DE4316944C2

DE4316944C2 - Verfahren und Vorrichtung zur semikontinuierlichen Herstellung von Milchsäure aus Würze

Info

Publication number: DE4316944C2
Application number: DE19934316944
Authority: DE
Inventors: Hans-Edgar Puth
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1993-05-21
Filing date: 1993-05-21
Publication date: 2000-10-12
Anticipated expiration: 2013-05-22
Also published as: DE4316944A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum kontinuierlichen Herstellen von Milchsäure.

Milchsäureanlagen, auch biologische Säuerungsanlagen genannt, sind insbesondere aus Brauereien bekannt. Beim Bierbrauen wird der Maische und der Würze eine bestimmte Menge Milchsäure zugesetzt, um den pH-Wert zu senken und somit die Umgebungsbedingungen für die enzymatischen Prozesse zu optimieren. Dazu wird eine kleine Menge einer Lactobacillen-Kultur durch wiederholtes Zugeben von steriler, nicht gehopfter, Würze bis auf die Menge vermehrt, die zur Ansäuerung der Maische und der Anstellwürze dient. Es ist bekannt, daß zur Absenkung des pH-Wertes der Maische um 0,1 Einheiten 6 l einer 0,8%igen Milchsäure-Lösung pro 100 kg Malzschüttung benötigt werden. Ebenso ist zur Absenkung des pH-Wertes der Anstellwürze um 0,1 Einheiten die Zugabe von 3 l 0,8%igem Sauergut pro 100 kg Malzschüttung notwendig. Weiterhin ist bekannt, daß das Drauflassen von nichtgehopfter Vorderwürze zur Lactobacillen-Kultur im Bereich einer Verdünnung von 2 bis 10 zu 1 liegt. Zudem ist bekannt, daß der optimale pH-Wert in der gärenden Lactobacillen-Kultur bei 4,0 bis 4,8 liegt und der zu erreichende niedrigste pH-Wert bei ca. 2,9 liegt. Unter diesem pH-Wert ist die Gefahr des Absterbens der Lactobacillen sehr groß. Die Milchsäurevergärung erfolgt am schnellsten unter einer Konzentration von 0,5%. Bei höheren Konzentrationen verlangsamt sich die Vermehrung erheblich. Im Bereich der optimalen Vermehrung liegt die Verdoppelungsrate bei ca. 10 Stunden. Es ist zudem bekannt, dass Lactobacillen fakultativ anaerob sind und somit die Gärung unter Sauerstoffausschluß erfolgen soll. Hingegen kann durch eine gezielte Sauerstoffzufuhr die Säurebildung beschleunigt werden.

Es ist weiterhin bekannt, dass bei Milchsäuregärungen ein Teil des Ansatzes entnommen wird und der im Fermenter verbleibende Teil der Sauerwürze mit frischer Würze aufgefüllt wird. Um die exakte Temperatureinhaltung zu gewährleisten wird dabei mit Hilfe eines Rührwerkes die Sauerwürze durchmischt. Man arbeitet auch nach einem Verfahren in der ein ständiger Sumpf von 90-95% verbleibt und die Durchmischung mit einer Kreiselpumpe erreicht. Hier wird hingewiesen auf (1) Brauwelt 128, Nr. 25, S. 1080-2, 1084, 1086 (1988), (2) Brauwelt 129, Nr. 6/7, S. 219, 220, 222-4, 226 (1989) und (3) Brauwelt 111, Nr. 76, S. 1714-6, 1718 (1971).

Die bisherigen Verfahren vermehren die Lactobacillen-Kultur chargenweise unter Verwendung mehrerer Behälter welche miteinander verbunden sind. Um gleichmäßige Temperaturen und Homogenität zu erreichen erfolgt eine Durchmischung mittels Rührwerken oder Umpumpen. Um die Lactobacillen-Kultur in einer optimalen Verdünnung zu halten, wird aus einem angesetzten Behälter bei Erreichen einer bestimmten Milchsäurekonzentration eine bestimmte Menge in einen Lagerbehälter überführt und die verbleibende Menge im Verhältnis 2 bis 10 zu 1 mit ungehopfter Würze verdünnt. Da eine Brauerei meistens mehr als 2 Sude pro Tag braut, sind bei einer Verdopplungsrate von ca. 10 Stunden mehrere Vermehrungsbehälter und ein Lagerbehälter notwendig.

Nachteilig ist an diesem Verfahren, daß durch die große Anzahl an Behältern hohe Kosten entstehen, die Handhabung umständlich ist und einen großen Reinigungs- und Sterilisationsaufwand erfordert. Mit jedem zusätzlichen Behälter erhöht sich die Zahl der Armaturen und die Infektionsgefahr. Durch den Platzbedarf für solche Anlagen steigen die Kosten ebenfalls.

Da immer wieder ein Teil der Suspension im Behälter homogen vermischt und verdünnt wird, erfolgt eine Alterung der Lactobacillen, welche jedesmal einem niedrigen pH-Wert ausgesetzt sind.

Durch eine Durchmischung werden zudem keine hohen pH-Werte zugelassen, vielmehr führt dies zu einem mittleren pH-Wert, bei dem die Lactobacillen bereits inaktiv werden und absterben.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu finden, um eine einfache und kostengünstige kontinuierliche Vermehrung von Lactobacillen in Würze zu erreichen und eine Alterung der Lactobacillen-Kultur weitgehend zu vermeiden. Gleichfalls soll nur ein Tank zur Vermehrung verwendet werden und die Dosierung der Milchsäure auf einfachste Weise realisiert werden.

Gelöst wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Verfahrens nach Anspruch 1 und 4, und den Merkmalen der Vorrichtung nach Anspruch 5.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen darin, daß mit einem einzigen Behälter und dem Verfahren des Überschichtens von Würze, eine optimale Dichte und ein optimaler pH-Wert der Lactobacillen-Suspension in der überlagerten Schicht entsteht, und somit die Vermehrungs geschwindigkeit gesteigert und gleichzeitig jederzeit endvergorene Milchsäure zur Zugabe in andere Medien bereitsteht. Eine Optimierung soll dadurch entstehen, daß in der Gärphase anaerobe Verhältnisse vorliegen, während zur Säurebildung eine geringe Sauerstoffatmosphäre gewährleistet sein soll.

Durch das Überschichten von Würze knapp unter dem Flüssigkeitsspiegel der Lactobacillen-Suspension wird eine Mischung nur in einer räumlich begrenzten Schicht zugelassen. Es entstehen durch die Entnahme von Milchsäure am unteren Stutzen und das anschließende Überschichten im Kopfraum mit der gleichen Menge Würze Schichten mit verschiedenen pH- Werten und Dichten in dem Behälter.

Dabei wandert die entsprechende Schicht jeweils weiter nach unten und erhält genügend Zeit bis zum, durch die Entnahmezeit festgelegten, pH-Wert weiterzuvergären. In der oberen Schicht entstehen jedoch durch die hohe Verdünnung und den Kontakt zum Gas-Kopfraum des Behälters optimale Vermehrungsbedingungen. Durch das Einblasen von Sterilluft in den Kopfraum des Behälters kann die Säurebildung beschleunigt werden. Die Gärung erfolgt jedoch weiterhin unter anaeroben Verhältnissen, da mit dem Überschichten von Würze die gärende Schicht von der Atmosphäre im Kopfraum geschützt ist.

Zudem vermehren sich die Lactobacillen vorrangig in den oberen Schichten aufgrund der höheren pH-Werte und verbleiben länger in Schwebe. Hierdurch ist gewährleistet, dass keine Ausschlämmung von aktiven Lactobacillen erfolgt. Vielmehr werden inaktive Lactobacillen gewollt ausgetragen.

Dieses Verfahren erlaubt eine einfache, kostengünstige Automatisierung. Das Vermehren im günstigsten Verdünnungsbereich verkürzt auch die Belegungszeit der Anlage und verringert damit die Anlagekosten. Da die Schicht mit dem niedrigeren pH-Wert zum Auslauf wandert, ist mit diesem Verfahren auch gewährleistet, daß keine Alterung der Kultur eintritt und der Verbleib von abgestorbenen, inaktiven Lactobacillen im Tank ausgeschlossen ist.

Die Anlage kann mit einer einzigen Pumpe bestückt sein, welche die Funktionen Sauerwürzeentnahme und Dosierung, Würzeüberschichten und Reinigungsmittel-Rücklauf übernehmen kann. Zusätzliche Aggregate für z. B. Suspensionsbelüftung und pH-Messung können im Bypass installiert werden.

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 Lactobacillen besteht aus einem Vermehrungstank 1 und einer Bypassvorrichtung 2.

Der Vermehrungstank ist ein zylindrisches Gefäß das vorzugsweise mit einem konischen Unterboden ausgestattet ist. Sein Nettovolumen ist 63 hl. Er besitzt einen Austrittsstutzen 3 am unteren Teil des Konus und einen Einlaufstutzen 4 am oberen Teil der Zarge. Der Einlaufstutzen ist so angebracht, dass er ca. 100 mm unter dem Flüssigkeitsspiegel im Behälter, nach Abziehen der Milchsäure aus dem unteren Teil des Konus, liegt. Im Oberboden sind eine Reinigungs-Sprüheinrichtung 5 DN 20 und ein Stutzen 6 DN 25 zur Be- und Entlüftung des Tanks angebracht. Das Volumen im Tank wird bei diesem Ausführungsbeispiel mit einem Druckaufnehmer 7 an den Standfüßen des Behälters gemessen. Eine pH-Messeinrichtung 8 ist im unteren Teil des Konus angebracht. Der Auslauf des Vermehrungstanks ist über ein T-Stück 9 mit der Bypassvorrichtung 2 und einem Würze-Zulauf 10 verbunden.

Die Bypass-Vorrichtung verfügt über eine Förderpumpe 11, einen Wärmetauscher 12 mit Heizzone 13 und Kühlzone 14 und eine Sauerstoff- Imprägnierstation 15. Vor dieser Imprägnierstation ist ein Durchflußmesser 16 und eine weitere pH-Messung 17 in der Rohrleitung installiert. Ein T- Stück 18 verbindet die Bypass-Vorrichtung mit dem Behälter-Einlauf 4 und der Zuführleitung 19 zum Dosieren in die Sudbehälter. Die Bypass- Vorrichtung besitzt in der Rohrleitung eine Erweiterung der Rohrleitung 29 auf das ca. 7fache des Durchmessers und einer Länge von ca. dem 16fachen des Durchmessers. An dieser Erweiterung ist ein Impf und Probeventil 30 montiert.

Die Be- und Entlüftungsleitung 28 ist mit einem Sterilfilter 25, dem Reinigungsmittelzulauf 20, dem Sattdampfeintritt 21, dem Sauerstoffeintritt 22 und dem Kohlensäureeintritt 23 verbunden. Die Belüftungsleitung 27 ist ebenfalls mit dem Sattdampfeintritt 21, dem Sauerstoffeintritt 22 und dem Kohlensäureeintritt 23 verbunden. Die Imprägnierleitung 26, welche mit dem Sattdampfeintritt 21, dem Sauerstoffeintritt 22 und dem Kohlensäureeintritt 23 verbunden ist, ist mit einer Durchflußmesseinrichtung 24 ausgestattet.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die gesamte Vorrichtung zuerst gereinigt, indem Reinigungslösung über die Reinigungs- Sprüheinrichtung 5, vom Reinigungsmittelzulauf 20 aus, im Vermehrungstank versprüht wird. Die Reinigungslösung wird am Auslauf 3 über das T-Stück 9 durch die Pumpe 11 abgesaugt. Sie durchfließt den Wärmetauscher 12 und die Bypass-Vorrichtung 2 und wird über die Zuführleitung 19 zur Reinigungsstation zurückgefördert. Durch kurzfristiges Öffnen des Ventiles 31 wird der Zulauf mitgereinigt. Anschließend wird die gesamte Anlage durch Öffnen der Ventile 32 und 33, durch die Sattdampf- Zufuhr 21 sterilisiert. Das Kondensat wird über die mittels der darauf folgenden Zufuhr von Sterilluft über die Sauerstoffzufuhr 22 zur Leitung 19 ausgeschoben. Durch den leichten Überdruck im System wird eine Reinfektion vermieden und mit der Sterilluft wird die Anlage gleichzeitig vorgekühlt. Durch anschließendes kurzes Einblasen von Kohlensäure, welche absinkt, entsteht eine Schutzschicht gegen das Wachstum wilder Hefen und Schimmelpilze.

Danach wird die gesamte Anlage vom Würzezulauf 10 aus mit Würze beschickt, bis die Rohrerweiterung 29 mit Würze vollkommen gefüllt ist. Sodann wird eine Labor-Reinzucht Lactobacillen mit ca. 0,5 l Inhalt steril über den Impf-Probehahn 30 eingeschoben. Da die Lactobacillen anaerob sind, erfolgt keine Sterilbelüftung zum Wachstum. Nach einer bestimmten Vermehrungsdauer von ca. 8 Stunden wird die Suspension über die Bypass- Vorrichtung umgewälzt. Dadurch erfolgt eine Vermischung mit der im Tank befindlichen Menge Sterilwürze. Dieses System gewährleistet, daß der freie Kopfraum im Tank gering ist, ohne daß die Verdünnung zu hoch wäre. Eine Infektion ist somit ausgeschlossen. Die Vermehrung erfolgt bei einer Temperatur von ca. 49°C und wird über den Wärmetauscher 12 kontrolliert.

Ist ein vorgegebener pH-Wert erreicht, wird in Stufen weiter Sterilwürze über den Zulauf 10 zugegeben, bis ein von dem Druckmessaufnehmer 7 gemessenes Volumen im Tank vorliegt.

Dieses Verfahren ist nur für das Inbetriebnehmen der Anlage notwendig. Die eigentliche Lactobacillen-Produktion und Säurebildung erfolgt semikontinuierlich.

Nach Erreichen eines vorgegebenen pH-Wertes am pH-Messaufnehmer 8 wird eine vorgegebene Menge Milchsäure über die Pumpe 11 und der Zulaufleitung 19 zu den Sudgefäßen gefördert. Die Dosierung erfolgt über die Verhältnismessung mit der pH-Meßsonde 17 und dem Durchflußmesser 16. Beim Durchfluß durch die Rohrerweiterung 29 erfolgt eine Durchmischung des darin befindlichen Mediums und die pH-Messung wird im Durchfluß durch konstantere pH-Werte erleichtert. In Zeitabschnitten von vorgewählten Sekunden wird der Durchfluß und gleichzeitig das pH gemessen. Das rechnerische Produkt aus Zeit . Volumenstrom . pH-Wert wird durch die Steuerung ermittelt. Dieser Vorgang wiederholt ohne Zeitverzögerung so oft, bis die Addition dieser Produkte einen vorgegebenen Wert erreicht. Daraufhin wird die Pumpe 11 ausgeschaltet und der Dosiervorgang ist beendet. Dieses System ermöglicht eine exaktere Dosierung als die bisher übliche Titration einer Probe aus dem Tank, mit NaOH gegen Bromthymolblau und dem Vorgeben eines bestimmten Volumens zum Fördern.

Ist die Menge entnommen, wird sodann Sterilwürze über den Zulauf 10 und die Bypass-Vorrichtung 2, durch den Einlauf 4 unter den Flüssigkeitsspiegel der Lactobacillenkultur gefördert. Gleichzeitig regelt der Wärmetauscher die Temperatur der Sterilwürze auf die optimale Temperatur von ca. 49°C ein. Der Fördervorgang wird beendet, sobald das Ausgangsvolumen wieder erreicht ist. Hierbei wird die geförderte Sterilwürze mittels der Imprägnier- Vorrichtung 15 wahlweise mit Sterilluft zur Erhöhung der Säurebildung vom Zulauf 22 oder Kohlensäure zur Erhöhung der Gärung vom Zulauf 23 imprägniert. Da nur in der obersten Schicht eine Durchmischung erfolgt, ist das Verdünnungsverhältnis optimal und der pH-Wert im besten Bereich.

Dieser Vorgang wird bei jeder Entnahme wiederholt. Es resultiert heraus eine semikontinuierliche von der Entnahmemenge unabhängige Produktion von Milchsäure welche auch die einfachste Optimierungsmöglichkeit bietet.

Eine automatische Steuerung ermöglicht es, mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung das in Anspruch 1 beschriebene Verfahren durchzuführen.

Claims

1. Verfahren zur semi-kontinuierlichen Herstellung von Milchsäure aus Würze in einem einzigen Behälter, bei dem

a) ein vorgegebenes Volumen Würze von oben einem Vermehrungs- /Gärbehälter zugeführt wird,
b) diese Würze durch Lactobacillen vergoren wird und Milchsäure entsteht,
c) eine bestimmte Menge milchsaurer Würze am unteren Ende des Vermehrungs-/Gär-Behälters entnommen wird,
d) im oberen Bereich des Behälters unter dem Flüssigkeitsspiegel der verbleibenden Lactobacillen-Suspension eine bestimmte Menge an frischer Würze nachgefüllt wird, so daß durch das Überschichten eine Mischung von Lactobacillen-Suspension und frischer Würze nur in einer räumlich begrenzten Schicht zugelassen wird,
e) nach jeder Entnahme das Nachfüllen gemäß d) durchgeführt wird
f) durch diesen Vorgang eine Wanderung der gärenden Schicht zur Entnahmestelle hin erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß während des Vorganges des Würzeeinförderns, diese mit Sauerstoff und/oder Kohlensäure imprägniert wird.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Impfung mit Lactobacillen zum Inbetriebnehmen der Anlage in einer Bypass-Vorrichtung erfolgt.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dosierung der entnommenen Milchsäure mittels eines Vergleichsfaktors durch die Produktbildung von Messzeit . gemessenem Volumen . gemessenem pH-Wert erfolgt.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 zum Vermehren von Lactobacillen und der daraus folgenden Säurebildung mit

1. 1.) einem einzigen Vermehrungs-/Gärbehälter - ohne Rührwerk -, der
- a) im oberen Bereich der Zarge einen Würzezulauf 4,
- b) im unteren Bereich einen Milchsäureaustritt 3,
- c) eine Inhaltsmesseinrichtung 7 aufweist, und
2. 2.) einer Bypass-Vorrichtung, 2 die
- a) eine Pumpe 11,
- b) eine Leitung zwischen Auslauf 3 und Pumpe 11 und
- c) eine Leitung zwischen Eintritt 4 und Pumpe 11 aufweist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Würzezulauf 10 und die Bypass-Vorrichtung 2 über eine gemeinsame Leitung am Vermehrungs-/Gärbehälter münden.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß im unteren Bereich des Vermehrungs-/Gärbehälters eine pH-Messeinrichtung vorhanden ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, daß eine Impfeinrichtung in der Bypass-Vorrichtung vorhanden ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Bypass- Vorrichtung eine Zone mit einer Erweiterung im Durchmesser besitzt, welche mit Zulauf und Ablauf ausgeführt ist und mehr als den ca. 4 fachen Durchmesser der hauptsächlichen Bypassleitung besitzt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß diese Zone als Gefäß mit nur einem Zulauf und einem Ablauf, sowie einer Injektionsstelle und einer Schauglaseinrichtung versehen ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Impfeinrichtung als im Durchmesser erweitertes Rohr ausgeführt ist welche eine Injektionsstelle besitzt.

12. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß in der Bypass-Vorrichtung ein Durchflußmesser und eine pH-Messung vorhanden sind.

13. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die pH- Messeinrichtung an der Erweiterung der Bypassleitung vorliegt und ein Durchflußmesser vor oder nach der pH-Messeinrichtung an der Bypass- Vorrichtung ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß in der Bypass-Vorrichtung eine Imprägnierstelle zum Imprägnieren mit einem Gas vorhanden ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß an einer Imprägnierstelle an der Bypass-Vorrichtung Kohlensäure oder Sauerstoff eingefördert wird.

16. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Bypass- Vorrichtung auf der Druckseite der Pumpe 11 eine Verzweigung zur Zuführleitung 19 besitzt.

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