DE4308459A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Vermehren von Hefe - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum
Vermehren von Hefe.
Hefevermehrungsanlagen sind insbesondere aus Brauereien be
kannt. Beim Bierbrauen wird die Hefe üblicherweise für mehrere
Sude wiederverwendet. Nach mehrmaligem Führen der Hefe wird je
doch, um Infektionen zu vermeiden, neue Hefe aus Reinzuchthefe
herangezogen. Dazu wird eine kleine Menge Reinzuchthefe, die
von einer Hefebank gekauft wird, durch wiederholtes Zugeben von
steriler Würze im Labor auf bis zu etwa 30 l Hefesuspension
vermehrt. Da bekannt ist, daß die optimale Vermehrungsrate bei
einer Verdünnung von ca. 10⁶ bis 10⁸ Zellen pro ml Suspension
liegt, wird in der Praxis mehrmals nach einer bestimmten Zeit
etwa die 5-fache Menge Würze auf die Hefesuspension gegeben.
Dabei wird die Suspension in immer größere Gefäße umgefüllt, da
eine kleine, der Atmosphäre ausgesetzte Oberfläche das sterile
Arbeiten erleichtert. Die Menge Hefe, die aus Reinzuchthefe
heranzuziehen ist, liegt bei etwa 1/5 der Ausschlagwürze eines
Sudes. Die Zeitspanne, nach der immer wieder verdünnt wird,
wird derzeit im Labor empirisch durch eine einmalige Zellzahl
bestimmung der Ausgangsprobe ermittelt. Danach erfolgt die Ver
dünnung für alle Chargen nach einem festgelegten Zeitrhythmus.
Nachteilig ist an diesem Verfahren, daß das mehrmalige Umfüllen
sehr umständlich ist und einen großen Reinigungs- und Sterili
sationsaufwand erfordert. Die sich aus der Dichte der Hefesus
pension ergebenden optimalen Verdünnungszeitpunkte stimmen mit
den einmal fix festgelegten Verdünnungszeitpunkten nur sehr un
genau überein. Wenn die Konzentration der Suspension im Verdün
nungszeitpunkt zu gering ist, erhöht sich auf Grund langsamer
Vermehrung der Hefezellen die Gefahr der Vermehrung von Fremd
zellen. Ist die Konzentration zu hoch, verringert sich die
Wachstumsgeschwindigkeit.
Bekannt ist aus der DE PS 41 37 537 ein Verfahren zum Vermehren
von Hefezellen, bei dem die zu vermehrende Würze-Hefe-Suspension
durch einen Kreislauf außerhalb des Vermehrungsbehälters durch
mischt wird. Beim Umpumpen wird der Suspension weitere Steril
würze in einem vorgegebenen Mischungsverhältnis von Hefesuspen
sion, Luft und Würze zugeführt.
Da dem Gärbehälter Sterilwürze in einem fix vorgegebenen Mi
schungsverhältnis von Hefesuspension, Luft und Würze zugeführt
wird, ist es nicht möglich, die Würzezugabe genau an die Zell
dichte in der Suspension anzupassen. Das Durchmischen soll bei
diesem Verfahren eine weitgehend homogene Hefeverteilung im
Gärbehälter bewirken. Dadurch ist es nicht möglich, schnell ab
sinkende Hefezellen gezielt eher nach oben zu befördern als Hefe
zellen, die lange in Schwebe bleiben.
Dieses Verfahren ist auch nicht dafür geeignet, aus einer klei
nen Menge Reinzuchthefe, wie etwa einem Liter, die zur weiteren
Vermehrung benötigte Hefe herzuziehen. Für kleinere Mengen
Würze-Hefe-Suspension ist ein großer Tank, der für die weitere
Hefevermehrung konzipiert ist, nicht geeignet, da kleinere
Reinzuchthefemengen in einem solchen Tank einer zu großen
freien Oberfläche ausgesetzt sind. Auch ein Umwälzen, wie es
bei diesem bekannten Verfahren vorgesehen ist, ist mit sehr
kleinen Hefemengen nicht möglich.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine
Vorrichtung zu finden, um eine Würze-Hefe-Suspension im optima
len, durch die Dichte der Suspension vorgegebenen Verdünnungs
zeitpunkt mit weiterer Würze zu versetzen und das Arbeiten mit
geringen Hefeansatzmengen zu ermöglichen.
Gelöst wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Verfahrens nach
Anspruch 1 und den Merkmalen der Vorrichtung nach Anspruch 5.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der
Unteransprüche.
Durch das Messen der Trübung in einem Kreislauf außerhalb des
Gärbehälters kann in bestimmten Abständen die Dichte der Sus
pension genau bestimmt werden. Da die Hefe bei einer bestimmten
Dichte die optimalen Vermehrungsbedingungen vorfindet, ist es
ratsam, die Suspension in etwa bei dieser Zellzahldichte zu
halten und erst bei Erreichen der Dichteobergrenze weiter zu
verdünnen.
Die Suspension wird vorzugsweise nicht kontinuierlich umge
schichtet, da sonst die Gefahr zu groß ist, daß Hefezellen beim
Durchlauf durch die Pumpe beschädigt werden.
Beim Entfernen der Suspension unten aus dem Behälter werden
schnell sinkende Hefezellen früher nach oben gefördert als
langsam schwebende. Da schnell sinkende Hefezellen inaktiver
sind als lange schwebende Zellen, ist es vorteilhaft vorwiegend
diese Zellen dem Durchlauf durch die Pumpe auszusetzen und die
aktiveren Zellen zu schonen. Dies kann nur durch das erfin
dungsgemäße Umschichten, nicht jedoch beim Mischen der Suspen
sion erreicht werden.
Das spezielle Umschichtverfahren ermöglicht es die Vorrichtung
und das Verfahren auch zur Vermehrung obergäriger Hefe zu ver
wenden.
Vorteilhaft an dem Verfahren ist auch, daß nur ein Behälter
benötigt wird, der nicht bewegt werden muß. Die Leitungen zum
Befüllen, Entleeren, Beimpfen und Reinigen können fest ange
schlossen werden, und die gesamte Anlage kann auf engstem Raum
aufgestellt werden. Da das System noch nicht einmal zur Reini
gung demontiert werden muß, ist die Infektionsgefahr gegenüber
herkömmlichen Anlagen erheblich reduziert.
Die Anlage kann vollautomatisch arbeiten oder ohne Änderung des
Konzepts und der Verrohrung halbautomatisch bzw. manuell gefah
ren werden. Wenn ein automatisches Trübungsmeßgerät verwendet
wird, wird durch dessen Meßimpuls bei einer bestimmten Trübung
die Zugabe weiterer Sterilwürze ausgelöst. Durch die Montage
von pneumatischen oder magnetischen Ventilantrieben auf Hand
ventilen kann die Anlage auch nachträglich leicht automatisiert
werden. Sogar bestehende andere Anlagen sind durch die Modul
bauweise der Vorrichtung leicht nachrüstbar.
Als Ausgangsmenge für das Verfahren reicht ca. 1 l Reinzucht
hefe. Es müssen daher keine größeren Mengen Reinzuchthefe ge
kauft oder im Labor hergestellt werden.
Das Höhen-Durchmesser-Verhältnis des Gärbehälters von ca. 4 : 1
führt zu einer geringen freien Oberfläche der Suspension. Hier
durch wird ebenso wie durch das Arbeiten mit dem jeweils gün
stigsten Verdünnungsfaktor die Gefahr einer Infektion erheblich
verringert.
Das Vermehren im günstigsten Verdünnungsbereich verkürzt auch
die Belegungszeit der Anlage und verringert damit die Anlagen
kosten.
Die Vorrichtung kann durch die Vorgabe eines neuen Trübungs
grenzwertes an eine andere Hefesorte sehr leicht angepaßt wer
den.
Zusätzliche Aggregate für z. B. Suspensionsbelüftung und Sauer
stoffmessung können im Bypass installiert werden. Das Reinigen
und Sterilisieren ist dann in den normalen Prozeß zu integrie
ren.
Bedingt durch die Größe und das Höhen-Durchmesser-Verhältnis
des Behälters können genormte Rohre als Zarge verwendet werden.
Dies vermindert die Herstellungskosten erheblich im Vergleich
zu bisher gefertigten Gärgefäßen.
Der kompakte Aufbau der Anlage ermöglicht es, die Vorrichtung
inklusive Steuerung im Werk auf einem Grundrahmen vorzufertigen
und dann schlüsselfertig zu liefern, was die Herstellungskosten
weiter vermindert.
Die Abbildung zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Die Vorrichtung zum Vermehren der Hefe besteht aus einem Gärbe
hälter 1 und einer Umschichtvorrichtung 2.
Der Gärbehälter 1 ist ein zylindrisches Gefäß mit einem Höhen-
Durchmesser-Verhältnis von etwa 4 : 1. Es läuft unten in einen
Konus 3 aus und ist oben durch einen Deckel 4 abgeschlossen.
Sein Nettovolumen beträgt etwa 70 l und sein Bruttovolumen etwa
93 l. Am Konus 3 ist ein Würzezulauf 5, ein Impfstutzen 6, der
auch zur Probenahme geeignet ist, und ein Auslauf 7 vorgesehen.
Der Würzezulauf 5 und der Auslauf 7 können auch über ein ge
meinsames Rohr in das Gärgefäß 1 einmünden. Im Deckel 4 sind
Bohrungen für eine Stabsonde 8, eine Sprüheinrichtung 9 der
CIP-Reinigung und einen Zulauf 10 vorgesehen. Die Stabsonde 8
mißt etwa 2-3 Niveaus. Der Zulauf 10 ist sowohl mit der Um
schichtvorrichtung 2 als auch mit einer Sterilbe- und -entlüf
tung 11 verbunden.
Die Umschichtvorrichtung 2 ist über den Auslauf 7 und den Zu
lauf 10 mit dem Gärbehälter 1 verbunden. An den Auslauf 7
schließt sich eine Pumpe 12 an, der ein Trübungsmeßgerät 13 zum
Messen der Hefezellzahl nachgeschaltet ist. Nach dem Trübungs
meßgerät 13 sind eine Würzebelüftungsvorrichtung 14 und ein
Sauerstoffmeßgerät 15 angeordnet. Das Sauerstoffmeßgerät 15 ist
schließlich über eine Leitung mit dem Zulauf 10 des Gärbehäl
ters 1 verbunden. Zwischen Sauerstoffmeßgerät 15 und Zulauf 10
ist eine Abzweigung 16 vorgesehen, über die Hefe aus dem System
entnommen werden kann und die auch als Rücklauf für das Reini
gungsmedium dient.
Wenn die Pumpe 12, der Trübungsmesser 13, die Würzebelüftung 14
und das Sauerstoffmeßgerät 15 auch für einen nachgeschalteten
größeren Hefevermehrungstank verwendet werden sollen, wird zwi
schen dem Auslauf 7 des Gärbehälters 1 und der Pumpe 12 der Um
schichtvorrichtung 2 ein T-Stück 17 vorgesehen, über das Hefe
suspension von diesem größeren Hefevermehrungstank zur Um
schichtvorrichtung 2 gelangen kann, und zwischen Sauerstoffmeß
gerät 15 und Zulauf 10 ein weiteres T-Stück 18, über das die
Hefesuspension zurück zum Hefevermehrungstank gelangt.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die ge
samte Vorrichtung zuerst gereinigt, indem Reinigungslösung über
die Sprüheinrichtung 9 der CIP-Reinigung, im Gärbehälter 1 ver
sprüht wird. Die Lösung wird mittels der Pumpe 12 über das
T-Stück 16 zur CIP-Station zurückgefördert. Der Impfstutzen 6 am
Gärbehälter 1 wird kurzfristig geöffnet, um in den Reinigungs
prozeß eingeschlossen zu sein. Die Reinigung kann somit durch
eine konventionelle CIP-Station erfolgen. Danach wird die An
lage mit Sattdampf sterilisiert und anschließend wird das Kon
densat mit Sterilluft ausgeblasen. Durch den Überdruck im System
wird eine Reinfektion vermieden, und mit der Sterilluft
wird die Anlage gleichzeitig vorgekühlt.
Danach werden etwa 10 l Sterilwürze mittels Sterilluft über den
Würzezulauf 5 in den Gärbehälter 1 eingebracht. Bei Erreichen
eines ersten Niveaus der Stabsonde 8, das einem Inhalt von 10 l
im Gärbehälter 1 entspricht, wird über die Pumpe 12 und die
Würzebelüftungsvorrichtung 14 die Würze bei geringer Förder
leistung der Pumpe 12 im Kreis gepumpt und sterilbelüftet. Die
Kontrolle der Würzebelüftung kann automatisch über das Sauer
stoffmeßgerät 15 oder manuell über einen Sterilluftdurchfluß
messer erfolgen. Nach einer festgelegten Belüftungszeit oder
nach Erreichen eines Sollwerts des Sauerstoffgehaltes wird die
Pumpe 12 ausgeschaltet.
Zu der sterilbelüfteten Würze im Gärbehälter 1 wird nun ca.
1 Liter (maximal 3 l) Laborreinzuchthefe aus einem geschlossenen
Laborgefäß durch Ausschieben mit Sterilluft oder durch das Höhen
gefälle zwischen Laborgefäß und Gärbehälter 1 über den Impf
stutzen 6 gegeben. Die Kontaktstellen werden vorher durch Ab
flammen sterilisiert.
Die Vermehrung der Hefezellen erfolgt bei 18 bis 20°C. Wenn
die Anlage in einer Brauerei im Kaltblockbereich aufgestellt
wird, ist eine Kühlung nicht notwendig. Nach einer festgelegten
Zeitspanne schichtet die Pumpe 12 die Hefesuspension ca. 2 Minu
ten lang um, indem sie aus dem Auslauf 7 Hefe-Würzemischung
abzieht und über den Zulauf 10 in den Gärbehälter 1 wieder zu
rückführt. Dabei wird die gesamte Hefesuspension zweimal umge
schichtet und mit dem Trübungsmeßgerät 13 die Trübung gemessen.
Bei einer bestimmten Maximal-Trübung von beispielsweise 6000
bis 8000 EBC werden z. B. 20 l Sterilwürze zur Hefesuspension
gegeben. Dadurch sinkt die Trübung am Trübungsmeßgerät 13 erst
einmal auf einen niedrigeren Wert ab, da die Suspension ver
dünnt wird. Beim Vergären der zugegebenen Würze entsteht wei
tere Hefe, die den Trübungswert ansteigen läßt. Die Hefesuspen
sion wird weiterhin in bestimmten Zeitabständen umgeschichtet,
wobei die Trübung am Trübungsmeßgerät 13 gemessen wird. Wird
die Maximal-Trübung erreicht, wird wieder Würze zur Suspension
zugegeben.
Dieser Ablauf wiederholt sich solange, bis der Gärbehälter 1
gefüllt ist und der Trübungsmeßwert den Sollwert erreicht hat
und in Grenzen konstant ist. Danach wird die Suspension mittels
Sterilluft aus dem Gärbehälter 1 gedrückt und entweder direkt
zum Anstellen eines kleinen Sudes verwendet oder in einem grö
ßeren Hefevermehrungstank weitervermehrt.
Eine automatische Steuerung ermöglicht es, mit der erfindungsge
mäßen Vorrichtung das Hefevermehrungsverfahren durchzuführen.
Die Steuerung regelt in Abhängigkeit von den am Trübungsmeßge
rät gemessenen Werten die Zugabe weiterer Würze.
Die Theoretische Verdopplungsrate für Hefezellen beträgt bei
einer Temperatur von 20°C und obergäriger Brauhefe für 12 Ge
wichtsprozent Stammwürze (log 2)/0,14 = 2 Stunden 9 Minuten.
Wenn beispielsweise 2 mal verdünnt wird, d. h. zum Beispiel von
1 l auf 11 l und von 11 l auf 70 l, bleibt die Suspensions
dichte im optimalen Bereich zwischen 10⁶ und 10⁸ Zellen/ml,
d. h. der Verdopplungsfaktor bleibt nahezu konstant. Nach der
oben angegebenen Formel werden theoretisch ca. 5 Stunden und 45
Minuten benötigt, um die Ausgangszelldichte zu erreichen.
Wenn 3 mal verdünnt wird, d. h. 1 l Reinzuchthefe auf 10 l
Würze, diese mit 19 l Sterilwürze auf 30 l und diese mit 40 l
Sterilwürze auf 70 l, ergeben sich die Volumina, Zellzahldich
ten und Wachstumszeiten nach folgender Tabelle:
Die Optimierung der Verdünnungsschritte ist von der eingesetz
ten Hefe abhängig und kann bei der Inbetriebnahme der Anlage
leicht durchgeführt werden.
Claims (14)
1. Verfahren zum Vermehren von Hefe, bei dem
- a) ein vorgegebenes Volumen Würze in einen Gärbehälter 1 vorgelegt wird,
- b) ein vorgegebenes Volumen Hefe zur Würze gegeben wird,
- c) die Mischung nach bestimmten Zeitintervallen unten aus dem Gärbehälter 1 entfernt und oben dem Gärbehälter 1 zugeführt wird,
- d) bei einer bestimmten Trübung weitere Würze zur Mischung gegeben wird und
- e) die Schritte c) und d) so oft wiederholt werden bis der Gärbehälter 1 auf ein bestimmtes Maß gefüllt ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das
vorgegebene Volumen Hefe in Schritt b) etwa 1 bis maximal 3 l
Reinzuchthefe sind.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß während des Schrittes c) die Mischung durch
ein Trübungsmeßgerät 13 geleitet wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß während des Schrittes c) der Mischung Sauer
stoff zugeführt wird.
5. Vorrichtung zum Vermehren von Hefe mit
- 1.) einem Gärbehälter 1, der
- a) einen Würzezulauf 5,
- b) einen Impfstutzen 6,
- c) im oberen Bereich einen Zulauf 10 und
- d) im unteren Bereich einen Auslauf 7 aufweist, und
- 2.) einer Umschichtvorrichtung 2, die
- a) eine Pumpe 12,
- b) eine Leitung zwischen Auslauf 7 und Pumpe 12 und
- c) eine Leitung zwischen Pumpe 12 und Zulauf 10 aufweist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der
Würzezulauf 5 und der Auslauf 7 über ein gemeinsames Rohr in
das Gärgefäß 1 einmünden.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der
Gärbehälter 1 ein Niveaumeßgerät 8 aufweist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß als
Niveaumeßgerät 8 eine Stabsonde mit 2 bis 3 Niveaus eingesetzt
wird.
9. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der
Gärbehälter 1 eine Sterilbe- und -entlüftung 11 aufweist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß
der Gärbehälter 1 eine Sprüheinrichtung 9 für Reinigungs
prozesse aufweist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß
die Umschichtvorrichtung 2 ein Trübungsmeßgerät 13 aufweist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß
die Umschichtvorrichtung 2 eine Würzebelüftungsvorrichtung 14
aufweist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß
die Umschichtvorrichtung 2 ein Sauerstoffmeßgerät 15 aufweist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß
sie eine automatische Steuerung aufweist.
Priority Applications (2)
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DE4308459A DE4308459C2 (de) | 1992-12-20 | 1993-03-17 | Verfahren und Vorrichtung zum Vermehren von Hefe |
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