DE1767319A1

DE1767319A1 - Verfahren und Vorrichtung zur kontinuierlichen Vergaerung

Info

Publication number: DE1767319A1
Application number: DE19681767319
Authority: DE
Inventors: G Prof Dr-Ing Gorbach
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1967-05-19
Filing date: 1968-04-25
Publication date: 1971-11-25
Also published as: CH544146A; FR1563514A; DE1767319B2; AT271357B; GB1206886A

Description

PATENTANWÄLTE DR.-1NG. WOLFRAM BUNTE D — 8OOO MÖNCHEN JB, HAYDNSTRAS8E S. FERNRUF (0811) B3 47 IZ

Hünchen, den 25. april 1968 M/9120

Verfahren und Vorrichtung zur kontinuierlichen Vergärung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur kontinuierlichen Vergärung von S" ähr subs trat en durch I-iikoorganisrten wie Bakterien, Hefen oder Schimnelpilsen nittels eines S¹. ernenters ijOvvie eine Vorrichtung ntir ^!"rollführung dieses Verfahrens.

Schon seit langer v/erden nikroorganisnen, wie i'ilse, Hefen oder Bakterien, in geeigneten G-efassen, Bottichen oder geschlossenen Behältern rait oder ohne lüftung, mit oder ohne Rührwerk, als Gberfläciienkultüren oder cubners als Riuirkultüren gezüchtet. -Bei diesen diskontinuierlichen Prozessen haufen sich die zum Seil gewünschten 3toffv;eohselprodukte, v;ie z.3. Alkohol, Essigsäure, Zitronensäure, antibiotika u. dgl. mehr oder unerwünschte b:,w_# das -achstua alsbald hemmende Sooffwechselprodukte an, die zu einem Stillstand des ·..achstums und durch eine ü.utolyse auch zur Verminderung des erhaltenen Mikrobenmatsrials bzw. zur Verminderung der Konzentration der erwünschten Stoffwechselprodukte führen·

oeit einiger Zeit ist nan aus diesen Gedanken heraus zur kontinuierlichen Züchtung übergegangen, die darauf beruht, dass das ITährmedium ständig erneuert und entsprechend ver-

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wertet mit den Liikroorganisnen stetig abgeführt .vird, v/odurch die obengenannten, das '..achstum und die otofi'wechselvorgänge hemmenden Faktoren weitgehend ausgeschaltet sind.

Das Ziel der Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, die den .Wirkungsgrad der Vergärung unter besserer ausnutzung der kostenverursaci.enden 1-ahrmejüi'en vergrössern.

ITeben den Verfahren mit geschlossenen Bottichen und liluirwcrhen, v/ie sie derneit für das kontinuierliche Verfahren auch üblich sind, hat es nicht an Bestrebungen gefehlt, diese Behälter '.arch horizontale l'romr.ieln, die mit Prellplatten oder üippen zur Erhöhung der I/ürchr-isehun·:: von ITä^rlcsung und --ikroben versehen sind, zu ersetzen. Sin solches "single-stage"-Vsrfahren ist Gegenstand eines französischen bzw. britischen Patentes (Hr. 29912/5O vom Dezember 195^), bei der. in entsprechend grosce, teilweise mit der Nährlösung gefüllte -Behälter die Mikroorganismen eingeimpft und der otoffwechsolumsatz üurcn e.ine mcglichst intensive Mischung zu fördern versucht wird. Im Inneren der Trommel werden für liesen Zweck noch weitere offene Zylinder angeordnet, die sich im gleichen oder verschiedenen Sinne dreiien.

Demgegenüber ist das neue Verfahren ein "multistage"-Verfahren. Erfindungsweeentlich für das neue Verfahren zur kontinuierlichen Vergärung von ^ährsubstraten durch Mikroorganismen, v;ie Bakterien, Hefen und Schimmel pil ζ eh, mittels eines J'ermenters, ..obei die Nährlösung ständig in den Fermenter eingelassen und die mehr oder minder verbrauchte verlorene Nährlösung mit den durch das '..'achstum vermehrten i-iikroorranismen in -leichem LIar.se lurch einen einstellbaren überlauf abgeführt wird, und als i'ar-'.enter

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ein i.iO'1⁷, reiches mit Kischvorrichtujvrcn ausgestattet ist, oder ichrcra gleichartige solche Jrtolire hintereinanäer^esehaltet verwendet '..erden und gegebenenfalls nit Luft oder Inertgas belüftet und/oder temperiert .vird ist die Islassnahne, dass in an sich bekannter ..eise eine dynamische Vergärung herbeigeführt ■.vird, wobei als Ferment er ein feststehendes Horizontales oder zur Erlan 'ung einer bestimmten l^?liessgeschv;indigkeit des ^ährlösuiig— iiikroben-G-emisches leicht geneigtes Rohr nit einer mischvorrichtung cient, welche aus

a) einer um eine horizontale äc.ise beweglichen Rührvorrichtung oder

b) Se-jlitzen oder Sinterplatten, die entlang einer Erzeugenden des itohres ungeordnet sind, und durch weiche Preßluft in das So'.r eingeblasen wird, besteht, und gegebenenfalls für die

Zu- und iib'uhr von Luft bcvv. Inertgas gesorgt wird·

Die Betonung liegt bei der vorliegenden irfindung auf den A einer Dünnschicht über iie ranse L^ze der Eöiiren, wobei die vorliegende Erfindung noch dadurch gekennseichnet ist, dass mehrere dieser xiö-.ren als Einlieit nusanr.engenorruen die Ein-:altung der Zuchtbedingungen optimal ermöglichen.

Die Dünnschicht selbst bietet, wie "ies in der Katur vielfältig beobachtit werden kann, den optimalen austausch der Stoffwechselprodukte mit den neuen Nährstoffen an den Zellwandungen unter ■leichr. ei tiger intensiver Belüftung aerober iiikroorganismen.

Erfindungsger.äss wird die Nährlösung ständig in den IPeraenter eingelassen und Sie unter düiinschichtiger Ver.^r:'ärung mehr oder minder verbrauchte l.'äi-rlosung mit den aiiroh das -aohs—

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turn vermehrten iviikr ο Organismen in rl ei eher V. eise abgeführt.

Vorteilhafterweise wird die diinnscj.ieiitige Vergärung mit Luft bzw. Sauerstoff herbeigeführt.

.vie "bei bekannten Verfahren werden auch beim erfindungsgenässen Verfahren geschlossene Behälter mit Rühreinrichtung und Läftungseinrichtungen verwendet. Es können auch mehrere Permenter hintereinander geschaltet werden, um auf diese Weise das "Fließsystem" zu verlängern und dabei eine bessere &ndvergärung, d.h. eine noch bessere Ausnutzung der Kosten verursachenden iiährmedien zu erreichen.

i^lür die -üurchf ührung des erfindungsgemässen Verfahrens können einige an sich bekannte Vorrichtungen herangezogen werden. Eine besondere sweckmässige Vorrichtung besteht gemäss der Erfindung darin, dass der Fermenter aus mindestens einem horizontalen bzw. zur Erlangung einer bestimmten J'liesngesehwindigkeit des Kahrlosungs-iiikrobengeni^ches leicht geneigten G-ärungs—ßohr bzw. Rohrsystem besteht, das mit einer Rühreinrichtung verse-aen ist.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Rühreinrichtung als Rührwerk ausgel.'ildet, das das i'iährlösungs-i.Iikrobengemisch i^egen die Innenfläche des Gärungsrohres treibende, von einer koaxialen, motorisch angetrieb Vieile getragenen Rührflügel od.dgl. aufweist.

Die Nährlösung durchläuft in dünner Schicht das im wesentlichen horizontal- gelagerte oder zur Erreichung einer bestimmten ^lieso.-eceuwindigkeit ;nehr oder weniger geneif;t gelagerte ßoiir br:.w. itohrsystem, wobei dap im liohr mit

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geringem Spiel an die .«andung anschlieε-sende horizontale .Rührwerk eine bei submersen Verfahren übliche .^r^ute Itochmisehung und Heranführung friselier MaJir. substanzen gewährleistet,

Eine weitere vorteilhafte Vorrichtung zur grοßpberflächigen Vergärung besteht gemäss der Erfindung darin, dass die -Rühreinrichtung aus entlang zumindest einer Erzeugenden des Gärungsrohres angeordneten Schützen, - Sinterplatten od. dgl. besteht, durch die .tut Herbeiführung einer Verteilung, üurchmiscnung und Versprügung Luft bzw. für anaerobe ilikro organism en inerte Gase in das Innere des G-ärungsrohres einpreßbar

Durch die Geschwindigkeit des -Rührwerkes und durch entsprechende Gestaltung der Hührwerksehaufeln bsw. durch Verspritzen kann nicht nur ein inniger Kontakt zwischen Mikroorganismen und frischer I%hrsubstanz erreicht v/erden, sondern auch eine innige Berührung mit dem eingebrachten Luftstrom und damit eine intensive ^tmung und eine wesentlich schnellere Eiweißsynthese, was sich in der Ausbeute an Mikroorganismenmaterial wie Bakterien, Hefen und Pilzen u.a.m. bemerkbar macht. Das Bührwerk bewirkt ein großflächiges auseinandertreiben der eingebrachten Eährmedien, So kann auf diese "eise nicht nur eine scnnelle und gründliche ausnutzung des gebotenen Hahrmaterials zur Gewinnung von Hefen, Pilzen und Bakterien erreicht werden, sondern auch die oxydativen Gärungen gegenüber den bekannten «irbel- und Bührsystemen schneller und intensiver erzielt v/erden, was den Einsatz zur wirtschaftlichen Gewinnung von Säuren, wie Essigsäure, Zitronensäure u. dgl, wie auch zum Abbau von i'aulstoffen in Kläranlagen mit Vorteil

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möglicht rriacht. aber auch alkoholische Gärungen, wie Wein- und Biererzeugung, die Branntweinerzeugung, lassen sich mit der erfindungsgemässen Vorrichtung vorteilhaft bewerkstelligen. Hiefür ist zweckmässig höhere füllung :les Gärungsrohre, eine entsprechend niedere Belüftung und eine langsamere Einstellung des Rührwerkes erforderlich. Durch Verwendung längerer oder mehrerer übereinander gelagerter Rohre mit entsprechenden Hünrv.erlcen ist es möglich, L'ier unä Wein im kontinuierlichen Verfahren in verschiedenen Vergärungsstufen zu vergären, wenn auf diese ..'eise Jie atmung aui* den alkoholischen abbau des gebotenen Zuckers umgestellt wird. Die Rohrsysteme haben den Vorteil, dass der Prozeß^ in jedem Abschnitt der Vergärung geprüft werden kann, wenn die Hohrsysterne entsprechende Auslässe in gewissen «Vegabsciinitten besitzen.

Durch die Segeltechnik lässt sich auf diese weise der gesamte Prozeß automatisch zum gewünschten Endprodukt kontinuierlich lenken. Auch der Einsatz von am Bohrsystem angebrachten Heiz— und Kühleinrichtungen wird durch das allseits './'irkende liührsystem möglich, da durch die Temperatur in dieser dünnschichtig geführten Nährlösung rasch gewechselt werden kann. Durch das erfindungsgemässe Rührsystem ist es fernerhin möglich, auch mit dickeren Maischen zur Branntweingewinnung oder mit dickeren Melasseansätzen zu arbeiten,

V/eitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich an Hand der Zeichnung, in der einige Ausführungsbeispiele erfindungsgemässer Vorrichtungen dargestellt sind.

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Pig. 1 zeigt schema ti sch in teilweisem Längsschnitt ein Gärungsrohr mit einen ichaufeln aufweisenden Rührwerk, Pig· einen Sclmitt nach der Linie II-II der Pig· I, Pig. 3 einen Querschnitt durch ein Gärungsrohr mit einem dreiflüblichen Rührwerk, Pi"· 4 mit einem einzigen Rührblatt, Pig. 5 mit einer walze, Pig. 6 mit Walze und Rührstab-ii.rmierung, Pig· 7 mit geriffelter Walze und Pig. 8 in teilweisem Längsschnitt ein Gärungsrour, bei dem die Eünnschichtvergärung durch Einpressen von Luft oder inerten Gasen erfolgt.

Bei dem in den Piguren 1 und 2 dargestellten üusführungsbeispiel ist die die Rührflügel 1 tragende >,elle 2 mit ^ilfe von Kugellagern y drehbar im Gärungsrohr 4 gelagert. ü.uf der Welle 2 ist eine Riemensciieibe 5 befestigt, über diä die WeI-Ie 2 und mit ihr die Rührflügel 1 mit xiilfe eines Motors in Undrehung versetzt werden können·

Die Zufuhr der Luft zur Nährlösung wie auch die Beimpfung erfolgen durch den Rohrstutzen 6, der auch in dem die Kugellager 3 tragenden Verschlußkopf 7 angebracht sein kann· Der abfluss erfolgt am anderen Ende des Rohres ciurch einen Überlauf 8, der zur Niveaubildung der Nährlösung im Rohr 4 verschieden hoch eingestellt werden kann. Durch antrieb des Rührwerkes mittels Riemenscheibe oder unter "Vermeidung seitlicher Drücke am Lager durch Klauenkupplung, wird die Nährlösung ^e nach Ausführung der Rührflügel 1 dünnschichtig und unter ><'ir bei bildung an die Wandungen des Gärungsrohres 4 hochgeschleudert und so die innige Vermischung mit der Nährlösung und der Luft bzw. des Luftsauerstoffes bewirkt· Die

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"bei den üblichen geschlossenen Behältern vielfach störende und den Nutzraum verkleinernde Schäumung der Nährlösung

tritt auf diese v/eise nicht auf, sie wird schon bei geringster Bewegung des Rührwerkes zerschlagen.

Um die Temperatur mittels Warmwasser bzw. gegebenenfalls mit gekühlten Flüssigkeiten im biologischen Bereich von +5 bis 40 im Zuchtrohr konstant zu halten, ist das Gärungsrohr 4 mit einem Rohr 9 ummantelt, wobei durch den Stutzen 10 das V/ärmemedium in den zylindrischen Hohlraum 11 zwischen dem Mantelrohr 9 und dem G-ärungsrohr 4 eingeführt und durch den Stutzen 12 aus diesem wieder abgeleitet werden kann. In bestimmten Abständen des G-ärungsrohr es 4 sind Ausführungen 13 angebracht, die es ermöglichen, den Fortgang des Wachstums bzw. die Bildung von biologischen Produkten zu kontrollieren bzw. automatisch zu regeln.

Die Eührflügel 1 des .Rührwerkes können in Form von Schaufeln ausgebildet sein, die dem Zweck entsprechend schmäler oder bfeiter ausgeführt und propellermässig verdreht auch die Geschwindigkeit des Nährlösungs-Mikroorganismen-G-emisches beeinflussen können.

^¹ ig. 3 zeigt den Querschnitt des Gärungsrohres, in dem die Eührkörper 14 des Rührwerkes jeweils drei um 60° versetzte Flügel 15» 16 aufweisen. Die einzelnen Eührkörper 14 sind voneinander distanziert auf die Welle 2 aufgesetzt und in axialer Sichtung aufeinanderfolgend um einen gewissen Winkel, beim Beispiel nach ^¹Ig. 3 um 60° verdreht angeordnet.

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Bei Mikroorganismen, die zur Bodensatzbildung neigen, wie beispielsweise untergärige Hefe, kann anstelle einzelner Rührwerks schaufeln ein einziges, die Länge des Gärungsrohres 4 durchziehendes Eührblatt 17, wie dies Fig· 4 zeigt, oder kleinere Blätter treten, die die Nährlösung mit den Mikroorganismen eng an die Wandung des Gärungsrohres hochführen und auf liese Weise Mikroorganismen gleichfalls dünnschichtig mit Luft und Nährlösung zusammenbringen·

In konsequenter Verfolgung des Aufbaues einer Dünnschicht entlang der Rohrwandung kann an die Stelle des Rührwerkes mit Flügeln, wie dies Fig. 5 zeigt, ein G-ärungsrohr mit im engen Zwischenraum sich drehender Walze IS treten, wodurch das Hährlösung- und Mikroorganismengemisch durch die Reibung an den beiden Oberflächen ständig mitgeführt wird. Bei luftliebenden Mikroorganismen kann die Walze oberflächig mit feinen Luftlöchern oder feinen Schlitzen versehen sein, wobei man, um das Eintreten der Nährlösung in die hohle Walze zu verhindern, mit Preßluft arbeitet·

In Abänderung des Beispieles nach *"ig„ 5 kann die walze 18, wie -k'ig· 6 zeigt, im Durchmesser kleiner gehalten werden als der Durchmesser des G-ärungsrohres 4, wobei im Zwischenraum zwischen der Walze 18 und dem G-ärungsrohr 4 achsparallel ein Rührstab 19, an dessen Stelle auch mehrere treten können, angeordnet ist. Diese Rührstab-Armierungen, die entlang der Walze 18 angebracht sind, vermitteln das Hochbringen einer dünnen Schicht, sowohl an der Landung der Walze 18 als auch des Gärungsrohres 4, wobei in diesem Falle die Lüftung wegen des grösseren Zwischen-

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raumes zwischen Ga rungs rohr 4 und -^alze 18 keine Schwierigkeiten verursacht»

Einen ähnlichen Gedankengang verfolgt die Ausführung des Dünnschichtfermenters, die in -iig. 7 dargestellt ist. Die Hochführung der nährlösung in Dünnschicht besorgt bei diesen Ausführungsbeispiel eine mehr oder weniger stark geriffelte "tfalze 20.

•'•''ig. 3 zeigt ein iuisfünrungsbeispiel, bei dem die Rühreinrichtung ohne Verwendung mechanisch bewegter Rührwerke

aus entlang einer Srzeugenden des Gärungsrohres 4 distanziert angeordneten Schlitzboden 21, an deren Stelle auch ointerplatten, Siebboden, Frittenböden od.dgl. treten können, besteht, durch die über die Änschlußstutzen 22, die mit Ventilen 23 mehr oder weniger absperrbar sind, und die gemeinsame Zufuhrleitung 24 zur Herbeiführung einer Verteilung, ^urchmischung und Versprühung Luft bzw. inerte Gase in das Gärungsrohr 4 einpreßbar sind.

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Claims

Patentansprüche

1. Verfahren aur kontinuierlichen Vergärung von Bahrsubstraten durch i'likroorganismen, v;ie Bakterien, liefen und Schimmelpilzen, mittels eines Fermenters, wobei die Nährlösung ständig in den Fermenter eingelassen und die mshr oder minder verbrauchte verlorene i<"ährlösung mit den durch das wachstum vermehrten Mikroorganismen in gleichem Hasse durch einen einstellbaren Überlauf abgeführt \,^!ird, und als Fermenter ein Rohr, welches mit i.iischvorricrrcungen ausgestattet ist, oder mehrere gleichartige solche Bohre hintereinandergesciialtet verwendet werden und gegebenenfalls mit luft oder Inertgas belüftet und/oder temperiert v/ird, dadurch gekennzeichnet, dass in an sich bekannter ".<eise eine dünnschichtige Vergärung herbeigeführt wird, wobei als Fermenter ein feststehendes horizontales oder zur Erlangung einer bestimmten Fliessgesch'.vindigkeit des Kährlösung-ij-ikroben-Gemisches leicht geneigtes Rohr mit einer Mischvorrichtung dient, welche aus

a) einer um eine horizontale Achse beweglichen Rührνorrichtung oder

b) Schlitzen oder Sinterplatten, die entlang einer Erzeugenden des Rohres angeordnet sind, und durch welche Preßluft in

das Rohr eingeblasen wird, besteht, und gegebenenfalls für die Zu- und Abfuhr von Luft bzw. Inertgas gesorgt wird.

2. Vorrichtung zur durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch .-ekennzeichnet, dass das Fermentrohr 4 mit einer auf einer horizontalen üciise 2 montierten, von aussen antreibbaren Rohrvorrichtung 1, 15-20 verseilen ist, und eine Einlaßöffnung

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für die Nährlösung und gegebenenfalls für Luft bzw. Inertgas sowie eine verstellbare Überlauföffnung 8 für das Nährlösungs-Mikrobengemisch am anderen Ende des Hohres, und gegebenenfalls eine Ablaßöffnung für das überschüssige Gasgemisch besitzt sowie gegebenenfalls eine Einrichtung 9-12 zum Temperieren vorhanden ist.

3· Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Eühreinrichtung das liährlösungs-^ikrobengemisch gegen die Innenfläche des Gärungsrohres 4 ixxütae treibende, von einer koaxialen motorisch angetriebenen Welle 2 getragene Hührflügel 15, 16 od.dgl. aufweist.

4· Vorrichtung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, dass die Eührflügel 15, 15 entlang der Iiöngserstreckung des Gärungsrohres 4 schraubenlinienförmig angeordnet sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Hühreinrichtung zumindest ein, die Länge des Gärungsrohres 4 durchziehendes Bührblatt 17 aufweist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Hühreinrichtung aus einer mit dem Gärungsrohr 4 koaxial verlaufende, motorisch angetriebene Walze 18 besteht.

7· Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Aussendurchmesser der Walze 18 nur wenig kleiner ist als der Innendurchmesser des Gärungsrohres 4.

8. Vorrichtung nach den Ansprüchen 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche der Walze 20 geriffelt ist.

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9. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Raum zwischen der axis senf lache der Vialze 18 und der Innenfläche des Gärungsrohres 4 eine oder mehrere achsparallele Rührstäbe 19 angeordnet sind.

10. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 9j dadurch gekennzeichnet, dass die "'.VaIze 18 innen hohl ist und in ihrem Mantel Durchbrechungen, insbesondere Löcher bzw. feine Schlitze aufweist, wobei das .'alzeninnere mit Preßluft füllbar ist.

11» Vorrichtung zur -üurchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Permenterrohr 4 als Mischvorrichtung entlang einer Erzeugenden des Rohres Schlitze bzw. Sinterplatten 21 aufweist, die über anschlußstutzen 22 und Ventile 23 an eine Zufuhrleitung 24 für Luft bzw. Inertgas angeschlossen sind, und eine Einlassöffnung 6 für die nährlösung und gegebenenfalls für Luft bzw. Inertgas sowie eine verstellbare Überlauföffnung 8 für das ITährlösungs-liikroorganisiaen— Gemisch am anderen Ende des Rohres und eine Ablassöffnung für das überschüssige Gasgemisch besitzt sowie gegebenenfalls eine Einrichtung 9-12 zum Temperieren vorhanden ist.

12. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Gärungsrohr 4 mit Heiz— und/oder bzw. Kühleinrichtungen, insbesondere in ^'orrn einer von Warmwasser bzw. gekühlten Flüssigkeiten durchströmten Ummanntelung des Gärun/'srohres versehen ist.

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13· Vorrichtung nach einem oder mehreren der tinsprüche 2 lic 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Gärungsrohr 4 entlang seiner LängserStreckung zur Kontrolle bav/. autonatisch.en Regelung des Wachstums bzw. der Bildung biologischer troluk .'!.nschlußstutsen 13 aufweist.

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