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Verfahren und Einrichtung zur ununterbrochenen Vergärung von zuckeiarmen
Gärflüssigkeiten auf Alkohol Die. Verfahren zur ununterbrol:henen Vergärung kohlehydrathaltiger
Flüssigkeiten auf Alkohol hoben bisher nur bei der Herstellung von Alkohol aus Sulfitablaugen
und Halzzuckerwürzen Anwendung gefunden. Bei der Vergärung von Rüben- und Zuckerrohrmelasse
hat sich die vollkontinuierliche Gärungsführung nicht einführen lassen, weil bei
der stets schwankenden Beschaffenheit der Melassen der Gärverlauf so stark wechselt,
daß :die Voraussetzung für jeden wirklich ununterbrochenen Betrieb; nämlich das
Erreichen eines Beharrungszustandes über längere Zeit, nicht eintreten kann. Außerdem
sind Melassegärungen so stark Infektionen ausgesetzt, daß der halbkontinuierliche
Betrieb mit nach Bedarf vorgenommener Unterbrechung und Desinfektion der Gärbottiche
vorgezogen wird. Für die Alkoholgewinnung aus Stärke (Kartoffel, Getreide usw.)
kommen ununterbrochen arbeitende Gärverfahren überhaupt nicht in Frage, da das Ineinandergreifen
der verschiedenen Verfahrensabschnitte, wie Dämpfen. Verzuckern, Vergären usw.,
ein Ausgestalten zu ununterbrochenem Betrieb unmöglich machen.
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Bei der Vergärung von Sulfitablauen und Holzzuckerwürzen treten Infektionen
trotz der seltenen Reinigung der Gärbottiche kaum auf, weil diese Maischen infolge
ihres Gehaltes an sch-,vefligsauren und ameisensauren Salzen geschützt sind. Derartige
Maischen enthalten nur etwa r bis ¢% vergärbaren Zucker und fallen in so großen
Mengen an, daß zu ihrer Vergärung schon seit langem ununterbrochene Gärverfahren,
u. a. zur Ersparnis an Gärraum mit Nutzen angewendet werden. Besondere Verbreitung
hat die kontinuierliche Fessel-
#giirung 1efunden. .s sind «-t#iter
Verfahren bekanntge@rorden, bei der Vergären" von Sulfit.ablattgen und 1-lolzzu<-lcerw-ürzen,
deren Aus--an,sstotin leiden Fällen der durch säure- verzuclycree Z.-llstoif ist_,
die in der vergorenen Maische enthaltene gesamte Hefe durch Ausschleudern abzuscheiden
und die so e@@onile.ne I-i=@fealilch der frisch zu vcrgäreiielen Zuck.erlüsun@#-
wieder zuzumischen. -Bei die_eil sog. Gärverfahren mit Heferiickfülirung
d eine ho'i° Hefchrlnzentration in der ,xäi-ende@l:l@aische erreicht, die
jea@e@tialls iokg Iefe rbet-e,-liüt :auf Preßliefe mit 750i'o @dasser"gehalt) je
looo 1 Gärflüssigkeit iiberste:gt und zuliiniiiit bis zur Hefesättiumg, d.11. bis
zu der He`eknuzentration, bei welcher ei'ne Neabiidwig von Hefe infolge Mangel all
Wirhungsi".atan liiclit Mehr eintritt. Bei diesem Zustand ist die sog. spezifische
zelluläre Sätti--ull g all Hefezellen in der Maische erreicht. ,je nach dein Zuckergehalt
und der Qualität der Gärlösung, d. h. ihrem Gehalt an gärtitigstö rdernLen 1. i
;f@rur.,@sn:@lnnl.elidcn Stoffen bei der Hefcsätii1-tii-:i, l c rät der Gehalt a1111(4,2
jv cm#, IYIaische 110. io'; bis 5o0# 1o'1 Zellen und mehr.
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Die- vo.rliege!idle Er-fiadung zielt darauf ab, das Gärverfahren mitIcferüchfühl-un-fürdie
LIIlitllt@:rhr0^.l'..ei_e #'erarll:=#`- v:in S.tl'flittt)lallgen lind Holzzucker<<-ül@#en
s.o auszugestaitelr. daß die höcl-S mö@@li@lie Ausbeute all AIkoliol in der kürzesten
Gärzeit erreicht wird unter 1>erücks@:chtigtin- der i111: e'tri@Cb oft wechselnden
Arbeits.,,eding-itnger,.
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Das neue Verfahren geht davon aus, dal:3 d:;e zu verg äreiiden #..-erii.ältnismäß:g
zuckerarmenäri@ü:ssi-l>eiten, wie Sulfitablaugen oder HOzzucl@er=.i#:.'z,@n, in
praktisch ununterbroclienem Strom in die Gäranlage aufgenomlneil s%-erden und daß
voll der Gäranlage eile ebenfalls praluiSch ununterbrochener Strom von aus"egorener
enthefter Maische in die Destillieranlage gelieert wird. Das Gärverf ihren selbst
arbeitet grundsätzlich nach dem Verfahren mit Heferückführung, also unter 'erw-e.ndung
verhältnismäßig hoher Hefekon-,e@ltratio.l:er., die vnrzut,-s=:.eise bei der s.pezihsclicil
zc-lluläreil Sä tt#iguii- gehaitea werden, und niit der aus. der vergoreinen
-wische durch Ausschle'udern (Zcntriftigiereill abgeschiedenen Hefemilch in den
ersten Gärbottich. Das. heue Gärverfahren bestellt darin, die beim kurz. gesc-hil'derten
Verfahren anfallende Hecemilch der schon in Gärung belindli.clien Maische zuzusetzen,
die Hefe üi dellt Gärsyste'ili frei, lie i@ egil@ll, vorzugsweise durch L;ohrb@genumw"älzptünpe
1, in Suspeil-S'-_oil zu halten und die vergorene Maische mit der darin suspendierten
Hefe in einem Nach-@ärbottich zu speichern, in welchem sich gegebenenfall .nderungell.
der zu- und abgeführten Flüssigkeitsnlenen ausgleichen nel1 und von dem aus
sie= dem Separator mit kurzen Unterbrechungen zu dessen Reinigung zugeführt wird.
Das Gärsystem besteht aus einem oder mehreren, vorzugsweise aus zwei Hauptgärbottichen
und dem` -Nachgärbottich. Diese Gärbottiche sind von allen Einl),atit(-n frei, wie
m',an sie z. B. beim Fesselgärverfahren oder bei dem Verfahren, das mit zwangsläufig
geführter Hefe arbeitet, anwendet. Der Durchsatz der Gäranlage wird so geregelt,
dali die Gärflüssigkeit @)ei normal laufendem Betrieb dein Nachgärbottich gerade
dann verläßt, wenn#sie eben ausgegoren ist. Alle G<irbotti,che sind mit Vorri,chtungeii
versehen, mit dellen die Hefe in Suspension gehalten werden kann. ZLi diesem Zweck
werden bei der vorliegenden Erfindung zum ersteh ?-Male Rohrbogetiumu^älzpumpen
vorgeschlagen. D; rartigle Pumpen haben einen bedeutend gcl-in-,ei'eii Kraftverbrauch
als die früher benutzten Rührwerke und sind deshalb wirtschaftlicher.
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Auf weitere Einzelheiten des neuen Verfahrens soll im folgenden bei
der der in der Zeichnung dargestellten speziellen Ausführungsform der Erfindung
noch naher eingegangen werden.
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Die zu vergärende Ablauge oder Würze w-ii"d in ununterbrochenem Strom
dem Hc-fe enthaltenden Gärbottich t unten durch dieLeitung 2 zugeführt, steigt in
ihm hoch und läuft dem zweiten Gärbottich ; durch die Leitung unten zu. Die vergorene
Maische tritt dann durch die überlaufleitung 6 in den Vorratsbehälter oder `achgärbottich
5. Eine Pumpe ; führt d=e vergorene Maische mit der darin enthaltenen Hefe durch
die Leitung S der Schleuder 9 zu, mit welcher möglichst die gesamte Hefe abgeschieden
und als Hefemilch durch dze Leitung 1o dem in voller Gärung befindlichen Bottich
i oben wieder zugeführt wird. Die enthefte vergorene Würze wird vorn Separator dem
Hochbehälter der Alkoholdestillations@anlage durch die Leitung 1 i zu- i geführt.
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Es ist gefunden worden, d.aß die beste Vergärung dann eintritt, wenn
die Hefezellen in der Maische frei beweglich bleiben, derart, daß sie an der Bewegung
teilnehmen-, die in 1 der gärenden Flüssigkeit durch die sich eiltwickelnde Kohlensäure
hervorgerufen wird, so daß sie in ständigem Ortswechsel fortlaufend mixt neuen.,
unvergorenen Zucker enthaltenden Flüssigkeitsteilchen in Berührung kommen; 1 die
Hefemilch wird also-, wenn. sie in den obersten Teil =des Gärbottichs in die schon
teilweise vergorene Flüssi,7keit eintritt, wo d.ic hohlensäurcentwicklung am stärksten
ist, schnell über d'en Zanzen Bottichinhalt verteilt. 1 Die ,einzelnen Hefezellen
durchlaufeiialso das Gärsystem nicht in regelbareil Zeitelf; einzelne
Zellen
«erden vo:m Flüssigkeitsstrom aus dem Bottich i g--eich mach dem Bottich 3 Mit-:
-norniren; andere werden lange Zeit in Bottich i heruin,gArirbelt.
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Die Hefezellen sollen in der Gärflüssigkeit stets fre,: schwebend
erhalten werden. Die Bottiche i, 3 und 5 @eaithalten daher keinerlei Einl=,ä.uteii,
an denen Hefe sich absetzen kann o.-'er die der Hefe einen zwangsläufigen. Weg durch
das Gärsystem vorschreiben. ,Damit sich auch auf dem Bo.dien der Bottiche i, 3,
5 keine Hefe ablagert, wird im unteren Teil der Dott'.cli,e für eine zusätzl1che
Flüs.sigkeits!bew:egung gesorgt, vorzugsweise durch Rohrbogenumv,#äizpuinpen 1z.
D:iese saugen die Gärflüss:gLeit .aus dem unteren Teil der Bottiche ständig an und
drücken sie in Bodenhöhe vorzugs<<e:se tangential wieder in den Gärraum. Der
Krafthedarf dieser Pumpen ist sehr viel ger:ng@er als der eines Rührwerks; er beträgt
z. B. für ioom3'Std. umgewälzte Gärflüssig-1--.'t nur i,6 PS. Durch diese Maßnahmen
Wird erreicht, daß sich die Hefe in den Bottichen. über den ganzen Flüssigkeitsinhalt
g@e:climäP@ig verteilt, wie ,an den verschiedensten Stellen entnommene Prohen zeigen.
Die NIi:ädiestliiefeko.äzientradon von i o kg je m-' Maische: bzw. der Zustand
der Hefesättigung b'.:eibt daher dauerrnd in dem ganzen Flüssüg-Ize:t.sinhialt
des Gärsystems erbalten.
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Wenn die gesamte große Hefemenge bei der Vergärung ständig frei beweglich
und in Su:speicis:oin gehalten wird, findet eine vo:ll-Icom:mene Aasgärung der Maischie
statt in enier von dem Zuckergehalt und der Lau,gendu,alität abhängigen Mindestzeit.
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Der Sammelbottich 5 hat :eine doppelte Aufgabe: Er dient #einmal als
Nachgärboittiich für den Fall, daß infolge erhöhten Maischeanfalls vozübergehend.
der Gärraum vergrößert ;i-erden. mu:ß, um e.'-n.e vollständige Aasgärung s:diezustelleni.
Der Maischeanfall ist ja abhän von den meist absatzweise betriebenen Ze'.lstoffk,ocl:,erin
und Perkolatoren der Holzverzttckerung sow:,e von der meist absatzweäise vorgeunorm;m,enein
Neutralisation und Klärurig der Ablaugen bzw. Würzen, z. B. durch Ab-5,it2ienliass,en.
Bei siegendem Maischeanfal1 steigt der Flüssigkeitsspiegel im. Bottich 5,, der normal
nur zur Hälfte gefüllt ist, an und vergrößert damit dein Gärfatum; bei sinkendem
:bliaisch ieanfall sinkt der F'lüsaäigkeitss#piegelLind verkleinert damit dien Gärraum.
Bei diesen Mengenschwankungen, die sieh auf die Dauer im Bottich 5 ausgleichen,
kann die Belastung dies Separators unverändert bleiben, was für dessen gutes Arheiten
wichtig ist.
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Sulfitablau gen und Holzzuckenv ürzen enthalten- stets feste Teilchen
(Neutralisations; kalk, Zellstoffasern, Ligninreste u. 4g1.). Eine Abscheidung der
Hefe :durch Filtration kommt bei dieser Maische nicht in Frage, da der sich auf
dem Filtermaterial sofort bildende Hefefilm auch alle d:,ese Verunreinigungen zurück--
hält und damit die wiedergewonnene Hefe se stark verunreinigt, diaß sie für weitere
Vergärungen. unbrauchbar wird. In der Schleuder dagegen, die einte Tre,mrung der
Malscb:ebestandteile nach dem spezifischen Gewicht vornimmt, tritt eine Reinigung
insofern lein, als alle Bakterien mit .der entheften Maische abgehen und im Destillierapparat
vernichtet werden; die festen Teilchen in der Schleuder zurückbleiben und die Hefe
als gereinigte Hefemilch abläuft. Die Schleuder muß in bestimmten. Betriebsabschuitten
für z Lis z Stunden stillgelegt Lund von der darin festgesetzten Paste, bestehend
aus Kalk, Fasern u. dgl., -(--säubert werden. Damit wird auch die Absche'idung der
Hefe und die Zufuhr von Hefemilch zum Bottich i von Zeit zu. Zeit unterbrochen.
Bei dem großen Vorrat an Hefe in der gärenden Maische wird die Vergärung dadurch
nicht gestört. Während des Stillstandes des Separators staut sich die dein Vorratsbottich5
ununterbrochen zulaufende vei=gorene Maische än; die; Hefe bleibt vorübergehend
etwas länger als nötig mit ihren S.toffwechselprodiukten, in de:r Hauptsache Alkohol
und Kohlensäure, in Berührung. Da, aber der Alkoholgehalt der vergorenen S.ulfitablauggen
und Holzzurkierwürz@en gering ist und die Umwälzpumpien für eine starke Flüssigkeitsbewegung
in dien Bottichen sorgen, durch welche die Kohlensäure ausgetrieben wird, tritt
eine Scbädigunig der Hefezellen dadurch nicht ein.
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Um die Betriebszeiten des Separators zu verlängern, wird gegebenenfalls
zu stark verunreinigte Maische durch mechanische Hilfsmittel, z. B. durch Filter
beliebiger Bauart oder Klärseparatoren vor Eintritt in die Gäranlage von Schwebeteilchen
befreit, -,venn das sonst übliche. Absitzenlassen der neutralisierten Maische- nicht
zum Ziele führt.
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In der Siulfitspiritu.sindusti-ie wird allgemein in offenien Bottichen
vergoren, so daß die Oberfläche der gärenden Maische mit der Luft in Berührung steht.
Damit ist die Möglichkeit für die Entwicklung von K:amhefengegeb:en, die keinen
Alkohol bilden, sondern diesen sogar aufzehren und damit die Alkoholausbeute verringern.
Bei dem vorstehend--bescUriebenen ununterbrochenen Gärverfahren mit Heferückführung
ist -es vorteilhaft, die Iamhefebildung nach Möglichkeit zu unterdrücken; denn .die
Zellen der Kamhefe haben etwa das gleiche spiezifische Gewicht wie die Kulturhefen:
sie -,würden :also, im Sieparator finit der le-tzt:eren zusammen abgeschiieden werden
Lund sich zum Sichaden der Alkohol.-ausbeute in, denn Gärbottichen anreichern. Die
Bottiche i,'3 und 5 werden daher vorzugsweise
abgedeckt, so daß
die Oberfläche der Flüssigkeit stets unter einer Kohlensäureatm@oisP'häre gehalten
wird.
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Sollte es trotz dieser Maßnahmen nötig sein, die Hefemilch zti reinigen,
so kann sie ohne Unterbrechtung,des Gärbetriebes zu einer besonderen Behandlung
(Waschung, Säurezugabe u. dgl. ) für mehrere Saunden in einen Nebenbehälter i3 -speichert
werden. Bei der hohen Hefek onzeintrition in den Bottichen geht während dieser Zeit
die Vergäruarg der Maische ungestört weiter.
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Es ist selbstverständlich, daß bei dem beschriebenen Gärverfahren
alle in der Gärungsindustrie bekannten Maßnahmen z. B. zur Erhöhung oder Unterstützung
der Gärtätigkeit der Hefe angewendet werden können, so Zugabe von Nährsalzen, Nährsubstanzen,
Wirk-stoffen u. dgl.
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Es ist bereits ein Gärverfahren mit Heferückführtilig bekannt, das,
kontinuierlich arbeitet. Nach diesem Verfahren durchläuft jede Hefezelle in der
zwangsläufig voirgeschriehenen Richtung innerhalb einer bestimmten, regelbaren Venveilzeit
mit besonderen Führungseinrichtunben ausgestattete Gärbottiche. Die im Separator
abgeschiedene Hefemilch wird streng kontinuierlich neuer zuckerhaltiger Maische:
in einer mit Rührwerk ausgestatteten Mischvorrichtung zugesetzt. Dias Verfahren
arbeitet infolge hoher Anlage- und Betriebskogten teurer als das beschriebene Verfahren
nach der Erfindung. Letzteres. ist apparativ einfacher, weil die Gärbottiche keine
besonderen Führungseinrichtungen enthalten; die Betriebskosten sind wesentlich billiger,
weil ein besonderes Rübrwerk für das Vermischen der Hefemilch mit der unvergorenen
Maische wegfällt. Außerdem kann sich das bekannte Verfahren nicht so leicht und
einfach, wie es oben mehrfach dargestellt .ist. den praktischen Betriebshedingtlngen_,
Reinigung des Hefeseparators, Stockungen und Verämderungen im Anfall der Gärfliissi:gkeit
usw.. anpassen.
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Es ist ferner ein ununterbrochenes Gärverfahren für zuckerarme Gärflüssigkeiten
hekanntgeworden, bei welchem die Hiefe aus einem geringen ,angezweigten Anteil der
noch gärenden Würze durch Ausschleudern wiedergetronnen und der frischen Gärflüssigkeit
wieder zugeführt wird. Ein beträchtlicher Teil der Hefe wird liirrbei ständig mit
der vergorenen Würze aus dem Gärsystem entfernt Lind im Alkolroldestillierapparat
verachtet, während nur die geringe, in dem abgezwengceii Würzeanteil befindliche
Hefemenge wieder verwendet wird. Die verlorene Hefe niiß ständig unter Zuckerverbrauch
neu ge->ildet werden. wodurch die Alkoholausbeute verringert wird. Die hohe Hefekonzentration
und Alkoholausbeute des Gärverfahrens nach der Erfindung kann bei einer solchen
Arbeitsweise nicht erreicht werden. Die vorstehend e rwa 'ihnen . Gärverfahren
bedienen sich im übrigen keiner der beanspruchten Verfahrensmaßnahmen, durch deren
Anwendang die Gesamtwirkung erzielt wird.
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Aus bestimmten, für die vorliegende Erfindung nicht in Betracht kommenden
Gründen hat man bereits Gärflüssigkeiten vor der Gärung filtriert, z. B. bei der
Butanolgärung zur Entfernung eines künstlich in der Gärflüssigkeit erzeugten Niederschlags
und hei einem Hefe ewinnungsverfahren zwecks Herstellung möglichst reiner Hefe.
Bei Alkoholgärungen konnte bei den älteren lx-kannten Verfahren dieses Problem nicht
auftauchen, da man liier bisher die Hefe nebst etwaigen Verwnreinigurlgen mit der
Schlempe ablaufen ließ. Erst bei dem vorliegenden Verfahren kommen .der Abscheidting
von Verunreinigungen wieder besondere, oben beschriebene Vorteile zu.
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Es war auch bekannt, bei einem Verfahren zur Alkoholgewinnung aus
S.ulfitablauget, bei dem während der Gärung Luft durch die Gärflüssigkeit geleitet
wurde, zwecks Vermeidung von Alkoholverlusten geschlossene Gärbottiche zu verwenden.
Beim vorliegenden Verfahren tritt ein Alkoholverlust durch Verdunsten nicht ein;
das Abdecken der Gärbottiche hat vielmehr den Hauptzweck, die Bildung von Kamhefe
zu vermeiden. Beispiel In einer Zellstoffabrik fallen täglich 36o cbm Fichtenablauge
an. Nach der üblichen Neutralisation und Kühlung wird die Ablauge ununterbrochen
durch eilte Kreiselpumpe über en Filter, welches Fasern, Kalkteilchen und andere
Srhweb-staffe zurückhält, dem von allen Einbauten freien ersten Gärbottich Tunten
zugeführt, während die Hefemilch dem Boittich oben zuläuft. Die durch die Gärungskohlensäure
hervorgerufene lebhafte Flüssigkeitsbewegung wird unterstützt durch das Uln@välzen
des Bottichinhalts mit Hilfe einer Rohrli@ogenpu:mpe:, so daß die Hefe in der gärenden
Flüssigkeit schwebend g ehalten wird. Die noch sticht vollständig ausgegorene Ablauge
tritt damt mit der darin entbaltenen Hefe durch Überlauf in den zweiten Gärbottich
ein, in welchem die Gärung praktisch zu Eilde geführt wird. Von hier aus läuft sie
in den. Vorratsbottich. Auch im zweiten Gärbottich und im Vorratsbottich, die frei
von Einbauten sind, wird ein Absetzen der Hefe durch Umpumpen verhindert. Alle drei
Bottiche sind abgedeckt, so daß die Gärungskohlensäure über der Flüssigkeitsoberfläche
zurückgehalten wird. Der Gesamtflüssigkeitsinhalt
der drei: Bottiche
beträgt 3oo cbm; so daß die Gärzeit oder Aufenthaltsdauer der Ablauge in dem ganzen
Gärsystem durchschnittlich @2o Stunden beträgt.
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Aus dem Vorratsbottich wird die vergorene Ablauge mit der ganzen.
Hefe einer auf dem ersten Gärbottich stehendem Schleuder zugeführt, in welcher etwa
8 bis i o % der-Ablaug e mit praktisch der ganzen Hefemenge als Hefemilch abgeschieden
wird. Die Hefemilch läuft dem bereits in lebhafter Gärung befindlichen erstem, Bottich
zu. Die @enthefte Ablauge wird dem Destillierapparat zugeführt. Wind die Schleuder
- zwecks Reinigung für etwa 2 Stunden stillgelegt, so, steigt der Inhalt des Vorratsbottichs
um etwa 3o ,cbm an, d. h. die gesamte Flüssigkeitsmenge und die Gärzeit steigen
um i o % . Nach Wiederinbetriebnahme .der Schleuder wird die Übermenge durch etwas
höhere Belastung der Schleuder bald wieder aufgearbeitet. Eine Schädigung der Hefe
oder Mirnderun,g der Alkoholaus,-beute tritt -dabei nicht ein.
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Nacheiner gewissen Anlaufzeit stellt sich im Gärsystem eine von der
Beschaffenheit der Ablauge abhängige gleichmäßige Hefekonzentration ein. Sie beträ-t
bei dem vorli#genden Beispiel 25o X ios Zellen/ccm.