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Gärvorrichtung zur kontinuierlichen Herstellung von Hefe Die bisher
benutzten Gärvorrichtungen bestanden meist aus einem oder mehreren miteinander verbundenen
Gärgefäßen großen Fassungsvermögens oder Gärgefäßen, die so unterteilt waren, daß
sich bestimmte Abschnitte ergaben, die von der Gärflüssigkeit unter Zuführung von
Nährstoffen und Luft nacheinander durchflossen wurden. Auch bei kontinuierlich durchgeführten
Gärverfahren wurden grundsätzlich ähnliche Vorrichtungen verwendet. Bei diesen Gärvorrichtungen
waren meistens Rührvorrichtungen notwendig. Die Strömungsgeschwindigkeit in diesen
bekannten Gärvorrichtungen war häufig nicht besonders groß, und es konnten Akkumulationen
von Mikroorganismen entstehen, durch die Infektionen begünstigt wurden.
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Um eine möglichst hohe Ausbeute an Hefe, bezogen auf die Menge an
verwendeten Kohlenhydrat, zu erhalten, muß ein sehr großes Volumen an Luft durch
die Mischung geleitet werden, z. B. etwa 15 000 ms je erhaltene Tonne an Hefe. Die
Verwendung und Handhabung einer derartig großen Menge Luft macht nun Schwierigkeiten,
z. B. wegen der Größe der Gefäße, dem Schäumen des Gärmediums usw. Diese Schwierigkeiten
können durch Verwendung von reinem Sauerstoff oder von Gasen, die einen hohen Gehalt
an Sauerstoff besitzen, behoben werden.
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Die vorliegende Erfindung betrifft nun eine Gärvorrichtung besonderer
Konstruktion, durch die insbesondere unter Verwendung von reinem Sauerstoff gearbeitet
werden kann und die genannten Nachteile ausgeschaltet bzw. Vorteile gegenüber den
bekannten Gärvorrichtungen erzielt werden, wie dies weiter unten noch näher beschrieben
ist.
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Die erfindungsgemäße Gärvorrichtung zur kontinuierlichen Herstellung
von Hefe mit in Abschnitte geteiltem Gärungsbehälter und angeschlossenem Reifungsbehälter,
Einrichtungen zur Zufuhr von Nährstoffen und Sauerstoff oder sauerstoffhaltigen
Gasen und zum Ableiten von Abgasen sowie zum Reinigen derselben ist nun dadurch
gekennzeichnet, daß der Gärungsbehälter rohrförmig ausgebildet ist, die Einrichtungen
zur Zufuhr von Nährstoffen und Sauerstoff oder sauerstoffhaltigen Gasen und zum
Ableiten von Abgasen in Abständen voneinander am Gärungsbehälter angeordnet sind
und die Reinigungs-oder Waschvorrichtung zur Reinigung der Abgase an die Versorgungsleitung
für Sauerstoff oder sauerstoffhaltige Gase angeschlossen ist.
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Die erfindungsgemäße Gärvorrichtung besitzt vorzugsweise die Form
einer verhältnismäßig langen Rohrleitung. Die genaue Länge der Vorrichtung hängt
in der Hauptsache von ihrem Durchmesser und der gewünschten Menge an herzustellender
Hefe ab. Auf Grund ihrer beträchtlichen Länge wird die Rohrleitung zur Verminderung
des benötigten Raumbedarfs zweckmäßigerweise mit einigen Windungen versehen, indem
sie z. B. spiralförmig aufgewickelt wird, wodurch eine verhältnismäßig dichte Struktur
erzielt wird.
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Zur Erleichterung der Herstellung und der Reinigung besitzt das Rohr
vorzugsweise einen kreisförmigen inneren Querschnitt; es können jedoch auch Vorrichtungen
mit anderem Querschnitt verwendet werden.
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Wie weiter unten näher beschrieben, kann das Rohr einen konstanten
Durchmesser von etwa 15 bis 50 cm besitzen; es kann jedoch auch ein Rohr verwendet
werden, dessen Durchmesser sich in der Fließvorrichtung des hefehaltigen Mediums
erweitert.
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Die neue Gärvorrichtung ist in Abschnitte eingeteilt, die zum Durchtritt
des hefehaltigen Mediums miteinander in Verbindung stehen. Diese Abschnitte werden
zweckmäßigerweise durch Rohre geringerer Dicke, die gegebenenfalls ein sich nur
nach einer Seite öffnendes Ventil aufweisen, oder durch ein System von Prallwänden
od. dgl. voneinander getrennt, wodurch verhindert wird, daß sich das in einem Abschnitt
befindliche hefehaltige Medium mit den in
den danebenliegenden Abschnitten
befindlichen Medium vermischt, bis es in der vorgesehenen Fließrichtung durch den
Behälter in den nächsten Abschnitt eintritt.
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Durch den Einbau von Ventilen, Prallwänden, Pumpen oder Rohren geringerer
Dicke wird die Bildung einer Wirbelströmung der Flüssigkeit in der Gärvorrichtung
erleichtert, was sehr wichtig ist, um die Hefezellen mit den Nährstoffen und dem
Sauerstoff in Berührung zu bringen.
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Wenigstens die Mehrzahl der einzelnen Abschnitte ist mit öffnungen
oder Einspritzdüsen versehen, durch welche die Nährstofflösungen und der Sauerstoff
in die Abschnitte eingeführt werden können.
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Wird, wie es bevorzugt wird, Sauerstoff verwendet, so ist die benötigte
Gasmenge, verglichen mit der benötigten Luftmenge, beträchtlich vermindert und beträgt
z. B. nur ein Sechsundsechzigstel des erforderlichen Volumens an Luft. Auf diese
Weise kann mit kleineren Gärvorrichtungen gearbeitet werden.
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Bei Verwendung von Sauerstoff kann die neue Gärvorrichtung daher nahezu
vollständig mit dem Nährmedium gefüllt werden, welches dann unter fortschreitender
Gärung in einem kontinuierlichen Strom durch die Vorrichtung geleitet wird. Der
Sauerstoff und die Nährflüssigkeiten können dem Medium an einer beliebigen Anzahl
von geeigneten Punkten in den Abschnitten, durch die das hefehaltige Medium fließt,
zugeführt werden.
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Da der Sauerstoff vorzugsweise bei Überdruck in die Abschnitte eingeführt
wird, muß der Behälter so fest sein, daß er diesen Druck aushält.
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Um den Sauerstoff, der kostspieliger als Luft ist, möglichst vollständig
auszunutzen, wird das durch das Medium geleitete, nicht verbrauchte Gas aus der
Gärvorrichtung abgezogen, zur Entfernung des Kohlendioxyds gewaschen und erneut
in das Medium eingeführt. In diesen Fällen kann ein geringer positiver Druck benötigt
werden, um den Widerstand gegenüber dem Gasfluß in den Waschanlagen zu überwinden;
dies kann durch den Druck bewirkt werden, bei welchem der Sauerstoff in das Medium
eingeführt wurde, es ist jedoch auch möglich, den Sauerstoff aus der Vorrichtung
in die Waschanlage zu pumpen.
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Der nichtverbrauchte Sauerstoff zusammen mit CO2 und anderen Nebenprodukten
kann durch jedes geeignete Mittel zwischen den einzelnen Abschnitten aus dem Behälter
entfernt werden; es können z. B. Räume mit größerem Querschnitt (kugelförmige Räume)
zwischen den einzelnen Abschnitten des Behälters vorgesehen werden, in denen ein
verminderter Druck aufrechterhalten und das Oberflächen-Volumen-Verhältnis der Flüssigkeit,
verglichen mit dem in den Abschnitten herrschenden Verhältnis, erhöht ist und aus
denen die gelösten Gase in die Waschanlagen geleitet werden. Eine andere Möglichkeit
besteht darin, daß zwischen den Abschnitten Pumpen, z. B. übliche Entlüftungspumpen,
durch die Flüssigkeiten und Gase aus einer Mischung getrennt werden können, vorgesehen
werden. Die Flüssigkeit wird dann in Fließrichtung in den nächsten Abschnitt geleitet,
während die Gase vor der Wiederverwendung zur Reinigung in die Waschanlagen gebracht
werden.
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Die Abschnitte der Gärvorrichtung werden ständig unter geeigneten
Bedingungen gehalten, wie z. B. Nährstoffzufuhr, Hefekonzentration, pH-Wert, Temperatur,
Wachstumsmodul und Geschwindigkeit der Sauerstoffzufuhr, die zur Herstellung von
Hefe einer handelsüblich anehmbaren Qualität benötigt werden; die Hefezellen werden
diesen Bedingungen bei ihrem Durchströmen durch die einzelnen Abschnitte ausgesetzt,
bevor sie gewonnen werden. Je größer die Anzahl der unter geregelten Bedingungen
gehaltenen Abschnitte ist, um so besser lassen sich das Wachstum und die Qualität
der Hefe regeln.
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Die Nährstoffe und das gegebenenfalls benötigte Wasser werden vorzugsweise
zugegeben, indem man sie z. B. durch Öffnungen oder Einspritzdüsen am Anfang des
Abschnittes einführt, um die Wachstumsbedingungen der Hefe in diesem Abschnitt zu
regeln.
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Das Volumen des durch die Gärvorrichtung fließenden hefehaltigen Mediums
nimmt natürlich auf Grund des Wachstums der Hefe und der gegebenenfalls zugegebenen
Nährstofflösungen und des Wassers zu; soll daher die gleiche Verweilzeit für alle
Abschnitte beibehalten werden, so muß das Volumen der Abschnitte in der Fließrichtung
des Mediums zunehmen. Dies kann entweder dadurch erzielt werden, daß man bei Verwendung
von Rohren mit gleichbleibendem Querschnitt die Länge der einzelnen Abschnitte vergrößert,
oder indem man Abschnitte mit größerem Querschnitt verwendet. Erfolgt das Wachstum
der Hefe nach einem Exponentialgesetz, so muß das Volumen der Abschnitte in diesem
Falle ebenfalls exponential zunehmen.
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Andererseits kann die Gärvorrichtung auch mit Abschnitten von gleichbleibender
Länge und Querschnitt versehen sein, wodurch natürlich die Verweilzeit der Hefe
in den einzelnen Abschnitten in Fließrichtung abnimmt.
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Zur Herstellung einer Hefe von guter, handelsüblicher Qualität ist
es üblich, eine »Reifungsstufe« vor der Gewinnung einzuschieben. Hierbei wird z.
B. während etwa 1 bis 2 Stunden die Zuführung von Sauerstoff vermindert oder ganz
eingestellt bzw. die Zuführung von Nährstoffen vermindert oder ganz eingestellt.
Erfindungsgemäß ist hierfür ein zusätzlicher Abschnitt vorgesehen, der so groß ist,
daß die erforderliche Verweilzeit gewährleiset ist.
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Am Ende der Gärvorrichtung werden Mittel vorgesehen, um das hefehaltige
Medium kontinuierlich aus der Reifungsstufe abzuziehen. Diese Mittel können aus
einer öffnung oder einem Ventil und einer Rohrleitung, die zur Gewinnungsstufe führt,
oder aus einer Pumpe od. dgl. bestehen. Die Mittel sollten so beschaffen sein, daß
die Fließgeschwindigkeit des hefehaltigen Mediums aus der Reifungsstufe in die aus
einer Zentrifuge oder einer Filtriervorrichtung bestehende Gewinnungsstufe geregelt
werden kann.
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Die Gärung in der erfindungsgemäßen Gärvorrichtung kann eingeleitet
werden, indem Hefe und Nährmedium in den ersten Abschnitt der Vorrichtung eingeführt
und darauf Nährstoffe und Sauerstoff zu diesem Abschnitt zugegeben werden, um das
Wachstum der Hefe bis zur vorherbestimmten Konzentration und Volumen zu bewirken.
Darauf erfolgt die kontinuierliche Überleitung des Mediums in den nächsten Abschnitt,
wo das Verfahren wiederholt wird, während die gewünschte Konzentration der Zellen
und das gewünschte Volumen an Medium im ersten Abschnitt aufrechterhalten wird.
Dieses Verfahren wird in allen übrigen Abschnitten der Vorrichtung
wiederholt,
bis die Reifungsstufe erreicht worden ist.
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Wenn alle Gärungsabschnitte mit konstantem Volumen und konstanter
Konzentration an Zellen arbeiten, beginnt das kontinuierliche Abziehen des hefehaltigen
Mediums aus der Reifungsstufe, und zwar mit einer solchen Geschwindigkeit, daß die
Konzentration der Zellen und das Volumen des Mediums in den davorliegenden Abschnitten
aufrechterhalten wird.
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Das System kann jedoch auch vollständig aus einem gesonderten Gärbehälter
gefüllt werden, der genügend hefehaltiges Medium enthält, um die erfindungsgemäße
Gärvorrichtung innerhalb kurzer Zeit zu füllen, worauf die Nährstoffe und der Sauerstoff
in die gefüllten Abschnitte eingeleitet werden und das kontinuierliche Verfahren
beginnt.
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Die Hefe kann in üblicher Weise, wie z. B. durch Filtration und/oder
Abtrennung durch eine Zentrifuge, gewonnen werden.
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Wie bereits erwähnt, hängt die Länge der Gärvorrichtung zum Teil von
dem Durchmesser der Vorrichtung und von der gewünschten Ausbeute ab. Andere Faktoren,
die die Größe der Vorrichtung bestimmen, sind die Konzentration der Hefezellen im
hefehaltigen Medium und die stündliche Wachstumsgeschwindigkeit K der Hefe, falls
eine vorherbestimmbare Ausbeute benötigt wird.
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Wird z. B. eine Vorrichtung mit einem Durchmesser von 50 cm und einem
konstanten Querschnitt verwendet, der bei Arbeitsbedingungen von 100 g Hefe je Liter
Medium und einer stündlichen Wachstumsgeschwindigkeit von 1,20 je Stunde 1000 kg
Hefe liefern soll, so muß das Gefäß KOOO - kg oder 5000 kg Hefe enthalten, um die
benötigte Menge Hefe je Stunde liefern zu können.
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Da die Hefekonzentration 100 g je Liter beträgt, muß das Volumen des
Mediums in der Vorrichtung 50 0001 betragen, damit die erforderliche Menge an an
Hefe im Medium anwesend ist.
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Da der Durchmesser der Vorrichtung 50 cm beträgt und das Volumen der
Vorrichtung wenigstens 50 0001 sein soll, kann die Mindestlänge L der Vorrichtung
durch die folgende Gleichung bestimmt werden:
L cm = 50 000 000 cm-, L = 25 500 cm - 255 m. Auf Grund der großen Oberfläche der
Vorrichtung im Verhältnis zum Volumen des Mediums ist die Kühlung leichter durchführbar
als bei den bekannten Gärvorrichtungen; so sind z. B. Kühlmäntel um einige der Abschnitte
der Vorrichtung durchaus ausreichend.
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Die Zeichnungen dienen zur Erläuterung der vorliegenden Erfindung,
und zwar zeigt F i g. 1 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Gärvorrichtung,
bei welcher die Abschnitte das gleiche Volumen aufweisen, und F i g. 2 einen Querschnitt
durch eine kugelförmige Vorrichtung zum Abziehen des Gases zwischen zwei Abschnitten.
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Die Betriebsweise der in F i g. 1 gezeigten Gärvorrichtung ist folgendermaßen:
Man läßt die Hefe in einem üblichen Gärbehälter 1 wachsen, bis ein vorherbestimmtes
Volumen des Mediums, welches eine vorherbestimmte Menge an Hefe enthält, anwesend
ist. Das hefehaltige Medium wird dann in den ersten Abschnitt 2 der Gärvorrichtung
und durch die Vorrichtung 3 zum Abziehen des Gases und von dort durch alle weiteren
Abschnitte und Vorrichtungen zum Abziehen des Gases geleitet, bis die Gärvorrichtung
praktisch gefüllt ist. Darauf wird die Pumpe 5 mit Sauerstoff beliefert und dieser
durch die Leitung 6 am Anfang jeden Abschnittes eingeführt. Die flüssigen Nährlösungen
werden durch die Leitungen 7 in die Abschnitte geleitet. Es werden Vorkehrungen
zur Variierung der Zuführungsgeschwindigkeit des Sauerstoffes und der Nährstoffe
zum Abschnitt 4 vorgesehen, der als Reifungsstufe dient.
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Aus dem hefehaltigen Medium wird das Gas durch die Leitungen 8 aus
den Gasabzugsvorrichtungen entfernt und in die Waschanlage 9 geleitet, wo es von
den Verunreinigungen, wie z. B. Kohlendioxyd, befreit wird.
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Der gereinigte Sauerstoff aus der Waschanlage wird dann erneut der
Pumpe 5 zugeführt und von dort aus durch die Leitungen 6 in die Abschnitte zurückgepumpt.
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Das hefehaltige Medium wird kontinuierlich durch das Ventil 10 abgelassen
und in die Gewinnungsstufe 11, die aus einer Zentrifuge oder einer Filtriervorrichtung
besteht, geführt.
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Die Geschwindigkeit, mit welcher das hefehaltige Medium durch das
Ventil 10 in die Gewinnungsstufe geführt wird, wird so geregelt, daß ein
konstantes Volumens des Mediums und eine konstante Konzentration der Hefezellen
in den Abschnitten der Gärvorrichtung aufrechterhalten wird.
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Gemäß F i g. 2 tritt das hefehaltige Medium aus dem Abschnitt 14 in
die Gasabzugsvorrichtung 13 ein und steigt bis zur Höhe 15 der zum nächsten
Abschnitt führenden Leitung 16. Da sich die Oberfläche des Mediums vergrößert, wenn
es vom Abschnitt 14
in die Gasabzugsvorrichtung 13 eintritt, werden gelöste
Gase, in der Hauptsache Sauerstoff und Kohlendioxyd, aus der Flüssigkeit freigesetzt
und durch die Leitung 17 in die Waschanlage geführt, wo die Verunreinigungen, wie
Kohlendioxyd und Aldehyde, aus dem Sauerstoff entfernt werden.
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Durch die vorliegende Erfindung ist es möglich, die sonst in Gärgefäßen
übliche Akkumulation von eine Infektion fördernden oder bewirkenden Mikroorganismen
in erheblichem Maße zu vermindern, wenn nicht gar auszuschalten, da durch die rohrförmige
Konfiguration des Gärgefäßes verhältnismäßig hohe lineare Geschwindigkeiten des
durchfließenden Mediums möglich sind. Auf diese Weise werden derartige Akkumulationen
bereits im Entstehen durch das fließende Medium weggespült. Die hohe :Fließgeschwindigkeit
bewirkt auch eine beträchtliche Turbulenz in der Flüssigkeit, und es können so teuere
Rührvorrichtungen eingespart werden. Die Reinigung der Gärvorrichtungen durch Dampfsterilisation
bei hohem Druck ist bei den erfindungsgemäßen Gärgefäßen wesentlich einfacher als
bei den üblicherweise verwendeten Gefäßen, wobei durch die Form des neuen Gärgefäßes
auch eine Explosionsgefahr erheblich vermindert wird.
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Wird, wie bevorzugt, die Gärung in an sich bekannter Weise mit reinem
Sauerstoff an Stelle von Luft durchgeführt, so wird der für das Gas notwendigerweise
zur Verfügung stehende Raum auf ein Fünftel vermindert, und die Größe der Gärvorrichtung
kann
vermindert werden. (Da bei der Verwendung von reinem Sauerstoff jedoch dessen Partialdruck
viel größer ist als bei Verwendung von Luft und da die Diffusionsgeschwindigkeit
sowohl in der Flüssigkeit als auch in den Hefezellen wesentlich erhöht ist, kann
das verwendete Volumen - wie bereits oben beschrieben - noch weiter verringert werden.)
Außerdem ergeben sich dann auch noch die beim Arbeiten mit Sauerstoff an sich bekannten
Vorteile. So können z. B., da Sauerstoff praktisch steril ist, die sonst üblichen
Filtervorrichtungen für die zugeführte Luft entfallen, und es kann mit höheren Hefekonzentrationen
(z. B. Hefekonzentrationen von mehreren 100 g/1) gearbeitet werden.
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Da die erfindungsgemäße Gärvorrichtung es ermöglicht auch unter Druck
zu arbeiten, so daß zur Atmosphäre eine Druckdifferenz vorliegt, wird die Gefahr
einer Infektion von außen wesentlich vermindert werden.