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Verfahren und Vorrichtung zum kontinuierlichen Vergären von Lösungen fiir die Gewinnung von Gärungserzeugnissen oder von Mikroorganismen.
Die Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtung zur kontinuierlichen Vergärung von Lösungen, u. zw. sowohl für die Gewinnung von Gärungsprodukten wie auch für die Züchtung von Mikroorganismen, und bezweckt, eine vorteilhafte Ausnutzung der besonderen Verhältnisse zu ermöglichen, die sich durch die strömende Gärflüssigkeit in Verbindung mit ihrem wechselnden Gehalt an Nährstoffen und suspendierten Mikroorganismen und der Beeinflussbarkeit dieser Verhältnisse ergeben.
Bekannt sind kontinuierliche Gärverfahren, bei denen mit Hilfe von Rührwerken oder Luftoder Gasinjektoren die Mikroorganismen ganz allgemein in Suspension in der Gärflüssigkeit gehalten werden, damit die Nährstoffe zu allen Zellen Zutritt haben. Auch die Beschleunigung des Verbrauchs der in der Nährlösung enthaltenen Nährstoffe durch die Anwendung grosser Mengen von Mikroorganismen ist bekannt.
Zur Durchführung derartiger Verfahren sind Gefässe vorgeschlagen worden, in denen die Gärflüssigkeit durch vertikale Scheidewände bei horizontaler Fortbewegung zur Einhaltung eines Zickzackweges gezwungen wird.
Der wesentliche Gedanke der Erfindung und die Mittel zu seiner Verwirklichung sind in der Hauptsache dadurch gekennzeichnet, dass die Gärflüssigkeit mit den darin durch die bekannten Mittel suspendierten Mikroorganismen in zwei oder mehreren aufrecht stehenden Doppelkammersystemen auf-und absteigend derart geführt wird, dass ihr hiebei einmal oder wiederholt mikroorganismenhaltige Flüssigkeit mit erschöpftem oder geringerem Nährstoffgehalt aus andern Stellen des gleichen Gefässes zugeführt wird. Ein Zumischen unverbrauchter oder weniger verbrauchter Gärflüssigkeit wird hiebei zielbewusst vermieden, um nicht den zum weitgehenden Aufbrauch der gesamten Nährstoffe erforderlichen Weg unnötig zu verlängern.
Am Ende des Weges der Gärfliissigkeit, noch innerhalb des Gärgefässes, werden in einem Teil der erschöpften Gärflüssigkeit die Mikroorganismen durch Schwerkraft angereichert und dieser mikroorganismenreiche Teil der erschöpften Gärflüssigkeit der Eintrittsstelle
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schöpften Gärflüssigkeit das Gefäss verlässt.
Die Vermischung der in ein Gärgefäss eintretenden oder darin befindlichen Nährflüssigkeit mit einer bereits vergorenen Würze von durchschnittlichem oder überdurchschnittlichem Organismengehalt ist in der Form bekannt, dass die organismenhaltige Flüssigkeit von aussen her in das Gärgefäss bzw. zu dessen Eintrittsstelle bedarfsweise zugeleitet wird, wobei die organismenhaltige Flüssigkeit ausserhalb des Gärgefässes durch Trennung aus der verbrauchten Würze gewonnen wird. Im Gegensatz hiezu spielen sieh im Sinne der Erfindung alle Trennungs-und Misehvorgänge innerhalb des Gärgefässes ab.
Kontinuierlich ist das Verfahren gemäss der Erfindung in dem Sinne, dass fortgesetzt frische Gärflüssigkeit oder Nährlösung zugeleitet und ebenso gleichmässig vergorene Flüssigkeit oder aufgebrauchte Nährlösung abgeleitet wird.
Für die Erläuterung der Erfindung wird im folgenden als Beispiel im wesentlichen nur die Züchtung von Mikroorganismen behandelt. Die Ausführungen gelten sinngemäss jedoch auch für die Erzeugung von Gärungsprodukten wie Alkohol, Milchsäure, Azeton, Essigsäure, Glyzerin, Butylalkohol u. a. durch Mikroorganismen.
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Bei Gärprozessen und Vermehrungsprozessen von Mikroorganismen setzen sieh die Mikroorganismen leicht aus den Lösungen ab, wenn diese weitgehend vergoren sind bzw. wenn die Nähr- stoffe weitgehend aufgebraucht sind. Es besteht dann die Möglichkeit, aus dem Gärgefäss Flüssigkeit mit einem geringeren Gehalt an Mikroorganismen zu entnehmen, als durchschnittlich im Gärgefäss angewendet sind. Diese Möglichkeit wird erfindungsgemäss für die Ausbildung eines neuen kontinuierlichen Gärverfahrens benutzt.
Der Verbrauch der in der zugeführten Nährlösung enthaltenen Nährstoffe lässt sieh durch die Anwendung grosser Mengen von Mikroorganismen in bekannter Weise beschleunigen. Diese grossen Mengen von Mikroorganismen müssen aber durch besondere Massnahmen-beispielsweise durch Rühr- werk, Belüftung oder hohe Strömungsgeschwindigkeit der Nährlösung - in Suspension erhalten werden, damit die Nährstoffe zu allen Zellen Zutritt haben und Stoffwechselerzeugnisse und Gärungsprodukte schnell abtransportiert werden können.
Bei dem vorliegenden neuen kontinuierlichen Giirverfahren sollen, bevor die Lösung nach dem weitgehenden Aufbrauch der Nährstoffe das Gärgefäss verlässt, die besonderen Massnahmen zur Erhaltung der Suspension der Mikroorganismen fortfallen. Damit wird erreicht, dass der durch den Verbrauch der Nährstoffe bedingte geringere Gehalt der ablaufenden verbrauchten Lösung an Mikroorganismen gegenüber dem Gehalt der unverbrauchten Lösung an Mikroorganismen weiter vermindert wird. Insbesondere bei der Züchtung von Mikroorganismen wie Hefe, Milchsäurebakterien u. a. kann, je nach der Nährstoffkonzentration und der Ausgestaltung des Gärapparates, die mit der verbrauchten Nährlösung absehwimmende Menge von Mikroorganismen so gering sein, dass sie ungefähr dem Zuwachs entspricht.
Der Bestand an Mikroorganismen im Gärgefäss bedarf in solchen Fällen keiner oder nur geringer Ergänzung durch Aussaat frischer Mikroorganismen. Im Gegensatz dazu kann bei den Prozessen zur Erzeugung von Gärungsprodukten, bei denen man in der Regel die Vermehrung der Mikroorganismen weitgehend zu unterdrücken versucht, die Zuführung frischen Mikroorganismensaatgutes zum Ersatz für die abschwimmenden Mikroorganismen erforderlich sein.
Die Nährlösung wird unter Aufrechterhaltung der Suspension der darin enthaltenen Mikroorganismen durch Rühren mit mechanischen Mitteln oder mit Luft oder mit andern Gasen oder durch hohe Geschwindigkeit oder durch andere bekannte Mittel bis zum Aufbraueh der Nährlösung derart geführt, dass dieser durchfliessenden Nährlösung an keiner Stelle ihres Weges frische oder weniger verbrauchte Nährlösung sich beimischen kann. Die zur Suspendierung der Mikroorganismen ange-
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benutzt werden.
In besonderen Fällen, bei denen infolge der Art oder der Menge der angewendeten Mikroorganismen besondere Mittel zur Erhaltung der Suspension der Mikroorganismen nicht erforderlieh sind, genügt es, wenn die Fortbewegung der Nährlösung auf dem dafür bestimmten Weg durch irgendwelche mechanische Mittel bewirkt wird, wie Pumpen, Injektoren usw., oder auch durch Einblasen von Luft oder Gasen, wenn dies für die angewendeten Mikroorganismen bzw. die Nährstoffe oder Produkte nicht nachteilig ist.
Auf dem Wege der Nährlösung werden die vorhandenen Nährstoffe weitgehend aufgebraucht.
Vor dem Herausleiten der verbrauchten Nährlösung aus dem Gärgefäss auf dem letzten Teil des Weges der Nährlösung werden die zur Erhaltung der Suspension der Mikroorganismen angewendeten Mitte) fortgelassen oder abgestellt. Ein Teil der Mikroorganismen scheidet sich infolge der durch den Mangel an Nährstoffen herabgesetzten Lebenstätigkeit und infolge des Fehlens von Mitteln zur künstlichen Suspendierung aus der verbrauchten Lösung aus und ein Teil der verbrauchten Nährlösung verlässt das Gärgefäss mit einem verminderten Gehalt an Mikroorganismen.
Die aus der Suspension ausgeschiedenen Mikroorganismen werden zusammen mit dem ändern Teil der verbrauchten Nährlösung der Eintrittsstelle der frischen Nährlösung zugeführt, ohne das Gärgefäss zu verlassen, und gelangen unter Vermischung mit der frischen Nährlösung erneut in Suspension.
Unter Verbrauch der Nährstoffe wiederholen die zurückgeleiteten Mikroorganismen den bereits zurückgelegten Weg.
Die Durchführung des Verfahrens gemäss der Erfindung wird weiterhin durch die beigefügte Zeichnung an einigen Beispielen erläutert : Fig. 1 zeigt schematisch im Schnitt einen zur Durchführung des neuen Verfahrens geeigneten Apparat, Fig. 2 einen ähnlichen Apparat, jedoch mit gewissen Abweichungen, ebenfalls sehematisch im Schnitt. Die Fig. 3,4, 5 und 6 sind Schaubilder, welche schematisch und ohne Rücksicht auf die massstäblichen Verhältnisse Beispiele für verschiedene Strömungsverhält- nisse im Apparat nach Fig. 1 versinnbildlichen.
Der Apparat nach Fig. 1 ist zwecks Erhaltung der Suspension der angewendeten Mikroorganismen und gleichzeitig zur Beförderung der Nährlösung auf dem beabsichtigten Weg mit einer Einrichtung zum Belüften bzw. zum Rühren mit Gasen (Kreislaufkohlensäure, indifferente Gase o. a.) versehen.
Die frische Nährlösung wird bei 1 kontinuierlich zugeleitet und in der Steigkammer i durch die aus der Belüftungseinrichtung 2 aufsteigenden Luft-oder Gasblasen nach oben getrieben. Nachdem in der Steigkammer bereits ein Teil der Nährstoffe verbraucht ist, sinkt die Flüssigkeit in der Fallkammer B wieder nach unten. Durch die aus der Belüftungseinrichtung. 3 aufsteigenden Blasen wird die Nährlösung in der Steigkammer C wieder aufwärts getrieben. In den Kammern B und C werden
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Die gezeichneten Belüftungseinriehtungen können auch durch mechanische Rührwerke ersetzt werden oder die Aufwärtsbewegung der Nährlösung in den Kammern. 1, C und E kann durch Pumpen oder durch Injektoren bewirkt werden, wobei die Erhaltung der Suspension der Mikroorganismen durch hohe Strömungsgeschwindigkeit begünstigt werden kann. Es genügt dabei, wenn die hohe Strömungsgeschwindigkeit am unteren Ende der Steigkammern. 1, C und E durch entsprechende Querschnittsverminderung herbeigeführt wird. Die Aufwärtsbesehleunigung der Nährlösung kann durch dieselben Mittel wie sonst erfolgen, z. B. Belüftung, Rührwerke, Pumpen, Injektoren usw.
In einem in Fig. 2 dargestellten entsprechend ausgebildeten Gärgefäss sind Injektoren 15 und 16 zur Aufwärtsbesehleunigung der Nährlösung verwendet. Die Injektoren können mit Gasen oder Flüssigkeiten, z. B. verbrauchter Nährlösung, betrieben werden. Das in Fig. 2 dargestellte Gärgefäss zeigt abweichend von demjenigen nach Fig. 1 nur zwei Doppelkammersysteme 1 + B und C + D zusammen mit der Endsteigkammer G. Der Kanal 5 ist hier schräg gelegt, damit das Zurückfliessen
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können bei schwer oder langsam verlaufenden Gärungen oder Züchtungsprozessen eine grössere Anzahl solcher Doppelkammersysteme angewendet werden. Wenn die Gärung bzw. die Umsetzung der Nährstoffe rasch erfolgt, genügt es, wenn statt drei nur ein oder zwei Doppelkammersysteme angewendet werden.
In den Fig. 3,4, 5 und 6 sind in Schaubilder für den in Fig. 1 dargestellten Apparat verschiedene Möglichkeiten der Lenkung und Unterteilung des Flüssigkeitsstromes innerhalb des Apparates dargestellt. Die Kammern und Kanäle sind mit gleichen Buchstaben und Ziffern bezeichnet wie in Fig. 1.
Durch Anwendung beliebig hoher Mikroorganismenkonzentration können sonst sehr langsam verlaufende Prozesse mit dem neuen Verfahren in verhältnismässig kurzer Zeit durchgeführt werden.
Die sofort eintretende Verdünnung der zugeführten frischen Gärflüssigkeit bzw. Nährlösung mit einer beliebigen Menge vergorener bzw. aufgebrachter Lösung ist in verschiedener Beziehung vorteilhaft. Der Nährstoffgehalt der Würze bzw. die zu vergärenden Produkte erfahren eine Verdünnung, welche die Gärung bzw. das Wachstum der Mikroorganismen begünstigt, ohne dass im Endergebnis eine Verdünnung der vergorenen Würze bzw. Verminderung der Konzentration der Gärung- produkte eintritt.
Die Schutzwirkung der Gärungsprodukte, beispielsweise des erzeugten Alkohols,
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Das neue Verfahren eignet sich auch zur Durchführung von Gärungsprozessen und Vermehrungs- prozessen von Mikroorganismen in absoluter Reinzueht, wenn die zugeführte Würze sterilisiert und etwa angewendete Belüftungsgase keimfrei gemacht werden. Das Gärgefäss kann leicht allseitig so dicht geschlossen werden, dass ein Eindringen von Keimen nicht möglich ist. Für die austretende verbrauchte Flüssigkeit und etwaige Belüftungsgase bzw. Gärungsabgase kann eine geeignete Anordnung der Austrittsöffnungen und sonstige geeignete Massnahmen, z. B.
Führen der Gase durch sterile Flüssigkeitsverschlüsse bzw. durch hohe Ausströmgeschwindigkeit von Gasen oder Flüssigkeiten das Eindringen von Keimen in das Gärgefäss ausschliessen.
PATENT-ANSPRUCHE :
1. Verfahren zum kontinuierlichen Vergären von Lösungen für die Gewinnung von Gärungs- erzeugnissen oder von Mikroorganismen unter Verwendung bekannter Mittel zum Suspendieren der Mikroorganismen in der Gärflüssigkeit, dadurch gekennzeichnet, dass die Gärflüssigkeit in zwei oder mehreren aufeinanderfolgenden aufrechten Doppelkammersystemen auf-und absteigend derart geführt wird,
dass ihr hiebei-einmal oder wiederholt-mikroorganismenhaltige Flüssigkeit mit erschöpftem oder geringem Nährstoffgehalt aus andern Stellen des gleichen Gärgefässes zufliesst olme Zumisehen von unverbrauehter oder weniger verbrauchter Gärflüssigkeit und dass am Ende des Weges der Gärflüssigkeit noch innerhalb des Gärgefässes in einem Teil der erschöpften Gärflüssigkeit die Mikroorganismen durch Schwerkraftwirkung angereichert werden und dieser mikroorganismenreiehe Teil der erschöpften Gärflüssigkeit der Eintrittsstelle der frischen Gärflüssigkeit innerhalb des Gefässes zufliesst, während der mikroorganismenarme Teil der erschöpften Gärflüssigkeit austritt.