DE2543307C3 - Verfahren und Vorrichtung zum Vergären von kohlehydrathaltigem Nährsubstrat - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Vergären von kohlehydrathaltigem Nährsubstrat, insbesondere von Melasse, bei der Darstellung von Zitronensäure, bei dem die Gärlösung in einer Gärkammer mit einem Gärungserreger beimpft wird, in einer Kcimphasc eine die gesamte Oberfläche des Nährsubstrats bedeckende Schicht des Gärungserregers ausgebildet und anschließend eine Gärphase durchgeführt wird.

Zur technischen Darstellung von Zitronensäure ist es seit der Entdeckung des Zitronensäurebildungsvertnögens gewisser Schimmelpilze, vor allem Aspcrgil-I us-Arten, bekannt, kohlehydrathaltige Niihi substrate aus 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 i 2 bis 2()% gebracht und mit Nährsalzen und eventuell gärungsfördernden Substanzen versehen. Es wird dann nach Einteilung des günstigsten pH-Wertes sterilisiert. Das stci iliMcrte Gärsubstrat läßt man aus dem Kocher durch sterile Leitungen in flache Schalen, die man als Gärwannen K. · kl-Kl. lauleii, 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 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 Zitronensäure 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 resultieren. 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 L.uftmenge nicht auch Infektionen in die Kammern eingeschleppt werden.

Nachdem sich die Pilzdecke innerhalb der Keimphase gut entwickelt hat, kommt die Zitronensäurebildung in Gang und die sogenannte Gärphase beginnt. Sie ist gekennzeichnet dadurch, daß bei der Umsetzung des Zuckers in Zitronensäure große Wärmemengen frei werden, die aus den Kammern entfernt werden müssen. Der Gesamtprozeß dauert etwa 7 bis 11 Tage. Es werden etwa ftf) bis °0% des ursprünglich vorhandenen Zuckers in Zitronensäure 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 Zitronensäurelösung im Fält-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 Praxissich negativ auf die Betriebssicherheit des Verfahrens auswirkt. Da die der Kammer in der Keimphase /ugeführtc Luft als Wärmeträger zur Tempcraturhaltung der Gärliisung benutzt wird und die Mengen daher entsprechend groß sein müssen, sind trotz aller Bemühungen, die Sterilitiit der Luft zu gewährleisten eben wegen der großen Mengen. In-

fektionen nicht auszuschließen. Die Steuerung tier 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, sogv 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, woniit schlechte Gärausbeuten bzw. der Ausfall einer Kammer verbunden sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Vergären von kohlehydraihaltigen Nährsubstraten zu schaffen, das eine sichere und gegenüber dem Stand der Technik vereinfachte Durchführung des Gärprozesses gestattet und den anzuwendenden 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, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß

a) in der Keimphase über Grob-Fein-Absolut-Filter, UV-Schleuse und Überhitzung auf 120° C vorbehandelte sterile Luft in derart geringer Menge der Gärkammer zugeführt wird, daß diese unter einem Überdruck von 5 mm bis 50 mm Wassersäule gehalten wird und daß die Heizung der Gärkammer von der Luftzufuhr gelrennt und unabhängig ist und

b) in der Gärphase die Zuführung der sterilen Luft und die Heizung abgeschaltet werden und frische, normal gefilterte, unkonditionieite Luft zugeführt wird, mit der als Kühlluft die Temperatur dor Gärlösung konstant gehalten wird.

Hieraus ergibt sich als Wesen der Erfindung die Lehre, zwei Luftsysteme für eine Gärkammer vorzusehen, nämlich ein Luftsystem für die Keimphase mit steriler 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 nach spezifizierten 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 gering ist. Aus Sterilhaltungsgründcn 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. Der Überdruck liegt zwischen 5 und 50 mm Wassersäule in ilef Kammer.

Nur für die dafür erforderliche Luftmenge ist ein hochwertiges Stcrilisationssystcm zu installieren. Im Vergleich zu den bisher geübten Praktiken werden nur etwa I T der Luftmengen benötigt. Es ist von Vorteil, daß hier/u keine Automatik und kein Regelsystem erforderlich ist. Es brai'cht nur ein einfaches Schalt

ventil zum Öffnen und Schließen der Luftzufuhr vorgesehen werden. Hiermit sind die Bedingungen für die Keimphase in optimaler Weise erfüllt. Die Kammerwird warm gehalten durch eine unabhängige Heizung und sie wird unter Druck gehalten durch die Zuführung von sterilisierter Luft in geringer Menge.

Beim Verlauf der Gärcharge sinkt die Temperatur der Gärlösung 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 VoIIiömmenheitsgrad zu haben, wie er für die Keimphase en orderlich 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 daher als Vorteil der erfindungsgemäßen Lehre eine wesentliche Verringerung des apparativen Aufwandes, eine betriebssichere, kostengünstige Verfahrensführung unter Erreichung einer hohen Leistungsausbeute.

Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zum Vergären von kohlehydrathaltigen Nährsubstraten, insbesondere von Melasse, bei der Darstellung von Zitronensäure, ist erfindungsgemäß gekennzeichnet durch eine Gärkammerheizung und zwei hiervon unabhängige Luftsysteme für die Keimphase einerseits und für die Gärphase andererseits, wobei das eine Luftsystem zur Zufuhr der geringen Mengen keimfrei gemachter Luft und das zweite Luftsystem als Kühlsystern zur Einhaltung einer konstanten Temperatur in der Gärlösung ausgelegt ist.

Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Zeichnung, deren einzige Figur schematisch eine Gäfkammmer einer Zitronensäure-Produktionsanlage zeigt.

Als Ausgangsmaterial für die Zitronensäuregärung wird Melasse verwendet. Die Melasse wird mit gärungsfördernden Zusätzen versehen und nach Einstellung des günstigsten pH-Wertes sterilisiert. Diese sterilisierte Gärlösung gelangt durch sterile Leitungen 1 in die Gärkammer 2, in der flachen Wannen 3 zur Aufnahme der Gärlösung übereinander angeordnet sind. Vor der Beschickung sind die Gärkammer 2 und die Wanner» 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 4 für die Keim-

phase besteht aus Grobfilter 4.1. Ventilator 4.2. F-'cinfilter 4.3. Ahsolutfilter 4.4. UV-Schlcuse 4.5. Luftüberhitzung 4.6 ιιικΙ Ventil 4.7 sowie zugehörigen Leitungen. Die Wandheizung 6 besteht aus in siimilichen Wänden. Decke und Hoden vorgesehenen I lcizelementen herkömmlicher Art.

Ferner ist an die Giirkammer 2 das Luftsystem 5 für die Giirphase angeschlossen, welches im wesentlichen aus Grobfilter 5.1. Ventilator 5.2. Absolutfilter 5.3 und Ventil 5.4 sowie den zugehörigen Leitungen besteht, durch welche unkonditionicrte. normal gefilterte Luft der Giirkammer 2 zugeführt werden kann.

F-'ür extreme Temperaturen muH eine Vorrichtung eingeplant werden, die /. FJ. im Winter zu kalte Luft vorerwarmt bzw. in tropischen Landern, wo nur zu warme und dabei gesättigte Luft zur Verfügung steht, entsprechend herunterkühlt. Dies geschieht über einen nicht in der Figur tiargestellten Teilstrom, der /wischendem Groh-Filter 5.1 und dem Ahsolut-Filti-i 5.3 installiert wird. Das Herausführen der Luft erfolgt über eine I.uftaustrittsklappe 7.

Durch die beschriebenen Luftsysteme 5 und 4 sowie die separate Wandheizung 6 wird siehergestellt, daß während der Keimphasc die Vorgänge der Luftzuführung und Kammerheizung getrennt werden. Die Giirkammer 2 wird während der Keimphase dadurch warmgehalten, daß die Wandteilc. die die wesentlichen Abstrahlungsvcrluste 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 Hindringen von verunreinigter Noimalluft durch Undichtigkeiten der Gärkammer 2 in der Keimphasc vermieden wird. Je nach Größe der Giirkammer 2 wird eine Luftmenge in der Größenordnung von KK) bis 300 m¹ h während der Keimphase in die Giirkammer 2 eingeleitet. Diese Luftmenge ist im l.uflsystem furche Keimphase 4 steril aufbereitet. Die Zuführung geschieht durch Offnen des Auf Zu-Ventils 4.7 in einfacher Weise.

Hiermit sind die Bedingungen für die Keimphasc zum optimalen Ablauf des Keimvorgangs erfüllt. Die Giirkammer 2 wird durch die Wandheizung 6 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 Ix' findliehe Giirlösung durch den exothermen Vorgang aufgeheizt. Bei einer bestimmten Temperatur in der Gärlösunc. die die FJeendiuung der Keimphase und den Beginn der Giirphase 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 l.uftsystem 5 gelangt normal gefilterte Luft in die Giirkammer 2. Die Temperatur in der Gärlösung wird automatisch in an sich bekannter Weise während der Gärphase über die eingeblasen·· 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 keinerlei Konditionierung oder Sterilisation durchgeführt. Die Luft wird unkonditionicrt liber die Filter 5.1 und 5.3 der Gärkammer 2 zugeführt, und es ist einzig eine Sicherung gegen extrem niedrige bzw. extrem hohe und dabei gesättigte Lufttemperaturen im speziellen Fall notwendig.

liier/u I Blatt Zeichnunucn

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Vergären von kohlehytlrathaltigem Nährsubstrat, insbesondere von Melasse, bei der Darstellung von Zitronensäure, bei dem die Gärlösung in einer Gärkammer mit einem Gärungserreger beimpft wird, in einer Keimphase eine die gesamte Oberfläche des Nährsubstrats bedeckende Schicht des Gärungserregers ausgebildet und anschließend eine Gärphase durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß

a) in der Keimphase über Grob-Fein-Absolut-Filter, UV-Schleuse und Überhitzung auf 120° C vorbehandelte, sterile Luft in derart geringer Menge der Gärkammer zugeführt wird, daß diese unter einem Überdruck von 5 rnm bis 50 mm Wassersäule gehalten wird und daß die Heizung der Gärkammer von der Luftzufuhr getrennt und unabhängig ist, und

b) in der Gärphase die Zuführung der sterilen 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. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Gärkammerheizung (6) und zwei hiervon unabhängige Luftsysteme (4, 5) für die Keimphase einerseits und für die Gärphase andererseits, wobei das eine Luftsystem (4) zur Zufuhr der geringen Mengen keimfrei gemachter Luft und das zweite System (5) als Kühlsystem zur Einhaltung einer konstanten Temperatur in der Gärlösung ausgelegt sind.