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Patentiert im Deutschen Reiche vom 11. März 193a ab Die moderne Hefeindustrie
züchtet die Hefe ausschließlich in Großgärbottichen. Die neueren Stufen- und sogenannten
kontinuierlichen Gärverfahren haben dabei für den praktischen Betrieb ihre besonderen
spezifischen Schwierigkeiten. Beim Stufengärverfahren ist die Bedienung der einzelnen
Bottiche umständlich, bei kontinuierlichen Verfahren können schädliche Ablagerungen
von Hefezellen und Sinkstoffen in den einzelnen Bottichen nicht vermieden werden.
Diese Umstände haben zu einem neuen Gärverfahren geführt, das sich nicht nur den
biologischen Bedingungen der Hefezüchtung in der genauesten Weise anpassen läßt,
sondern auch jede Voraussetzung für die optimale Einfachheit und Sicherheit des
technischen. Betriebes erfüllt und dazu verbunden ist mit einem Maximum an Ersparnissen
bezüglich des Kraft- und Raumbedarfes.
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Die theoretischen Grundlagen für das neue Verfahren sind die folgenden:
Läßt man eine Nährlösung mit bestimmter Zellmenge durch einen begrenzten Raum fließen,
so wird sich die letztere, wenn sonst. die Vorbedingungen dafür vorhanden sind,
in einer bestimmten Zeit, beispielsweise in einer Stunde, um ihren natürlichen Zuwachsfaktor
vermehrt haben. Soll dabei die Bedingung erfüllt werden"daß der Zellinhalt der Flächeneinheit
des Austrittsquerschnittes gleich demjenigen der Flächeneinheit des Eintrittsquerschnittes
ist, so muß entweder der Austrittsquerschnitt vergrößert werden oder die Austrittsgeschwindigkeit
steigen. Im letzteren Falle erhält man einen Raum gleichen Querschnitts, durch welchen
die zellhaltige Nährlösung mit veränderlicher Geschwindigkeit strömt. Soll die Nährlösung
dabei in jeder Beziehung eine stets gleichbleibende Konzentration behalten, so tritt
die Länge des Raumes unmittelbar als Funktion der Gesamtvermehrung der Zellen auf,
und es verhalten sich die Eintritts- und Austrittsgeschwindigkeiten der Nährlösung
wie die Eintrittsmenge der Zellen zu der Austrittsmenge in der Zeiteinheit. Hat
der Raum beispielsweise für die in einer Stunde eintretende Zellmen@ge 1 die. Länge
1 m, so wächstdieseLänge entsprechend dem stündlichen Zuwachsfaktor der Zellmenge.
Gleichzeitig wächst dabei, wenn die Eintrittsgeschwindigkeit pro Stunde ebenfalls
auf 1 gesetzt wird, die Austrittsgeschwindigkeit um denselben Faktor. Es ist also
der stündliche Anfall an Zellmaterial, d. h. die in dem veränderlichen Raumvolumen
der Nährlösung neuentstandene Zellmenge rechnerisch ein Produkt aus der stündlichen
Austrittsgeschwindigkeit und der Zellenzahl im Raumquerschnitt. Ist -derselbe 1o
qdcm groß und beträgt die eintretende Zellmenge bei einem Zuwachsfaktor von 1,26/St:
in der Stunde
5,o kg, so erhält -man einen stündlichen Anfall von
i,3 kg neu gebildeter Hefe und eine kaumlänge von z;26 m. Soll die anfallende Menge
vergrößert werden, so ergibt sich für eine zweite Stunde eine Verlängerung des Raumes
um 1,5876 und für die :dritte Stunde um 2 m; die Gesamtlänge ist dann 4,8476 m und
die anfallende Hefemenge pro Stunde io kg. Es ist daher die Raumlänge gesetzmäßig
abhängig von dem gewählten Verhältnis der Eintritts- zur Austrittsmenge -der Zellen
und ihrer Vermehrungsgeschwindigkeit. Eine weitere Abhängigkeit ist gegeben durch
den Zollinhalt pro Raumeinheit; ofenbar muß die Raumlänge umgekehrt proportional
dem Zollinhalt pro Raumeinheit wachsen. Die dritte Abhängigkeit ergibt die Eintrittsgeschwindigkeit,
die mit Rücksicht auf den gesicherten Transport der Zellen im Raum zu wählen ist.
Die Zellen und etwaigen Sinkstoffe der Nährflüssigkeit dürfen sich in demselben
an keiner Stelle ablagern, es sind also bei der Berechnung der Eintrittsgeschwindigkeit
als Bestimmungsfaktoren die spezifischen Gewichte der Zellen, der Sinkstöffe und
der Nährlösung einzusetzen. Da die Austrittsgeschwindigkeit im allgemeinen ein Vielfaches
der Eintrittsgeschwindigkeit sein wird, können bei richtiger Berechnung der Eintrittsgeschwindigkeit
keinerlei Ablagerungen an den Raumwandungen stattfinden; damit ist eine der wichtigsten
biologischen Bedingungen für den Prozeß erfüllt.
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Stellt man sich den Raum als Rohr vor, so ist es fernerhin ersichtlich,
daß an jeder beliebigen Stelle desselben unter sonst gleichen Verhältnissen immer
derselbe in der Zeiteinheit wiederkehrende Zustand des laufenden Prozesses vorhanden
ist, daß dieser also in jedem Augenblick und an jeder Stelle beliebig beeinflußt
werden kann, Die Korrektur des Prozesses kann demgemäß' auf-. die genaueste Weise
stattfinden, z. B. durch eine-Modifakation der Temperatur, durch Ruhestellung im
Generationswechselspunkt usw. Da sich ein evtl. Fehler im Prozeß nur auf die Rohrlänge
nach der Korrekturstelle erstreckt, wird der aus dem Fehler resultierende Verlust
nur immer einen Teil des gesamten Rohrinhaltes betreffen, also im Verhältnis zu
dem Verlust eines Großgärbottichs außerordentlich klein ausfallen, Es ist also das
neue Verfahren ganz allgemein dem Bottichverfahren auch in dieser Beziehung weitestens-überlegen.
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Die Erfindung besteht in einem Verfahren zur kontinuierlichen Erzeugung
von Hefe in hintereinandergeschalteten Behältern, die von der Gärflüssigkeit durchströmt
und mit den üblichen Luft- und Nährstoffmengenbeschickt werden, mit dem Kennzeichen,
daß die hefehaltige Gärflüssigkeit durch rohrartig , ausgebildete Behälter (Strömungsrohre)
mit solcher zunehmenden Geschwindigkeit geschickt wird, daß unter völliger Entwicklung
der Hefe Ablaggerungen von Sinkstoffen oder Hefezellen nicht stattfinden können.
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Bei einer bevorzugtenAusführungsform des 'Verfahrens wird die Gärflüssigkeit
außer durch belüftete auch durch unbelüftete Strömungsrohre. geleitet. -Eine beispielsweise
praktische Ausführung des Systems zeigen die Zeichnungen.
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Fig. i ist ein Längsschnitt, Fig.2 ein Querschnitt durch eine für
die Ausführung des Verfahrens nach der Erfindung geeignete Anlage.
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In Fig. i stellt ä96 ein. vertikales Rohr dar, in welchem sich am
Boden ein einziger Diaphragmenkörper D befindet, der die Luft in ganz feinen Bläschen
in die Nährlösung treten läßt. Die zusätzlichen Nährstoffe treten in Lösung durch
die feinen Durchbohrungen des vertikalen Mittelrohrs y96 unter Druck in feinen Strahlen
aus. Stellt man sich den Durchgang einer -bestimmten Zollmenge im Rohr vor, so wird
die Zollmenge während des Durchganges entsprechend der Vermehrungsgeschwindi;gkef
-wachsen; dieser Zuwachsmenge entsprechen die eingeführten Nährstoffmengen. Da der
Rohrinhalt immer derselbe bleiben soll, so muß das stündlich abgeführte Maischequantum
durch die Zufuhr einer bestimmten Wassermenge abzüglich des eingeführten Nährstoffquantums
.ersetzt werden. Diese Wassermenge tritt in scharfen Strahlen durch eine Düsed in
das Rohr ein; die Wassertemperatur ist so gewählt, daß die Maischewärme immer der
optimalen Wachstumstemperatur der Zellen entspricht. Der Abfluß der Maische geschieht
kontinuierlich am Boden des Rohres unter dem Belüftungskörper. Die Abflußgeschwindigkeit
im Rohrquerschnitt hat ihre . durch die Eintrittsgeschwindigkeit im ersten Rohr
vorher bestimmte Größe; die der Aufsteiigerichtung der Luftbläschen entgegengesetzte
Abflußrichtung führt eine Verdichtung der aufsteigenden Luftbläschen und damit eine
Verbesserung des Belüftungseffektes herbei. Da die Abflußgeschwindigkeit am Bodenstück
des Rohres wächst, wird die Ablagerung von Sinkstoffen und Hefezellen an dieser
Stelle besonders verhindert. Ein Anlagern von Zellen und Sinkstoffen an die Rohrwand
über dem Flüssigkeitsspiegel wird verhindert .durch ihre ständige Abspülung mit
dem aus der Düse tretenden Zusatzwasser. Die vorstehende technische Ausführung des
Rohres d96 stellt gewissermaßen einen kontinuierlich arbeitenden Reinzuchtbottich
'dar, der ständig eine gewisse Hefemenge liefert. Entleert man das Rohr, ohne die
Wasserdüse d abzustellen, so wird
nicht nur die Rohrwand, sondern
auch der Belüftungskörper D durch die aufprallenden Wasserstrahlen reingespült.
Der Durchmesser eines solchen Rohres ist festgelegt durch die Ausführbarkeit des
Belüftungskörpers, durch die Bedingung, daß die Rohrwand vollkommen glatt sein soll,
also keine Niet- und Schweißnaht aufweisen darf, durch die Bedingung, daß der Streukegel
der Düse d die Rohrwa.nd -scharf abspritzen soll, und durch die Forderung, daß die
dem Rohr zugeführte Nährlösung in der kürzesten Zeitspanne in den ganzen Rohrinhalt
verteilt werden soll.
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Setzt man eine Anzahl von Rohren nach a" gemäß Fig. i zusammen, so
erhält man den technischen Apparat für das neue Gärverfahren. Aus dem Rohr dl tritt
die hefehaltige Maische mit der berechneten Anfangsgeschwindigkeit nach Fig.2 in
die nächstfolgenden Rohre a2 bis an. Die Strömungsgeschwindigkeit wächst
dabei gesetzmäßig bis zu ihrem Austreten aus dem Endrohr an und ist hier
ein Vielfaches der Anfangsgeschwindigkeit in a, Diese Strömungsgeschwindigkeit ist
nun der einzige veränderliche Faktor im ganzen System; alle Rohre haben sonst gleich
große Luftzufuhr; jedes Rohr erhält dieselbe Menge Nährlösung und dieselbe Menge
Zusatzwasser. Der Apparat kann somit auf eine ständige und unveränderliche Stundenleistung
eingestellt werden. Das Rohr a, (Fi;g. i) soll ein Rohr darstellen, in welchem die
Zellen in Ruhe gesteilt werden, in welchem also eine Regenerierung ihrer Vitalität
stattfinden soll. Dieses Rohr hat daher keinen Belüftungskörper und gegebenenfalls
auch kein Zuflußrohr für Nährlösung bzw. ein solches, welches abstellbar ist. Aus
dem Rohraa (Fg. 2) tritt die Hefe in ein Sammelgefäß b1, in welchem sie durch die
kohlensäurehaltige Abluft der Rohre belüftet und bewegt wird. Die Sammelgefäße
bi und b= dienen also nur zur Verlängerung der Ausreifezeit der Zellen bzw.
der Hefe; aus dem Sammelgefäß b2 geht die Maische in entlüftetem Zustande zum Separator.
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Aus Fig. i ist ersichtlich, daß alle Rohre dieselben Niveauhöhen bzw.
gleichen statischen Flüssigkeitsdruck haben, daß also auch ihr evtl. durch Absaugen
zu vermindernder Gehalt an gelöster Kohlensäure gleich ist.
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Das vorstehende Verfahren, die Fabrikation von Hefe in Strömungsrohren,
bietet also zusammengefaßt folgende Vorteile: a) die genaueste und bequemste Anpassung
an 'die biologischen Bedingungen ,der Zellenvermehrung bnv. des Lebensvorganges
der Zellen, b) die Möglichkeit, an jeder Stelle des Strömungssystems, also in jedem
Zeitpunkt des Prozesses, beliebige Veränderungen vorzunehmen, c) die Sicherung des
gleichmäßigen technischen Effektes nach einmaliger Einstellung der Apparatur auf
eine bestimmte Leistung, d) die kontinuierliche Selbstreinigung der Apparatur während
des Prozesses, le) den Fortfall jeder manuellen oder automatischen Betätigung von
Ventilen, Abschlußorganen usw. nach erstmaliger Einstellung der Apparatur auf eine
bestimmte Leistung, f) die Reduzierung der Betriebskosten, die Reduzierung des Raum
und Kraftbedarfs auf ein Minimum bei größter Betriebssicherheit.
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Was die Reduzierung des Raumes und Kraftbedarfs für eine bestimmte
Leistung anbetrifft, so sollen die nachstehenden Zahlen diesen besonderen technischen
Fortschritt des Verfahrens besonders illustrieren: In einem Apparat nach. der Fig.
i mit einer Grundfläche von 5 qm und einer Höhe von q. m können pro Tag 2ooo kg
Hefe bei einer Anstellhefemenge von 125 kg erzeugt werden,. Der Luftbedarf pro Stunde
ist 78 cbm und der Kraftbedarf für den Kompressor 3,5 PS. Ein Großgärbottich gleicher
Leistung hat einen Inhalt von 75 bis 8o cbm und eine Grundfläche von 22 qm. Der
maximale Luftbedarf bei Rohrbelüftung ist 250o bis 3000 cbm (für gleiche
Hefeausbeuten) und@der Kraftbedarf 8o bis gö PS. Die Separatorenstation hat vier
Separatoren je io ooo Liter Stundenleistung zum Abseparieren der Maische; für das
neue Verfahren :genügt ein Separator von 2ooo Liter Stundenleistung.
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Die weiteren Vorteile des Verfahrens in bezug auf Infektionssicherheit,
auf Sterilisierung.der Apparatur, auf die Möglichkeit, mit großen Zellenvermehrungszahlen
ohne besondere Komplikationen zu arbeiten, sind gegenüber dem Verfahren der Zellzüchtung
in Großgäxbottichen so augenfällig, daß darüber nichts weiter ausgeführt zu werden
braucht.
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Aus den Zahlen ist ersichtlich, daß sich in dem ganzen System 14 742,5
kg Hefe einschl. Zoo kg Stellhefe befinden, und daß dafür ein Aufnahmeraum von 368,4o
cbm einschl. 5 cbm Gärraum für Zoo kg Stellhefe vorhanden ist, der pro cbm 4o kg
Hefe enthält. In der i2. Stunde erhält man 32oo kg Hefe, d. h. in 24 Stunden 76
8oo kg Hefe. Der stündliche Luftbedarf des Systems beträgt i5oo cbm, während bei
einem Großbottich gleicher Leistung, verteilt auf zwein Gärperioden, bei der Feinstbelüftung
12 ooo bis
15 000 cbm Luft notwendig wären, die sich bei der Grobbelüftung
entsprechend steigern. Der Gärbottichraum würde in diesem Falle iooo cbm betragen,
demgegenüber stehen
370 cbm Gärbottichraum der kontinuierlichen Bottichanlage.
| Ausführungsbeispiel |
| Hefevermehrung Stündliche 4o kg Hefe pro cbm |
| Zunahme |
| k k cbm |
| Stehhefe......... 200 5 |
| x. Stunde...... 252 52 6,3 |
| .a. - ..... 317.5 65,5 7.925 |
| 3. - ..... 400 82,5 =o |
| 4. - ..... 504 104 12,6 |
| 5. - ..... 635 131 15,85 |
| 6. - ..... 8oö 165 20 |
| 7. - . . . . I o08 208 25,2 |
| 8 . . - ..... 1270 262 31,70 |
| 9. - ..... I6oo 330 40 |
| 10. - ...... 2 016 416 50,4 |
| 11. - ...... 2540 524 63,40 |
| 12. - ...... 3200 66o 8o |
| In 12 Stunden... 14 742,5I) 3000 368,402) |
| i) Einschließlich Zoo kg Stellhefe. - a) Einschließlich 5 cbm
Gärraum für |
| Zoo kg Stellhefe. |