DE2543307A1 - Verfahren und vorrichtung zum vergaeren von kohlehydrathaltigem naehrsubstrat - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum vergaeren von kohlehydrathaltigem naehrsubstrat

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DE2543307A1 DE19752543307 DE2543307A DE2543307A1 DE 2543307 A1 DE2543307 A1 DE 2543307A1 DE 19752543307 DE19752543307 DE 19752543307 DE 2543307 A DE2543307 A DE 2543307A DE 2543307 A1 DE2543307 A1 DE 2543307A1
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Description

PATENTANWÄLTE Lui'L.-lNG. ALEX STENGER
D-4000 DÜSSELDORF 1 3 D1PL.-ING. WOLFRAM WATZKE
Malkastenstiaße2 DIPL.-ING. HEINZ J. RING
l6 2^0 Datum: 26. September 1975
Standard-Messo Duisburg Gesellschaft für Chemietechnik mit beschränkter Haftung & Co.,
4100 Duisburg 1, Sonnenwall 85
Verfahren und Vorrichtung zum Vergären von kohlehydrathaltigem Nährsubstrat
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Vorrichtung zum Vergären von kohlehydrathaltigem Nährsubstrat, insbesondere von Melasse bei der Darstellung von Citronensäure, bei der die Gärlösung in einer keimfreien Gärkammer mit einem Gärungserreger beimpft wird, in einer Keimphase eine die gesamte Oberfläche der Gärlösung bedeckende Schicht des Gärungserregers ausgebildet wird und anschließend in einer Gärphase unter Luftzufuhr die Umsetzung des Zuckers zu Citronensäure stattfindet.
Zur technischen Darstellung von Citronensäure ist es seit der Entdeckung des Citronensaurebildungsvermögens gewisser Schimmelpilze, vor allem Aspergillus-Arten, bekannt, kohlehydrathaltige Nährsubstrate als Ausgangsmaterial einem Gärprozeß zu unterwerfen. Als Nährsubstrate finden u.a. zuckerhaltige Produkte bzw. Stärke oder stärkehaltige Rohstoffe nach der Verzuckerung, insbesondere jedoch Melasse,-Verwendung . Das zu vergärende flüssige Nährsubstrat wird zunächst auf einen Zuckergehalt von 12 bis 20 % gebracht und mit Nährsalzen und eventuell gärungsfordernden Zusätzen versehen. Es wird dann nach Einstellung des günstigsten pH-Wertes sterilisiert. Das sterilisierte Gärsubstcat läßt man aus dem Kocher durch sterile Leitungen in flache Schalen, die man als Gärwannen bezeichnet, laufen, die in die sogenannten Gärkammern übereinander angeordnet sind. Vor der Beschickung müssen die Wannen und Kammern mit Desinfektionsmitteln keimfrei gemacht werden. Alle Maßnahmen, die zu einer
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sterilen Gärführung erforderlich sind, müssen mit besonderer Sorgfalt getroffen werden, da sonst empfindliche Störungen durch Infektionen, Penicillium-Arten, Hefen oder Bakterien, unvermeidlich sind. Hierin ist ein wesentlicher Nachteil des Standes der Technik zu sehen.
Nach Einfüllung der Gärlösung in die Wannen wird mit den Sporen des Mikroorganismus beimpft. Während der etwa zwei Tage andauernden Keimphase erfolgt keine Wärmeentwicklung, da in dieser Zeit noch keine Citronensäure entsteht, sondern lediglich eine zusammenhängende Pilzdecke gebildet wird. Ohne zusätzliche Wärmezufuhr würde die Gärlösung aufgrund der Abstrahlung soweit abgekühlt,daß die für die Keimung notwendige Temperatur unterschritten würde. Außerdem ist eine geringe Menge an Sauerstoff erforderlich.
Bisher wird der Verlust an Wärme durch Abstrahlung in der Keimphase durch Einbringen einer großen Menge konditionierter Luft, d.h. temperiert und befeuchtet nach Bedarf, ausgeglichen. Die Problematik liegt hierbei in der erforderlichen Sterilität der eingeblasenen Luft. Bei der großen Menge, die nötig ist, um die Temperatur der Gärlösung nicht in Bereiche abfallen zu lassen, die eine erfolgreiche Gärung verhindern, ist die Anforderung, diese großen Luftmengen auch noch steril in die Kammern einzubringen, nur mit großem Aufwand zu erfüllen. Die Forderung nach hoher Sterilität ist aber gerade für die Keimphase entscheidend wichtig, da sonst Minderausbeuten und in manchen Fällen sogar Totalausfälle result3a?en. Da die großen Luftmengen als Wärmeträger benötigt werden, ist es bei der Größe der Klimaanlage zur Temperierung und Befeuchtung und den zugehörigen Filtern nicht gewährleistet, daß mit der großen Luftmenge nicht auch Infektionen in die Kammern eingeschleppt werden.
Nachdem sich die Pilzdecke innerhalb der Keimphase gut entwickelt hat, kommt die Citronensaurebildung in Gang und die sogenannte Gärphase beginnt. Sie Ja gekennzeichnet dadurch, daß bei der Umsetzung des Zuckers in Citronensäure große Wärmemengen frei werden, die aus den Kammern entfernt werden müssen. Der Gesamtprozeß
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dauert etwa 7 bis H Tage. Es werden etwa 60 bis 90 % des ursprünglich vorhandenen Zuckers in Citronensäure umgewandelt. Die Gärflüssigkeit wird dann aus den Schalen abgezogen und in Bottiche geleitet, in denen die Säure mit Kalkmilch als Calciumcitrat gefällt wird. Die Pilzdecke wird gewaschen und abgepreßt und das Waschwasser mit der konzentrierten Citronensäurelösung im Päll-Bottich vereinigt. Nach den bisherigen Verfahren wird sowohl die Heizluft, die während der Keimphase notwendig ist, wie die Kühlluft, die in der Gärphase die Abführung der Wärme besorgt, über nur ein einziges kombiniertes Heiz-/Kühlsystem in die Kammern gefördert.
Zusammenfassend kann festgestellt werden, daß diese Praxis sich negativ auf die Betriebssicherheit des Verfahrens auswirkt. Da die der Kammer in der Keimphase zugeführte Luft als Wärmeträger zur Temperaturhaltung der Gärlösung benutzt wird und die Mengen daher entsprechend groß sein müssen, sind trotz aller Bemühungen, die Sterilität der Luft zu gewährleisten eben wegen der großen Mengen, Infektionen nicht auszuschließen. Die Steuerung der Gärlösungstemperatur erfolgt über ein kompliziertes Regelsystem mit mehrfach variablen Abhängigkeiten, in dem sowohl die Luftmengen als auch deren Temperaturen und Feuchten entsprechend den geforderten Gärklimata eingestellt werden.
Die Luft, die in der Keimphase der Kammer zugeführt wird, hat wegen der erhöhten Anfälligkeit der Gärlösung für Infektionen in dieser Phase besonders gut gefiltert» sogar sterilisiert zu sein, was einen großen Aufwand in Anbetracht der verwendeten Luftmengen bedeutet. Beim Ausfall einer der vorgenannten notwendigen Bedingungen zur Verfahrensführung kann es entweder zu Infektionen oder zu Unterkühlung der Gärlösung kommen, womit schlechte Gärausbeuten bzw. der Ausfall einer Kammer verbunden sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Vergären von kohlehydrathaltigen Nähr subs trat en zu schaffen, das eine sichere und gegenüber dem Stand der Technik vereinfachte Durchführung des Gärprozesses gestattet und den anzu-
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wendenden Aufwand für Filtrierung, Sterilisierung und Konditionierung der zuzuführenden Luft bei einer Verringerung der Anfälligkeit gegen Infektionen wesentlich verkleinert.
Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch ein Verfahren gelöst,das dadurch gekennzeichnet ist, daß in der Keimphase über Grob-Fein-Absolut-Filter, UV-Schleuse und Überhitzung auf 120°C vorbehandelte, hochsterile Luft in derart geringer Menge der Gärkammer zugeführt wird, daß diese unter leichtem Überdruck gehalten wird und daß die Heizung der Gärkammer von der Luftzufuhr getrennt und unabhängig ist, und daß in der Gärphase die Zuführung der hochsterilen Luft und die Heizung abgeschaltet werden und frische, normal gefilterte, unkonditionierte Luft jeweils in einer solchen Menge zugeführt wird, daß die Gärlösung auf optimaler Gärtemperatur giialten wird. Hieraus ergibt sich als Wesen der Erfindung die Lehre, zwei Luftsysteme für eine Gärkammer vorzusehen, nämlich ein Luftsystem für die Keimphase mit hochsteriler Luft und ein zweites Luftsystem für die Gärphase mit frischer, unkonditionierter, nur gefilterter Luft. Die während der Keimphase erforderliche Heizung ist vom Luftsystem unabhängig vorgesehen und kann je nach spezifischen Eigenschaften der jeweiligen Anlage ausgeführt sein. Die Maßnahme, nur soviel Luft in der Keimphase in die Gärkammer einzuleiten, daß diese unter leichtem Überdruck gehalten wird, beruht auf der Erkenntnis, daß während der Keimphase kaum Luft zugeführt werden muß, da der Sauerstoffbedarf sehr going ist. Aus Sterilhaltungsgründen ist es jedoch erforderlich, eine bestimmte Quantität Luft zuzuführen, damit die Kammer unter leichtem Überdruck gehalten werden kann, welcher verhindert, daß ungefilterte Luft durch Undichtigkeiten in die Kammer eindringt. Zweckmäßigerweise wird soviel Luft zugeführt, daß der Überdruck zwischen 5 und 50mm W.S. in der Kammer beträgt. Nur für die dafür erforderliche Luftmenge ist ein hochwertiges Sterilisationssystem zu installieren. Im Vergleich zu den bisher geübten Praktiken werden nur etwa 1 # der Luftmengen benötigt. Es ist von Vorteil, daß hierzu keine Automatik und kein Regelsystem erforderlich ist. Es braucht nur ein einfaches Schaltventil zum öffnen und Schließen der Luftzufuhr vorgesehen werden.
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Hiermit sind die Bedingungen für die Keimphase in optimaler Weise erfüllt. Die Kammer wird warmgehalten durch eine unabhängige Heizung und sie wird unter Druck gehalten durch die Zuführung von sterilisierter Luft in geringer Menge.
Beim Verlauf einer Gärcharge sinkt die Temperatur der Gär lösung nach Füllung und Beimpfung zunächst ab und die Wärmeentwicklung bei Beginn des Gärprozesses heizt die Lösung sodann wieder auf, so daß ein typischer Kurvenverlauf für die Temperatur der Gärlösung entsteht. Bei Beginn der Gärphase muß die Temperatur der Gärlösung durch Kühlen auf einer bestimmten günstigen Höhe gehalten werden. Dies geschieht durch die Zuschaltung des zweiten erfindungsgemäß vorgesehenen Luftsystems nach Abschaltung des ersten, vorbeschriebenen Luftsystems. In der Gärphase wird frische, normal gefilterte, unkonditionierte Luft zugeführt, mit der die Temperatur der Gärlösung während der Gärphase konstant gehalten wird. Die Filterung der Luft bei der Gärphase braucht bei weitem nicht Jenen Vollkommenheitsgrad zu haben, wie er für die Keimphase erforderlich ist, daß die Gärlösung in der Phase der Gärung weitaus weniger anfällig für Infektionen ist. Zur Absicherung gegen Untertemperaturen während der Gärphase die etwa im Winter auftreten können, ist eine Möglichkeit zur Erwärmung der Luft vorzusehen. Bei zu warmer, gesättigter Luft z.B. in tropischen Ländern, muß eine entsprechende Kühlung vorgenommen werden.
Zusammengefaßt ergibt sich&aher als Vorteil der erfindungsgemäßen Lehre eine wesentliche Verringerung des apparativen Aufwandes, eine betriebssichere, kostengünstige Verfahrensführung unter Erreichung einer hohen Leistungsausbeute.
Weitere zweckmäße Ausgestaltungen des Verfahrens der Erfindung sind in den Unteransprüchen beansprucht.
Die VouAchtung zur Durchführung des Verfahrens zum Vergären von kohlehydrathaltigen Nährsubstraten, insbesondere von Melasse bei der Darstellung von Citronensäure, ist erfindungsgemäß gekennzeichnet durch eine Gärkammerheizung und zwei hiervon unabhängige Luftsysteme für die Keimphase einerseits und die Gärphase
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andererseits, wobei das eine Luftsystem zur Zufuhr geringer Mengen an in einer Sterilisationsvorrichtung keimfrei geraachter Luft und das zweite Luftsystem.als Kühlsystem zur Einhaltung einer konstanten Temperatur in der Gärlösung ausgelegt sind.Zweckmäßie Ausgestaltungen der Vorrichtung der Erfindung sind in den Unteransprüchen beansprucht.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der zugehörigen Zeichnung, deren einzige Figur schematisch eine Gärkammer einer Citronensäure-Produktionsanlage zeigt.
Als Ausgangsmaterial für die Citronensauregarung wird Melasse verwendet. Die Melasse wird mit gärungsfordernden Zusätzen veraäien und nach Einstellung des günstigsten pH-Wertes sterilisiert. Diese sterilisierte Gärlösung gelangt durch sterile Leitungen in die Gärkammer 2, in der flache Wannen 3 zur Aufnahme der Gärlösung übereinander angeordnet sind. Vor der Beschickung sind die Gärkammer 2 und die Wannen 3 keimfrei gemacht worden.
An die Gärkammer 2 sind zwei voneinander getrennte Luftsysteme 4 und 5 angeschlossen. Das Luftsystem 4 ist für die Keimphase vorgesehen und das Luftsystem 5 wird in der Gärphase eingeschaltet. Die Gärkammer 2 ist außerdem mit einer Wandheizung 6 ausgerüstet. Durch diese Maßnahmen ist die erfindungswesentliche strenge Trennung von Keim- und Gärphase ermöglicht. Das Luftsystem für die Keimphase besteht aus Grobfilter 4.1, Ventilator 4.2, Peinfilter 4.3, Absolutfilter 4.4, UV-Schleuse 4.5, Luftüberhitzung 4.6 und Ventil 4.7 sowie zugehörigen Leitungen. Die Wandheizung 6 besteht aus in sämtlichen Wänden, Decke und Boden vorgesehenen Heizelementen herkömmlicher Art.
Ferner ist an die Gärkammer 2 das Luftsystem 5 flr die Gärphase angeschlossen, welches im wesentlichen aus Grobfilter 5.!,Ventilator 5.2, Absolutfilter 5·3 und Ventil 5.4 sowie den zugehörigen Leitungen besteht, durch welche unkonditionierte, normal gefilterte Luft der Gärkammer 2 zugeführt werden kann.
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Für extreme Temperaturen muß eine Vorrichtung eingeplant werden, die z.B. im Winter zu kalte Luft vorerwärmt bzw. in tropischen Ländern, wo nur zu warme und dabei gesättigte Luft zur Verfugung steht, entsprechend herunterkühlt. Dies geschieht über einen nicht in der Figur dargestellten Teilstrom, der zwischen dem Grob-Filger 5.1 und dem Absolut-FiIter 5·3 installiert wird.Das Herausführen der Luft erfolgt über eine Luftaustrittsklappe 7·
Durch die beschriebenen Luftsysteme 5 und 4 sowie die separate Wandheizung 6 wird sichergestellt, daß während der Keimphase die Vorgänge der Luftzuführung und Kammerheizung getrennt werden. Die Gärkammer 2 wird während der Keimphase dadurch warmgehalten, daß die Wandteile, die die wesentlichen Abstrahlungs-Verluste bringen,mit den Heizelementen versehen sind, die die Wärmeverluste ausgleichen. Es findet ferner während der Keimphase eine Luftzuführung mit einer außerordentlich geringen Menge an Luft statt, da der Sauerstoffbedarf während dieser Phase so gering ist, daß die in der Kammer vorhandene Luftmenge dem Grunde nach ausreicht. Aus Sterilhaltungsgründen wird daher mit der zugeführten keimfreien Luft in der Keimphase ein leichter Überdruck hergestellt, durch den das Eindringen von verunreinigter Normalluft durch Undichtigkeiten der Gärkammer 2 in der Keimphase vermieden wird. Je nach Größe der Gärkammer 2 wird eine Luftmenge in der Größenordnung von 100 bis JOO 1117h während der Keimphase in die Gärkammer 2 eingeleitet. Diese Luftmenge ist im Luftsystem für die Keimphase 4 steril aufbereitet. Die Zuführung geschieht durch Öffnen des Auf/Zu-Ventils 4.7 in einfacher Weise.
Hiermit sind die Bedingungen für die Keimphase zum optimalen Ablauf des Keimvorgangs erfüllt. Die Gärkammer 2 wird durch die Wandheizung β ausreichend warmgehalten und durch die Zuführung der keimfreien Luft durch das Luftsystem 4 unter leichten Überdruck gesetzt.
Mit Beginn der Wärmeentwicklung bei Ingangkommen der Gärphase wird die in den Wannen 3 befindliche Gärlösung durch den exothermen Vorgang aufgeheizt. Bei einer bestimmten Temperatur in
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ίο
der Gärlösung, die die Beendigung der Keimphase und den Beginn der Gärphase anzeigt, werden das Luftsystem 4 und die Wandheizung 6 abgeschaltet und wird das Luftsystem 5* das als Kühlluftsystem ausgebildet ist, zugeschaltet. Hierzu werden die Ventile 4.7 und 5.4 umgeschaltet. Durch das Luftsystem 5 gelangt normal gefilterte Luft in die Gärkammer 2. Die Temperatur in der Gärlösung wird automatisch in an sich bekannter Weise während der Gärphase über die eingeblasene Luftmenge geregelt.
Im Gegensatz zu den bisherigen Systemen, in denen, wie eingangs beschrieben, ein Konditionieren der Luft erforderlich war, wird bei dem Luftsystem 5 in der Gärphase keinerleit Konditionierung oder Sterilesation durchgeführt. Die Luft wird unkonditioniert über die Filter 5·! und 5-5 der Gärkammer 2 zugeführt, und es ist einzig eine Sicherung gegen extrem niedrige bzw. extrem hohe und dabei gesättigte Lufttemperaturen im speziellen Pail notwendig.
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Bezugszeichenliste:
1 Leitungen
2 Gärlcammer
Gärwannen
4 Luftsystem für Keimphase
4.1 Grobfilter
4.2 Ventilator
4.3 Fein-Pilter
4.4 Absolut-Filter
4.5 UV-Schleuse
4.6 Luftuberhitzung
4.7 Ventil
5 Luftsystem für Gärphase
5.1 Grobfilter
5.2 Ventilator
5O Absolut-PiIter
5.4 Ventil
6 Wandbeheizung
7 Luft-Austrittsklappe
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Leerseite

Claims (10)

  1. Ansprüche :
    (i\ Verfahren zum Vergären von kohlehydrat heutigem Nähr substrat, insbesondere von Melasse bei der Darstellung von Citronensäure, bei dem die Gärlösung in einer Gärkammer mit einem Gärungserreger beimpft wird, in einer Keimphase eine die gesamte Oberfläche des Nährsubstets bedeckende Shicht des Gärungserregers ausgebildet und anschließend eine Gärphase durchgeführt wird,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    a. in der Keimphase über Grob-Feiri-Absolut-Filter, UV-Schleuse und Überhitzung auf 120 C vorbehandelte, hochsterile Luft in derart geringer Menge der Gärkammer zugeführt wird, daß diese unter leichtem Überdruck gehalten wird und daß die Heizung der Gärkammer von der Luftzufuhr getrennt und unabhängig ist,
    b. in der Gärphase die Zuführung der hochsterilen Luft und die Heizung abgeschaltet werden und frische normal gefilterte, unkonditionierte Luft zugeführt wird, mit der als Kühlluft die Temperatur der Gärlösung konstant gehalten wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Überdruck von 5 mm W.S bis 50 mm W.S vorzugsweise etwa 20 mm W.S. während der Keimphase in der Gärkammer aufrechterhalten wird.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der Keimphase eine geringe Luftmenge herunter bis zu 1 m Luft/h/m Gärlösung in die Kammer eingebracht wird.
  4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3* dadurch gekennzeichnet, daß in der Keimphase die Gärkammer im Umfang der Wärmeverluste der Gärkammer beheizt wird und zwar unabhängig von der Luftzufuhr.
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  5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in der Gärphase die Luftmenge jeweils so eingestellt wird, daß die Temperatur der Gärlösung konstant gehalten wird.
  6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5* dadurch gekennzeichnet, daß in der Gärphase bei vorliegenden extremen Außentemperaturen die Luft zusätzlich aufgewärmt oder gekühlt wird.
  7. 7· Vorrichtung zur Durchführung des Veröarens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch eine Gärkammerheizung (6) und zwei hiervon unabhängigen Luftsystemen (4,5) für die Keimphase einerseits und für die Gärphase andererseits, wobei das eine Luftsystem (4) zur Zufuhr geringer Mengen keimfrei gemachter Luft und das aweite Luftsystem (5) als Kühlsystem zur Einhaltung einer konstanten Temperatur in der Gärlösung ausgelegt sind.
  8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß das Luftsystem (4) über eine Leitung und ein Auf/Zu-Ventil(4.7) an die Gärkämmer (2) angeschlossen ist.
  9. 9· Vorrichtung nach Anspruch 7 und 8* dadurch kennzeichnet, daß das Luftsystem (5) ein Grobfilter (5.1) und ein Absolutfilter (5.5) und eine zwischen diesen angebrachte Teilstrom-Erwärmung bzw. Kühlung bei vorliegenden extremen Außentemperaturen aufweist .
  10. 10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9* dadurch gekennzeichnet, daß die Gärkammer (2) eine Wärmeverluste vermeidende Wandisolation aufweist und anstelle der Gärkammerheizung (6) eine Umgebungskonditionierung derart vorgesehen ist, daß keine Wärme aus der Gärkammer (2) abstrahlbar ist.
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