DE68907623T2

DE68907623T2 - Verfahren zur gesteuerten oxygenierung einer alkoholischen gaermaische und vorrichtung zum durchfuehren dieses verfahrens.

Info

Publication number: DE68907623T2
Application number: DE89400740T
Authority: DE
Inventors: Jacques-Marcel Cutayar; Sylvie Cutayar; Dominique Poillon
Original assignee: Air Liquide SA
Current assignee: Air Liquide SA
Priority date: 1988-03-22
Filing date: 1989-03-16
Publication date: 1993-11-04
Anticipated expiration: 2009-03-17
Also published as: DE68907623D1; AR241792A1; FR2629096B1; FR2629096A1; EP0334728B1; JPH01277481A; ES2042019T3; PT90069B; ZA892147B; BR8901336A; AU624362B2; AU3161989A; NZ228394A; PT90069A; EP0334728A1; US4978545A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die Alkoholgärung. Sie wird insbesondere bei der Wein-, Apfelwein- und Branntweinherstellung sowie im Brauereiwesen usw. eingesetzt.
Bekanntlich ist die Alkoholgärung die biologische Reaktion, in deren Verlauf Zucker mit sechs Kohlenstoffatomen (Hexosen) durch Hefen in Äthanol umgesetzt werden.
Ein Kennzeichen der Alkoholgärung ist, daß das erzeugte Äthanol auf die Reaktion hemmend wirkt (Retroinhibition). Dies äußert sich in einer ständig zunehmenden Verringerung der Äthanol-Erzeugungsgeschwindigkeit, wenn dieses sich in der Gärmaische ansammelt, wobei dieses Phänomen bis zum vollständigen Stillstand der Reaktion führt. Bei der Alkoholgärung ist es wichtig, Hefen mit einer hohen Äthanolwiderstandsfähigkeit (Alkoholresistenz) zu verwenden, um die Gärzeit zu reduzieren (bessere Aktivität) und/oder den Alkoholgehalt der Maische am Ende des Gärprozesses zu erhöhen.
Es ist gezeigt worden, daß die Widerstandsfähigkeit gegen Alkohol proportional zur Konzentration an Sterinen und an ungesättigten Lipiden in den Hefen ist. Diese Verbindungen sind wesentliche Bestandteile ihrer Zellmembranen und werden nur in Gegenwart von Sauerstoff synthetisiert und akkumuliert.
Nachdem die Alkoholgärung begonnen hat, wird der in der Maische vorhandene Sauerstoff rasch verbraucht, und die Hefen fahren dann fort, anaerob zu gären bzw. zu fermentieren und sich zu entwickeln. Daher wird eine Verwendung und Umverteilung der Sterine und ungesättigten Lipide (die nicht mehr biologisch synthetisiert werden) unterstützt, die der Herstellung der Membranen der Tochterzellen dienen. Daraus folgt ein andauerndes Fallen ihrer Konzentration in den Hefen, was eine immer stärker werdende Empfindlichkeit gegen Äthanol mit sich bringt, die bis zur vollständigen Hemmung der Gärung geht (es wird geschätzt, daß diese Hemmung nach 4 bis 5 Generationen wirksam wird).
Um dieses Phänomen zu vermeiden oder zu verzögern, ist es notwendig, die Gärmaische zu oxygenieren, bevor der anfangs vorhandene gelöste Sauerstoff vollständig verbraucht ist. Dieser Vorgang wird im allgemeinen in der Industrie als "Wiederaufbau der Maischen" bezeichnet und erfolgt durch Pumpen der Maische am Boden des Beckens, um sie an die Oberfläche zu fördern; die Belüftung erfolgt dann durch das Gas an der Oberfläche und gestattet, eine Konzentration an gelöstem Sauerstoff in der Größenordnung von 4 bis 5 mg/l zu erreichen. Dieser Vorgang wird im allgemeinen täglich und für eine kurze Zeit (einige 10 Minuten) durchgeführt.
Es ist jedoch gezeigt worden, daß eine zu hohe Konzentration an gelöstem Sauerstoff die organoleptischen Qualitäten des Weins verändern kann:
- Änderung des Geschmacks: Risiko der Oxydation bestimmter Verbindungen (Äthanol zu Acetaldehyd und sogar in Essigsäure, ...);
- Änderung der Farbe: im wesentlichen bei Weißweinen Risiko des Braunwerdens aufgrund enzymatischer Reaktionen (aufgrund von Polyphenoloxidasen, ...).
In der Praxis kann angenommen werden, daß diese Phänomene dann auftreten, wenn die Konzentration an gelöstem Sauerstoff je nach behandelter Maische 0,1 bis 0,5 mg/l übersteigt.
Unter diesen Bedingungen kann sich ergeben, daß die Technik des Wiederaufbaus der Maischen nicht die geeignetste ist, da sie keine Steuerung des Sauerstoffeintrags zuläßt und folglich nicht gestattet, die vorstehend beschriebenen Probleme zu vermeiden.
Um die Oxygenierung der Maische besser steuern zu können, ist vorgeschlagen worden, ein Durchperlen mit einer sauerstoffarmen Atmosphäre (Verdünnung von Luft mit Stickstoff) derart durchzuführen, daß jegliche übermäßige lokale Oxygenierung im Bereich der Grenzfläche Gas/Flüssigkeit vermieden wird. Dennoch führt ein derartiges System aufgrund einerseits der niedrigen Sauerstoffkonzentration im Belüfungsgas (0,5 bis 2%) und andererseits des Sauerstoffbedarfs der Hefen zu nicht unerheblichen Belüftungsdurchsätzen, die unvermeidlich Verluste an Äthanol mit sich bringen.
Die Erfindung hat die Aufgabe, eine Technik bereitzustellen, die es gestattet, eine genau gesteuerte Oxygenierung der Maische ohne anschließenden Äthanolverlust bereitzustellen.
Daher betrifft die Erfindung ein Verfahren zur gesteuerten Oxygenierung einer alkoholischen Gärmaische, dadurch gekennzeichnet, daß die Maische mit einer Seite einer sauerstoffdurchlässigen Membran in Kontakt gebracht wird, daß die andere Seite dieser Membran mit einem Gas in Kontakt gebracht wird, das Sauerstoff mit einem Partialdruck enthält, der höher als der Sauerstoffpartialdruck der Flüssigkeit ist, daß das Verhältnis des Gasdrucks zum Druck der Maische konstant gehalten wird, und daß die Oxygenierung der Maische dadurch reguliert wird, daß der Sauerstoffgehalt des Gases verändert wird.
Vorzugsweise wird als Gas eine Mischung aus Sauerstoff und einem neutralen Gas verwendet, insbesondere eine Mischung Sauerstoff/Stickstoff.
Die Erfindung betrifft gleichfalls eine Anlage zur Durchführung eines derartigen Verfahrens. Diese Anlage für die Alkoholgärung mit einem eine Gärmaische enthaltenden Fermenter und Mitteln zur Oxygenierung dieser Maische ist dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Oxygenierung einen Permeator aufweisen, der eine sauerstoffdurchlässige Membran, Mittel zum Inkontaktbringen der Maische mit einer Seite der Membran und Mittel zum Zuführen eines Sauerstoff enthaltenden Gases zur anderen Seite dieser Membran enthält, wobei diese Mittel zum Zuführen von Gas eine Quelle eines neutralen Gases, insbesondere Stickstoff, eine Sauerstoffquelle, Mittel zum Dosieren und zum Mischen des neutralen Gases mit dem Sauerstoff sowie ein Druckminderventil aufweisen, das den Mitteln zum Dosieren und zum Mischen nachgeschaltet ist.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die begleitende Zeichnung beschrieben, deren einzige Figur schematisch eine erfindungsgemäße Anlage für die Alkoholgärung zeigt.
Die in der Zeichnung dargestellte Anlage weist im wesentlichen ein Gärbecken oder Fermenter 1 auf, der eine Gärmaische 2 enthält und mit einem Rührer 3, einem Belüfter oder Permeator 4 und einem Maische-Zirkulationskreis 5 zwischen dem Fermenter 1 und dem Permeator 4 versehen ist.
Der Permeator 4 besteht aus mindestens einem membranartigen Modul vom Hohlfasertyp. Diese Fasern erstrecken sich in einem Gehäuse 6 zwischen einem Gaseinlaßkollektor 7 und einem Gasauslaßkollektor 8. Jede Faser besteht aus einer mikroporösen, sauerstoffdurchlässigen Membran, die beispielsweise aus Polypropylen oder einer dünnen Schicht von auf einen makroporösen Träger aufgebrachtem Silikon gebildet ist. Derartige Permeationsmodule sind im Handel erhältlich, und es kann beispielsweise ein Modul "ENKA Modell LM2P12" verwendet werden, das 22 Hohlfasern aus Polypropylen mit 1,8 mm Außendurchmesser und 1,2 mm Innendurchmesser enthält und eine gesamte Austausch-Oberfläche von 0,03 m² besitzt.
Der Ausgangskollektor 8 weist ein Ventil 9 zur Entlüftung auf, während der Eingangskollektor 7 mit einer Gaszufuhrleitung 10 verbunden ist, die mit einem Druckminderventil 11 und diesem nachgeschaltet mit einem Manometer 12 versehen ist. Die Leitung 10 wiederum wird von einer Stickstoffleitung 13 und von einer Sauerstoffleitung 14 versorgt, welche mit einem Massendurchflußmesser 15 ausgestattet ist.
Der Kreis 5 weist eine Leitung 16 auf, die sich vom Fermenter zum Permeator erstreckt und mit einer Pumpe 17 sowie einer amperometrischen Sonde 18 zur Messung der Konzentration des in der Maische gelösten Sauerstoffs ausgerüstet ist. Diese Sonde kann beispielsweise die unter der Handelsbezeichnung "ORBISPHERE" bekannte Sonde sein. Die Leitung 16 führt zu einem Ende des Gehäuses des Permeators 4, und eine weitere Leitung 19 erstreckt sich vom anderen Ende dieses Gehäuses bis zum Fermenter.
Der Durchflußmesser 15 wird von den Signalen gesteuert, die von der Sonde 18 über einen PID-Regler 20 ausgesandt werden, und ein Manometer 21 mißt den Druck PL der Flüssigkeit im Gehäuse des Permeators, wobei dieser Druck bei gegebener Maische vom Durchsatz der Pumpe 17 abhängt.
Im Betrieb zirkuliert die Maische im Kreis 5, und ein Sauerstoff/Stickstoff-Gemisch wird in den Kollektor 7 des Permeators und von dort mit einem Druck PG in die Hohlfasern geschickt. Das Verhältnis PG/PL wird leicht unterhalb des kritischen Wertes konstant gehalten, der zum Auftreten von Blasen in der Flüssigkeit führt. Daher kann der Sauerstoffeintrag gesteuert werden, indem lediglich die Zusammensetzung des in den Permeator eingeführten Gases verändert wird.
Dazu wird als Arbeitspunkt der Sonde 18 ein Wert von ungefähr 0,1 bis 0,5 mg O&sub2;/l gewählt, oberhalb dessen angenommen werden kann, daß eine für die Maische schädliche übermäßige Oxygenierung vorliegt. Die Sonde 18 regelt so den Durchflußmesser 15, um den Durchsatz an Sauerstoff zu steuern, der mit dem durch die Leitung 13 bereitgestellten, als konstant angenommenen Durchsatz von Stickstoff zur Mischung kommt. Die Mischung wird anschließend bei 11 entspannt, um mit konstantem Druck in Übereinstimmung mit dem optimalen Verhältnis PG/PL zum Permeator geleitet zu werden.
Auf diese Weise wird ständig kontrolliert Sauerstoff in die Maische eingebracht, und zwar ausschließlich in gelöster Form, was Verluste an Äthanol durch Verdunstung ausschließt.
Die Anordnung des Kreises 5 außerhalb des Fermenters liefert Vorteile bei der Handhabung, beispielsweise für die Wartung, setzt jedoch ein ausreichendes Fließvermögen voraus. In bestimmten Fällen (beispielsweise Fermentation von Rotweinen) wird es vorzuziehen sein, die Permeationsfasern direkt im Fermenter 1 anzuordnen oder eine Filtervorrichtung am Eingang des Kreises 5 vorzusehen.
Für einen Weißwein sind Vergleichsversuche mit einerseits einer erfindungsgemäßen Anlage und andererseits mit einem Vergleichsfermenter vorgenommen worden, der nach der herkömmlichen Technik des Wiederaufbaus der Maische oxygeniert wurde. Diese Versuche haben eine bessere Äthanolverträglichkeit der Hefen im erfindungsgemäß oxygenierten Fermenter und einen vergrößerten spezifischen Nettoverbrauch an Glucose gezeigt, zumindest für Äthanolkonzentrationen von 10 Vol.% und 11 Vol.%: Äthanolkonzentration spezifischer Glucoseverbrauch Gramm Glucose/Gramm Hefe*Stunde Vergleichsfermenter Fermenter mit gesteuerter Oxygenierung
Aus diesen Versuchen folgt, daß die Erfindung es gestattet, die Fermentaktivität, das heißt, die Fermentationsgeschwindigkeiten, zu steigern. Andererseits haben chromatographisch ausgeführte Analysen den Nachweis erbracht, daß oxydierte Verbindungen (Acetaldehyd, Essigsäure,...), die im Fall einer übermäßigen Oxygenierung der Maische auftreten hätten können, nicht vorhanden sind.

Claims

1. Verfahren zur gesteuerten Oxygenierung einer alkoholischen Gärmaische, dadurch gekennzeichnet, daß die Maische (2) mit einer Seite einer sauerstoffdurchlässigen Membran in Kontakt gebracht wird, daß die andere Seite dieser Membran mit einem Gas in Kontakt gebracht wird, das Sauerstoff mit einem Partialdruck enthält, der höher als der Sauerstoffpartialdruck der Flüssigkeit ist, daß das Verhältnis des Gasdrucks zum Druck der Maische konstant gehalten wird, und daß die Oxygenierung der Maische dadurch reguliert wird, daß der Sauerstoffgehalt des Gases verändert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasdruck unterhalb eines Wertes gehalten wird, bei dem Blasen in der Maische auftreten.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentration an in der Maische gelöstem Sauerstoff gemessen wird und der Sauerstoffgehalt des Gases derart variiert wird, daß diese Konzentration in der Nähe eines Sollwertes bleibt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Gas eine Mischung aus Sauerstoff und einem neutralen Gas verwendet wird, insbesondere eine Mischung Sauerstoff/Stickstoff.

5. Anlage für die Alkoholgärung mit einem eine Gärmaische (2) enthaltenden Fermenter (1) und Mitteln zur Oxygenierung dieser Maische, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Oxygenierung einen Permeator (4) aufweisen, der eine sauerstoffdurchlässige Membran, Mittel (5) zum Inkontaktbringen der Maische mit einer Seite der Membran und Mittel (10 bis 15) zum Zuführen eines Sauerstoff enthaltenden Gases zur anderen Seite dieser Membran enthält, wobei diese Mittel zum Zuführen von Gas (10 bis 15) eine Quelle eines neutralen Gases, insbesondere Stickstoff, eine Sauerstoffquelle, Mittel (13 bis 15) zum Dosieren und zum Mischen des neutralen Gases mit dem Sauerstoff sowie ein Druckminderventil (11) aufweisen, das den Mitteln zum Dosieren und zum Mischen nachgeschaltet ist.

6. Anlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie Mittel (18) zum Messen der Konzentration an gelöstem Sauerstoff der Maische aufweist, die die Mittel (13 bis 15) zum Dosieren und zum Mischen steuern.

7. Anlage nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Permeator (4) Hohlfasern enthält und die Mittel zum Zuführen von Gas (10 bis 15) mit dem Inneren der Fasern in Verbindung stehen.

8. Anlage nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Kreis (5) für die Zirkulation der Maische (2) zwischen dem Fermenter (1) und dem Permeator (4) enthält, wobei dieser Kreis eine Pumpe (17) aufweist.