DE3787515T2

DE3787515T2 - Verfahren zur On-Line-Vorausberechnung und -Kontrolle von alkoholischen Gärungen.

Info

Publication number: DE3787515T2
Application number: DE87402543T
Authority: DE
Inventors: Pierre Barre; Jacques Chabas; Georges Corrieu; Armel Davenel; Haloui Noureddine El; Pierre Grenier; Jean-Marie Navarro; Daniel Picque; Jean-Marie Sablayrolles; Francois Sevila; Claude Vannobel
Original assignee: Institut National de la Recherche Agronomique INRA; Centre National du Machinisme Agricole du Genie Rural des Eaux et des Forets CEMAGREF
Current assignee: Institut National de la Recherche Agronomique INRA; Centre National du Machinisme Agricole du Genie Rural des Eaux et des Forets CEMAGREF
Priority date: 1986-11-12
Filing date: 1987-11-10
Publication date: 1994-02-17
Anticipated expiration: 2007-11-11
Also published as: FR2606514A1; ES2043682T3; EP0271380A1; FR2606514B1; EP0271380B1; DE3787515D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Gärungen in der Landwirtschaft. Im einzelnen betrifft sie ein Verfahren zur in situ, d. h., On-line-Vorausberechnung und -Kontrolle alkoholischer Gärungen.
Es sind zahlreiche nahrungsmittel- und landwirtschaftstechnische Verfahren bekannt, die alkoholische Gärungen umfassen; in der Praxis zur Herstellung alkoholischer Getränke wie Ethanol, Bioethanol aus Substraten auf der Grundlage von Zucker oder Getreide. Diese Verfahren ermöglichen die Durchführung alkoholischer Gärungen unter Bedingungen, die mehr oder weniger Leistung erbringen, aber nie optimal sind. Dies geht insbesondere auf die Tatsache zurück, daß es kein Mittel zur On-line-Bewertung gibt, sei es beim Fortgang des Prozesses, wenn es sich um diskontinuierliche Produktion handelt, zum Beispiel bei Bier, Wein, Most, Bioethanol und ähnlichem, sei es bei Stabilität und Gleichgewichtspunkt des Prozesses, wenn es sich um kontinuierliche Produktion handelt, zum Beispiel Bioethanol.
Da keine derartigen Mittel zur Verfügung stehen, geht man in den Fachkreisen, die sich mit dem Bierbraugewerbe, der Weinbaukunde und dergleichen beschäftigen, so vor, daß an Proben verschiedene Gärungsparameter wie Dichte, Brechungsindex und dergleichen gemessen werden, wobei diese Messungen anschließend durch chemische Analyse weiterer Parameter vervollständigt werden, etwa- die Gehalte an Zucker, Ethanol, flüchtigen Verbindungen, die Säurezahl und dergleichen. Im Braugewerbe beispielsweise ist zwar das gesamte Verfahren der Bierherstellung automatisiert, insbesondere das Maischen, besonders auf der Stufe der Herstellung der zu vergärenden Würze, doch geht die Durchführung der Gärung empirisch durch aufeinanderfolgende Schritte bei geregelter Temperatur in im allgemeinen vorherbestimmten Zeiträumen vor sich und erfordert die vorstehend erwähnten Mittel. In der Weinbaukunde sind diese empirischen Maßnahmen noch wichtiger. Es ist beispielsweise festzustellen, daß Temperaturregelung kaum üblich ist, während die Kühlung der Gärbehälter, zum Beispiel durch Rieselwasser, vorgenommen mit Hilfe einer beweglichen Kühlgruppe oder dergleichen, schnell hintereinander vor sich geht als Funktion der möglichen Temperaturerhöhung der Säfte im Lauf der Gärung. Es besteht demnach ein echter Bedarf an einem Verfahren, das die Standardisierung dieser Vorgänge ermöglicht und gleichzeitig genaue Informationen zu Fortgang oder Stabilität der alkoholischen Gärung liefert.
Zur Beschreibung des Standes-der Technik sei auf das Patent GB-A-1 434 613 verwiesen, das die Kontrolle biologischer Verfahren beschreibt, ausgehend von ausgewählten On-line- Messungen, die die Bestimmung nichtmeßbarer Variablen ermöglichen, welche die physiologischen und biologischen Verhältnisse dieser Verfahren wiedergeben. Die Vorgänge wirken sich auf bestimmte meßbare Variablen aus, um auf berechenbare Größe einzuwirken und zur Optimierung der Verfahren zu führen.
Die tatsächliche Aufgabe dieses Patents im Stand der Technik ist die Kontrolle biochemischer Verfahren, die katalysiert werden durch Enzyme, welche an Zellen gebunden sind oder nicht, und insbesondere die Kontrolle der Zellvermehrung und des Metabolismus in eingebrachten Kulturen. Die vorgeschlagenen Hilfsmittel und Parameter sind für die alkoholische Gärung nicht zweckmäßig, da sie im wesentlichen für aerobe Reaktionen bestimmt sind, während die durch die vorliegende Erfindung ins Spiel gebrachten alkoholischen Gärungen anaerob sind.
Das Patent EP-A-0 089 225 betrifft das allgemeine Gebiet der alkoholischen Gärung und es betrifft ein Verfahren, welches ermöglicht, durch Messen des pH der Kultur Einfluß zu nehmen auf das Einspritzen von Sauerstoff in das Medium sowie auf die Temperatur, um optimales Wachstum der Biomasse (Hefe) zu erhalten, die für die alkoholische Gärung geeignet ist. Somit wird ein Kontrollverfahren vorgeschlagen, das auf die Anfangsentwicklung der Biomasse anwendbar ist, aber es wird kein Mittel gelehrt, um die Phase - korrekterweise als alkoholische Gärung bezeichnet - zu kontrollieren, bei der Ethanol und CO&sub2; durch Abbau von Zuckern gebildet wird.
Das Patent DE-B-2 744 769 betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Gärungsverfahrens, das die Herstellung vergorener Getränke gewährleistet. Es beruht auf der Messung des Volumens an freigesetztem CO&sub2; und zielt darauf, nach vorbestimmten Leitlinien auf die Variablen des Vorgangs wie etwa Temperatur und Druck einzuwirken. Dieses Patent im Stand der Technik enthält eine recht allgemeine Lehre auf der Grundlage der Ausnutzung des Gesetzes von Gay-Lussac, das beim Gärungsprozeß wohlbekannt ist, aber es beschreibt keine technischen Mittel, die es ermöglichen, die Konzentration an Zuckern und die Konzentration an Ethanol vorzubestimmen, die die wesentlichen Parameter sind, um das Fortschreiten der alkoholischen Gärung wiederzugeben.
Das Patent DE-A-1 935 818 beschreibt ein Verfahren und eine Anlage zur Kontrolle eines Gärungsprozesses, insbesondere bei der Herstellung von Bier. Die Kontrolle beruht auf der Messung des spezifischen Gewichts des Gärungsmediums. Der Automatismus, über Einwirkung auf die Temperatur der Gärung, betrifft den vorbestimmten Kurvenverlauf der Entwicklung des spezifischen Gewichts. Wie im Falle des vorhergehenden Patents (DE-B-2 744 769) lehrt dieses Patent (DE-A-1 935 818) keine Mittel zur Vorbestimmung der Konzentration an Zuckern und der Konzentration an Ethanol.
Die Literaturstellen, die den Stand der Technik beschreiben, zeigen, daß noch immer Anstrengungen unternommen werden, Mittel zu finden, die es ermöglichen, die Prozesse der alkoholischen Gärung wirksam zu kontrollieren, indem Möglichkeiten genutzt werden, die sich durch die Informatik bieten.
Die Erfindung betrifft ein solches Kontrollverfahren, bei dem physikalische Parameter genutzt werden, die es ermöglichen, zur Bestimmung der Konzentrationen an Ethanol und an Restzuckern zu gelangen.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist somit, ein Verfahren bereitzustellen, das es ermöglicht, zur gleichen Zeit den Endzustand vorherzusehen, den Fortgang der Gärung zu bewerten, die Kinetik der Gärung festzustellen und eine Beurteilung bezüglich der Bedingungen des Ablaufs des alkoholischen Gärungsprozesses zu formulieren.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren bereitzustellen, das es ermöglicht, aus der Bestimmung der charakteristischen Parameter der alkoholischen Gärung die Gärung zu kontrollieren, damit diese unter optimalen Bedingungen ablaufen kann.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist somit ein Verfahren zur in situ Vorausberechnung und Kontrolle alkoholischer Gärungen, dadurch gekennzeichnet, daß in gegebenen Zeitintervallen wenigstens ein Parameter gemessen wird, ausgewählt aus der Dichte des Gärungsmediums, des Brechungsindex dieses Mediums, des durch das Medium erzeugten Volumens an Kohlensäuregas und des Gewichtsverlusts des Gärungsmediums, indem aus diesen Parametern die Konzentrationen an Ethanol und verbliebenen Zuckern bestimmt werden, Konzentrationen, von denen ausgehend sich Fortschreiten und Entwicklung der alkoholischen Gärung bestimmen lassen, fehlerhafte Entwicklungen (Stillstand oder Komplikationen bei der Gärung) feststellen lassen und letztere sich in einer Weise kontrollieren lassen, daß alle fehlerhaften Entwicklungen im Ablauf der Gärung zu korrigieren sind.
Bei einer Art der Durchführung wird die augenblickliche oder gesamte Kinetik der Gärung bestimmt, beispielsweise die Geschwindigkeit des Verbrauchs der Zucker, die Geschwindigkeit der Ethanol-Produktion und die Geschwindigkeit der CO&sub2;- Produktion.
Beispielsweise wird die Bestimmung der augenblicklichen oder gesamten Kinetik der Gärung genutzt für die automatische Kontrolle der Gärungsentwicklung, insbesondere durch Hervorrufen geeigneter Temperaturänderungen.
Somit wird nach einer bevorzugten Art der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens die Kontrolle der Gärungsentwicklung vorgenommen, als Funktion erhaltener Bestimmungen ausgewählter Parameter, durch geeignete Änderung der Temperatur des Gärungsmediums.
Wie bereits vorstehend angegeben und wie ausführlicher aus der folgenden Beschreibung hervorgeht, umfaßt die vorliegende Erfindung neuartige und vorteilhafte Charakteristika, darunter:
(1) Das Kontrollverfahren beruht auf der möglichen Messung vier verschiedener physikalischer Parameter, deren Wechselbeziehungen bereits bestimmt sind.
(2) Diese Messungen ermöglichen die Bestimmung der beiden wesentlichen biologischen Größen, um den Fortgang des alkoholischen Gärungsprozesses wiederzugeben, nämlich die Konzentration an Zuckern und die Konzentration an Ethanol. Die festgestellten Beziehungen zur Sicherstellung dieser Vorbestimmungen sind von linearer Form (mithin recht einfach). Die vorgeschlagenen Mittel der Informatik ermöglichen ständige Aufzeichnung.
(3) Das Verfahren umfaßt auch die Bestimmung und Aufzeichnung der Gärungskinetik in Echtzeit.
(4) Parallel dazu umfaßt es eine Analyse der Verhältnisse beim Fortgang der Gärung mit Feststellung möglicher Komplikationen (Stillstand, Komplikationen etc.).
(5) Das Kontrollverfahren ermöglicht Feineinwirkung auf die Temperatur der Gärung in der Weise, wie die Steuerbefehle für jeden Produkttyp gewählt sind (Wein-Typ, Bier-Typ), als Funktion der Entwicklung der Gärungskinetik.
Derartige Kennzeichen sind besonders interessant in der Praxis und werden von keinem der früheren Dokumente gelehrt, die am Anfang der vorliegenden Beschreibung erwähnt sind.
Weitere Vorteile und Kennzeichen der vorliegenden Erfindung, einem Verfahren zur in situ Vorausberechnung und Kontrolle alkoholischer Gärungen, werden bei der Durchsicht der folgenden, nicht einschränkenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen sichtbar, worin:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform von Vorrichtungen ist, die die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ermöglichen.
Fig. 2 die experimentelle Beziehung zwischen dem Gewichtsverlust des Gärungsmediums und dem Volumen an freigesetztem Kohlensäuregas für Zucker-Anfangsgehalte des Gärungsmediums zwischen 160 und 260 g/l zeigt.
Fig. 3 Kurven der Beziehung zwischen der Dichte und dem Brechungsindex für Gärungssäfte, die eine Anfangskonzentration an Zucker zwischen 160 und 260 g/l aufweisen, zeigt.
Fig. 4 Kurven der Beziehung zwischen der Dichte und dem Volumen an erzeugtem CO&sub2; für Gärungssäfte, die eine Anfangskonzentration an Zucker zwischen 160 und 260 g/l aufweisen, zeigt.
Fig. 5 die Beziehung zwischen der Ethanol-Konzentration im Gärungsmedium und dem Volumen an freigesetztem Kohlensäuregas für Zucker-Anfangsgehalte zwischen 160 und 260 g/l zeigt.
Fig. 6 die Beziehung zwischen der Konzentration an verbrauchtem Zucker im Gärungsmedium und dem Volumen an freigesetztem CO&sub2; für Zucker-Anfangsgehalte des Gärungsmediums zwischen 160 und 260 g/l zeigt.
Fig. 7 die Kurven der Beziehung zwischen der Dichte und der Alkohol-Konzentration in Säften für Anfangskonzentrationen an Zucker zwischen 160 und 260 g/l zeigt.
Fig. 8 eine Kurve zeigt, die die Beziehung zwischen der Dichte und der Konzentration an Rest Zucker in Säften für Anfangskonzentrationen an Zucker zwischen 160 und 260 g/l darstellt.
Fig. 9 einen Vergleich der experimentellen Ergebnisse (eingezeichnet als +) und den vorhergesagten Größen (durchgezogene Kurve) zeigt, unter Anwendung der Beziehung, die auf der Messung des Volumens an freigesetztem CO&sub2; beruht.
Fig. 10 einen Vergleich der experimentellen Ergebnisse (eingezeichnet als +) und den vorhergesagten Größen (durchgezogene Kurve) der Konzentration an verbrauchten Zuckern als Funktion der Gärungsdauer zeigt, unter Anwendung der Beziehung, die auf der Messung des Volumens an freigesetztem CO&sub2; und der Anfangskonzentration an Zuckern beruht.
Fig. 11 die Kinetik der Ethanol-Produktion gemäß einer Kurve der Änderung der Geschwindigkeit der Ethanol-Produktion als Funktion der Zeit darstellt, wobei die Grundlage die Beziehung von Fig. 3 ist.
Fig. 12 eine Darstellung der Kinetik der CO&sub2;-Freisetzung gemäß einer Kurve der Änderung der Geschwindigkeit der CO&sub2;- Produktion als Funktion der Zeit ist, erhalten aus Messungen des CO&sub2;-Volumens.
Fig. 13 eine schematische Ansicht eines Kellerversuchsbehälters des erfindungsgemäßen Verfahrens ist.
Fig. 14A und 14B in Vorder- bzw. Rückansicht einen technischen Behälter zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigen.
Fig. 15 die Werte der berechneten Ethanol-Gehalte in Vol.-% zeigt als Funktion der Werte der Ethanol-Gehalte, die durch chemische Analyse gemessen wurden- im Verlauf einer ersten Gärung von Säften gemischter Rebsorten in einem in Fign. 14A und 14B beschriebenen Behälter, der zu 45 Hektoliter gefüllt ist, wobei die verschiedenen, in der Graphik verwendeten Zeichen es ermöglichen, die Berechnung aus der Messung des Brechungsindex zu unterscheiden von der, die ausgeht von der Messung der volumenbezogenen Masse des Saftes bei der Gärung.
Fig. 16 und Fig. 17 jeweils graphische Darstellungen sind, die identisch sind mit der von Fig. 15 und erstellt wurden für andere Gärungen von Säften gemischter Rebsorten.
Fig. 18 die Kurve der Konzentrationen an Zuckern zeigt, berechnet durch Messung der Gasfreisetzung, und die der analysierten Konzentrationen an Zuckern als Funktion der Zeit in einem Gärungssaft.
Fig. 19 eine graphische Darstellung der Konzentrationen an Zuckern zeigt, berechnet durch Messung der Gasfreisetzung, aufgetragen als Funktion der durch chemische Analyse gemessenen Konzentrationen in einem Gärungssaft.
Fign. 20 und 21 graphische Darstellungen zeigen, die identisch sind mit der von Fig. 19, aber für andere Gärungen.
Fig. 22 separate Kurven der Änderung der Dichte zeigt, berechnet aus Messungen des Drucks oben und unten im befüllten Teil des Behälters, sowie der Dichte, die gemessen wurde mit Hilfe eines Aräometers an einer gezogenen Probe, als Funktion der Zeit im Verlauf einer Kellergärung.
Fig. 23 die Kurven der Änderung des freigesetzten
Kohlensäuregases bzw. der Temperatur als Funktion der Zeit im Innern eines Bioreaktors zeigt, der gesteuert wird mit Hilfe der Vorrichtung von Fig. 1.
Fig. 24 die gleichen Kurven wie Fig. 23 zeigt, aber ohne jegliche Gärungskontrolle.
Wie in Fig. 1 dargestellt, enthält der Bioreaktor 1 einen Gärungssaft, der über eine Leitung 1a Kohlensäuregas freisetzt, das mit Hilfe eines Volumenmessers 5 gemessen wird, ehe es in Richtung des Pfeils f1 entweicht.
Die mit dem Volumenmesser 5 gemessenen Daten werden auf eine elektronische Meßschnittstelle 4 übertragen, zu der auch die Temperatur- und Druckdaten gelangen, die im Behälter des Bioreaktors 1 durch die Temperaturfühler 2 und die Druckfühler 3 gemessen werden. Die elektronische Meßschnittstelle 4 überträgt diese Daten auf eine On-line-Verarbeitungseinheit 6, aufgebaut beispielsweise aus einem Mikroprozessor und Anwender-Software, wobei die On-line-Verarbeitungseinheit 6 verbunden ist mit einer Peripherieeinheit 7, an die zum Beispiel ein Bildschirm mit Tastatur, ein Diskettenlaufwerk, ein Drucker und dergleichen angeschlossen ist. Diese Peripherieeinheit 7 kooperiert zum einen über f2 mit dem Operator, indem sie ihn mit diagnostischen Informationen versorgt, wobei der Operator über f3 Anfangsdaten in die Peripherieeinheit 7 eingeben kann, und zum anderen mit einer elektronischen Steuerungsschnittstelle 9, die dazu bestimmt ist, die Antriebselemente 10 zu steuern, die zum Beispiel die Temperatur des Bioreaktors 1 regulieren.
Wie vorstehend aufgezeigt, beruht das erfindungsgemäße Verfahren zur Vorausberechnung und Kontrolle alkoholischer Gärungen auf der Messung mehrerer physikalischer Größen, die für die alkoholische Gärung typisch sind, nämlich: Die Dichte des Gärungsmediums, der Brechungsindex des Gärungsmediums, das Volumen an gebildetem Kohlensäuregas; der Gewichtsverlust des Gärungsmediums aufgrund der Umwandlung von Zucker in Ethanol und Kohlensäuregas, welches freigesetzt wird.
Die Analyse der Ergebnisse, die in den verschiedenen Kurven der Abbildungen erhalten werden, führt zu folgenden Schlüssen:
Die vier betrachteten Parameter sind ausgezeichnete Indikatoren für den Ablauf der alkoholischen Gärung. Unter Beachtung der experimentellen Bedingungen, nämlich der Anfangskonzentration an Zucker im Saft, der Temperatur der kontrollierten oder frei ablaufenden Gärung, des Inoculums sowie anderer Parameter, ist es möglich, Beziehungen herzustellen zwischen einem oder mehreren dieser on-line gemessenen Parameter und den Konzentrationen an Ethanol und restlichen Zuckern in den Säften.
Andererseits besteht eine enge Beziehung zwischen dem Gewichtsverlust und dem Volumen an freigesetztem Kohlensäuregas, die sich ausdrücken läßt in Litern oder in g/l an vergorenem Saft. Tatsächlich erbringen die beiden gleichzeitig durchgeführten Messungen nicht mehr Information als eine einzige Messung.
Was die Fign. 3 und 4 betrifft, so ist festzustellen, daß diese in Beziehung zu Fig. 2 die Kombinationen herstellen, die zwischen den gemessenen vier physikalischen Parametern bestehen, die ebenfalls vorstehend angegeben sind.
Außerdem zeigen die Fign. 3 und 4 die Existenz linearer Beziehungen zwischen den Konzentrationen an gebildetem Ethanol und verbrauchtem Zucker bzw. dem Volumen an freigesetztem CO&sub2;, wobei diese Beziehungen von der Form Y = a + bX sind. Die experimentellen Ergebnisse ermöglichten die Identifizierung der Parameter a und b, die sich also mit einwandfrei definierten numerischen Werten belegen lassen. Für die Ethanol-Konzentration (Eth) läßt sich die Beziehung schreiben:
wobei die Genauigkeit ± 2,73 g/l ist.
Wird in diesem Modell die Temperatur der Gärung berücksichtigt, so verbessert sich im allgemeinen die Genauigkeit der Vorhersage, nämlich auf ± 2,4 g/l.
Was die Konzentration an restlichem Zucker (Sr) anbetrifft, so läßt sich die Beziehung schreiben als:
wobei So die Anfangskonzentration an Zuckern ist, während die Genauigkeit ± 7,8 g/l ist. Wird die Temperatur der Gärung in dem Modell berücksichtigt, so verbessert sich die Genauigkeit der Vorhersage etwas, nämlich auf ± 7,7 g/l. Diese Verbesserung wird noch spürbarer, nämlich ± 6 g/l, wenn auch die Dichte in das Modell eingeführt wird.
Die Ergebnisse in Fign. 7 und 8 belegen, daß es neben der Messung von CO&sub2; auch möglich ist, die Dichte des Gärungsmediums zu verwenden, um die Konzentrationen an Ethanol und restlichen Zuckern vorher zu bestimmen. Diese Regel läßt sich, wie die Fign. 2, 3, 4 zeigen, auf den Brechungsindex und den Gewichtsverlust ausweiten.
In Fig. 9 wurde ein Vergleich angestellt zwischen den experimentellen Ergebnissen (eingezeichnet als +) und den vorhergesagten Größen (durchgezogene Kurve) unter Anwendung der Korrelation auf der Grundlage der Messung des Volumens an freigesetztem CO&sub2;, in Beziehung zu den Ergebnissen von Fig. 5. Weiterhin gibt Fig. 10 einen Vergleich der experimentellen Ergebnisse (eingezeichnet als +) und den vorhergesagten Größen (durchgezogene Kurve) der Konzentration an verbrauchtem Zucker als Funktion der Gärungsdauer, unter Anwendung der Beziehung, die auf der Messung des Volumens an freigesetztem CO&sub2; und der Anfangskonzentration an Zuckern beruht, im Verhältnis zu Fig. 6. Diese beiden letzten Abbildungen belegen klar die Bedeutung der erstellten Modelle, die die sofortige Bestimmung der Gehalte an Zucker und Ethanol im Gärungsmedium bei der alkoholischen Gärung ermöglichen.
Aus dem vorstehenden ist ersichtlich, daß die Messungen, die on-line durchgeführt wurden und die vorstehend erwähnten Parameter betreffen, es ermöglichen, bei Anwendung innerhalb der mathematischen Modelle, mit einer Genauigkeit von einigen g/l (im allgemeinen besser als 5%) die Konzentrationen an Ethanol und restlichen Zuckern im Saft im Verlauf der Gärung vorherzusagen. Bezogen auf die Vorausberechnung des Endzustandes ist es möglich, den Grad des Fortschreitens der Gärung prozentual auszudrücken. Da drei der vorstehend erwähnten Parameter verfügbar sind, nämlich die Gesamtmenge an gebildetem CO&sub2;, gebildetes Ethanol und verbrauchter Zucker, ist ein Vergleich möglich, um den Ausdruck des Ergebnisses zu verbessern.
Aufgrund der durchgeführten Messungen (CO&sub2;) und der Vorausberechnungen (Konzentration an Ethanol und restlichen Zuckern) ist es möglich, die Geschwindigkeiten der Bildung von CO&sub2; und Ethanol und die Geschwindigkeit des Verbrauchs der Zucker unter Bezugnahme auf die Zeit zu bestimmen. Die in Fign. 12 und 11 dargestellte Kinetik bildet ein ideales Werkzeug zur Steuerung der Alarm- und Diagnosefunktionen, beispielsweise unter Verwendung der Steuervorrichtung von Fig. 1.
Unter Einbeziehung angesammelter Erfahrungen bietet die Kinetik, erstellt aus den Messungen und den prognostischen Bestimmungen dieser Parameter, außerdem die Möglichkeit, dem Operator anzuzeigen, ob der Ablauf der Gärung normal oder außerhalb der Norm ist. Zum Beispiel können folgende Diagnosen in Betracht gezogen werden: Gärung normal, Gärung zu langsam, Gärung verfrüht am Stillstand, d. h., vor vollständigem Abbau der Zucker, Gärung zu schnell sowie weitere Anomalien bei der Gärung. Aufgrund der Daten, die dem Operator durch die Vorrichtung von Fig. 1 mitgeteilt werden, kann er mit einem Kühlungsvorgang in einem Moment fortsetzen, der zu dessen Durchführung am günstigsten ist.
Weitere Versuche, deren Ergebnisse in den Abbildungen 15 bis 22 angegeben sind, wurden in technischem Maßstab durchgeführt. Diese Ergebnisse ermöglichten den Nachweis der technischen Durchführbarkeit des Verfahrens in einem Maßstab von mehreren zehn Hektolitern Wein. Es wurde beobachtet, daß einerseits, während die Homogenität der Gärung inmitten des Behälters gut genug ist, eine umfassende Information zur Gärungswirksamkeit des Behälters ausreicht, um auf jede Zone im Behälter zu extrapolieren; andererseits zeigt die Gültigkeit der Korrelationen, die die Dichte und/oder den Brechungsindex mit dem Gehalt an Zuckern und Ethanol der Gärungssäfte in Beziehung setzen, daß die Versuche, deren Ergebnisse in den Fig. 2 bis 12 angegeben sind, auf die technische Situation extrapoliert werden können, auf die das erfindungsgemäße Verfahren angewandt werden soll.
Um dies zu bewerkstelligen, wurde zum einen ein Kellerversuchsbehälter verwendet wie der in Fig. 13 dargestellte, der ein Fassungsvermögen von 30 Hektolitern aufweist, und zum anderen ein Behälter mit 50 Hektolitern, der in besonderer Weise für den Anschluß an die Vorrichtung zur Gärungskontrolle von Fig. 1 angepaßt war, wobei dieser Behälter in den Fign. 14A und 14B dargestellt ist.
Der in Fig. 13 dargestellte Kellerversuchsbehälter umfaßt einen Rumpf 16, auf den ein Deckel 16a, eine Rohrabzweigung 16b und ein Ablaßventil 16c aufgesetzt sind. Das durch die Gärung freigesetzte CO&sub2; entweicht über die Rohrabzweigung 16b und wird einem Volumenmesser 15 zugeführt, an dessen stromabwärts gelegener Seite ein Druckfühler 13 und ein Temperaturfühler 14 bereitgestellt sind. Auf dem Rumpf des Behälters 16 sind entsprechend einem Höhenunterschied h auch Druckfühler 11 und 12 angebracht. Die Punkte A, B, C, D, E sind die Registrierpunkte für die Temperatur im Innern des Rumpfes 16.
In der in den Fign. 14A und 14B gezeigten Ausführungsform ist der Rumpf 17 auf einen Untersatz 17a montiert und weist an seinem unteren Ende ein Ablaßventil 17c auf. Im Innern des Behälters ist ein Plattenwärmetauscher 18 angebracht, dem über eine Leitung 19, die mit einer Kühlgruppe verbunden ist, eine wärmeabführende Flüssigkeit zugeführt wird, deren Kreislauf durch ein Ventil 20 gesteuert wird. Die wärmeabführende Flüssigkeit gelangt über die Leitung 21 zur Kühlgruppe zurück. Am oberen Ende des Behälters 17 ist eine Rohrabzweigung 17b für eine Ablesevorrichtung für die Höhe des Saftes vorgesehen. Das im Behälter gebildete CO&sub2; wird von einer Leitung 22 aufgenommen, die es einem Volumenmesser 26 zuführt, wonach es durch die Leitung 27 freigesetzt wird. Parallel zum Behälter ist ein elektronisches Densimeter angebracht, das mit dem Behälter über eine Leitung 23 verbunden ist, auf die ein Ventil 24 und eine Leitung 28 montiert sind. Im Innern des Behälters sind bei 29 Druckfühler bereitgestellt und bei 30 Temperaturfühler. Der Rumpf des Behälters ist auch mit einer Türe 17d versehen.
Die manuellen Messungen, die mit den gezogenen Proben im Verlauf der Eingriffe im Behälter durchgeführt werden, dienen insbesondere der Bestimmung des Brechungsindex und der Dichte sowie der Temperatur, deren Anwendung auf die Korrektur der physikalischen Parameter beschränkt ist. Die folgende Tabelle 1 zeigt das Profil der Gehalte an Alkohol und Glycerin sowie die Werte der Brechungsindices in einem Behälter, der 27 Hektoliter Gärungssaft enthält, und wie er in Fig. 13 schematisch dargestellt ist. In diesem Fall handelt es sich um einen Saft aus roten Rebsorten, der nach dem Pressen in flüssiger Phase zu Wein verarbeitet wird.
Tabelle 2 bezieht sich auf die Ergebnisse, die erhalten wurden mit einem wie in Fign. 14A und 14B gezeigten Behälter, der 45 Hektoliter Gärungssaft einschließt, der aus roten Rebsorten stammt, mit Erwärmung des Leseguts.
Die Ergebnisse der chemischen Analysen von Tabelle 1 werden durch die Aufbewahrung von Proben ungleichmäßiger Qualität (einmaliges Einfrieren) beeinflußt, und die Messungen des Brechungsindex sind ziemlich ungenau. Dagegen sind die Ergebnisse in Tabelle 2 recht verläßlich, wobei das Versuchsprotokoll besser ist. Somit kann der Schluß gezogen werden, daß eine gewisse Ungleichmäßigkeit der Gärungswirkung in den Behältern besteht, die angesichts der Genauigkeit der chemischen Messungen spürbar ist. Allerdings zeigen die Schwankungen der Zuckerkonzentrationen, gemessen in einem Zeitraum von 10 oder 14 h, relative Unterschiede von maximal 10%, sobald die Gärung im gesamten Behälter zu wirken beginnt. Diese Ungleichmäßigkeit ist gering genug, so daß eine Messung im Gesamtüberblick wie etwa die Gasfreisetzung oder die mittlere Dichte, berechnet aus der Differenz der Druckmessungen, letztlich die Wirksamkeit des Fermenters wiedergibt.
Bei den Fign. 15, 16, 17 handelt es sich um eine Extrapolation von Korrelationen, die mit Weingewinnung im Mikromaßstab erstellt wurden, auf ein Volumen von 4500 l Saft.
Als Ergebnis von Untersuchungen, die durchgeführt wurden durch l'Ecole d'Oenologie de la Faculte de Pharmacie de Montpellier in Zusammenarbeit mit CEMAGREF, wurde eine Beziehung aufgestellt, die den Brechungsindex n und die volumenbezogene Masse p mit der Zusammensetzung des Saftes als ungezuckerter Trockenextrakt (E, in g/l), den Gesamtzuckern (S, in g/l), Ethanol (A, in Vol.-%), Glycerin (G, in g/l) verknüpft unter Berücksichtigung der Temperatur (in ºC) der Messung in Zusammenhang bringt:
Diese Beziehung entspricht den folgenden Formeln:
n = 1,3330 - 0,000103(t - 20) + [1,4199 - 0,00181(t - 20)]·10&supmin;&sup4;(E + S) + [5,465 - 0,00189(t - 20)]·10&supmin;&sup4;A + 1,1560·10&supmin;&sup4;G; p = 998,2 - 0,3(t - 20) + 0,3820(E + S) - 1,3050A + 0,2311G.
Beim Verknüpfen von G, A, S und Festsetzen des Wertes von E reduziert sich dies unter Berücksichtigung weinbaukundlicher Annahmen auf eine einzige Unbekannte, die A oder S ist; man kann also davon ausgehen; daß 1 Vol. -% gebildetes Ethanol dem Abbau von 17,5 g/l Zuckern entspricht. Unter Berücksichtigung dieser Annahmen und unter Anwendung der Gleichung, die einzig und allein zu p führt, wurden die Ethanol-Gehalte berechnet für den Fall von Gärungen, die in einem Weinbehälter mit einem Volumen von 4500 l vor sich gehen. Die Ergebnisse sind durch die Fign. 15, 16 und 17 dargestellt. Parallel dazu sind die Ergebnisse dargestellt, bei denen nur der Brechungsindex verwendet wurde. Obwohl die in diesem Bereich in Weinbehältern durchgeführten Messungen mit einem gewissen Fehler behaftet sind, besonders im Fall des Brechungsindex, wird die Durchführbarkeit der Verfolgung von Gärungen durch Messungen von Brechungsindices oder der Dichte unter technischen Bedingungen klar belegt.
Die Fign. 18 und 21 zeigen, daß ein Gasvolumenmesser, beispielsweise vom Typ, der in 15 oder 25 in den Fign. 13 und 14A, 14B gezeigt ist, zur Berechnung der Masse des freigesetzten Kohlensäuregases ausreicht. Die in den Fign. 19 bis 21 dargestellten Kurven zeigen die Linearität der Beziehung, die die durch den Messer gelieferte Anzeige und den Gehalt an Zuckern des Gärungssaftes verknüpft. Die beobachteten Verschiebungen in den Fign. 20 und 21 stehen nur mit dem richtigen Funktionieren des Volumenmessers in Zusammenhang, nicht aber mit dem Prinzip der Messung; die Kondensationserscheinungen, die die Ursache für diese Abweichung der Messung sind, verlangen die Bereitstellung eines komplementären Systems für die Kondensation der Dämpfe stromaufwärts vom Eintritt der Gase in den Messer; in dem Fall, daß das Komplementärsystem die Probleme nicht löst, können andere Arten von Gerät mit einem gewissen Erfolg verwendet werden (Durchsatzmesser mit Unterdruckmündung und dergleichen).
Fig. 24 zeigt die Durchführbarkeit der Berechnung der volumenbezogenen Masse aus zwei Messungen des Drucks zwischen dem oberen und unteren unter Flüssigkeit stehenden Teil des Behälters. Aus durchgeführten technischen Versuchen ergibt sich, daß der Volumenmesser ein guter Sensor für die Gärungskinetik in technischem Maßstab unter dem Vorbehalt ist, daß die mit der inneren Kondensation von Dämpfen verbundenen Probleme gelöst werden. Aber es kann irgendeine Vorrichtung zur Messung des Durchsatzes verwendet werden, die zur Verwendung geeignet ist. Im übrigen stellen die Druckfühler gute Instrumente zur Charakterisierung der Verhältnisse des Fortschreitens der Gärung dar, besonders was den Gewichtsverlust oder die volumenbezogene Masse anbetrifft. Somit bestätigen die technischen Versuche die guten Ergebnisse, erhalten auf der Stufe der Laborvorversuche, was die Durchführbarkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Vorausberechnung und Kontrolle alkoholischer Gärungen anbetrifft.
Es ist klar, daß die Erfindung hinsichtlich der vorstehend beschriebenen Ausführungsform und -art in keiner Weise beschränkt ist, sondern daß sie alle Abänderungen und Varianten umschließt, die vom gleichen Grundprinzip abgeleitet sind, nämlich die Bewertung der Anfangsdaten einer Gärung, die Durchführung der Messungen der verschiedenen Gärungsparameter in situ, sowie die Behandlung dieser Daten wie auch Messungen zum Ausdrücken der physikalischen Größen, die kinetischen Berechnungen, die Vorausberechnung der End- und Zwischenstadien sowie die Quantifizierung des Fortschreitens der Gärung.
Es ist also möglich, in einer Fabrik, die eine große Zahl von Gärungsbehältern umfaßt, die für jeden Behälter spezifische Instrumentierung und die Bereitstellung eines zentralen Informatikelements vorzusehen, das die gesamten Behandlungen, Berechnungen und Vorausberechnungen gewährleistet; eine solche Lösung, die es ermöglicht, die Zahl der in Betrieb genommenen Behälter nach und nach zu erhöhen, hat den Vorteil, daß die Investitionskosten auf ein Minimum beschränkt werden. Im übrigen liegt die Hauptbedeutung des Verfahrens darin, daß dem Operator sofortiger Zugriff auf ein Maximum von Informationen zum Ablauf der alkoholischen Gärung in jedem Behälter möglich wird. Diese Informationen ermöglichen, daß bestimmte Entscheidungen bezüglich Verfahrensführung getroffen werden. Maßnahmen der Kühlung (in der Weinbaukunde) oder der Temperaturänderung der Gärung (im Brauwesen) sind die am direktesten anwendbaren.
Die Anwendungen des Verfahrens betreffen die Techniken der diskontinuierlichen (Batch) alkoholischen Gärungen, die charakteristisch sind bei der Herstellung vergorener Getränke, nämlich Bier, Wein, Most oder Spirituosen und dergleichen sowie in bestimmten Fällen Bioethanol. Unter dem Vorbehalt einiger Anpassungen auf der Stufe der Software und der mathematischen und Korrelationsmodelle lassen sich diese Anwendungen auf alkoholische Gärungen ausdehnen, die kontinuierlich durchgeführt werden. In dem Fall, daß statt dessen das Volumen an freigesetztem CO&sub2; als Funktion der Zeit berücksichtigt wird, muß von den Schwankungen des Volumens an freigesetztem Kohlensäuregas pro Zeiteinheit ausgegangen werden.
Auf einer allgemeineren Ebene ist die Erwägung möglich, daß alle anaeroben Gärungsverfahren (oder mikro-aeroben, d. h., unter der Annahme einer Sättigung des anfänglichen Kulturmediums mit Luft oder einer Mikro-Belüftung), die Gas erzeugen, sich mit Hilfe eines Verfahrens steuern lassen, bei dem das Volumen an gebildetem Gas kontinuierlich gemessen wird. Dies ist der Fall bei den Verfahren zur Herstellung von Methan (die gebildete Mischung CO&sub2; + CH&sub4; ist dann nicht anhand des Gesamtdurchsatzes, sondern anhand ihrer Zusammensetzung zu charakterisieren) und der Herstellung von Aceton/- Butanol (die Mischung H&sub2; + CO&sub2; muß gleichermaßen anhand ihres Durchsatzes und ihrer Zusammensetzung charakterisiert werden). Dies ist auch der Fall unter bestimmten biologischen Bedingungen (zum Beispiel die Zugabe von Harnstoff in ein Kulturmedium zur Aktivierung der CO&sub2;-Produktion) bei Milchsäure-Gärungsverfahren: Herstellung von Hefen in Reinkulturen oder gemischten Kulturen, Verwendung dieser Hefen in der Käserei.
Die vorstehende Beschreibung zeigt, daß sich der Ablauf der Gärung steuern läßt durch geeignete Änderung der Temperatur mit Hilfe eines Steuerbefehls, wobei in die Geschwindigkeit des Zuckerabbaus eingegriffen wird.
Somit wird in Fig. 23, die den Verlauf des freigesetzten CO&sub2; (durchgezogen) und der Temperatur (punktiert) als Funktion der Zeit behandelt, ein Einstellwert der Maximalgeschwindigkeit bei 1 g·l&supmin;¹·h&supmin;¹ festgesetzt. Sobald diese festgesetzte Geschwindigkeit erreicht ist, bleibt die Kühlung tatsächlich konstant, das CO&sub2; wird linear als Funktion der Zeit freigesetzt, sei es durch Konstanthalten der Temperatur, sei es, daß man sie am Ende der Gärung ansteigen läßt. Die in Fig. 24 gezeigten Kurven sind Kontrollkurven der gleichen Gärung ohne jegliche Steuerung. Man sieht, daß die Temperatur stärker ansteigt, was sich überträgt in einen Stillstand der Gärung, wobei das am Ende freigesetzte CO&sub2; weniger ist als in Fig. 23.
Die Kurven dieser Abbildung sind Ausdruck einer ersten konkreten Anwendung für die Steuerung von Gärungen in der Weinbaukunde durch Regulierung ihrer Temperatur. Dank der Echtzeiterfassung der freigesetzten CO&sub2;-Menge läßt sich eine Momentangeschwindigkeit der Gärung errechnen. Der neue Steuerbefehl besteht darin, die Überschreitung einer festgesetzten Geschwindigkeit durch Abführen von Kilokalorien zu verhindern. Es handelt sich um ein neues Hilfsmittel zur Regulierung der Temperatur, das nicht mehr in erster Linie auf der Fixierung eines festgesetzten Punktes dieses Parameters beruht, sondern angepaßt ist an die in Echtzeit gemessenen Charakteristika der jeweiligen Gärung. Dieses System ermöglicht kalorische Wirtschaftlichkeit, eine Produktivitätssteigerung der Fermenter oder Bioreaktoren, sowie eine bessere Durchfürbarkeit der Kühlung der Gärungssäfte. Im Anwendungsbeispiel des in den Fign. 23 und 24 dargestellten neuen Steuerbefehls wird, wie vorstehend angegeben, eine festgesetzte Maximalgeschwindigkeit von 1 g·l&supmin;¹·h&supmin;¹ an freigesetztem CO&sub2; angewandt, doch ist offenkundig, daß diese Festsetzung der Maximalgeschwindigkeit an die jeweilige Art der weinbaukundlichen Gesamtsituation angepaßt werden muß.
Was die zwischen den physikalischen Messungen und den Gehalten an chemischen Elementen hergestellten Beziehungen anbetrifft, so ist deren Nutzung für gewisse Bereiche interessant.
Die Nutzung dieser Korrelationen zwischen Parametern ermöglicht die On-line-Bestimmung der Verhältnisse des Fortschreitens alkoholischer Gärungen durch Bestimmung des Gehalts an Zuckern und/oder Ethanol in einem gegebenen Augenblick und durch dessen (deren) Vergleich mit dem (den) Ausgangswert(en).
Ein weiterer Nutzungsbereich für diese Korrelationen ist die Erfassung der Kinetik, etwa die der Bildung von Kohlensäuregas, des Abbaus der Zucker, der Bildung von Ethanol und anderen. Diese Bestimmungen der Kinetik werden direkt für Alarm-, Diagnose- und Regelfunktionen verwendet.
Ein weiterer Nutzungsbereich für diese Korrelationen ist die Steuerung alkoholischer Gärungen mit Hilfe spezieller Algorithmen, die auf die On-line-Bestimmung der Gehalte an erzeugtem Ethanol und verbleibenden Zuckern sowie der damit verbundenen Kinetik beruhen. TABELLE 1 Untersuchung der Homogenität einer Gärung (Behältergärung 2700 Liter - Domaine du Chapitre 1985 Nummer Stunden Gesamt-Biomasse Alkohol Mittel Glycerin Zucker Brechungsindex, korrigiert auf 20ºC Abweichung Typ (Alkohol): Mittel in Klammern für σ größer 3. (Glycerin): Mittel in Klammern für σ größer 0,5. Die in Klammern gesetzten Alkohol- oder Glycerin-Werte A, B oder C werden für den Mittelwert für Alkohol oder Glycerin nicht mitgezählt. (%): Die Korrektur wird vorgenommen unter Verwendung der Korrekturtabellen über die angewandte Temperatur bei einem nichtvergorenen Saft. TABELLE 2 Untersuchung der Homogenität einer Gärung (Behältergärung; 45 hl; rote Rebsorte, erwärmt) ZEIT DER ENTNAHME UND DER MESSUNG BEHÄLTER UNTEN MITTE OBEN S = Gehalt an Zuckern (g/l) dS/dt = Abbaugeschwindigkeit der Zucker (g/l·h) A = Gehalt an Ethanol (Vol.-%) G = Gehalt an Glycerin (g/l) d = Dichte n = Brechungsindex R = Temperatur bei der physikalischen Messung ZEIT DER ENTNAHME UND DER MESSUNG BEHÄLTER UNTEN MITTE OBEN S = Gehalt an Zuckern (g/l) dS/dt = Abbaugeschwindigkeit der Zucker (g/l·h) A = Gehalt an Ethanol (Vol.-%) G = Gehalt an Glycerin (g/l) d = Dichte n = Brechungsindex R = Temperatur bei der physikalischen Messung ZEIT DER ENTNAHME UND DER MESSUNG BEHÄLTER UNTEN MITTE OBEN S = Gehalt an Zuckern (g/l) dS/dt = Abbaugeschwindigkeit der Zucker (g/l·h) A = Gehalt an Ethanol (Vol.-%) G = Gehalt an Glycerin (g/l) d = Dichte n = Brechungsindex R = Temperatur bei der physikalischen Messung.

Claims

1. Verfahren zur in situ Vorausberechnung und Kontrolle alkoholischer Gärungen, dadurch gekennzeichnet, daß in gegebenen Zeitintervallen wenigstens ein Parameter gemessen wird, ausgewählt aus der Dichte des Gärungsmediums, des Brechungsindex dieses Mediums, des durch das Medium erzeugten Volumens an Kohlensäuregas und des Gewichtsverlusts des Gärungsmediums, indem ausgehend von diesen Parametern die Konzentrationen an Ethanol und verbliebenen Zuckern bestimmt werden, Konzentrationen, von denen ausgehend sich Fortschreiten und Entwicklung der alkoholischen Gärung bestimmen lassen, fehlerhafte Entwicklungen (Stillstand oder Komplikationen bei der Gärung) feststellen lassen und letztere sich in einer Weise kontrollieren lassen, daß alle fehlerhaften Entwicklungen im Ablauf der Gärung zu korrigieren sind.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die augenblickliche oder gesamte Kinetik der Gärung bestimmt wird, beispielsweise die Geschwindigkeit des Verbrauchs der Zucker, die Geschwindigkeit der Ethanol- Produktion und die Geschwindigkeit der CO&sub2;-Produktion.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestimmung der augenblicklichen oder gesamten Kinetik der Gärung genutzt wird für die automatische Kontrolle der Gärungsentwicklung, insbesondere durch Hervorrufen geeigneter Temperaturänderungen.