DE1517814A1

DE1517814A1 - Verfahren und Vorrichtung zur kontinuierlichen Behandlung von Fluessigkeiten mit Enzymtraegern

Info

Publication number: DE1517814A1
Application number: DE1966J0031689
Authority: DE
Original assignee: Intermag AG
Current assignee: Intermag AG
Priority date: 1966-09-02
Filing date: 1966-09-02
Publication date: 1969-12-11
Also published as: FR1589364A; CH489601A; DE1517814B2

Description

Die Erfindung betrifft ein neuartiges Verfahren zur kontinuierlichen Behandlung von Flüssigkeiten mit Enzymträgern hoher Konzentration, vorzugsweise zur Gärung von alkoholischen Getränken, wie Wein, Bier oder Sekt, oder zur Säurereifung von Rahm zur Käseherstellung mittels Lab sowie auch eine Vorrichtung zur Durohführung dieses Verfahrens.

Kontinuierliche Vergärungen von Würze in Gegenwart von Hefe zur Bierherstellung sind aus der britischen Patentschrift 872 395 sowie den deutschen Auslegeschriften 1 205 041 und 1 207 324 bekannt. Die ersteren beiden Druckschriften betreffen zweistufige Gärverfahren, bei denen ein Gemisoh aus Würze, Hefe und Luft in einem ersten Behälter unter intensivem Rühren kontinuierlich der Gärung unterworfen und das Gemisch in einem zweiten Behälter

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unter schwächerem Rühren weitervergoren wird, worauf die Hefe abgetrennt und die vergorene Würze nach Kühlung unter Abtrennung der Hefe abgeführt wird. Die letztgenannte deutsche Auslegesohrift beschreibt das kontinuierliche Vergären von Würze in Gegenwart von Hefe hoher Konzentration in einem schlanken Gärturm, der an seinem unteren Ende Zuführungen für Würze und Luft aufweist und mit einer Hefeabsetzkammer am oberen Ende in Verbindung steht, wobei über die ganze Länge des Gärturmes sioh über den Querschnitt desselben erstreckende perforierte Verteilerelemente angebracht sind. Mit einer solchen Vorrichtung sei es möglich, mit Hefekonzentrationen von etwa 20 bis 60 % zu arbeiten und damit den Gärprozess entsprechend zu beschleunigen.

Alle diese bekannten Verfahren besitzen jedoch den Nachteil, dass die als Enzymträger wirkende Hefe in der Würze suspendiert wird, so dass das Enzym in der zu vergärenden Würze in nur verhältnismässig geringer Konzentration von etwa 2 bis 5 % vorliegt. Da es jedoch bekannt ist, dass die Gärgeschwindigkeit eine Punktion der Hefe- bzw. Enzymkonzentration ist, bieten die Verfahren in dieser Beziehung keinen Vorteil gegenüber diskontinuierlichen Verfahren. Gemäss der deutschen Auslegesohrift i 207 324 soll mit sehr hohen Hefekonzentrationen zwischen 20 und 60 % gearbeitet werden, indem man versucht, in einem Gärturm die Hefe durch direkte Abstützung mit Hilfe von Stützelementen und durch die Verteilung der Strömung der Fermentationsgase über den Querschnitt des Turmes in einem Zustand der Suspension zu halten. Auch bei diesem Verfahren ist jedoch die

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EnzyiEkonzentration nur zu Beginn des Verfahrens gross, während bei kontinuierlicher Verfahrensführung die Hefe sehr schnell nach oben in die Absetzkammer mitgerissen und damit verdünnt wird.

Ein weiterer Nachteil der bekannten Verfahren ist der, dass das Bier nur sehr unvollständig von der liefe getrennt wird, so dass eine zusätzliche Filtrationsstufe angeschlossen werden muss. Weiterhin ist es nachteilig, dass die Hefezellen im Laufe des Gärverfahrens absterben und damit verbraucht werden, so dass nach einiger Zeit das Verfahren unterbrochen und die gesamte Anlage entleert werden muss.

Aufgabe der Erfindung war es daher, ein neues Verfahren zur kontinuierlichen Behandlung von Flüssigkeiten mit Enzymträgern, wie beispielsweise zur kontinuierlichen Behandlung von Würze mit Hefe, zu schaffen, bei dem die Vergärungszeiten dadurch sehr beachtlich herabgesetzt werden, dass man die Enzymkonzentration in der Gärkammer so stark wie möglich steigert. Ausserdem bezweokt das neue Verfahren, mit mö'gllohst raumsparenden Apparaturen auskommen zu können, die leicht gehandhabt werden können und aus denen nach dem Verbrauch des Enzymträgers dieser ohne langwierige Montagearbeiten vollständig entfernt werden kann. Schliesslich soll es nach dem neuen Verfahren auoh möglich sein, unter Temperaturerhöhung über das bisher bekannte Optimum für die betreffenden Enzymträger hinaus und unter Druckerhöhung zu arbeiten, um so die Behandlungszeit weiter herabsetzen zu können.

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Schliesslich bezweckt die vorliegende Erfindung auch, eine besonders konstruierte Apparatur zur Durchführung dieses Verfahrens zu liefern.

Das Verfahren zur kontinuierlichen Behandlung von Flüssigkeiten mit Enzyaträgern hoher Konzentration nach der Erfindung besteht darin, dass man die Flüssigkeit durch eine Ansohwemmung der Enzymträger auf wenigstens einem porösen Körper und durch den porösen Körper hinduroh leitet, im dessen Porenweite so bemessen ist, dass der Enzymträger im wesentlichen vollständig auf dem porösen Körper zurückgehalten wird, den Durohtritt der zu behandelnden Flüssigkeit aber gestattet.

Wenn hier der Ausdruck "Enzymträger" verwendet wird, so ist damit vorzugsweise irgendein Enzyme produzierenderMicroorganismus, wie Hefe, zu verstehen, doch sind andererseits auch synthetische Enzymträger damit gemeint, wie beispielsweise adsorbierende Trägermaterialien, auf denen das Enzym durch Eintauchen der Trägermaterialien in die Enzymlösung adsorbiert wurde.

Der Einfachheit halber sei das Verfahren nachfolgend anhand der Vergärung von Würze in Gegenwart von Hefe zu Bier erläutert, wobei jedoch ausdrücklich darauf hingewiesen wird, dass das Ver fahren auch für jede andere Behandlung von Flüssigkeiten mit Enzymen geeignet ist, wie beispielsweise die Gärung anderer alkoholisoher Getränke, wie Wein oder Sekt, sowie etwa Säurereifung von Rahm zur Käseherstellung mittels Lab.

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Zweokmässigerweise geht man bei dem Verfahren nach der Erfindung so vor, dass man den Enzymträger, hier beispielshalber Hefe, in einer wässrigen Aufschlämmung durch die Einlassöffnung einer Gärkammer einpumpt, deren Auslassöffnung aus einem porösen Körper, wie beispielsweise einer frittenartigen porösen Platte, besteht. Da die Poren des porösen Körpers so klein sind, dass der Enzymträger auf ihm in der Gärkammer zurückgehalten wird, während das Aufschlämmwasser duroh ihn hindurohtritt, sammelt sich der Enzymträger als Ansohwemmung auf dem porösen Körper an. Danach wird kontinuierlich die zu behandelnde Flüssigkeit, wie hier beispielsweise Würze für die Biergewinnung, durch die Gärkammer hindurchgeleitet, bis der Enzymträger in der Gärkammer verbraucht ist. Sodann wird die Durchleitung der zu behandelnden Flüssigkeit kurzfristig unterbrochen und der verbrauchte Enzymträger, etwa durch Rückspulen, aus der Gärkammer entfernt. Nachfolgend wird erneut suspendierter Enzymträger in die Gärkammer eingepresst und danach erneut zu behandelnde Flüssigkeit, wie beispielsweise Würze, kontinuierlich hindurohgeleitet.

Es ist zu ersehen, dass die zeitweilige Unterbrechung des kontinuierlichen Verfahrens nach der Erfindung zwecks Entfernung des verbrauchten Enzymträgers nur kurzfristig ist und daher für die Praxis kaum ins Gewicht fällt.

Statt den Enzymträger vor dem Hindurohleiten der zu behandelnden Flüssigkeit in die Gärkammer einzuführen, kann er auch der zu behandelnden Flüssigkeit selbst in der für die Anschwemmung erforderlichen Menge zugesetzt werden, wobei er sich ebenfalls

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als Anschwemmung auf dem porösen Körper am Auslassende der Gärkammer absetzt.

Besonders zweckmässig iat es, bei dem Verfahren nach der Erfindung die zu behandelnde Flüssigkeit durch zwei oder mehrere hintereiaandergeschaltete Gärkamwern hindurchzuleiten, wodurch die Vergärungsgeschwindigkeit stark erhöht wird und die stets während des Vergärens auftretende Zerstörung des Enzyms und die damit verbundene Herabsetzung der Enzymkonzentration im Gärraum während eines grossen Teils der Behandlungsperiode vernachlässigt werden kann. Das Arbeiten mit mehreren hintereinandergeschalteten porösen Körpern mit darauf angeschwemmtem Enzymträger bzw, mit mehreren hintereinanderliegenden Gärkammern hat den weiteren Vorteil, dass man mit verschiedenen Enzymträgern, wie beispielsweise verschiedenen Hefesorten, arbeiten kann, die zu einer unterschiedlichen Vergärungsgeschwindigkeit führen.

Zweckmässigerweise wird bei dem vorliegenden Verfahren die Flüssigkeit durch die Behandlungskammern unter Druck durchgepresst. Ausserdem arbeitet man günstigerweise bei erhöhten Temperaturen, da auf diese Weise die Gärgesohwindigkeit weiter erhöht werden kann.

Bei bisher bekannten Gärverfahren war man der Auffassung, dass die Temperatur der zu behandelnden Flüssigkeit, wie Würze für die Biergewinnung, über das für den verwendeten Enzymträger bekannte Temperaturoptimum hinaus nicht gesteigert werden könne,

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ohne dass der Enzymträger in beachtlichem Maße zerstört und damit die Vergärungsgeschwindigkeit herabgesetzt würde. Bei den vorliegenden Verfahren, bei de« die Enzymkonzentration in der Behandlungezone sehr gross ist, fand man, dass ein durch Temperaturerhöhung über das Optimum für den betreffenden Enzymträger hinaus verursachtes Zerstören eines Teils des Enzyms keine wesentlichen nachteiligen Folgen auf das Verfahren ausübt und die Vorteile der durch die Temperaturerhöhung bewirkten Beschleunl- M gung der Gärung die Nachteile der Zerstörung eines Teils des Enzymträgers weit übersteigen. Daher ist es besonders vorteilhaft, bei dem Verfahren nach der Erfindung die Temperatur der zu behandelnden Flüssigkeit, etwa duroh in den Gärkammern angeordnete Heizelemente, über das für den betreffenden Enzymträger bekannte Optimum hinaus au steigern. Auch kann man bei Verwendung mehrerer Behandlungskammern von Kammer zu Kammer steigende oder fallende Temperaturen anwenden.

Schliesslich ist es in vielen Fällen auoh zweckmässig, zusammen a mit der zu behandelnden Flüssigkeit, wie Würze für die Biergewinnungj Sauerstoff, oder Stickstoff in die Gärkammern einzublasen, wodurch die GärgeschwindigkeJt weiter erhöht werden kann.

Die Vorteile des vorliegenden Verfahrens gegenüber bekannten Verfahren liegen in erster Linie darin, dass die Verweilzeiten in der Behandlungszone sehr stark herabgesetzt werden können, da infolge der hohen Enzymkonzentration in der Anschwemmung des Enzymträgers in der Behandlungskammer die chemischen Umwandlungen, wie beispielsweise die Gärung oder Säurereifung von Rahm,

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sehr viel schneller verläuft. Aus diesem Grunde benötigt man nach dem vorliegenden Verfahren sehr viel kleinere Apparaturen als nach dem Stand der Technik zur Gewinnung gleicher Mengen behandelter Flüssigkeit und spart Arbeitszeit und Arbeitskräfte ein. Durch diesen sohneilen Durchsatz der zu behandelnden Flüssigkeit durch die Behandlungszone kann man ausserdem den Verfahrensdruck und die Verfahrenstemperatur über das bisher bekannte Optimum hinaus erhöhen, da durch den dabei erzielten Zeitgewinn duroh weitere Herabsetzung der Behandlungszeit die Nachteile durch eine vermehrte Zerstörung des Enzymträgers ausgeglichen werden und vernachlässigt werden können. Ein weiterer Vorteil des Verfahrens liegt darin, dass bei den geringen Ausmaßen der erforderlichen Apparatur nach gewisser Zeit der stets auch bei bekannten Verfahren erforderliche Austausch des Enzymträgers mühelos und in sehr kurzer Zeit durchgeführt werden kann. Diese Vorteile zeichnen das vorliegende Verfahren gegenüber dem Stand der Technik aus.

Zur weiteren Erläuterung des Verfahrens nach der Erfindung wird nachfolgend eine vorteilhafte Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens sowie deren Verwendung beschrieben. Diese Vorrichtung besitzt wenigstens eine Kammer mit zwei wechselweise durch Absperrorgane zu verschliessenden Einlassöffnungen für den Enzymträger und die zu behandelnde Flüssigkeit und eine durch einen porösen Körper gebildete Auslassöffnung für die Flüssigkeit sowie eine mit der Auslassöffnung in Verbindung stehende Sammelleitung für die aus der Kammer austretende Flüssigkeit.

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Zweckmässigerweise besitzt die Vorrichtung zwei oder mehr hintereinandergesohaltete Kammern mit je einer Einlassöffnung für den Enzymträger und je einer Einlass- und Auslassöffnung für die 'zu behandelnde Flüssigkeit, wobei jeweils der die Auslassöffnung bildende poröse Körper der vorausgehenden Kammer die Einlassöffnung für die nachfolgende Kammer bildet, sowie eine mit der Auslassöffnung der letzten Kammer in Verbindung stehende Sammelleitung. Sofern die porösen Körper nach einer zweokmässigen Ausführungsform der Erfindung abstromwärts mit Stützelementen versehen sind, können diese etwa aus Siebplatten bestehen, durch die die Flüssigkeit direkt in die nächste Kammer gelangt, oder vollwandige Platten sein, wobei die Flüssigkeit dann von diesen Platten in einen seitlich von den Kammern angeordneten Kanal und von dort in die nächste Kammer umgeleitet wird. Zweckmässigerweise können dabei in einigen oder allen der hintereinandergesohalteten Kammern Einrichtungen zur Temperaturveränderung, wie Beheizung oder Kühlung, der zu behandelnden Flüssigkeit vorgesehen sein. Heizeinrichtungen können dabei zweckmässigerweise aus parallel zu den porösen Körpern angeordneten Wärmeaustauscherplatten bestehen, die Durchbrechungen aufweisen, durch die die zu behandelnde Flüssigkeit hindurohtritt.

Anhand der Zeichnung, die eine zweokmässige Ausführungsform der Vorrichtung zur Durchführung des vorliegenden Verfahrens wiedergibt, wird die Erfindung weiter erläutert.

Zwischen zwei mit Hilfe einer von Hand betriebenen Druckvorrichtung 10 werden die beiden Druokdeokel i und 9 gegen drei zwischen ihnen angeordnete Behandlungskammern 6, 6a und 6b gepresst. Diese Behandlungskammern sind in Reihe hintereinandergesohaltet und werden durch poröse Platten 5_t 5a und 5b, die duroh Stützelemente k_t ka und hb verstärkt sind, voneinander getrennt.

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Die Rohrleitung 2, die seitliche Öffnungen zu jeder der Behandlungskammern 6, 6a und 6b besitzt, dient als Zuführungsleitung för eine Suspension des Enzymträgers beispielsweise in Wasser. Mit Hilfe eines in der Rohrleitung 2 verschiebbar gelagerten Rohrstutzens 8, der ebenfalls seitliche Öffnungen aufweist, können die Einlassöffnungen zu den Behandlungskammern wahlweise verschlossen oder geöffnet werden. Eine zweite Rohrleitung 3» die zur Einführung der zu behandelnden Flüssigkeit in die erste Behandlungskammer 6 dient, kann durch einen ähnlichen Rohrstutzen 7 verschlossen werden. Die Sammelleitung 11 dient der Abführung der aus der letzten Behandlungskammer 6b austretenden fertig behandelten Flüssigkeit.

Beim Betrieb der beschriebenen Vorrichtung wird zuerst mit Hilfe des Rohrstutzens 7 die Einlassöffnung für die zu behandelnde Flüssigkeit in der Rohrleitung 3 verschlossen. Darauf wird durch Rohrleitung 2 und die Einlassöffnungen dieser Rohrleitung zu den Behandlungskammern 6, 6a und 6b eine wässrige Suspension des Enzymträgers in die Behandlungskammern gepumpt, wobei die Flüssigkeit der Suspension durch die porösen Platten 5» 5a und 5b sowie durch die Sammelleitung 11 abgezogen wird und sich der Enzymträger als Anschwemmung in den Behandlungskammern auf den porösen Platten ansammelt. Daraufhin werden mit Hilfe des Rohrstutzens 8 die Einlassöffnungen der Rohrleitung 2 zu den Behandlungskammern 6, 6a und 6b verschlossen, und die Einlassöffnung der Rohrleitung 3 zu der ersten Behandlungskammer 6 wird durch Betätigung des Rohrstutzens 7 geöffnet. Nunmehr wird durch die Rohrleitung 3 zu behandelnde Flüssigkeit durch die hintereinandergesohalteten Behandlungskammern 6, 6a und 6b hindurchgepumpt und tritt aus der Behandlungskammer 6b in die Sammelleitung

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11 aus. Dabei durchströmt die Flüssigkeit in jeder der Behandlungskammern zuerst die auf der porösen Platte abgelagerte Anschweauiung des Enzymträgere und anschliessend die poröse Platte selbst. In den Behandlungskammern 6, 6a und 6b können ausserdem nioht dargestellte Wärmeaustauschplatten vorgesehen sein, die Durchbrechungen aufweisen, durch welche die Flüssigkeit hindurchströmt. Diese Platten können entweder zur Kühlung oder zur Beheizung der zu behandelnden Flüssigkeit dienen und in jeder der Behandlungskammern eine unterschiedliche Temperatur aufweisen.

Die in der Zeichnung dargestellten Merkmale der Vorrichtung können in manigfaltiger Weise abgewandelt werden. So können beispieleweise die dargestellten Rohrstutzen 7 und 8 durch andere Absperrorgane, wie übliche Ventile, ersetzt werden, und die Behandlungskammern 6, 6a und 6b können mit getrennten Zuführungsleitungen für den Enzymträger versehen sein, so dass man in die einzelnen Behandlungskammern unterschiedliche Enzymträger einführen kann.

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Claims

Patentansprüche

Ί.) Verfahren zur kontinuierlichen Behandlung von Flüssigkeiten mit Enzymträgern hoher Konzentration, dadurch gekennzeichnet, dass man die Flüssigkeit durch eine Anschwemmung der Enzymträger auf wenigstens einem porösen Körper und duroh den porösen Körper hinduroh leitet, dessen Porenweite so bemessen ist, dass der Enzymträger im wesentlichen vollständig auf dem porösen Körper zurückgehalten wird, den Durchtritt der zu behandelnden Flüssigkeit aber gestattet.
2.) Verfahren nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, dass man die Flüssigkeit durch zwei oder mehr poröse Körper mit der Enzymträgeranschwemmung darauf hindurchleitet.
3.) Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass man die Flüssigkeit unter Anwendung eines hydraulischen Druokes durch die porösen Körper hindurchleitet.
k,) Verfahren nach Anspruch i bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass man bei erhöhter Temperatur arbeitet.
5.) Verfahren nach Anspruch k_t dadurch gekennzeichnet, dass man bei Temperaturen oberhalb des für den betreffenden Enzymträger bekannten Temperaturoptimums arbeitet.
6.) Verfahren nach Anspruch J bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass man die Flüssigkeit nacheinander durch mehrere poröse Körper mit Anschwemmungen unterschiedlicher Enzyniträger darauf hindurchleitet.

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7.) Verfahren naoh Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass man bei von porösen Körper zu porösem Körper steigender oder fallender Temperatur arbeitet.
8.) Verfahren nach Anspruoh 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass man während des Hindurohlei tens der Flüssigkeit durch die porösen Körper mit der Ansohwemmung des Enzymträgers darauf gleichzeitig Sauerstoff oder Stickstoff in die Behandlungszone einbläst.
9.) Verfahren naoh Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass man den Enzymträger in Suspension vor der kontinuierlichen Durchleitung der zu behandelnden Flüssigkeit auf die porösen Körper aufbringt.
10.) Verfahren nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass man den Enzymträger in der für die Anschwemmung erforderlichen Menge der zu behandelnden Flüssigkeit zusetzt.
11.) Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 10, gekennzeichnet durch wenigstens eine Kammer mit zwei wechselweise durch Absperrorgane (7, 8) zu versohliessendei Einlassöffnungen (2, 3) für den Enzymträger und die zu behandelnde Flüssigkeit, einerdurch einen porösen Körper (5i 3a, 5b) gebildeten Auslassöffnung für die Flüssigkeit und einermit der Auslassöffnung in Verbindung stehenden Sammelleitung (ll) für die aus der Kammer austretende Flüssigkeit.

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12.)*Vorrichtung nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch zwei oder

mehr hintereinandergeschaltete Kammern (6, 6a, 6b) mit je einer Einlassöffnung für den Enzymträger und je einer Einlass- und Auslassöffnung für die zu behandelnde Flüssigkeit, wobei jeweils der die Auslassöffnung bildende poröse Körper {5, 5a, 5b) der vorausgehenden Kammer die Einlassöffnung für die nachfolgende Kammer bildet, sowie eine mit der Auslassöffnung der letzten ^ Kammer (6b) in Verbindung stehende Sammelleitung (ll).
13.) Vorrichtung nach Anspruch 11 und 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Absperrorgane (7, 8) aus in den Zuführungsleitungen (2,3) gleitbar gelagerten Rohrstutzen mit seitlichen Durchbrechungen bestehen, die in Öffnungsstellung sich mit den Einlassöffnungen decken und in Verschluss teilung dichtend an den Teilen der Wand der Zuführungsleitungen (2, 3) zwischen den Einlassöffnungen liegen.
14.) Vorrichtung nach Anspruch 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, W dass die porösen Körper (5, 5a, 5b) durch Stützelemente (4, 4a, 4b) zur Druckbeaufschlagung verfestigt sind.
15.) Vorrichtung nach Anspruch 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich Einrichtungen zur Temperaturveränderung der zu behandelnden Flüssigkeit in wenigstens einem Teil der Kammern (6, 6a, 6b) vorgesehen sind.
16.) Vorrichtung nach Anspruch 15| dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtungen zur Temperaturveränderung aus von der Flüssigkeit an durchbrochenen Stellen durohflossenen Wärmeaustauscherplatten bestehen.

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