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Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft die Benutzung eines Zellimmobilisierungsträgers in
einem neuartigen kontinuierlichen Gärverfahren. Dieses Gärverfahren
wird insbesondere zur kontinuierlichen Herstellung von Bier angewendet.
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Allgemeiner
Stand der Technik
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Die
Immobilisierung von vergärenden
Zellen ist eine Technik, die in den Brauindustrien angewendet werden
kann. Sie erfordert die Rückhaltung
katalytischer Zellen in einem Gärbehälter und
deren Versorgung mit Nährstoffen.
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Um
ein wirkungsvolles System mit einer hohen Produktivität zu erhalten
und um die Qualität
des Endproduktes sicherzustellen, sollte eine Anzahl von Anforderungen
erfüllt
werden.
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Zu
allererst sollte der Träger
eine hohe mechanische Festigkeit aufweisen; er sollte chemisch inert
sein und sollte für
die Zellen nicht toxisch sein.
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Zudem
sollte eine hohe Beladungsfähigkeit erreicht
werden. Die Beladungsfähigkeit
ist definiert als das Gewicht der Zellen zu der Oberfläche des Trägers. Außerdem sollte
der Träger
keine negative Wirkung auf die Versorgung der immobilisierten Zellen
mit Nährstoffen
aufweisen.
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Zudem
sollte das System wirkungsvoll und leicht zu betreiben sein sowie
hohe Ausbeuten erzielen.
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Bedingt
durch die begrenzte Beladungsfähigkeit
und/oder die Diffusionsbeschränkungen
der bekannten Träger
ist keiner davon in industriellen Brauinstallationen erfolgreich
eingesetzt worden.
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Der
Einschluss oder die Einkapselung von Hefezellen in ein polymeres
Gel, wie z.B. Calciumalginat oder κ-Carrageenan-Tröpfchen, weist den Nachteil
auf, dass das Verfahren instabil ist, beispielsweise aufgrund einer
unkontrollierten Freisetzung von Zellen durch Auflösen des
Polymers.
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Andere
Immobilisierungsträger
basieren auf der Anziehung negativ geladener Hefezellen durch die
positiv geladenen Gruppen an dem Träger, wie z.B. die DEAE-Gruppen von modifizierter
Zellulose. Die Benutzung von DEAE ist jedoch von Festbetten abhängig, die
bei der Hauptgärung
aufgrund von Diffusionsbeschränkungen
und Kanalbildung von CO2 schwierig anzuwenden
sind.
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Ein
anderer Nachteil von Verfahren, die auf einem derartigen Träger basieren,
ist, dass andere negativ geladene Gruppen, wie z.B. Proteine, ebenfalls
angezogen werden und vorher, beispielsweise durch Fällung, entfernt
werden müssen.
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Eine
neuere Gruppe von Immobilisierungsträgern basiert auf der Besiedlung
eines porösen
Mittels, wie z.B. poröse
Glaskügelchen
oder keramisches Material, wie z.B. Siliciumcarbid, durch Hefe. Deren
Benutzung erfordert jedoch Umwälzpumpen oder
das Einblasen großer
Mengen an CO2 in die Gäranlage.
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Kurzdarstellung
der Erfindung
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Benutzung eines
Zellimmobilisierungsträgers
mit einer hohen mechanischen Festigkeit, der chemisch inert ist,
leicht zu handhaben ist und leicht gereinigt werden kann, der rasche
Besiedlung und wirkungsvolles Entlüften von CO2 ermöglicht,
mit einer großen
spezifischen Oberfläche,
der daher durch eine große
Beladungsfähigkeit
gekennzeichnet ist, in Gärverfahren
und insbesondere zur kontinuierlichen Herstellung von Bier bereitzustellen.
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Gemäß einem
ersten Gesichtspunkt der Erfindung ist die Benutzung eines Zellimmobilisierungsträgers bereitgestellt.
Der Träger
ist besonders zur Immobilisierung von vergärenden Zellen wie z.B. Hefe,
geeignet.
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Der
Immobilisierungsträger
weist ein poröses
Mittel auf, das eine Porosität
aufweist, die größer als
70% ist. Stärker
bevorzugt ist die Porosität
des Trägers
größer als
75% und am stärksten
bevorzugt sogar größer als
80%, beispielsweise 85%.
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Ein
Träger,
der durch eine so große
Porosität gekennzeichnet
ist, kann durch Herstellen mindestens einer Schicht aus Fasern,
wie z.B. polymeren Fasern oder Metallfasern, erhalten werden. Der
Träger
weist zusätzlich
zu den Fasern gegebenenfalls Pulverteilchen auf.
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Um
eine Fasermigration zu vermeiden, wird vorzugsweise ein bestimmter
Grad an Bindung zwischen den Fasern erreicht.
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Techniken
zum Erzeugen von Bahnen polymerer Fasern sind beispielsweise das
Spun-Bonding, das Spun-Laying oder das Schmelzblasen.
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Der
Träger
weist mindestens eine Schicht aus Metallfasern auf, die gesintert
wurde. Das Mittel wird vorzugsweise verdichtet.
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Gegebenenfalls
ist der Träger
eine Schichtenstruktur, die eine Anzahl von Schichten aufweist. Jede
dieser Schichten weist eine Bahn von Metallfasern auf.
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Die
verschiedenen Schichten werden zur Bildung einer Schichtenstruktur
aufeinandergestapelt. Die so erhaltene Schichtenstruktur wird dann
gesintert und verdichtet.
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Der
Durchmesser der Metallfasern beträgt zwischen 1 μm und 30 μm, beispielsweise
zwischen 22 und 30 μm.
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Die
verschiedenen Bahnen der Schichtenstruktur können aus Fasern mit dem gleichen
oder mit einem unterschiedlichen Faserdurchmesser hergestellt sein.
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Metallfasern,
die für
den erfindungsgemäßen Immobilisierungsträger benutzt
werden, können
aus herkömmlichem
Metall oder Metallegierungen hergestellt sein.
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Bevorzugte
Legierungen sind rostfreier Stahl, wie z.B. rostfreier Stahl 316L,
Hastelloy®,
Inconel®,
Nichrome®,
Legierung HR.
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Diese
Materialien sind inert, geschmacksneutral und für Lebensmittel zugelassen.
Sie sind durch eine hohe mechanische Festigkeit und eine hohe chemische
Beständigkeit
gekennzeichnet.
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Das
Verdichten wird vorzugsweise durch einen isostatischen Kaltpressvorgang
durchgeführt,
da dies ermöglicht,
ein Mittel mit einer homogenen Porengrößenverteilung auf der gesamten
Oberfläche
zu erhalten.
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Es
kann bevorzugt sein, die verfügbare Oberfläche des
porösen
Mittels in einem minimalen Volumen des Gärbehälters zu maximieren.
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Durch
Maximieren der verfügbaren
Oberfläche
wird die Beladungsfähigkeit
maximiert.
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Die
Beladungsfähigkeit
ist vorzugsweise größer als
100 g/m2 und stärker bevorzugt größer als 150
g/m2, beispielsweise größer als 200 g/m2.
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Eine
große
Beladungsfähigkeit
resultiert in höheren
Reaktionsgeschwindigkeiten und in einer verbesserten Produktionsausbeute.
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Wie
oben erwähnt,
ist die Porosität
des Trägers
vorzugsweise groß.
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Die
offenporige Struktur ermöglicht
eine wirkungsvolle Entlüftung
von CO2 sowie eine rasche Besiedlung durch
die Zellen. Eine wirkungsvolle Entlüftung von CO2 ist
eine unbedingte Voraussetzung zur Erzielung eines optimalen Materialtransports.
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Die
große
Porosität
des Materials der Erfindung ist ein Hauptvorteil gegenüber den
existierenden Trägern,
wie z.B. SiC-Trägern,
die durch Diffusionsbeschränkungen
beeinträchtigt
sind. Diese Beschränkungen
resultieren in einer negativen Auswirkung auf die Leistungsfähigkeit
der Hefe.
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Da
die Poren homogen über
die gesamte Oberfläche
verteilt sind, erfolgt das Gärverfahren
in homogener Weise.
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Zudem
ist die Beladungsfähigkeit
aufgrund der großen
Porosität
des Trägers
groß.
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Der
erfindungsgemäß benutzte
Träger
weist den Vorteil auf, dass er für
optimalen Stoffübergang ausgelegt
werden kann.
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Der
Träger
weist vorzugsweise eine offene Struktur mit einer großen verfügbaren Oberfläche auf.
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Verschiedene
Ausführungsformen
können
in Betracht gezogen werden.
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Der
Träger
kann rohrförmig
sein oder alternativ mehrere Rohre aus dem erfindungsgemäßen Material
aufweisen, die konzentrisch umeinander angeordnet sind.
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Das
Mittel kann gefaltet, gewellt, gekräuselt oder geriffelt werden,
bevor ein Rohr gebildet wird. Gegebenenfalls kann zwischen zwei
aufeinanderfolgenden konzentrischen Rohren eine Abstandhalterschicht
angeordnet sein. Eine geeignete Abstandhalterschicht ist ein Netz,
beispielsweise eine regelmäßige gewebte
Struktur, die Metalldrähte
aufweist. Auch diese Abstandhalterschicht kann gefaltet, gewellt,
gekräuselt
oder geriffelt sein.
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Alternativ
kann eine Anzahl konzentrischer Rohre, die ein Netz aufweisen, umeinander
angeordnet sein, und zwischen diesen konzentrischen Rohren kann
das erfindungsgemäße Mittel,
entweder gewellt oder nicht, angeordnet sein.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist eine Bahn, die Metallfasern aufweist, unter Bildung eines Wickelrohres
um ihre Längsachse
aufgerollt.
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Auch
kann es ratsam sein, in dieser Ausführungsform eine Abstandhalterschicht
zu benutzen. Dabei wird eine Schichtenstruktur, die den Träger und
die Abstandhal terschicht aufweist, aufgerollt.
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Entweder
die Bahn aus Metallfasern oder die Abstandhalterschicht kann gefaltet,
gewellt, gekräuselt
oder geriffelt sein.
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Ein
erfindungsgemäß benutzter
Zellimmobilisierungsträger
weist den Vorteil auf, dass er durch modulare Bauweise leicht maßstabsvergrößert werden
kann.
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Ein
weiterer Vorteil des Immobilisierungsträgers ist, dass er leicht gereinigt
werden kann, beispielsweise durch Rückspülen. Da wiederholtes Rückspülen ermöglicht ist,
weisen die Träger
große Nutzungsdauern
auf.
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Das
Mittel kann auf eine chemische Weise oder mittels Dampfsterilisation
sterilisiert werden.
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Der
Träger
wird als Immobilisierungsträger zur
Herstellung von vergorenen Flüssigkeiten
benutzt. Insbesondere ist beabsichtigt, ihn zur Herstellung entweder
von untergärigem
oder obergärigem Bier
zu benutzen. Er kann jedoch auch zur Herstellung anderer alkoholischer
Getränke
benutzt werden.
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Das
endgültige
Ziel ist, den Träger
zur kontinuierlichen Herstellung von Bier zu benutzen.
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Gemäß einem
zweiten Gesichtspunkt ist die Benutzung eines erfindungsgemäßen Zellimmobilisierungsträgers zur
Hefegärung
bereitgestellt. Der Immobilisierungsträger ist insbesondere zur Benutzung
in einem kontinuierlichen Hefegärverfahren
geeignet.
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Eine
Vorrichtung zur kontinuierlichen Herstellung alkoholischer Getränke ist
beschrieben.
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Die
Vorrichtung weist einen Bioreaktor auf, der mindestens einen erfindungsgemäßen Immobilisierungsträger aufweist.
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Dieser
Bioreaktor ist vorzugsweise ein Gaslift-Saugrohr-Bioreaktor.
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Der
Immobilisierungsträger
befindet sich in dem Saug rohr innerhalb des Reaktors.
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Der
Träger
ist vorzugsweise in dem unteren Teil des Saugrohrs angeordnet; stärker bevorzugt
ist der Träger
am Boden des Saugrohrs angeordnet.
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Die
Immobilisierung der vergärenden
Zellen ist erforderlich, um das Auswaschen der Zellen während der
kontinuierlichen Gärung
zu verhindern.
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Vorzugsweise
sind mehr als 50% der Zellen in dem Reaktor immobilisiert. Dies
führt zu
einer höheren
Konzentration an Zellen in dem Saugrohr als in der Ringkammer, die
das Saugrohr umgibt, was eine höhere
CO2-Produktion in dem Saugrohr ergibt.
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Bedingt
durch die gesinterten Metallfasern in dem Immobilisierungsträger wird
zudem in dem Saugrohr zusätzliches
CO2-Gas erzeugt, da sich CO2-Blasen
leicht an scharfen Kanten bilden. Auf diese Weise wird die Konzentration
an löslichem
CO2 herabgesetzt, was für das Gärverfahren von Nutzen ist.
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Die
höhere
Produktion von CO2-Gas in dem Saugrohr als
in der Ringkammer begünstigt
den Kreislauf des gärenden
Mediums in dem Reaktor.
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Bedingt
durch seine offene Struktur mit einer großen Porosität ist der Immobilisierungsträger in dem
erfindungsgemäßen Gaslift-Saugrohr-Bioreaktor
besonders nützlich,
da der Immobilisierungsträger dem
zirkulierenden Medium wenig Widerstand bietet.
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In
der Vorrichtung ist die Benutzung mechanischer Pumpen oder das Einblasen
großer
Gasmengen zur Erzielung einer guten Durchmischung und eines Kreislaufs
des gärenden
Mediums nicht erforderlich.
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Demgegenüber werden
die Durchmischung und der Kreislauf des gärenden Mediums durch das CO2 bewirkt, das von den Hefezellen erzeugt
wird.
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Folglich
kann die erfindungsgemäße Vorrichtung
als eine energieeffiziente Vorrichtung angesehen werden.
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Der
Kreislauf des gärenden
Mediums begünstigt
eine stabile kontinuierliche Gärung.
Gegebenenfalls kann die Bewegung des gärenden Mediums durch begrenztes
zusätzliches
Einblasen optimiert werden.
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Der
Immobilisierungsträger
ist besonders im primären
Gärschritt
nützlich.
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Da
in einer derartigen Vorrichtung die Benutzung von Pumpen nicht mehr
erforderlich ist, ist das Verschmutzungsrisiko verringert.
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Dieses
Verschmutzungsrisiko ist in einem kontinuierlichen Gärverfahren
von besonderer Bedeutung.
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Gemäß einem
dritten Gesichtspunkt der Erfindung ist ein Verfahren zur kontinuierlichen
Herstellung von Bier oder anderen alkoholischen Getränken mittels
eines Gärverfahrens
bereitgestellt. Das Gärverfahren
wird in einem Bioreaktor, wie z.B. einem Gaslift-Saugrohr-Bioreaktor, mit einem
Immobilisierungsträger
wie oben beschrieben durchgeführt.
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Ein
bevorzugtes Verfahren weist die folgenden Schritte auf
- – Bereitstellen
eines Immobilisierungsträgers
wie oben beschrieben,
- – Immobilisieren
von Hefe auf dem Träger,
- – Versorgen
des Bioreaktors mit Nährstoff,
vorzugsweise in einer kontinuierlichen Weise,
- – Überführen einer
Menge an Bier, vorzugsweise in einer kontinuierlichen Weise. Das überführte Bier
kann weiterbehandelt werden; beispielsweise wird das Bier zu einer
abschließenden
Behandlung zum Aufarbeitungstank überführt.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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Die
Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
ausführlicher
beschrieben, wobei
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1 bis 6 die
Querschnitte verschiedener Ausführungsformen
von erfindungsgemäßen Immobilisierungsträgern zeigen,
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7 die
Vorrichtung für
die kontinuierliche Gärung
zeigt.
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Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsformen der
Erfindung
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Ein
geeignetes poröses
Mittel für
einen Immobilisierungsträger
weist zwei Schichten auf, wobei jede dieser Schichten eine Bahn
von Metallfasern aufweist.
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Eine
erste Schicht weist eine ungewebte Bahn von Metallfasern mit einem
Durchmesser von 22 μm
auf. Eine zweite Schicht weist eine Bahn von Metallfasern mit einem
Durchmesser von 30 μm
auf.
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Metallfasern
werden mittels Bündelziehens erhalten,
wie z.B. in
US 3,379,000 beschrieben.
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Die
erste und die zweite Schicht werden mit einander in Berührung gebracht,
und in einem nachfolgenden Schritt wird die erhaltene Schichtenstruktur
gesintert und mittels eines isostatischen Kaltpressvorgangs verdichtet.
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Der
Immobilisierungsträger
weist ein Gewicht von 1.200 g/m2 und eine
Porosität
von 76,78% auf.
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Verschiedene
Ausführungsformen,
die aus diesem porösen
Mittel hergestellt werden, können
in Betracht gezogen werden. Im Prinzip kann jede Trägerbauart,
die ein Mittel mit einer großen
Porosität aufweist
und durch eine große
Beladungsfähigkeit gekennzeichnet
ist, zur Herstellung von alkoholischen Getränken benutzt werden. In den 1 bis 6 sind
einige veranschaulichende Beispiele gezeigt.
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1 zeigt
einen Immobilisierungsträger 10, der
3 konzentrische, mit einem Abstand zueinander angeordnete Rohre 11, 12, 13 aufweist.
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Das
poröse
Mittel ist in die Form eines Rohres 11, 12, 13 gewickelt
und verschweißt.
Zur Bildung des Immobilisierungsträgers kann eine Anzahl dieser Rohre
konzentrisch umeinander angeordnet werden.
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Vorzugsweise
weisen die Rohre einen runden oder elliptischen Querschnitt auf.
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Der
Träger
weist beispielsweise eine Länge von
1.500 mm und einen Außendurchmesser
von 100 mm auf.
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Die
Größe und die
Anzahl der Rohre bestimmen die verfügbare Oberfläche des
Trägers
und als eine direkte Auswirkung die Beladungsfähigkeit des Trägers.
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Wahlweise
ist zwischen zwei benachbarten konzentrischen Rohren eine Abstandhalterschicht eingefügt.
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Der
Querschnitt einer bevorzugten Ausführungsform eines Immobilisierungsträgers 20,
der drei konzentrische Rohre 21, 22, 23 und
Abstandhalterschichten 24, 25 zwischen zwei benachbarten
Rohren aufweist, ist in 2 gezeigt.
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Die
Abstandhalterschicht ist beispielsweise ein regelmäßiges gewebtes
Netz, das in den Raum eingefalzt ist, der zwischen zwei benachbarten
Rohren erzeugt ist.
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3 zeigt
den Querschnitt einer weiteren Ausführungsform.
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Der
Immobilisierungsträger 30 weist
drei konzentrische, mit einem Abstand zueinander angeordnete Rohre 31, 32, 33 auf.
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Das
Mittel wird gewellt, bevor die Rohre gebildet werden.
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Gegebenenfalls
kann zwischen zwei benachbarten konzentrischen Rohren eine Abstandhalterschicht
angeordnet sein.
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Durch
Wickeln des Mittels kann die verfügbare Oberfläche je Volumeneinheit
vergrößert werden.
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4 zeigt
eine Ausführungsform,
in der eine Bahn von Metallfasern mit einer Porosität von 85%
unter Bildung eines Wickelrohres um ihre Längsachse aufgerollt ist. Der
Querschnitt des Trägers
ist eine Spiral linie.
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Das
Wickelrohr weist eine Länge
von 1.500 mm und einen Außendurchmesser
von 100 mm auf.
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Das
poröse
Mittel kann gefaltet, gewellt, gekräuselt oder geriffelt werden,
bevor es aufgerollt wird.
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5 zeigt
eine alternative Weise des Wickelns des porösen Mittels, um die Oberfläche je Volumeneinheit
zu vergrößern.
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Die
Ausführungsform
von 6 wird erhalten durch:
- – Bilden
einer Schichtenstruktur durch Inberührungbringen des porösen Mittels 61 mit
einer Abstandhalterschicht 62,
- – Aufrollen
der Schichtenstruktur unter Bildung eines Wickelrohrs.
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Die
Abstandhalterschicht 62 ist beispielsweise ein gefaltetes
Netz.
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Alternativ
kann das Netz unter Bildung eines Wickelrohrs aufgerollt werden,
und das poröse
Mittel kann in den Raum eingefalzt werden, der von dem Netz erzeugt
wird.
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7 zeigt
die Vorrichtung, die einen Vorratstank 1, einen Gaslift-Bioreaktor 6 und
einen Aufarbeitungstank 15 aufweist.
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Eine
Beschickungspumpe 3 versorgt durch das Beschickungsrohr 4 und
den Einlass 5 den Bioreaktor 6 mit frischem Medium 2.
Dieses Medium vermischt sich mit dem gärenden Medium 7. Das
gärende
Medium bewegt sich in der Ringkammer 11 abwärts und
in dem Saugrohr 8 aufwärts.
Dieser Kreislauf wird durch das CO2-Gas 10 bewirkt,
das von dem Immobilisierungsträger 9 freigesetzt
wird, was zur Bildung eines Dichteunterschieds zwischen der Aufstiegszone,
die durch das Saugrohr 8 festgelegt ist, und der Abstiegszone
führt,
die durch die Ringkam mer 11 festgelegt ist, die das Saugrohr
umgibt.
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Zwei
Leitfähigkeitsmessgeräte 20 und 21 messen
die Homogenität
des gärenden
Mediums 7. Die beiden Leitfähigkeitsmessgeräte sind
mit einer Ablesevorrichtung 22 verbunden, die mit einem
Computer 23 verbunden ist.
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Das
System wird durch das CO2 angetrieben, das
von den Hefezellen erzeugt wird.
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Normalerweise
ist Einblasen oder Umpumpen nicht erforderlich.
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Wenn
ein Zustand der Inhomogenität
eintritt, wird der Computer 23 ein Luftventil 26 derart
regulieren, dass eine Menge an Gas eingeblasen wird, die für einen
optimalen Kreislauf nötig
ist.
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Zu
diesem Zweck ist der Computer 23 mit einem verstellbaren
Luftventil 26 verbunden. Das Luftventil ist zwischen einer
Gas-Einlapressleitung 27, beispielsweise für CO2 und/oder O2, und
einer Einblasvorrichtung 24 angeordnet. Die Einblasvorrichtung 24 ist
mit einem Sterilluftfilter 25 ausgestattet.
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Das
Medium 2 wird durch freie Zellen in dem gärenden Medium 7 und
durch immobilisierte Zellen auf dem Träger 9 vergoren.
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Das
Medium 2 wird vorzugsweise mit Sauerstoff angereichert,
um die vergärenden
Zellen in dem Bioreaktor mit ausreichend Sauerstoff zu versorgen.
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Das
vergorene Bier strömt
durch den Auslapress 12 über die Rohrleitung 13 in
den Behälter
für fertiges
Bier 14, in dem das fertige Bier 15 aufgefangen
wird.
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Das
erzeugte CO2 kann durch ein Ventil 16 entweichen.
Es ist möglich,
das erzeugte CO2 mittels einer CO2-Rückgewinnungsvorrichtung
zurückzugewinnen.
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Der
Träger 9 ist
in dem Reaktor mittels Drähten 19 befestigt.
Der Träger 9 ist
am Boden des Saugrohrs 8 befestigt. Das Saugrohr 8 ist
in dem Reaktor 6 bei spielsweise auf 14% der Flüssigkeitshöhe 7 angeordnet.
Das Verhältnis
von Reaktordurchmesser zu Saugrohrdurchmesser ist gleich der Quadratwurzel
von 2. Die Höhe
des Saugrohrs entspricht beispielsweise 75% der Flüssigkeitshöhe. Die
Flüssigkeitshöhe entspricht
beispielsweise 66% der Reaktorhöhe;
der Kopfraum von 34% ist für
die Schaumbildung nötig.
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Die
immobilisierten Zellen können
durch Rückspülen des
Trägers
entfernt werden.
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Dabei
können
kaltes oder heipresses Wasser, NaOH-Lösung und/oder enzymatische
Lösungen,
wie z.B. Glucanase und Xylanase, benutzt werden.
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Die
Sterilisation des Mittels ist beispielsweise durch Dampfsterilisation
oder durch Spülen
des Mittels mit einem Gemisch aus Peressigsäure und H2O2 (1,5 Vol.%) möglich.