DE3744794A1 - Vorrichtung zur kontinuierlichen abtrennung von partikeln aus suspensionen durch flotation - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Abtrennung von Partikeln aus Suspensionen durch Flotation, insbesondere aus vergärbaren oder vergorenen Suspensionen der Getränkeherstellung oder anderen biotechnologischen Suspensio­ nen, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus der Erzaufbereitung sind beispielsweise Flotationsapparate bekannt, die kontinuierlich betrieben werden, und bei denen die Trennung der Stoffe in einem Zentrifugalfeld eines in einem feststehenden Behälter rotierenden Flüssigkeitsringes durchge­ führt wird (DE-OS 27 51 460 oder DE-OS 28 12 105). Darüber hinaus ist bereits vorgeschlagen worden, Zentrifugalflota­ tionsverfahren aus dem Bereich biotechnologischer Prozesse einzusetzen (vgl. DE-OS 36 34 323, Spalte 3, Zeilen 19 bis 26 sowie Kirk-Othmer "Encyclopedia of Chemical Technology, Vol. 10, 1980, Seiten 523, 544 und 545).

Angesichts des vorgenannten Standes der Technik ist es um so bemerkenswerter, daß bislang noch nicht vorgeschlagen wurde, ein kontinuierlich arbeitendes Zentrifugalflotationsverfahren und eine geeignete Vorrichtung hierzu auf die Partikelabtren­ nung aus vergärbaren oder vergorenen Substraten oder anderen biotechnologischen Substraten anzuwenden.

Die aus der Erzaufbereitung bekannten Flotationsapparate sind einerseits in der erforderlichen Weise nicht reinigungsfreund­ lich bzw. reinigungsfähig, wie dies von Apparaten in der Lebensmitteltechnologie zu fordern ist, zum anderen wird das Zentrifugalfeld ausschließlich oder überwiegend durch von außen über mechanische Mittel zugeführte Antriebsenergie erzeugt.

Im Bereich der Getränkeherstellung, insbesondere der Bierher­ stellung, aber auch bei einer Vielzahl von anderen biotechnolo­ gischen Prozessen, werden Substrate eingesetzt, die eine Par­ tikelsuspension darstellen, aus der die Partikeln überwiegend oder bis auf den gewünschten Partikelgehalt entfernt werden müssen. Insbesondere in der umfangreichen Literatur der Techno­ logie des Bierbrauens nehmen Verfahren zur Trennung einer Partikelsuspension einen breiten Raum ein. Den umfassendsten Überblick über den Stand der Technik der vorstehend genannten Trennverfahren gibt sicherlich die Literatur zur Trubabtrennung aus Bierwürze. In diesem Zusammenhang sei auf die einschlägige Literatur verwiesen, insbesondere beispielsweise auf das Hand- und Lehrbuch "Die Technologie der Würzebereitung", L. Narziss, 6. Auflage, 1985 oder auf einen neueren Artikel, der das vorstehende Problem in Form eines zusammenfassenden Über­ blickes zum Thema "Die Trubabtrennung im Whirlpool und im Flotationstank" behandelt (vgl. Zeitschrift BRAUINDUSTRIE, Jahrg. 1986, Seiten 777 bis 781).

Damit die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe hinsichtlich ihrer Bedeutung und ihrer Auswirkungen, insbeson­ dere auf die Brautechnologie, angemessen zu würdigen und zu bewerten ist, sollten im nachfolgenden die derzeit relevanten Verfahren und ihre Vorrichtungen zur Trubabtrennung aus Bier­ würze dargestellt werden.

Die Würzebehandlung unterscheidet zunächst zwischen Heißtrubab­ trennung und Kühltrubabtrennung. Der Heißtrub oder auch Koch­ trub genannt wird durch die Hitzekoagulation von hochmole­ kularen Stickstoffsubstanzen gebildet. Beschaffenheit und Menge des Heißtrubes können in weiten Grenzen schwanken. Er hat eine Teilchengröße von 30-80 µm. Unter Kühltrub werden jene Aus­ scheidungen verstanden, die sich beim Abkühlen einer heißen Würze bilden, und zwar bei Temperaturen unter 70 bis 55°C, also von deren "Kühltrübungspunkt" an bis hin zur Anstelltemperatur. Der Kühltrub hat eine Teilchengröße von 0,5 bis 1 µm und darunter.

Bei der Heißtrubabtrennung benutzt man einerseits den Einfluß der Schwerkraft, andererseits aber auch, im Hinblick auf eine Verstärkung der notwendigen Trennkräfte, Zentrifugalkräfte, Sedimentation, das heißt Schwerkraftabscheidung, wird in soge­ nannten Kühlschiffen durchgeführt, deren Fläche je nach Char­ gengröße zwischen 30 m² und 150 m² liegt. Die heiße Würze hat eine Schichthöhe von 25 cm. Unter dem Einfluß der Schwerkraft sinken die Heißtrubpartikel zu Boden. Der klare Überstand wird abgezogen und sofort gekühlt. Das verbleibende Trub-Würze- Gemisch wird mit Kieselgur versetzt, filtriert und zentrifu­ giert, sterilisiert und ebenfalls gekühlt.

Die Vorteile dieses Apparates liegen in der Energieeinsparung. Einerseits spart die Nachverdampfung auf dem Kühlschiff Koch­ zeit, andererseits sinkt dadurch die Würzetemperatur, und es vermindert sich der Aufwand an Kühlenergie. Die Nachteile dieses Systems sind der große Grundflächenbedarf, der hohe manuelle Arbeitsaufwand beim Entleeren und beim Reinigen und die entfallende Rekuperationsmöglichkeit der Nachverdampfungs­ wärme. Während des Sedimentationsprozesses besteht eine Infek­ tionsgefahr durch die umgebende Luft.

Im Setzbottich, der ebenfalls als Schwerkraftabscheider arbeitet, erreicht man Würzehöhen zwischen 1 m und 4 m. Nach einer sogenannten Rast (Verweilzeit) von 40 bis 80 Minuten wird über einen Schwimmer die blanke Würze von der Oberfläche her abgezogen. Die Verarbeitung der Trubwürze erfolgt analog zum Kühlschiff.

Als einziger Zentrifugalabscheider wird in der Brauerei die Zentrifuge eingesetzt. Die heiße Würze wird in einen Puffertank gepumpt, anschließend zentrifugiert und gekühlt. Das Verfahren ist automatisierbar. Diesem Vorteil stehen die hohen Investi­ tions- und Betriebskosten gegenüber.

Der Einsatz von Hydrozyklonen wird in der einschlägigen Literatur nicht empfohlen, da der Austrag so dünnflüssig sei, daß eine Zentrifuge nachgeschaltet werden müßte, da ansonsten hohe Würzeverluste in Kauf zu nehmen seien.

Die Heißwürzefiltration liefert bei Zudosierung von Kieselgur oder Perlite die sicherste Heißtrubabtrennung. Das Filter muß nach jeder Charge gereinigt und das Filterhilfsmittel entsorgt werden. Eine Automation des Filtrationsvorganges und der Reini­ gung ist möglich.

Im Zusammenhang mit der Heißtrubabtrennung wird noch auf die Behandlung der Würze im sogenannten Whirlpool hingewiesen, der ein einfacher zylindrischer Behälter ohne Einbauten und Verschleißteile und darüber hinaus unkompliziert und leicht zu handhaben ist. Im Whirlpool wird durch tangentiale Einleitung der heißen Würze eine instationäre Drehströmung erzeugt, die einen allenfalls schwach ausgeprägten Rotationsparaboloiden ausbildet. Nach dem Ende des Einlaufvorganges und dem Abklingen aller damit verbundenen Störungen stabilisiert sich die Rotationsströmung, die aufgrund von Reibungseffekten an der Zylinderwand und am Boden abgebremst wird. Infolge der Primärströmung und der daraus resultierenden Sekundärströmung werden im Laufe des Abklingvorganges der Strömung alle Heißtrubpartikel, deren Sinkgeschwindigkeit nun größer ist als die Aufwärtsgeschwindigkeit der Würze, in den Bodenbereich des Whirlpools überführt, zur Behältermitte transportiert und dort am sich ausbildenden Trubkegel abgelagert (Teetasseneffekt).

Mit sinkender Rotationsströmung verringert sich die Geschwin­ digkeit der Aufwärtsströmung der Würze, und es können immer kleinere Teilchen abgeschieden werden.

Die Abtrennung des Kühltrubes ist verfahrenstechnisch schwie­ riger und aufwendiger als die Abtrennung des Heißtrubes, da die Partikeln sehr klein sind und fast keinen Dichteunterschied zur flüssigen Phase aufweisen. Für die Kühltrubentfernung aus der gekühlten Bierwürze kommen die vorstehend beschriebenen Verfahren der Sedimentation, Zentrifugierung und Filtration in Frage. Wegen ihrer Feinheit und des geringen Dichteunter­ schiedes zur Bierwürze beanspruchen die Trubpartikeln bei der Sedimentation eine unwirtschaftlich lange Zeit. Die Infektions­ gefahr der Bierwürze wird dadurch erhöht. Die Trennung durch Filtration wird wegen der verschmierenden Konsistenz des Trubs erschwert, auch wenn man Filtrationshilfsmittel benutzt. Die niedrige mechanische Stabilität der Partikeln ist Grund dafür, warum diese während des Zentrifugierens zerstört werden können.

Die vorstehend beschriebenen Nachteile erklären die Tatsache, warum die Flotation für derartige Probleme eine sinnvolle Lösung bei der Kühltrubabscheidung aus Würze darstellt. Da die Würze ohnehin belüftet werden muß, lag es nahe, dieses Verfah­ ren für die Kühltrubtrennung zu verwenden. Der Würze werden im Überschuß feinstverteilte Luftblasen zugemischt. Diese lösen sich langsam aus der Würze, steigen im Laufe von zwei bis drei Stunden an die Würzeoberfläche und bilden dort eine hohe, kompakte Schaumdecke.

Die Grundvoraussetzungen für eine flotative Abtrennung sind

• 1. Die Luftblase muß während ihres Aufstiegs ein Trubpartikel treffen. Ein Maß für diesen Vorgang ist die Trefferquote oder die Trefferwahrscheinlichkeit.
• 2. Der Komplex aus Partikel und Blase muß bis zum Erreichen der Schaumdecke erhalten bleiben, das heißt der Partikel darf sich während des Aufstiegs nicht mehr von der Luftblase ablösen.
• 3. Die Lebensdauer der entstehenden Schaumdecke muß im Rahmen des Produktionsprozesses eine sichere Abtrennung des Schaumes von der Würze ermöglichen. Ein Schaum aus Eiweiß und Luft zeigt eine so hohe Stabilität, daß die Wahrschein­ lichkeit der Schaumerhaltung mit "eins" angenommen werden kann.

Bei der Flotation handelt es sich im Grundsatz um ein einfaches Verfahren, das bessere Biereigenschaften erbringt als bei­ spielsweise die Kaltsedimentation oder die Kaltwürzefiltration. Allerdings sind Apparate, insbesondere Tanks, notwendig, deren Höhe einerseits bis zu 4 m, andererseits bei Unterschichtung eines zweiten Sudes bis zu 6 m betragen kann. Die Flotations­ zeit beträgt je nach Würzestand 2 bis 4 Stunden. Am günstigsten hat sich allerdings eine Standzeit von 6 bis 8 Stunden erwiesen.

Als grundsätzlich von Nachteil beim Flotationsverfahren bleibt die Tatsache, daß es sich um ein diskontinuierliches Verfahren handelt, welches einerseits erhebliche Standzeiten erfordert, und welches andererseits, aufgrund der erheblichen Abmessungen der notwendigen Tanks, einen hohen Raumbedarf in der Brauerei beansprucht.

Die vorstehend beschriebene Zentrifugierung der heißen Würze zwecks Abscheidung des Heißtrubs ist, wie vorstehend kurz angedeutet, auch auf die gekühlte Würze anwendbar. Damit ist dieses Trennverfahren im Rahmen der Würzebehandlung innerhalb der Brauerei als kontinuierliches Trennverfahren zu inte­ grieren. Die erhöhte Würzeviskosität und die geringe Sinkge­ schwindigkeit der Kühltrubteilchen erfordern hierzu z. B. bei einem Heißwürzeseparator eine Durchsatzreduzierung auf etwa 20% der Nennleistung. Es wird in diesem Zusammenhang in der Litera­ tur ausgeführt, daß die notwendige Zwischenstapelung zwischen Heiß- und Kühltrubentfernung den Zentrifugeneinsatz wenig praktikabel erscheinen läßt. Ebenso wird explizit der Einsatz des Hydrozyklons als Abscheideapparat aus den gleichen Gründen verneint.

Die Partikelentfernung aus Partikelsuspensionen durch Sedimen­ tation, Filtration, Flotation und durch das Zentrifugieren wurde vorstehend exemplarisch für die Würzebehandlung in der Brauerei dargestellt. Die gleichen Trennprobleme ergeben sich bei anderen vergärbaren oder vergorenen Substraten der Getränkeherstellung oder bei anderen biotechnologischen Prozessen unterworfenen oder zu unterwerfenden Substraten. Die dort vorgeschlagenen und praktizierten verfahrenstechnischen Lösungen sind die gleichen wie bei der Würzebehandlung; ihre druckschriftliche Dokumentation und Darstellung ist allerdings nicht so breit und ausführlich angelegt wie in der Brauwissen­ schaft.

Ausgehend vom vorstehend aufgezeigten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine kontinuierlich arbei­ tende Vorrichtung zur Abtrennung von Partikeln aus vergärbaren oder vergorenen Suspensionen der Getränkeherstellung oder ande­ ren biotechnologischen Suspensionen zu schaffen, mit der der gewünschte Partikelgehalt der Suspensionen in Grenzen verändert und gesteuert werden kann. Übertragen auf die Trubabtrennung aus Würze in der Brauerei stellt sich somit die konkrete Aufgabe, auf der Grundlage eines kontinuierlichen Flotations­ verfahrens eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Abtrennung von Kühltrub aus Bierwürze zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch die Kennzeichenmerkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Die neue Vorrichtung zur kontinuierlichen Abtrennung von Parti­ keln aus Suspensionen durch Flotation, insbesondere der Kühl­ trubabtrennung aus Bierwürze, nimmt das bekannte Flotationsver­ fahren als Grundlage, wobei durch Kopplung dieses Verfahrens mit einem Verfahren, das im Hinblick auf eine Verstärkung der notwendigen Trennkräfte Zentrifugalkräfte nutzt, ein kontinu­ ierlicher Fluß der Partikelsuspension, insbesondere ein konti­ nuierlicher Würzefluß, bei einer Beschleunigung der Abtrennung der mit Partikeln befrachteten Gasblasen erreicht wird.

Bei der neuen Vorrichtung wird die bei der herkömmlichen Flota­ tion wirkende Trennkraft, die Schwerkraft im Gravitationsfeld der Erde, durch die um ein Vielfaches höhere Zentrifugalkraft in der rotierenden Trägerflüssigkeit ersetzt. Damit wird ein beschleunigtes Entweichen der Gasbläschen, insbesondere der Luftbläschen, zusammen mit den angelagerten Partikeln, insbe­ sondere den Kühltrubpartikeln, erreicht. Die Abscheidung der Gasblasen aus der rotierenden Trägerflüssigkeit in Form einer Schaumdecke erfolgt über die freie definierte Oberfläche der rotierenden Trägerflüssigkeit, die sich näherungsweise in Form eines Rotationsparaboloiden ausbilden wird. Hierin sind Unter­ schiede zur Flüssigkeitsausbildung in Hydrozyklonen zu sehen, die in der Regel vollständig geflutet sind, und bei denen der Schaum durch den Wirbelsucher als Überlauf austritt. Bei der vorgeschlagenen neuen Vorrichtung ist weiterhin von Vorteil, daß die Partikelsuspension kontinuierlich gefordert und behan­ delt wird.

Die neue Vorrichtung ist im Vergleich zu Zentrifugen eine relativ einfache Apparatur, die aus einem feststehenden zylindrischen und/oder konischen Behälter besteht, der im Kopf­ raum einen Eintritt und im Bodenbereich einen Austritt aufweist, wobei ein Verdrängungskörper vorgesehen ist, der auf einer in der Behälterlängsachse angeordneten, im Boden- und Kopfbereich der Vorrichtung jeweils über ein Lager gelagerten Welle befestigt ist, einen Raum oberhalb und einen Raum unterhalb im Behälter begrenzt und über einen zwischen ihm und dem Mantel des Behälters gebildeten Ringspalt miteinander verbindet.

Infolge der vorgeschlagenen Ausgestaltung der Vorrichtung ist es der rotierenden Trägerflüssigkeit möglich, über die Energie des eintretenden Stromes einen Rotationsparaboloiden mit freier Flüssigkeitsoberfläche auszubilden. Dieser Rotationsparaboloid wird nach unten durch den Verdrängungskörper begrenzt, so daß der sich bei derartigen Systemen bildende gasförmige Wirbelzopf nicht in den Bereich unterhalb des Verdrängungskörpers, und damit in den Auslauf des Abscheiderbehälters, gelangt. Infolge des Dichteunterschiedes zwischen der Trägerflüssigkeit und den Gasblasen, an die sich die abzuscheidenden Partikeln angelagert haben, bewegen sich die Gasblasen im Zentrifugalfeld in Richtung auf die Rotationsachse zu. Abhängig von der jeweiligen Blasengröße erfolgt quasi eine fraktionierte Abscheidung dieser Blasen in unterschiedlichen Höhen aus der Oberfläche der rotierenden Trägerflüssigkeit. Die blasenfreie Trägerflüssig­ keit, das heißt die weitestgehend von Partikeln befreite Trägerflüssigkeit, befindet sich im Wandungsbereich der Vorrichtung, aus dem sie über den Ringspalt zwischen Ver­ drängungskörper und Behälterwand in den Bereich unterhalb des Verdrängungskörpers überführt wird, um von dort über den Austritt die Vorrichtung zu verlassen.

Falls es für das Trennverfahren zweckdienlich ist, die in der Vorrichtung durch Reibung in Wärme dissipierte Eintrittsenergie zu kompensieren, so ist es durch die vorgeschlagene Vorrichtung möglich, diese Energiedifferenz dem System von außen wieder zuzuführen. Dies gelingt durch Antrieb des Verdrängungskörpers über die Welle, auf der er gelagert ist. Eine besonders wirksame Übertragung der notwendigen Energie vom Verdrängungs­ körper auf die Flüssigkeit wird beispielsweise dadurch sichergestellt, daß letzterer an seiner Unterseite mit in die Flüssigkeit eingreifenden Schaufeln besetzt ist.

Die Verluste der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden mini­ miert, wenn, wie dies eine Ausgestaltung der Vorrichtung gemäß der Erfindung vorsieht, der Eintritt und/oder der Austritt derart ausgebildet sind, daß sich eine tangential-spiralförmige Ein- bzw. Austrittsströmung ergibt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Die einzige Figur der Zeichnung zeigt einen Mittelschnitt durch eine Vorrichtung gemäß der Erfindung.

Die Vorrichtung 1 weist in ihrem Mittelteil einen zylindrischen Behälter 18 auf, der zweckmäßig einen gegenüber seiner Höhe kleinen Durchmesser besitzt. In seinem Kopfbereich ist ein Eintritt 18 a und in seinem Bodenbereich ein Austritt 18 b ange­ ordnet, die vorzugsweise tangential-spiralförmig ausgebildet sind. Den oberen Abschluß bildet ein Kopfteil 19 a, den unteren ein Bodenteil 19 b. Im Kopfteil 19 a und im Bodenteil 19 b ist jeweils ein oberes bzw. unteres Lager 20 bzw. 21 vorgesehen, in denen eine in der Behälterlängsachse verlaufende Welle 22 gelagert ist. Auf dieser Welle 22 ist vorzugsweise im unteren Teil des zylindrischen Behälters 18 ein Verdrängungskörper 23 befestigt, der einen Raum oberhalb und einen Raum unterhalb im Behälter 18 begrenzt und über einen zwischen ihm und dem Mantel des Behälters 18 gebildeten Ringspalt 26 miteinander verbindet. Mit 25 ist ein Rotationsparaboloid angedeutet, wie er sich näherungsweise bei Nennleistung in der Vorrichtung 1 ausbilden wird. Man erkennt, daß dieser Rotationsparaboloid 25 auf der Oberseite des Verdrängungskörpers 23 "aufsitzt". Ein gasför­ miger Wirbelzopf, wie er im Zentrum von derartigen Rotations­ paraboloiden unter bestimmten Betriebsbedingungen auftreten kann, und der unter Umständen bis in den Austritt 18 b der Vorrichtung 1 hinabreichen könnte, wird dadurch sicher ver­ mieden. Ein derartiges Durchschlagen von Gasvolumina wäre einerseits wegen strömungstechnischer Nachteile in der nachgeordneten Prozeßeinrichtung unerwünscht, andererseits würden Teile der Schaumdecke, die sich oberhalb der Grenzfläche des Rotationsparaboloiden 25 ausbildet, und in der sich die abzuscheidenden Partikeln in angereicherter Form befinden, in den Austritt 18 b der Vorrichtung 1 und von dort in die nachge­ schalteten Einrichtungen befördert. Der Wirkungsgrad der Abscheidung würde dadurch verschlechtert. Über ein mit einer nicht dargestellten Austragsleitung verbundenes Rohr 24, das zweckmäßig bis an die Grenzfläche des Rotationsparaboloiden 25 hinabreicht, läßt sich der oberhalb dieser Grenzfläche ge­ bildete Schaum aus dem Kopfraum der Vorrichtung 1 nach außen absaugen.

Claims (3)

1. Vorrichtung zur kontinuierlichen Abtrennung von Partikeln aus Suspensionen durch Flotation, insbesondere aus vergär­ baren oder vergorenen Suspensionen in der Getränkeherstel­ lung oder anderen biotechnologischen Suspensionen, mit einem feststehenden zylindrischen und/oder konischen Behälter, der zur Erzeugung des rotierenden Flüssigkeitsringes wenigstens eine Zulaufleitung für die zu trennenden Stoffe sowie Aus­ tragsleitungen für die voneinander getrennten Stoffe auf­ weist, wobei am Behälter für den Austrag des Flotationsrück­ standes wenigstens eine Austragsleitung am Umfang angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (18) im Kopfbereich einen Eintritt (18 a) und im Bodenbereich einen Austritt (18 b) aufweist, daß ein Verdrängungskörper (23) vorgesehen ist, der auf einer in der Behälterlängsachse angeordneten, im Boden- und Kopfbereich der Vorrichtung über ein Lager (20 bzw. 21) gelagerten Welle (22) befestigt ist, einen Raum oberhalb und einen Raum unterhalb im Behälter (18) begrenzt und über einen zwischen ihm und dem Mantel des Behälters (18) gebildeten Ringspalt (26) miteinander verbindet.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Eintritt (18 a) und/oder der Austritt (18 b) derart ausgebildet sind, daß sich eine tangential-spiralförmige Ein- bzw. Austrittsströmung ergibt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit einer Austragsleitung verbundenes Rohr (24) in den Raum oberhalb des Verdrängungskörpers (23) hineingeführt ist.