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Vorrichtung zum Belüften und Entgasen von Sulfitablaugen bei der Hefeerzeugung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Belüften und Entgasen von Sulfitablaugen
bei der Hefeerzeugung.
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Es ist bereits eine Vorrichtung zum Belüften und Entgasen von Sulfitablaugen
bei der Hefeerzeugung bekannt, die aus einem vertikal verlaufenden, zentral in einem
Gärbottich gelagerten Zylindermantel besteht, dessen Boden sich von dem Boden des
Bottichs im Abstand befindet und mit einem Rohre und eine horizontal verlaufende
Platte aufweisenden Rotor versehen ist, der in unmittelbarer Nähe des Bodens des
Zylindermantels angeordnet ist, und dessen Rotorrohre sich außerhalb des Zylindermantels
erstrecken und mit einer Luftquelle verbunden sind.
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Ausgehend von dieser bekannten Vorrichtung ist die Erfindung nun dadurch
gekennzeichnet, daß ein Gassammler bzw. ein Gasableiter zum Sammeln und Ableiten
von Abgasen aus der Hefeerzeugung vorgesehen ist, der aus einem zentral über dem
Rotor und diesem eng benachbart im Inneren des Zylindermantels angeordneten trichterförmig
ausgebildeten Sammelkopf und einem mit diesem verbundenen aus dem Gärbottich herausragenden
Gasabzugsrohr besteht.
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Die Vorrichtung zum Belüften und Entgasen von Sulfitablaugen bei der
Hefeerzeugung nach dem Stand der Technik bewirkt nicht in genügendem Ausmaß das
Abziehen der durch die Entgasungswirkung des Rotors abgeschiedenen Abgase. Sie kann
daher nur für Arbeiten in kleinem Maßstab verwendet werden. In größerem Maßstab
wird es jedoch unmöglich, den entgegenwirkenden Effekt innerhalb des Zylindermantels
zu steuern, was auf die Bildung großer Abgasblasen zurückzuführen ist, die das Abwärtsströmen
der Ablauge innerhalb des Zylindermantels verhindern. Dagegen wird gemäß der Erfindung
durch den vorgesehenen Gassammler bzw. Gasableiter :ein Weg für die abgeschiedenen
aufwärts strömenden Abgase geschaffen, die sich während der Hefeerzeugung bilden,
und die Hemmung des abwärts fließenden Stromes der Ablauge wird damit praktisch
verhindert. Die Hefeausbeute kann somit auf Grund der erfindungsgemäßen Vorrichtung
gesteigert werden. So wurde mit einem Gärbehälter, der mit einer Vorrichtung nach
dem Stand der Technik versehen war, über einen Zeitraum von zwei Jahren bei maximaler
Kapazität im Durchschnitt etwa 3,3 kg Hefe pro Tag erhalten. Mit einem Gärbehälter
von gleichem Volumen, der erfindungsgemäß mit einem Gassammler bzw. Gasableiter
versehen war, wurde im Durchschnitt eine Tagesausbeute von etwa 4,8 kg Hefe erzielt.
Die Ausbeute erfährt somit durch die erfindungsgemäße Verbesserung eine Steigerung
von etwa 46%.
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Ein weiterer wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht in der Schaumfreiheit
der Ablauge. Nachstehend ist die Erfindung in Verbindung mit den Zeichnungen näher
beschrieben, und zwar zeigt F i g. 1 einen Längsschnitt durch einen Gärbehälter
mit Belüftungs- und Entgasungsvorrichtung, F i g. 2 eine Draufsicht auf den in F
i g. 1 dargestellten Gärbehälter mit Belüftungs- und Entgasungsvorrichtung, F i
g. 3 einen Längsschnitt durch einen Gärbehälter mit räumlich anderer Anordnung der
Belüftungs-und Entgasungsvorrichtung.
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Durch die in F i g. 1 und 2 dargestellte Vorrichtung wird eine wirksame
Belüftung und Entgasung von Sulfitablaugen bei der Hefeerzeugung herbeigeführt.
Die Vorrichtung weist einen im wesentlichen zylindrischen Gärbottich 63 aus mit
rostfreiem Stahl plattiertem Kohlenstoffstahl auf. Mittig zum Bottich 63 ist ein
Zylindermantel 65 angeordnet, der sich im Bottich in senkrechter Richtung
erstreckt und im Bottich durch geeignete nicht gezeigte Befestigungsstangen gehalten
wird, die ihn mit der Wandung des Bottichs verbinden. Am unteren Ende des Zylindermantels
65 ist ein ringförmiger, sich nach innen erstreckender Flansch 66 vorgesehen, um
die Würze zum Mittelteil des Rohres abzulenken.
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Während des Betriebes der Vorrichtung 35 wird die Lauge vom Boden
des Zylindermantels nach oben in den Ringraum zwischen dem Zylindermantel 65 und
der Wandung des Gärbottichs 63 in Umlauf
versetzt. Am oberen Ende
des Zylindermantels 65 fällt die Würze nach unten in das Rohr, um vom Boden des
Rohres aus, wie beschrieben, von neuem in Umlauf versetzt zu werden.
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Die Höhe des Zylindermantels eines bestimmten Behälters, d. h. eines
Behälters mit einem bestimmten Volumen, ist in erster Linie von der Emulsionsbildung
zwischen Gas und Flüssigkeit oder von dem »Aufbau der verwendeten Würze« abhängig,
d. h., die Ablaugen weichen hinsichtlich der Luft und Gasmenge, die in das flüssige
Gemisch eingeleitet oder in diesem gehalten werden können, beträchtlich voneinander
ab. Einige Flüssigkeiten führen Gase mit oder emulgieren mit Gasen in einem größeren
Ausmaß als andere, so daß für diese Flüssigkeiten die Höhe des Zylindermantels vorzugsweise
wesentlich größer gewählt werden wird als für die weniger schäumenden Substrate.
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Ferner wird die Höhe des Zylindermantels durch die zur Verfügung stehende
Energie oder durch die Energiemenge, die wirtschaftlich für das Rühren oder Emulgieren
der gewünschten Gasmenge in der Würze verwendet werden kann, um dadurch gewünschte
Rühr- und Pumpwirkung auf das Substrat zu erzielen, beeinflußt.
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Bei der dargestellten Konstruktion wird die Würze durch einen Rotor
67 von bekannter Konstruktion umgewälzt, der in der Nähe des unteren Endes des Zylindermantels
angeordnet ist und sich in einer zur Achse des Zylindermantels im wesentlichen senkrechten
Ebene dreht. Der Rotor weist eine kreisrunde Platte 69 auf, deren Durchmesser mindestens
halb so groß ist, wie der Durchmesser der Öffnung am unteren Ende des Zylindermantels,
die durch den Flansch 66 begrenzt ist. An dieser Platte 69 ist eine Anzahl Rohre
71 befestigt, die einen kreisförmigen Querschnitt haben, sich nach außen erstrecken
und mit einer mittig zur Platte 69 angeordneten Nabe 73 in Verbindung stehen. Die
Rohre 71 sind in einer zur Drehrichtung des Rotors entgegengesetzten Richtung gekrümmt
und weisen an ihren äußeren Enden Öffnungen 75 für die Belüftung der Würze auf.
Die äußeren Enden der Rohre 71 befinden sich außerhalb der Innenkante des Flansches
66 und erstrecken sich über den Umfang des Abzugsrohres hinaus.
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Die Nabe 73 steht mittels einer Stopfbuchsenpackung 79 mit einer Luftzufuhrleitung
77 in Verbindung, die sich bei der dargestellten Ausführungsform vom Rotor 67 nach
oben erstreckt und mit einer nicht gezeigten Luft- oder Sauerstoffquelle verbunden
ist.
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Der Rotor 67 und ein Elektromotor 81 sind auf einer gemeinsamen Welle
83 angeordnet, die sich durch den Boden des Gärbottichs 63 erstreckt. Zwischen der
Welle und dem Bottich ist natürlich eine Dichtung vorgesehen.
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Der Rotor 67 hat drei Hauptaufgaben. Er pumpt oder wälzt die Würze
vom unteren Ende des Zylindermantels weg, bricht die Würze auf und trennt die Gase
von der Würze. Obwohl bei der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsform der
Rotor 67 die Würze auch belüftet, ist dies keine Hauptfunktion des Rotors 67. Es
wurde festgestellt, daß die Würze auch dadurch zufriedenstellend belüftet werden
kann, wenn ein Luftverteilungskegel od. dgl. unter dem Rotor angeordnet ist oder
durch Verteilung der Luft am unteren Rand und außerhalb des Zylindermantels. Der
Rotor 67 ist daher in erster Linie ein Mittel zur Gasabscheidung und eine Pumpe
und dient erst in zweiter Linie zur Belüftung der Würze.
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Zur Ableitung der abgeschiedenen Gase ist zentral über dem Rotor 67
und diesem eng benachbart im Innern des Zylindermantels 65 ein aus einem trichterförmigen
Sammelkopf und einem mit diesem verbundenen Gasabzugsrohr 85 bestehender Gassammler
bzw. Gasableiter vorgesehen. Da bei der dargestellten Ausführungsform die Luft für
den Rotor 67 vom oberen Ende des Gärbehälters nach unten zum Rotor 67 geleitet
wird, umgibt das Gasabzugsrohr 85 die Luftzufuhrleitung 77, so daß die abgeschiedenen
Gase durch den zwischen der Luftzufuhrleitung 77 und dem Gasabzugsrohr 85 befindlichen
Ringraum abgezogen wird.
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Das Gasabzugsrohr 85 steht mit einem Ableitungsrohr 87 in Verbindung,
welches die Luft zur gewünschten Austrittsstelle leitet. Zur Regelung ist, wie nachstehend
näher beschrieben, im Ableitungsrohr 87 ein Ventil 89 vorgesehen.
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Die Bemessung des unteren trichterförmigen Auffangendes des Gasabzugsrohres
85 ist wesentlich. Dieses Ende des Rohres 85 darf nicht so groß sein, daß eine LUberflutung
des Zylindermantels 65 durch Verstopfung eines großen Teils seiner Querschnittsfläche
verursacht wird, sondern muß gleichzeitig auch groß genug sein, daß die abgetrennten
Gase wirksam aufgefangen werden. Das untere Ende soll sich übel eine Fläche erstrecken,
die zwischen etwa 30 und etwa 701/o der Fläche des unteren Endes des Zylindermantels
65 beträgt. Günstige Ergebnisse lassen sich erzielen, wenn die Fläche des Auffangendes
des Gasabzugsrohres 85 etwa 50 0(o der durch den Innenumfang des Flansches 66 begrenzten
Fläche beträgt.
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Bei der Verwendung des Gassammlers bzw. Gasableiters hat sich ergeben,
daß eine wirksame Abscheidung der Gase aus der Würze möglich ist, wenn das Gasabzugsrohr
85 unmittelbar an die Außenluft geführt wird. Durch das Schließen des Ventils
89
und den Aufbau eines Gegendrucks im Gasabzugsrohr steigt die Würze im Zylindermantel
65 hoch, so daß der Gesamtstaudruck, gegen welchen der Rotor 67 arbeitet, vermindert
wird und daher ein geringerer Kraftbedarf erforderlich ist. Das Ventil
89 kann, wenn gewünscht, für die Ableitung der entwickelten Gase geöffnet
werden. Durch Regelung des Ventils 89 kann die Menge des aus der Würze ausgeschiedenen
Gases und damit die Menge des in der Würze von neuem umgewälzten Gases gesteuert
werden, wobei das Ventil so eingestellt werden kann, daß die Gase in dem Maße austreten,
in dem Luft zugeführt wird, so daß bei erhöhter Luftzufuhr der Gasaustritt ebenfalls
erhöht und damit die Dichte der Würze sowie der Kraftbedarf im wesentlichen konstant
gehalten werden können. Dies ist beim Betrieb der Anlage zur Erzielung eines größtmöglichen
Hefenwachstums von großem Vorteil.
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Das Ventil 89 kann jedoch auch so eingestellt werden, daß mehr oder
weniger Gas austritt als zuströmt, wodurch die Dichte der Würze erhöht oder vermindert
werden kann. Die Zunahme oder Verminderung der Dichte der Würze hängt jedoch noch
von mehreren anderen Faktoren, unter anderem von der durch den Rotor 67 ausgeübten
Fliehkraft und von der im Zylindermantel 65 nach unten strömenden Laugenmenge
ab.
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Diese Möglichkeit bei der beschriebenen Anlage, die entwickelten Gase
abzuleiten und die Dichte der
Würze zu erhöhen, hat viele Vorteile.
In erster Linie werden die Abgase abgeleitet, was die Zufuhr zusätzlicher Luft oder
anderer gasförmiger Sauerstoffquellen ermöglicht. Auch ermöglicht das Ableiten der
abgeschiedenen Gase eine höhere Hefeerzeugung. Bei einer praktischen Ausführungsform
der Erfindung hat sich eine 46prozentige Zunahme der Hefeerzeugung ergeben. Außerdem
kann der Rotor 67 mit einem höheren Wirkungsgrad pumpen, was eine Verminderung des
Kraftbedarfs zur Folge hat. Ferner gestattet die Zunahme der Würzedichte ihre wirksamere
Kühlung, so daß eine bessere Regelung der Würzetemperatur möglich ist. Darüber hinaus
ermöglicht die erhöhte Würzedichte die Behandlung größerer Ablauaemengen in einer
Anlage von gleicher Größe. y Weitere Vorteile ergeben sich durch die Führung des
Ableitungsrohres 87 zu einer Stelle außerhalb des Gebäudes, in welchem sich die
Anlage befindet. Diese Möglichkeit, die erwähnten Gase an einer gewünschten Stelle
abzuleiten, ist ein wesentlicher Vorteil, da bisher bei Anlagen mit offenem Gärbottich
die Luftfeuchtigkeit so groß geworden ist, daß es nicht ungewöhnlich war, wenn die
Innenwände des Gebäudes, in dem der Gärbehälter 35 aufgestellt war, alle drei Monate
gestrichen werden mußten. Die Feuchtigkeit war außerdem so hoch, daß diese durch
die Ziegelwände hindurchgetreten und an den Außenwänden gefroren ist.
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Die sich entwickelnden und durch Ableitungsrohr 87 abgeleiteten Gase
können beträchtliche Mengen an Kohlensäuregas enthalten, welches in an sich bekannter
Weise abgetrennt und verwertet werden kann.
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Bei einer praktischen Ausführungsform der Erfindung weist der Gärbottich
im Durchmesser 8 m und in der Höhe 4,4 m auf, bei einem Fassungsvermögen von
170 m3 Würze. Der Zylindermantel 65 ist mittig im Bottich 63 angeordnet und
hat einen Durchmesser von 1,2 m und eine Höhe von 3,6 m. Der am unteren Ende des
Zylindermantels vorgesehene Flansch 66 hat eine Breite von 19 cm.
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Das sich durch den Mittelteil des Zylindermantels 65 nach unten erstreckende
Gasabzugsrohr 85 hat einen Durchmesser von 30,5 cm, und der sich in der Nähe des
Rotors befindliche Sammelkopf ist auf 61 cm erweitert. Das Gasabzugsrohr 85 mit
Sammelkopf wird von der Luftzufuhrleitung 77 getragen, deren Durchmesser 20 cm beträgt.
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Der Rotor 67 trägt sechs gekrümmte Rohre 71, die radial abstehen und
in gleichen Winkelabständen voneinander angeordnet sind. Jedes Rohr hat 7,6 cm im
Durchmesser und beschreibt einen Kreisbogen mit einem Durchmesser von 162 cm. Die
Platte 69, auf der die Rohre befestigt sind, hat einen Durchmesser von 124,5 cm.
Der Rotor 67 wird durch den Elektromotor 81, dessen Leistung 250 PS beträgt, mit
360 U/min angetrieben.
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Im Betrieb wird die vorbehandelte Ablauge dem Gärbehälter 35 in einer
Menge von etwa 18,9 m3 stündlich zugeführt, während die Luft in die Würze in einer
Menge von 31 m3 je Minute eingeleitet wird. Das Ventil 89 wurde so eingestellt,
daß die sich entwickelnden Gase in einer Menge von 25,5 m3 je Minute abgeleitet
wurden. Der Zylindermantel 65 war hierbei zu etwa 75% gefüllt, wobei im Vergleich
zu den Ergebnissen, die vor dem Einbau des Gasabzugsrohres 85 mit Sammelkopf erzielt
wurden, der Kraftbedarf etwa um 10% verringert, das wirksame Arbeitsvolumen des
Gärbottichs 63 um etwa 9 % und die Hefeerzeugung um etwa 20% erhöht war. Ferner
war es durch die Anordnung des Gasabzugsrohres 85 mit Sammelkopf möglich, mehr Luft
in die Würze einzuführen als bisher.
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Große Vorteile ergeben sich durch die Möglichkeit, mehr Sauerstoff
(oder mehr Luft) in den Gärbehälter einzuführen. Dies ist vorangehend mit der Möglichkeit
dargelegt worden, die vorbeschriebene Anlage mit stärker konzentrierten Würzen zu
betreiben, die einen höheren Zuckergehalt von bis zu 20 g oder mehr Zucker je Liter
haben, wenn ausreichend Sauerstoff für solche Beschickungen zur Verfügung gestellt
werden kann. Auf Grund der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es möglich, die Zuckerbeschickung
von einem Durchschnitt von stündlich 306 kg auf stündlich 500 kg mit einer entsprechenden
Erhöhung der Hefeerzeugung durch den gleichen Gärbehälter und bei der gleichen Verbleibzeit
des Zuckers im Gärbehälter zu erhöhen. Ausgedehnte Versuche haben gezeigt, daß sogar
höhere Zuckerkonzentrationen von über 900 kg Zuckei stündlich bei gleicher Beschickungsmenge
des Gärbehälters und immer noch gleich hohem Wirkungsgrad des Hefewachstums verwendet
werden können. Hieraus geht hervor, daß sich durch die Verwendung der beschriebenen
Entlüftungseinrichtung eine größere Hefemenge bei erhöhtem Wirkungsgrad erzielen
läßt.
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Wie bereits erwähnt, ist eine erhöhte Abscheidun7 von Gasen aus der
Würze durch Erhöhung der durch den Rotor 67 auf die Würze ausgeübten Fliehkraft
möglich. In diesem Zusammenhang wurde festgestellt, daß durch Erhöhung der Drehzahl
des Rotors 67 sich eine erhöhte Gasabscheidung erzielen fäßt. Durch den erhöhten
Kraftaufwand wird jedoch der durch die Erhöhung der Rotordrehzahl erreichte Vorteil
beeinträchtigt, was hauptsächlich dadurch bedingt ist, daß die Steigerung der Gasabscheidung
nicht proportional der Steigerung des Kraftaufwandes ist, wobei sich ergeben hat,
daß durch eine erhöhte Gasabscheidung der Wirkungsgrad des Hefenwachstums nicht
wesentlich verbessert wird.
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Es wurde bereits erwähnt, daß die Belüftungswirkung des Rotor 67 bei
der dargestellten Ausführungsform und entsprechend den Zielen der Erfindung keine
Hauptfunktion des Rotors zu sein braucht. Die Ablauge kann beispielsweise, wie bereits
erwähnt, an verschiedenen Stellen belüftet werden. Ferner kann die Pump- und Rührwirkung
dem Rotor entzogen werden, so daß dieser nur mehr zur Entlüftung der Würze dient.
Der Rotor 67 kann daher beispielsweise an einer Stelle in der Nähe der Oberfläche
der Würze in einem kurzen Rohr angeordnet werden. Bei einer solchen Anordnung ist
es zweckmäßig, ein kombiniertes Rühr- und Mischwerk im Boden des Bottichs anzuordnen,
die dann gleichzeitig die Würze belüftet.
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Eine Anordnung dieser Art ist in F i g. 3 gezeigt, bei welcher ein
im wesentlichen zylindrischer Bottich 101 vorgesehen ist, in dem ein Zylindermantel
103
angeordnet ist, der durch geeignete, an der Wandung des Bottichs
101 befestigte Verbindungsstangen getragen wird. In der Nähe des unteren
Endes des Zylindermantels ist ein Rotor 105 angeordnet, der dem in F i g.
1 und 2 gezeigten Rotor im wesentlichen entspricht. Wie bei der vorangehend beschriebenen
Vorrichtung
ist unmittelbar über dem Rotor 105 ein Gasabzugsrohr 107 mit Sammelkopf angeordnet,
um die aus der Würze durch den Rotor abgeschiedenen Gase aufzufangen.
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In der Nähe des Bodens des Bottichs 101 ist ein Belüfter 109 angeordnet,
der ebenfalls dem Rotor 67 ähnlich ist. Dieser Rotor wird von einem Motor 111 über
eine Welle 113 angetrieben. Der Belüfter 109
kann von einer nicht gezeigten
geeigneten Luftquelle durch eine Rohrleitung 114 beliefert werden.
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Das genaue Prinzip des Entgasungsvorgangs ist nicht völlig bekannt.
Es hat den Anschein, das der Rotor 67 Luft durch das Gasabzugsrohr 85 nach unten
zieht, statt Gas durch dieses nach oben zu blasen, wie es mit den bekannten Gesetzen
der Fliehkraftwirkung vereinbar wäre. In ähnlicher Weise ist an sich zu erwarten,
daß, wenn sich der Zylindermantel 65 füllt, der Kraftbedarf des Rotors 67 zunimmt,
wie dies bei Schleuderpumpen der Fall ist, die einen erhöhten Kraftbedarf haben,
wenn der Gesamtstaudruck, der auf die Pumpe wirkt, abnimmt. Unerwarteterweise verringert
sich im Gärbehälter 35 der Kraftbedarf des Rotors 67, wenn der Gesamtstaudruck abnimmt.
Durch die Erfindung läßt sich daher ein stark verbessertes Hefenwachstum in Abweichung
von den bekannten Lehren der Technik erzielen.
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Bei einer praktisch ausgeführten Anlage gemäß der Erfindung wurde
festgestellt, daß es durch die Anwendung der Erfindung möglich ist, 46% mehr Hefe,
bezogen auf einen Durchschnitt von 4 Monaten, zu erzeugen, als sich bei zweijähriger
Betriebserfahrung als Durchschnittserzeugung mit Anlagen ohne die erfindungsgemäße
Verbesserung ergeben hat. Diese Zunahme der Hefeerzeugung ist offenbar durch mindestens
zwei Faktoren bedingt. Insbesondere ist es durch die Anwendung der Erfindung möglich,
den Zuckergehalt in der dem Gärbehälter zugeführten Ablauge um mehr als 40% gegenüber
den früheren Möglichkeiten zu erhöhen, und es wurde eine etwa 20prozentige Steigerung
der Umwandlung von Zucker und Zuckerderivaten in Hefen festgestellt.
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Der erfindungsgemäße Gassammler bzw. Gasableiter bietet also die Möglichkeit
einer wirksameren Ausnutzung der in Sulfitablauge enthaltenen Holzzucker, so daß
diese Ablaugen in Gewässer bei geringstem biochemischem Sauerstoffbedarf abgeleitet
werden können, so daß die nachteilige Wirkung auf den Fischbestand im wesentlichen
ausgeschaltet ist. Außer einer wirksameren Verwertung der Holzzucker wird durch
die erfindungsgemäße Ausbildung der Belüftungs- und Entgasungsvorrichtung die Ablauge
in wirksamerer Weise behandelt, so daß der Betrieb in seiner Gesamtheit wirtschaftlicher
ist, in hohem Maße auf das wirksame Abscheiden der sich entwickelnden Gase aus den
Sulfitablaugen zurückzuführen ist.