in regelbaren Zeiten; einzelne Zellen werden vom Flüssigkeitsstrom aus dem Bottich 1 gleich nach dem Bottich 3 mitgenommen, andere werden lange Zeit. im Bottich 1 herumgewirbelt.
Die Hefezellen sollen in der Gärflüssig keit stets frei schwebend erhalten werden. Die Bottiche 1, 3 und 5 enthalten daher keinerlei Einbauten; an denen Hefe sich ab setzen kann öder die der Hefe einen zwangs läufigen Weg durch das Gärsystem vor schreiben. Damit sieh auch auf dem Boden der Bottiche 1, 3, 5 keine Hefe ablagert, wird im untern Teil der Bottiche für eine zu sätzliche Flüssigkeitsbewegung gesorgt, vor zugsweise durch Rohrhogenumwälzpumpen 12. Diese saugen die Gärflüssigkeit aus dein untern Teil der Bottiche ständig an und drücken sie in Bodenhöhe, vorzugstvc,ise tan- gential, -wieder in den Gärraum.
Der Kraft bedarf dieser Pumpen ist sehr viel geringer als der eines Rührwerkes; er beträgt- zum Beispiel für 100 m'/St. umgewälzte Gär flüssigkeit nur 1,6 PS. Durch diese -Mass nahmen wird erreicht, dass sich die Hefe in den Bottichen über den ganzen Flüssigkeits inhalt gleichmässig verteilt, wie an den ver- sehiedensten Stellen entnommene Proben zeigen. Die Mindesthefekonzentration von 10 kg je m" Maische bezw. der Zustand der Hefesättigung bleibt daher dauernd in dem ganzen Flüssigkeitsinhalt des Gärsystems erhalten.
Wenn die gesamte grosse Hefemenge bei der Vergärung ständig frei beweglich und in Suspension gehalten wird, findet eine vollkommene Ausgärung der Maische statt, in einer von dein Zuckergehalt und der Latigenqualität abhängigen Mindestzeit.
Der Sammelbottich 5 hat eine doppelte Aufgabe: Er dient einmal als Nachgär- bottich für den Fall, dass infolge erhöhten Maischenanfalls vorübergehend der Gär- raum vergrössert werden niuss, um eine voll ständige Ausgärung sicherzustellen, ander seits bewirkt er, dass die Belastung des Sepa- rators iniverändert bleibt.
Der Maische- aiifall ist ,ja abhängig von den meist absatz weise betriebenen Zellstoffkocherei Lind Perkolatoren der Holzverzuckerung sowie von der meist absatzweise vorgenommenen Neutralisation und Klärung der Ablaugen bezw. Würzen, z.
B. dtircli Absitzenlassen. Bei steigendem Maischeanfall steigt der Flüssigkeitsspiegel im Bottich < i, der normal nur zur Hälfte gefüllt ist, an und vergrössert. damit den Gärraum; bei sinkendem Maische anfall sinkt der Fliissigkeitsspiegel und ver kleinert damit den Gärraum.
Bei diesen Men- gensclicvankungen. die sich auf die Dauer im Bottich 5 ausgleichen, kann die Belastung des Separators unverändert bleiben, was für dessen gutes Arbeiten wichtig ist.
Sulfitablaugert und Holzzuckerwü rzen enthalten stets feste Teilehen (I@T(-,utralisa- tionskalk, Zellstoffasern, Ligninreste und dergleichen). Ein(,
Abscheidung der Hefe durch Filtration kommt bei dieser Maische nicht in Frage" da der sich auf dem Filter- niaterial sofort bildende Hefefilm auch alle diese zurückhält und da- init; die wiedergewonnene Hefe so stark ver unreinigt, dass sie für weitere Vergärungen unbrauelihar wird.
In der Schleuder dagegen, die eine Trennung der 14'Laischebestandteile nach dem spezifischen Gewicht vornimmt, tritt eine Reinigung insofern ein, als alle Bakterien mit der entheften Maische abgehen und im Destillierapparat vernichtet werden, die festen Teilchen in der Schleuder zurück bleiben und die Hefe als gereinigte Hefe milch abläuft. Die Schleuder muss in be stimmten Betriebsabschnitten für 1 bis 2 Stunden stillgelegt und von der darin fest gesetzten Paste, bestehend aus Kalk, Fasern und dergleichen, gesäubert werden. Damit wird auch die Abscheidung der Hefe und die Zufuhr von Hefemilch zum Bottich 1 von Zeit zu Zeit unterbrochen.
Bei dem grossen Vorrat an Hefe in der gärenden Maische wird die Vergärung dadurch nicht gestört. Während des Stillstandes des Separators staut sich die dem Vorratsbottich 5 ununter brochen zulaufende vergorene Maische an, die Hefe bleibt vorübergehend etwas länger als nötig mit ihren Stoffwechselprodukten, in der Hauptsache Alkohol und Kohlensäure, in Berührung.
Da aber der Alkoholgehalt der vergorenen Sulfitaublaugen und Holz zuckerwürzen gering ist und die Umwälz- pumpen für eine starke Flüssigkeitsbewe gung in den Bottichen sorgen, durch welche die Kohlensäure ausgetrieben wird, tritt eine Schädigung der Hefezellen dadurch nicht ein.
Um die Betriebszeiten des Separators zu verlängern, wird gegebenenfalls zu stark ver unreinigte Maische durch mechanische Hilfs mittel, z. B. durch Filter beliebiger Bauart oder Klärseparateren, vor Eintritt in die Gäranlage von Schwebeteilchen befreit, wenn das sonst übliche Absitzenlassen der neutra lisierten. Maische nicht zum Ziele führt.
In der Sulfitspiritusindustrie wird allge mein in offenen. Bottichen vergoren, so dass die Oberfläche der gärenden Maische mit der Luft in Berührung steht. Damit ist die Möglichkeit für die Entwicklung von Kam liefen gegeben, die keinen Alkohol bilden, sondern diesen sogar aufzehren und damit die Alkoholausbeute verringern. Bei dem vorstehend beschriebenen ununterbrochenen Gärverfahren mit.
Heferückführung ist es vorteilhaft, die Kamhefebildung nach Mög lichkeit zu unterdrücken, denn die Zellen der Kamhefe haben etwa das gleiche spezifische Gewicht wie die Kulturhefen; sie würden also im Separator mit der letzteren zusam men abgeschieden werden und sich zum Schaden der Alkoholausbeute in den Gär bottichen anreichern. Die Bottiche 1, 3 und 5 werden daher vorzugsweise abgedeckt, so dass die Oberfläche der Flüssigkeit stets un ter einer Kohlensäureatmosphäre gehalten wird.
Es ist selbstverständlich, dass bei dem beschriebenen Gärverfahren: alle in der Gärungsindustrie bekannten Massnahmen, z. B. zur Erhöhung oder Unterstützung der Gärtätigkeit der Hefe, angewendet werden können, so Zugabe von Nährsalzen, Nähr substanzen, Wirkstoffen und dergleichen.
Es ist bereits ein Gärverfahren mit Hefe rückführung bekannt, das kontinuierlich arbeitet. Nach diesem Verfahren durchläuft jede Hefezelle in der zwangsläufig vorge schriebenen Richtung innerhalb einer be stimmten, regelbaren. Verweilzeit mit beson deren Führungseinrichtungen ausgestattete Gärbottiche. Die im Separator abgeschiedene Hefemilch wird streng kontinuierlich neuer zuckerhaltiger Maische in einer mit Rühr werk ausgestatteten Misehvorrichtung zuge setzt.
Das Verfahren arbeitet infolge hoher An lage- und Betriebskosten teurer als das vor liegende Verfahren. Letzteres ist apparativ einfacher, weil die Gärbottiche keine beson deren Führungseinrichtungen enthalten; die Betriebskosten sind wesentlich billiger, weil ein besonderes Rührwerk für das Vermischen der Hefemilch mit der unvergorenen: Maische wegfällt. Ausserdem kann sich das bekannte Verfahren nicht so leicht und einfach, wie es oben mehrfach dargestellt ist, den prak tischen Betriebsbedingungen - Reinigung des Hefeseparators, Stockungen und Ver änderungen im Anfall der Gärflüssigkeit usw. - anpassen.
Es ist ferner ein ununterbrochenes Gär verfahren für zuckerarme Gärflüssigkeiten bekannt geworden, bei welchem die Hefe aus einem geringen abgez-#veigten Anteil der noch gärenden Würze durch Ausschleudern wie dergewonnen und der frischen Gä rflüssig- keit wieder zugeführt wird.
Ein beträcht licher Teil der Hefe wird hierbei ständig mit der vergorenen Würze aus dem Gär- system entfernt und im Alkoholdestillier apparat vernichtet, während nur die geringe, in dem abgezweigten Würzeanteil befind liche Hefemenge wieder verwendet wird. Die verlorene Hefe muss ständig unter Zucker verbrauch neu gebildet werden, wodurch die Alkoholausbeute verringert wird.
Die hohe Hefekonzentration und Alkoholausbeute des Gärverfahrens nach der Erfindung kann bei einer solchen Arbeitsweise nicht erreicht tverden. Die vorstehend erwähnten Gärver fahren bedienen sich im übrigen keiner der beanspruchten Verfahrensmassnahmen, durch deren Anwendung die Gesamtwirkung erzielt wird.
<I>Beispiel:</I> In einer Zellstoffabrik fallen täglich 360 m' Fichtenablauge an. Nach der übli chen Neutralisation und Kühlung wird die Ablauge ununterbrochen durch eine Kreisel pumpe über ein Filter, welches Fasern, Kalkteilchen und andere Schwebestoffe zu rückhält, dem von allen. Einbauten freien ersten Gärbottich unten zugeführt, während die Hefemilch dem Bottich oben zuläuft. Die durch die Gärungskohlensäure hervorge rufene lebhafte Flüssigkeitsbewegung wird unterstützt durch das Umwälzen des Bot tichinhalts mit Hilfe einer Rohrbogen- pumpe, so dass die Hefe in der gärenden Flüssigkeit schwebend gehalten wird.
Die noch nicht vollständig ausgegorene Ablauge tritt dann mit der darin enthaltenen Hefe durch Überlauf in den zweiten Gärbottich ein, in welchem die Gärung praktisch zu Ende geführt wird. Von hier aus läuft sie in den Vorratsbottich. Auch im zweiten Crärbotticli und im Vorratsbottich, die frei von Einbau ten sind, wird ein Absetzen der Hefe durch Umpumpen: verhindert. Alle drei Bottiche sind abgedeckt, so dass die Gä.ruiigskolilen- säure über der Flüssigkeitsoberfläche zu rückgehalten wird.
Der Gesamtflüssigkeits- inhalt der drei Bottiche beträgt 300 m', so dass die Gärzeit oder Aufenthaltsdauer der Ablauge in dem ganzen Gärsystem durch schnittlich 20 Stunden beträgt.
Ans dem Vorratsbottich wird die ver gorene Ablauge mit der ganzen Hefe einer auf dem ersten Gärbottich stehenden Schleu der zugeführt, in welcher etwa 8-10 % der Ablauge mit praktisch der ganzen Hefe menge als Hefemilch abgeschieden wird. Die Hefemilch läuft dem bereits in lebhafter Gärung befindlichen ersten Bottich zu. Die entliefte Ablauge wird dem Destillierappa rat zugeführt. Wird die Schleuder zwecks Reinigung für zirka zwei Stunden stillgelegt, so steigt der Inhalt des Vorratsbottichs um zirka. 30 m' an, das heisst die gesamte Flüs sigkeitsmenge und die Gärzeit steigen um 11) %.
Nach Wiederinbetriebnahme der Schleuder wird die Übermenge durch etwas höhere Belastung der Schleuder bald wieder aufgearbeitet. Eine Schädigung der Hefe oder Minderung der Alkoholausbeute tritt dabei nicht ein.
Nach einer gewissen Anlaufzeit stellt sich im Gärsystem eine von der Beschaffen heit der Ablauge abhängige gleichmässige Hefekonzentration ein. Sie beträgt bei dem vorliegenden Beispiel 2-50 X<B>10'</B> Zellen/cm'.