EP3030643A1 - Vorrichtung und verfahren zur produktion von fermentativ erzeugten lebensmittelprodukten - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur produktion von fermentativ erzeugten lebensmittelprodukten

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Publication number
EP3030643A1
EP3030643A1 EP14747962.0A EP14747962A EP3030643A1 EP 3030643 A1 EP3030643 A1 EP 3030643A1 EP 14747962 A EP14747962 A EP 14747962A EP 3030643 A1 EP3030643 A1 EP 3030643A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
tank
storage material
heat storage
latent heat
fermentation
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP14747962.0A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Achim ROSCH
Thomas HAUSSMANN
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Publication of EP3030643A1 publication Critical patent/EP3030643A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M41/00—Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation
    • C12M41/12—Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation of temperature
    • C12M41/18—Heat exchange systems, e.g. heat jackets or outer envelopes
    • C12M41/24—Heat exchange systems, e.g. heat jackets or outer envelopes inside the vessel

Definitions

  • the invention relates to a device for the production of fermented food products with at least a first tank, which is provided for receiving the starting substrate to be fermented and with at least one device for controlling and / or regulating the temperature during the fermentation. Furthermore, the invention relates to a process for the production of fermentatively produced
  • Food products in which the starting substrate to be fermented is introduced into the interior of at least a first tank and during the fermentation of the ⁇ starting substrate by controlling the amount of heat supplied or discharged control and / or regulation of the temperature.
  • Devices and methods of the type mentioned above can be used for the production of pharmaceutical agents, for example insulin, hyaluronic acid, streptokinase or penicillin.
  • devices and methods of the type mentioned in the food production can be used, for example, as alko ⁇ holische fermentation, in the maturity Matj or in the production of soy sauce or sauerkraut. From DE 35 25 455 AI a device and a method of the type mentioned input is known. To the at the at the
  • a double-walled container so that hot or cold water can be introduced in the space between the two walls.
  • heat can be removed from the container into the intermediate space or heat is supplied from the intermediate space into the interior of the container.
  • the supply of cold or warm water is controlled by a solenoid valve whose opening time is controlled by a temperature controller.
  • this known device has the disadvantage that, especially in the large-scale production of foods or pharmaceuticals, large amounts of energy are required to ensure temperature control.
  • the output to be fermented ⁇ substrate at the beginning of the fermentation process is often too cold, that the starting substrate has to be heated by energy input.
  • the fermentation itself is an exothermic reaction, so that the temperature thereafter rises rapidly and cooling becomes necessary.
  • the heat produced exothermically decreases again, so that again energy-intensive heating is required.
  • Next ⁇ towards the control systems described may fail due to failure of the transmitter and / or the control valves so that no optimum temperature control takes place. This can result in the production of an inferior product or the complete rejection of the production batch.
  • the invention is therefore based on the object of specifying a method and a device for the production of fermentatively produced products, which enable production with lower energy consumption and greater reliability.
  • the object is achieved by a device according to claim 1 and a method according to claim 9.
  • a device for the production of fermentatively produced products or a device for the production of fermentatively produced food products has at least one first tank, which is provided for receiving the starting substrate to be fermented.
  • a fermentation biological Encrypt ⁇ development of an organic substance is meant in the sense of the present invention.
  • the fermentation can be carried out by enzymes, bacteria, fungi or other biological ⁇ specific cell cultures.
  • the fermentation may be an alcoholic fermentation carried out, for example, to make alcoholic beverages.
  • the fermentation can be carried out aerobically or anaerobically.
  • the first tank which is provided for receiving the starting substrate to be fermented, may have a cylindrical basic shape in some embodiments of the invention.
  • the tank can have a capacity of about 50 liters to about 3000 liters.
  • the size of the tank may range from about 200 liters to about 1500 liters.
  • the size of the tank may range from about 50,000 liters to about 200,000 liters.
  • the tank can be made of aluminum, stainless steel, a plastic or a copper alloy.
  • the first tank may have a multilayered built wall aufwei ⁇ sen, for example, an inner stainless steel panel to be coated on a copper vessel.
  • the invention proposes to connect the first tank to a device for controlling and / or regulating the temperature during the fermentation.
  • the device can have at least one second tank, which contains a latent heat storage material, which can be thermally coupled to the starting substrate to be fermented.
  • a latent heat storage material in the context of the present invention is characterized in that it can absorb or release heat energy at a constant temperature. This can be done for example by a solid-liquid phase transition of the latent heat storage material.
  • the latent heat storage material can be stored in a second tank so that it is available during the fermentation of the starting substrate.
  • a plurality of second tanks and / or a plurality of first tanks may be available, so that the performance and / or the reliability of the device is increased.
  • the latent heat storage material In order to avoid contamination of the finished product or of the starting substrate to be fermented with the latent heat storage material, it merely thermally couples to the starting substrate to be fermented, without, however, coming into direct contact with the starting substrate.
  • Such thermal coupling can for example take place in that the latent heat storage material is separated from the starting substrate by a partition wall and / or the latent heat storage material may in grains or Parti ⁇ angles micro- or macroencapsulated, so that only the
  • Grains or particles come into contact with the starting substrate, but not the latent heat storage material contained in the particles. Such particles can be introduced directly into the first tank.
  • the method according to the invention and the device according to the invention have the advantage that excess heat arising in the fermentation process is dissipated by the latent heat Storage material is recorded. Since the latent heat storage material ⁇ is able to absorb heat at a constant temperature Tem ⁇ , the temperature of the starting substrate does not rise above the melting or working temperature of the latent heat storage material. If at the beginning or at the end of the fermentation process lowers the temperature of the substrate and thereby the activity of the enzymes or micro Orga ⁇ mechanisms is reduced, heat can be supplied from the latent heat ⁇ storage material in the fermentation product or to the starting substrate.
  • the method can be performed such that to-no additional thermi ⁇ specific energy or must be dissipated.
  • the expense of electrical or fossil-generated heat can be reduced because the temperature differences during different stages of the fermentation due to the latent heat storage material are lower.
  • the apparatus and method according to the invention has the advantage that the latent absorbs heat storage material with a predetermined transition Tempe ⁇ temperature or a predetermined transition temperature range heat or gives off heat, without the need for an elec ⁇ trical and electronic control.
  • the in contact with the latent heat storage material outlet ⁇ substrate is maintained at a constant temperature, as long as the latent heat storage material has stored sufficient heat and can absorb sufficient excess heat generated. For the function of the control e thus comes only to a sufficient active mass of the
  • the at least one second tank may be disposed in the interior of the at least one first tank.
  • the partial volume of the first tank which is not claimed by the second tank, is available for receiving the starting substrate to be fermented. Since the latent heat storage material in the second tank is securely ⁇ closed, contamination of the starting substrate with the latent heat storage material is impossible. At the same time there is a large contact surface, which can be increased by Verwen ⁇ tion of several smaller second tanks.
  • a heat exchanger can be arranged in the interior of the first tank and / or in the interior of the second tank, which can be flowed through by a heat transfer medium.
  • the heat exchanger may be configured as a plate heat exchanger or as a tube register.
  • the heat transfer medium can be promoted by at least one pump, which has an example electric drive. In other embodiments of the invention can be dispensed with such a pump.
  • the heat transfer medium in some embodiments, may be or include an alcohol, a water, or an oil. By adjusting the conveying speed or the flow rate, the heat supply or the heat dissipation can be additionally influenced.
  • the heat transfer medium may contain or consist of a latent heat storage material.
  • the latent heat storage material circulating in the heat exchanger may be different than the latent heat storage material in the second tank. In these cases, the heat energy transferred per unit time can be increased compared to an oil, alcohol or water circulating in the heat exchanger.
  • the heat transfer medium circulating in the heat exchanger may contain the latent heat storage material from the second tank or consist of.
  • a second heat exchanger can be saved in the interior of the second tank, and a partial amount of latent heat storage material present in the second tank can be brought into contact with the starting substrate to be fermented in the heat exchanger.
  • the heat-loaded latent heat storage is then fed back into the second tank.
  • the heat transfer medium can circulate thermosyphonically. Since the density of a cooled heat transfer medium is greater than the density of a heated heat transfer medium, with appropriate choice of the cable cross-sections and to be overcome
  • Differences in height a circulation of the heat transfer medium can be achieved solely due to thermal energies, so that the additional use of pumps and thus the use of auxiliary energy can be avoided.
  • Such a device can work very energy efficient.
  • the latent heat storage material may be stored in the second tank, whereas the starting substrate to be fermented in a pipe register or a plate heat exchanger is brought into contact with the latent heat storage material.
  • the starting substrate can be brought to a predeterminable temperature before it enters the first tank or when it is removed from the first tank.
  • the starting substrate rotates cyclically and in this way is Continually ⁇ rend a partial volume in contact with the latent heat storage material.
  • the latent heat storage material has a phase transition temperature of about 12 ° to about 35 °. In other embodiments of the invention, the latent heat storage material on a phase ⁇ transition temperature of about 15 ° to about 25 °. In ge ⁇ called temperature range a variety of microorganisms is viable, such as yeast or bacteria. At the same time, the reaction dynamics are sufficiently fast to enable economical production. On the other hand, the reaction dynamics are slow enough to produce high quality products.
  • the latent heat storage material comprises at least one fatty acid or at least ⁇ may contain a paraffin or at least one salt hydrate or consist thereof.
  • paraffins and fatty acids are well suited for microencapsulation and are themselves inert, so that degeneration can only be observed after prolonged use.
  • paraffins and fatty acids are non-toxic, so that the starting substrate need not necessarily be discarded even if contaminated with the latent heat storage mate ⁇ rial.
  • Salt hydrates have the advantage that they are not flammable and have a high melting enthalpy. Thus can be thermally stabili ⁇ Siert also fermentation processes with a large accumulation of heat with only one coagulating ⁇ gen amount of latent heat storage material.
  • Figure 1 is a schematic diagram of a device according to the invention.
  • Figure 2 shows a first embodiment of the thermi ⁇ specific coupling of the latent heat storage device with the stepped Dahlsubs ⁇ .
  • Figure 3 shows a second embodiment for the ther ⁇ mix coupling of the latent heat storage device with the output ⁇ substrate.
  • Figure 4 shows a third embodiment of the ther ⁇ mix coupling of the latent heat storage device with the output ⁇ substrate.
  • Figure 5 shows a fourth embodiment for the ther ⁇ mix coupling of the latent heat storage device with the output ⁇ substrate.
  • Figure 6 shows a fifth exemplary embodiment of the ther ⁇ mix coupling of the latent heat storage device with the output ⁇ substrate.
  • Figure 7 shows a sixth exemplary embodiment of the thermal coupling of the latent heat storage device with the off ⁇ gear substrate.
  • Figure 8 illustrates the timing of a fermentation.
  • Figure 9 shows the temporal temperature and heat during fermentation.
  • Figure 1 shows schematically the structure of a device 1 for the production of fermentatively produced products.
  • the device 1 can thus also be referred to as a fermenter or as part of a fermenter.
  • the device 1 has a first tank 11.
  • the first tank 11 has an inner space 111, which is bounded by a wall.
  • the wall may for example consist of stainless steel, an aluminum alloy or a copper alloy or a plastic.
  • the wall may be a multi-layered one Have structure, for example, to achieve a particularly good or a particularly low heat conduction.
  • the interior 111 is accessible via a filling opening 116. Furthermore, the inner space 111 can optionally have a pressure relief valve 117, which discharges gases formed during the fermentation and / or via which a protective gas can be introduced, for example to carry out anaerobic fermentations in the inner space 111 of the first tank 11.
  • a pressure relief valve 117 which discharges gases formed during the fermentation and / or via which a protective gas can be introduced, for example to carry out anaerobic fermentations in the inner space 111 of the first tank 11.
  • the starting substrate 2 may for example be a mash, which is converted by alcoholic fermentation to an alcoholic drink ⁇ substrate 2.
  • the initial substrate 2 can be a fish or meat product, for example in the Her ⁇ position of raw sausage or Matjeshering.
  • the starting substrate 2 can be a pharmacologically active substance or be converted to such an active substance. The invention does not teach the use of a special starting substrate 2 as a solution principle.
  • the starting substrate may be moved by an optional stirrer 112.
  • agitator 112 may be in others
  • Embodiments of the invention also omitted.
  • a plate heat exchanger 113 is available for thermal coupling of the starting substrate with a latent heat storage material. This can also be omitted in other embodiments of the invention, as will be explained in more detail below with reference to Figures 2 to 7.
  • the plate heat exchanger 113 is connected by a supply line 115 to a second tank 12. Also, the second tank 12 includes an inner space 121. This is filled with a latent heat storage material 3.
  • the latent heat storage material 3 may be, for example, a fatty acid, a paraffin or a salt hydrate or contain such a material.
  • the latent heat storage material may contain 3 ⁇ other materials ⁇ example, a liquid as a carrier material or a synthetic ⁇ material for microencapsulation.
  • the latent heat storage material may be a granulate which may be dispersed in an oil or water.
  • the latent heat ⁇ storage material 3 is conveyed through an optional pump 118 via the pipe 115 into the plate heat exchanger 113. There, the latent heat storage material 3 can absorb heat energy from the starting substrate 2 or release heat to the starting ⁇ substrate. This prevents excessive heating due to the microbiologically active activity or the latent heat storage material 3 gives off heat energy to the starting substrate 2, so that an excessive drop in temperature is avoided, which could, for example, cause the microbiological activity is low and therefore the fermentation does not get started or takes too long.
  • an optional control and Re ⁇ gel means 4 is shown. This has two temperature sensors 41 and 42, which detect the temperature of the latent heat ⁇ storage material 3 and the temperature of réelleubs ⁇ trat 2 continuously. If the temperature difference is too large can be increased by closing the control valve 114 in the return line of the plate heat exchanger 113, the flow ⁇ resistance, so that a lesser part of the latent heat storage material 3 per unit time flows through the plate heat exchanger 113. As a result, then the cooling capacity or heating power of the latent heat storage material 3 can be increased or decreased.
  • the device 4 can also determine whether the latent heat store 3 is above its melting temperature or phase transition temperature. has warmed up and therefore has become ineffective. In this case, the device 4 may trigger an alarm or initiate countermeasures for overheating the starting substrate 2, for example, by activating an emergency cooling system with a compression refrigerator.
  • the device 4 as well as the control valve 114 and the pump 118 are optional.
  • the latent heat storage material 3 can revolve thermosyphonisch or permanently in contact with the starting substrate 2, so that a self-regulating cooling and heating of the off ⁇ gear substrate 2 is obtained.
  • the fermenter 1 is particularly simple and can be operated energy-saving and low maintenance.
  • FIG. 2 shows an embodiment, as the thermal coupling of the latent heat storage material and the output ⁇ substrate 2 can be performed.
  • the second tanks 12 are arranged in the interior 111 of the first tank 11. The transition from a second tank to a macroencapsulation is flowing. Is Wesent ⁇ Lich for this embodiment that the latent heat storage material ⁇ 3 is included so that it does not come into contact with the starting substrate to be fermented. This avoids contamination.
  • the contact surface of a plurality of second tank 12 is sufficiently large, however, so that a good heat ⁇ transition from the latent heat storage material 3 to the output ⁇ substrate is made possible in the interior 111th
  • the second tanks 12 have a wall which, on the one hand, permits good heat transfer and, on the other hand, provides an inert outer side so as not to contaminate the starting substrate 2.
  • the wall of the second tank 12 may be made of stainless steel.
  • the number of second tanks may be 1 to about 500. In other embodiments, the number of second tanks may be about 15 to about 100. In other embodiments, the number of second tanks may be from about 20 to about 80.
  • Figure 3 shows a second embodiment for the ther ⁇ mix coupling of the starting substrate 2 with the latent heat storage material ⁇ 3.
  • the first tank 11 and second tank 12 are in the embodiment illustrated side by side or one above the other.
  • a first heat exchanger 113 In the interior 111 of the first tank 11 is a first heat exchanger 113.
  • In the interior 120 of the second tank 12 is a second heat exchanger 123.
  • the heat exchanger can be designed as a plate heat exchanger or as a pipe register.
  • the first heat exchanger 113 and the second heat exchanger 123 are connected to each other via two pipes, so that a heat transfer medium can circulate in them. Thus, that can
  • Latent heat storage material in the second tank 12 release thermal energy to the heat transfer medium or absorb thermal energy.
  • the heated or cooled bathownichroism then circulates thermosyphonically or by unillustrated pumps through the first heat exchanger 113, where it in turn emits thermal energy to the starting substrate or absorbs energy.
  • FIG. 4 shows a third embodiment of the invention.
  • the inner space 111 of the first tank 11 has no heat exchanger.
  • a heat exchanger 123 is arranged in the interior of the second tank 12, which is connected via pipes to the first tank 11. This makes it possible to circulate the starting substrate to be fermented through the heat exchanger 123 and in this way to thermally couple it to the latent heat storage material 3 in the second tank 12. By increasing or decreasing the rotational speed can thus be additionally influenced the cooling ⁇ or heating power.
  • the phase transition temperature of the latent heat storage materials in the second tank 12 a self-regulation of the temperature of the starting substrate in the first tank 11 achieved.
  • FIG. 5 shows a fourth exemplary embodiment of the invention.
  • a first heat exchanger 113 is located in the interior 111 of the first tank 11.
  • the second tank 12 is filled with a latent heat storage material and a heat transfer medium.
  • the heat transfer medium is circulated through pipes in the first heat exchanger 113, so that thermal energy to be fermented with the off ⁇ can be replaced gear substrate.
  • the return line of the heat exchanger 113 opens in the second tank 12, where the heat transfer medium is in turn heated or cooled by the latent heat storage material.
  • the latent heat storage material ⁇ may be encapsulated so that it fills the volume of the second tank 12 only partially and to circulate the heat transfer medium in the verblei ⁇ reproduced intervals.
  • Figure 6 shows a fifth embodiment of the invention.
  • the fifth embodiment is constructed structurally similar to the fourth embodiment shown in FIG 5.
  • the latent heat storage material ⁇ 3 that this is the second tank entnom ⁇ men. This ensures that the latent heat storage Mate ⁇ rial, in the first heat exchanger 113 in thermal contact with the starting substrate in the interior 111 of the first tank 11 are placed, without contaminating the starting substrate.
  • the charged with thermal energy latent heat storage can then be returned via the return line in the second tank 12 and is here again for heating the substrate available.
  • Figure 7 shows a sixth embodiment of the inven ⁇ tion.
  • the first tank 11 is completely in the interior 121 of the second tank 12.
  • the intermediate space can then be filled with latent heat storage material 3 so that the starting substrate 2 to be fermented is in thermal contact with the latent heat storage material 3 throughout the fermentation via the boundary walls of the first tank 11.
  • This embodiment has the advantage that it is possible to dispense entirely with circulation pumps or similar energy-consuming devices.
  • FIG. 8 shows an exemplary sequence of a Fermenta ⁇ tion process. Shown are propagating and metabolic ⁇ selphasen of yeast cells during fermentation. The time in days is plotted on the abscissa. On the right ordinate is the sugar content in
  • Grams / liter the left ordinate indicates the number of yeast cells per milliliter.
  • Curve A shows the sugar content versus time
  • curve B shows the total yeasts versus time
  • curve C the number of live yeasts versus time.
  • the fermentation proceeds essentially in four periods, which are designated I, II, III and IV.
  • the first phase is the start-up phase, during which the added yeast cells adapt to the conditions and multiplication begins. In the example shown, the start-up phase takes about 1 day. This is followed by Phase II, in which there is an increase in the yeast cells up to a maximum value for four consecutive days. it
  • the last phase is the dying off phase, in which the increasing alcohol content leads to the death of the yeast cells.
  • sugar is converted into the metabolites of the yeasts, so that the sugar content continuously decreases.
  • the Hefezel ⁇ len multiply in Phase II, then in Phase III or less constant and take in the death phase again.
  • Figure 9 shows on the same scale on the abscissa, qualitative ⁇ tiv the resulting during fermentation amount of heat W and the Tem ⁇ peraturverlauf T.
  • increases with increasing number of the yeast cells and increased activity of these cells the amount of heat produced by the yeast and remains approximately constant at a high level during the main fermentation phase.
  • the dying phase the metabolic activity of the yeast cells decreases progressively, so that the amount of heat released decreases again.
  • Microorganisms such as the yeasts exemplified need an optimal temperature for active metabolism. Too high or too low temperature increases or delays the metabolism. In the example of an alcoholic fermentation, too warm fermentation temperatures lead to increased C0 2 production due to the increased metabolic activity, which permeates the medium and expels positive aromas, which are also less soluble at higher temperatures. Therefore, the temperature should be kept throughout the fermentation in the range shown in Figure 9 ⁇ .
  • the latent heat storage at the beginning of the fermentation process Due to the contact of the fermentation medium with the latent heat ⁇ storage material, the latent heat storage at the beginning of the fermentation process, with low metabolic activity of the yeasts heat the fermentation medium, so that the temperature rises rapidly to the desired value, which is given by the Schmelztempera ⁇ tur or phase change temperature of the latent heat storage material is.
  • the strong exothermic reaction in phase II and III does not lead to a further increase in Tempe ⁇ temperature, since the heat from the latent heat storage material is placed ⁇ taken.
  • the latent heat storage material is again heat to the Gärmedi ⁇ order, so that the temperature remains largely constant in phase IV. Only towards the end of the last fermentation phase, the amount of heat of the latent heat storage is no longer sufficient, so that the temperature drops again. At this time fermentation is however already completed so that this does not have adverse effect on the product quality more resul ⁇ advantage.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zur Produktion von fermentativ erzeugten Lebensmittelprodukten mit zumindest einem ersten Tank (11), welcher zur Aufnahme des zu fermentierenden Ausgangssubstrates (2) vorgesehen ist, und mit zumindest einer Einrichtung (3, 4) zur Steuerung und/oder Regelung der Temperatur (T) während der Fermentation, wobei die Einrichtung (3, 4) zumindest ein Latentwärmespeichermaterial (3) enthält, welches thermisch an das zu fermentierende Ausgangssubstrat (2) koppelbar ist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Produktion von fermentativ erzeugten Lebensmittelprodukten, bei welchem das zu fermentierende Ausgangssubstrat in den Innenraum (111) von zumindest einem ersten Tank (11) eingebracht wird, wobei während der Fermentation des Ausgangssubstrates durch Kontrolle der zu- oder abgeführten Wärmemenge eine Steuerung und/oder Regelung der Temperatur (T) erfolgt und das Ausgangssubstrat (2) zumindest während der Fermentation in thermischen Kontakt mit einem Latentwärmespeichermaterial (3) steht.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Produktion von fermentativ erzeugten Lebensmittelprodukten
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Produktion von fermentativ erzeugten Lebensmittelprodukten mit zumindest einem ersten Tank, welcher zur Aufnahme des zu fermentierenden Ausgangssubstrats vorgesehen ist und mit zumindest einer Einrichtung zur Steuerung und/oder Regelung der Temperatur während der Fermentation. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Produktion von fermentativ erzeugten
Lebensmittelprodukten, bei welchem das zu fermentierende Ausgangssubstrat in den Innenraum von zumindest einem ersten Tank eingebracht wird und während der Fermentation des Aus¬ gangssubstrats durch Kontrolle der zu- oder abgeführten Wärmemenge eine Steuerung und/oder Regelung der Temperatur erfolgt. Vorrichtungen und Verfahren der Eingangs genannten Art können zur Herstellung pharmazeutischer Wirkstoffe eingesetzt werden, beispielsweise Insulin, Hyaluronsäure, Streptokinase oder Penizillin. Weiterhin können Vorrichtungen und Verfahren der Eingangs genannten Art in der Lebensmittelproduktion verwendet werden, beispielsweise als alko¬ holische Gärung, in der Matj esreifung oder bei der Herstellung von Sojasoße oder Sauerkraut. Aus der DE 35 25 455 AI ist eine Vorrichtung und ein Verfahren der Eingangs genannten Art bekannt. Um die bei der
Fermentation herrschende Temperatur zu kontrollieren ist bei dieser bekannten Vorrichtung ein doppelwandiger Behälter vorgesehen, so dass im Zwischenraum zwischen beiden Wänden warmes oder kaltes Wasser eingebracht werden kann. Hierdurch kann Wärme aus dem Behälter in den Zwischenraum abgeführt werden oder aus dem Zwischenraum Wärme in den Innenraum des Behälters zugeführt werden. Die Zufuhr von kaltem oder warmem Wasser wird über ein Magnetventil geregelt, dessen Öffnungszeit durch ein Gärtemperatur-Regelgerät kontrolliert wird .
Diese bekannte Vorrichtung weist jedoch den Nachteil auf, dass insbesondere bei der großtechnischen Herstellung von Lebensmitteln oder Pharmazeutika große Energiemengen vonnö- ten sind, um die Temperaturführung zu gewährleisten. Erschwerend kommt hinzu, dass das zu fermentierende Ausgangs¬ substrat zu Beginn des Fermentationsprozesses oftmals zu kalt ist, d.h. das Ausgangssubstrat muss durch Energiezufuhr beheizt werden. Die Fermentation selbst ist jedoch eine exotherme Reaktion, so dass die Temperatur danach rasch ansteigt und eine Kühlung erforderlich wird. Gegen Ende der Fermentation nimmt die exotherm produzierte Wärme wieder ab, so dass erneut energieaufwändig geheizt werden muss. Weiter¬ hin können die beschriebenen Steuersysteme durch Versagen der Messwertgeber und/oder der Steuerventile ausfallen, so dass keine optimale Temperaturführung erfolgt. Dies kann dazu führen, dass ein minderwertiges Produkt erzeugt wird oder die Produktionscharge vollständig verworfen werden muss .
Ausgehend vom Stand der Technik liegt der Erfindung somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Produktion von fermentativ erzeugten Produkten anzugeben, welche die Produktion mit geringerem Energieeinsatz und größerer Zuverlässigkeit ermöglichen. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 9 gelöst.
Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung zur Produktion von fermentativ erzeugten Produkten bzw. eine Vorrichtung zur Produktion von fermentativ erzeugten Lebensmittelprodukten vorgeschlagen. Die Vorrichtung weist zumindest einen ersten Tank auf, welcher zur Aufnahme des zu fermentierenden Ausgangssubstrats vorgesehen ist. Unter einer Fermentation wird im Sinne der vorliegenden Erfindung die biologische Umwand¬ lung eines organischen Stoffes verstanden. Die Fermentation kann durch Enzyme, Bakterien, Pilze oder sonstige biologi¬ sche Zellkulturen erfolgen. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Fermentation eine alkoholische Gärung sein, welche beispielsweise zur Herstellung alkoholischer Getränke durchgeführt wird. Die Fermentation kann aerob oder anaerob durchgeführt werden.
Der erste Tank, welcher zur Aufnahme des zu fermentierenden Ausgangssubstrats vorgesehen ist, kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung eine zylindrische Grundform aufweisen. Der Tank kann ein Fassungsvermögen von etwa 50 Liter bis etwa 3000 Liter aufweisen. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die Größe des Tanks von etwa 200 Liter bis etwa 1500 Liter reichen. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die Größe des Tanks von etwa 50000 Liter bis etwa 200000 Liter reichen. Der Tank kann aus Aluminium, Edelstahl, einem Kunststoff oder einer Kupferlegierung gefertigt sein. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann der erste Tank eine mehrlagig aufgebaute Wand aufwei¬ sen, beispielsweise kann eine innere Edelstahlverkleidung auf einem Kupfergefäß aufgebracht sein. Dies ermöglicht eine gute Wärmeleitfähigkeit und gleichzeitig eine inerte Kon¬ taktfläche des zu fermentierenden Ausgangssubstrats mit der Behälterwand des ersten Tanks. Weiterhin wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, den ersten Tank mit einer Einrichtung zur Steuerung und/oder Regelung der Temperatur während der Fermentation zu verbinden. Erfindungsgemäß kann die Einrichtung zumindest einen zweiten Tank aufweisen, welcher ein Latentwärmespeichermaterial enthält, welches thermisch an das zu fermentierende Ausgangssubstrat koppelbar ist. Ein Latentwärmespeichermaterial im Sinne der vorliegenden Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass dieses Wärmeenergie bei konstanter Temperatur aufnehmen oder abgeben kann. Dies kann beispielsweise durch einen Fest- Flüssig-Phasenübergang des Latentwärmespeichermaterials erfolgen. Das Latentwärmespeichermaterial kann in einem zweiten Tank gelagert werden, so dass dieses bei der Fermentation des Ausgangssubstrats zur Verfügung steht. In einigen Ausführungsformen der Erfindung können selbstverständlich auch mehrere zweite Tanks und/oder mehrere erste Tanks zur Verfügung stehen, so dass die Leistungsfähigkeit und/oder die Ausfallsicherheit der Vorrichtung vergrößert ist.
Um eine Verunreinigung des fertigen Produktes bzw. des zu fermentierenden Ausgangssubstrats mit dem Latentwärme¬ speichermaterial zu vermeiden, koppelt dieses lediglich thermisch an das zu fermentierende Ausgangssubstrat an, ohne jedoch unmittelbar mit dem Ausgangssubstrat in Kontakt zu kommen. Eine solche thermische Kopplung kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass das Latentwärmespeichermaterial vom Ausgangssubstrat durch eine Trennwand separiert ist und/oder das Latentwärmespeichermaterial kann in Körnern bzw. Parti¬ keln mikro- oder makroverkapselt sein, so dass nur die
Körner bzw. Partikel mit dem Ausgangssubstrat in Kontakt kommen, nicht jedoch das in den Partikeln enthalten Latentwärmespeichermaterial. Solche Partikel können unmittelbar in den ersten Tank eingebracht sein.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung weisen dabei den Vorteil auf, dass im Fermenta- tionsprozess anfallende überschüssige Wärme vom Latentwärme- Speichermaterial aufgenommen wird. Da das Latentwärme¬ speichermaterial in der Lage ist, Wärme bei konstanter Tem¬ peratur aufzunehmen, steigt die Temperatur des Ausgangssubstrates nicht über die Schmelz- bzw. Arbeitstemperatur des Latentwärmespeichermaterials an. Wenn zu Beginn oder am Ende des Fermentationsprozesses die Temperatur des Substrats absinkt und dadurch die Aktivität der Enzyme bzw. Mikroorga¬ nismen reduziert ist, kann Wärme aus dem Latentwärme¬ speichermaterial in das Fermentationsprodukt bzw. in das Ausgangssubstrat zugeführt werden. Da es sich dabei um die während der Fermentation entstandene überschüssige Wärme handelt, kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung das Verfahren so geführt werden, dass keine zusätzliche thermi¬ sche Energie zu- oder abgeführt werden muss. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann der Aufwand an elektrisch oder fossil erzeugter Wärme reduziert sein, da die Temperaturunterschiede während verschiedener Phasen der Fermentation aufgrund des Latentwärmespeichermaterials geringer ausfallen.
Weiterhin weist die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren den Vorteil auf, dass das Latent wärmespeichermaterial bei einer vorgebbaren Übergangstempe¬ ratur bzw. einem vorgebbaren Übergangstemperaturbereich Wärme aufnimmt oder Wärme abgibt, ohne dass es einer elek¬ trischen oder elektronischen Regelung bedarf. Das mit dem Latentwärmespeichermaterial in Kontakt stehende Ausgangs¬ substrat wird auf einer konstanten Temperatur gehalten, solange das Latentwärmespeichermaterial genügend Wärme gespeichert hat, bzw. genügend überschüssige entstehende Wärme aufnehmen kann. Für die Funktion der Regelung kommt e somit lediglich auf eine hinreichende aktive Masse des
Latentwärmespeichermaterials und eine korrekt gewählte Über gangstemperatur an. Somit können elektronische oder mechani sehe Bauelemente eingespart werden, welche fehleranfällig, wartungsintensiv und teuer in der Anschaffung sind. In einigen Ausführungsformen kann der zumindest eine zweite Tank im Innenraum des zumindest einen ersten Tanks angeordnet sein. In diesem Fall steht das vom zweiten Tank nicht beanspruchte Teilvolumen des ersten Tanks zur Aufnahme des zu fermentierenden Ausgangssubstrats zur Verfügung. Da das Latentwärmespeichermaterial im zweiten Tank sicher einge¬ schlossen ist, ist eine Kontamination des Ausgangssubstrats mit dem Latentwärmespeichermaterial unmöglich. Gleichzeitig ergibt sich eine große Kontaktfläche, welche durch Verwen¬ dung mehrerer kleinerer zweiter Tanks noch vergrößert werden kann .
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann im Innenraum des ersten Tanks und/oder im Innenraum des zweiten Tanks ein Wärmetauscher angeordnet sein, welcher von einem Wärmeträgermedium durchströmbar ist. Der Wärmetauscher kann als Plattenwärmetauscher oder als Rohrregister ausgestaltet sein. Das Wärmeträgermedium kann durch zumindest eine Pumpe gefördert werden, welche einen beispielsweise elektrischen Antrieb aufweist. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann auf eine solche Pumpe verzichtet werden.
Das Wärmeträgermedium kann in einigen Ausführungsformen ein Alkohol, ein Wasser oder ein Öl sein oder enthalten. Durch Anpassen der Fördergeschwindigkeit bzw. der Durchflussrate kann die Wärmezufuhr bzw. die Wärmeabfuhr zusätzlich beein- flusst werden. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das Wärmeträgermedium ein Latentwärmespeichermaterial enthalten oder daraus bestehen. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das Latentwärmespeichermaterial, welches im Wärmetauscher zirkuliert, vom Latentwärmespeichermaterial im zweiten Tank verschieden sein. In diesen Fällen kann die pro Zeiteinheit übertragene Wärmeenergie gegenüber einem im Wärmetauscher zirkulierenden Öl, Alkohol oder Wasser vergrößert sein. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann das im Wärmetauscher zirkulierende Wärmeträgermedium das Latentwärmespeichermaterial aus dem zweiten Tank enthalten oder daraus bestehen. In diesen Fällen kann ein zweiter Wärmetauscher im Inneren des zweiten Tanks eingespart werden, und eine Teilmenge des im zweiten Tank vorhandenen Latentwärmespeichermaterials kann im Wärmetauscher mit dem zu fermentierenden Ausgangssubstrat in Kontakt gebracht werden. Der mit Wärme beladene Latentwärmespeicher wird dann in den zweiten Tank zurückgefördert.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das Wärmeträgermedium thermosyphonisch umlaufen. Da die Dichte eines abgekühlten Wärmeträgermediums größer ist als die Dichte eines erwärmten Wärmeträgermediums, kann bei entsprechender Wahl der Leitungsquerschnitte und der zu überwindenden
Höhenunterschiede ein Umlauf des Wärmeträgermediums allein aufgrund von thermischen Energien erzielt werden, so dass die zusätzliche Verwendung von Pumpen und damit der Einsatz von Hilfsenergie vermieden werden kann. Eine solche Vorrichtung kann besonders energieeffizient arbeiten.
In wiederum einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann im Innenraum des zweiten Tanks ein Wärmetauscher angeordnet sein, welcher von dem zu fermentierenden Ausgangssubstrat durchströmbar ist. In diesem Fall kann das Latentwärmespeichermaterial im zweiten Tank gelagert sein, wohingegen das zu fermentierende Ausgangssubstrat in einem Rohrregister oder einem Plattenwärmetauscher mit dem Latentwärmespeichermaterial in Kontakt gebracht wird. Auf diese Weise kann das Ausgangssubstrat auf eine vorgebbare Temperatur gebracht werden, ehe es in den ersten Tank gelangt oder wenn es aus dem ersten Tank entnommen wird. Selbstverständlich sind jedoch auch Ausführungsformen denkbar, bei welchen das Ausgangssubstrat zyklisch umläuft und auf diese Weise fortwäh¬ rend ein Teilvolumen in Kontakt mit dem Latentwärmespeichermaterial ist.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung weist das Latentwärmespeichermaterial eine Phasenübergangstemperatur von etwa 12° bis etwa 35° auf. In anderen Ausführungsformen der Erfindung weist das Latentwärmespeichermaterial eine Phasen¬ übergangstemperatur von etwa 15° bis etwa 25° auf. Im ge¬ nannten Temperaturbereich ist eine Vielzahl von Mikroorganismen lebensfähig, beispielsweise Hefen oder Bakterien. Gleichzeitig ist die Reaktionsdynamik hinreichend schnell, um eine wirtschaftliche Produktion zu ermöglichen. Andererseits ist die Reaktionsdynamik langsam genug, um qualitativ hochwertige Produkte zu erzeugen.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das Latentwärmespeichermaterial zumindest eine Fettsäure oder zumin¬ dest ein Paraffin oder zumindest ein Salzhydrat enthalten oder daraus bestehen. Insbesondere Paraffine und Fettsäuren eignen sich gut für die Mikroverkapselung und sind selbst reaktionsträge, so dass eine Degeneration erst nach längerem Einsatz zu beobachten ist. Weiterhin sind Paraffine und Fettsäuren nicht toxisch, so dass das Ausgangssubstrat selbst bei Verunreinigung mit dem Latentwärmespeichermate¬ rial nicht zwingend entsorgt werden muss. Salzhydrate weisen den Vorteil auf, dass diese nicht brennbar sind und eine große Schmelzenthalpie aufweisen. Somit können auch Fermentationsprozesse mit großem Wärmeanfall mit nur einer gerin¬ gen Menge von Latentwärmespeichermaterial thermisch stabili¬ siert werden.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Figuren ohne
Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedanken näher erläutert werden. Dabei zeigt
Figur 1 eine Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen Vorrichtung .
Figur 2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel für die thermi¬ sche Kopplung des Latentwärmespeichers mit dem Ausgangssubs¬ trat . Figur 3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel für die ther¬ mische Kopplung des Latentwärmespeichers mit dem Ausgangs¬ substrat .
Figur 4 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel für die ther¬ mische Kopplung des Latentwärmespeichers mit dem Ausgangs¬ substrat .
Figur 5 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel für die ther¬ mische Kopplung des Latentwärmespeichers mit dem Ausgangs¬ substrat .
Figur 6 zeigt ein fünftes Ausführungsbeispiel für die ther¬ mische Kopplung des Latentwärmespeichers mit dem Ausgangs¬ substrat .
Figur 7 zeigt ein sechstes Ausführungsbeispiel für die thermische Kopplung des Latentwärmespeichers mit dem Aus¬ gangssubstrat .
Figur 8 erläutert den Zeitablauf einer Fermentation.
Figur 9 zeigt den zeitlichen Temperatur- und Wärmeverlauf während der Fermentation.
Figur 1 zeigt schematisch den Aufbau einer Vorrichtung 1 zur Produktion von fermentativ erzeugten Produkten. Die Vorrichtung 1 kann somit auch als Fermenter bzw. als Teil eines Fermenters bezeichnet werden.
Die Vorrichtung 1 weist einen ersten Tank 11 auf. Der erste Tank 11 weist einen Innenraum 111 auf, welcher von einer Wandung begrenzt ist. Die Wandung kann beispielsweise aus Edelstahl, einer Aluminiumlegierung oder einer Kupferlegierung oder einem Kunststoff bestehen. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Wandung einen mehrschichtigen Aufbau aufweisen, beispielsweise um eine besonders gute oder eine besonders geringe Wärmeleitung zu erzielen.
Der Innenraum 111 ist über eine Einfüllöffnung 116 zugänglich. Weiterhin kann der Innenraum 111 optional ein Überdruckventil 117 aufweisen, welches bei der Fermentation entstehende Gase ablässt und/oder über welches ein Schutzgas eingelassen werden kann, beispielsweise um anaerobe Fermentationen im Innenraum 111 des ersten Tanks 11 durchzuführen.
Im Innenraum 111 befindet sich das zu fermentierte Ausgangs¬ substrat 2. Das Ausgangssubstrat 2 kann beispielsweise eine Maische sein, welche durch eine alkoholische Gärung zu einem alkoholischen Getränk umgesetzt wird. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann das Ausgangssubstrat 2 eine Fisch- oder Fleischware sein, beispielsweise bei der Her¬ stellung von Rohwurst oder Matjeshering. Schließlich kann das Ausgangssubstrat 2 ein pharmakologisch wirksamer Wirkstoff sein bzw. zu einem solchen Wirkstoff umgewandelt werden. Die Erfindung lehrt nicht die Verwendung eines speziellen Ausgangssubstrats 2 als Lösungsprinzip.
Das Ausgangssubstrat kann durch ein optionales Rührwerk 112 bewegt werden. Das Rührwerk 112 kann jedoch in anderen
Ausführungsformen der Erfindung auch entfallen.
Zur thermischen Kopplung des Ausgangssubstrats mit einem Latentwärmespeichermaterial steht ein Plattenwärmetauscher 113 zur Verfügung. Dieser kann in anderen Ausführungsformen der Erfindung auch entfallen, wie nachfolgend anhand der Figuren 2 bis 7 näher erläutert wird.
Der Plattenwärmetauscher 113 ist durch eine Zuleitung 115 an einen zweiten Tank 12 angeschlossen. Auch der zweite Tank 12 enthält einen Innenraum 121. Dieser ist mit einem Latentwärmespeichermaterial 3 befüllt. Das Latentwärmespeichermaterial 3 kann beispielsweise einen Fettsäure, ein Paraffin oder ein Salzhydrat sein oder ein solches Material enthalten. Daneben kann das Latentwärme¬ speichermaterial 3 weitere Materialien enthalten, beispiels¬ weise eine Flüssigkeit als Trägermaterial oder ein Kunst¬ stoffmaterial zur Mikroverkapselung . In diesem Fall kann das Latentwärmespeichermaterial ein Granulat sein, welches in einem Öl oder Wasser dispergiert sein kann.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird das Latentwärme¬ speichermaterial 3 durch eine optionale Pumpe 118 über die Rohrleitung 115 in den Plattenwärmetauscher 113 gefördert. Dort kann das Latentwärmespeichermaterial 3 Wärmeenergie aus dem Ausgangssubstrat 2 aufnehmen oder Wärme an das Ausgangs¬ substrat abgeben. Hierdurch wird eine übermäßige Erwärmung aufgrund der mikrobiologisch wirksamen Aktivität verhindert oder das Latentwärmespeichermaterial 3 gibt Wärmeenergie an das Ausgangssubstrat 2 ab, so dass ein übermäßiges Absinken der Temperatur vermieden wird, welches beispielsweise dazu führen könnte, dass die mikrobiologische Aktivität nur gering ist und daher die Fermentation nicht in Gang kommt oder übermäßig lange dauert.
Weiterhin ist in Figur 1 eine optionale Kontroll- und Re¬ geleinrichtung 4 gezeigt. Diese weist zwei Temperaturfühler 41 und 42 auf, welche die Temperatur des Latentwärme¬ speichermaterials 3 sowie die Temperatur des Ausgangssubs¬ trats 2 fortwährend erfassen. Sofern die Temperaturdifferenz zu groß ist kann durch Schließen des Regelventils 114 in der Rücklaufleitung des Plattenwärmetauschers 113 der Strömungs¬ widerstand erhöht werden, so dass ein geringerer Teil des Latentwärmespeichermaterials 3 pro Zeiteinheit durch den Plattenwärmetauscher 113 strömt. Hierdurch dann die Kühlleistung bzw. Heizleistung des Latentwärmespeichermaterials 3 vergrößert oder verringert werden. Optional kann die Ein¬ richtung 4 auch feststellen, ob der Latentwärmespeicher 3 oberhalb seiner Schmelztemperatur bzw. Phasenübergangstempe- ratur erwärmt wurde und daher wirkungslos geworden ist. In diesem Fall kann die Einrichtung 4 einen Alarm auslösen oder Gegenmaßnahmen zur übermäßigen Erwärmung des Ausgangssubstrats 2 einleiten, beispielsweise durch Aktivierung eines Notkühlsystems mit einer Kompressionskältemaschine.
Es ist jedoch darauf hinzuweisen, dass die Einrichtung 4 ebenso wie das Regelventil 114 und die Pumpe 118 optional sind. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann das Latentwärmespeichermaterial 3 thermosyphonisch umlaufen oder dauerhaft mit dem Ausgangssubstrat 2 in Kontakt sein, so dass sich eine selbstregelnde Kühlung und Heizung des Aus¬ gangssubstrats 2 ergibt. In diesem Fall ist der Fermenter 1 besonders einfach aufgebaut und kann energiesparend und wartungsarm betrieben werden.
Figur 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel, wie die thermische Kopplung des Latentwärmespeichermaterials und des Ausgangs¬ substrats 2 erfolgen kann. Beim Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 sind die zweiten Tanks 12 im Innenraum 111 des ersten Tanks 11 angeordnet. Der Übergang von einem zweiten Tank zu einer Makroverkapselung ist dabei fließend. Wesent¬ lich für diese Ausführungsform ist, dass das Latentwärme¬ speichermaterial 3 so eingeschlossen ist, dass dieses nicht mit dem zu fermentierenden Ausgangssubstrat in Kontakt kommt. Hierdurch wird eine Kontamination vermieden. Gleichzeitig ist die Kontaktfläche einer Mehrzahl von zweiten Tanks 12 jedoch hinreichend groß, so dass ein guter Wärme¬ übergang vom Latentwärmespeichermaterial 3 auf das Ausgangs¬ substrat im Innenraum 111 ermöglicht wird. In einigen Aus¬ führungsformen weisen die zweiten Tanks 12 eine Wandung auf, welche einerseits einen guten Wärmeübergang ermöglicht und andererseits eine inerte Außenseite zur Verfügung stellt, um das Ausgangssubstrat 2 nicht zu kontaminieren. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Wandung des zweiten Tanks 12 aus Edelstahl sein. In einigen Ausführungsformen kann die Anzahl zweiter Tanks 1 bis etwa 500 betragen. In anderen Ausführungsformen kann die Anzahl zweiter Tanks etwa 15 bis etwa 100 betragen. In anderen Ausführungsformen kann die Anzahl zweiter Tanks etwa 20 bis etwa 80 betragen.
Figur 3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel für die ther¬ mische Kopplung des Ausgangssubstrats 2 mit dem Latentwärme¬ speichermaterial 3. Der erste Tank 11 und der zweite Tank 12 sind im dargestellten Ausführungsbeispiel nebeneinander oder auch übereinander angeordnet. Im Innenraum 111 des ersten Tanks 11 befindet sich ein erster Wärmetauscher 113. Im Innenraum 120 des zweiten Tanks 12 befindet sich ein zweiter Wärmetauscher 123. Die Wärmetauscher können als Plattenwärmetauscher oder als Rohrregister ausgeführt sein. Der erste Wärmetauscher 113 und der zweite Wärmetauscher 123 sind über zwei Rohrleitungen miteinander verbunden, so dass ein Wärmeträgermedium in ihnen zirkulieren kann. Somit kann das
Latentwärmespeichermaterial im zweiten Tank 12 thermische Energie an das Wärmeträgermedium abgeben oder thermische Energie aufnehmen. Das erwärmte oder gekühlte Wärmeträgerme¬ dium zirkuliert dann thermosyphonisch oder durch nicht dargestellte Pumpen durch den ersten Wärmetauscher 113, wo es wiederum thermische Energie an das Ausgangssubstrat abgibt oder Energie aufnimmt.
Figur 4 zeigt eine dritte Ausführungsform der Erfindung. In diesem Fall weist der Innenraum 111 des ersten Tanks 11 keinen Wärmetauscher auf. Stattdessen ist ein Wärmetauscher 123 im Innenraum des zweiten Tanks 12 angeordnet, welcher über Rohrleitungen mit dem ersten Tank 11 verbunden ist. Dies erlaubt es, das zu fermentierende Ausgangssubstrat durch den Wärmetauscher 123 zu zirkulieren und auf diese Weise thermisch an das Latentwärmespeichermaterial 3 im zweiten Tank 12 zu koppeln. Durch Vergrößern oder Verringern der Umlaufgeschwindigkeit kann somit zusätzlich die Kühl¬ oder Heizleistung beeinflusst werden. Gleichzeitig wird durch die Phasenübergangstemperatur des Latentwärmespeicher- materials im zweiten Tank 12 eine Selbstregelung der Temperatur des Ausgangssubstrats im ersten Tank 11 erzielt.
Figur 5 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel der Erfindung. In der Ausführungsform gemäß Figur 5 befindet sich im Innenraum 111 des ersten Tanks 11 ein erster Wärmetauscher 113. Der zweite Tank 12 ist mit einem Latentwärmespeichermaterial und einem Wärmeträgermedium gefüllt. Das Wärmeträgermedium zirkuliert über Rohrleitungen im ersten Wärmetauscher 113, so dass thermische Energie mit dem zu fermentierenden Aus¬ gangssubstrat ausgetauscht werden kann. Die Rücklaufleitung des Wärmetauschers 113 mündet im zweiten Tank 12, wo das Wärmeträgermedium wiederum vom Latentwärmespeichermaterial erwärmt oder gekühlt wird. Hierzu kann das Latentwärme¬ speichermaterial verkapselt sein, so dass es das Volumen des zweiten Tanks 12 nur teilweise ausfüllt und in den verblei¬ benden Zwischenräumen das Wärmeträgermedium zirkulieren kann .
Figur 6 zeigt ein fünftes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das fünfte Ausführungsbeispiel ist strukturell ähnlich aufgebaut wie das vierte Ausführungsbeispiel gemäß Figur 5. Jedoch zirkuliert im Wärmetauscher 113 das Latentwärme¬ speichermaterial 3, welches hierzu dem zweiten Tank entnom¬ men wird. Auf diese Weise kann dass Latentwärmespeichermate¬ rial im ersten Wärmetauscher 113 in thermischen Kontakt mit dem Ausgangssubstrat im Innenraum 111 des ersten Tanks 11 gebracht werden, ohne das Ausgangssubstrat zu kontaminieren. Der mit thermischer Energie beladene Latentwärmespeicher kann dann über die Rücklaufleitung in den zweiten Tank 12 zurückgeführt werden und steht hier wieder zur Beheizung des Substrats zur Verfügung.
Figur 7 zeigt ein sechstes Ausführungsbeispiel der Erfin¬ dung. In diesem Fall befindet sich der erste Tank 11 vollständig im Innenraum 121 des zweiten Tanks 12. Der Zwischenraum kann dann mit Latentwärmespeichermaterial 3 ausgefüllt werden, so dass das zu fermentierende Ausgangssubstrat 2 während der gesamten Fermentation über die Begrenzungswände des ersten Tanks 11 mit dem Latentwärmespeichermaterial 3 in thermischen Kontakt steht. Diese Ausführungsform weist den Vorteil auf, dass auf Umwälzpumpen oder ähnliche Energie verbrauchende Einrichtungen vollständig verzichtet werden kann .
Figur 8 zeigt einen beispielhaften Ablauf eines Fermenta¬ tionsprozesses. Dargestellt sind Vermehrungs- und Stoffwech¬ selphasen von Hefezellen während einer alkoholischen Gärung. Der Zeitablauf in Tagen ist auf der Abszisse aufgetragen. Auf der rechten Ordinate ist der Zuckergehalt in
Gramm/Litern angegeben, auf der linken Ordinate ist die Anzahl der Hefezellen pro Milliliter angegeben. Kurve A zeigt den Zuckergehalt gegen die Zeit, Kurve B zeigt die Gesamthefen gegen die Zeit und Kurve C die Anzahl der Lebendhefen gegen die Zeit.
Die Gärung verläuft im Wesentlichen in vier Zeitabschnitten, welche mit I, II, III und IV bezeichnet sind. Die erste Phase ist die Anlaufphase, bei welcher sich die zugesetzten Hefezellen an die Bedingungen anpassen und die Vermehrung beginnt. Im dargestellten Beispiel dauert die Anlaufphase etwa 1 Tag. Daran schließt sich Phase II an, in welcher es während vier aufeinanderfolgenden Tagen zu einer Vermehrung der Hefezellen bis zu einem Maximalwert kommt. Daran
schließt sich eine Hauptgärphase von etwa sieben Tagen an. Die letzte Phase ist die Absterbephase, in welcher der zunehmende Alkoholgehalt zum Absterben der Hefezellen führt. Während der gesamten Vermehrung der Hefezellen kommt es zur Umwandlung von Zucker in die StoffWechselprodukte der Hefen, so dass der Zuckergehalt kontinuierlich sinkt. Die Hefezel¬ len vermehren sich in Phase II, sind dann in Phase III in etwa konstant und nehmen in der Absterbephase wieder ab. Figur 9 zeigt im gleichen Maßstab auf der Abszisse qualita¬ tiv die bei der Gärung entstehende Wärmemenge W und den Tem¬ peraturverlauf T. Wie aus Figur 9 ersichtlich ist, steigt mit zunehmender Anzahl der Hefezellen und zunehmender Aktivität dieser Zellen die von den Hefen produzierte Wärmemenge an und bleibt während der Hauptgärphase auf hohem Niveau in etwa konstant. In der Absterbephase wird die Stoffwechselak- tivität der Hefezellen zunehmend geringer, so dass auch die abgegebene Wärmemenge wieder sinkt.
Mikroorganismen wie die beispielhaft gezeigten Hefen benötigen zum aktiven Stoffwechsel eine optimale Temperatur. Eine zu hohe bzw. zu niedrige Temperatur steigert bzw. verzögert den Stoffwechsel. Im gezeigten Beispiel einer alkoholischen Gärung führen zu warme Gärtemperaturen durch die erhöhte Stoffwechselaktivität zu einer verstärkten C02-Produktion, welche das Medium durchgast und positive Aromen austreibt, welche bei höheren Temperaturen auch weniger löslich sind. Daher soll die Temperatur während der gesamten Gärung in den in Figur 9 gezeigten Bereich ΔΤ gehalten werden.
Durch den Kontakt des Gärmediums mit dem Latentwärme¬ speichermaterial kann der Latentwärmespeicher zu Beginn des Gärprozesses, bei geringer Stoffwechselaktivität der Hefen dem Gärmedium Wärme zuführen, so dass die Temperatur rasch auf den Sollwert ansteigt, welcher durch die Schmelztempera¬ tur bzw. Phasenwechseltemperatur des Latentwärmespeichermaterials gegeben ist. Die starke exotherme Reaktion in Phase II und III führt nicht zu einem weiteren Anstieg der Tempe¬ ratur, da die Wärme vom Latentwärmespeichermaterial aufge¬ nommen wird. Sobald die exotherme Reaktion wieder abnimmt und die produzierte Wärmemenge wieder geringer wird, gibt das Latentwärmespeichermaterial wieder Wärme an das Gärmedi¬ um ab, so dass die Temperatur auch in Phase IV weitgehend konstant bleibt. Erst gegen Ende der letzten Gärphase reicht auch die Wärmemenge des Latentwärmespeichers nicht mehr aus, so dass die Temperatur wieder absinkt. Zu diesem Zeitpunkt ist die Gärung aber ohnehin abgeschlossen, so dass hieraus keine negative Beeinflussung der Produktqualität mehr resul¬ tiert .
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die nachfolgenden Ansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Merkmale unterschiedlicher Ausführungsformen sind frei miteinander kombinierbar.

Claims

Ansprüche
1. Vorrichtung (1) zur Produktion von fermentativ erzeugten Lebensmittelprodukten mit zumindest einem ersten Tank (11), welcher zur Aufnahme des zu fermentierenden Ausgangssubstrates (2) vorgesehen ist, und mit zumin¬ dest einer Einrichtung (3, 4) zur Steuerung und/oder Regelung der Temperatur (T) während der Fermentation, dadurch gekennzeichnet, dass
die Einrichtung (3, 4) zumindest ein Latentwärme¬ speichermaterial (3) enthält, welches thermisch an das zu fermentierende Ausgangssubstrat (2) koppelbar ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass diese zumindest einen zweiten Tank (12) aufweist, welcher das Latentwärmespeichermaterial (3) enthält und/oder
dass das Latentwärmespeichermaterial (3) mikrover- kapselt ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine zweite Tank (12) im Innenraum (111) des ersten Tanks (11) angeordnet ist oder
dass der zumindest eine erste Tank (11) im Innenraum (111) des zweiten Tanks (12) angeordnet ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Innenraum (111) des ersten Tanks (11) und/oder im Innenraum (121) des zweiten Tanks (12) ein Wärmetauscher (113, 123) angeordnet ist, welcher von einem Wärmeträgermedium durchströmbar ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeträgermedium ein Latentwärmespeichermate¬ rial enthält oder daraus besteht.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeträgermedium thermo- syphonisch umläuft.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Innenraum (121) des zweiten Tanks (12) ein Wärmetauscher (123) angeordnet ist, wel¬ cher von dem zu fermentierenden Ausgangssubstrat (2) durchströmbar ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Latentwärmespeichermaterial (3) eine Phasenübergangstemperatur von etwa 12°C bis etwa 35°C aufweist oder
dass das Latentwärmespeichermaterial (3) eine Phasen¬ übergangstemperatur von etwa 15°C bis etwa 25°C auf¬ weist oder
dass das Latentwärmespeichermaterial (3) zumindest eine Fettsäure oder zumindest ein Paraffin oder zumindest ein Salzhydrat enthält oder daraus besteht.
9. Verfahren zur Produktion von fermentativ erzeugten Produkten, bei welchem
das zu fermentierende Ausgangssubstrat in den In¬ nenraum (111) von zumindest einem ersten Tank (11) eingebracht wird, und
während der Fermentation des Ausgangssubstrates durch Kontrolle der zu- oder abgeführten Wärmemenge eine Steuerung und/oder Regelung der Temperatur (T) erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass
das Ausgangssubstrat (2) zumindest während der Fermentation in thermischen Kontakt mit einem Latentwärmespeichermaterial (3) steht.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass dem Latentwärmespeichermaterial (3) im ersten Drittel des Zeitbedarfs der Fermentation zumindest zeitweilig Wärme aus dem Ausgangssubstrat zugeführt wird und im letzten Drittel des Zeitbedarfs der Fermen- tation zumindest zeitweilig Wärme vom Latentwärme¬ speichermaterial (3) in das Ausgangssubstrat (2) zuge¬ führt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturregelung ohne Einsatz elektrischer oder elektronischer Regelungseinrichtungen erfolgt .
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Latentwärmespeichermate¬ rial (3) ohne zufuhr von Hilfsenergie mit dem Ausgangs¬ substrat (2) in Kontakt gebracht wird.
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