DE4308459C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Vermehren von Hefe - Google Patents

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 wird in bestimmten Abständen die Dichte der Sus­ pension genau bestimmt. 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:

Tabelle

Die Optimierung der Verdünnungsschritte ist von der eingesetz­ ten Hefe abhängig und kann bei der Inbetriebnahme der Anlage leicht durchgeführt werden.

Claims (13)

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
  • c) eine Leitung zwischen Pumpe 12 und Zulauf 10
  • d) ein Trübungsmeßgerät
• 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 eine Würzebelüftungsvorrichtung 14 aufweist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschichtvorrichtung 2 ein Sauerstoffmeßgerät 15 aufweist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine automatische Steuerung aufweist.