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Gärverfahren zur Herstellung von Alkohol aus kohlehydrathaltigen Flüssigkeiten
Die Erfindung betrifft ein Gärverfahren zur Herstellung von Alkohol aus kohlehydrathaltigen
Flüssigkeiten.
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Zur Erzeugung von Alkohol auf dem Gärungswege durch Einwirkung von
Hefe auf Kohlehydrate sind bisher unterbrochen und ununterbrochen arbeitende Gärverfahren
angewendet worden. Es ist im allgemeinen bekannt, daß ununterbrochene Verfahren
infolge der höheren Wirtschaftlichkeit, hervorgerufen durch niedrige Anlage- und
Gestehungskosten, vor unterbrochen arbeitenden Verfahren den Vorzug verdienen. Die
bisher angewendeten ununterbrochenen Verfahren, insbesondere die Fesselgärung, sind
jedoch mit Mängeln behaftet, die die Wirtschaftlichkeit sehr beeinträchtigen. Bei
der Fesselgärung treten insbesondere Verluste dadurch auf, daß die Flüssigkeit nicht
gleichmäßig durch den Hefeträger hindurchläuft, §ondern in. Zonen mit geringerem
Widerstand eine höhere Geschwindigkeit aufweist. Dadurch gehen Kohlehydrate dem
Umsatz verloren. Ein weiterer Nachteil ist die rasch erfolgende Verschmutzung des
Hefeträgers mit Schwebeteilchen und abgestorbenen Hefezellen, wodurch die Leistung
der Gärbottiche schnell sinkt. Eine davon abhängige nachteilige Wirkung ist das
Auftreten von Infektionen, da die toten Hefezellen einen ausgezeichneten Nährboden
für Bakterien abgeben. Andererseits können wirkungsvolle Sterilisationsmaßnahmen
nicht durchgeführt werden, ohne die Hefe zu vernichten, so daß Verluste durch Nebengärungen
unvermeidlich sind. .
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Die nicht unterbrochen arbeitenden Gärverfahren haben den Nachteil,
daß erheblicher Gärraum und damit verbunden erheblicher Aufwand für die Bedienung
erforderlich ist. Sie haben weiterhin den Nachteil, daß die Hefe länger als nötig
mit ihren in Berührung ist. Dadurch ergeben sich Schädigungen der Hefe, die zum
Absterben von Hefezellen führen. Es kann eine Hefe nur eine gewisse Zeit zu erneuter
Gärung verwendet werden, dann wird die Einführung einer neuen Stellhefe erforderlich.
Die Hefe begegnet zwar deni verstärkten Absterben durch verstärkten Zellenaufbau,
doch damit ist notwendigerweise ein Verlust an Kohlehydraten für die Alkoholbildung
verbunden.
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Dieser Nachteil haftet auch einem anderen bekannten unterbrochenen
Gärverfahren an,
bei dem mit hohen Hefegaben gearbeitet wird und
jedesmal nach Beendigung der einzelnen Gärungen eine Trennung der Gärflüssigkeit
in einen hefearmen und einen hefereichen Teil vorgenommen und der hefereiche Teil
zu einer darauffolgenden Gärung wieder verwendet wird. Durch die zugefügten großen
Hefemengen soll eine gewisse Beschleunigung des Verfahrens erreicht werden. Da das
Gärgut während des Gärvorganges nicht bewegt wird, setzen sich die Hefezellen ab
und bleiben längere Zeit mit ihren Stoffwechselprodukten in Berührung: Der nach
der Einzelgärung abgetrennte hefereiche Teil bleibt ferner mehrere Stunden mit den
schädlichen Stoffen in Berührung, wodurch weitere Hefeverluste entstehen.
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Der erwähnte Nachteil der verringerten Alkoholausbeute infolge Benutzung
eines Teiles des in der Würze vorhandenen Zuckers zur Hefebildung ist auch bei einem
anderen bekanntgewordenen, ununterbrochen arbeitenden Verfahren vorhanden, bei dem
ein Teil der ablaufenden gärenden Würze zur Einlaufstelle der Würze zurückgeführt
wird, so daß ein Teil der Hefe sich in einem ständigen Kreislauf innerhalb des ersten
Teiles des Würzestromes befindet. Bei diesem Verfahren ist ferner vorgeschlagen.,
den abgezweigten Teil des Würzestromes in eigen hefereichen, zur Einlaufstelle der
Würze zurückgeführten Teil und in einen hefearmen Teil zu unterteilen, der in die
gärende bzw. vergorene Flüssigkeit zurückgeführt wird. Hierbei ist insbesondere
der Nachteil vorhanden, daß ein beträchtlicher Teil -der Hefe mit der vergorenen
Würze ganz aus dem Gärsystem entfernt wird. Nur der geringe, in dem abgezweigten
Würzeteil befindliche Hefesatz wird dem Gärsystem wieder zugeführt. Daher muß ein
beträchtlicher Teil des Zuckers der Würze zur Hefebildung benutzt werden, wodurch
die Alkoholausbeuten verringert werden.
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Im Gegensatz zu .diesen bekannten Verfahren ist Gegenstand der Erfindung
ein ua1-unterbrochenes Verfahren, bei dem für eine dauernde Bewegung der Hefezellen
und des Gärgutes gegeneinander Sorge getragen wird. Bei diesem Verfahren wird die
gesamte Hefe zwangsläufig und ununterbrochen durch ein aus einer Misch- und Entmischvorrichtung
bestehendes Gärsystem im Kreislauf in der Art geführt; daß -die Hefe von der Mischvorrichtung
.mit regelbarer Verweilzeit durch eine Nachgärvorrichtung zu der z. B. aus einer
Trennschleuder oder einem Filter be-_ stehenden Entmischvorrichtung geführt, nach
dem Austritt aus dieser unmittelbar mit neuer Zuckerlösung in Berührung gebracht
.und zurück zur Mischvorrichtung bewegt wird, Die Hefe befindet sich also nur kurze
Zeit in gärgutfreiem Zustand. Das Gärgut verläßt nach bestimmter regelbarer Verweilzeit
nach einmaligem Durchlauf des Gärsystems dieses hinter der Entmischvorrichtung.
Es hat sich gezeigt, daß eine Hefe in diesem Verfahren dauernd arbeiten kann, weil
sie möglichst schnell von den. gebildeten Stoffwechselprodukten entfernt wird. Der
bei unterbrochener Gärung beobachtete Verlust an Hefeellen tritt dabei aber praktisch
nicht auf. Das Mischen der Hefe und der zu vergärenden Flüssigkeit soll möglichst
gründlich erfolgen, so daß der Umsatz des Zuckers zu Alkohol und zu Kohlensäure
möglichst schnell vor sich geht. An den Stoffwechselaustauschflächen (den Zellmembranen)
werden durch das gründliche Mischen dauernd die gebildeten Stoffwechselprodukte
abgeführt und neue Zuckermoleküle zugeführt.
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Es können keine Hefeteilchen in anderer als der gewollten Richtung
sich im Gärsystem bewegen oder sich absetzen, was für die Erzielung höchster Alkoholerträge
von größter Wichtigkeit ist. Ebenso wird das Gärgut zwangsläufig nach der Entinischvorrichtung
geführt, so daß die gebildeten schädlichen Stoffwechselprodukte so bald wie möglich
von der Hefe getrennt werden.
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Das Verfahren nach der Erfindung kann in beliebigen Einrichtungen
durchgeführt werden.
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Ein zweckmäßiges Ausführungsbeispiel einer Einrichtung zur Durchführung
des Verfahrens ist in der Zeichnung schematisch dargestellt. .
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In einem Vorratsbehälter i befindet sich eine kohlehydrathaltige Flüssigkeit,
z. B. eine Melasselösung, die durch eine Rohrleitung :2 und ein Ventil 3 in einen
Mischbehälter q. läuft. Hier erfolgt die sehr gründliche Durchmischung mit der aus
einer Rohrleitung 5 eintretenden Hefe, und - zwar durch ein mit senkrechter Achse
versehenes Rührwerk 6. Eingebaute Prallbleche 7 erhöhen die Rührwirkung. Durch einen
Kanal 8, in den unten das Gärgut (die Würze) eintreten kann, wird oben an der Mischvorrichtung
das Gärgut abgezogen und in eine in einem Behälter 9 befindliche Rohrschlange io
geführt. Der Behälter 9 kann hinsichtlich der Temperatur des durch die Rohrschlange
io strömenden Gärgutes regelbar, z. B. heizbar sein. Die Rohrsehlange io ist mit
Regeleinrichtungen versehen, um die Verweilzeit des Gärgutes in ihr zu regeln. Das
Gärgut strömt aus der Rohrschlange zo durch eine Leitung ii zu einem Separator 12,
in dem das Entmischen vor sich geht. Die abgeschleuderte Hefe läuft in einen Hefebehälter
13 und wird durch eine Pumpe 1q. über Leitung 5 der Eintrittstelle
der
Mischvorrichtung. q. wieder zugeführt. Die vergorene alkoholhaltige Gärflüssigkeit
läuft durch eine Rohrleitung i5 zum (nicht gezeigten) Destilliergerät.
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In der Rohrschlange io (oder einer ähnlichen Vorrichtung, z. B. einem
mit Widerständen versehenen Rohr oder einer mit Kammern oder Böden versehenen Kolonne)
wird die Nachgärung durch Vergärung der Reste unvergorenen Zuckers vorgenommen.
Die Geschwindigkeit des Würzezulaufs wird zweckmäßig so geregelt, daß beim Austritt
aus der Rohrschlange io die Endvergärung erreicht ist.
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Die Hefe kann-aus der vergorenen Würze sowohl durch Schleudern als
auch. durch Filtrieren z. B. unter Verwendung eines drehbaren Anschwemfnfilters
entfernt werden. Die Hefe ist nur auf einem Teil ihres Kreislaufs, nämlich vom Eintritt
in die Entmisch-@vorrichtung bis zum Eintritt in die Mischvorrichtung, außer Berührung
mit Kolhlehydraten. Dies dauert nur kurze Zeit, so daß die Hefe praktisch dauernd
arbeitet und sich ein Mindestmaß an Gärraum ergibt.
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Die aus dem Entmischer austretende Hefe kann zwecks Entfernung etwa
auftretender unerwünschter Mikroorganismen mit desinfizierenden Stoffen behandelt
werden.
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Ausführungsbeispiel . Die im Behälter i befindliche .Melasselösung
enthält io Gewichtsprozent Rohrzucker. Die Durchlaufgeschwindigkeit der Rohrzuckerlösung
durch die Gäreinrichtung ist so geregelt, daß die eintretende Flüssigkeit die Einrichtung.
nach 30 Minuten verläßt. Für den Umsatz von iooo cbm io°/oiger Melasselösung
täglich ist somit ein Gärraum von z i cbm Inhalt erforderlich. Der Alkoholgehalt
der ablaufenden Schlempe beträgt 5,16 Gewichtsprozent, das sind 96 °/o der nach
der Gärungsgleichung zu erwartenden Menge. Eine höhere Ausbeute dürfte nicht erreichbar
sein, da Nebengärungen, z. B. Glycerinbildung, bei jedem Gärungsvorgang auftreten.
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Nach der .Erfindung können verschiedenartige, vergärbaren Zucker enthaltende
Lösungen vergoren werden. Die Geschwindig@ keit des Umsatzes ist von der Natur des
Gärgutes abhängig, ist aber höher als bei den bisher benutzten Gärverfahren.
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Die im Ausführungsbeispiel angeführten Einzelvorrichtungen können
auch durch andere gleichartig wirkende Vorrichtungen ersetzt werden.