CH639999A5 - Verfahren zur aktiverhaltung der hefekultur. - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Aktiverhaltung der Hefekultur bei der kontinuierlichen Vergärung von zuckerhaltiger Maische zu Äthylalkohol, bei dem die gärende Maische in der Gärstufe in Bewegung gehalten wird und anschliessend die Hefe von der Maische abgeschieden und zumindest teilweise in die Gärstufe rückgeführt wird.
Es ist bekannt, dass Hefezellen, insbesondere der Gattung Saccharomyces, Zucker in Äthylalkohol und Kohlendioxid zerlegen. Dieser Prozess ist als alkoholische Gärung bekannt, wobei entsprechend dem Zuckergehalt der Maische eine äthylalkoholhaltige Lösung mit etwa 7 Vol% Alkohol gewonnen wird. Hierbei ist es von grosser Wichtigkeit die Entwicklung von anderen Mikroorganismen ausser Hefe, wie z.B. von Milchsäurebakterien, zu hemmen. Bei der normalen alkoholischen Gärung ist das Hefewachstum gering, so dass die Gärzeit relativ lang ist. Bei nährstoffarmen Rohmaterialien, wie z.B. Sulfitablauge oder Zellulose-Hydro-lysat, vergrössert sich die Gärzeit noch mehr. Um diesen Nachteil zu beheben, wurde nach der Gärstufe zur Abschei-dung der Hefe eine Zentrifuge geschaltet und der abgeschiedene Heferahm zur Impfung der frischen Maische verwendet. Da die Hefezellen nur ein geringfügig höheres spezifisches Gewicht als Wasser aufweisen, benötigen die Zentrifugen eine hohe Drehzahl, so dass ihr Betrieb teuer wird. Ein weiterer Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, dass mit der Rücklaufhefe auch Bakterien rückgeführt werden, die sich in der frischen Maische rasch vermehren, wodurch das Gärungsprodukt geschädigt wird. Um diesen Nachteil zu beheben, wurde der abfliessende Heferahm einer Behandlung mit Mineralsäuren unterzogen.
Aufgabe der Erfindung war daher, ein Verfahren, bei dem die Alkoholproduktion kontinuierlich abläuft und der Alkoholgehalt der gewonnenen Lösung erhöht ist, ohne dass unerwünschte Bakterien in die nährstoffreiche und alkoholarme Maische eingebracht werden, sowie eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen. Die erfindungsge-mässe Lösung der Aufgabe besteht in dem im Anspruch 1 gekennzeichneten Verfahren und in der im unabhängigen s
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Nebenanspruch 14 gekennzeichneten Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angeführt.
Das erfindungsgemässe Verfahren ist in den Figuren 1 bis 5 beispielsweise und schematisch dargestellt. Das Ausführungsbeispiel wird anhand der Fig. 6 erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Verfahrensschema,
Fig. 2 eine vereinfachte Gärstufe,
Fig. 3 eine Konstruktionsvariante zu Fig. 2,
Fig. 4 ein mehrstufiges Verfahrensschema ähnlich Fig. 1,
Fig. 5 eine Konstruktionsvariante zu Fig. 4 und
Fig. 6 die Apparateanordnung bei einer Versuchsanlage.
In Fig. 1 ist ein Verfahrensschema zur Herstellung einer äthylalkoholhaltigen Lösung aus einer zuckerhaltigen Maische dargestellt. Die Maische wird in einer Gärstufe 1 vergoren und über die Leitung 9 in diese eingebracht. Die benötigte Luft wird über die Leitung 8 dem Gärbehälter bzw. der Maische zugeführt. Zur Vermeidung der Verklumpung der Hefezellen ist eine Einrichtung 10, wie z.B. Rührwerk, vorgesehen, mit welcher die gärende Maische bewegt wird. Der Ablauf 11 aus der Gärstufe 1 führt zu einem Entgaser 12, der als einfacher Absetzbehälter oder auch Unterdruckent-gaser ausgebildet ist, so dass der eigentlichen Hefesedimentationsstufe 2 nur die entgaste, vergorene Maische zugeführt wird. Die Sedimentationsstufe 2 ist zweistufig ausgebildet, wobei aus der ersten Stufe, dem Sedimentor 5, die Leitung 3 zur Heferahmrückführung in die Gärstufe 1 führt. Für den Transport des Heferahms und zur Mengendosierung ist eine Pumpe 13 vorgesehen, in welcher der Heferahm homogenisiert wird. Die Druckleitung nach der Pumpe 13 kann direkt in die Gärstufe 1 oder auch in die Zuführungsleitung 9 für die frische Maische eingebunden werden. Aus dem Sedimentor 5 führt eine weitere Leitung 14 zu einem Sedimentor 5', der als Eindicker für den Heferahm der Hefeernte ausgebildet ist. Der eingedickte Heferahm wird in der Wascheinrichtung 15 von insbesondere alkoholischen Verunreinigungen gesäubert und im gereinigten Zustand weiteren Sedimentoren 6 zugeführt. Der Flüssigkeitsablauf 16 der Sedimentoren 5 und 5' enthält die zu gewinnende Alkohollösung und führt zu der nicht mehr dargestellten Destillationsanlage. Der aus der Hefeernte gewaschene Alkohol wird zum Ansatz der frischen Maische verwendet. Zur Hefeagglomeration sind in den Sedimentoren 5 und 5' Rührwerke 7 und 7' vorgesehen. Als Maische lassen sich alle zuckerhaltigen Lösungen, wie z.B. verdünnte Melasse, verwenden, wobei auch zellulosehaltige Abwässer oder Sulfitablauge herangezogen werden können.
In Fig. 2 ist in vereinfachter Darstellungsweise eine Gärstufe 1 mit der ersten Stufe einer Sedimentationseinrichtung 2 dargestellt. Die Gärstufe 1 besteht im wesentlichen aus einem zylindrischen Behälter 17 mit einem rohrförmigen Einbau 4, in welchem eine Zuführungsleitung 18 angeordnet ist. Am Boden des Behälters 17 ist eine Umwälzleitung 19 angeschlossen, durch welche eine praktisch gasfreie Maische über eine Pumpe 20 angesaugt wird, deren Druckleitung 21 in eine düsenförmige Belüftungseinrichtung 22 führt, an welche die Leitung 18 angeschlossen ist. Wird durch die Druckleitung 21 Flüssigkeit geführt, so entsteht im Bereich des engsten Querschnittes der düsenförmigen Belüftungseinrichtung 22 ein Unterdruck, der zur Einsaugung von Gas, wie z.B. Luft, Sauerstoff, mit Sauerstoff angereicherte Luft oder auch Gärgas, herangezogen wird, so dass die durch die düsenförmige Belüftungseinrichtung 22 strömende Maische das Gas in fein verteilter Bläschenform mit sich führt und in der Gärstufe am Austritt aus der Zuführungsleitung 18 mit dem Inahlt der Gärstufe mischt. Das in der Maische nicht lösbare
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Gas perlt nun innerhalb des rohrförmigen Einbaues 4 aus und bewirkt eine Aufwärtsströmung in diesem Bereich, die das Verklumpen der Hefe verhindert. Die Aufwärtsströmung bewirkt eine Abwärtsströmung im ringförmigen Aussenraum 23, wodurch frische Maische dem rohrförmigen Einbau 4 zugeführt wird und sich eine Umlaufströmung entwickelt. Am oberen Ende des Behälters 17 ist ein kegelförmiger Einbau vorgesehen, dessen Aussenraum 24 als Beruhigungszone ausgebildet ist, während der Innenraum 25 den Ausgasraum darstellt. In der Beruhigungszone kommt es zu einem ungestörten Hefewachstum und schliesslich zur Flockenbildung, so dass der Hefegehalt des Ablaufes der Gärstufe 1 ver-grössert wird. Der Ablauf 11 führt in den Sedimentor 5, von dem die Leitung 3 für die Rückführung des Heferahms und die Leitung 14 für die Hefeernte abzweigt. Die Homogenisierung des rückgeführten Heferahms erfolgt mittels der Pumpe
13 bzw. 20 und durch die intensive Strömung im Zuführungsrohr 18. Die Einleitung 9 der frischen Maische erfolgt entweder in die Umwälzleitung 19 oder im Anschlussbereich der Umwälzleitung 19 an den Behälter 17 in der Nähe der Austrittsöffnung der Zuführungsleitung 18.
In Fig. 3 ist eine weitere Ausgestaltung einer Gärstufe 1 dargestellt, bei welcher die für die beschleunigte Gärung notwendige Luft in der Nähe des Bodens des Behälters 17 innerhalb des rohrförmigen Einbaues 4 ausgeblasen wird, so dass auch hier sich die in Fig. 2 beschriebene Strömung einstellt. Zum Unterschied zu Fig. 2 wird der rückgeführte Heferahm über die Leitung 3 mittels der Pumpe 13 direkt in homogenisierter Form in den Behälter 17 der Gärstufe 1 eingebracht. Die Abluft wird gemäss Pfeil 26 abgeführt.
Bei den Ausführungen gemäss den Figuren 2 und 3 weisen die einzelnen Sedimentoren 5 und 5' ein bedeutend geringeres Volumen als die Gärstufe 1 auf, so dass auch bei einer mehrstufigen Sedimentationsanlage höchstens ein Volumenverhältnis von 1:1 erreicht wird. Dies ist ein grosser Vorteil gegenüber bekannten Ausführungen von Hefeabtrenneinrichtungen, da bei diesen das Volumen der Sedimentoren das Mehrfache des Gärbehälters ausmacht.
In den Figuren 4 und 5 sind mehrstufige Gärverfahren dargestellt. Fig. 4 offenbart ein zweistufiges Gärverfahren, bei dem jeder Gärstufe 1 bzw. 1' eine Sedimentationsstufe 2 bzw. 2' zugeordnet ist, wobei aus jeder Sedimentationsstufe eine Rückführleitung 3 bzw. 3' für den Heferahm in die Zuführungsleitung der vorgeschalteten Gärstufe 1 bzw. 1 ' vorgesehen ist. Der überschüssige Heferahm wird über die Leitung
14 bzw. 14' abgeführt und einer Gewinnung ähnlich wie in Fig. 1 zugeführt. Zur Erzielung eines möglichst hohen Äthylalkoholgehaltes im Überlauf 11 ' wird jeder Gärstufe 1 bzw. 1 ' frische Maische über die Leitung 9 bzw. 9' zugeführt. Dies ist besonders wichtig bei mehrstufigen Anlagen, wobei natur-gemäss auch mehr als zwei Stufen Verwendung finden können. Bei derartigen Anlagen kann beispielsweise in der ersten Gärstufe 1 die Maische aus Melasse hergestellt werden, während über die Zuleitungen 9' reine Zuckerlösungen eingebracht werden, so dass der maximale Alkoholgehalt nicht durch die steigenden Verunreinigungen aus der Melasse begrenzt wird.
In Fig. 5 ist eine dreistufige Vergärungsanlage dargestellt, deren einzelne Stufen mit 1,1' und 1" bezeichnet sind.
Diesen Gärstufen ist im Gegenstz zu Fig. 4 nur eine gemeinsame Sedimentationsstufe 2 zugeordnet, von welcher die Rückführung des Heferahms über die Leitung 3,3' und 3" erfolgt. Zur genauen Dosierung der rückgeführten Mengen an Heferahm sind Dosierpumpen 13,13' und 13" vorgesehen. Auch bei dieser Ausführung wird jeder Gärstufe frische Maische über die Leitungen 9,9' und 9" zugeführt, wobei die Gärstufen 1 ' und 1 " auch den Ablauf aus der vorhergehenden Gärstufe 1 bzw. 1 ' erhalten.
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In Fig. 6 ist der Apparateaufbau einer Versuchsanalge dargestellt, bei welcher der Gärbehälter der Gärstufe 1 mit einer getrennten Belüftungseinrichtung 22 ausgebildet ist, so dass im Gärbehälter nur eine geringe Strömungsgeschwindigkeit erreicht wird, welche die Hefeabsetzung im oberen Teil des Gärbehälters ermöglicht. Die mit Hefe angereicherte Maische wird, sobald eine gewisse Alkoholkonzentration erreicht ist, über den Ablauf 11 einem als Fliehkrafteindicker ausgebildeten Entgaser 12 zugeführt, wobei das Abgas gemäss Pfeil 26' entweicht. Die entgaste Maische wird einer Sedimentationsstufe 2 zugeführt, in welcher sich die Hefe am Boden des Trichters absetzt und über die Dosierpumpe 13 in den Gärbehälter rückgeführt wird. Die erzielte Überschusshefe wird über die Leitung 14 abgeschieden. Die von Hefe befreite vergorene Maische wird über die Leitung 16 abgeführt. Diese Sedimentationsstufe hat den Sinn, dass praktisch nur floclcu-lierende Hefe in den Gärbehälter rückgeführt wird, während die nichtflockulierende Hefe einschliesslich etwaiger Bakterien mit der alkoholhaltigen Maische abgeführt bzw. der Brennerei zugeführt werden. Diese Massnahme bewirkt eine Herabsetzung der Infektionsgefahr in der Gärstufe 1, so dass der Alkohol in der Produktion eine besondere Reinheit erhält.
Bei der Versuchsdurchführung wurde die Gärstufe mit 121 Melassemaische bis zur Überlaufgrenze beschickt. Die Konzentration an vergärbarem Zucker wurde auf 103 g/1 eingestellt. Die Umwälzung und gleichzeitige Belüftung (Pfeil 8) wurde mittels Pumpe 20 durchgeführt. Nach etwa 10 Stunden wurde mittels einer Dosierpumpe kontinuierlich frische Maische mit der eingangs erwähnten Zuckerkonzentration über die Leitung 9 zugeführt. Der Überlauf aus der Gärstufe 1 mündete in die Sedimentationsanlage, bestehend aus dem Entgaser 12 und dem Sedimentor 5. Aus letzterem wurde mittels einer Pumpe 13 die sich absetzende Hefe in die Gärstufe 1 rückgeführt. Bei Erreichen des Füllstandes im Sedimentor 5 wurde die Zudosierung frischer Maische so geregelt, dass der Ablauf 16 des Sedimentors 5 völlig ausgegoren war. Auf diese Weise reicherte sich die Hefe im ganzen System ständig an und die Zufuhr frischer Maische konnte gemäss der herrschenden Hefekonzentration ständig erhöht werden, bis zu dem Stadium, bei dem Überschusshefe im Ablauf 16 des Sedimentors vorhanden war. Die Einstellung der Zufuhrmenge frischer Maische wurde nun derart durchgeführt, dass die Hefe den vorgelegten Zucker gerade vollständig vergärte. Diese Dosierrate wurde aber um nicht mehr als ein Drittel des Wertes, der zur vollständigen Vergärung notwendig ist, verringert, d.h. die Minimalzufuhrrate betrug im vorliegenden s fall 0,51 Maische pro Liter Gärbehälterinhalt und Stunde. Bei diesen Zufuhrraten betrugen die Verweilzeiten in der Gärstufe 1,33 bzw. 2 Stunden. Die Hefekonzentration in der Gärstufe erreichte dabei maximal 150% jener Konzentration, die zur vollständigen Vergärung notwendig ist. Die optimale io Hefekonzentration in der Gärstufe betrug bei einer Gärstufen ver weilzeit von zwei Stunden zwischen 41 und 62 g Hefetrockensubstanz pro Liter. Die Entnahme der Überschusshefe geschah entweder gemeinsam mit dem Überlauf oder in konzentrierter Form mittels Pumpe aus dem untersten Teil ls des Sedimentors 5.
Im Gleichgewichtszustand wurde die Vergärung über längere Zeit durchgeführt. Dabei wurden im Ablauf 16 Alkoholkonzentrationen zwischen 6,44 bis 6,73 Vol% gemessen. Die Ausbeute betrug demnach zwischen 62,5 und 65,31 Alkohol pro 100 kg vergärbarem Zucker, im vorliegenden Fall fast ausschliesslich Saccharose. Die Zufuhrrate der Maische lag bei 0,73 bis 0,79 Liter pro Liter Gärstufeninhalt und Stunde. Die Produktivität errechnete sich demnach zu 47,5 bis 50,9 ml Alkohol pro Liter Gärstufeninhalt und Stunde. Die Über-schusshefeproduktion betrug zwischen 1,36 und 5 g Hefetrok-kensubstanz pro Liter Ablaufmaische. Eine Zusammenstellung der Versuchswerte ist in der angeschlossenen Tabelle angegeben.
In einer anderen Versuchsreihe wurde eine zweistufige Versuchsanlage ähnlich Fig. 4 eingesetzt. Die Zufuhrrate frischer Maische wurde auf 6,75 Maischeliter eingestellt und die Hefekonzentration in der Gärstufe war etwa 55 g je Liter. Der Überlauf des Sedimentors 5 samt der produzierten Überschusshefe wurde in eine zweite Gärstufe mit einer Füllkapazität von 481 eingeführt, dem gleichfalls ein Sedimentor zur Heferückführung in die zweite Gärstufe angeschlossen war. Zu dem Ablauf der ersten Sedimentationsstufe 2 wurde pro Stunde 1,621 konzentrierte Maische in Form von Melasselösung von etwa 400 g Zucker pro Liter kontinuierlich zugesetzt. Die Alkoholkonzentration im Ablauf 11 ' der zweiten Gärstufe 1' betrug 10,5 Vol%. Die Produktivität der beiden Gärstufen zusammen war demnach etwa 15,3 ml Alkohol pro Liter Gärstufeninhalt und Stunde.
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Tabelle
Produktivität und Ausbeute an Äthylalkohol und Hefe im kontinuierlichen Intensivverfahren gemäss Fig. 6
Versuchsperiode Zucker Ausbeute an Äthylalkohol Überschusshefe T.S.+> Produktivität*'
je 24 h in g/1 Maische inVol°/o in ml/kg Zucker g/I Maische Äthylalk. ml/1 h Hefe g/1 h
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6,44
625
2,8
50,9
2,21
2
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6,73
653
5,0
50,7
3,76
3
103
6,48
629
2,76
47,5
2,02
4
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6,66
628
1,89
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618
1,85
54,2
1,47
6
108
6,70
620
2,18
51,7
1,68
7
107
6,73
629
1,36
50,4
1,02
Durchschnitt:
628,8
2,54
51,0
1,94
*' bezieht sich auf ml bzw. g je Liter Gärstufeninhalt und Stunde * 'Trockensubstanz
B
2 Blatt Zeichnungen
Claims (17)
1. Verfahren zur Aktiverhaltung der Hefekultur bei der kontinuierlichen Vergärung von zuckerhaltiger Maische zu Äthylalkohol, bei dem die gärende Maische in der Gärstufe in Bewegung gehalten wird und anschliessend die Hefe von der Maische abgeschieden und zumindest teilweise in die Gärstufe rückgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass flockuiierende Hefe verwendet wird, die nach erfolgter Gärung in einer Sedimentationsanlage kontinuierlich von der zumindest teilweise vergorenen Maische abgetrennt und in Rückführhefe und Hefeernte geteilt wird, dass die Rückführhefe im homogenisierten Zustand dosiert in die in Umwälzung begriffene gärende Maische der Gärstufe rückgeführt wird, dass die Gärstufe jeweils höchstens 150% der zur Vergärung der Maische notwendigen Hefe in der auferlegten Verweilszeit beinhaltet und dass die Verweilzeit in der Sedimentationsanlage höchstens die Hälfte jener beträgt, die in der Gärstufe Anwendung findet.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gärung in mehreren hintereinander durchflossenen Gärbottichen mit dosierter Heferückführung durchgeführt wird und die abfliessende vergorene Maische einer weiteren Sedimentationsanlage zugeführt wird.
2
PATENTANSPRÜCHE
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jeder weiteren Gärstufe bzw. jedem Gärbottich frische zuckerhaltige Maische zugeführt wird und dass der Äthylalkoholgehalt der abfliessenden Maische höher liegt als jener der eintretenden.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Sedimentation der Hefe ein Teil der alkoholhaltigen Maische abgezogen und durch frische zuk-kerhaltige Maische ersetzt und zumindest ein Teil der sedi-mentierten Hefe aus dem System entfernt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die vergorene Maische zwischen Gärstufe und Sedimentationsanlage, insbesondere durch Vakuumeinwirkung, entgast wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Entgasung der Restalkoholgehalt der Maische bis zu einer Konzentration von höchstens 5 Vol% gesenkt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hefekultur während der Gärung mit Luft, reinem Sauerstoff oder mit Sauerstoff angereicherten Gasen versorgt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gärung in einem oder mehreren Gärbottichen durchgeführt wird, die jeweils eine Umwälzleitung aufweisen, in welcher Luft, reiner Sauerstoff oder mit Sauerstoff angereicherte Gase eingeleitet werden.
9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserstoffionenkonzentration der gärenden Maische kleiner als pH = 6, vorzugsweise pH = 5,4 gehalten wird.
10. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Hefesedimentationsanlage mehrstufig ausgebildet ist und die Rückführhefe von der ersten Stufe in die Gärstufe rückgeführt wird und die weiteren Stufen zur Hefeernte eingesetzt sind.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Hefeernte eingedickt wird und insbesondere einer Filtrationsanlage und einer Waschung zugeführt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 1 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass in der ersten Stufe der Sedimentationsanlage der Flüssigkeitsinhalt einer Wirbelströmung unterworfen wird und hiebei die Aggregation der Hefezellen im Sediment beschleunigt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückführhefe durch eine Förderpumpe bzw. Dosierpumpe homogenisiert wird.
14. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gärstufe (1) mindestens einen Gärbottich und mindestens eine nachgeschaltete Hefesedimentationsanlage (2) umfasst, von welcher eine Leitung (3) zur Rückführung eines Teiles der Hefe in die Gärstufe (1) führt.
15. Einrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Gärstufe (1) aus mindestens einem zylinderförmigen Reaktor besteht, in dessen Innerem ein zylindrisches, vorzugsweise konzentrisch angeordnetes Rohr (4), vorgesehen ist, welches als Steigleitung für die im Über-schuss eingeleiteten Gase ausgebildet ist und die Steigströmung von der Fallströmung im Reaktor trennt.
16. Einrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Hefesedimentationsstufe (2) aus mehreren Sedimentoren (5,5', 6,6') und einer Wascheinheit (15) besteht, die nach dem zweiten Sedimentor (5') vorgesehen ist, und dass die folgenden Sedimentoren (6,6') zur Konzentration der gewaschenen Hefe eingerichtet sind.
17. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 zur Herstellung von Alkohol und Futterhefe.
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