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Verfahren und Vorrichtung zur Belüftung von hefehaltigen Maischen
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Belüftung
hefehaltiger Maischen. Es ist bekannt, daß für die Erzeugung von Hefe eine große
Luftmenge benötigt wird und zur bestmöglichen Ausnutzung des Sauerstoffes der zur
Belüftung verwendeten Luft eine möglichst feine Zerteilung der Luft erforderlich
ist. Der zur Veratmung der Hefezellen erforderliche Sauerstoff muß aus den in der
Maische enthaltenen Luftbläschen in die Maische hineindiffundieren. Diese Diffusionsmenge
ist bestimmt durch die Diffusionsgeschiwindigkeit des Sauerstoffes aus der Luft
in die Maische und durch die Oberfläche, aus der sie herausdiffundiert. Entsprechend
der geringen Diffusionsgeschwindigkeit des Sauerstoffes aus der Luft in die Maische
werden zur Deckung der Veratmung der Hefezellen große Oberflächen der in der Maische
enthaltenen Luftmenge benötigt, was gleichbedeutend mit geringen Schichtdicken der
Maische ist.
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Gleichlaufend mit einer möglichst feinen Zerteilung der Luft ist selbstverständlich
für eine gleichmäßige Verteilung der Luft in dem Maischebottich Sorge zu tragen.
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Sowohl für eine Feinstbelüftung wie auch für eine gleichmäßige Verteilung
der Luft in der Maische sind eine ganze Reihe von Vorschlägen bekannt, die jedoch
alle nicht voll befriedigen.
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Zu den Vorrichtungen, bei denen für eine gleichmäßige Verteilung der
Luft in dem Bottich Sorge getragen wird, gehören solche, die mechanische Rührvorrichtungen
benötigen. Solche Rührvorrichtungen unterliegen jedoch immer einem Verschleiß und
sind in der Praxis unerwünscht, insbesondere dann, wenn sie sich direkt in der hefehaltigen
Maische befinden.
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Bewährt hat sich dagegen für diesen Zweck das sogenannte Kreislaufgär-erfahren,
bei dem eine Kreislaufbewegung der Maische durch eine feststehende Bodenbelüftung
erreicht wird, die infolgedessen keine angetriebenen beweglichen Teile in dem Kreislaufgärbottich
zur Erzeugung des Kreislaufes erfordert. Bei diesen bekannten Verfahren wird das
Volumen der Maische durch die feststehende Bodenbelüftung vergrößert und die Maische
dadurch im aufsteigenden Maischeweg nach oben zweckmäßig durch eine Siebwand od.
dgl. in einen Entlüftungsraum getrieben, aus dem die Luft abgeführt wird und von
dem die Maische entlüftet durch einen besonderen Kanal od. dgl. wieder zu dem Bottichboden
absinkt, wodurch der Bewegungskreislauf geschlossen wird.
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Bei Anwendung dieses Verfahrens handelt es sich dann darum, eine möglichst
feine Belüftung durch die feststehenden Bodenbelüfter zu erreichen. Auch hierfür
sind verschiedene Vorschläge bekanntgeworden. Beispielsweise kann die zur Belüftung
verwendete Luft durch frittenähnliche Belüfterelemente, d. h. Belüfter mit porösen
Wandungen, oder durch Diaphragmenplatten in die hefehaltige Maische eingeblasen
werden. Es tritt dann eine feine Zerteilung der Luft innerhalb der Frittenwandung
und bei Austritt an der Frittenoberfläche in die Maische ein. Die Größe der austretenden
Gasbläschen ist von dem Porendurchmesser der verwendeten Fritte abhängig. Eine beliebigeVerkleinerung
des Porendurchmessers führt nun aber nicht zu einer entsprechenden Verkleinerung
des Bläschendurchmessers. Beispielsweise ergeben Poren von 24 #t Durchmesser nur
Bläschen von 0,93 mm Durchmesser gegenüber Bläschen mit 1 mm Durchmesser aus Poren
mit 30 [, Durchmesser. Außerdem. kann mit dem Porendurchmesser der Fritte nicht
beliebig weit heruntergegangen werden, weil der Gaswiderstand in der Fritte zu hoch
wird und der Kraftaufwand für den Durchsatz des Gases durch die Fritte unwirtschaftlich
hohe Werte annehmen würde.
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Die Erfindung betrifft nun ein Verfahren, durch das eine außerordentlich
feine Zerteilung der Gasbläschen auch an gröberen Fritten erzielt wird.
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Gemäß der Erfindung wird zur Belüftung hefehaltiger, nach dem Kreislaufgärverfahren
selbsttätig umströmender Maischen unter Verwendung -feststehender Bodenbelüfter
in dem Verhefungsbottich die entlüftete Maische durch Spalte zwischen Reihen von=
porösen Belüfterelementen durchgeführt, wobei sie-die Luftbläschen von den die Spalte
begrenzenden porösen Wandungen der Belüfterelemente abreißt und sich in den Spalten
mit der Luft vermischt.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens der Erfindung kann
die Luft in den Belüfterelementen außerdem in Vibration versetzt werden. Durch beide
Maßnahmen wird erreicht, daß die sich an der Oberfläche der Fritte bildenden Gasbläschen
nicht
wie bei ruhender Luft zu ihrer maximalen Größe anwachsen,
mit der sie sich bei ruhender Luft ablösen würden, sondern schon vorzeitig kurz
nach ihrer Bildung, wenn sie also noch sehr klein sind, bereits von der Frittenoberfläche
abgelöst werden.
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Die der Maische je Zeiteinheit zugeführte Luftmenge kann erfindungsgemäß
durch Wahl des Verhältnisses der Geschwindigkeiten der aus den Poren des Belüfters
austretenden Luft und der durch die Spalte tretenden Maische bestimmt werden. Vorzugsweise
wird die Geschwindigkeit der in die Spalte der Belüfter eintretenden Maische so
groß gemacht, daß sie ein Mehrfaches der Geschwindigkeit der aus den Poren austretenden
Luft beträgt.
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Es ist hierbei jedoch zu bemerken, daß bei diesem schnellen Vorbeiströmen
der Maische an der Frittenoberfläche es sich nicht um die bekannte Maßnahme handelt,
die Strömungsgeschwindigkeit der Maische größer zu halten als die Aufsteiggeschwindigkeit
der Gasbläschen in der Maische. Durch diese bekannte Maßnahme wird zwar die Berührungszeit
zwischen jeder Gasblase und der Maische vergrößert. Es kann durch sie aber keine
Verkleinerung der Gasbläschen bzw. keine Vergrößerung der Luftoberfläche und somit
Verminderung der Maischeschichtdicken erzielt werden. Die Vergrößerung der Oberfläche
der Gasbläschen ist aber ein viel wirksameres '.Mittel, um den Austausch zwischen
Gas und Flüssigkeit zu erhöhen, als das bekannte Mittel, die Verweilzeit großer
Blasen in der Maische zu erhöhen.
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Vorzugsweise wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren mit einer Schichtdicke
der Maische gearbeitet, die etwa der Diffusionsgeschwindigkeit des Sauerstoffs in
die Maische entspricht.
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Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung
besteht aus einem Kreislaufgärbottich, bei dem in Bodennähe eine Reihe von porösen
Belüfterelementen derart angeordnet sind, daß zwischen ihnen Spalte zum Durchlaß
der nach oben strömenden Maische gebildet werden. Vorzugsweise werden innerhalb
der Belüfterelemente Vorrichtungen angeordnet, durch die die durch die Belüfter
strömende Luft in Schwingungen versetzt wird. Diese Vorrichtungen können pfeifenähnlich
ausgebildet sein, sie können aber auch beispielsweise einfach aus rotierenden oder
vibrierenden Zylindern bestehen.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung werden an Hand der Figuren beschrieben
werden, die schematisch eine beispielsweise Ausführungsform für die Vorrichtung
zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung zeigen.
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Fig. 1 zeigt perspektivisch schematisch einen Kreislaufgärbottich
zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung, Fig.2 zeigt perspektivisch
schematisch einen Teil der in Reihen nebeneinander angeordneten porösen Belüfterelemente.
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In Fig.l ist schematisch perspektivisch ein Teil eines Kreislaufgärbottichs
1 gezeigt, in dem die Belüftung gemäß der Erfindung vorgenommen wird. Der Kreislaufgärbottich
besteht aus einem Teil 2, in dem die belüftete Maische aufsteigt, aus einem Entlüftungsraum
3, aus dem die Luft der durch die beispielsweise siebförmig ausgeführte Wandung
4 tretenden Maische durch die Leitung 5 abgeführt bzw. abgesaugt wird, und dem Bottichteil
6 in dem die entlüftete Maische abfällt. Der Bottichteil 6 ist von dem Bottichteil
2 durch eine Zwischenwand 7 getrennt. Bei der gezeigten Ausführungsform erstreckt
sich der Bottichteil 6 entlang einer ganzen Seitenwand des Kreislaufgärbottichs
1. Die Zwischenwand 7 endet kurz über dem Bottichboden. In an sich bekannter Weise
kann die Nährlösung durch eine Zufuhrleitung 8 in den Bottich 6 eingeführt werden.
Außerdem kann mittels einer Kühlanordnung 9 eine geeignete Temperierung der selbsttätig
umlaufenden Maische vorgenommen werden. Schematisch ist noch die Höhe 10 eingezeichnet,
die die unbelüftete Maischemenge in dem Bottich einnehmen würde. Durch Vermischung
mit Luft steigt dann die Maische so hoch an, daß sie aus dem Bottichteil 2 in den
Bottichteil 3 übertritt. In Bodennähe des Kreislaufgärbottichs 1 in dem Bottichteil
2 ist eine Reihe von porösen Belüfterelementen 11 angeordnet, und zwar derart, daß
zwischen ihnen Spalte 12 für den Durchtritt der nach oben selbsttätig strömenden
Maische gebildet werden. Wie die Fig. 2 zeigt, können diese rohrförmigen Belüfterelemente
auch mit viereckigem Querschnitt ausgebildet sein. Bei der Ausführungsform der Fig.
1 verlaufen die Belüfterelemente parallel zum Bottichboden und senkrecht zu der
Zwischenwand 7. Zur Luftzufuhr in die Belüfterelemente 11 ist eine gemeinsame, etwa
am unteren Rand der Zwischenwand 7 angebrachte Leitung 13 vorgesehen.
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Bei den in der Fig. 2 gezeigten Belüfterelementen 11 bestehen die
den Spalten 12 zugekehrten Wände aus porösem Stoff und stellen die Frittenwandungen
dar. In den Belüfterelementen sind Vorrichtungen 14 angeordnet, die pfeifenförmig
ausgebildet sind und die durch die Belüfterelemente strömende Luft in Schwingungen
versetzen.
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Mit v," (Geschwindigkeit der Maische) ist die Strömungsrichtung der
durch die Spalten tretenden Maische bezeichnet, mit v, (Porengeschwindigkeit) die
aus den Poren der Belüfterelemente austretenden Luftbläschen und mit q, die Luftmenge,
die durch die in die Belüfter 11 eingebrachten Pfeifen od. dgl. 14 in Schwingungen
versetzt wird.
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Durch die an der Frittenwandung mit der Geschwindigkeit v," vorbeiströmende
Maische wird das Volumen der aus der Fritte austretenden Gasbläschen gegenüber dem
Volumen der im stationären Zustand austretenden Bläschen proportional zur Porengeschwindigkeit
vp, d. h. zur Ausströmgeschwindigkeit der Luft aus der Fritte und umgekehrt proportional
zur Geschwindigkeit der an der Fritte vorbeiströmenden Flüssigkeit, die vorzugsweise
ein Vielfaches der Ausströmgeschwindigkeit beträgt, verkleinert. Dieses Volumen
ist aber proportional zur dritten Potenz des Bläschendurchmessers.
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Als Beispiel seien folgende Zahlenwerte angegeben: Der Porendurchmesser
der Belüfterelemente kann sowohl bei keramischen als auch bei metallischen Belüftern
30 #t betragen. Bei einer Luftgeschwindigkeit in den Poren von 2 bis 4 cm je Sekunde
ergeben sich in einer derartigen Apparatur Luftbläschen mit einem Durchmesser von
1 mm. Daraus läßt sich für 1 cm3 hefehaltiger Maische mit einem Inhalt von 1 m3
Luft (Bläschen von 1 mm Durchmesser) die sogenannte Diffusionsoberfläche der Luftbläschen
zu 6000 cm 2 bestimmen. Diese Diffusionsoberfläche entspricht einer Schichtdicke
von etwa 166 R, welche der Schichtdicke des Luftinhaltes entspricht. Die
Diffusionsgeschwindigkeit von Sauerstoff aus den Luftbläschen in die Maische beträgt
bei halber Sättigung der Maische mit Luft unter Berücksichtigung des Partikaldruckes
jedoch 8 #t je Sekunde. Wird nach dem Verfahren gemäß der Erfindung die Maische
mit einer 20fach größeren Geschwindigkeit, als die Porengeschwindigkeit der Luft
beträgt, an den Belüfterelementen entlanggeführt,
so erhält man
einen Durchmesser der Luftbläschen von 0,37 mm. Die Diffusionsoberfläche beträgt
15 000 cm2. Bei 50fach größerer Strömungsgeschwindigkeit der Maische wird der Bläschendurchmesser
0,27 mm, die Diffusionsoberfläche 22 000 cm2, bei 100fach größerer Strömungsgeschwindigkeit
wird der Bläschendurchmesser 0,214 mm und die Diffusionsoberfläche etwa 28 000 cm2.
Die Schichtdicke hierfür beträgt 36 1, und der Abstand der Luftbläschen im Luftmaischegemisch
voneinander in Kugelhaufenanordnung etwa 0,22 mm. Da ein Luftbläschen beim Auf steigen
eine Grenzgeschwindigkeit von 10 1. Maische mit sich führt, überschneiden sich die
Grenzschichten mit ihrem Hefeinhalt, so daß eine ausreichende Sauerstoffversorgung
der Hefezellen in der Maische ohne Alkoholanfall gewährleistet wird.
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Durch das Verfahren gemäß der Erfindung läßt sich mit außerordentlich
hohen Hefekonzentrationen bis zu 500 kg Hefe in 1 m3 hefehaltiger Maische arbeiten,
wobei selbst bei unvollkommenen Versuchsapparaturen etwa 115% Hefe auf 1 kg Melasse
mit 50% Rohrzuckergehalt erhalten werden.