DE2354556A1 - Verfahren und vorrichtung zur kontinuierlichen vergaerung von maischen - Google Patents

Description

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V/ersuchs- und Lehranstalt für Spiritusfabrikation und Fermentationstechnnlogie, 1 Berlin 65, Seestraße 13

Verfahren und Vorrichtung zur kontinuierlichen Vergärung von Maischen

Die Erfindung betrifft ein Uerfahren zur kontinuierlichen V/ergärung von Maischen für die Gewinnung von Alkohol und/oder Hefe-Biomassen in Gegenwart von Sauerstoff in einem Fermenter, aus welchem eine der Zulaufmenge an süßer Maische entsprechende Menge vergorener Maische abläuft, unter Umwälzung des Fermenterinhalts sowie eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Uergärung von Maische. Die Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren zur kontinuierlichen Uergärung von Maischen aus stärkehaltigen Rohstoffen mit Hefen zur Gewinnung von Alkohol und Biomasse, bei welchem das bei der Gärung entstehende Gas für eine definierte Umwälzung des Fermenterinhalts ausgenutzt wird.

Obgleich zahlreiche Vorschläge für kontinuierliche Uerfahren zur Gewinnung von Gärungsalkohol und/oder Hefe-Biomasse bekannt sind, gibt es bis heute noch kein in jeder Hinsicht befriedigendes Verfahren. Da die sehr komplizierten biochemischen Vorgänge bei der Gärung noch unzureichend erforscht und vor allem die für eine optimale Gärung notwendigen Größen noch unbekannt sind und man es noch nicht gelernt hat, die bei allen Gärverfahren auftretenden Infektionen mit artfremden Mikroorganismen (vor allem Milchsäurebazillen) mit einfachen Mitteln einzudämmen, besteht ein Bedarf nach einem Verfahren, das über längere Zeiträume bei geringstem

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Hontrollaufwand und vertretbarem Investitionsbedarf betrieben uierden kann.

Aus einer zu ungenauen Kenntnis des Gärungsablaufs heraus uiurden bisher kontinuierliche Verfahren entwickelt, die entweder zwei- und mehrstufig (in einer Weiterbildung, dem sogenannten Pfropfenströmungsverfahren, englisch: "plug flow systems", theoretisch mit unendlich vielen Stufen) oder bei einstufiger Verfahrensweise diskontinuierlich betrieben werden. Weiterhin sind Verfahren bekannt, bei denen ein Teil der den Fermenter kontinuierlich verlassenden Hefe.in einem gesonderten Verfahren auf verschiedenen Nährsubstraten vermehrt und regeneriert und dann wieder in den Fermenter zurückgeführt wird. Dabei sind die zeitlichen Abstände zwischen den Regenerierungsmaßnahmen noch zu groß. Bei den bisherigen kontinuierlichen Verfahren zur Herstellung van Bärungsalkohal wird Sauerstoff nur in so geringen Mengen zur Verfügung gestellt, daß 1 Gramm im Fermenter befindliche Hefe weniger als a,1 mg Sauerstoff/Std. verbrauchen kann, während bei den Verfahren zur Herstellung von Hefe-Biomasse Sauerstoff in solcher Menge und Form zur Verfügung gestellt wird, daß 1 Gramm Hefe während der mittleren Aufenthaltszeit im Fermenter (das entspricht der Verdoppelungszeit der Hefe im Fermenter) mindestens 5oo mg oder mehr Sauerstoff verbraucht. Außerdem bestehen bei den mehrstufigen Verfahren günstige Bedingungen für Infektionskeime. Ferner ist bei Verfahren ahne künstliche Durchmischung van Nachteil, daß der Fermenterinhalt nicht homogen genug vermischt wird und dadurch u.a. örtlich Infektionen gut wachsen können.

Der vorliegenden Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, ein kontinuierliches Verfahren zur Maischevergärung zu entwickeln, welches auf einfachste Weise automatisierbar und insbesondere auch für enzymatisch verzuckerte Maische aus stärkehaltigen Rohstoffen anwendbar sein sollte. Die Bildung von Infektionskeimen war dabei möglichst niedrig zu halten. Die Vergärung stärkehaltiger Rohstoffe sollte hierbei soweit beschleunigt werden, daß bei Verwendung von entsprechenden Hefemengen im Fermenter etwa gleiche Zeiten für eine Endvergärung erreicht werden wie bei heute wesentlich

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schneller gärenden Maischen aus zuckerhaltigen Rohstoffen.

Erfindungsgegenstand ist ein Verfahren zur kontinuierlichen Vergärung von Maischen für die Gewinnung von Alkohol und/oder Hefe?-Biomassen in Gegenwart von Sauerstoff in einem Fermenter, aus welchem eine der Zulaufmenge an süßer Maische entsprechende Menge vergorener Maische abläuft, unter Umwälzung des Fermenterinhalts, welches dadurch gekennzeichnet wird, daß die Vergärung annähernd unter Endvergärungsbedingungen erfolgt, der gesamte■flüssige Fermenterinhalt im Fermenter einstufig im Kreislauf mit einer solchen Geschwindigkeit geführt und die süße Maische unter rascher Durchmischung in mindestens einen Teil des umlaufenden Stroms so dosiert wird, daß im Fermenter im wesentlichen homogene Gärungsbedingungen herrschen, wobei in mindestens einen Kreislaufteilstrom kontinuierlich Sauerstoff oder ein Sauerstoffgemisch in einer solchen Menge eingebracht wird, daß 1 Gramm im Fermenter befindliche Hefe mindestens o,2 mg Sauerstoff/ Std. verbrauchen kann.

Dieses Vergärungsverfahren kann mittels einer Vorrichtung zur kontinuierlichen Vergärung von Maische ausgeführt werden, welche einen Fermenter mit sich nach oben verjüngenden, schachtförmigen, vertikal angeordneten Einbauten aufweist, die sich bis in die IMähe des Fermenterbadens erstrekken und deren oberes Ende bis zum Flüssigkeitsspiegel reicht, sa daß infolge der relativen Gasanreicherung im oberen Schachtteil eine Mammutpumpenwirkung erzeugt wird, wodurch an der Sohle des Fermenters eine Saugströmung in Richtung auf den Schacht hin hervorgerufen wird.

Erfindungsgemäß wird der gesamte flüssige Fermenterinhalt in einer Kreislauf strömung geführt, wobei der Gesamtumlauf vorzugsweise nur wenige Minuten dauern soll und die süße Maische in einer solchen Menge in den umlaufenden Strom der gärenden Maische gegeben wird, daß dabei eine möglichst schnelle Vermischung erfolgt, wobei eine Konzentration an vergärbarem Substrat, gerechnet als Glukose, von höchstens einigen Gramm/Liter, vorzugsweise höchstens 5 g/l und bevorzugter weniger als 1 g/l, resultiert, so daß im Fermenter praktisch überall im wesentlichen Endvergarungsbedingungen herrschen. Mindestens in einen Kreislaufteilstrom wird beim erfindungsgemäßen Gärverfahren kontinuierlich Sauerstoff oder ein Sauerstoff-

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gemisch in einer solchen Menge eingebracht, daß 1 Gramm im Fermenter befindliche Hefe mindestens o,2 mg Sauerstoff/Std. verbrauchen kann.

Erfindungsgemäß wurde gefunden, daß man bei der alkoholischen Gärung 1 Gramm gärender Hefe täglich mindestens etua 5 mg, vorzugsweise mindestens 1o - 2o mg Sauerstoff zur Verfügung stellen muß, um sie gärkräftig zu erhalten.

Wenn vorwiegend Alkohol erzeugt uerden soll, 1st es zweckmäßig, Sauerstoff oder ein Sauerstoffgemisch in solcher Menge zur Verfugung zu stellen, daß 1 Gramm Hefe pro 24 Stunden bis zu etua Iod mg Sauerstoff verbrauchen kann. Es ist nicht notwendig, diesen Wert wesentlich zu überschreiten. Eine Zufuhr von Sauerstoff sollte daher vorzugsweise so dosiert werden, daß 1 Gramm im Fermenter befindliche Hefe etwa o,2 bis 5 mg Sauerstüff/Std., noch bevorzugter etwa o,4 bis 5 mg Sauerstoff/Std., verbrauchen kann.

Bei der Herstellung von Hefe-Biomasse hat es sich erfindungsgemäß.als besonders zweckmäßig erwiesen, den Sauerstoff in Form von Luft in den Fermenter zu geben, den Sauerstoffpartialdruck im Fermenter unter o,o5 atm., vorzugsweise unter o,a1 atm., zu halten und die Menge an zugegebenem Sauerstoff so zu regeln, daß 1 Gramm Hefe während ihrer Verdoppelungszeit (d.i. bei kontinuierlichen Verfahren die mittlere Aufenthaltszeit der Hefe im Fermenter) nächstens 4oo mg Sauerstoff verbraucht, um eine möglichst hohe Hefeausbeute, bezogen auf das Substrat, wie Glukose, zu erhalten. Der Sauerstoffverbrauch für optimale Ausbeuten liegt erfindungsgemäß vorzugsweise bei etwa 35a - kaa mg Sauerstoff pro Gramm produzierte HTS. Bei höherem Sauerstaffverbrauch wird zuviel Substrat veratmet und die Ausbeute sinkt.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßgen Verfahrens erfolgt die Kreislaufführung des flüssigen Fermenterinhalts unter Ausnutzung mindestens eines Teils des bei der Gärung entstehenden Gases,

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indem Gas in einem Teil des flüssigen Fermenterinhalts für eine definierte Mammutpumpenüiirkung zur Erzielung des Kreislaufs angereichert wird.

Zu erfindungsgemäß einsetzbaren Hefen bzw. Mikroorganismen zählen die üblichen Brennerei- und Brauerreihefen, Weinhefen, Futterhefen, alkD-holproduzierende Pilze oder Bakterien, usw.,

Gemäß einer bevorzugten Ausgesaltung des erfindungsgemäBen Verfahrens werden zur Gärung zellhaufen-, kugel-, flocken-, granula- oder klümpchenbildende Hefen eingesetzt, wodurch das V/erfahren unter Umsetzung einer größeren Menge an süßer Maische in einem bestimmten Fermentervolumen durchführbar wird. Man verwendet somit zweckmäßig Hefestämme, die nicht wie die üblicherweise eingesetzten Hefen praktisch einzellig wachsen, sondern Hefe, die vielzellige, vorzugsweise zellhaufen-, kugel-, flocken-, granula- oder klümpchenbildende Aggregate bildet. Erfindungsgemäß wird dabei die Kreislaufströmung so schnell gewählt - beispielsweise durch geeignete Wahl des oberen Schachtquerschnittes und/oder durch Drosseln der zusätzlich eingeleiteten Gasmenge in den Schacht - daß die Hefeklumpen sich nirgends endgültig absetzen können und andererseits nicht durch zu große Turbulenzen zu voluminösen Flocken zerrissen werden. Die Kreislaufströmung wird dabei zweckmäßig so geführt, daß die Strömungsgeschwindigkeit vorzugsweise im Bereich von etwa Io - 2o cm/sek. liegt, so daß die Hefeklümpchen nicht wesentlich größer als etwa 1oo mm werden. Der Überlauf der Vorrichtung wird zweckmäßigerweise so angeordnet, daß die Hefeklümpchen den Fermenter nicht ungewollt verlassen können. Bei nicht partikelfreien Maischen, z.B. aus Getreide, gelingt eine Hefeanreicherung im Fermenter dadurch, daß man den eigentlichen Überlauf in einem vertikal angeordneten Rohr anbringt, und daß man in dem Rohr eine kreisförmige Strömung van wenigen cm/s, beispielsweise durch langsames Drehen des Rohres erzeugt. Die Rohrwand kann spiralförmig sein, so daß die sich an ihr infolge der Zentrifugalwirkung sammelnden Partikel in den Fermenter zurückbefördert werden. Die mit Partikeln und damit mit Hefe angereicherte Maische muß nun kontinuierlich durch Abziehen eines bestimmten Teiles vor einer Überanrei-

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cherung mit Partikeln bzw. Hefeklümpchen bewahrt uierden.

Erfindungsgemäß vergärbare Rohstaffe sind beispielsweise zuckerhaltige Rohstoffe, ujie Melasse, Cellulosehydrolysate, z.B. Sulfitablauge, Obstsäfte usw., sowie Getreide, Kartoffeln u.a.m.

Die optimalen Vergärungstemperaturen und pH-lderte liegen beim Verfahren der Erfindung in den üblichen Bereichen.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die aus dem Fermenter ablaufende Maische, gegebenenfalls durch Zurückhalten der Hefe im ersten Fermenter, in einen oder mehrere weitere nachgeschaltete Fermenter überführt werden. Zusätzlich kann man in den oder die weiteren Fermenter substratreiche Lösungen einfünren.

Durch umfangreiche Versuche konnte bewiesen werden, daß ein einstufiges Verfahren gemäß der Erfindung in jedem Fall wirtschaftlich ist. Da bei dem erfindungsgemäßen Verfahren während der Gärung die Hefe laufend mit einer wesentlich höheren Sauerstoffmenge als bei bekannten Verfahren regeneriert wird, hat sie auch über lange Zeiträume erheblich höhere Gärleistungen. Die Ausbeuten an Alkohol entsprechen dabei den üblichen Werten, werden jedoch in wesentlich kürzeren Zeiten erzielt. Da z.B. bei der enzymatischen Verzuckerung von Getreidemaischen zunächst noch unvergärbare Otoligo- und Polysaccharide übrigbleiben, die erst im Verlaufe der Gärung nachverzukkert werden müssen, bevor sie von der Hefe vergoren werden können, herrschen im Gegensatz zu bisher bekannten Verfahren beim erfindungsgemäßen Verfahren auch theoretisch optimale IMachverzuckerungsbedingungen. Es wurde gefunden, daß in der gärenden Maische beim erfindungsgemäßen Verfahren praktisch keine verzuckerbaren höhermolekularen Saccharide mehr vorkommen und daß somit nicht uie bei den anderen Verfahren die Nachverzuckerung die Gärgeschwindigkeit limitiert. Dadurch werden haischen aus stärkehaltigen Rohstoffen mit äquivalenter Hefemenge im Fermenter ebenso schnell vergoren wie z.B. Melasse-Maischen. Bei Maischen ohne größeren Feststoffanteil können durch das oben beschriebene einfache Zurückhalten der Hefeklümpchen

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im Fermenter Hefemengen bis zu 5 χ Io Zellen/ml, entsprechend etwa Ido g Hefetrookensubstanz (HTS) prD Liter gärende Maische gehalten werden. Dadurch können bei einem Zuckergehalt in der süßen Maische (gerechnet als Glukose) von rund 15o g/l etwa 5 Liter und bei etwa 3o g/l etwa 25 - 5o Liter süße Maische je Liter Fermentercolumen täglich auf Alkohol vergoren werden. Es ist dabei möglich, täglich bis zu mehr als 1oo g Hefetrockensubstanz je Liter Fermentervolumen zu gewinnen, wenn man für ausreichende Mengen an ftlährsalzen und Sauerstoff sorgt.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit einer definierten Selbstumwälzung des Fermenterinhalts ist dadurch ausgezeichnet, daß im Fermsnter sich nach oben verjüngende, schachtfarmige, vertikal angeordnete Einbauten installiert sind, die bis in die Nähe des Fermenter büdens reichen, und deren Querschnitt sich zum oberen Ende hin, das bis zum Flüssigkeitsspiegel reicht, verkleinert, so daß infolge der relativen Gasanreicherung im oberen Schacht eine Mammutpumpenwirkung erzeugt wird, durch die an der Sohle ties Fermenters eine Saugströmung in Richtung auf den Schacht entsteht. Die Mammutpumpenuiirkung kann insbesondere bei geringer Gasentwicklung, wie z.B. bei der Methangärung, erfindunggemäß dadurch gesteigert werden, daß außerhalb des Schachtes von der Vertikalen abweichende dachartige Gasauffangvorrichtungen angebracht werden, die das im absteigenden Flüssigkeitsstrom aufsteigende Gas auffangen und es durch geeignete Öffnungen in den Schacht einleiten, wo es verteilt wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die Vorrichtung sollen im folgenden anhand von Zeichnungen und Beispielen näher erläutert werden:

Fig. 1 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit einem hier rechteckigen Fermenter (1). 2 ist ein vertikalter Schacht, der bis zum Flüssigkeitsspiegel (3) oder Ck) reicht und sich in einem Abstand von Flüssigkeitsspiegel verjüngt (5), so daß während der Gärung eine relative Gasanreicherung im oberen Schachtteil (6) gegenüber dem mittleren Gasgehalt im Fermenterinhalt resultiert, was zu einer Mammutpumpenwirkung im Schacht (2) führt, wodurch wiederum an der

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Sohle des Fermenters (7) die durch Pfeile B gekennzeichneten Strömungen zum Schacht hin erzeugt werden. Die Strömungsgeschwindigkeiten sind vorzugsweise so groß, daß die in tier gärenden Maische vorhandenen Partikel und Hefeklümpchen sich nicht absetzen können. Die aus dem Schacht oben abfließende Maische gibt die enthaltenen Gasblasen (in Fig. 1 punktiert angedeutet) an die über dem Flüssigkeitsspiegel (3,^) befindliche Gasphase ab. Durch ein Prallblech (9) wird verhindert, daß mitgerissene Tröpfchen in den Basablauf (1o) gelangen können. Der Flüssigkeits- und Hefekreislauf wird geschlossen durch einen absteigenden Strom, gekennzeichnet durch Pfeile (11). Der Zulauf für frische Maische kann zweckmäßig am unteren Ende des Schachtes, z.B. bei 12, in den Fermenter gegeben werden. Auch die Zugabe von Sauerstoff, z.B. in Form von reinem Sauerstoff ader in Farm von Luft, kann zweckmäßig in den Schacht, z.B. bei 13 erfolgen, wodurch die Mammutpumpenwirkung im Schacht noch unterstützt wird. Die Sauerstoffzufuhr kann jedoch auch an anderen Stellen im Fermenter erfolgen, z.B. im Gegenstrom in den absteigenden Flüssigkeitsstrom (11). Flüssigkeit kann entweder über einen einfachen Ablauf (1^) oder einen mit Bsruhigungszone (15) ausgerüsteten Ablauf (16) oder dgl. aus dem Fermenter abfließen.

Fig. 2 In Fig. 2 sind seitlich am Schacht (2) dachartige Gasauffangvorrichtungen (17) angebracht, die so angeordnet sind, daß sie die absteigende Strömung (11) vorbeilassen und einen Teil der im absteigenden Flüssigkeitsstrom aufsteigenden Gasblasen auffangen und das Gas (22) über geeignete Öffnungen (18) in den Schacht leiten. Der Schacht selbst kann durch weiters Einbauten (19) in mehrere Schächte unterteilt werden, so daß beispielsweise der sauerstoffhaltige Teil der Maische langsamer aufsteigt, bedingt durch den höheren Flüssigkeitsspiegel (3a), so daß eine bessere Sauerstoffausnutzung erfolgt.

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Die Form des Schachtes braucht nicht rechteckig zu sein; so kann man z.B. bei zylindrischen Fermentern einen ringförmigen Schacht benutzen. Es ist auch möglich, den Fermenter entspr. Fig. 3 mit vertikal aufgestellten, rohrartigen, sich erfindungsgemäB nach oben hin verjüngenden Einbauten (2o) zu versehen, die für-einen aufsteigenden Maischestram sorgen, der noch durch kegelförmig an die Rohre angebrachte Gassammler (21), durch die zusätzlichee Gas aus der absteigenden Maische in die Rohre eingeleitet werden kann, unterstützt wird.

Die sich nach oben verjüngenden, schachtförmigen Einbauten (2o) können doppelwandig ausgebildet sein und Kühlmittel (23) aufnehmen.

Das Anfahren des Fermenters erfolgt zweckmäßig so, daß man in den zunächst leeren Fermenter süße Maische pumpt und diese anfangs mit einer möglichst großen Menge an Hefe, beispielsweise 1o g HTS/1, beimpft. Während sich der Ferrnenter langsam mit Maische füllt, die in Gärung übergeht, belüftet man den Fermenterinhalt so stark, daß sich während des Auffüllens die für den kontinuierlichen Prozess gewünschte Hefemenge bildet. Wenn der Fermenter bis zum Überlauf gefüllt ist, prüft man, ob die Vergärung vollständig ist, sonst wartet man so lange, bis im Fermenterinhalt praktisch keine vergärbares Substrat mehr nachzuweisen ist (z.B. mit Glukose-Teststäbchen). Nun stellt man die Belüftung so ein, daß von 1 g gärender Hefe täglich etwa 1o - 2o mg Sauerstoff aufgenommen werden können. Eine Belüftung der zufließenden Maische reicht dafür bei weitem nicht aus. Man stellt dann die Geschwindigkeit des Zulaufes an frischer Maise so ein, daß im gesamten Fermenterinhalt höchstens 5 g/l vergärbares Substrat (gerechnet als Glukose), vorzugsweise weniger als 1 g/l, nachgewiesen werden. Aus der Zulaufgeschwindigkeit und dem Fermenterinhalt kann man die mittlere Aufenthaltszeit für die Maische im Fermenter errechnen. Die Strömungsgeschwindigkeit der gärenden Maische im hreislauf soll nun so groß gewählt werden, daß beispielsweise bei einer Glukosekanzentration von 15o g pro Liter der süßen Maische der Kreislauf im Fermenter von der gärenden Maische mindestens 15o mal, vorzugsweise 1ooo mal und öfter, während der mittleren Aufenthaltszeit durchlaufen wird. Nur bei diesen Verhältnissen

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ist sichergestellt, daß zwar die Hefe, nicht aber die Infektionskeime, qute Bedingungen vorfinden. Im allgemeinen ist eine Behandlung der gärenden Maische mit Desinfektionsmitteln wie z.B. Formalin oder Pentachlorphneol, nur notwendig, uienn man die Zuckerkonzentration im Fermenter auf über 1 g/l ansteigen läßt. Im allgemeinen ist die abfließende gärende Maische innerhalb weniger Minuten, also z.B. auf dem Weg zum Destillations-? apparat, vergoren.

Auch beim Arbeiten mit klümpchenfärmig wachsender Hefe und mit sehr hohen Hefemengen ist es wesentlich für den Erfolg des erfindungsmMBigen Verfahrens, daß man bei möglichst niedriger Zuckerkonzentation im gesamten Fermenter arbeitet, um Infektionskeimen keine Möglichkeit für eine schnelle Vermehrung zu geben. Soe ist es möglich, schwach konzentrierte Maischen innerhalb weniger Stunden praktisch infektionsfrei zu vergären, obwohl hierbei die entstehenden Alkoholkonzentrationen noch kaum eine Desinfektionswirkung auf Milchsäurebazillen etc. haben.

Da die Gärgeschwindigkeit der Hefe mit steigender Alkoholkonzentration abnimmt, wurden bisher überwiegend mehrstufige Verfahren entwickelt, wenn man beispielsweise eine Endkonzentration von 1o Vol.% Alkohol erreichen Wollte.

Prinzipiell kann man auch das erfindungsgemäße Verfahren mehrstufig fahren, indem man die Zulaufmenge an Zucker für jede Stufe so einstellt, daß in jeder Stufe die jeweils zugegebene Zuckermenge vollständig vergoren wird und die Zuckerkonzentration in jeder Stufe unter 1 g/l liegt. Es wurde zwar unter den charakteristischen Bedingungen des erfindungsgemäßen Verfahrens gefunden, daß normale Brennerei-Hefe Csacch. cer.) noch bei 6 Vol.% Alkohol eine Gärrate von etwa 1 ml CJi DH/gHTS · Std. hat und damit weit höhere Geschwindigkeiten als bisher bekannt erreicht werden, es wurde aber auch gefunden, daß die Gärrate bei 1o Vol.% noch etwa o,^ - o,5 ml C HgDH/g HTS · Std. beträgt. Da bei mehrstufigem Betrieb ein erheblich höherer Investitionsaufwand notwendig ist, dürfte ein mehrstufiges Verfahren sich nur dort lohnen, wo man gezwungen ist, die Produktionsleistung auf engstem Raum zu steigern.

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Das erfindungsgemäße Verfahren kann ebenfalls sehr gut für die Produktion van Hefe-Biomasse eingesetzt werden. - Es hat sich gezeigt, daß man das beschriebene Kreislaufverfahren mit klümpchenförmig wachsender Hefe besonders vorteilhaft einsetzen kann und daß es dabei sehr leicht möglich ist, nicht zu verhindernde Infektionen mit Fremdkeimen einzudämmen.

Da man mit der beschriebenen klümpchenformig wachsende Hefe noch ein ausreichendes fließfähiges Gemisch mit rund 1oo g Hefetrockensubstanz pro Liter im Fermenter halten und das aus dem Fermenter abfließende Gemisch durch einfaches Absitzenlassen in wenigen Minuten auf 15 % HTS und mehr einengen und damit eine erhebliche Verbilligung der Gewinnung erzielen kann, empfiehlt es sich, mit einer möglichst hohen Hefemenge im Fermenter zu fahren. Um nun keine Ausbeuteverluste infolge zu langer Verdoppelungszeiten in Kauf nehmen zu müssen, empfiehlt es sich, nicht nur bei einer möglichst niedrigen Substratkonzentration, also bei weniger als 1 g Glukose / 1 im gesamten Fermenterinhalt, zu fahren, sondern auch bei möglichst niedriger Sauerstoffkonzentration. Es hat sich gezeigt, daß man gute Ausbeuten dann erzielt, uenn man die hinzugegebene Luftmenge so einstellt, daß das aus dem Fermenter abfließende Gas weniger als 1 Vol.% Sauerstoff enthält. Dazu ist es ggf. erforderlich, das Fermentergas nft-"mals durch die Flüssigkeit zu leiten. Es hat sich als besonders günstig erwiesen, als Rührvorrichtung unter diesen Bedingungen den aus tier Abuasseftechnik bekannten "Tauchuickel" zu benutzen. Mit dieser Vorrichtung ist es möglich, die unter diesen Verfahrensbedingungen notwendigen Sauerstoffmengen von 35a - 4oo mg pro Gramm produzierter Hefe in die Flüssigkeit einzutragen, so daß man über 1oo Gramm Hefe-Trockensubstanz je Liter Fermenterinhalt und Tag produzieren kann. Wenn man den Fermenter mit der beschriebenen Rückhaltevorrichtung für die Hefe ausrüstet, kann man Flüssigkeit beispielsweise innerhalb 1 Std. oder in noch kürzeren Abständen durch den Fermenter leiten. Diese Maßnahme allein genügt bereits, um Infektiünskeime an einer zu starken Vermehrung im Fermenter zu hindern. Die abfließende Flüssigkeit kann mit Nährstoffen substituiert, sterilisiert und in den Fermenter zurückgeführt werden. Es ist aber auch möglich, die Nährstoffkonzentration in der zulaufenden Maische so groß zu wählen, daß

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daraus etwa Iod g Hefe-Trockensubstanz gebildet werden können. In jedem Fall ist für peinliche Sauberkeit in den Zulaufleitungen zu sorgen. Die Leitungen werden am zweckmäßigsten im Abstand von wenigen Tagen gereinigt, lüsnn man den Fermenter mit einer Rückhaltevorrichtung für Hefeklümpchen ausrüstet, kann man gjf. im Abstand von wenigen Tagen eine Durchspülung des Fermenters mit schwacher Schwefelsäure oder Milchsäure oder dgl. vornehmen, ohne daß dabei die Hefe den Fermenter verläßt und so Infektionskeime abtöten. Die Unterbrechung des kontinuierlichen Verfahrens braucht in diesem Fall nur wenige Stunden zu betragen.

Allgemein hat es sich als günstig erwiesen, die absoluten Geschwindigkeiten des ständig im Kreislauf fließenden Fermenterinhalts im Bereich von 5 - 1oo cm/sek., vorzugsweise 1o - 2o cm/sek., zu halten, wobei die Fließgeschwindigkeit in aufsteigneder Richtung in jedem Fall größer sein muß als die Sinkgeschwindigkeiten der Hefeklümpchen oder Maischepartikel. Größere Schergeschwindigkeiten, durch die die Hefeklümpchen mehr als erwünscht zu vpluminösen Flocken zerrissen werden können, sind zu vermeiden, da sich gezeigt hat, daß Klümpchenförmige Hefe schneller gärt.

Hierdurch kann man auch andere Mikroorganismen im kontinuierlichen Kreislauf zu Klümpchen zusammenwachsen lassen und damit das hier für Hefe ausführlich erläuterte l/erfahren praktisch auf alle flockenbildenden Mikroorganismen übertragen.

o,1 1/sek. Maische aus enzymatisch verzuckertem Getreide CSubstratkonzentration 145 g/l, gerechnet als Glukose) werden kontinuierlich in einen erfindungsgemäß eingebauten Fermenter gegeben, der Sooo 1 Inhalt hat und in dem die Menge an gärender Hefe etwa k g ΗΤΞ/1 (z.B. Saccharamyces nerevisiae) beträgt; außerdem wird Lufteingeblasen, so daß ein Sauerstoffverbrauch von stündlich 12,8 g CL erfolgt (entsprechend o,2 mg 0_?/g HTS). Unter diesen Bedingungen liegt die Substratkonzentration unter 1 g/l, die gärende Maische enthält etwa 8,5 Vol.% Alkohol und ist nach dem Über-

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laufen aus dem Fermenter innerhalb van etua 2a Minuten, also z.B. auf dem Ulege zur Destillationsapparatur, praktisch substratfrei vergoren.

Beisgiel_2

Unter Verwendung von granulabildenden Hefestämmen und einer erfindungsgemäßen Heferückhaltevorrichtung können in einem Fermenter mit gleichem Fassungsvermögen ude in Beispiel 1 o,15 1/sek. Maische bei gleicher Konzentration unter Zugabe von 19,2 g CL/Std. und einer Hefemenge von 6 g HTS/1 im Fermenter praktisch vollständig vergoren werden.

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Claims (1)

1. - V 242 -

   Patentansprüche

   (1^ Verfahren zur kontinuierlichen Vergärung von Maischen für die Gewinnung von Alkohol und/oder Hefe-Biomassen in Gegenwart von Sauerstoff in einem Fermenter, aus welchem eine der Zulaufmenge an süßer Maische entsprechende Menge vergorener Maische abläuft, unter Umwälzung des Fermenterinhalts, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergärung annähernd unter Endvergärungsbedingungen erfolgt, der gesamte flüssige Fermenterinhalt im Fermenter einstufig im Kreislauf mit einer solchen Geschwindigkeit geführt und die süße Maische unter rascher Durchmischung in mindestens einen Teil des umlaufenden Stroms so dosiert wird, daß im Fermenter im wesentlichen homogene Gärungsbedingungen herrschen, wobei im mindestens einen KrEislaufteilstrom kontinuierlich Sauerstoff oder ein Sauerstoffgemisch in einer solchen Menge eingebracht wird, daß 1 Gramm im Fermenter befindliche Hefe mindestens o,2 mg/Sauerstoff/Std. verbrauchen kann.

   2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man mindestens einen Teil des bei der Gärung entstehenden Gases unter Anreicherung in einem Teil des flüssigen FErmenterinhalts für eine definierte Mammutpumpenwirkung zur Erzielung des Kreislaufes nutzt.

   3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentration an vergärbarem Substrat im Fermenter höchstens 5 g/l, vorzugsweise weniger als 1 g/l, berechnet als Glukose, beträgt.

   k. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß Sauerstoff oder ein Sauerstoffgemisch in einer solchen Menge eingebracht werden, daß 1 Gramm im Fermsnter befindliche Hefe o,2 mg/Std. bis

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   - 15 etua 5 mg/Std. Sauerstoff verbraucht.

   5. Verfahren nach Anspruch k, dadurch gekennzeichnet, daß Sauerstoff oder ein Sauerstoffgemisch in einer solchen Menge eingebracht herden, daß 1 Gramm im Fermenter befindliche Hefe a,k bis 5 mg Sauerstoff pro Std. verbrauchen.

   6. Verfahren nach Anspruch 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß Sauerstoff in Form von Luft in einer solchen Menge eingebracht wird, daß von 1 Gramm Hefe höchstens koa mg Sauerstoff während der mittleren Aufenthaltsdauer der Hefe im Fermenter verbraucht werden können und der Sauerstoffpartialdruck im Fermenterinhalt unter o,o5 atm., vorzugsweise unter a,o1 atm., liegt.

   7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die aus dem Fermenter ablaufende Maische, gegebenenfalls nach Zurückhalten der Hefe im ersten Fermenter, in einen oder mehrere uieitere nachgeschaltete Fermenter übergeführt wird.

   B. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß man zusätzlich in den Dder die weiteren Fermenter substratreiche Lösungen einführt.

   9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Gärung eine zellhaufen-, kugel-, flocken-, granula- oder klümpchenbildende Hefe eingesetzt wird.

   10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Umlaufgeschwindigkeit des flüssigen Fermenterinhalts auf etwa 5 - 1oo cm/ sek., vorzugsweise etwa 1o - 2o cm/sek., eingestellt wird, wobei die Fjiteegeschwindigkeit in aufsteigender Richtung größer ist als die Sinkgeschwindigkeit der festen Partikeln.

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   11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb einer Beruhigungszane Flüssigkeit langsamer aufsteigt als der Sinkgeschwindigkeit dieser Hefe entspricht und am oberen Ende der BeruhiqungszQne ein Überlauf erfolgt.

   12. l/erfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß man eine partikelhaltige Maische vergärt und die Beruhigungszane aus einem sich langsam drehenden, vertikalen Rohr im Fermenter besteht.

   13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergärung praktisch ahne Hefeaustrag aus dem Fermenter erfolgt, indem in der Maische nur so viel Nährsalz vorgegeben wird, wie zur Regenerierung der Hefe im Fermenter erforderlich ist, so daß keine Hefe-Vermehrung stattfindet.

   14. Vorrichtung zur kontinuierlichen Vergärung von Maische unter Gasentwicklung, gekennzeichnet durch einen Fermenter mit sich nach oben verjüngenden, schachtförmigen, vertikal angeordneten Einbauten, die sich bis in die Nähe des Fermenterbodens erstrecken und deren oberes Ende bis zum Flüssigkeitsspiegel reicht, so daß infolge der relativen Gasanreicherung im oberen Schachtteil eine Mammütpumpenwirkung erzeugt uiird, wodurch an der Sohle des Fermenters eine Saugströmung "in Richtung auf den Schacht hin hervorgerufen wird.

   15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß außerhalb des Schachtes von der Vertikalen abweichende, dachartige Basauffangvorrichtungen angebracht sind, durch welche das im absteigenden Flüssigkeitsstrom aufsteigende Gas aufgefangen und durch Öffnungen in den Scha cht geleitet wird.

   16. Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß in den Fermenter ein senkrecht angeordnetes, drehbares Rohr reicht,

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   über dessen oberen Teil vergorene Maische, z.B. mit als Überlauf, abgezogen ujird.

   17. Uorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrwand spitalenförmig ausgebildet ist.

   18. Uorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daB die sich nach oben verjüngenden schachtförmigen Einbauten doppelwandig ausgebildet sind und ein Kühlmittel aufnehmen können.

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