DE102015220313A1

DE102015220313A1 - Fermentationstank mit Verdrängungskörper, insbesondere zur Bierherstellung

Info

Publication number: DE102015220313A1
Application number: DE102015220313.1A
Authority: DE
Inventors: Konrad Müller-Auffermann
Original assignee: Krones AG; Technische Universitaet Muenchen
Current assignee: Krones AG; Technische Universitaet Muenchen
Priority date: 2015-10-19
Filing date: 2015-10-19
Publication date: 2017-04-20

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Fermentationstank und ein Verfahren, insbesondere zur Bierherstellung, mit einem Ablauf und mit einem unteren Tankbereich, dessen Querschnitt zum Ablauf hin abnimmt, dadurch gekennzeichnet, dass im unteren Tankbereich ein Verdrängungskörper angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Fermentationstank, insbesondere zur Bierherstellung, sowie ein Verfahren zum Befüllen und Entleeren eines Fermentationstanks gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 11.
Zur Umwandlung von Würze in Bier müssen die in der Würze enthaltenen Zucker von den Enzymen der Hefe zu Ethanol und Kohlendioxid in einem Fermentationstank vergoren werden. Am Ende des Gärprozesses wird die Hefe aus dem Fermentationstank geleitet bzw. geerntet.
Fermentationstanks, d. h. Gär- und/oder Lagertanks, werden großtechnisch etwa seit den 1960er Jahren für industrielle Prozesse wie die Gärung eingesetzt. Hauptsächlich kommen hier zylindrokonische Tanks zum Einsatz. Dabei begünstigt insbesondere der konisch ausgebildete Tankboden, dass sedimentierte Hefe und andere Partikel (wie Kalttrub, Hopfenkomponenten, Eiweißkomplexe und/oder Kristalle wie Kalziumoxalat etc.) relativ einfach und automatisiert von unten abgezogen und weiterverarbeitet werden können. Somit begünstigt die Behälterform eine angestrebte Phasentrennung von Sedimenten und Fluiden. Dennoch ergeben sich bei den bekannten Tanks erhebliche Probleme. Während der Fermentation sinken die Partikel und Agglomerate in den konischen Tankbereich ab und verdichten sich dort über die Zeit. Um eine möglichst kompakte Partikelmasse mit geringem Flüssigkeitsanteil abzutrennen und somit Flüssigkeitsverluste zu reduzieren, erfolgt die Abscheidung deshalb nicht kontinuierlich sondern chargenweise, nachdem sich möglichst viele Stoffe abgesetzt und im Bodenbereich aufkonzentriert haben. Wie insbesondere aus der 11 und 10 hervorgeht, können sich, z. B. aufgrund von Haftreibungseffekten, beim Abzug der Partikel senkrechte Strömungskanäle im Sediment ausbilden und dadurch Prozessprobleme und Inhomogenitäten verursachen. So bewirken Kanalbildungen (rechte Abbildung der 11) bei der Sedimentabtrennung beispielsweise, dass die abgesetzten Stoffe nicht wie gewünscht gleichmäßig nachrutschen (linke Abbildung der 11), was potenziell zu höheren Produktverlusten (verursacht z. B. durch einen höheren Flüssigkeitsanteil im Sediment) und Filtrationsproblemen (verursacht z. B. durch Sedimentbrocken, die bei der Produktabführung mitgerissen werden) führen kann. Gleiche Problematiken ergeben sich bei Umwälzverfahren, wie 10 beispielsweise zeigt.
Nach dem Stand der Technik (siehe Fachbuch Technologie Brauer und Mälzer, 10. überarbeitete Auflage, Seite 542, Kapitel 4.4.4.2, Methoden der Hefeernte) erfolgt der Sediment-/Partikelabzug daher herkömmlich mit verringerter Abzugsgeschwindigkeit am Ende der Fermentation. Zudem werden die Oberflächen der Koni in den Seiten oftmals aufwendig behandelt und/oder steilere Konuswinkel realisiert, um Haftreibungseffekte zu verringern. Diese Maßnahmen sind allerdings nicht immer erfolgreich. Außerdem gelten sie als kosten-, zeit- und arbeitsaufwendig, sind teilweise ineffizient oder nicht realisierbar, da Tanks mit steileren Koni bei konstantem Tankvolumen konstruktiv höher ausgeführt werden müssen, was zu baulichen und logistischen Problemen sowie einem höheren Materialbedarf bei der Konstruktion führt.
Steilere Koni bringen darüber hinaus den Nachteil mit sich, dass die Oberfläche zwischen Sediment und Flüssigkeit relativ klein ist, jedoch eine größere Oberfläche prinzipiell vorteilhaft für einen effektiveren Stoffaustausch sein kann, wodurch beispielsweise die Fermentationsgeschwindigkeit gesteigert und/oder Lösungsprozesse verbessert und somit der Prozess effektiver wird.
Ein weiteres Problem bei herkömmlichen Fermentationstanks liegt darin, dass eine gezielte Temperierung des Sediments durch die Bodengeometrie schwierig ist. Weil sich beispielsweise bei der Biergärung lebende Organismen (Hefen) absetzen, gilt es, diese effektiv zu kühlen bzw. zu temperieren, um so ein frühzeitiges Absterben der Mikroben (sogenannte Autolyse) und ungewünschte Stoffwechselvorgänge zu verhindern. Aus diesem Grund werden üblicherweise Kühlzonen an den Außenwänden der Koni angebracht, durch die bei Bedarf ein Kühlmedium geleitet wird. Weil die Geometrie des Konus jedoch bewirkt, dass der Abstand zur Außenwand und somit zu den Kühlzonen ungleichmäßig weit zum Sedimentkern ist, besteht die Gefahr, dass Temperaturgradienten im Sediment entstehen. Dieser Effekt wird durch die spezifische Wärmeleitfähigkeit der Partikel, sowie der Fermentationsenthalpie verstärkt. Im zentralen Kern des Sediments herrschen deshalb oftmals schwer- oder unkontrollierbare, wärmere Temperaturen als an den wand- und kühlflächennahen Außenbereichen. Diese Zonen bewirken physikalisch Dichteunterschiede, die beim Ablassen ungewünschte Effekte, wie die bereits erläuterte Kanalbildung, begünstigen können. Ferner kann eine partielle Erwärmung des Sediments technologisch dazu führen, dass die physiologischen Eigenschaften der Organismen (z. B. Vitalitäten und Viabilitäten) variieren. Dies erschwert wiederum eine effektive Wiederverwertung und kann zu ungewünschten Veränderungen der Produkteigenschaften führen.
Auch bei der Homogenisierung der Behälterinhalte zur Prozessbeschleunigung/effektivierung, können nach dem Stand der Technik Probleme auftreten. So erfolgt derzeit nach vollständiger Tankbefüllung häufig ein gezieltes manuelles Einlassen von Gasen (Ventil wird meist händisch geöffnet/geschlossen und z. B. CO₂, Luft, Sauerstoff und/oder Stickstoff eingeblasen). Die Gase sollen dann im Tank zentral nach oben steigen und somit, durch die aufwärtsgerichtete Strömung und simultan resultierende dezentrale Abwärtsströmung, eine Homogenisierung bewirken.
Je nach Füllhöhe im Tank, Einlassdruck, Technologie und Einlassvolumen etc. resultieren jedoch verschieden große Blasen, die unterschiedlich schnell und meist nur zentral aufsteigen. Somit erfolgt der Prozess zumeist undefiniert und der Erfolg kann kaum beurteilt und/oder reproduzierbar sichergestellt werden. Zur verbesserten Homogenisierung werden daher oft Umwälzvorrichtungen in die Fermenter integriert. Diese werden jedoch üblicherweise nicht sofort nach Befüllung eingeschaltet, weil in dieser Phase (sogenannte Hochkräusenphase) viele Gase und Konvektionen entstehen und ein Überschäumen verhindert werden soll. Somit setzen sich Sedimente unter Umständen bereits ab, bevor die Umwälzvorrichtungen eingeschaltet werden. Dadurch entsteht erneut das zuvor beschriebene Risiko, dass Sedimentbrocken an den Wandungen hängen bleiben, oder dass sich Strömungskanäle ausbilden. Siehe hierzu auch 10, die ein suboptimales Umwälzen des Inhalts des Fermentationstanks zeigt.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Fermentationstank und ein Verfahren zum Befüllen und Entleeren des Fermentationstanks bereitzustellen, die ermöglichen, dass der Tankinhalt gleichmäßig, rasch und homogen ab- bzw. zugeführt werden kann und dabei insbesondere eine Strömungskanalbildung verhindert werden kann.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 11 gelöst.
Gemäß der vorliegenden Erfindung weist ein Fermentationstank einen Ablauf auf, sowie einen unteren Tankbereich, dessen Querschnitt zum Ablauf hin abnimmt. Für gewöhnlich ist dieser untere Tankbereich konisch ausgebildet. Es sind jedoch auch andere Tankbodenformen, z. B. bombierte Böden, d. h. Klöpperböden, schräg angewinkelte Böden, sphärokonische Böden, etc. möglich.
In vorteilhafter Weise ist nun in diesem unteren Tankbereich ein erfindungsgemäßer Verdrängungskörper angeordnet, der einen Teil des Volumens im Fermentationstank verdrängt und auch beim Abziehen und/oder Befüllen des Produkts als Strömungsbrecher bzw. Strömungslenker dient. Unter Produkt versteht man hier z. B. entweder die mit Hefe beladene Würze, Bier, das Hefesediment, Hopfensedimente, Eiweißabscheidungen, Gas, z. B. CO₂, Stickstoff oder Luft bzw. Dampf und/oder andere mehrphasige Fluide (Sediment-/Flüssigkeitsgemische oder Sediment-/Flüssigkeits-/Gasgemische). Außerdem können unter Produkt weitere Roh-Hilfs-Bedarfs- und/oder Grundstoffe verstanden werden.
Durch den erfindungsgemäßen Verdrängungskörper strömt nun beim Abführen des Produkts, insbesondere eines mehrphasigen Sediments (wie z. B. das Hefesediment), nicht mehr flächig, sondern ringförmig, in einem ringförmigen Kanal, um den Verdrängungskörper herum. Die ring-förmige Strömung bewirkt eine Strömungsoptimierung dahingehend, dass eine Kanalbildung verhindert wird. Die Hefe bzw. das Sediment kann dadurch besser und effektiver von der Flüssigkeit separiert werden. Daher ist es auch möglich, die Abzugsgeschwindigkeit im Vergleich zum Stand der Technik zu erhöhen. Ferner wird durch den Einbau des Verdrängungskörpers auch beim Befüllen des Fermentationstanks und/oder einer Stoffzugabe von z. B. Enzymen, Aromaträgern, Hopfen, Hopfenprodukten, Organismen, Trägermaterialien, Holzspänen, Stabilisierungsmittel, Farbstoffen, weitere Roh-, Hilfs- und Grundstoffen sowie Zwischenprodukten und/oder anderen Produkten eine gleichmäßigere Verteilung des Jungbieres/Würze/Stoffe gewährleistet.
Weiterhin kann durch die Installation des erfindungsgemäßen Verdrängungskörpers die Temperierung des Sediments verbessert werden. Dadurch, dass der Verdrängungskörper mittig im unteren Bereich angeordnet ist, kann verhindert werden, dass sich ein zentraler Kern des Sediments unkontrolliert aufheizt und das Sediment kann daher relativ gleichmäßig durch eine Tankkühlung (z. B. Außenwandkühlung) des Fermentationstanks temperiert werden, so dass eine effektivere Prozesssteuerung ermöglicht wird. Das homogen temperierte Sediment hat wiederum den Vorteil, dass sich ein konstanteres Theologisches Verhalten ergibt, wodurch ein homogenerer Abzug ermöglicht wird und Organismen einheitlicher hinsichtlich ihrer Stoffwechselaktivität, ihrer Vitalität und Viabilität erhalten werden, sodass die Produktqualität erhöht wird, was auch vorteilhaft bei einer Wiederverwendung und Weiterverarbeitung ist.
Der Verdrängungskörper bringt außerdem den Vorteil mit sich, dass das Sediment bei konstantem Volumen eine größere Kontaktoberfläche zur Flüssigkeit, hier z. B. Würze/Jungbier aufweist. Weil simultan auch eine verbesserte Temperierung möglich ist, werden so gewünschte Stoffwechsel-, Transport- und Diffusionseffekte begünstigt. Angestrebte Prozesse wie mikrobielle Fermentationen und Auslaugungen/Lösungen werden somit effektiver.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist nun der Verdrängungskörper derart ausgebildet und angeordnet, dass sich ein im Querschnitt betrachtet, ringförmiger Ablaufkanal ergibt, der sich in Richtung Ablauf erstreckt. Die Breite des Ablaufkanals – im Querschnitt betrachtet – muss dabei nicht konstant sein. Durch die Ringform kann das Produkt gleichmäßig um den Innenumfang des Tanks abgezogen werden.
Vorteilhafterweise nimmt der Durchmesser des Verdrängungskörpers zumindest in einem oberen Bereich nach oben hin (d. h. in einer Richtung vom Ablauf weg) ab. Das heißt, dass die Querschnittsfläche des Verdrängungskörpers nach oben hin kleiner wird. Unter oben versteht man hier das Ende des Tanks, das dem unteren Ende, an dem der Ablauf angeordnet ist gegenüber liegt. Unter oberen Bereich versteht man einen Bereich im oberen Drittel oder der oberen Hälfte des Verdrängungskörpers. Dies bringt mit sich, dass sich zumindest im oberen Bereich die Umfangsfläche zu einer Mittelachse des Verdrängungskörpers neigt, z. B. konisch oder abgerundet ausgebildet ist. Dies ermöglicht den Vorteil, dass Sediment nicht auf dem Verdrängungskörper verbleibt, sondern abrutschen kann. Das Produkt kann dann seitlich am Verdrängungskörper vorbei durch den ringförmigen Ablaufkanal abgezogen werden.
Es ist vorteilhaft, wenn auch der Durchmesser des Verdrängungskörpers zumindest in einem unteren Bereich des Verdrängungskörpers in Richtung Ablauf abnimmt. Unter einem unteren Bereich versteht man hier z. B. zumindest das untere Drittel bzw. die untere Hälfte des Verdrängungselements. Da sich auch der untere Tankbereich verjüngt, ergibt sich dann der Vorteil, dass der ringförmige Ablaufkanal zwischen Verdrängungskörper und der Tankinnenwand im unteren Bereich des sich verjüngenden Verdrängungskörpers im Wesentlichen konstant gehalten werden kann. Es ist also auch möglich, dass der gesamte Verdrängungskörper einen nach oben hin abnehmenden Durchmesser aufweist oder der gesamte Verdrängungskörper einen nach unten abnehmenden Durchmesser aufweist – wobei der Durchmesser nicht zwangsläufig stetig zu- oder abnehmen muss. Es ist vorteilhaft wenn der Durchmesser in einer Richtung von oben nach unten betrachtet zuerst zunimmt und dann wieder abnimmt.
In vorteilhafter Weise ist der Verdrängungskörper als Doppelkonus ausgebildet mit einem jeweiligen Konuswinkel γ₁, γ₂ in einem Bereich von 40–bis 90°, vorzugsweise beispielsweise 60°–90°. Damit kann der Konuswinkel des Verdrängungselements dem Konuswinkel des unteren Tankbereichs angepasst werden, so dass ein gleichförmiger, ringförmiger Abzugsbereich erhalten wird, dessen Breite am unteren Bereich des Verdrängungskörpers im wesentlichen konstant ist.
Vorteilhafterweise ist der Verdrängungskörper als Drallkörper ausgebildet, auf dessen Oberfläche eine oder mehrere rippenartige Erhöhungen bzw. Vertiefungen ausgebildet sind, die sich um die Mittelachse M des Drallkörpers winden, derart, dass das zu- und/oder auslaufende Produkt in eine Rotationsströmung um den Verdrängungskörper herum versetzt wird. Durch die entstehende Rotationsströmung kann ein Anhaften von Sediment an der Innenfläche des unteren Tankbereichs noch effizienter verhindert werden. Dies führt auch zu einer homogeneren Sedimentabtragung und Partikelverteilung im zu filtrierenden Produkt. Außerdem kann beim Reinigen des Fermentationstanks die Reinigungswirkung durch die stärkeren Turbulenzen verbessert werden. Zudem bewirkt z. B. ein drallförmiger Verdrängungskörper, dass auch das Produkt beim Befüllen der Tanks in eine Rotationsbewegung (und/oder Tangentialströmung) versetzt werden kann, so dass eine Homogenisierung, Lösung und/oder Partikel- bzw. Sedimentabscheidung und/oder Inschwebehaltung von Stoffen erfolgen kann.
Um den Effekt der gewünschten Turbulenzen zu amplifizieren können auf der Oberfläche des Verdrängungskörpers und/oder an der Tankinnenfläche insbesondere im unteren Tankbereich strömungsbrechende/strömungslenkende Elemente, wie vorzugsweise Erhebungen vorgesehen sein. In einer bevorzugten Ausführung sind diese so ausgeführt, dass die angestrebte Strömung unterstützt wird, d. h., dass die Elemente bzw. Erhebungen in Strömungsrichtung verlaufen. Entsprechende Erhebungen können zusätzlich oder alternativ auch an der Tankinnenwand, die dem Verdrängungskörper zugewandt ist, vorgesehen sein. Unter Erhebung versteht man hier z. B. Rippen, b. z. w. sich erhebende Strukturen. Diese Erhebungen können gleich oder aber auch komplementär zu bzw. gegenförmig zu den Erhebungen auf dem gegenüberliegenden Verdrängungskörper ausgebildet sein. Andersartige strömungslenkende/brechende Strukturen, die z. B. an der Tankwandung angebracht sind und wahlweise auch ganz und/oder teilweise direkt mit dem Verdrängungskörper in Verbindung stehen können, sollen ferner, erfindungsgemäß, nicht ausgeschlossen werden. Die Erhebungen auf dem Verdrängungskörper können von den Erhebungen auf der Tankinnenfläche oder der (konischen) Oberfläche der Tankinnenfläche beabstandet sein. Dann ergibt sich ein durchgehender ringförmiger Ablaufkanal.
Die Erhebungen auf der Tankinnenfläche können von den Erhebungen auf dem Verdrängungskörper oder der Oberfläche des Verdrängungskörpers beabstandet sein. Auch bei dieser Ausführungsform ergibt sich ein durchgängiger ringförmiger Auslaufkanal.
Es ist jedoch auch möglich, dass die Erhebungen auf der Oberfläche der Tankinnenfläche oder die Erhebungen auf dem Verdrängungskörper die gegenüberliegenden Erhebungen oder die gegenüberliegenden Oberflächen zumindest abschnittsweise berühren.
Dann ergibt sich ebenfalls ein ringförmiger Auslaufkanal, wobei im Querschnitt betrachtet, dieser ringförmige Auslaufkanal zumindest abschnittsweise durch die Erhebungen unterteilt ist. Wenn beispielsweise der Verdrängungskörper Erhebungen aufweist, die die gegenüberliegende Tankinnenfläche berühren, kann der Verdrängungskörper in einfacher Art und Weise an mehreren Verbindungsstellen über die Erhebungen mit dem Tank verbunden werden (beispielsweise durch eine Schweißverbindung). Wenn die Erhebungen bzw. Rippen sich um die Oberfläche z. B. konische Oberfläche des Verdrängungskörpers winden und mit Ihrer Außenfläche oder Kante an der Tankinnenfläche aufliegen können mehrere um den Umfang des Verdrängungskörpers angeordnete um den Verdrängungskörper gewundenen Ablaufkanäle erzeugt werden.
Auch wenn Gas an einem entsprechenden Drallkörper vorbeigeleitet wird, können kleinere Gasblasen erzeugt werden, die eine verhältnismäßig kleinere Aufstiegsgeschwindigkeit haben, was zu einer verbesserten Durchmischung, Gaswäsche, Sauerstoffaufnahme etc. führt.
Um gewünschte Effekte zu erzielen bzw. zu verstärken kann beispielsweise die (Produkt) Einlass- und/oder Auslassgeschwindigkeit erfindungsgemäß variiert und beispielsweise an den Verdrängungskörper und/oder den gewünschten Prozess angepasst werden.
Vorteilhafterweise ist zumindest ein unterer Teil des unteren Tankbereichs abnehmbar, insbesondere wegschwenkbar oder abflanschbar oder demontierbar, z. B. als sogenannter Schwenk- oder Flanschkonus, ausgebildet. Der Verdrängungskörper ist dann z. B. in diesem Teil befestigt. Somit kann der Verdrängungskörper auf einfache Art und Weise installiert und auch in bestehende Fermentationstanks nachgerüstet werden, wobei die Zugänglichkeit in den Tank von unten weiterhin gewährleistet wird, da der Verdrängungskörper einfach mit wegschwenkbar und/oder mit abflanschbar/demontierbar ist.
Vorteilhafterweise liegt die Höhe h und die Breite b des Verdrängungskörpers in einem Bereich von 150 bis 600 mm, bei beispielsweise einer Tankhöhe in einem Bereich von 1,5 bis 20 m einem Tankdurchmesser von 1,5 bis 6 m und ggf. einem Konuswinkel des unteren Tankbereichs von beispielsweise 40 bis 90°, wenn ein zylindrokonischer Fermentationstank verwendet wird. Der Abstand zwischen der Oberfläche des Verdrängungskörpers und Tankinnenfläche an einer Stelle, an der der Verdrängungskörper den größten Durchmesser (im Querschnitt d. h. senkrecht zur Längsachse betrachtet) aufweist, liegt z. B. in einem Bereich von 10 bis 300 mm, d. h. dass die Breite des ringförmigen Spalts an einer entsprechenden Engstelle zwischen 10 bis 300 mm beträgt. Wenn auf der Oberfläche des Verdrängungskörpers und/oder der Oberfläche der konischen Tankinnenfläche Erhebungen angeordnet sind, so bezieht sich das vorab genannte Abstandsmaß auf den Abstand der Oberflächen, auf denen die Erhebungen angeordnet sind.
Vorteilhafterweise ist der Verdrängungskörper als geschlossener Volumenkörper ausgebildet, beispielsweise aus poliertem Edelstahl, derart, dass der Verdrängungskörper gut gereinigt werden kann und keine Feststoffe in den Verdrängungskörper gelangen können.
Es ist jedoch möglich, eine- oder mehrere Leitung(en) durch den Verdrängungskörper zu führen, insbesondere eine Produktzuleitung und/oder Produktableitung. Somit kann in platzsparender Art und Weise, Produkt nicht nur außen am Verdrängungskörper vorbeigeleitet werden, sondern auch durch den Verdrängungskörper hindurch über den Verdrängungskörper zu- oder abgeleitet werden. Dies kann insbesondere dann vorteilhaft sein, wenn Produkt und/oder ein Teilstrom davon in den Behältern zirkulieren soll und/oder kontinuierlich und/oder diskontinuierlich transferiert werden soll. Somit kommt dem Verdrängungskörper nicht nur eine Verdrängungsfunktion und eine Strömungsbrecherfunktion zu, sondern auch noch eine Ein- und/oder Ableitfunktion. Der Verdrängungskörper kann dann beispielsweise in einfacher Art und Weise auf einem entsprechenden Rohr befestigt werden.
Ferner kann der Verdrängungskörper partiell- und/oder vollständig durchdringlich gestaltet werden, so dass Produkte direkt durch den Verdrängungskörper hindurch ein- und/oder ausgeleitet wenden können.
Auch können strömungslenkende Elemente wie beispielsweise Verteilschirme, Prallteller, Dispergierungsvorrichtungen, Verjüngungen und Erweiterungen, statische Mischelemente, Zielstrahlreiniger, Reinigungsvorrichtungen etc. an und in dem Verdrängungskörper und/oder dessen Produktzuleitung und/oder Produktableitung bzw. Verrohrungen installiert werden.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung kann der Fermentationstank eine Verbindungseinrichtung aufweisen, über die der Verdrängungskörper lösbar im Fermentationstank befestigt werden kann. Die Verbindungseinrichtung kann beispielsweise an der Innenwand des unteren Bereichs befestigt sein oder aber am Auslaufrohr etc. Es ist auch möglich, dass der Verdrängungskörper modular erweiterbar ausgebildet ist, d. h., dass seine Größe und Form durch Montage z. B. Aufstecken, Aufklippen, Aufschrauben, etc. veränderbar ist und an verschiedene Prozesse individuell angepasst werden kann. Alternativ dazu können unterschiedliche an bestimmte Prozesse angepasste Verdrängungskörper je nach Bedarf über die Verbindungseinrichtung angebracht bzw. ausgewechselt werden.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Befüllen oder Entleeren eines Fermentationstanks mit Produkt, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das Produkt im unteren Bereich des Fermentationstanks an einem Verdrängungskörper vorbeigeleitet wird.
So kann beispielsweise während des Fermentationsprozesses auch Gas in den Zu/Ablauf am Verdrängungskörper vorbeigeleitet werden, wobei das Gas insbesondere ein Gas ist, das bei der Fermentation entstanden ist und aus dem Fermentationstank zunächst abgeleitet wurde und, gegebenenfalls nach Aufbereitung, im Kreislauf wieder zugeführt wird. Ferner kann es vorteilhaft sein Inertgase wie Stickstoff (mit) zu verwenden, um direkte Reaktionen mit dem Produkt zu verhindern. Somit kann eine gezielte Tankbegasung im Tankinneren erfolgen, um eine bessere Homogenisierung zu bewirken.
Durch die Einleitung von Gasen und/oder Dampf kann ferner Einfluss auf die Fluidtemperatur genommen werden und/oder chemische Reaktionen katalysiert und/oder unterbunden bzw. wahlweise Komponenten ausgetrieben werden.
Das Produkt kann insbesondere an einem Drallkörper vorbeigeleitet werden, der das Produkt zusätzlich in Rotationsbewegung um den Verdrängungskörper herum versetzt. Die dadurch erzeugten Strömungen führen wiederum zu einer besseren Durchmischung und/oder Temperierung, was sich günstig auf die Fermentation auswirkt und ein Anhaften von Sedimenten an der Innenfläche des Fermentationstanks wesentlich reduziert. Zu einer besseren Durchmischung kann dabei das Produkt aus dem Tank abgeleitet werden und im Kreislauf dem Tank rückgeführt werden. Außerdem können Stoffe wie: Hopfen, Hopfenöle, Hopfenextrakte; Hopfenpellets, Hopfendolden, Enzyme, Aromen, Organismen, Holzspäne, Bakteriozide, Säuren und Laugen, Gase, aroma- und farbgebende Substanzen, Stabilisatoren sowie weitere Roh-, Hilfs-, Grund- und Betriebsstoffe in einer Umwälzleitung gezielt zugeführt und/oder abgeschieden werden. Zudem kann beispielsweise ausschließlich oder zusätzlich eine Temperierung z. B. in einer Umwältzleitung und/oder Zu- und/oder Abführleitung des Produktes chargenweise, kontinuierlich oder semikontinuierlich erfolgen.
Das Produkt kann auch aus dem Tank abgeleitet werden und im Kreislauf dem Tank zugeführt werden, wobei das Produkt entweder am Verdrängungskörper vorbei durch den Ablauf abgeleitet wird und durch eine Leitung, die durch den Verdrängungskörper geführt ist, zugeleitet wird oder,
durch eine Leitung, die durch den Verdrängungskörper geführt ist, abgeleitet wird und durch den Ablauf von unten am Verdrängungselement wieder zugeführt wird. Dann verläuft die Leitung z. B. durch den Ablauf hindurch.
Die beiden unterschiedlichen Produktwege können auch abwechselnd geschaltet werden. Durch optionale Veränderung der Durchströmrichtung und/oder Durchströmungsgeschwindigkeit kann der Prozess werter optimiert werden, insbesondere im Hinblick auf Fermentationsgeschwindigkeit, Losungsprozesse und Anhaften und/oder Absetzen von Sedimenten an der Innenfläche.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann im Vergleich zum Stand der Technik die Abzugsgeschwindigkeit wesentlich erhöht werden. Die Abzugsgeschwindigkeit kann dabei in einem Bereich von 0,1 bis 3 m/s liegen.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme folgender Figuren näher erläutert.
1 zeigt grob schematisch einen Längsschnitt eines Fermentationstanks gemäß der vorliegenden Erfindung.
2a zeigt schematisch einen Längsschnitt durch einen Teil eines Fermentationstanks gemäß der vorliegenden Erfindung sowie darüber einen Schnitt entlang der Linie II-II.
2b zeigt den in 2a gezeigten Längsschnitt eines Fermentationstanks gemäß der vorliegenden Erfindung sowie darüber einen Schnitt entlang der Linie I-I.
3 zeigt eine teilweise aufgerissene Teilansicht, eines Fermentationstanks gemäß der vorliegenden Erfindung.
4 zeigt mehrere mögliche Formen erfindungsgemäßer Verdrängungskörper in einer Seitenansicht und einer Ansicht von unten
5 zeigt schematisch mehrere mögliche Querschnittsformen von Verdrängungskörpern in einem unteren Tankbereich gemäß der vorliegenden Erfindung.
6 zeigt grob schematisch zwei Teilbereiche von Fermentationstanks mit und ohne Verdrängungskörper denen Gas zugeleitet wird.
7 zeigt grob schematisch einen Längsschnitt durch einen Fermentationstank gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
8 zeigt grob schematisch zwei Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden Erfindung mit Drallkörper und Ringleitung.
9a, 9b zeigen grob schematisch zwei Längsschnitte eines unteren Bereichs eines Fermentationstanks inkl. Rohrleitungen gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel gemäß der vorliegenden Erfindung.
10 zeigt zwei Fermentationstanks nach dem Stand der Technik.
11 zeigt zwei Fermentationstanks nach dem Stand der Technik.
12a zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verdrängungskörpers in perspektivischer Darstellung.
12b zeigt ein Ansicht von unten auf den Verdrängungskörper der 12a.
13a zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verdrängungskörpers in perspektivischer Darstellung.
13b zeigt ein Ansicht von unten auf den Verdrängungskörper der 13a
1 zeigt eine Ausführungsform eines Fermentationstanks 1 gemäß der vorliegenden Erfindung. Der Fermentationstank kann z. B. ein Gär- und/oder Lagertank zur Vergärung und/oder Reifung und/oder Lagerung und/oder Propagation/Assimilation inkl. aller möglichen Arbeitsschritte wie z. B. Dosage von Hopfen, Additiven und/oder anderer Roh-Hilfs- und/oder Betriebsstoffen sein und ist hier als zylindrokonischer Tank 1 ausgebildet mit einem zylindrischen Abschnitt 5 sowie einem konisch ausgebildeten unteren Tankbereich 2. Der sich zum Ablauf 4 hin verjüngende Abschnitt 2 muss jedoch nicht zwangsläufig konisch ausgebildet sein, wesentlich ist, dass sich seine Querschnittsfläche, (im Querschnitt senkrecht zur Längsachse L betrachtet) zum Auslauf 4 hin verkleinert. Der untere sich verjüngende Abschnitt 2 kann daher auch z. B. als sogenannter bombierter Boden bzw. Klöpperboden ausgebildet sein. Die Mittelachse des unteren Tankbereichs kann, auch wenn hier nicht dargestellt, schräg zur Längsachse L des Tanks verlaufen. Der Verdrängungskörper ist vorzugsweise stets in der Mitte in Bezug zur Mittelachse bzw. zum Auslauf 4 des unteren Tankbereichs angeordnet.
Im Falle eines konischen Abschnitts 2 beträgt der Konuswinkel β etwa 40 bis 90°, vorzugsweise 60°–90°. Die Höhe k eines entsprechenden Fermentationstanks liegt z. B. in einem Bereich von 1,5 m bis 20 m. Der Durchmesser m des zylindrischen Teils 5 beträgt üblicherweise 1 bis 6 m. Die Höhe p des sich verjüngenden unteren Tankbereichs beträgt z. B. 0,5 m bis 6 m An den Ablauf 4 schließt sich ein Ablaufrohr 6 an. Wenn auch nicht dargestellt, ist der Fermentationstank 1 vorzugsweise durch mehrere Füße oder Ringe am Boden abgestützt oder beispielsweise in einer Platte montiert.
Der Fermentationstank kann auch eine Einrichtung zum Kühlen bzw. Temperieren aufweisen insbesondere eine Kühleinrichtung 13, die den unteren Bereich zumindest abschnittsweise an der Oberfläche der Behälterwandung 8 kühlt. Wenn auch nicht dargestellt, kann der Fermentationstank 1 auch im zylindrischen Teil 5 entsprechende Kühl- bzw. Temperiereinrichtungen aufweisen. Wobei die Temperierungsvorrichtungen im Tankinneren und/oder an der äußeren Seite der Tankwandung installiert sein können.
Gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst nun der Fermentationstank 1 einen Verdrängungskörper 3, der in dem Fermentationstank im unteren Tankbereich 2 angeordnet ist. Der Verdrängungskörper 3 ist beispielsweise ein geschlossener Körper, der aus (behandeltem, beispielsweise poliertem) Edelstahl geformt ist. Andere Materialien zur Fertigung und/oder Installation sollen jedoch nicht ausgeschlossen werden. Wie insbesondere aus den 1, 2a, 2b hervorgeht, ist der Verdrängungskörper derart ausgebildet und angeordnet, dass sich ein ringförmiger Ablaufkanal 7 ergibt der in den Ablauf 4 mündet. In 2a ist in dem Längsschnitt unten der Verdrängungskörper 3 dargestellt, der hier mit seiner Mittelachse M axial zum Auslauf 4 bzw. Auslaufrohr 6 angeordnet ist. Wie insbesondere aus 2b und dem Schnitt entlang der Linie I-I hervorgeht, ergibt sich durch diese Anordnung der Ringspalt 7 zwischen Verdrängungskörper 3 und Tankinnenfläche, hier z. B. Konusfläche 11. Der Schnitt I-I verläuft hier durch die Stelle des Verdrängungskörpers 3 mit dem größten Durchmesser bzw. hier der größten Querschnittsfläche. Die Breite des ringförmigen Ablaufkanals a bzw. Abstand zwischen Verdrängungskörper 3 und Konusfläche 11 liegt in einem Bereich von vorzugsweise 10 bis 300 mm. Die Höhe des Verdrängerelements 3 liegt hier in einem Bereich an vorzugsweise 100 bis 600 mm und auch die Breite b liegt in einem Bereich von vorzugsweise 150 bis 600 mm. In diesem konkreten Ausführungsbeispiel ist der Verdrängungskörper derart ausgebildet, dass der Durchmesser des Verdrängungskörpers 3 in einem oberen Bereich, hier z. B. in der oberen Hälfte nach oben hin abnimmt. Dies hat den Vorteil, dass der Verdrängungskörper so gestaltet ist, dass die Sedimente und Fluide von ihm abrutschen. Dazu ist es insbesondere vorteilhaft, wenn bei größeren Konstruktionen, d. h. h vorzugsweise > 300 mm, der Konuswinkel steil ist (z. B. γ₁ < 60°). Bei flacheren Elementen, h vorzugsweise < 300 mm hingegen ist dies nicht obligat.
Bei diesem Ausführungsbeispiel nimmt auch der untere Durchmesser im unteren Bereich, hier in der unteren Hälfte, in Richtung Ablauf 4 ab, d. h. der Verdrängungskörper 3 ist hier als Doppelkonus ausgebildet. Auch hier ist der Konuswinkel γ₂ vorzugsweise in einem Bereich von 40 bis 90° ausgebildet, wobei der Winkel γ₂ insbesondere dem Winkel β des Konus entspricht. Dann können die Seitenflächen des unteren Konus des Verdrängungskörpers 3 im Wesentlichen parallel zu den Konusflächen verlaufen, derart, dass sich ein ringförmiger Ablaufkanal mit konstanter Breite a ausbildet.
Der Verdrängungskörper 3 ist insgesamt so ausgebildet, dass er leicht zu reinigen ist und durch die Schrägstellung der Außenseiten des Vedrängungskörpers relativ zur Mittelachse M bzw. der Längsachse L die Flüssigkeit idealerweise selbst ablaufen kann.
Wie insbesondere aus 3 hervorgeht, strömt das Produkt, das abgeleitet werden soll, beispielsweise das Sediment, an dem Verdrängungskörper 3 vorbei und von dort in die Ablaufleitung 6. Bei Öffnung eines Auslassventils (nicht dargestellt) kann somit ein gleichmäßiger ringförmiger Unterdruck entstehen, der einen homogenen Austrag des Sediments ermöglicht und die Bildung von Kanälen und Inselbildungen/Produktanhaftungen verhindert.
Wie z. B. in der 9a erkennbar ist, kann der untere Tankbereich 2 einen unteren Bereich 12 umfassen, der im Bereich 16 abnehmbar ist, insbesondere wegschwenkbar oder abflanschbar/demontierbar, hier z. B. als Schwenkkonus ausgebildet. Es ist jedoch auch der gesamte untere Tankbereich entsprechend abnehmbar oder kann wegschwenkbar oder abflanschbar/demontierbar ausgebildet sein. Vorteilhafterweise ist der Verdrängungskörper 3 in diesem Teil 12 befestigt. Dies bringt den Vorteil mit sich, dass der Verdrängungskörper 3 zusammen mit dem unteren Bereich 12 entfernt bzw. weggeschwenkt oder abgeflanscht/demontiert werden kann und die Zugänglichkeit in den Tank 1 von unten weiterhin gewährleistet ist. So kann ein entsprechender Verdrängungskörper 3 auch auf einfache Art und Weise in einen bestehenden Fermentationstank 1 nachgerüstet werden. Vorteilhafterweise weist dazu der Fermentationstank eine Verbindungseinrichtung auf, über die der Verdrängungskörper lösbar im Fermentationstank 1 befestigt werden kann. Dies ermöglicht einerseits ein Nachrüsten und andererseits auch einen Austausch des Verdrängungskörpers bei neuen Prozessbedingungen. Es ist auch möglich, dass der Verdrängungskörper modular erweiterbar ist, d. h., dass Teile an den Verdrängungskörper 3 angefügt werden können und/oder von diesem entfernt werden können, um so seine Form und Größe zu verändern und ihn so an unterschiedliche Prozesse anzupassen. Der Verdrängungskörper 3 kann jedoch auch fest, z. B. durch Schweißen und/oder kleben am Fermentationstank 1 befestigt werden.
Wie insbesondere durch die 2a und b und 3 deutlich wird, verteilen sich nun die Abzugskräfte aufgrund des Verdrängungskörpers 3 ringförmig, so dass die Sedimentabscheidung/Hefeernte gleichmäßiger erfolgen kann. Somit wird das Risiko von Wandanhaftungen und Kanalbildungen reduziert. Ferner wird durch den Einbau bei der Befüllung eine gleichmäßigere Verteilung des Fluids (z. B. Würze oder Jungbier) gewährleistet. Bei einer Umwälzung kann zudem wahlweise das Sediment beliebig in Schwebe gehalten und/oder Lösungsvorgänge optimiert werden. Weiterhin kann durch die Installation des erfindungsgemäßen Verdrängungskörpers 3 die Temperierung des Sediments effektiviert werden. Insbesondere bei Fermentationen sollte das vorwiegend aus Organismen bestehende Sediment/Produkt gekühlt werden. Gemäß der vorliegenden Erfindung kommt es nicht zu lokalen Temperaturgradienten im Inneren des Sediments, da der kritische, durch die Kühlung nur schwer erreichbare Kern des Sediments durch den erfindungsgemäßen Verdrängungskörper 3 substituiert wird. Zusätzlich kann gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung eine aktive Temperierung durch den Verdrängungskörper 3 erfolgen. Dazu ist der Verdrängungskörper 3 in Form eines Wärmetauschers ausgebildet, der einen Zulauf für Wärmeträger und einen Ablauf für Wärmeträger aufweist (nicht dargestellt), so dass die Außenwandkühlung unterstützt werden kann oder diese ersetzen kann. Das homogen temperierte Sediment hat wiederum den Vorteil, dass sich ein konstanteres rheologisches Verhalten ergibt, wodurch ein homogenerer Abzug ermöglicht wird und Organismen einheitlicher hinsichtlich ihrer Stoffwechselaktivität, ihrer Vitalität und Viabilität erhalten werden, sodass die Produktqualität erhöht wird, was auch vorteilhaft bei einer Wiederverwendung und Weiterverarbeitung ist. Die Verdrängung des Produkts durch den Verdrängungskörper 3 bringt darüber hinaus den Vorteil mit sich, dass bei konstantem Volumen eine größere Kontaktfläche, d. h. Oberfläche zu der Flüssigkeit gegeben ist Weil simultan eine verbesserte Temperierung erreicht werden kann, werden so gewünschte Stoffwechsel-, Transport-, und Diffusionseffekte begünstigt. Angestrebte Prozesse wie mikrobielle Fermentationen und Auslaugungen/Lösungen werden somit begünstigt.
Konstruktiv kann die Vorrichtung verschiedenartig ausgeführt sein. Die Größe, die Form und der Abstand a zur Tankinnenfläche 11 sind dabei grundsätzlich variabel und werden an die Produkt-, Sediment- und Tankeigenschaften und die angestrebten Strömungsvorgänge angepasst.
4 zeigt in der oberen Zeile Seitenansichten der Verdrängungskörper 3 mit unterschiedlichen Formen. Die zweite Zeile in 4 zeigt die entsprechenden Ansichten von unten.
Allen Ausführungsformen in 4 ist gemein, dass ein oberer Teil des Verdrängungskörpers 3 schräg nach oben zuläuft, d. h. dass der Durchmesser des Verdrängungskörpers nach oben hin abnimmt. Dies ist, wie bereits erläutert vorteilhaft, da dann Produkt an den Oberflächen des Verdrängungskörpers 3 nach unten durch die Schwerkraft abrutschen kann. Vorteilhafterweise verjüngen sich die Verdrängungskörper auch in Richtung Ablauf, wie beispielsweise in den Ausführungen A, B, E, F, G, H gezeigt ist. Dies ist vorteilhaft, da auch die Tankinnenfläche entsprechend zur mittleren Längsachse L hin zusammenläuft.
Durch die Form des Verdrängungskörpers 3 kann auch die Strömung beeinflusst werden. So kann sich, wie exemplarisch bei den Formen C und D dargestellt ist, eine Wirbelschicht unterhalb des Verdrängungskörpers 3 ausbilden. Dabei nimmt der Durchmesser des Verdrängungskörpers nach oben ab bzw. seine Querschnittsfläche und an der Unterseite des Verdrängungskörpers 3 ist eine Aussparung 20 vorgesehen.
Wenn der untere Bereich im Längsschnitt eine abgerundete Form aufweist, wie beispielsweise Form E und F, ist ein entsprechender Verdrängungskörper auch bei ungünstigeren Konuswinkeln des unteren Fermentationstankbereichs oder sogar für Klöpperböden geeignet und ermöglicht einen adäquaten Sedimentabzug.
Wie beispielsweise in Beispiel G gezeigt ist, kann die Oberfläche der Verdrängungskörper mehrere Rippen 9 aufweisen, so dass sich zwischen den Rippen Vertiefungen befinden, die als Strömungskanäle dienen. Ganz besonders vorteilhaft ist der Verdrängungskörper 3, wie in Beispiel H gezeigt ist, als Drallelement ausgebildet. Hier sind ebenfalls mehrere Rippen 9 auf der Oberfläche des Verdrängungskörpers 3 vorgesehen, die sich um die Mittelachse M des Drallkörpers winden, derart, dass das Produkt in eine Rotationsströmung versetzt wird. Dies wiederum kann eine homogenere Sedimentabtragung und/oder bei der Befüllung und Partikelverteilung im Produkt bewirken. Außerdem kann so die Reinigungswirkung durch stärkere Turbulenzen verbessert werden.
Derartige Effekte können, zusätzlich und/oder ausschließlich (beispielsweise bei glatten Tankinnenflächen), durch strömungslenkende/strömungsbrechende Konstruktionen an der Tankinnenfläche im unteren Tankbereich d. h. hier z. B. konische Tankinnenfläche beeinflusst werden. So kann es beispielsweise zweckdienlich sein Erhebungen, z. B. Rippen oder andere sich erhebende Strukturen an der Tankinnenfläche anzubringen. Die Erhebungen können z. B. eine komplementäre oder gegenläufige Form im Vergleich zu den am gegenüberliegenden Verdrängungskörper 3 angeordneten Erhebungen aufweisen. Die Erhebungen können flexibel oder fest an der Tankinnenfläche angebracht werden.
Wie in 12a, b und 13a, b dargestellt und nachfolgend noch näher erläutert wird, ist es möglich, dass beispielsweise der Verdrängungsköper 3 Erhebungen aufweist, die die Tankinnenfläche 11 berühren. Dann kann der Verdrängungskörper 3 beispielsweise derart gestaltet werden, dass er über die Erhebungen auf der Tankinnenwand aufliegt und über die Erhebungen montiert bzw. befestigt werden kann. Gleichzeitig ist es auch möglich, dass die Tankinnenfläche entsprechende Erhebungen aufweist und dann der Verdrängungskörper in den unteren Bereich des Tanks eingesetzt werden kann und auf diesen Erhebungen aufsitzt und so an bestimmten Verbindungsstellen mit dem Tank verbunden wenden kann. Dann weist der ringförmige Auslaufkanal Unterteilungen auf, die durch die Erhebungen gebildet werden.
Wie in 5 gezeigt ist, kann wahlweise auch die Form des Verdrängungskörpers 3 so gewählt werden, dass sich verschiedenartige Abstände a in einer Querschnittsebene zur Tankinnenfläche 11 ergeben. Das heißt, dass der Ringspalt 7 nicht zwangsläufig von zwei konzentrischen Kreisen begrenzt sein muss sondern auch, wie in 5 dargestellt ist, eine davon abweichende Form aufweisen kann und/oder wahlweise eine direkte Verbindung des Verdrängungskörpers und/oder dessen Strukturen mit der Tankinnenseite hergestellt sein kann.
Wie in 9a und 9b gezeigt ist, kann gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel mindestens eine Leitung durch den hier geschlossenen Verdrängungskörper 3 geführt sein. Die Leitung 10 mündet dabei in den Fermentationstank 1 in einer Position über dem Verdrängungskörper 3. Bei diesem konkreten Ausführungsbeispiel führt die Leitung 10 durch den Ablauf 4 aus dem Fermentationstank. Somit kann in platzsparender Art und Weise der Verdrängungskörper 3 mit mindestens einer Zirkulationseinrichtung kombiniert werden. So kann der erfindungsgemäße Verdrängungskörper 3 beispielsweise dazu genutzt werden, sogenannte Umpumpverfahren, bei denen der Tankinhalt oder ein Teil des Tankinhalts durch eine gezielte Umwälzung homogenisiert wird, effizienter zu gestalten. Wie aus 9a hervorgeht, kann beispielsweise Produkt über den Ablauf 4 und die Ableitung 6 bei geschlossenem Ventil 19 im Ablaufrohr 6 abgezogen werden und über eine Pumpe 21 und eine Ringleitung 17 der Leitung 10 zugeführt werden, über die das Produkt zumindest teilweise in den Fermentationstank 1 rückgeleitet wird. Dabei sind hier die Ventile 18d und 18b geöffnet- 18a und 18c geschlossen. Die Strömungsrichtung kann, wie in 9b gezeigt ist, gewechselt werden, derart, dass Produkt oder ein Anteil davon, z. B. Würze, durch die Leitung 10 abgezogen wird und bei geöffnetem Ventil 18a und 18c durch die Pumpe 21, die Ringleitung 17 zurück in die Leitung 6 gepumpt wird und von da über den Ablauf 4 in den Fermentationstank 1 am Verdrängungsköper 3 vorbei einströmt. Bei beiden Strömungsrichtungen fließt- bzw. strömt das Produkt an dem Verdrängungskörper vorbei und/oder durch ihn hindurch. Derartige Konfigurationen können auch dazu genutzt werden, um Stoffe (wie Enzyme, Holzspäne, Farbstoffe, Stabilisierungsmittel, Bakteriozide, aromagebende Substanzen und/oder weitere Roh-Hilfs- und Grundstoffe) und/oder Produkte z. B. in der Umwälzleitung gezielt zu- und/oder abgeführt werden können. Ferner kann das Produkt und/oder ein Teilstrom des Produkts kontinuierlich und/oder diskontinuierlich weitergeleitet/transferiert werden. Auch zu Reinigungszwecken ist eine entsprechende vollständige oder partielle Produkt- und/oder Medienführung vorteilhaft.
Auch 8 zeigt ein Umpumpverfahren, bei dem, wie aus der linken Abbildung hervorgeht, Produkt aus einem oberen Bereich des Fermentationstanks 1 über die Pumpe 15 und die Ringleitung 14 abgepumpt wird und durch den Ablauf 4 in den Fermentationstank 1 rückgeleitet wird. Der Verdrängungskörper, der hier beispielsweise als Doppelkonus ausgebildet ist, ist hier als Drallkörper, wie zuvor beschrieben, ausgebildet und versetzt das einströmende Produkt, hier beispielsweise die Würze/das Jungbier, in eine Rotationsbewegung entlang der Tankinnenwände. Auch eine umgekehrte Produktführung ist möglich, wie durch die rechte Abbildung in 8 gezeigt ist, bei der über den Ablauf 4 Produkt, hier Würze, über die Leitung 14 und die Pumpe 15 in den unteren oder mittleren Bereich des Fermentationstanks rückgeführt wird. Auch hier ist Verdrängungskörper 3 als Drallelement ausgebildet, derart, dass beim Abziehen des Produkts das Produkt in eine Rotationsbewegung versetzt wird, was wiederum zu einer besseren Durchmischung und Temperierung etc. führt.
Des Weiteren können die erfindungsgemäßen Verdrängungskörper 3 genutzt werden, um eine bessere Homogenisierung bei gezielter Tankbegasung im Tankinneren zu bewirken. So ist es teilweise technologisch empfehlenswert, bei bestimmten Bedingungen, oder bei definierten Anforderungen Gas (z. B. CO₂, Luft, Stickstoff) bzw. Dampf in den unteren Tankbereich, wie in 6, Abb. I und II gezeigt ist, einzuleiten. Wie Abb. I der 6 zeigt, bilden sich ohne Verdrängungselement große Blasen, die sehr schnell, meist zentral nach oben aufsteigen. Durch die erfindungsgemäße Konstruktion kann aufgrund des Abstands a und auch bei Verwendung einer Oberfläche, die Unebenheiten aufweist, wie beispielsweise die zuvor erläuterten Rippen 9 oder als Drallelement ausgebildet ist, das Gas feiner dispergiert werden und (zumindest partiell) ringförmig aufsteigen. Im Vergleich zu einer Gaseinleitung ohne Einbau (6, Abbildung I), bei der das Gas schnell in großen Blasen zentral nach oben aufschießt, ist durch die kleineren Blasen, die unter umständen ringförmig aufsteigen (6, Abbildung II) die relative Aufstiegsgeschwindigkeit im Vergleich langsamer, was zu einem effizienteren Prozess, insbesondere im Hinblick auf Durchmischung, Gaswäsche, Lösung, Sauerstoffaufnahme etc. führt.
Herkömmlicherweise wird Gas, das bei der Fermentation entsteht, abgeleitet und wahlweise, nach einer Aufbereitung, wieder verwendet. Erfindungsgemäß kann nun, wie aus 7 hervorgeht, auch das Gas, das z. B. durch mikrobielle Stoffumsetzung während einer Fermentation entsteht, partiell direkt, beispielsweise über die Pumpe 15 und Leitung 14 oder wahlweise nach einer Aufbereitung zur Homogenisierung über beispielsweise Leitung 22 wieder verwendet werden. Dies hat den Vorteil, dass verhältnismäßig kleine (Verdichte/Verdränger)pumpen eingesetzt werden können und gewünschte flüchtige Aromen in das Produkt zurückgeführt werden können. Zudem können durch Gaswäschen auch ungewünschte flüchtige Komponenten, wie Schwefelverbindungen, ausgetrieben werden. Wie in 7 dargestellt wird und auch vorab beschrieben ist, können dann beispielsweise relativ kleine Gasblasen nach oben steigen und das Fluid, wie durch die Pfeile dargestellt Ist, überwiegend dezentral abwärts strömen.
Wie im Zusammenhang mit den 6–9 gezeigt wurde, ist also eine vollständige oder partielle Umwälzung, Produkt Zu- und/oder Abführung und/oder Produkt Weiterleitung möglich, ohne dass es zu einer Bildung von Sedimentbrocken an den Wandungen und/oder zu einer Kanalbildung kommt.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann also Produkt, d. h. beispielsweise ein Fluid, wie beispielsweise Würze bzw. Jungbier, oder aber auch Gas bzw. Dampf sowie andere Roh-, Hilfs- und Betriebsstoffe wie beispielsweise Hopfen von unten über den Ablauf 4 in den Fermentationstank 1 eingebracht werden und strömt an dem Verdrängungskörper 3 durch den ringfömigen Ablaufkanal 7 ein bzw. aus. Es ist auch möglich, das Produkt, wie beispielsweise Fluid, z. B. Würze oder mit Hefe beladene Würze, Bier, Hefe, Hopfen oder aber auch mehrphasige Fluide, wie beispielsweise ein Sediment/Flüssigkeitsgemisch., über den Ablauf 4 aus dem Fermentationstank 1 abgezogen werden können, wobei hier der Abzug nicht, wie im Stand der Technik, großflächig erfolgt, sondern über den ringförmigen Kanal 7. Da durch den erfindungsgemäßen Verdrängungskörper 3 Probleme wie Kanalbildung, lokale Überhitzung des Sediments im Kern nicht entstehen, kann beispielsweise das Sediment mit viel höherer Geschwindigkeit abgezogen werden als im Stand der Technik. Die Abzugsgeschwindigkeit beträgt hier beispielsweise 0,1 bis 3 m/s.
Neben den beschriebenen Formen und Ausführungen kann die Oberfläche des Verdrängungskörpers 3 und/oder der Tankinnenfläche (d. h. z. B. Konusinnenseite) insbesondere im Wirkbereich des Verdrängungskörpers beliebig behandelt werden. So kann beispielsweise eine Anrauung bewirken, dass Kondensationskeime und somit eine lokale Gasbildung, gezielt entstehen, wodurch Strömungen beeinflusst werden können. Ferner kann durch Oberflächenbehandlungen und/oder die Auswahl eines entsprechenden Werkstoffs die Haftreibung und somit beispielsweise das Abrutsch- und Abfließverhalten beeinflusst werden. Dabei kann die Fertigung des Verdrängungsköpers und/oder der konischen Tankinnenfläche und/oder Rippen und/oder weitere funktionelle Strukturen sowie eine entsprechende Verbindungseinrichtung bzw. Befestigungseinrichtung beispielsweise mittels drehen, schleifen, polieren etc. oder wahlweise über 3D-Druck oder Klebeprozesse erfolgen. Durch Dosage von Gasen (CO₂, Luft, Sauerstoff und/oder Stickstoff sowie Dampf) und/oder anderen Stoffen (z. B. Hopfen, Hopfenprodukten, Enzyme, Hefe, Mikroorganismen, Stabilisierungsmittel, Zusatzstoffe, Farbmittel, Holzspäne, Aromaträger und/oder weitere Roh-, Hilfs- und Betriebsstoffe etc.) kann eine Prozessoptimierung erfolgen. Außerdem kann der Verdrängungskörper 3 auch dafür genutzt werden, um den Fermentationstank 1 zu verschließen, dazu ist sein unterer Bereich vorzugsweise so ausgebildet, dass sein Durchmesser bzw. seine Querschnittsfläche in Richtung Ablauf abnimmt. Das heißt, dass der Verdrängungskörper vorzugsweise in Längsrichtung beweglich angeordnet sein kann. Außerdem ist wahlweise eine pulsierende Bewegung des Bauteils (Auf-/Abbewegung) möglich. Das Verfahren bzw. die Vorrichtung samt Umwälzleitung kann sowohl für den chargenweisen Betrieb als auch für den kontinuierlichen Betrieb genutzt werden.
12a zeigt in perspektivischer Darstellung einen Verdrängungskörper 3 gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel, der hier in einem konischen unteren Tankbereich 2 eingesetzt ist. Der Körper 3 umfasst einen unteren (durch U gekennzeichnet) konischen Bereich und einen oberen (durch 0 gekennzeichnet) nach oben konisch zulaufenden Bereich. Der Konuswinkel des unteren Bereichs entspricht vorzugsweise dem Konuswinkel des unteren Tankbereichs, z. B. 60°, so ist der Abstand p (in Horizontalrichtung bzw. senkrecht zur Längsachse betrachtet) zwischen Tank und Verdrängungskörper im unteren Bereich des Verdrängungskörpers im wesentlichen konstant. Die obere Seite kann z. B. glatt ausgebildet sein. Der untere Konusbereich des Verdrängungskörpers 3 ist derart ausgebildet, dass eine Rotationsbewegung des Produkts beim Befüllen, Entleeren und/oder Umwälzen bewirkt werden kann. Dazu weist der untere Bereich mehrere Erhebungen R, hier in Form von Rippen auf, die sich um die Mittelachse M des Verdrängungskörpers winden. Bei dem in 12a, b dargestellten Ausführungsbeispiel gibt es vier gewundene Rippen, die sich jeweils, beispielsweise um einen Winkelbereich von 180°, um den unteren konischen Bereich des Verdrängungskörpers 3 winden. Dabei sind die Rippen R z. B. unter einem Winkel von 90° auf dem unteren konischen Bereich montiert. Dies heißt, dass die seitlichen Rippenflächen auf einer Abwicklung der Konusfläche unter einem Winkel von 90° auf der abgewickelten Konusfläche stehen. Wie z. B. aus 12a bzw. 13a hervorgeht, gilt dann, dass an jedem Bezugspunkt B, an dem die Rippenfläche die Konusfläche berührt, ein Lot auf eine Gerade, die durch B und die Konusspitze verläuft, in der Rippenfläche liegt. Dies ist jedoch nur ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel. Vorteilhaft ist, wenn die sich um die konische Oberfläche des Verdrängungskörpers 3 windenden Rippen R mit ihrer Außenfläche oder Kante 80 an der Tankinnenfläche 11 aufliegen. So können mehrere um den Umfang des Verdrängungskörpers 3 gewundene Auslaufkanäle K erzeugt werden, die jeweils von der Tankinnenfläche 11, der Oberfläche des Verdrängungskörpers und gegenüberliegenden seitlichen Rippen begrenzt werden. Ein entsprechender Verdrängungskörper kann einfach in den konischen unteren Tankbereich eingesetzt und angeschweißt werden. So kann der Verdrängungskörper einfach befestigt und auch noch nachträglich in bestehenden Systeme eingesetzt werden. 12a, b ist nur ein Beispiel. Je nach Größe des Verdrängungskörpers 3 und gewünschten Prozessbeeinflussungen können die Rippen R jedoch einen mehr oder weniger starken Verwindungsgrad aufweisen, wie beispielsweise in 13a, b dargestellt ist, wo sich z. B. vier Rippen um 360° um die Mittelachse des Verdrängungskörpers 3 winden. Ebenso können mehr oder weniger Rippen R vorgesehen werden. Es können drei bis sechs Rippen, vorzugsweise drei bis vier Rippen vorgesehen sein. Auch kann der Winkel, unter dem die jeweilige Rippe auf die Konusfläche aufgesetzt ist, variieren z. B. zwischen 60°–120°. Es ist auch möglich, dass auch die obere konische Fläche des Verdrängungskörpers 3 Rippen aufweist, die das Produkt in Rotationsbewegung versetzen. Wie auch bereits zuvor beschrieben, können eine oder mehrere Leitungen durch den Verdrängungskörper geführt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

Fachbuch Technologie Brauer und Mälzer, 10. überarbeitete Auflage, Seite 542, Kapitel 4.4.4.2, Methoden der Hefeernte [0004]

Claims

Fermentationstank (1), insbesondere zur Bierherstellung, mit einem Ablauf (4) und mit einem unteren Tankbereich (2), dessen Querschnitt zum Ablauf (4) hin abnimmt, dadurch gekennzeichnet, dass im unteren Tankbereich (2) ein Verdrängungskörper (3) angeordnet ist.
Fermentationstank (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdrängungskörper (3) derart ausgebildet und angeordnet ist, dass sich ein ringförmiger Ablaufkanal (7) ergibt.
Fermentationstank (1) nach Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des Verdrängungskörpers (3) zumindest in einem oberen Bereich nach oben hin abnimmt, und/oder der Durchmesser in einem unteren Bereich in Richtung Ablauf (4) abnimmt und vorzugsweise als Doppelkonus mit einem jeweiligen Konuswinkel γ₁, γ₂ in einem Bereich von 40 bis 90° ausgebildet ist.
Fermentationstank (1) nach mindestens einem der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdrängungskörper (3) als Drallkörper ausgebildet ist, auf dessen Oberfläche mehrere Rippen (9) ausgebildet sind, die sich um eine Mittelachse (M) des Drallkörpers (3) winden, derart, dass das auslaufende oder einlaufende Produkt in eine Rotationsströmung versetzt wird.
Fermentationstank (1) nach mindestens einem der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein unterer Teil des unteren Tankbereichs (2) abnehmbar, insbesondere wegschwenkbar/abflanschbar/demontierbar angeordnet ist und der Verdrängungskörper (3) in diesem Teil befestigt ist.
Fermentationstank (1) nach mindestens einem der Ansprüche 1–5, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe (h) und die Breite (b) des Verdrängungskörpers in einem Bereich von 150 bis 600 mm liegen und vorzugsweise der Abstand (p) zwischen der Oberfläche des Verdrängungskörpers (3) einer Stelle, an der der Verdrängungskörper (3) den größten Durchmesser aufweist und der Tankinnenfläche (11), in einem Bereich von 10 bis 300 mm liegt.
Fermentationstank (1) nach mindestens einem der Ansprüche 1–6, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdrängungskörper (3) als geschlossener Volumenkörper ausgebildet ist.
Fermentationstank (1) nach mindestens einem der Ansprüche 1–7, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Leitung (10), insbesondere eine Produktzuleitung und/oder Produktableitung durch den Verdrängungskörper geführt ist.
Fermentationstank (1) nach mindestens einem der Ansprüche 1–8, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdrängungskörper (3) als Wärmetauscher, insbesondere Kühleinrichtung ausgebildet ist.
Fermentationstank (1) nach mindestens einem der Ansprüche 1–9, dadurch gekennzeichnet, dass der Fermentationstank eine Verbindungseinrichtung aufweist, über die der Verdrängungskörper (3) lösbar im Fermentationstank (1) befestigt werden kann und/oder der Verdrängungskörper modular erweiterbar ist.
Verfahren zum Befüllen oder Entleeren eines Fermentationstanks (1), insbesondere nach einem der Ansprüche 1–10, dadurch gekennzeichnet, dass das Produkt im unteren Tankbereich (2) des Fermentationstanks (1) an einem Verdrängungskörper (3) vorbei- geleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass Gas und/oder Dampf in den Fermentationstank (1) durch einen Ablauf (4) am Verdrängerkörper vorbei- oder durch den Verdrängungskörper hindurch geleitet wird, wobei das Gas insbesondere Gas ist, das zuvor aus dem Fermentationstank (1) abgeleitet wurde.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Produkt an dem Verdrängungskörper (3), der als Drallkörper ausgebildet ist, vorbeigeleitet wird und dadurch in eine Rotationsbewegung versetzt wird, wobei vorzugsweise das Produkt aus dem Tank abgeleitet wird und im Kreislauf erneut dem Tank rückgeführt und am Verdrängungskörper (3) vorbeigeleitet wird.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 11–13, dadurch gekennzeichnet, dass das Produkt aus dem Fermentationstank (1) abgeleitet und im Kreislauf dem Fermentationstank (1) zugeführt wird, wobei das Produkt entweder am Verdrängungskörper (3) vorbei durch den Ablauf (4) abgeleitet wird und durch mindestens eine Leitung (10), die durch den Verdrängungskörper (3) geführt ist, zugeleitet wird oder durch eine Leitung (10), die durch den Verdrängungskörper (3) geführt ist, abgleitet wird und durch den Ablauf (4) von unten am Verdrängungskörper (3) vorbei, zugeleitet wird.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 11–14, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Fermentationstankentleerung die Abzugsgeschwindigkeit in einem Bereich von 0,1 m/sek. bis 3 m/sek. liegt.
Fermentationstank (1) nach mindestens einem der Ansprüche 1–9, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Oberfläche des Verdrängungskörpers (3) Erhebungen ausgebildet sind und/oder auf der dem Verdrängungskörper zugewandten Tankinnenfläche (11), insbesondere einer Konusfläche (11) Erhebungen ausgebildet sind.
Fermentationstank (1) nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass entweder – die Erhebungen auf dem Verdrängungskörper (3) von den Erhebungen auf der Tankinnenfläche (11) oder der Tankinnenfläche (11) beabstandet sind oder – die Erhebungen auf der Tankinnenfläche (11) von den Erhebungen auf dem Verdrängungskörper (3) oder der Oberfläche des Verdrängungskörpers (3) beabstandet sind oder – die Erhebungen auf der Tankinnenfläche (11) oder die Erhebungen auf dem Verdrängungskörper (3) die gegenüberliegenden Erhebungen oder gegenüberliegende Oberflächen zumindest abschnittsweise berühren.