DE20107448U1 - Anordnung zur Vermehrung von Hefe im Brauprozeß - Google Patents

Description

26.04.2001

Anordnung zur Vermehrung von Hefe im Brauprozeß TECHNISCHES GEBIET

Die Neuerung betrifft eine Anordnung zur Vermehrung von Hefe im Brauprozeß, insbesondere zur beschleunigten, batchweisen oder kontinuierlichen Hefereinzucht für den Gärprozeß (Verkürzung der Herführzeiten von Reinzuchten) oder zur Vitalisierung und Vermehrung von Kernhefe ebenfalls für den Gärprozeß, mit einem als Assimilator bezeichneten Hefevermehrungstank zur Aufnahme einer Würze-Hefe-Suspension, der über eine Zu-, eine Ablauf- und eine diese beiden Leitungen miteinander verbindende Umlaufleitung verfügt, in dereine Umpumpeinrichtung angeordnet ist, und der eine der Anreicherung von Sauerstoff in der Würze-Hefe-Suspension dienende Einrichtung zur Sauerstoff-Zudosierung aufweist.

STAND DER TECHNIK

Eine Anordnung zur Vermehrung von Hefe, insbesondere Bierhefe, mit einem Hefevermehrungstank, der eine Zu- und eine Ablaufleitung aufweist, die über eine Umlaufleitung miteinander verbunden sind und in der eine Umpumpeinrichtung angeordnet ist, ist aus einer der nachfolgend genannten Druckschriften bekannt (DE 43 31 409 C1; DE 41 37 537 C2; DE 43 08 459 C2).

Die vorgenannten bekannten Anordnungen zeichnen sich u.a. übereinstimmend dadurch aus, daß der durch den Kreislauf außerhalb des Vermehrungsbehälters umgepumpten Würze-Hefe-Suspension beim Umpumpen innerhalb der Umlaufleitung sterile Luft und ggf. weitere Würze zugeführt werden, und daß nach Erreichen eines Maximalvolumens im Vermehrungsbehälter die erzeugte Hefe zur weiteren Verwendung abgeführt wird. Der jeweilige Vermehrungstank ist im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, daß er in seinem oberen Bereich einen Zulauf und in seinem unteren Bereich einen Ablauf aufweist (DE 43 31 409 C1; DE 43 08 459 C2), oder daß die mit Sterilluft angereicherte Würze-Hefe-Suspension dem Vermehrungstank von unten über einen Zulauf zugeführt und

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über einen oberhalb des Zulaufs angeordneten Ablauf aus dem Vermehrungstank abgeführt wird (DE 41 37 537 C2).

Beim Betrieb der vorgeschlagenen Anordnungen wird die erwartete Vermehrungsrate der Hefe oftmals nicht erreicht und beim Betrieb selbst ergeben sich vielfach Schwierigkeiten. So hat es sich gezeigt (DE 43 31 409 C1), daß der Substratverbrauch im Vermehrungsbehälter derart hoch ist, daß die Würzen schon dort endvergoren werden, einhergehend mit einer entsprechenden Bruchbildung der Hefen. Durch die sich vermehrende Hefe wird der Sauerstoff schneller verbraucht als dieser zugeführt wird. Durch die Hefebelüftungseinrichtung und den Anfall von Gärungskohlensäure, bedingt durch die vorgenannte Endvergärung im Vermehrungsbehälter, wird in letzterem mehr Schaum gebildet als in der gleichen Zeit zusammenfällt, so daß der Vermehrungsbehälter permanent überschäumt. Die dabei auftretenden Hefeverluste betragen bis zu 20 %. Darüber hinaus wurde anhand von aus dem Konusbereich des Vermehrungsbehälters gezogenen Proben festgestellt, daß die Würze-Hefe-Suspension milchige und vollkommen schaumige Konsistenz aufwies. Dieser Tatbestand ist ein Indiz dafür, daß einerseits Gärungskohlensäure gebildet und andererseits Sauerstoff aus der Lösung ausgetrieben wird, wobei die Größe der Gasblasen sehr gering ist. Darüber hinaus ist zu vermuten, daß diese kleinen Gasblasen aufgrund ihrer geringen Abmessungen und der vorhandenen großen Oberflächenspannung unter den vorherrschenden Bedingungen weder zerplatzen noch koaleszieren. Im Endergebnis ist eine Abscheidung der kleinen Gasblasen unter der Schwerkraft weitgehend nicht gegeben. Der im Vermehrungsbehälter überreichlich gebildete und überaus stabile Schaum wird durch Umpumpen im Kreislauf außerhalb des Vermehrungsbehälters bei jedem Umlauf nochmals weiter verfeinert.

Durch die vorstehend geschilderten Sachverhalte kann der Lufteintrag, dem die Aufgabe zugrunde liegt, die Würze mit Sauerstoff zu sättigen, nicht weiter erhöht werden, so daß die logarithmische Wachstumsphase, deren Realisierung sich das vorgenannte Verfahren zum Ziel gesetzt hat, einerseits nicht sichergestellt ist und

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andererseits können die mit dem Verfahren insgesamt erstrebten Hefevermehrungsraten nicht erreicht werden.

Zur Bewältigung der vorstehend erwähnten Probleme und nachteiligen Wirkungen wurde bereits vorgeschlagen, die Schaumbildung durch wirksame Abscheidung der überschüssigen Luft und Gärungskohlensäure zu reduzieren, und zwar durch die Anordnung einer geeigneten Trenneinrichtung im Bereich der Kreislaufführung. Diese Maßnahmen waren jedoch nicht erfolgreich.

Der Vermehrungsbehälter wird auf Parameter eingestellt, die von den optimalen Gärungsparametern abweichen, jedoch für die Vermehrung der Hefezellen geeignet sind. Ziel der mit den bekannten Anordnungen realisierbaren Verfahren ist es, eine ständige logarithmische Vermehrung der Hefe zu gewährleisten. Die "logarithmische Phase" stellt die eigentliche Vermehrungsphase bei der Hefekultivierung dar. In dieser findet eine exponentiell Vermehrung statt, die in kurzer Zeit zu einem massiven Zellwachstum führt. Insbesondere die Anordnung und das Verfahren gemäß DE 43 31 409 C1 sind im Hinblick auf die optimale Vermehrung der Hefe im Rahmen der logarithmischen Wachstumsphase ausgelegt. Hierzu werden aerobe Bedingungen geschaffen, das heißt die Vermehrung der Hefe erfolgt in Anwesenheit von sauerstoffgesättigter Würze, die sich unter atmosphärischem Druck befindet. Dabei vermehrt sich die Hefe mit maximaler Geschwindigkeit, wobei die in der Würze enthaltenen Nährstoffe im Atmungsstoffwechsel metabolisiert werden und nicht, wie unter anaeroben Bedingungen - also unter Abwesenheit von gelöstem Sauerstoff - vergoren werden.

Sofern es gelingt, den Atmungsstoffwechsel durch die Hefe aufrecht zu erhalten, ist die energetische Ausnutzung der Würzeinhaltstoffe ca. neunzehnmal höher als bei der Vergärung derselben, wodurch wesentlich mehr Biomasse bei gleichem Nährstoffeinsatz gebildet wird. Darüber hinaus werden weit weniger Gärungsnebenprodukte gebildet, wie z. B. organische Säuren und Kohlendioxid, die zu ei-

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nem Sturz des pH-Wertes des Substrats und, im Fall der Kohlendioxidbildung, zum Austreiben von Sauerstoff aus der Lösung führen.

Die Belüftung des Substrates im Assimilator kann auf die in den vorgenannten Druckschriften genannte erste Art realisiert werden, indem das Substrat über die Umlaufleitung außerhalb des Vermehrungsbehälters im Kreislauf umgewälzt und dabei in der Umlaufleitung mit Sterilluft angereichert wird.

Die zweite Möglichkeit besteht darin, das Substrat im Assimilator direkt mittels lanzenähnlicher Düsenstöcke oder anderen geeigneten Vorrichtungen zu begasen. So wurde nach einem nicht veröffentlichten Stand der Technik bereits vorgeschlagen (DE 196 47 980), der Suspension im Assimilationstank die zur Hefevermehrung notwendige Sterilluft über eine Düsenverrohrung zuzuführen, die im unteren Endbereich des kegelförmigen Bodenteils des Assimilationstanks angeordnet ist. Allerdings verfügt dieser bekannte Assimilationstank nur über einen einzigen Tankanschluß in seinem Bodenbereich, über den der Tank sowohl befüllt als auch entleert wird. Eine Umpumpleitung, wie sie die vorgenannten bekannten Anordnungen aufweisen, ist bei diesem Assimilationstank nicht vorgesehen. Vielmehr verfügt er gemäß DE 196 47 980 im Endbereich des kegelförmigen Bodenteils über eine Flüssigkeitsstrahl-Mischdüse, die über eine im oberen Bereich des kegelförmigen Bodenteils ausmündende Treibstromleitung, in der eine Umwälzpumpe angeordnet ist, mit einem Treibstrom betrieben wird. Durch die Flüssigkeitsstrahl-Mischdüse wird im Zusammenwirken mit dem diese durchsetzenden Treibstrom im Assimilationstank zunächst ein Treibstrahl erzeugt, der eine Konvektionsströmung zur Sicherstellung der notwendigen Umwälzleistung und im Ansaugbereich der Flüssigkeitsstrahl-Mischdüse einen Saugstrom ausbildet. Von diesem Saugstrom wird die aus der vorstehend erwähnten Düsenverrohrung austretende Sterilluft erfaßt und dem unter der Wirkung des Treibstrahles im Assimilationstank umgewälzten Substrat zugeführt.

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Es hat sich gezeigt, daß auch bei einer mit dieser Anordnung durchführbaren Hefevermehrung eine nicht unerhebliche Schaumbildung auftritt, die nur dann beherrscht werden kann, wenn auf eine vollständige Ausnutzung des Fassungsvermögens des Assimilationstankes verzichtet wird.
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Schließlich ist aus der Druckschrift DE 298.20 046 U1 eine Vorrichtung zur Vermehrung oder Herführung von Hefe, insbesondere Bierhefe, bekannt, bei der durch wenigstens eine Luftdüse an der Unterseite des Tanks sterile Luft in das im Vermehrungstank enthaltende Behandlungsgut eingebracht wird. Allerdings verziehtet diese bekannte Anordnung auf eine Umpumpleitung in Verbindung mit einer Umwälzpumpe. Die notwendige Umwälzung innerhalb des Vermehrungstanks soll hier allein durch die Beaufschlagung des Behandlungsgutes durch die im unteren Bereich des Tanks in das Behandlungsgut eintretende Sterilluft erreicht werden.

Die Problematik der Anreicherung einer Würze-Hefe-Suspension mit Sauerstoff sei nachfolgend kurz dargestellt. Neben der Aufgabe, eine hinreichend große Menge Sauerstoff in das Substrat einzubringen, besteht darüber hinaus die Aufgabe, diese Gasmenge im Substrat zu lösen und in Lösung zu halten. Dies soll mit möglichst geringem Energieaufwand und auch unter Vermeidung einer übermäßigen Schaumbildung erfolgen.

Nach Angaben in der Fachliteratur benötigt die Hefe 0,78 g O₂/g Hefetrockensubstanz-Zuwachs. Dies entspricht bei einer durchschnittlichen Vermehrung um 50 Mio. Zellen/ml etwa 90 mg O₂/Liter Würze und ist ein etwa zehnfach höherer Bedarf an Sauerstoff als normalerweise bei der Belüftung von Würze zur Vermehrung der Hefe zu Beginn des Gärprozesses gelöst werden muß (9 bis 10 mg O₂/Liter Würze).

Die Einbringung der Luft in das über den Bypaß geführte Substrat erfolgt üblicherweise über Strahldüsen in Verbindung mit einem Stufendiffusor, mit Strahlroh-

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ren, mit statischen Mischern oder mit Injektordüsen, und sie ist meist mit relativ hohem Energieaufwand verbunden. Bekanntlich steigt die Fähigkeit von Flüssigkeiten, Gase zu lösen, mit dem herrschenden Lösungsdruck. Selbst wenn unter Gegendruck im Leitungssystem höhere Lösungswerte erreicht werden, geht der Sauerstoffgehalt meist hinter der Eingabestelle oder spätestens nach der Druckhaltung wieder zurück auf jenen Gehalt, der dem Druck im Assimilator, in den die Bypaßleitung einmündet, und der Substrattemperatur entspricht (ca. 12 mg O₂/Liter bei 0,5 bar Überdruck und 15 ⁰C). Die Hefe nimmt den Sauerstoff nur im gelösten Zustand sofort zum Stoffwechsel auf. Man spricht in diesem Zusammenhang von "Zehrung", die in 10 bis 20 Minuten stattfindet, so daß der Sauerstoffgehalt gegen null geht, wenn kein weiterer mehr zugeführt wird. Ist jedoch ein kontinuierliches Sauerstoffangebot gegeben, dann wird die Sauerstoffaufnahme durch die herrschenden Stoffübergangsbedingungen und die Verweilzeit bestimmt. Der Stoffübergang vom Kern der Gasphase in die Flüssigkeit wird bekanntlich durch den Stoffdurchgangskoeffizienten, die wirksame Austauschfläche, die Gleichgewichtskonzentration und die aktuelle Konzentration des Sauerstoffs in der Lösung determiniert.

Der gegenwärtige Stand der Technik bei der Begasung von Würze im Bypaß zum Assimilator sei hinsichtlich der bislang festgelegten Bedingungen an einem Beispiel verdeutlicht: In 20 Stunden werden in einem mit 440 hl Substrat befüllten Assimilator bei einer Umpumpleistung von 200 hl/h insgesamt 4000 hl Substrat umgewälzt. Der notwendige Sauerstoffbedarf, kontinuierlich eingebracht in den Umlaufstrom von 200 hl/h, beträgt rund 36 kg, um in dem im Assimilator vorgelegten Substratvolumen (440 hl) die Zellzahl von 15 auf 70 Mio. Zellen/ml (übliche Konzentration) zu vermehren. Dies bedeutet, daß aktuell ständig im Zuge der Begasung im Bypaß 90 mg O₂/Liter zu lösen sind.

Die Erfahrung zeigt, daß beispielsweise bei einem Gegendruck von 4 bar Überdruck, einer Temperatur von 15 ⁰C und beim Einsatz eines einzigen statischen Mischers, der mit einer maximalen Fließgeschwindigkeit von 2,8 m/s betrieben

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werden kann und der dabei einen Druckverlust von 1 bar aufweist, ungefähr 50 mg O₂/Liter mittels einer üblichen Begasungsrate zu lösen sind. Wird nun derart mit Sauerstoff angereicherte Würze in den Assimilator eingeleitet, in dem lediglich ein Gegendruck von 0,5 bar Überdruck herrscht und bei dem demzufolge aufgrund der Gleichgewichtsbedingungen maximal 12 mg O₂/Liter lösbar sind, dann entweicht nach der Druckabsenkung der überschüssige Sauerstoff aus der Würze. Dies zeigt, daß die hohen Sauerstoffkonzentrationen in der Würze den Mikroorganismen nur für sehr kurze Zeit im Bereich des Bypaßsystems vor der Druckhaltung zur Zehrung zur Verfügung steht.

Die vorstehend geschilderte Situation stellt sich so bei allen bisher bekannt gewordenen Verfahren und Anordnungen, die mit einer Kreislaufführung des Substrates über ein Bypaßsystem arbeiten, in annähernd adäquater Weise dar. Daher wurde in diesem Zusammenhang bereits vorgeschlagen, die Sauerstoffzehrung unter höherem Druck in eine längere Lösungsstrecke zu legen und damit einer längeren Verweilzeit zu unterwerfen. Dies soll gemäß einem Vorschlag dadurch erreicht werden, daß mehrere statische Mischer hintereinander geschaltet werden, wodurch sich einerseits der Druckverlust entsprechend der Anzahl der eingesetzten statischen Mischer erhöht und andererseits die zur Durchströmung notwendige Verweilzeit verlängert. Die Verweilzeit zur Zehrung soll dabei noch durch Rohrstücke zwischen den einzelnen Mischern auf kostengünstige Weise verlängert werden. Auch diese Maßnahmen vermochten das Problem der hinreichenden Sauerstoffanreicherung bei gleichzeitiger Begrenzung der Schaumbildung nicht zu lösen.

In Abhängigkeit von der Größe der Brauerei und den immer höheren Anforderungen an eine gleichmäßig hohe Bierqualität bei kürzeren Produktionszeiten, gepaart mit niedrigen Herstellkosten, steigen auch die Anforderungen an die Güte und Leistungsfähigkeit der Hefe. Diese Anforderungsmerkmale sind nur mit kontrollierbaren, stets gleichen Durchlaufbedingungen bei der batchweisen oder kontinuierlichen Hefereinzucht bzw. Hefeproduktion für den Gärprozeß erreichbar.

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Besonderes Augenmerk wird heute auf eine beschleunigte Hefereinzucht gelegt, wobei die Brauereien zum Anstellen und Vergären der Biere immer mehr aerob hergeführte Reinzuchthefen - das ist eine fast unvergorene Würze mit hoher Zellkonzentration von ca. 80 bis = 120 Mio. Zellen/ml - verwenden. Damit soll der Verbrauch von Satz- oder Kernhefen aus den zylindrokonischen Gärtanks für die nächstfolgenden Führungen reduziert werden. Die beschleunigte Hefevermehrung hat die Aufgabe, die Herführzeiten von Reinzuchten wesentlich zu verkürzen und womöglich die Verwendung von Satzhefen ganz zu ersetzen. Als Zielsetzung im Rahmen von Maßnahmen zur beschleunigten Hefevermehrung kann heute gelten, die bisher benötigten Herführzeiten von Reinzuchten nach Maßgabe der Herführtemperatur, des Sauerstoffbedarfs und der Umwälzrate im Herführtank auf 20 % zu reduzieren.

Beschleunigte Hefevermehrung bedeutet im Kontext zum gesamten Brauprozeß u.a. weniger erforderliche Tankkapazität und damit eine kleinere Dimensionierung der Hefekeller und hohe Versorgungsleistung der Würze mit den daraus resultierenden Vorteilen. Hierzu ist Voraussetzung, daß das Angebot an gelöstem Sauerstoff an die Hefezellen in zeitlich ausreichendem Maße und hinreichende Stoffaustauschbedingungen gegeben sind. Eine Begasung im Assimilationstank ist wegen des Aufschäumens der Reinzucht bislang nur bedingt möglich. Die Tanks dürfen deshalb allenfalls nur bis zur Hälfte gefüllt sein. Aus reinigungstechnischen und biologischen Gründen (Kontaminationsgefahr) lehnen heute immer mehr Brauereien bewegliche Einbauten in den Reinzuchttanks ab, wobei die Einbauten beispielsweise durch Umwälzung des Substrates den Stoffaustausch intensivieren sollen. Die Anreicherung der Reinzucht außerhalb des Assimilationstankes im Zuge des Umpumpens ist mit den vorstehend beschriebenen Nachteilen verbunden (siehe u.a. DE 43 31 409 C1).

Es ist bekannt, daß bei der Hefevermehrung der Zellzuwachs bzw. die erzeugte Hefetrockensubstanz pro Generationszeit im wesentlichen abhängig ist von der Umwälzleistung des Substrates im Tank, wobei der Zusammenhang gilt:

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O₂-Konzentration &khgr; Umwälzleistung = erzeugte Masse Hefe.

Unter Generationszeit versteht man die Zeit zur Vermehrung der Zellzahl auf das Doppelte der Ausgangszellzahl. Die Generationszeit ist unter sonst optimalen Herführbedingungen unter anderem sehr stark von der Herführtemperatur abhängig. Neben einer möglichst hohen Sauerstoffbeladung der Suspension ist eine möglichst hohe Umwälzleistung zu realisieren, die im Wege des vorgenannten Umpumpverfahrens nur mit erheblichem Aufwand bezüglich der Dimensionierung der Strömungswege und einem relativ hohen Energiebedarf verwirklicht werden kann.

Ziel der Neuerung ist es, eine Anordnung zur Vermehrung von Hefe im Brauprozeß zu schaffen, die einfach im Aufbau ist und in der eine batchweise oder kontinuierliche Hefereinzucht oder Vitalisierung und Vermehrung von Kernhefe für den Gärprozeß mit geringerer Schaumbildung als bei bekannten Anordnungen stattfindet.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Das Ziel wird durch eine Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Anordnung gemäß der Neuerung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die vorgeschlagene Anordnung nutzt zwar nach wie vor die Vorteile einer die Zu- und Ablaufleitung miteinander verbindenden Umlaufleitung, in dereine Umpumpeinrichtung angeordnet ist. Die Anreicherung der Würze-Hefe-Suspension im Assimilationstank erfolgt allerdings über eine im Bodenbereich des Assimilators angeordnete Eintragvorrichtung. Auf eine Begasung der Würze-Hefe-Suspension in der Umlaufleitung wird bewußt verzichtet. Allerdings wird der Kreislaufstrom dazu genutzt, die Konvektion der mit Sterilluft angereicherten Würze-Hefe-Suspension im Assimilator zu intensivieren und die Stoffaustauschbedingungen dadurch zu verbessern, wobei die mittels der Eintragvorrichtung unmittelbar im Assimilator durchgeführte Begasung in überraschender Weise nicht zu einer Auf-

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schäumung der Würze-Hefe-Suspension im bislang in Anordnungen nach dem Stand der Technik bekannt gewordenen Umfang führt. Da die Ablaufleitung an dem kegelförmigen Bodenteil des Assimilators angeschlossen ist und die Zulaufleitung oberhalb der Ablaufleitung in letzteren ausmündet, besteht die Möglichkeit, den Vermehrungsprozeß im Assimilator mit geringen Füllhöhen und damit Tankinhalten zu starten, so daß die Herführung zu Beginn mit meßbaren Hefezellzahlen (>1 Mio. Zellen/ml) gestartet werden kann.

Wird, wie dies ein Vorschlag vorsieht, die Umpumpeinrichtung in Abhängigkeit vom Füllstand im Assimilator in ihrer Förderleistung geregelt, wobei eine geringe Füllhöhe eine niedrige und eine große Füllhöhe eine entsprechend hohe Förderleistung bedingt, dann kann das Anfahren und Anfüllen des Assimilators auf das Sollvolumen ohne unnötiges Aufschäumen durchgeführt werden. Darüber hinaus ist vorgesehen, die Einschaltintervalle der Umpumpeinrichtung in Abhängigkeit von der Hefezellzahl im Assimilator zu steuern. Durch diese Maßnahmen lassen sich dann auch die Umpumpmengen und Umpumpintervalle in Abhängigkeit vom Stand des Vermehrungsprozesses der Hefezellzahl steuern.

Der gesamte Inhalt des Assimilators, insbesondere im Bereich des kegelförmigen Bodenteils, wird im Zuge der Umwälzung der Würze-Hefe-Suspension über die Umpumpleitung erfaßt, wenn die Ablaufleitung an der tiefsten Stelle des kegelförmigen Bodenteils angeschlossen ist, wie dies ein weiterer Vorschlag vorsieht. Darüber hinaus hat sich gezeigt, daß besonders günstige Stoffaustauschbedingungen dann gegeben sind, wenn die Zulaufleitung in einem zylindrischen Mantelteil des Assimilators ausmündet. Hier wird bevorzugt eine Austrittsstelle oberhalb einer ersten Kühlzone etwa im Bereich der Mitte des zylindrischen Mantelteils vorgesehen.

Besonders günstige Konvektionsströmungen und daraus resultierende Stoffaustauschbedingungen sind gegeben, wenn, gemäß einem weiteren Vorschlag, die Zulaufleitung gegenüber einer horizontalen Bezugsebene unter einem nach oben

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gerichteten ersten Einleitungswinkel &agr;, und gegenüber einer radialen Bezugsebene unter einem zweiten Einleitungswinkel a₂ in den Assimilator ausmündet. Optimale Bedingungen ergeben sich dabei für einen ersten Einleitungswinkel &agr;, im Bereich von 20 Grad und für den zweiten Einleitungswinkel a₂ im Bereich von 23 Grad.

Zur Einbringung und Verteilung des Sauerstoffs in den Assimilator wird weiter vorgeschlagen, die zu diesem Zweck mit Sterilluft zu beaufschlagende Eintragvorrichtung als eine im Assimilator endende Sprühkugel auszubilden. Anstelle der Sprühkugel ist alternativ vorgesehen, daß die Eintragvorrichtung als ein im Assimilator endendes ringförmiges, horizontal orientiertes, mit nach unten gerichteten Bohrungen versehenes Rohr auszubilden. Darüber hinaus kann die besagte Eintragvorrichtung auch als ein im Assimilator endender Hohlkörper ausgeführt werden, der, bezogen auf eine horizontale Bezugsebene, in seinem äußersten Bereich einen umlaufenden Durchtrittsringspalt aufweist.

Wird die Anordnung gemäß der Neuerung im Bereich der Umlaufleitung derart ausgestaltet, daß letztere jeweils an eine Entleerungs- und an eine Fülleitung angeschlossen ist, und daß die Umlaufleitung im Bereich zwischen der Entleerung- und der Fülleitung eine Absperreinrichtung aufweist, dann kann der neuerungsgemäßen Anordnung gleichzeitig Reinzuchthefe entnommen und Würze zugeführt werden. Dadurch läßt sich zum Anstellen von Würze dem Assimilator in regelmäßigen Abständen oder ggf. auch quasikontinuierlich Reinzuchthefe entnehmen. Die Limitierung einer derartigen Betriebsweise ist dabei durch die von der Herführtemperatur abhängigen Generationszeit der Hefe gegeben. Bei langen Generationszeiten muß daher, damit ausreichend Hefemasse in kurzer Zeit erzeugt werden kann, eine große Menge Reinzuchthefe im Tank verbleiben bzw. vorgehalten werden.

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Der quasikontinuierliche Hefevermehrungsprozeß im Assimilator wird durch Regeleinrichtungen gesteuert, die die Füll- und Entnahmemengen des Assimilators aufeinander abstimmen.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Neuerung ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Es zeigen

Figur 1 in schematischer Darstellung eine bevorzugte Anordnung zur Vermehrung von Hefe im Brauprozeß gemäß der Neuerung;

Figur 2 einen Mittelschnitt durch den unteren Endbereich eines kegelförmigen Bodenteils eines Assimilators, wobei letzterer im Rahmen der Anordnung gemäß Figur 1 bevorzugt Anwendung findet;

Figur 3 Einzelheiten der Ausgestaltung der Eintrittsstelle einer Zulaufleitung in den Assimilator und

Figur 4 eine Draufsicht auf den Assimilator im Bereich der Eintrittsstelle gemäß Figur 3.

BEZUGSZEICHENLISTE DER VERWENDETEN ABKÜRZUNGEN 1 Assimilator

1 a Bodenbereich

1b kegelförmiger Bodenteil

1c zylindrischer Mantelteil

1d Zulaufanschluß

2 Tankanschlußgehäuse
3a Zulaufleitung

3b Ablaufleitung

3c Umlaufleitung

3d Entleerungsleitung

3e erste Reinigungsleitung (eintretendes Reinigungsmittel)

3e* zweite Reinigungsleitung (austretendes Reinigungsmittel)

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3f Fülleitung

4 Umpumpeinrichtung

5 Einrichtung zur Sauerstoff-Zudosierung 5a Abscheidegefäß

5b Entleerungsventil

5c Absperrventil

5d erster Abschnitt einer Sterilluftleitung

5e zweiter Abschnitt einer Sterilluftleitung

5f Regelventil

6 Eintragvorrichtung

7 Absperreinrichtung

8 erstes Absperrventil

9.1 zweites Absperrventil

9.2 drittes Absperrventil

10 Doppelsitzventil

11 Probenahmeeinrichtung

12 Einrichtung zur Durchflußmessung

13 erste Kühlzone

14 zweite Kühlzone

L	Sterilluft (oder Sauerstoff O2)
H	Reinzuchthefe
KE	eintretendes Kühlmittel
Ka	austretendes Kühlmittel
Re	eintretendes Reinigungsmittel
Ra	austretendes Reinigungsmittel
W	Würze
Z	Heizmedium
a	axialer Abstand
C	Strahlgeschwindigkeit
Ca	Axialkomponente
Cr	Radialkomponente
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c_t Tangentialkomponente
&agr;, erster Einleitungswinkel
(X₂ zweiter Einleitungswinkel

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG

Ein in seinem grundsätzlichen Aufbau an sich bekannter, als Assimilator bezeichneter Hefevermehrungstank 1 (Figur 1) besitzt am Auslaufeines kegelförmigen Bodenteils 1b ein Tankanschlußgehäuse 2, über das dem Assimilator 1 über eine Ablaufleitung 3b eine Würze-Hefe-Suspension entnommen wird. In jedem Falle oberhalb der Ablaufleitung 3b, vorzugsweise im Bereich eines zylindrischen Mantelteils 1c des Assimilators 1, ist eine Zulaufleitung 3a zweckmäßigerweise über einen Zulaufanschluß 1d am Assimilator 1 angeschlossen. Zu- und Ablaufleitung 3a, 3b sind über eine Umlaufleitung 3c miteinander verbunden. In der Umlaufleitung 3c sind, in Umlaufrichtung gesehen, eine Umpumpeinrichtung 4, eine Probenahmeeinrichtung 11, eine Einrichtung zur Durchflußmessung 12 sowie ein Doppelsitzventil 10 angeordnet. Vor der Umpumpeinrichtung 4 zweigt eine über ein erstes Absperrventil 8 absperrbare Entleerungsleitung 3d von der Umlaufleitung 3c ab. Eine erste Reinigungsleitung 3e, die eintretendes Reinigungsmittel R_E führt, ist an den Assimilator 1 herangeführt und über ein zweites Absperrventil 9.1 von diesem wahlweise absperrbar. Eine zweite Reinigungsleitung 3e*, die austretendes Reinigungsmittel R_A führt, ist über ein drittes Absperrventil 9.2 mit der Entleerungsleitung 3d verbunden. Über das Doppelsitzventil 10 wird wahlweise eine Verbindung zwischen der Umlaufleitung 3c und einer Fülleitung 3f hergestellt.

Über die Entleerungsleitung 3d wird Reinzuchthefe H aus dem Assimilator 1 abgeführt und über die Fülleitung 3f wird letzterem Würze W zugeführt. Im Bereich zwischen den Verbindungsstellen der Umlaufleitung 3c einerseits mit der Entleerungsleitung 3d und andererseits mit der Fülleitung 3f, im Ausführungsbeispiel an einer Stelle zwischen der Umpumpeinrichtung 4 und dem Doppelsitzventil 10, weist die Umlaufleitung 3c eine Absperreinrichtung 7 auf. Befindet sich letztere in ihrem Schließzustand, dann läßt sich dem Assimilator 1 über die Fülleitung 3f

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Würze W zuführen und gleichzeitig über die Entleerungsleitung 3d Reinzuchthefe H entnehmen.

Eine Einrichtung zur Sauerstoff-Zudosierung 5, die in der Regel den notwendigen Sauerstoff durch Zufuhr von Sterilluft L bereitstellt, besteht unter anderem aus einem Abscheidegefäß 5a, welches über ein an seiner Unterseite angeordnetes Entleerungsventil 5b in einen nicht näher bezeichneten Ablauf entleert werden kann. An das Abscheidegefäß 5a ist in dessen Kopfbereich ein erster Abschnitt einer Sterilluftleitung 5d angeschlossen, der über ein Absperrventil 5c steuerbar ist. Ein zweiter Abschnitt der Sterilluftleitung 5e endet einerseits im Kopfbereich des Abscheidegefäßes 5a und andererseits im Bodenbereich 1a des Assimilators 1. Dort mündet der zweite Abschnitt der Sterilluftleitung 5e über eine Eintragvorrichtung 6 in den Assimilator 1 aus. Diese Eintragvorrichtung 6 ist im vorliegenden Falle als Sprühkugel ausgebildet. Zur Regelung der über die Sterilluftleitung 5d, 5e zuzuführenden Sterilluft L ist im zweiten Abschnitt der Sterilluftleitung 5e ein Regelventil 5f vorgesehen. Das Abscheidegefäß 5a wirkt im Produktions- oder Reinigungsbetrieb wie eine Flüssigkeitsfalle, die einen unerwünschten Übertritt von Produkt- oder Reinigungsmittel vom zweiten 5e in den ersten Abschnitt der Sterilluftleitung 5d verhindert.

Über die Einrichtung zur Durchflußmessung 12 läßt sich unter anderem einerseits die Umpumpleistung der Umpumpeinrichtung 4 steuern, andererseits dient diese Meßeinrichtung 12 auch der Regelung der Entnahmemenge der Reinzuchthefe H und der Abstimmung letzterer auf die Zuführmenge an Würze W über die Zulaufleitung 3a. Über die Probenahmeeinrichtung 11 kann in jeder Phase des Vermehrungsprozesses eine Probe der Würze-Hefe-Suspension zur Bestimmung der vorliegenden Hefezellzahl genommen werden.

Der Assimilator 1 verfügt oberhalb seines kegelförmigen Bodenteils 1b über eine außerhalb des zylindrischen Mantelteils 1c angeordnete erste Kühlzone 13, über die der Vermehrungsprozeß durch Zufuhr von Kühlmittel (eintretendes Kühlmittel

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K_E; austretendes Kühlmittel K_A) thermisch gesteuert werden kann. Dem gleichen Zweck dient eine außenseite auf dem kegelförmigen Bodenteil 1b angeordnete zweite Kühlzone 14. Die Umlaufleitung 3c ist im Bereich vor ihrem Eintritt in den Assimilator 1 beheizbar (Zufuhr von Heizmedium Z), um beispielsweise die dem Assimilator 1 zuströmende Würze W ohne Störung des Vermehrungsprozesses auf die dabei vorliegende Temperatur anheben zu können.

Die übrigen dargestellten, aber nicht näher bezeichneten Einzelheiten der neuerungsgemäßen Anordnung dienen der Steuerung und Regelung des Vermehrungsprozesses, der Bereitstellung der Sterilluft sowie der Reinigung der Anordnung. Eine Beschreibung dieser Einzelheiten ist zur Darstellung der Neuerung und deren Verständnis nicht zwingend erforderlich.

Der zweite Abschnitt der Sterilluftleitung 5e (Figur 2) ist von unten durch das Tankanschlußgehäuse 2, an das die Ablaufleitung 3b angeschlossen ist, hindurchgeführt und endet ein Stück oberhalb eines nicht näher bezeichneten Auslaufs des kegelförmigen Bodenteils 1b in der als Sprühkugel ausgebildeten Eintragvorrichtung 6.

Etwa im Bereich der Mitte des zylindrischen Mantelteils 1c, vorzugsweise etwas unterhalb der Mitte (Abstand a), tritt die Zulaufleitung 3a über den Zulaufanschluß 1d in den Assimilator 1 ein (Figur 3). Dabei ist die Längsachse des Zulaufanschlusses 1d bzw. der Zulaufleitung 3a gegenüber einer horizontalen Bezugsebene unter einem nach oben gerichteten ersten Einleitungswinkel Ct₁ und gegenüber einer radialen Bezugsebene (vergleiche Figur 4) unter einem zweiten Einleitungswinkel O₂ orientiert. Der erste Einleitungswinkel Ct₁ wird im Bereich von Ot₁ = 20 Grad und der zweite Einleitungswinkel ot₂ wird im Bereich von cc₂ = 23 Grad ausgeführt.

Durch diese Anordnung des Zulaufanschlusses 1d bzw. der Zulaufleitung 3a wird zum einen eine aus dem ersten Einleitungswinkel cc, resultierende, aufwärts ge-

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26.04.2001

richtete Axialkomponente c_a und zum andern, wie dies aus Figur 4 ersichtlich ist, eine aus dem zweiten Einleitungswinkel a₂ resultierende Tangentialkomponente c, der Strahlgeschwindigkeit c des eintretenden Flüssigkeitsstrahles verwirklicht. Dabei bestimmt die über die Umpumpeinrichtung 4 gegebene Umpumpleistung in Abhängigkeit von dem Durchtrittsquerschnitt des Zulaufanschlusses 1d die räumlich orientierte Strahlgeschwindigkeit c, die aufgrund der Einleitungswinkel &agr;, und Oc₂ in die bereits erwähnte Tangentialkomponente c, und die nach oben gerichtete Axialkomponente c_a sowie in eine Radialkomponente c_r gedanklich zerlegt werden kann. Die Anordnung und räumliche Ausrichtung des Zulaufanschlusses 1d bzw. der Zulaufleitung 3a trägt in entscheidender Weise zur guten Durchmischung der Würze-Hefe-Suspension und dem damit verbundenen verbesserten Stoffaustausch im Assimilator bei.

Claims (11)

1. Anordnung zur Vermehrung von Hefe im Brauprozeß, mit einem als Assimilator bezeichneten Hefevermehrungstank zur Aufnahme einer Würze-Hefe- Suspension, der über eine Zu-, eine Ablauf- und eine diese beiden Leitungen miteinander verbindende Umlaufleitung verfügt, in der eine Umpumpeinrichtung angeordnet ist, und der eine der Anreicherung von Sauerstoff in der Würze-Hefe-Suspension dienende Einrichtung zur Sauerstoff-Zudosierung aufweist, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Einrichtung zur Sauerstoff-Zudosierung (5) im Bodenbereich (1a) des Assimilators (1) über eine Eintragvorrichtung (6) ausmündet,

- daß die Ablaufleitung (3b) an einem kegelförmigen Bodenteil (1b) des Assimilators (1) angeschlossen ist und

- daß die Zulaufleitung (3a) oberhalb der Ablaufleitung (3b) in den Assimilator (1) ausmündet.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablaufleitung (3b) an der tiefsten Stelle des kegelförmigen Bodenteils (1b) angeschlossen ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zulaufleitung (3a) in einem zylindrischen Mantelteil (1c) des Assimilators (1) ausmündet.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zulaufleitung (3a) gegenüber einer horizontalen Bezugsebene unter einem nach oben gerichteten ersten Einleitungswinkel (α₁) und gegenüber einer radialen Bezugsebene unter einem zweiten Einleitungswinkel (α₂) in den Assimilator (1) ausmündet.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Einleitungswinkel (α₁) im Bereich von α₁ = 20 Grad und der zweite Einleitungswinkel (α₂) im Bereich von α₂ = 23 Grad ausgeführt sind.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintragvorrichtung (6) als eine im Assimilator (1) endende Sprühkugel ausgebildet ist.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintragvorrichtung (6) als ein im Assimilator (1) endendes ringförmiges, horizontal orientiertes, mit nach unten gerichteten Bohrungen versehenes Rohr ausgebildet ist.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintragvorrichtung (6) als ein im Assimilator (1) endender Hohlkörper ausgebildet ist, der, bezogen auf eine horizontale Bezugsebene, in seinem äußersten Bereich einen umlaufenden Durchtrittsringspalt aufweist.

9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Umlaufleitung (3c) jeweils an eine Entleerungsleitung (3d) und an eine Füllleitung (3f) angeschlossen ist, und daß die Umlaufleitung (3c) im Bereich zwischen den jeweiligen Anschlußstellen an die Entleerungs- und Fülleitung (3d, 3f) eine Absperreinrichtung (7) aufweist.

10. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Umpumpeinrichtung (4) in Abhängigkeit vom Füllstand im Assimilator (1) in ihrer Förderleistung steuerbar ist.

11. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Umpumpeinrichtung (4) hinsichtlich ihrer Einschaltintervalle in Abhängigkeit von der Hefezellzahl im Assimilator (1) steuerbar ist.