DE19740319A1

DE19740319A1 - Verfahren und Anordnung zur beschleunigten Hefevermehrung im Brauprozeß

Info

Publication number: DE19740319A1
Application number: DE19740319A
Authority: DE
Inventors: Siegfried Ries
Original assignee: Tuchenhagen GmbH
Current assignee: GEA Tuchenhagen GmbH
Priority date: 1996-11-20
Filing date: 1997-09-13
Publication date: 1998-06-04
Anticipated expiration: 2017-09-14
Also published as: DE19740319C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur beschleunigten Hefevermehrung im Brau prozeß, bei dem in einem als Assimilator bezeichneten Hefevermehrungstank, der mit einer Zu- und Ablaufleitung verbunden ist, eine Grundmenge Hefe mit als Nah rung der Hefe dienender Nährlösung (Würze) in Form einer Würze-Hefe-Sus pension vorgelegt wird, die Suspension durch einen Kreislauf außerhalb des Assimilators umgepumpt und beim Umpumpen mit Sauerstoff angereichert wird und bei dem sich die Suspension in diesem Milieu unter geregelten Wachstums bedingungen bis zu einer vorgegebenen Populationsdichte vermehrt, worauf die Suspension teilweise oder ganz aus dem Assimilator abgezogen und einem Gär tank zugeführt wird.

Ein Verfahren der gattungsgemäßen Art ist in wesentlichen Verfahrensschritten aus der DE 43 31 409 C1 bekannt. Bei diesem Verfahren werden darüber hinaus eine vom Extraktgehalt der Suspension abhängige Meßgröße und der Sauerstoff gehalt der Suspension laufend gemessen und in für das jeweilige Vermehrungs programm festgelegten Grenzen gehalten.

Die Realisierung des in der DE 43 31 409 C1 vorgeschlagenen Verfahrens stößt auf Schwierigkeiten, wobei die erwartete Vermehrungsrate der Hefe nicht erreicht wird. Ursachen hierfür sind in der ebenfalls in der DE 43 31 409 C1 vorgeschlage nen Anlage zu suchen, die die verfahrenstechnischen Anforderungen nicht be friedigend umsetzen kann. So hat es sich gezeigt, daß der Substratverbrauch im Vermehrungsbehälter derart hoch ist, daß die Würzen schon in dem Vermeh rungsbehälter endvergoren werden, einhergehend mit einer entsprechenden Bruchbildung der Hefen. Durch die sich vermehrende Hefe wird der Sauerstoff schneller verbraucht als dieser zugeführt wird. Durch die Hefebelüftungseinrich tung und den Anfall von Gärungskohlensäure, bedingt durch die vorgenannte Endvergärung im Vermehrungsbehälter, wird in letzterem mehr Schaum gebildet als in der gleichen Zeit zusammenfällt, so daß der Vermehrungsbehälter perma nent überschäumt. Die dabei auftretenden Hefeverluste betragen bis zu 20%. Darüber hinaus wurde anhand von aus dem Konusbereich des Vermehrungsbe hälters gezogenen Proben festgestellt, daß die Würze-Hefe-Suspension milchige und vollkommen schaumige Konsistenz aufwies. Dieser Tatbestand ist ein Indiz dafür, daß einerseits Gärungskohlensäure gebildet und andererseits Sauerstoff aus der Lösung ausgetrieben wird, wobei die Größe der Gasblasen sehr gering ist. Darüber hinaus ist zu vermuten, daß diese derart kleinen Gasblasen aufgrund der kleinen Durchmesser und der vorhandenen großen Oberflächenspannung unter den vorherrschenden Bedingungen weder zerplatzen noch koaleszieren. Im Endergebnis ist eine Abscheidung der kleinen Gasblasen unter der Schwerkraft weitgehend nicht gegeben. Der im Vermehrungsbehälter überreichlich gebildete und überaus stabile Schaum wird durch Umpumpen im Kreislauf außerhalb des Vermehrungsbehälters bei jedem Umlauf nochmals weiter verfeinert.

Durch die vorstehend geschilderten Sachverhalte kann der Lufteintrag, dem die Aufgabe zugrunde liegt, die Würze mit Sauerstoff zu sättigen, nicht weiter erhöht werden, so daß die logarithmische Wachstumsphase, deren Realisierung sich das vorgenannte Verfahren zum Ziel gesetzt hat, einerseits nicht sichergestellt ist und andererseits können die mit dem Verfahren insgesamt erstrebten Hefevermeh rungsraten nicht erreicht werden. Selbst wenn die Voraussetzungen für eine Er höhung der Umpumpleistung im Kreislauf gegeben wären, so daß dem Substrat mehr Sauerstoff angeboten werden könnte, wäre das bekannte Verfahren wegen des relativ hohen Energiebedarfs ungünstig.

Zur Bewältigung der vorstehend erwähnten Probleme und nachteiligen Wirkungen wurde bereits vorgeschlagen, die Schaumbildung durch wirksame Abscheidung der überschüssigen Luft und Gärungskohlensäure zu reduzieren, und zwar durch die Anordnung einer geeigneten Trenneinrichtung im Bereich der Kreislauffüh rung. Diese Maßnahmen waren jedoch nicht erfolgreich.

Darüber hinaus sind noch weitere Verfahren und Anlagen zur Vermehrung von Bierhefe bekannt geworden (DE 41 37 537 C2; DE 43 08 459 C2). Sie zeichnen sich unter anderem übereinstimmend dadurch aus, daß eine Würze-Hefe-Sus pension durch einen Kreislauf außerhalb eines Vermehrungsbehälters umge pumpt wird, daß der Würze-Hefe-Suspension beim Umpumpen sterile Luft und weitere Würze zugeführt wird, und daß die erzeugte Hefe nach Erreichen eines Maximalvolumens im Vermehrungsbehälter zur weiteren Verwendung abgeführt wird. Die jeweilige Anlage zur Durchführung des Verfahrens ist im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, daß der Vermehrungsbehälter in seinem oberen Bereich einen Zulauf und in seinem unteren Bereich einen Ablauf aufweist, und daß eine Umpumpeinrichtung vorgesehen ist, die den Auslauf über eine Pumpe, eine Belüf tungs- und eine Mischeinrichtung mit dem Zulauf verbindet.

Der Vermehrungsbehälter wird auf Parameter eingestellt, die von den optimalen Gärungsparametern abweichen, jedoch für die Vermehrung der Hefezellen geeig net sind. Ziel der Verfahren ist es, eine ständige logarithmische Vermehrung der Hefe zu gewährleisten. Die "logarithmische Phase" stellt die eigentliche Vermeh rungsphase bei der Hefekultivierung dar. In dieser findet eine exponentielle Ver mehrung statt, die in kurzer Zeit zu einem massiven Zellwachstum führt. Insbe sondere das Verfahren gemäß DE 43 31 409 C1 ist im Hinblick auf die optimale Vermehrung der Hefe im Rahmen der logarithmischen Wachstumsphase ausge legt. Hierzu werden aerobe Bedingungen geschaffen, daß heißt die Vermehrung der Hefe erfolgt in Anwesenheit von sauerstoffgesättigter Würze, die sich unter atmosphärischem Druck befindet. Dabei vermehrt sich die Hefe mit maximaler Geschwindigkeit, wobei die in der Würze enthaltenen Nährstoffe im Atmungs stoffwechsel metabolisiert werden und nicht, wie unter anaeroben Bedingungen - also unter Abwesenheit von gelöstem Sauerstoff - vergoren werden.

Sofern es gelingt, den Atmungsstoffwechsel durch die Hefe aufrecht zu erhalten, ist die energetische Ausnutzung der Würzeinhaltstoffe ca. 19 mal höher als bei der Vergärung derselben, wodurch wesentlich mehr Biomasse bei gleichem Nährstoffeinsatz gebildet wird. Darüber hinaus werden weit weniger Gärungsne benprodukte gebildet, wie z. B. organische Säuren und Kohlendioxyd, die zu ei nem Sturz des pH-Wertes des Substrats und im Fall der Kohlendioxydbildung zum Austreiben von Sauerstoff aus der Lösung führen.

Die Belüftung des Substrates im Assimilator kann auf zweierlei Arten realisiert werden. Die erste Möglichkeit besteht darin, das Substrat im Assimilator direkt mittels lanzenähnlicher Düsenstöcke oder anderen geeigneten Vorrichtungen zu begasen. Bei der zweiten Möglichkeit, von der in den vorstehend namentlich ge nannten Druckschriften Gebrauch gemacht wird, wird das Substrat über eine Bypaßleitung zum Assimilator, die aus dessen kegelförmigem Bodenteil aus- und etwa auf halber Höhe wieder in den Assimilator einmündet, im Kreislauf umge wälzt, wobei das Substrat auf seinem Wege über die Bypaßleitung in dieser mit Sterilluft angereichert wird.

Nach Angaben in der Fachliteratur benötigt die Hefe 0,74 g O₂/g Hefetrockensub stanz-Zuwachs. Dies entspricht 90 mg O₂/Liter Würze und ist ein etwa zehnfach höherer Bedarf an Sauerstoff als normalerweise bei der Belüftung von Würze zur Vermehrung der Hefe zu Beginn des Gärprozesses gelöst werden muß (9 bis 10 mg O₂/Liter Würze).

Die Einbringung der Luft in das über den Bypaß geführte Substrat erfolgt übli cherweise über Strahldüsen in Verbindung mit einem Stufendiffusor, mit Strahlroh ren, mit statischen Mischern oder mit Injektordüsen, und sie ist meist mit relativ hohem Energieaufwand verbunden. Bekanntlich steigt die Fähigkeit von Flüssig keiten, Gase zu lösen, mit dem herrschenden Lösungsdruck. Selbst wenn unter Gegendruck im Leitungssystem höhere Lösungswerte erreicht werden, geht der Sauerstoffgehalt meist hinter der Eingabestelle oder spätestens nach der Druck haltung wieder zurück auf jenen Gehalt, der dem Druck im Assimilator, in den die Bypaßleitung einmündet, und der Substrattemperatur entspricht (ca. 12 mg O₂/Liter bei 0,5 bar Überdruck und 15°C). Die Hefe nimmt den Sauerstoff nur im gelösten Zustand sofort zum Stoffwechsel auf. Man spricht in diesem Zusammen hang von "Zehrung", die in 10 bis 20 Minuten stattfindet, so daß der Sauerstoffge halt gegen null geht, wenn kein weiterer mehr zugeführt wird. Ist jedoch ein konti nuierliches Sauerstoffangebot gegeben, dann wird die Sauerstoffaufnahme durch die herrschenden Stoffübergangsbedingungen und die Verweilzeit bestimmt. Der Stoffübergang vom Kern der Gasphase in die Flüssigkeit wird bekanntlich durch den Stoffdurchgangskoeffizienten, die wirksame Austauschfläche, die Gleichge wichtskonzentration und die aktuelle Konzentration des Sauerstoffs in der Lösung determiniert.

Der gegenwärtige Stand der Technik bei der Begasung von Würze im Bypaß zum Assimilator sei hinsichtlich der bislang festgelegten Bedingungen an einem Bei spiel verdeutlicht: In 20 Stunden werden in einem mit 440 hl Substrat befüllten Assimilator bei einer Umpumpleistung von 200 hl/h insgesamt 4000 hl Substrat umgewälzt. Der notwendige Sauerstoffbedarf, kontinuierlich eingebracht in den Umlaufstrom von 200 hl/h, beträgt rund 36 kg, um in dem im Assimilator vorgeleg ten Substratvolumen (440 hl) die Zellzahl von 15 auf 70 Mio. Zellen/ml (übliche Konzentration) zu vermehren. Dies bedeutet, daß aktuell ständig im Zuge der Be gasung im Bypaß 90 mg O₂/Liter zu lösen sind.

Die Erfahrung zeigt, daß beispielsweise bei einem Gegendruck von 4 bar Über druck, einer Temperatur von 15°C und beim Einsatz eines einzigen statischen Mischers, der mit einer maximalen Fließgeschwindigkeit von 2,8 m/s betrieben werden kann und der dabei einen Druckverlust von 1 bar aufweist, ungefähr 50 mg O₂/Liter mittels einer üblichen Begasungsrate zu lösen sind. Wird nun derart mit Sauerstoff angereicherte Würze in den Assimilator eingeleitet, in dem lediglich ein Gegendruck von 0,5 bar Überdruck herrscht und bei dem demzufolge auf grund der Gleichgewichtsbedingungen maximal 12 mg O₂/Liter lösbar sind, dann entweicht nach der Druckabsenkung der überschüssige Sauerstoff aus der Wür ze. Dies zeigt, daß die hohen Sauerstoffkonzentrationen in der Würze den Mikro organismen nur für sehr kurze Zeit im Bereich des Bypaßsystems vor der Druck haltung zur Zehrung zur Verfügung steht.

Die vorstehend geschilderte Situation stellt sich so bei allen bisher bekannt ge wordenen Verfahren und Einrichtungen, die mit einer Kreislaufführung des Substrates über ein Bypaßsystem arbeiten, in annähernd adäquater Weise dar. Daher wurde in diesem Zusammenhang bereits vorgeschlagen, die Sauerstoff zehrung unter höherem Druck in eine längere Lösungsstrecke zu legen und damit einer längeren Verweilzeit zu unterwerfen. Dies soll gemäß einem Vorschlag da durch erreicht werden, daß mehrere statische Mischer hintereinander geschaltet werden, wodurch sich einerseits der Druckverlust entsprechend der Anzahl der eingesetzten statischen Mischer erhöht und die zur Durchströmung notwendige Verweilzeit verlängert. Die Verweilzeit zur Zehrung soll dabei noch durch Rohr stücke zwischen den einzelnen Mischern auf kostengünstige Weise verlängert werden. Auch diese Maßnahmen vermochten das Problem der hinreichenden Sauerstoffanreicherung bei gleichzeitiger Begrenzung der Schaumbildung nicht zu lösen.

In Abhängigkeit von der Größe der Brauerei und den immer höheren Anforderun gen an eine gleichmäßig hohe Bierqualität bei kürzeren Produktionszeiten, ge paart mit niedrigen Herstellkosten, steigen auch die Anforderungen an die Güte und Leistungsfähigkeit der Hefe. Diese Anforderungsmerkmale sind nur mit kon trollierbaren, stets gleichen Durchlaufbedingungen bei der batchweisen oder kon tinuierlichen Hefereinzucht bzw. Hefeproduktion für den Gärprozeß erreichbar. Besonderes Augenmerk wird heute auf eine beschleunigte Hefereinzucht gelegt, wobei die Brauereien zum Anstellen und Vergären der Biere immer mehr aerob hergeführte Reinzuchthefen - das ist eine fast unvergorene Würze mit hoher Zell konzentration von ca. 80 bis ≧ 120 Mio. Zellen/ml - verwenden. Damit soll der Verbrauch von Satz- oder Kernhefen aus den zylindrokonischen Gärtanks für die nächstfolgenden Führungen reduziert werden. Die beschleunigte Hefevermehrung hat die Aufgabe, die Herführzeiten von Reinzuchten wesentlich zu verkürzen und womöglich die Verwendung von Satzhefen ganz zu ersetzen. Als Zielsetzung im Rahmen von Maßnahmen zur beschleunigten Hefevermehrung kann heute gelten, die bisher benötigten Herführzeiten von Reinzuchten nach Maßgabe der Herführ temperatur, des Sauerstoffbedarfs und der Umwälzrate im Herführtank auf 20-30 % zu reduzieren.

Beschleunigte Hefevermehrung bedeutet im Kontext zum gesamten Brauprozeß u. a. weniger erforderliche Tankkapazität und damit eine kleinere Dimensionierung der Hefekeller und hohe Versorgungsleistung der Würze mit den daraus resultie renden Vorteilen. Hierzu ist Voraussetzung, daß das Angebot an gelöstem Sau erstoff an die Hefezellen in zeitlich ausreichendem Maße und hinreichende Stoffaustauschbedingungen gegeben sind. Eine Begasung im Assimilationstank ist wegen des Aufschäumens der Reinzucht nur bedingt möglich. Die Tanks dür fen deshalb allenfalls nur bis zur Hälfte gefüllt sein. Aus reinigungstechnischen und biologischen Gründen (Kontaminationsgefahr) lehnen heute immer mehr Brauereien bewegliche Einbauten in den Reinzuchttanks ab, die beispielsweise durch Umwälzung des Substrates den Stoffaustausch intensivieren sollen. Die Anreicherung der Reinzucht außerhalb des Assimilationstankes im Zuge des Um pumpens ist mit den vorstehend beschriebenen Nachteilen verbunden (s. u.a. DE 43 31 409 C1).

Es ist bekannt, daß bei der Hefevermehrung der Zellzuwachs bzw. die erzeugte Hefetrockensubstanz pro Generationszeit im wesentlichen abhängig ist von der Umwälzleistung des Substrates im Tank, wobei der Zusammenhang gilt:

O₂-Konzentration × Umwälzleistung = erzeugte Masse Hefe.

Unter Generationszeit versteht man die Zeit zur Vermehrung der Zellzahl auf das Doppelte der Ausgangszellzahl. Sie ist unter sonst optimalen Herführbedingungen unter anderem sehr stark von der Herführtemperatur abhängig. Neben einer mög lichst hohen Sauerstoffbeladung der Suspension ist eine möglichst hohe Umwälz leistung zu realisieren, die im Wege des vorgenannten Umpumpverfahrens nur mit erheblichen Aufwand bezüglich der Dimensionierung der Strömungswege und einem relativ hohen Energiebedarf verwirklicht werden kann.

Ziel der Erfindung ist eine beschleunigte, batchweise oder kontinuierliche Hefer einzucht bzw. Hefeproduktion für den Gärprozeß (Verkürzung der Herführzeiten von Reinzuchten), wobei die Hefevermehrung mit relativ einfachen Mitteln bei geringem spezifischen Energiebedarf stattfinden soll.

Dieses Ziel wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des vorgeschlagenen Verfahrens sind Gegenstand weiterer Unteransprüche. Eine Anordnung zum Durchführen des Verfahrens ge mäß der Erfindung ist durch die Merkmale des Nebenanspruchs 6 gekennzeich net. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorgeschlagenen Anordnung sind Ge genstand weiterer Unteransprüche.

Die wesentlichen Verfahrensschritte, durch die sich das vorgeschlagene Verfah ren von bekannten Verfahren unterscheidet, bestehen darin, daß ein über den Kreislauf dem Assimilator entnommener Teilstrom, nachfolgend als Treibstrom bezeichnet, bei einem gegenüber dem Druck im Assimilator höheren Druck mit Sauerstoff angereichert wird, daß dieser derart mit Sauerstoff angereicherte Treibstrom anschließend im Assimilator auf einen dort herrschenden Druck ent spannt wird, und daß die durch die Entspannung entstehende kinetische Energie des Treibstromes einen den gesamten Inhalt des Assimilators umfassenden Kon vektionsstrom generiert. Durch die mittels des Treibstromes der Würze-Hefe- Suspension im Assimilator zugeführte Energie wird dort eine Konvektionsströ mung entfacht, die eine Umwälzleistung im Assimilator zur Folge hat, die ein Vielfaches der Umwälzleistung infolge Umpumpens bei den vorgenannten be kannten Verfahren beträgt. Es hat sich in diesem Zusammenhang gezeigt, daß bei einer Umpumpleistung, die stündlich etwa einmal den Nettoinhalt des Assimi lators erfaßt, eine Umwälzleistung im Assimilator generiert wird, die etwa der 10- fachen Umpumpleistung entspricht. Dadurch ist mit relativ geringem Energieein satz ein intensiver Stoffaustausch zwischen dem Sauerstoff und den Hefezellen gewährleistet.

Da die zur Erzeugung der Konvektionsströmung erforderliche Energie über einen vom Substrat gebildeten Flüssigkeitsstrahl, einen Treibstrahl, in das System ein gebracht wird, und zwar ohne bewegliche Teile, ist die Anordnung zur Durchfüh rung des vorgeschlagenen Verfahrens, die vorzugsweise mit einer Flüssigkeits strahl-Mischdüse arbeitet, im Durchfluß einfach zu reinigen. Dabei beschränkt sich die gesamte hierfür erforderliche Anordnung auf einen leicht reinigbaren Auslauf bereich im kegelförmigen Bodenteil des Assimilators. Der der Würze-Hefe-Sus pension zuzuführende Sauerstoff wird in der Regel in Form von Sterilluft dem über den Kreislauf dem Assimilator entnommenen Treibstrom zugeführt. Um die Sauerstofflöslichkeit zu erhöhen, geschieht diese Zufuhr bei einem gegenüber dem Druck im Assimilator höheren Druck. Im Rahmen der vorgeschlagenen An ordnung zum Durchführen des Verfahrens ist zur Erreichung einer hohen Löslich keit an Sauerstoff ein sogenannter statischer Mischer vorgesehen, der die Stoffübergangsbedingungen durch Erzeugen einer hohen spezifischen Blasenoberfläche begünstigt.

Bei der Entspannung des Treibstromes vom Begasungsdruck im statischen Mi scher auf den Druck im Assimilator, der vorzugsweise, wie dies vorgesehen ist, unter 0,5 bis 1 bar Überdruck gegenüber dem Atmosphärendruck zu halten ist, wird einerseits ein Treibstrom hoher kinetischer Energie erzeugt, andererseits bewirkt die Druckabsenkung eine teilweise Entbindung von gelöstem Sauerstoff. Die dabei entstehenden mehr oder weniger großen Blasen werden durch die im Treibstrahl vorliegenden Schubspannungen zerteilt, wobei der sich bildende Bla senschwarm, bestehend aus feinen Blasen, durch die starke Konvektion sehr in nig mit dem Substrat vermischt wird, so daß die Stoffübergangsbedingungen an den Zellmembranen sich schnell und ständig erneuern.

Mit dem vorgeschlagenen Verfahren gemäß der Erfindung sind die in der nachfol genden Tabelle 1 in der Spalte "BHV" (beschleunigte Hefevermehrung) angege benen Generationszeiten t_g zu erreichen, wobei in der Spalte "konventionell" die bisher notwendigen Generationszeiten vergleichsweise angegeben sind:

Tabelle 1

Das vorgeschlagene Verfahren setzt konsequent die Erkenntnis um, daß der Sauerstoffbedarf der Hefezellen, die sogenannte Zehrung, mit einer hohen Um wälzrate im Assimilator bei geringerer O₂-Lösung effizienter zu befriedigen ist als mit hoher O₂-Lösung, die allenfalls im Kreislauf, aber nicht im Assimilator zu ver wirklichen ist, und kleinen Umwälzraten im Assimilator. Außerdem bietet das vor geschlagene Verfahren der Hefe im Tank häufiger frisch gelösten Sauerstoff zur Zehrung an, als dies bei den vorgenannten bekannten Verfahren der Fall ist.

Bei der vorstehend vorgeschlagenen Verwendung von Sterilluft entsteht wegen der relativ großen Luftmengen, unter anderem wegen des anwesenden und nur zu einem geringen Teil in Lösung gehenden Stickstoffs, sehr viel Schaum. Der Assimilator wird deshalb nur etwa zur Hälfte befüllt. Um sein Überschäumen zu verhindern, ist gegebenenfalls die Luftzugabe zu limitieren, was zu einem geringe ren Sauerstoff-Angebot und einer Verlängerung der Vermehrungszeiten führen kann. Um diesen Nachteil zu vermeiden, sieht eine vorteilhafte Ausgestaltung des vorgeschlagenen Verfahrens vor, daß die Anreicherung des Treibstromes mit rei nem Sauerstoff (O₂) erfolgt.

Da die Stoffübergangsbedingungen bezüglich der Sauerstoff-Lösung im Substrat durch die mit dem vorgeschlagenen Verfahren erzielbare intensive Konvektions strömung außerordentlich günstig beeinflußt werden, sieht eine weitere Ausgestal tung des vorgeschlagenen Verfahrens vor, daß der im Gesamtsystem des Assimi lators befindlichen Würze-Hefe-Suspension stets Sauerstoff in einer Menge ange boten wird, die den jeweiligen aktuellen Grundbedarf der Sauerstoffzehrung der Hefezellen um einen definierten, eine schädliche Würzeoxidation vermeidenden Betrag übersteigt. Ein derart hinreichendes Sauerstoff-Angebot für die Zehrung der Hefezellen ist mit den bekannten Verfahren nicht befriedigend durchführbar, da das Sauerstoff-Angebot aufgrund ungünstiger Stoffübergangsbedingungen teilweise wirkungslos aus dem Substrat im Assimilator entweicht.

Um festzustellen, ob das Sauerstoff-Angebot für die Sauerstoffzehrung der Hefe zellen hinreichend ist, sieht eine weitere Ausgestaltung des vorgeschlagenen Verfahrens vor, daß die Sauerstoff-Konzentration im Treibstrom T1 gemessen und der Meßwert zur Regelung für die im Assimilator aktuell erforderliche Sauer stoff-Konzentration herangezogen wird.

Die Anordnung zum Durchführen des Verfahrens besteht aus einem tankartigen Assimilator zur Aufnahme der Würze-Hefe-Suspension, der über eine Zu-, Ablauf- und eine diese beiden Leitungen miteinander verbindende Umlaufleitung in Ver bindung mit einer Umpumpeinrichtung und einer Einrichtung zur Sauerstoff-Zu dosierung verfügt. In dieser an sich bekannten Anordnung ist gemäß der Erfin dung in der Umlaufleitung ein statischer Mischer vorgesehen, in den die Einrich tung zur Sauerstoff-Zudosierung einmündet. Desweiteren ist im Auslaufbereich eines kegelförmigen Bodenteils des Assimilators eine Flüssigkeitsstrahl-Misch düse angeordnet, deren Düse an die Zulaufleitung angeschlossen ist, und darüber hinaus mündet der Auslauf des kegelförmigen Bodenteils in die Ablauflei tung ein.

Mit dem vorgeschlagenen Verfahren und der Anordnung zu seiner Durchführung gelingt es, wie die vorstehende Tabelle 1 zeigt, eine Generationszeit t_g von weni ger als vier Stunden zu realisieren. Dies bedeutet, daß in dieser Zeit jeweils eine Verdoppelung der Zellzahl durch Vermehrung erreicht wird.

Um die Blasengröße mit Blick auf die erforderlichen günstigen Stoffübergangsbe dingungen sehr klein zu halten und eine Koaleszenz der Blasen auf dem Weg zwischen dem statischen Mischer und der Flüssigkeitsstrahl-Mischdüse zu verhin dern, sieht eine Ausführungsform der vorgeschlagenen Anordnung vor, daß der statische Mischer im kürzestmöglichen Abstand zur Düse angeordnet ist.

Nach einer anderen Ausführungsform der Anordnung gemäß der Erfindung ist die Entleerungsleitung, in Strömungsrichtung gesehen, hinter der Umwälzpumpe an die Ablaufleitung angeschlossen. Dadurch ist es möglich, die Förderleistung der Umwälzpumpe für die Entleerung des Assimilators zu nutzen.

Damit sich bei der Befüllung des Assimilators mit frischer Würze diese mit dem Restsubstrat vorvermischt und mit dem Treibstrahl sofort im Assimilator intensiv verteilt wird, sieht eine andere Ausgestaltung der vorgeschlagenen Anordnung vor, daß die Fülleitung, in Strömungsrichtung gesehen, vor dem statischen Mi scher an die Zulaufleitung angeschlossen ist.

Die wesentlichen Vorteile des vorgeschlagenen Verfahrens zur beschleunigten Hefevermehrung im Brauprozeß und der Anordnung zum Durchführen des Ver fahrens sind nachfolgend zusammenfassend angegeben:

- Verkürzung der Herführzeiten für Reinzuchten zum Anstellen der Würze
- mehr Reinzucht und weniger wiederverwendete Satzhefe durch aktivere An stellhefen mit höherer Vitalität; besserer, stabilerer physiologischer Zustand der Hefezellen
- hoher Anteil lebender Hefezellen, hohe Viabilität, geringe Verschmutzung (≦ 1% gegenüber ≧ 5% bei bekannten Verfahren); weniger Hefeverschmut zung durch tote Zellen und Rückständen aus der Gärdecke (oxidierte Eiweiß- Hopfenharz-Partikel)
- kürzere Angärzeiten
- schnellere und gleichmäßige, zeitgenaue Gärverläufe; bessere Belegungsmög lichkeit der zylindrokonischen Gärtanks
- geringerer Bedarf an Tankkapazität bei den zylindrokonischen Gärtanks erfor derlich bzw. es steht mehr Tankkapazität zur Verfügung durch die Möglichkeit einer exakteren Vorausplanung
- die aktive Hefe macht eine geringere Zellzahl beim Anstellen erforderlich: An stellen mit 8-10 Mio. Zellen/ml statt mit 20-25 Mio. Zellen/ml
- verstärkter Abbau der VDK (Vicinale Diketone), wie Diacetyl und Pentantion, durch höhere Abbaufähigkeit der aktiven Hefezellen
- weniger Abfall-Hefe, weniger Rest-Bier
- geringere Investitionskosten für Tanks und Ausrüstung durch größere Nutzung
- geringerer Energiebedarf als bei herkömmlichen Verfahren und Anordnungen
- größere biologische Sicherheit durch höheren Anteil frischer Reinzucht; Verrin gerung der Kontaminationsgefahr durch weniger Bewegungen von Tank zu Tank und Reduzierung der Zwischenbehandlung der Hefe
- bessere und gleichmäßigere Geschmacksqualität, höhere Stabilität und ver besserte Haltbarkeit der Biere.

Ausführungsbeispiele der Anordnung zum Durchführen des Verfahrens gemäß der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden nachfolgend be schrieben. Es zeigen

Fig. 1 in schematischer, stark vereinfachter Darstellung eine Anordnung zum Durchführen des vorgeschlagenen Verfahrens gemäß der Erfindung;

Fig. 2 ebenfalls in schematischer, stark vereinfachter Darstellung den unteren Teil eines Hefevermehrungstanks (Assimilator) und der angrenzenden Teile der Anordnung gemäß Fig. 1 und

Fig. 3 eine detaillierte Darstellung wesentlicher Teile im Auslaufbereich des Assimilators gemäß den Fig. 1 und 2.

Ein in seinem grundsätzlichen Aufbau an sich bekannter, als Assimilator bezeich neter Hefevermehrungstank 1 (Fig. 1) besitzt am Auslauf eines kegelförmigen Bodenteils 5 ein Tankanschlußgehäuse 6, über das der Assimilator 1 mit einer Würze-Hefe-Suspension befüllt oder von dieser entleert wird. Dem Kopfbereich des Assimilators 1 sind eine Einrichtung zur Tankreinigung 23 und Tankarmaturen zur Reinigung und Überdrucksicherung 24 zugeordnet. Mit A ist der Austritt der Tankarmaturen 24 zur Atmosphäre und mit R ist die Zuführung von Reinigungs mittel gekennzeichnet. Darüber hinaus verfügt der Assimilator in seinem Kopfbe reich über eine Vollmeldesonde 25, die auch der Schaumüberlaufsicherung dient.

An das Tankanschlußgehäuse 6 sind eine Zulaufleitung 7a (Treibstrom-Leitung) und eine Ablaufleitung 7b angeschlossen. Beide Leitungen 7a, 7b sind über eine Umlaufleitung 7c miteinander verbunden. In der Ablaufleitung 7b befindet sich ei ne Umwälzpumpe 26, hinter der, in Strömungsrichtung gesehen, eine Entlee rungsleitung 7d von der Ablaufleitung 7b abzweigt. Hinter dieser Abzweigstelle sind in der sich anschließenden Umlaufleitung 7c, in Strömungsrichtung und nacheinander gesehen, eine Einrichtung zur Sauerstoffmessung 28, eine Einrich tung zur Temperaturmessung 29, eine Einrichtung zur Messung der Wasserstof fionen-Konzentration 30 sowie eine erste Einrichtung zur Durchflußmessung 31 vorgesehen. Am Übergang zwischen der Umlaufleitung 7c und der Zulaufleitung 7a mündet eine Fülleitung 7e ein, in der eine zweite Einrichtung zur Durchfluß messung 33 angeordnet ist. Hinter dieser Einmündungsstelle der Fülleitung 7e sind in der Zulaufleitung 7a ein statischer Mischer 3 und danach eine Einrichtung zur Druckmessung 32 vorgesehen. Über eine Einrichtung zur Sauerstoff-Zu dosierung 22, die in den statischen Mischer 3 eintritt, wird der Suspension im Assimilator 1 die zur Hefevermehrung notwendige Sterilluft L zugeführt; alternativ ist auch die Zufuhr von reinem Sauerstoff (O₂) möglich. Im Auslaufbereich des kegelförmigen Bodenteils 5 des Assimilators 1 ist eine Flüssigkeitsstrahl- Mischdüse 2 vorgesehen, deren Düse 2a (Fig. 2 und 3) an die Zulaufleitung 7a angeschlossen ist. Der Düse 2a wird über die Zulaufleitung 7a ein mit Sterilluft L oder reinem Sauerstoff O₂ begaster Treibstrom T zugeführt, der im Assimilator 1 zunächst einen Treibstrahl S+T erzeugt, der wiederum einen pilzförmigen, mittig aufsteigenden, sich im Bereich der Substratoberfläche sternförmig verteilenden und allseits an der Umfangswand des Assimilators 1 absteigenden Konvekti onsstrom K zur Sicherstellung der notwendigen Umwälzleistung und im Ansaug bereich der Flüssigkeitsstrahl-Mischdüse 2, dort im Zusammenwirken mit deren Saugrohr 2b (Fig. 3), einen Saugstrom S (Fig. 2 und 3) ausbildet. Der Konvektionsstrom K verzweigt sich im Ansaugbereich des Saugrohres 2b (Fig. 3) in den vorgenannten Saugstrom S und einen unbegasten Treibstrom T1, der aus einer Öffnung im Auslaufbereich des kegelförmigen Bodenteils 5 des Assimi lators 1 in das Tankanschlußgehäuse 6 und von dort in die Ablaufleitung 7b ge langt.

Am Auslaufbereich des kegelförmigen Bodenteils 5 (Fig. 3) ist über eine Flanschverbindung, bestehend aus einem Tankflansch 4 und einem Nutflansch 9 mit einem O-Ring 10, ein Tankkonus 5* angeordnet, in dem die Flüssigkeits strahl-Mischdüse 2, bestehend aus der Düse 2a und dem Saugrohr 2b, im wesentlichen Aufnahme findet. Der Tankflansch 4 und der Nutflansch 9 sind über Verbin dungsmittel 11 miteinander verbunden. Unterhalb des Tankkonusses 5* schließt sich das Tankanschlußgehäuse 6 an, welches seitlich einen Ablaufanschluß 8a aufnimmt und über einen Zulaufanschluß 8b an seiner Unterseite, in der Verlänge rung der Achse des Assimilators 1, von einem mit der Düse 2a der Flüssigkeits strahl-Mischdüse 2 verbundenen Mischdüsenrohr 19, über das der Treibstrahl T herangeführt wird, durchdrungen ist. Am unteren Ende des Tankkonusses 5* ist ein Verbindungsflansch 13 ausgebildet, der mit dem Tankanschlußgehäuse 6 mittels eines sogenannten Halbringes 12 verbunden ist. Das Tankanschlußge häuse 6 ist im Durchdringungsbereich des Mischdüsenrohres 19 durch einen Dichtungsflansch 16 verschlossen, der sowohl außenseits im Tankanschlußge häuse 6 als auch innenseits am Mischdüsenrohr 19 jeweils über einen O-Ring 14 bzw. 15 abgedichtet ist. Der O-Ring 15 wird von einer das Mischdüsenrohr 19 verschieblich umschließenden Preßbuchse 17 in axialer Richtung verspannt, so daß zum einen eine abdichtende, zum anderen eine verschiebliche Verbindung zwischen dem Mischdüsenrohr 19 und dem Dichtungsflansch 16 sichergestellt ist. Durch die Verschiebbarkeit des Mischdüsenrohres 19 in Verbindung mit der Flüs sigkeitsstrahl-Mischdüse 2 ist letztere in dem Tankkonus 5* justierbar. Die Preß buchse 17 wird über einen Preßflansch 18 mittels nicht näher bezeichneter Ver bindungsmittel in den Dichtungsflansch 16 hineingedrückt. Letzterer ist über einen weiteren Halbring 12 mit dem Tankanschlußgehäuse 6 verbunden.

Das Mischdüsenrohr 19, das beispielsweise auch als Schauglas ausgebildet sein kann, ist über einen Rohrbogen 20 mit einem Scheibenventil 21 verbunden, in welches andererseits die Zulaufleitung 7a (Treibstrom-Leitung) einmündet. Ein als Schauglas ausgebildetes Mischdüsenrohr 19 wird über Verbindungsmittel 27 zwi schen dem Preßflansch 18 und dem Rohrbogen 20 eingespannt. Bei Verzicht auf das schauglasartig ausgebildete Mischdüsenrohr 19 ergibt sich die alternative An ordnung des Rohrbogens 20*.

Der Treibstrahl S+T verläßt das Saugrohr 2b der Flüssigkeitsstrahl-Mischdüse 2 und bildet in dem Assimilator 1 den Konvektionsstrom K aus. Der abwärtsgerichte te Konvektionsstrom K (Fig. 1 und 2) verzweigt sich im Ansaugbereich des Saugrohrs 2b in den Saugstrom S und den unbegasten Treibstrom T1. Letzterer gelangt über das Tankanschlußgehäuse 6 und den Ablaufanschluß 8a in die Ab laufleitung 7b.

Ein Vermehrungszyklus im Assimilator 1 gestaltet sich wie folgt:
Der Assimilator 1 wird vor dem Befüllen auf einen Überdruck von 0,5 bis 1 bar ge genüber Atmosphärendruck vorgespannt. Alsdann wird der Assimilator 1 mit einer Würze-Hefe-Suspension, die die Ausgangszellzahl für die Vermehrung aufweist, bis etwa zur Hälfte seines Bruttoinhaltes (z. B. 300 hl) befüllt. Bereits während des Befüllens des Assimilators 1 wird die Würze-Hefe-Suspension über die Ablauflei tung 7b, die Umwälzpumpe 26, die Umlaufleitung 7c und die Zulaufleitung 7a im Kreislauf umgepumpt. Nach beendeter Befüllung wird die Begasung des Substrates mit Sterilluft L oder reinem Sauerstoff (O₂) gestartet. Die Sauerstoff messung mittels der Einrichtung 28 am Auslauf des Assimilators 1 zeigt den ak tuellen Restsauerstoffgehalt im Assimilator 1 an. Ein Sollwert der Sauerstoff-Kon zentration dient als Führungsgröße für die Dosierregelung über die Einrich tung zur Sauerstoff-Zudosierung 22. Solange der Grundbedarf der Sauerstoffzeh rung der Hefezellen im Gleichgewicht zur Sauerstoff-Lösung steht, ergibt sich bei der Sauerstoffmessung die Anzeige "null". Sobald die Einrichtung zur Sauerstoff messung 28 einen Wert größer "null" mißt und danach den Sollwert des eingestell ten, gewünschten Sauerstoff-Überschusses erreicht, wird dieser Überschuß so dann auf den vorgegebenen Sollwert eingeregelt. Die Sterilluft L oder der reine Sauerstoff O₂ werden im statischen Mischer 3 unter Druck eingeblasen und dort gelöst. Über die Umwälzung im Assimilator 1 werden die eintretende gelöste und nicht gelöste Gasmenge innig mit dem Substrat vermischt.

Nach Ablauf der Vermehrungsphase wird der Assimilator 1 über die Ablaufleitung 7b und die sich hinter der Umwälzpumpe 26 abzweigende Entleerungsleitung 7d zur Dosierung in die Würze ganz oder teilweise entleert, wobei die Umwälzung im Assimilator 1 zur Homogenisierung seines Inhaltes ständig weiterläuft. Die Einrich tung zur Messung der Temperatur 29 erfaßt die Substrat-Temperatur und dient auch zur Regelung der Tankkühlung. Die Einrichtung zur Messung der Wasser stoffionen-Konzentration 30 kontrolliert die aerobe Gärung und weist bei sinken dem Wert durch erhöhte Gärung auf zu wenig Sauerstoff hin. Bei steigendem pH-Wert, z. B. nach Stillstand im Assimilator 1 bis zur Entleerung, besteht die Gefahr der Hefeautolyse und der Assimilator 1 muß schnellstens entleert werden. Die Einrichtung zur Druckmessung 32 gibt, einmal ermittelt und in einer Funktionsglei chung festgehalten, die Umpumpleistung der Umwälzpumpe 26 an. Dieser Para meter kann zur Anpassung der Umwälzleistung im Assimilator in Abhängigkeit von dessen unterschiedlichen Füllungen dienen. Die Vollmeldesonde 25 schützt den Assimilator 1 vor Überfüllung und meldet Schaum, bevor dieser in die Reini gungs- und Gasarmaturen 23 bzw. 24 eindringt.

Claims

1. Verfahren zur beschleunigten Hefevermehrung im Brauprozeß, bei dem in einem als Assimilator bezeichneten Hefevermehrungstank, der mit einer Zu- und Ablaufleitung verbunden ist, eine Grundmenge Hefe mit als Nahrung der Hefe dienender Nährlösung (Würze) in Form einer Würze-Hefe-Suspension vorgelegt wird, die Suspension durch einen Kreislauf außerhalb des Assimila tors umgepumpt und beim Umpumpen mit Sauerstoff angereichert wird und bei dem sich die Suspension in diesem Milieu unter geregelten Wachstums bedingungen bis zu einer vorgegebenen Populationsdichte vermehrt, worauf die Suspension teilweise oder ganz aus dem Assimilator abgezogen und ei nem Gärtank zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet,

- daß ein über den Kreislauf dem Assimilator (1) entnommener Treibstrom (T1) bei einem gegenüber dem Druck im Assimilator höheren Druck mit Sauerstoff angereichert wird,
- daß ein nach der Anreicherung mit Sauerstoff entstandener Treibstrom (T) anschließend im Assimilator (1) auf einen dort herrschenden Druck ent spannt wird
- und daß die durch die Entspannung entstehende kinetische Energie des Treibstromes (T) einen den gesamten Inhalt des Assimilators (1) umfassen den Konvektionsstrom (K) generiert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Assimi lator (1) unter Überdruck gegenüber Atmosphärendruck, vorzugsweise 0,5 ≦ p_Ü ≦ 1 bar, gehalten wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anreicherung des Treibstromes (T1) mit Sauerstoff durch Zufuhr von Sterilluft L erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anreicherung des Treibstromes (T1) mit Sauerstoff durch Zufuhr von reinem Sauerstoff (O₂) erfolgt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der im Gesamtsystem des Assimilators (1) befindlichen Würze-Hefe-Sus pension stets Sauerstoff in einer Menge angeboten wird, die den jeweili gen aktuellen Grund bedarf der Sauerstoffzehrung der Hefezellen um einen definierten, eine schädliche Würzeoxidation vermeidenden Betrag übersteigt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Sauerstoff-Konzentration im Treibstrom (T1) gemessen und der Meßwert zur Regelung für die im Assimilator aktuell erforderliche Sauerstoff-Kon zentration herangezogen wird.

7. Anordnung zum Durchführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, mit einem tankartigen Assimilator zur Aufnahme der Würze-Hefe-Sus pension, der über eine Zu-, eine Ablauf- und eine diese beiden Leitungen miteinander verbindende Umlaufleitung in Verbindung mit einer Umpumpein richtung und einer Einrichtung zur Sauerstoff-Zudosierung verfügt, dadurch gekennzeichnet, daß in der Zulaufleitung (7a) ein statischer Mischer (3) vor gesehen ist, in den die Einrichtung zur Sauerstoff-Zudosierung (22) einmün det, daß im Auslaufbereich eines kegelförmigen Bodenteils (5; 5*) des Assimi lators (1) eine Flüssigkeitsstrahl-Mischdüse (2; 2a, 2b) angeordnet ist, deren Düse (2a) an die Zulaufleitung (7a) angeschlossen ist, und daß der Auslauf des kegelförmigen Bodenteils (5; 5*) in die Ablaufleitung (7b) einmündet.

8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der statische Mischer (3) im kürzestmöglichen Abstand zur Düse (2a) angeordnet ist.

9. Anordnung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß ist die Entleerungsleitung (7d), in Strömungsrichtung gesehen, hinter der Umwälz pumpe (26) an die Ablaufleitung (7b) angeschlossen.

10. Anordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Fülleitung (7e), in Strömungsrichtung gesehen, vor dem statischen Mischer (3) an die Zulaufleitung (7a) angeschlossen ist.