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Verfahren und Vorrichtung zum Betrieb von aeroben Gärgeräten Die Erfindung
betrifft ein Verfahren nebst Vorrichtung zum Betrieb von aeroben Gärgeräten, insbesondere
Submersgärgeräten für die Essigerzeugung, bei denen der Gärvorgang selbststeuernd
periodisch unter selbsttätigem Abzug von fertigem Gärsubstrat oder Gärprodukt und
selbsttätiger Zuführung von Maische durchgeführt wird, wobei die bei der Gärung
auftretende Reaktionswärme durch eine von dieser Wärme gesteuerte Kühlung abgeführt
und der Abzug von fertigem Gärsubstrat sowie die Zuführung von Maische durch selbsttätige
Messungen des Gärfortschrittes ausgelöst werden.
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Es ist bekannt, Carbonsäuren, z. B. Essigsäure, durch submerse oxydative
Gärung primärer Alkohole in wäßrigen Lösungen herzustellen. Dieses Verfahren bietet
gegenüber dem Schnellessigverfahren mit Fesselgärung den Vorteil einer wesentlichen
Verkürzung der erforderlichen Gärzeit, beispielsweise von etwa 1 bis 2 Wochen auf
20 bis 22 Stunden. Bei den somit stark verkürzten Gärperioden, die grundsätzlich
auch bei anderen Gärungen auftreten können, ist im Gegensatz zu den früher üblichen
Verfahren eine sehr sorgfältige Überwachung des Gärverlaufes in kurzen Zeitabständen,
vielfach auch während der Nacht, die Voraussetzung für gutes Funktionieren, um Schädigungen
der angewandten :Mikroorganismen und damit Störungen oder gar Ausfall des Produktionsprozesses
sicher zu vermeiden.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, Gärgeräte, z. B. Submersessigbildner,
so zu betreiben, daß selbsttätig das fertige Gärsubstrat, z. B. Essig, in bestimmten
Zeitabschnitten und in bestimmten Mengen aus dem Gärgerät abgezogen und durch neue
Substratlösung, d. h. sogenannte Maische, ersetzt wird. Hierdurch werden menschliche
Bedienungsfehler vermieden und Leistung und Ausbeute gesteigert.
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Es wurde auch schon vorgeschlagen, z. B. einem Essigbildner kontinuierlich
Maische zufließen und ständig fertigen Essig aus diesem abfließen zu lassen, wie
dies z. B. bei Verhefungsprozessen durchführbar ist. Dieser Vorschlag ließ sich
jedoch praktisch nichr verwirklichen, da vorwiegend auf die Erzeugung von Gärungsprodukten,
z. B. organischen Säuren, abzielende Gärvorgänge im Gegensatz zu solchen, welche
auf die Erzeugung von Gärungserregern (Hefe) abzielen, meist mit erheblichen Schwankungen
des biologischen Geschehens verbunden sind, die einen derartigen Prozeß unmöglich
machen. Eilt nämlich die biologische Umsetzung der Zufuhr neuen Gärsubstrates voraus,
so ergibt sich durch Gärsubstratmangel Absterben der Mikroorganismen, und im umgekehrten
Falle ergibt sich der Abfluß nicht genügend vergorenen Substrates, wodurch der Zweckdes
Verfahrens nicht erfüllt werden kann. Gemäß dem Verfahren der Erfindung werden diese
Schwierigkeiten dadurch überwunden, daß bei Erreichen einer bestimmten Vergärungshöhe,
z. B. einer bestimmten Essigsäurekonzentration, eine vorher bestimmte Teilmenge
fertigen Gärsubstrates, z. B. Essig, aus dem Gärgerät abgezogen und sodann bei ganz
oder teilweise gedrosselter Kühlung frische Maische in das Gärgerät in solchen Mengen
je Zeiteinheit kontinuierlich oder in Teilmengen eingeführt wird, daß die Temperatur
im Gärgerät im wesentlichen konstant bleibt. Sobald die vorbestimmte Maischemenge
eingeführt ist, wird die Maischezufuhr unterbrochen und die Teil- oder Volldrosselung
der Kühlung wieder aufgehoben, d. h. die Kühlung wieder in normale Funktion gesetzt.
Dieser Betriebszustand wird so lange aufrechterhalten, bis die Konzentration an
Gärsubstrat, z. B. Essigsäure, den vorbestimmten Wert wieder erreicht hat, wonach
die angegebene Folge von Verfahrensschritten wiederholt wird.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird der Gärfortschritt, d.
h. die Vergärungshöhe, laufend selbsttätig kontrolliert.
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Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung wird also, sobald eine bestimmte
Höhe der Konzentration des Gärproduktes, z. B. Essigsäure, oder eine bestimmte niedrige
Konzentration des Gärsubstrates, z. B. Alkohol, im Gärgerät erreicht ist, eine bestimmte
Menge fertigen Gärsubstrates aus dem Gärgerät abgezogen; vor und während dieses
Verfahrensschrittes wird im allgemeinen jedoch keine frische Maische eingeleitet.
Das abgezogene Gärsubstrat, z. B. der abgezogene Essig, ist mithin von einheitlicher
Konzentration. Anschließend wird frische Maische in einer Menge oder in Teilmengen
so in das
Gärgerät eingeführt, daß die Temperatur in diesem konstant
bleibt. Hierdurch werden dem Optimum weitgehend angenäherte Gärbedingungen eingehalten.
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Da auf diese Weise der Gärfortschritt und die daraus resultierenden
Maßnahmen bei diesem Verfahren jeweils eindeutig nur von einer der kritischen Größen
im Gärgerät, also entweder von der Konzentration des Gärproduktes, z. B. Essigsäure,
oder von der Temperatur bzw. der gebildeten Wärme abhängig sind, weist es den wesentlichen
Vorteil auf, daß es ohne besonderen Aufwand selbsttätig gesteuert werden kann. Es
entfällt dementsprechend die oben angegebene nachteilige Notwendigkeit dauernder
menschlicher Überwachung des Gärgerätes.
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Die Temperatur wird in bekannter Weise, z. B. mittels Kontaktthermometer,
geregelt bzw. die gebildete «lärme durch geeignete Kalorimeter additiv gemessen.
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Der Gärfortschritt wird durch die Summe der gebildeten oder abgeführten
Kalorien oder nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dadurch ermittelt
bzw. kontrolliert, daß in bestimmten Zeitabschnitten Gärflüssigkeit in abgemessener
Menge durch elektrisch oder mechanisch betätigte Ventile mit vorher festgelegten,
entsprechenden sinnvollen Mengen eines analytischen Reagenz, z. B. Natronlauge bei
der Essiggärung, zusammengebracht, verrührt und ein bei Erreichung des erwünschten
Vergärungsgrades eintretender colorischer oder elektrischer Effekt zur Auslösung
von Betriebsmaßnahmen (Ausstoß fertigen Gärsubstrates, Einstoß frischer Maische)
verwendet wird.
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Bei Gärungen mit ausgeprägt gleichmäßigemAblauf ist ein Konzentrationsmeßgerät
oder Kalorimeter entbehrlich; es genügt darin, den Ablauf des fertigen Gärsubstrates
z. B. mittels einer Schaltuhr einzuschalten.
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Bei der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung
wird eine in derAbzugsleitung für das fertige Gärsubstrat, z. B. Essig, angeordnete
Ausstoßpumpe von einem der eben geschilderten Meßgeräte so gesteuert, daß bei Erreichen
einer bestimmten Konzentration des Gärproduktes die Ausstoßpumpe eingeschaltet und
nach Ausfluß einer bestimmten Menge des fertigen Gärsubstrates oder Gärproduktes
durch ein Mengenmeßgerät, z. B. Schwimmerschalter, Kontaktelektroden, Meßuhr, wieder
ausgeschaltet wird. Im Anschluß an diesen Vorgang wird eine Einstoßpumpe in einer
den Maischevorratsbehälter mit dein Gärgerät verbindenden Leitung durch mindestens
ein Gärgerätthermometer zusammen mit einem Mengenmeßgerät so gesteuert, daß nunmehr
frische Maische in jeweils solchen Mengen eingepumpt wird, daß die Temperatur im
Gärgerät bei abgeschalteter oder gedrosselter Kühlung einen festen Wert nicht unterschreitet.
Dieser Vorgang wiederholt sich so lange, bis die vorher eingestellte Maischemenge
eingeführt ist; alsdann schaltet das Mengenmeßgerät die Einstoßpumpe ab.
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An Stelle der Pumpen können auch regelbare Ventile, Hähne oder ähnlich
wirkende Mittel vorgesehen werden.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist das Mengenmeßgerät Elektroden
oder Kontakte auf, die in Abhängigkeit von der Flüssigkeitsstandhöhe im Gärgerät
Steuerstromkreise für die Pumpen. Ventile oder Hähne schließen oder öffnen.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform enthält das Mengenmeßgerät
Durchflußinengenmeßuhren mit einstellbaren Kontakten. Vorzugsweise ist eine Schaltuhr
vorgesehen, die nach einem Zeitsteuerprogramm das Konzentrationsmeßgerät oder unmittelbar
die Abzugspumpe in Betrieb setzt.
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In der Zeichnung ist eine bevorzugte Ausführungsform der Vorrichtung
gemäß der Erfindung, z. B. für die Erzeugung von Essig, schematisch beispielsweise
dargestellt.
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Die Essigsäurekonzentration in einem Subinersessigbildner 1 wird von
einem Konzentrationsmeßgerät 2 gemäß der Erfindung überwacht. An Stelle eines Submersessigbildners
eignet sich selbstverständlich auch ein Essigbildner einer anderen Gattung oder
ein sonstiges Gärgerät. Das Konzentrationsmeßgerät 2, welches vorzugsweise elektrisch
arbeitet, kann unmittelbar an den Essigbildner angebaut sein oder durch eine entsprechende,
nicht dargestellte Zweigleitung mit diesem in Verbindung stehen. Die Temperatur
im Essigbildner wird von mindestens einem Thermometer 3 überwacht. Vorzugsweise
steuert Thermometer 3 ebenfalls auf elektrischem Wege über ein Kühlwasserventil4
die Zuflußmenge an Kühlwasser durch den Essigbildner.
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Weiterhin ist ein Mengenmeßgerät 5 vorgesehen. mittels dessen die
aus dem Essigbildner abzuziehende Essigmenge oder die zuzuführende Maischemengc
bestimmt werden kann. Vorzugsweise ist das Mengenmeßgerät unmittelbar im Essigbildner
untergebracht-Im einfachsten Falle besteht es aus einem in einer Standsäule od.
dgl. geführten Schwimmer, der in Abhängigkeit von der Höhe des Flüssigkeitsspiegel
im Gärgerät zwei im Abstand voneinander angeordnete Kontaktpaare schließt oder öffnet.
Selbstverständlich kann auch die Leitfähigkeit der Essiglösung zur Überbrückung
von Elektroden od. dgl. ausgenutzt werden. Das Gärgerät 1 steht über eine Zuführungsleitung
mit einem Maischev orratsbehälter 8 und über eine Abzugsleitung mit einem Aufnahmebehälter
9 für das fertige Produkt in Verbindung. In die Zuführungsleitung ist eine Pumpe
6 und in die Abzugsleitung eine Pumpe 7 eingeschaltet. Weiterhin ist zweckmäßigerweise
eine Schaltuhr 10 vorgesehen. die das Konzentrationsmeßgerät 2 jeweils nach bestimmten
Zeitintervallen oder nach einem Zeitsteuerprogramm zum Arbeiten bringt.
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Die Wirkungsweise der dargestellten Vorrichtung ist folgende: Wenn
z. B. in einem Essigbildner 1 die Essigsäure -konzentration eine bestimmte optimale
Grenze erreicht hat, schaltet das Konzentrationsmeßgerät 2, das auf die Essigsäurekonzentration
oder auch auf die Alkoholkonzentration im Essigbildner 1 beispielsweise durch selbsttätige
Titration der Säure anspricht. die Pumpe 7 ein. Die Pumpe 7 fördert nun so lang
Essig aus dem Essigbildner 1 in den Aufnahmebehälter 9, bis eine vorher eingestellte
Flüssigkeitsmenge aus dem Essigbildner abgepumpt ist. Durch Schließen oder Offnen
des unteren Kontaktpaares im Mengenmeßgerät 5 wird die Pumpe 7 stillgesetzt und
gleichzeitig durch Schließung des Kühlwasserventils 4 der Kühlwasserdurchfluß im
Essigbildner unterbrochen oder wesentlich vermindert. Weiterhin wird die Pumpe 6
durch Mengenmeßgerät 5 nunmehr eingeschaltet, die nun eine solche Menge Maische
aus dem Behälter 8 in den Essigbildner 1 fördert, daß die Temperatur im Essigbildner
konstant bleibt, d. h., das Thermometer 3 steuert die Pumpe 6, indem sie diese bei
Unterschreiten einer unteren Temperaturgrenze ausschaltet und wieder einschaltet,
wenn infolge der Reaktionswärme die Temperatur im Essigbildner
,nieder
genügend angestiegen ist. Die Zufuhr an Maische wird auf diese Weise so lange fortgesetzt,
bis der Flüssigkeitsstand im Essigbildner wieder eine gewünschte Höhe erreicht hat
und dementsprechend das Mengenmeßgerät 5 durch Schließen oder Öffner. des oberen
Kontaktpaares das Thermometer 3 von de; Pumpe 6 ab- und auf das Kühlwasserventil
umschaltet, so daß wieder für einen entsprechenden Kühlwasserdurchfluß durch das
Gärgerät gesorgt ist.
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Nach Zuführung neuer Maische verläuft also dit Gärung unter selbsttätiger
Temperaturregelung, bis schließlich bei Erreichen der vorbestimmten Konzentration
das Konzentrationsmeßgerät2 wieder anspricht und die Abzugspumpe 7 von neuem einschaltet,
wobei sich die oben geschilderten Vorgänge wiederholen.
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Durch eine Schaltuhr 10 können die zeitlichen Abstände der verschiedenen
Verfahrensschritte im Sinne einer Programmregelung gewährleistet werden.
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Bei Gärungen mit sehr einheitlichen Maischen und ausgeprägt gleichmäßigem
Ablauf kann das Konzentrationsmeßgerät 2 entbehrt werden. Es genügt in diesem Falle,
daß die Schaltuhr 10 jeweils in entsprechenden Zeitabständen die Pumpe 7 usw. einschaltet.
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Das dargestellte Flüssigkeitsmeßgerät 5 kann auch durch je ein in
der Zufuhrleitung und in der Abzugs leitung angeordnetes Durchflußmengenmeßgerät
ersetzt werden.