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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Produktion von fermentativ erzeugten Lebensmittelprodukten mit zumindest einem ersten Tank, welcher zur Aufnahme des zu fermentierenden Ausgangssubstrats vorgesehen ist und mit zumindest einer Einrichtung zur Steuerung und/oder Regelung der Temperatur während der Fermentation. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Produktion von fermentativ erzeugten Lebensmittelprodukten, bei welchem das zu fermentierende Ausgangssubstrat in den Innenraum von zumindest einem ersten Tank eingebracht wird und während der Fermentation des Ausgangssubstrats durch Kontrolle der zu- oder abgeführten Wärmemenge eine Steuerung und/oder Regelung der Temperatur erfolgt. Vorrichtungen und Verfahren der Eingangs genannten Art können zur Herstellung pharmazeutischer Wirkstoffe eingesetzt werden, beispielsweise Insulin, Hyaluronsäure, Streptokinase oder Penizillin. Weiterhin können Vorrichtungen und Verfahren der Eingangs genannten Art in der Lebensmittelproduktion verwendet werden, beispielsweise als alkoholische Gärung, in der Matjesreifung oder bei der Herstellung von Sojasoße oder Sauerkraut.
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Aus der
DE 35 25 455 \A1 ist eine Vorrichtung und ein Verfahren der Eingangs genannten Art bekannt. Um die bei der Fermentation herrschende Temperatur zu kontrollieren ist bei dieser bekannten Vorrichtung ein doppelwandiger Behälter vorgesehen, so dass im Zwischenraum zwischen beiden Wänden warmes oder kaltes Wasser eingebracht werden kann. Hierdurch kann Wärme aus dem Behälter in den Zwischenraum abgeführt werden oder aus dem Zwischenraum Wärme in den Innenraum des Behälters zugeführt werden. Die Zufuhr von kaltem oder warmem Wasser wird über ein Magnetventil geregelt, dessen Öffnungszeit durch ein Gärtemperatur-Regelgerät kontrolliert wird.
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Diese bekannte Vorrichtung weist jedoch den Nachteil auf, dass insbesondere bei der großtechnischen Herstellung von Lebensmitteln oder Pharmazeutika große Energiemengen vonnöten sind, um die Temperaturführung zu gewährleisten. Erschwerend kommt hinzu, dass das zu fermentierende Ausgangssubstrat zu Beginn des Fermentationsprozesses oftmals zu kalt ist, d.h. das Ausgangssubstrat muss durch Energiezufuhr beheizt werden. Die Fermentation selbst ist jedoch eine exotherme Reaktion, so dass die Temperatur danach rasch ansteigt und eine Kühlung erforderlich wird. Gegen Ende der Fermentation nimmt die exotherm produzierte Wärme wieder ab, so dass erneut energieaufwändig geheizt werden muss. Weiterhin können die beschriebenen Steuersysteme durch Versagen der Messwertgeber und/oder der Steuerventile ausfallen, so dass keine optimale Temperaturführung erfolgt. Dies kann dazu führen, dass ein minderwertiges Produkt erzeugt wird oder die Produktionscharge vollständig verworfen werden muss.
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Ausgehend vom Stand der Technik liegt der Erfindung somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Produktion von fermentativ erzeugten Produkten anzugeben, welche die Produktion mit geringerem Energieeinsatz und größerer Zuverlässigkeit ermöglichen.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 9 gelöst.
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Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung zur Produktion von fermentativ erzeugten Produkten bzw. eine Vorrichtung zur Produktion von fermentativ erzeugten Lebensmittelprodukten vorgeschlagen. Die Vorrichtung weist zumindest einen ersten Tank auf, welcher zur Aufnahme des zu fermentierenden Ausgangssubstrats vorgesehen ist. Unter einer Fermentation wird im Sinne der vorliegenden Erfindung die biologische Umwandlung eines organischen Stoffes verstanden. Die Fermentation kann durch Enzyme, Bakterien, Pilze oder sonstige biologische Zellkulturen erfolgen. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Fermentation eine alkoholische Gärung sein, welche beispielsweise zur Herstellung alkoholischer Getränke durchgeführt wird. Die Fermentation kann aerob oder anaerob durchgeführt werden.
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Der erste Tank, welcher zur Aufnahme des zu fermentierenden Ausgangssubstrats vorgesehen ist, kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung eine zylindrische Grundform aufweisen. Der Tank kann ein Fassungsvermögen von etwa 50 Liter bis etwa 3000 Liter aufweisen. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die Größe des Tanks von etwa 200 Liter bis etwa 1500 Liter reichen. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die Größe des Tanks von etwa 50000 Liter bis etwa 200000 Liter reichen. Der Tank kann aus Aluminium, Edelstahl, einem Kunststoff oder einer Kupferlegierung gefertigt sein. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann der erste Tank eine mehrlagig aufgebaute Wand aufweisen, beispielsweise kann eine innere Edelstahlverkleidung auf einem Kupfergefäß aufgebracht sein. Dies ermöglicht eine gute Wärmeleitfähigkeit und gleichzeitig eine inerte Kontaktfläche des zu fermentierenden Ausgangssubstrats mit der Behälterwand des ersten Tanks.
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Weiterhin wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, den ersten Tank mit einer Einrichtung zur Steuerung und/oder Regelung der Temperatur während der Fermentation zu verbinden. Erfindungsgemäß kann die Einrichtung zumindest einen zweiten Tank aufweisen, welcher ein Latentwärmespeichermaterial enthält, welches thermisch an das zu fermentierende Ausgangssubstrat koppelbar ist. Ein Latentwärmespeichermaterial im Sinne der vorliegenden Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass dieses Wärmeenergie bei konstanter Temperatur aufnehmen oder abgeben kann. Dies kann beispielsweise durch einen Fest-Flüssig-Phasenübergang des Latentwärmespeichermaterials erfolgen. Das Latentwärmespeichermaterial kann in einem zweiten Tank gelagert werden, so dass dieses bei der Fermentation des Ausgangssubstrats zur Verfügung steht. In einigen Ausführungsformen der Erfindung können selbstverständlich auch mehrere zweite Tanks und/oder mehrere erste Tanks zur Verfügung stehen, so dass die Leistungsfähigkeit und/oder die Ausfallsicherheit der Vorrichtung vergrößert ist.
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Um eine Verunreinigung des fertigen Produktes bzw. des zu fermentierenden Ausgangssubstrats mit dem Latentwärmespeichermaterial zu vermeiden, koppelt dieses lediglich thermisch an das zu fermentierende Ausgangssubstrat an, ohne jedoch unmittelbar mit dem Ausgangssubstrat in Kontakt zu kommen. Eine solche thermische Kopplung kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass das Latentwärmespeichermaterial vom Ausgangssubstrat durch eine Trennwand separiert ist und/oder das Latentwärmespeichermaterial kann in Körnern bzw. Partikeln mikro- oder makroverkapselt sein, so dass nur die Körner bzw. Partikel mit dem Ausgangssubstrat in Kontakt kommen, nicht jedoch das in den Partikeln enthalten Latentwärmespeichermaterial. Solche Partikel können unmittelbar in den ersten Tank eingebracht sein.
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Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung weisen dabei den Vorteil auf, dass im Fermentationsprozess anfallende überschüssige Wärme vom Latentwärmespeichermaterial aufgenommen wird. Da das Latentwärmespeichermaterial in der Lage ist, Wärme bei konstanter Temperatur aufzunehmen, steigt die Temperatur des Ausgangssubstrates nicht über die Schmelz- bzw. Arbeitstemperatur des Latentwärmespeichermaterials an. Wenn zu Beginn oder am Ende des Fermentationsprozesses die Temperatur des Substrats absinkt und dadurch die Aktivität der Enzyme bzw. Mikroorganismen reduziert ist, kann Wärme aus dem Latentwärmespeichermaterial in das Fermentationsprodukt bzw. in das Ausgangssubstrat zugeführt werden. Da es sich dabei um die während der Fermentation entstandene überschüssige Wärme handelt, kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung das Verfahren so geführt werden, dass keine zusätzliche thermische Energie zu- oder abgeführt werden muss. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann der Aufwand an elektrisch oder fossil erzeugter Wärme reduziert sein, da die Temperaturunterschiede während verschiedener Phasen der Fermentation aufgrund des Latentwärmespeichermaterials geringer ausfallen.
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Weiterhin weist die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren den Vorteil auf, dass das Latentwärmespeichermaterial bei einer vorgebbaren Übergangstemperatur bzw. einem vorgebbaren Übergangstemperaturbereich Wärme aufnimmt oder Wärme abgibt, ohne dass es einer elektrischen oder elektronischen Regelung bedarf. Das mit dem Latentwärmespeichermaterial in Kontakt stehende Ausgangssubstrat wird auf einer konstanten Temperatur gehalten, solange das Latentwärmespeichermaterial genügend Wärme gespeichert hat, bzw. genügend überschüssige entstehende Wärme aufnehmen kann. Für die Funktion der Regelung kommt es somit lediglich auf eine hinreichende aktive Masse des Latentwärmespeichermaterials und eine korrekt gewählte Übergangstemperatur an. Somit können elektronische oder mechanische Bauelemente eingespart werden, welche fehleranfällig, wartungsintensiv und teuer in der Anschaffung sind.
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In einigen Ausführungsformen kann der zumindest eine zweite Tank im Innenraum des zumindest einen ersten Tanks angeordnet sein. In diesem Fall steht das vom zweiten Tank nicht beanspruchte Teilvolumen des ersten Tanks zur Aufnahme des zu fermentierenden Ausgangssubstrats zur Verfügung. Da das Latentwärmespeichermaterial im zweiten Tank sicher eingeschlossen ist, ist eine Kontamination des Ausgangssubstrats mit dem Latentwärmespeichermaterial unmöglich. Gleichzeitig ergibt sich eine große Kontaktfläche, welche durch Verwendung mehrerer kleinerer zweiter Tanks noch vergrößert werden kann.
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In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann im Innenraum des ersten Tanks und/oder im Innenraum des zweiten Tanks ein Wärmetauscher angeordnet sein, welcher von einem Wärmeträgermedium durchströmbar ist. Der Wärmetauscher kann als Plattenwärmetauscher oder als Rohrregister ausgestaltet sein. Das Wärmeträgermedium kann durch zumindest eine Pumpe gefördert werden, welche einen beispielsweise elektrischen Antrieb aufweist. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann auf eine solche Pumpe verzichtet werden.
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Das Wärmeträgermedium kann in einigen Ausführungsformen ein Alkohol, ein Wasser oder ein Öl sein oder enthalten. Durch Anpassen der Fördergeschwindigkeit bzw. der Durchflussrate kann die Wärmezufuhr bzw. die Wärmeabfuhr zusätzlich beeinflusst werden. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das Wärmeträgermedium ein Latentwärmespeichermaterial enthalten oder daraus bestehen. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das Latentwärmespeichermaterial, welches im Wärmetauscher zirkuliert, vom Latentwärmespeichermaterial im zweiten Tank verschieden sein. In diesen Fällen kann die pro Zeiteinheit übertragene Wärmeenergie gegenüber einem im Wärmetauscher zirkulierenden Öl, Alkohol oder Wasser vergrößert sein. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann das im Wärmetauscher zirkulierende Wärmeträgermedium das Latentwärmespeichermaterial aus dem zweiten Tank enthalten oder daraus bestehen. In diesen Fällen kann ein zweiter Wärmetauscher im Inneren des zweiten Tanks eingespart werden, und eine Teilmenge des im zweiten Tank vorhandenen Latentwärmespeichermaterials kann im Wärmetauscher mit dem zu fermentierenden Ausgangssubstrat in Kontakt gebracht werden. Der mit Wärme beladene Latentwärmespeicher wird dann in den zweiten Tank zurückgefördert.
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In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das Wärmeträgermedium thermosyphonisch umlaufen. Da die Dichte eines abgekühlten Wärmeträgermediums größer ist als die Dichte eines erwärmten Wärmeträgermediums, kann bei entsprechender Wahl der Leitungsquerschnitte und der zu überwindenden Höhenunterschiede ein Umlauf des Wärmeträgermediums allein aufgrund von thermischen Energien erzielt werden, so dass die zusätzliche Verwendung von Pumpen und damit der Einsatz von Hilfsenergie vermieden werden kann. Eine solche Vorrichtung kann besonders energieeffizient arbeiten.
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In wiederum einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann im Innenraum des zweiten Tanks ein Wärmetauscher angeordnet sein, welcher von dem zu fermentierenden Ausgangssubstrat durchströmbar ist. In diesem Fall kann das Latentwärmespeichermaterial im zweiten Tank gelagert sein, wohingegen das zu fermentierende Ausgangssubstrat in einem Rohrregister oder einem Plattenwärmetauscher mit dem Latentwärmespeichermaterial in Kontakt gebracht wird. Auf diese Weise kann das Ausgangssubstrat auf eine vorgebbare Temperatur gebracht werden, ehe es in den ersten Tank gelangt oder wenn es aus dem ersten Tank entnommen wird. Selbstverständlich sind jedoch auch Ausführungsformen denkbar, bei welchen das Ausgangssubstrat zyklisch umläuft und auf diese Weise fortwährend ein Teilvolumen in Kontakt mit dem Latentwärmespeichermaterial ist.
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In einigen Ausführungsformen der Erfindung weist das Latentwärmespeichermaterial eine Phasenübergangstemperatur von etwa 12° bis etwa 35° auf. In anderen Ausführungsformen der Erfindung weist das Latentwärmespeichermaterial eine Phasenübergangstemperatur von etwa 15° bis etwa 25° auf. Im genannten Temperaturbereich ist eine Vielzahl von Mikroorganismen lebensfähig, beispielsweise Hefen oder Bakterien. Gleichzeitig ist die Reaktionsdynamik hinreichend schnell, um eine wirtschaftliche Produktion zu ermöglichen. Andererseits ist die Reaktionsdynamik langsam genug, um qualitativ hochwertige Produkte zu erzeugen.
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In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das Latentwärmespeichermaterial zumindest eine Fettsäure oder zumindest ein Paraffin oder zumindest ein Salzhydrat enthalten oder daraus bestehen. Insbesondere Paraffine und Fettsäuren eignen sich gut für die Mikroverkapselung und sind selbst reaktionsträge, so dass eine Degeneration erst nach längerem Einsatz zu beobachten ist. Weiterhin sind Paraffine und Fettsäuren nicht toxisch, so dass das Ausgangssubstrat selbst bei Verunreinigung mit dem Latentwärmespeichermaterial nicht zwingend entsorgt werden muss. Salzhydrate weisen den Vorteil auf, dass diese nicht brennbar sind und eine große Schmelzenthalpie aufweisen. Somit können auch Fermentationsprozesse mit großem Wärmeanfall mit nur einer geringen Menge von Latentwärmespeichermaterial thermisch stabilisiert werden.
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Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedanken näher erläutert werden. Dabei zeigt
- 1 eine Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
- 2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel für die thermische Kopplung des Latentwärmespeichers mit dem Ausgangssubstrat.
- 3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel für die thermische Kopplung des Latentwärmespeichers mit dem Ausgangssubstrat.
- 4 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel für die thermische Kopplung des Latentwärmespeichers mit dem Ausgangssubstrat.
- 5 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel für die thermische Kopplung des Latentwärmespeichers mit dem Ausgangssubstrat.
- 6 zeigt ein fünftes Ausführungsbeispiel für die thermische Kopplung des Latentwärmespeichers mit dem Ausgangssubstrat.
- 7 zeigt ein sechstes Ausführungsbeispiel für die thermische Kopplung des Latentwärmespeichers mit dem Ausgangssubstrat.
- 8 erläutert den Zeitablauf einer Fermentation.
- 9 zeigt den zeitlichen Temperatur- und Wärmeverlauf während der Fermentation.
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1 zeigt schematisch den Aufbau einer Vorrichtung 1 zur Produktion von fermentativ erzeugten Produkten. Die Vorrichtung 1 kann somit auch als Fermenter bzw. als Teil eines Fermenters bezeichnet werden.
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Die Vorrichtung 1 weist einen ersten Tank 11 auf. Der erste Tank 11 weist einen Innenraum 111 auf, welcher von einer Wandung begrenzt ist. Die Wandung kann beispielsweise aus Edelstahl, einer Aluminiumlegierung oder einer Kupferlegierung oder einem Kunststoff bestehen. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Wandung einen mehrschichtigen Aufbau aufweisen, beispielsweise um eine besonders gute oder eine besonders geringe Wärmeleitung zu erzielen.
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Der Innenraum 111 ist über eine Einfüllöffnung 116 zugänglich. Weiterhin kann der Innenraum 111 optional ein Überdruckventil 117 aufweisen, welches bei der Fermentation entstehende Gase ablässt und/oder über welches ein Schutzgas eingelassen werden kann, beispielsweise um anaerobe Fermentationen im Innenraum 111 des ersten Tanks 11 durchzuführen.
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Im Innenraum 111 befindet sich das zu fermentierte Ausgangssubstrat 2. Das Ausgangssubstrat 2 kann beispielsweise eine Maische sein, welche durch eine alkoholische Gärung zu einem alkoholischen Getränk umgesetzt wird. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann das Ausgangssubstrat 2 eine Fisch- oder Fleischware sein, beispielsweise bei der Herstellung von Rohwurst oder Matjeshering. Schließlich kann das Ausgangssubstrat 2 ein pharmakologisch wirksamer Wirkstoff sein bzw. zu einem solchen Wirkstoff umgewandelt werden. Die Erfindung lehrt nicht die Verwendung eines speziellen Ausgangssubstrats 2 als Lösungsprinzip.
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Das Ausgangssubstrat kann durch ein optionales Rührwerk 112 bewegt werden. Das Rührwerk 112 kann jedoch in anderen Ausführungsformen der Erfindung auch entfallen.
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Zur thermischen Kopplung des Ausgangssubstrats mit einem Latentwärmespeichermaterial steht ein Plattenwärmetauscher 113 zur Verfügung. Dieser kann in anderen Ausführungsformen der Erfindung auch entfallen, wie nachfolgend anhand der 2 bis 7 näher erläutert wird.
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Der Plattenwärmetauscher 113 ist durch eine Zuleitung 115 an einen zweiten Tank 12 angeschlossen. Auch der zweite Tank 12 enthält einen Innenraum 121. Dieser ist mit einem Latentwärmespeichermaterial 3 befüllt.
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Das Latentwärmespeichermaterial 3 kann beispielsweise einen Fettsäure, ein Paraffin oder ein Salzhydrat sein oder ein solches Material enthalten. Daneben kann das Latentwärmespeichermaterial 3 weitere Materialien enthalten, beispielsweise eine Flüssigkeit als Trägermaterial oder ein Kunststoffmaterial zur Mikroverkapselung. In diesem Fall kann das Latentwärmespeichermaterial ein Granulat sein, welches in einem Öl oder Wasser dispergiert sein kann.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird das Latentwärmespeichermaterial 3 durch eine optionale Pumpe 118 über die Rohrleitung 115 in den Plattenwärmetauscher 113 gefördert. Dort kann das Latentwärmespeichermaterial 3 Wärmeenergie aus dem Ausgangssubstrat 2 aufnehmen oder Wärme an das Ausgangssubstrat abgeben. Hierdurch wird eine übermäßige Erwärmung aufgrund der mikrobiologisch wirksamen Aktivität verhindert oder das Latentwärmespeichermaterial 3 gibt Wärmeenergie an das Ausgangssubstrat 2 ab, so dass ein übermäßiges Absinken der Temperatur vermieden wird, welches beispielsweise dazu führen könnte, dass die mikrobiologische Aktivität nur gering ist und daher die Fermentation nicht in Gang kommt oder übermäßig lange dauert.
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Weiterhin ist in 1 eine optionale Kontroll- und Regeleinrichtung 4 gezeigt. Diese weist zwei Temperaturfühler 41 und 42 auf, welche die Temperatur des Latentwärmespeichermaterials 3 sowie die Temperatur des Ausgangssubstrats 2 fortwährend erfassen. Sofern die Temperaturdifferenz zu groß ist kann durch Schließen des Regelventils 114 in der Rücklaufleitung des Plattenwärmetauschers 113 der Strömungswiderstand erhöht werden, so dass ein geringerer Teil des Latentwärmespeichermaterials 3 pro Zeiteinheit durch den Plattenwärmetauscher 113 strömt. Hierdurch dann die Kühlleistung bzw. Heizleistung des Latentwärmespeichermaterials 3 vergrößert oder verringert werden. Optional kann die Einrichtung 4 auch feststellen, ob der Latentwärmespeicher 3 oberhalb seiner Schmelztemperatur bzw. Phasenübergangstemperatur erwärmt wurde und daher wirkungslos geworden ist. In diesem Fall kann die Einrichtung 4 einen Alarm auslösen oder Gegenmaßnahmen zur übermäßigen Erwärmung des Ausgangssubstrats 2 einleiten, beispielsweise durch Aktivierung eines Notkühlsystems mit einer Kompressionskältemaschine.
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Es ist jedoch darauf hinzuweisen, dass die Einrichtung 4 ebenso wie das Regelventil 114 und die Pumpe 118 optional sind. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann das Latentwärmespeichermaterial 3 thermosyphonisch umlaufen oder dauerhaft mit dem Ausgangssubstrat 2 in Kontakt sein, so dass sich eine selbstregelnde Kühlung und Heizung des Ausgangssubstrats 2 ergibt. In diesem Fall ist der Fermenter 1 besonders einfach aufgebaut und kann energiesparend und wartungsarm betrieben werden.
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2 zeigt ein Ausführungsbeispiel, wie die thermische Kopplung des Latentwärmespeichermaterials und des Ausgangssubstrats 2 erfolgen kann. Beim Ausführungsbeispiel gemäß 2 sind die zweiten Tanks 12 im Innenraum 111 des ersten Tanks 11 angeordnet. Der Übergang von einem zweiten Tank zu einer Makroverkapselung ist dabei fließend. Wesentlich für diese Ausführungsform ist, dass das Latentwärmespeichermaterial 3 so eingeschlossen ist, dass dieses nicht mit dem zu fermentierenden Ausgangssubstrat in Kontakt kommt. Hierdurch wird eine Kontamination vermieden. Gleichzeitig ist die Kontaktfläche einer Mehrzahl von zweiten Tanks 12 jedoch hinreichend groß, so dass ein guter Wärmeübergang vom Latentwärmespeichermaterial 3 auf das Ausgangssubstrat im Innenraum 111 ermöglicht wird. In einigen Ausführungsformen weisen die zweiten Tanks 12 eine Wandung auf, welche einerseits einen guten Wärmeübergang ermöglicht und andererseits eine inerte Außenseite zur Verfügung stellt, um das Ausgangssubstrat 2 nicht zu kontaminieren. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Wandung des zweiten Tanks 12 aus Edelstahl sein. In einigen Ausführungsformen kann die Anzahl zweiter Tanks 1 bis etwa 500 betragen. In anderen Ausführungsformen kann die Anzahl zweiter Tanks etwa 15 bis etwa 100 betragen. In anderen Ausführungsformen kann die Anzahl zweiter Tanks etwa 20 bis etwa 80 betragen.
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3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel für die thermische Kopplung des Ausgangssubstrats 2 mit dem Latentwärmespeichermaterial 3. Der erste Tank 11 und der zweite Tank 12 sind im dargestellten Ausführungsbeispiel nebeneinander oder auch übereinander angeordnet. Im Innenraum 111 des ersten Tanks 11 befindet sich ein erster Wärmetauscher 113. Im Innenraum 120 des zweiten Tanks 12 befindet sich ein zweiter Wärmetauscher 123. Die Wärmetauscher können als Plattenwärmetauscher oder als Rohrregister ausgeführt sein. Der erste Wärmetauscher 113 und der zweite Wärmetauscher 123 sind über zwei Rohrleitungen miteinander verbunden, so dass ein Wärmeträgermedium in ihnen zirkulieren kann. Somit kann das Latentwärmespeichermaterial im zweiten Tank 12 thermische Energie an das Wärmeträgermedium abgeben oder thermische Energie aufnehmen. Das erwärmte oder gekühlte Wärmeträgermedium zirkuliert dann thermosyphonisch oder durch nicht dargestellte Pumpen durch den ersten Wärmetauscher 113, wo es wiederum thermische Energie an das Ausgangssubstrat abgibt oder Energie aufnimmt.
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4 zeigt eine dritte Ausführungsform der Erfindung. In diesem Fall weist der Innenraum 111 des ersten Tanks 11 keinen Wärmetauscher auf. Stattdessen ist ein Wärmetauscher 123 im Innenraum des zweiten Tanks 12 angeordnet, welcher über Rohrleitungen mit dem ersten Tank 11 verbunden ist. Dies erlaubt es, das zu fermentierende Ausgangssubstrat durch den Wärmetauscher 123 zu zirkulieren und auf diese Weise thermisch an das Latentwärmespeichermaterial 3 im zweiten Tank 12 zu koppeln. Durch Vergrößern oder Verringern der Umlaufgeschwindigkeit kann somit zusätzlich die Kühl- oder Heizleistung beeinflusst werden. Gleichzeitig wird durch die Phasenübergangstemperatur des Latentwärmespeichermaterials im zweiten Tank 12 eine Selbstregelung der Temperatur des Ausgangssubstrats im ersten Tank 11 erzielt.
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5 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel der Erfindung. In der Ausführungsform gemäß 5 befindet sich im Innenraum 111 des ersten Tanks 11 ein erster Wärmetauscher 113. Der zweite Tank 12 ist mit einem Latentwärmespeichermaterial und einem Wärmeträgermedium gefüllt. Das Wärmeträgermedium zirkuliert über Rohrleitungen im ersten Wärmetauscher 113, so dass thermische Energie mit dem zu fermentierenden Ausgangssubstrat ausgetauscht werden kann. Die Rücklaufleitung des Wärmetauschers 113 mündet im zweiten Tank 12, wo das Wärmeträgermedium wiederum vom Latentwärmespeichermaterial erwärmt oder gekühlt wird. Hierzu kann das Latentwärmespeichermaterial verkapselt sein, so dass es das Volumen des zweiten Tanks 12 nur teilweise ausfüllt und in den verbleibenden Zwischenräumen das Wärmeträgermedium zirkulieren kann.
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6 zeigt ein fünftes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das fünfte Ausführungsbeispiel ist strukturell ähnlich aufgebaut wie das vierte Ausführungsbeispiel gemäß 5. Jedoch zirkuliert im Wärmetauscher 113 das Latentwärmespeichermaterial 3, welches hierzu dem zweiten Tank entnommen wird. Auf diese Weise kann dass Latentwärmespeichermaterial im ersten Wärmetauscher 113 in thermischen Kontakt mit dem Ausgangssubstrat im Innenraum 111 des ersten Tanks 11 gebracht werden, ohne das Ausgangssubstrat zu kontaminieren. Der mit thermischer Energie beladene Latentwärmespeicher kann dann über die Rücklaufleitung in den zweiten Tank 12 zurückgeführt werden und steht hier wieder zur Beheizung des Substrats zur Verfügung.
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7 zeigt ein sechstes Ausführungsbeispiel der Erfindung. In diesem Fall befindet sich der erste Tank 11 vollständig im Innenraum 121 des zweiten Tanks 12. Der Zwischenraum kann dann mit Latentwärmespeichermaterial 3 ausgefüllt werden, so dass das zu fermentierende Ausgangssubstrat 2 während der gesamten Fermentation über die Begrenzungswände des ersten Tanks 11 mit dem Latentwärmespeichermaterial 3 in thermischen Kontakt steht. Diese Ausführungsform weist den Vorteil auf, dass auf Umwälzpumpen oder ähnliche Energie verbrauchende Einrichtungen vollständig verzichtet werden kann.
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8 zeigt einen beispielhaften Ablauf eines Fermentationsprozesses. Dargestellt sind Vermehrungs- und Stoffwechselphasen von Hefezellen während einer alkoholischen Gärung. Der Zeitablauf in Tagen ist auf der Abszisse aufgetragen. Auf der rechten Ordinate ist der Zuckergehalt in Gramm/Litern angegeben, auf der linken Ordinate ist die Anzahl der Hefezellen pro Milliliter angegeben. Kurve A zeigt den Zuckergehalt gegen die Zeit, Kurve B zeigt die Gesamthefen gegen die Zeit und Kurve C die Anzahl der Lebendhefen gegen die Zeit.
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Die Gärung verläuft im Wesentlichen in vier Zeitabschnitten, welche mit I, II, III und IV bezeichnet sind. Die erste Phase ist die Anlaufphase, bei welcher sich die zugesetzten Hefezellen an die Bedingungen anpassen und die Vermehrung beginnt. Im dargestellten Beispiel dauert die Anlaufphase etwa 1 Tag. Daran schließt sich Phase II an, in welcher es während vier aufeinanderfolgenden Tagen zu einer Vermehrung der Hefezellen bis zu einem Maximalwert kommt. Daran schließt sich eine Hauptgärphase von etwa sieben Tagen an. Die letzte Phase ist die Absterbephase, in welcher der zunehmende Alkoholgehalt zum Absterben der Hefezellen führt. Während der gesamten Vermehrung der Hefezellen kommt es zur Umwandlung von Zucker in die Stoffwechselprodukte der Hefen, so dass der Zuckergehalt kontinuierlich sinkt. Die Hefezellen vermehren sich in Phase II, sind dann in Phase III in etwa konstant und nehmen in der Absterbephase wieder ab.
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9 zeigt im gleichen Maßstab auf der Abszisse qualitativ die bei der Gärung entstehende Wärmemenge W und den Temperaturverlauf T. Wie aus 9 ersichtlich ist, steigt mit zunehmender Anzahl der Hefezellen und zunehmender Aktivität dieser Zellen die von den Hefen produzierte Wärmemenge an und bleibt während der Hauptgärphase auf hohem Niveau in etwa konstant. In der Absterbephase wird die Stoffwechselaktivität der Hefezellen zunehmend geringer, so dass auch die abgegebene Wärmemenge wieder sinkt.
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Mikroorganismen wie die beispielhaft gezeigten Hefen benötigen zum aktiven Stoffwechsel eine optimale Temperatur. Eine zu hohe bzw. zu niedrige Temperatur steigert bzw. verzögert den Stoffwechsel. Im gezeigten Beispiel einer alkoholischen Gärung führen zu warme Gärtemperaturen durch die erhöhte Stoffwechselaktivität zu einer verstärkten CO2-Produktion, welche das Medium durchgast und positive Aromen austreibt, welche bei höheren Temperaturen auch weniger löslich sind. Daher soll die Temperatur während der gesamten Gärung in den in 9 gezeigten Bereich ΔT gehalten werden.
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Durch den Kontakt des Gärmediums mit dem Latentwärmespeichermaterial kann der Latentwärmespeicher zu Beginn des Gärprozesses, bei geringer Stoffwechselaktivität der Hefen dem Gärmedium Wärme zuführen, so dass die Temperatur rasch auf den Sollwert ansteigt, welcher durch die Schmelztemperatur bzw. Phasenwechseltemperatur des Latentwärmespeichermaterials gegeben ist. Die starke exotherme Reaktion in Phase II und III führt nicht zu einem weiteren Anstieg der Temperatur, da die Wärme vom Latentwärmespeichermaterial aufgenommen wird. Sobald die exotherme Reaktion wieder abnimmt und die produzierte Wärmemenge wieder geringer wird, gibt das Latentwärmespeichermaterial wieder Wärme an das Gärmedium ab, so dass die Temperatur auch in Phase IV weitgehend konstant bleibt. Erst gegen Ende der letzten Gärphase reicht auch die Wärmemenge des Latentwärmespeichers nicht mehr aus, so dass die Temperatur wieder absinkt. Zu diesem Zeitpunkt ist die Gärung aber ohnehin abgeschlossen, so dass hieraus keine negative Beeinflussung der Produktqualität mehr resultiert.
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Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die nachfolgenden Ansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Merkmale unterschiedlicher Ausführungsformen sind frei miteinander kombinierbar.
