DE4324293C3 - Verfahren und Vorrichtung zum Vermehren von Hefe - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Vermehren von Hefe

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Vermehren von Hefe.
Hefevermehrungsanlagen sind insbesondere aus Brauereien bekannt. Beim Bierbrauen wird die Hefe übli­ cherweise für mehrere Sude wiederverwendet. Nach mehrmaligem Führen der Hefe wird jedoch, um Infektio­ nen 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 5fache 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 Zellzahlbestimmung der Ausgangsprobe ermittelt. Danach erfolgt die Verdünnung für alle Chargen nach einem festgelegten Zeitrhyth­ mus.
Nachteilig ist an diesem Verfahren, daß das mehrmalige Umfüllen sehr umständlich ist und einen großen Reinigungs- und Sterilisationsaufwand erfordert. Die sich aus der Dichte der Hefesuspension ergebenden optimalen Verdünnungszeitpunkte stimmen mit den einmal fix festgelegten Verdünnungszeitpunkten nur sehr ungenau überein. Wenn die Konzentration der Suspension im Verdünnungszeitpunkt zu gering ist, erhöht sich auf Grund langsamer Vermehrung der Hefezellen die Gefahr der Vermehrung von Fremdzellen. Ist die Konzen­ tration 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 vermeh­ rende Würze-Hefe-Suspension durch einen Kreislauf außerhalb des Vermehrungsbehälters durchmischt wird. Beim Umpumpen wird der Suspension weitere Sterilwürze in einem vorgegebenen Mischungsverhältnis von Hefesuspension, Luft und Würze zugeführt.
Da dem Gärbehälter Sterilwürze in einem fix vorgegebenen Mischungsverhältnis von Hefesuspension, Luft und Würze zugeführt wird, ist es nicht möglich, die Würzezugabe genau an die Zelldichte in der Suspension anzupassen. Das Durchmischen soll bei diesem Verfahren eine weitgehend homogene Hefeverteilung im Gärbe­ hälter bewirken. Dadurch ist es nicht möglich, schnell absinkende Hefezellen gezielt eher nach oben zu beför­ dern als Hefezellen, die lange in Schwebe bleiben.
Dieses Verfahren ist auch nicht dafür geeignet, aus einer kleinen 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 Reinzuchthefemen­ gen 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 optimalen, durch die Dichte der Suspension vorgegebenen Verdünnungszeitpunkt 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 6.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Durch das Messen der Trübung in einem Kreislauf außerhalb des Gärbehälters kann in bestimmten Abstän­ den die Dichte der Suspension 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 umgeschichtet, 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 erfindungsgemäße 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 verwenden.
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 angeschlossen werden, und die gesamte Anlage kann auf engstem Raum aufgestellt werden. Da das System noch nicht einmal zur Reinigung demontiert werden muß, ist die Infektionsgefahr gegenüber herkömmlichen Anlagen erheblich reduziert.
Die Anlage kann vollautomatisch arbeiten oder ohne Änderung des Konzepts und der Verrohrung halbauto­ matisch bzw. manuell gefahren werden. Wenn ein automatisches Trübungsmeßgerät verwendet wird, wird durch dessen Meßimpuls bei einer bestimmten Trübung die Zugabe weiterer Sterilwürze ausgelöst. Durch die Monta­ ge von pneumatischen oder magnetischen Ventilantrieben auf Handventilen kann die Anlage auch nachträglich leicht automatisiert werden. Sogar bestehende andere Anlagen sind durch die Modulbauweise der Vorrichtung leicht nachrüstbar.
Als Ausgangsmenge für das Verfahren reicht ca. 1 l Reinzuchthefe. Es müssen daher keine größeren Mengen Reinzuchthefe gekauft oder im Labor hergestellt werden.
Das Höhen-Durchmesser-Verhältnis des Gärbehälters von ca. 4 : 1 führt zu einer geringen freien Oberfläche der Suspension. Hierdurch wird ebenso wie durch das Arbeiten mit dem jeweils günstigsten Verdünnungsfaktor die Gefahr einer Infektion erheblich verringert.
Das Vermehren im günstigsten Verdünnungsbereich verkürzt auch die Belegungszeit der Anlage und verrin­ gert damit die Anlagenkosten.
Die Vorrichtung kann durch die Vorgabe eines neuen Trübungsgrenzwertes an eine andere Hefesorte sehr leicht angepaßt werden.
Zusätzliche Aggregate für z. B. Suspensionsbelüftung und Sauerstoffmessung können im Bypaß installiert werden. Das Reinigen und Sterilisieren ist dann in den normalen Prozeß zu integrieren.
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.
Vorteilhaft ist auch ein seitlicher Einlauf der Suspension aus Würze und Hefe unterhalb des Flüssigkeitsspie­ gels. Dadurch kann eine Schaumbildung vermindert werden. Dies hat wiederum zur Folge, daß der Kopfraum des Gärbehälters kleiner ausgelegt werden kann, um die Herstellungskosten zu reduzieren. Dies wird durch mehrere Abzweigungen der Umwälzleitung erreicht, welche jeweils unter die entsprechend festgelegten Flüs­ sigkeitsspiegel seitlich in den Behälter münden. Da durch die Lage der entsprechenden Abzweigung diese während des Umwälzens mit Flüssigkeit bedeckt ist, ist auch eine umgekehrte Fließrichtung beim Umpumpen möglich. Somit ist auch eine Umwälzung bei verschiedenen Flüssigkeitsmengen gewährleistet, ohne daß Toträu­ me entstehen.
Die Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Die Vorrichtung zum Vermehren der Hefe besteht aus einem Gärbehälter 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 gemeinsames 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 Umschichtvorrichtung 2 als auch mit einer Sterilbe- und -entlüftung 11 verbunden.
Die Umschichtvorrichtung 2 ist über den Auslauf 7 und den Zulauf 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 Trübungsmeßgerät 13 sind eine Würzebelüftungsvorrichtung 14 und ein Sauer­ stoffmeßgerät 15 angeordnet. Das Sauerstoffmeßgerät 15 ist schließlich über eine Leitung mit dem Zulauf 10 des Gärbehälters 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 Reinigungsmedium 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 zwischen dem Auslauf 7 des Gärbehälters 1 und der Pumpe 12 der Umschichtvorrichtung 2 ein T-Stück 17 vorgesehen, über das Hefesuspension von diesem größeren Hefevermehrungstank zur Umschichtvorrichtung 2 gelangen kann, und zwischen Sauerstoffmeßgerät 15 und Zulauf 10 ein weiteres T-Stück 18, über das die Hefesuspension zurück zum Hefevermehrungstank gelangt.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die gesamte Vorrichtung zuerst gereinigt, indem Reinigungslösung über die Sprüheinrichtung 9 der CIP-Reinigung, im Gärbehälter 1 versprüht 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 Reinigungsprozeß eingeschlossen zu sein. Die Reinigung kann somit durch eine konventionelle CIP-Station erfolgen. Danach wird die Anlage mit Sattdampf sterilisiert und anschließend wird das Kondensat mit Sterilluft ausgeblasen. Durch den Überdruck im System wird eine Reinfek­ tion 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 einge­ bracht. 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 Förderlei­ stung der Pumpe 12 im Kreis gepumpt und sterilbelüftet. Die Kontrolle der Würzebelüftung kann automatisch über das Sauerstoffmeßgerät 15 oder manuell über einen Sterilluftdurchflußmesser erfolgen. Nach einer festge­ legten Belüftungszeit oder nach Erreichen eines Sollwertes des Sauerstoffgehaltes wird die Pumpe 12 ausge­ schaltet.
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 Höhengefälle zwischen Laborgefäß und Gärbehälter 1 über den Impfstutzen 6 gegeben. Die Kontaktstellen werden vorher durch Abflammen sterilisiert.
Die Vermehrung der Hefezellen erfolgt bei 18 bis 20°C. Wenn die Anlage in einer Brauerei im Kaltblockbe­ reich aufgestellt wird, ist eine Kühlung nicht notwendig. Nach einer festgelegten Zeitspanne schichtet die Pumpe 12 die Hefesuspension ca. 2 Minuten lang um, indem sie aus dem Auslauf 7 Hefe-Würzemischung abzieht und über den Zulauf 10 in den Gärbehälter 1 wieder zurückführt. Dabei wird die gesamte Hefesuspension zweimal umgeschichtet und mit dem Trübungsmeßgerät 13 die Trübung gemessen. Bei einer bestimmten Maximal-Trü­ bung 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 verdünnt wird. Beim Vergären der zugegebenen Würze entsteht weitere Hefe, die den Trübungswert ansteigen läßt. Die Hefesuspension 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 so lange, 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 größeren Hefevermehrungstank weitervermehrt.
Eine automatische Steuerung ermöglicht es, mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung das Hefevermehrungs­ verfahren durchzuführen. Die Steuerung regelt in Abhängigkeit von den am Trübungsmeßgerät gemessenen Werten die Zugabe weiterer Würze.
Die theoretische Verdopplungsrate für Hefezellen beträgt bei einer Temperatur von 20°C und obergäriger Brauhefe für 12 Gewichtsprozent Stammwürze (log2)/0,14 = 2 Stunden 9 Minuten.
Wenn beispielsweise 2mal verdünnt wird, d. h. zum Beispiel von 1 l auf 11 l und von 11 l auf 70 l, bleibt die Suspensionsdichte 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 3mal 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, Zellzahldichten und Wachstumszeiten nach folgender Tabelle:
Tabelle
Die Optimierung der Verdünnungsschritte ist von der eingesetzten Hefe abhängig und kann bei der Inbetrieb­ nahme der Anlage leicht durchgeführt werden.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel zeigt Fig. 2 Fig. 2 entspricht Fig. 1 bis auf folgende Änderungen. In Fig. 2 ist die Rohrleitung 10 mit einer Abzweigung 19 und einer Abzweigung 20 verbunden. Die Flüssigkeit kann durch Öffnen des entsprechenden Ventils 22 oder 21 durch die Pumpe 12 knapp unterhalb des Flüssigkeitsspiegels in das Gärgefäß 1 gefördert werden. Aus dem Auslauf 7 fließt sie im Kreislauf wieder zur Pumpe 12. Dadurch ist auch die Drehrichtung des Flüssigkeitsstromes umkehrbar. Hierbei wird über das jeweils geöffnete Ventil 22 oder 21 die Flüssigkeit angesaugt und im Kreislauf in den unteren Teil des Gärgefäßes 1 gefördert. Je nach vorher festgelegten Flüssigkeitsspiegeln ergeben sich die Anzahl und die Lage der Abzweigungen.
Das Gärgefäß kann mit einer Heizzone 23 zur Erwärmung der Flüssigkeit versehen werden. Zur Inhaltsmes­ sung kann eine Druckmeßeinrichtung 24 verwendet werden.
Den Aufbau der Vorrichtung zeigt Fig. 3. Ein Schaltschrank 25, das Gärgefäß 1 und die Pumpe 12 sowie mehrere Armaturen und Regeleinrichtungen sind auf einem gemeinsamen Grundrahmen 26 kompakt aufgebaut.

Claims (18)

1. Verfahren zum Vermehren von Hefe, bei dem
  • a) ein vorgegebenes Volumen Würze in einen Gärbehäl­ ter (1) vorgelegt wird,
  • b) ein vorgegebenes Volumen Hefe zur Würze gegeben wird,
  • c) die Mischung nach bestimmten Zeitintervallen unten aus dem Gärbehälter (1) entfernt wird und seitlich unterhalb des jeweiligen Flüssigkeitsspiegels dem Gärbehälter (1) zugeführt wird
  • d) bei einer bestimmten Trübung weitere Würze zur Mi­ schung 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 im Schritt (b) etwa 1 bis maximal 3 l Reinzuchthefe sind.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Mischung mittels Sterilluft aus dem Gärbehälter (1) in ein nachfolgendes Gefäß gefördert wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß während des Schrittes (c) die Mi­ schung durch ein Trübungsmeßgerät (13) geleitet wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß während des Schrittes (c) der Mi­ schung Sauerstoff zugeführt wird.
6. 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,
  • 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) auf­ weist, und
  • 3. einem Trübungsmeßgerät,
wobei ein oder mehrere Abzweigungen (19, 20) des Zulaufs (10) jeweils unterhalb der entsprechend festgelegten Flüssigkeitsspie­ gel seitlich mit dem Gärgefäß (1) verbunden sind.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Würzezulauf (5) und der Auslauf (7) über ein gemeinsames Rohr in das Gärgefäß (1) einmünden.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Gärbehälter (1) ein Niveaumeßgerät (8) aufweist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Niveaumeßgerät (8) eine Stabsonde mit 2 bis 3 Niveaus einge­ setzt wird.
10. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Gärbehälter (1) eine Sterilbe- und -entlüftung (11) aufweist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Gärbehälter (1) eine Sprüheinrichtung (9) für Reinigungspro­ zesse aufweist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeich­ net, daß die Umschichtvorrichtung (2) eine Würzbelüftungsvorrich­ tung (14) aufweist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschichtvorrichtung (2) ein Sauerstoffmeßgerät (15) auf­ weist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschichtvorrichtung (2) eine automatische Steuerung aufweist.
15. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Gärbehälter (1) und die Pumpe (12) auf einem gemeinsa­ men Grundrahmen (26) stehen.
16. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Gärbehälter (1) und die Pumpe (12) und ein Stahl­ schrank (25) auf einem gemeinsamen Grundrahmen (26) stehen.
17. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Gärbehälter (1) eine Heizzone (23) aufweist.
18. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Niveaumessung Druckmeßeinrichtungen (24) verwendet werden.
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