DD209653A5 - Verfahren zur kontinuierlichen herstellung von alkohol - Google Patents
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Abstract
ES WIRD EIN FERMENTATIONSVERFAHREN UND EINE FERMENTATIONSVORRICHTUNG ZUR KONTINUIERLICHEN HERSTELLUNG VON ALKOHOL DURCH FERMENTATION AUS EINER FERMENTATIONSFLUESSIGKEIT BESCHRIEBEN, D. IN EINEM GESCHLOSSENEN KREISLAUF UNTER D. WIRKUNG EINES LUFTHEBERS BZW. EINER MAMMUTPUMPE ZIRKULIERT, WOBEI FRISCHE FERMENTATIONSFLUESSIGKEIT KONTINUIERLICH IN D. KREISLAUF EINGEGEBEN U. FERMENTIERTE FERMENTATIONSFLUESSIGKEIT KONTINUIERLICH AUS DEMKREISLAUF ENTNOMMEN WIRD. EIN FERMENTATIONSTANK (1) BESITZT IN SEINEM UNTEREN TEIL EINE HYDRAULISCHE RUEHRVORRICHTUNG (2), DIE MIT EINER RUECKLAUFLEITUNG (3) FUER DIE ZURUECKGEFUEHRTE FERMENTATIONSFLUESSIGKEIT VERBUNDEN IST. EIN GEGENDRUCKVENTIL (4) IST AM OBERTEIL DES TANKS VORGESEHEN, UM DIE AUSDEHNUNG VON KOHLENDIOXID-GAS, DAS WAEHREND DER FERMENTATION FREIGESETZT WIRD, IM TANK ZU VERHINDERN. EIN LUFTHEBER BZW. EINE MAMMUTPUMPE (5) IST UEBER DEM GEGENDRUCKVENTIL ANGEORDNET, SO DASS SIE VERMITTELS DES KOHLENDIOXIDGASES BEI DESSEN EXPANSION BETAETIGT WIRD. DIE MIT DEM SCHEITEL DER MAMMUTPUMPE (5) VERBUNDENE RUECKLAUFLEITUNG (3) BESITZT IN IHREM OBEREN TEIL EINE GAS-ZUFUEHRVORRICHTUNG (7,8,9), DIE DAZU DIENT, DIE FERMENTATIONSFLUESSIGKEIT MIT SAUERSTOFF ZU VERSORGEN, UND DIESE RUECKLAUFLEITUNG IST SO ANGEORDNET, DASS EIN TURBULENTES AB- BZW. HINDURCHFLIESSEN DER ZURUECKGEFUEHRTEN FERMENTATIONSFLUESSIGKEIT SICHERGESTELLT IST. DAS VOLUMEN DER FERMENTATIONSVORRICHTUNG ODER DER FERMENTATIONSFLUESSIGKEIT IN DEM KREISLAUF BETRAEGT MEHR ALS 50 M HOCH 3.
Description
Berlin, den 5.9»1983 AP О 12 P/250 125/5 62 353/11/37
Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von Alkohol Anwendungsgebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von Alkohol durch Fermentation einer Fermentationsflüssigkeit, die unter der Wirkung einer Mammutpumpe in einem geschlossenen Kreislauf zirkuliert, wobei kontinuierlioh frische Fermentationsflüssigkeit dem Kreislauf zugegeben und kontinuierlich fermentierte Fermentationsflüssigkeit aus dem Kreislauf entnommen wird·
Weiterhin betrifft die Erfindung eine Ferment ationsvorrichtung zur kontinuierlichen Erzeugung von Alkohol, die einen Fermentationstank und eine mit diesem einen geschlossenen Kreislauf bildende Mammutpumpe, eine Vorrichtung zum Zuführen von frischer Fermentationsflüssigkeit und eine Vorrichtung zur Entnahme von fermentierter Fermentation's·* flüssigkeit umfaßt.
Charakteristik der bekannten technischen Lösungen
Ea sind verschiedene Verfahren und Fermentationsvorrichtungen zur kontinuierlichen Erzeugung von Alkohol bekannt, bei denen die Zirkulation eines an vergärbarem Zucker reichen Kulturmediums, das im folgenden als "Fermentationsflüssigkeit11 bezeichnet wird, entweder mit Hilfe einer gewöhnlichen Pumpe oder mit Hilfe einer Mammutpumpe sichergestellt wird, die mittels eines Kompressors versorgt wird· ^s ist sogar ein Verfahren bekannt, bei dem die Zirkulation lediglich
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durch das iäntweichen des Kohlendioxid-Gases sichergestellt wird, daa im Verlauf der Fermentation erzeugt wird.
Bei diesem letzteren bekannten Verfahren ändern sich die Fermentationsbedingungen in sehr starkem Maße in Abhängigkeit von der Höhe im Fermentationstank aufgrund der expansion und der gegenseitigen Vereinfachung von aufsteigenden Blasen des Kohlendioxid-Gases, und selbst dann, wenn die erzielte gewichtsmäßige Ausbeute in Alkohol in bezug zum Gewicht des verwendeten vergärbaren Zuckers gut ist, ist die Produktivität gering im Vergleich zum Ausmaß der Anlage.
Bei den anderen oben genannten Verfahren gelingt es, sowohl angemessene Produktivitäten als auch gute Ausbeuten zu erzielen, die nahe am theoretischen Maximum liegen. Das Verdünnungsverhältnie, d. h. das Verhältnis zwischen der Menge der pro Stunde zugegebenen frischen Fermentationsflüssigkeit und der Menge der im Kreislauf enthaltenen Fermentationsflüssigkeit, sind dabei beträchtlich, d. h. zwischen 10 % und einigen 10 %, Per Gehalt an Aktivhefe der Fermentationsflüssigkeit ist, dabei in der Größenordnung von 50 g Trockenmasse Hefe je Liter, wobei die zugegebene frische FermentationsflUssigkeit ungefähr 100 bis 150 g vergärbaren Zucker je Liter enthält und die entnommene fermentierte Fermentationsflüssigkeit ungefähr 6,5 % bis 8,5 % Alkohol aufweist. Alle diese Zahlenwerte sind beträchtlich und ergeben sich bei den besten dieser bekannten Fermentationsverfahren.
Die Abmessungen dieser Fermentationsvorrichtungen und die Mengen an FermentationsflUseigkeit, die mit Hilfe dieser
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bekannten Verfahren verarbeitet werden, sind jedoch vergleichsweise bescheiden, d. h., sie liegen zwischen einigen Litern bis einigen Kubikmetern. Der Grand hierfür muß dabei in der Tatsache gesucht werden, daß es sehr schwierig ist, in einer iermentationsvorrichtung, die einige 10 oder sogar einige 100 Kubikmeter umfaßt, gleichmäßige und günstige Bedingungen für eine alkoholische Fermentation bzw. Gärung aufrechtzuerhalten, ohne auf ernsthafte technische und wirtschaftliche Schwierigkeiten zu stoßen· Wenn man nämlich eine.gute Übertragung allein des für ihren anaeroben Stoffwechsel erforderlichen Sauerstoffs zur Hefe sicherstellen will, ist es erforderlich, einerseits für eine gute Bewegung des Mediums und andererseits für eine angemessene Konzentration des Sauerstoffs in der Gasphase zu sorgen. Wenn man die Abmessungen der Fermentationsvorrichtung vergrößert, vergrößert man auch die Inhomogenität der im Fermentationsmedium herrschenden Bedingungen, insbesondere in Abhängigkeit von der Hcfce des Tanks. Die Wiederherstellung dieser Homogenität würde für die bekannten Fermentationsvorrichtungen und die bekannten Fermentationsverfahren komplizierte Einblasbzw. Zuführvorrichtungen für Gas mit veränderlichem Druck und/od-er differentielle Rührvorrichtungen erfordern, die gleichmäßig über die gesamte Höhe des 'J?anka verteilt sind. Die Aufrechterhaltung dieser Homogenität könnte nur unter Aufwendung einer sehr großen Rühr- bzw. Durchmlsohungsenergie sichergestellt werden, was zu untragbar hohen Kosten führen würde.
Ziel der Erfindung
Ziel der Erfindung ist die Bereitstellung eines Fermentationsverfahrens und einer Fermentationsvorrichtung zur kontinuier-
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liehen Erzeugung топ Alkohol, die man In großem Maßstab realisieren kann, ohne auf die oben erwähnten technischen und wirtschaftlichen Hindernisse zu stoßen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Bedingungen im Tank sowie die Bedingungen der Sauerstoffzufuhr zu verbessern· Zu diesem Zweck ist das erfindungsgemäße Verfahren dadurch gekennzeichnet, daß man die Fermentationsflüssigkeit im unteren Teil eines Fermentationstankes durch Einspritzen bzw· Zugabe eines absteigenden Stroms von zurückgeführter Fermentationsflüaaigkeit durchrührt, daß man im oberen Bereich des Tanks einen Gegendruck ausübt» damit das durch die Fermentation freigesetzte Kohlendioxid-Gas im oberen Teil des Tanks komprimiert bleibt, daß man das Kohlendioxid-Gas die Wirkung einer Mammutpumpe in einer Pumpsäule ausüben läßt, die über dem Tank angeornßet ist, daß man die Ferment at ionsflüsaigke It dadurch zurückführt, daß man sie in einem turbulenten Zustand in einer Rücklaufleitung hinunterströmen läßt und daß man eine Misohung aus Sauerstoff und inertem Gas in den oberen Teil der Rücklaufleitung injiziert bzw. einbläst·
Eine FermentationsVorrichtung gemäß der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Tank in seinem unteren Teil eine hydraulische Rührvorrichtung aufweist, die mit einer Rücklaufleitung für die zugeführte Permentationsflüssigkeit verbunden ist, daß ein Gegendruckventil am Scheitel bzw· oberen Bereich des Tanks vorgesehen ist, um eine Expansion des während der Fermentation freigesetzten Kohlendioxid-
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Gases im Tank zu verhindern, daß die Mammutpumpe über dem Gegendruckventil angeordnet iat, um durch das besagte Kohlendioxid-Gas bei dessen Expansion betätigt zu werden, daß die Rücklaufleitung, die mit dem oberen Ende der Mammutpumpe verbunden ist, in ihrem oberen Teil eine Vorrichtung zum Einblasen von Gas aufweist, um die Fermentationsflüssigkeit mit Sauerstoff zu versorgen, und daß die Rücklaufleitung so angeordnet ist, daß eine turbulente Strömung der zurückgeführten Fermentationsflüssigkeit sichergestellt
Das erfindungsgemäße Fermentationsverfahren und die erfindungsgemäße Fermentationsvorrichtung ermöglichen es, das gesetzte Ziel zu erreichen und führen im übrigen zu einer Vielzahl von Vorteilen. Insbesondere sind sie so konzipiert, daß nur die Menge an Sauerstoff, die für die anaerobe Gärung der Hefe erforderlich ist, in die Fermentationsflüssigkeit injiziert bzw· eingeblasen werden kann· Auf diese Weise kann man je Stunde eine Menge des Gasgemisches zugeben, die weniger als 0,15 ml Sauerstoff bei Atmosphärendruck je Gramm Irockengewichtsmasse der in der Fermentationsflüssigkeit vorhandenen Hefe enthält· Diese Mengen liegen unter denjenigen, die in den bekannten Verfahren empfohlen werden· Dadurch, daß man radikal sowohl die Bedingungen, unter denen man den Sauerstoff in die Fermentationsflussigkeit einführt, als auch die Bedingungen verbessert, die im !ank herrschen, kommt man ohne jeglichen Überschuß an Sauerstoff aus und vermeidet die Gefahren des örtlichen bzw, stell^enweisen Einsetzens der aeroben Fermentation bzw. Gärung und die Gefahren einer örtlichen bzw« stellenweisen Hemmung der anaeroben Fermentation.
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Die Fermentationsflüssigkeit kann somit im Fermentationstank genau diejenige Menge an Sauerstoff in Lösung enthalten, die für die anaerobe Gärung der Hefe erforderlich ist, und die Durchmischung im Tank ist ausreichend, damit dieser Sauerstoff vollständig in wirksamer Weise von der Hefe aufgenommen wird· Man vermeidet auf diese Weise die Phänomene der Agglutination bzw· des Zusammenballens der Hefe um die Gasblasen im fermentationstank, die direkt zu einer Sauerstoff-Uberversorgung der ssusammengeballten Zellen führen· Auch vermeidet man eine Verdünnung des Sauerstoffs in den Gasblasen, die sich beim Aufsteigen in dem fermentationstank vergrößern und verdünnen würden, was im Gegenteil eine Senkung bzw· Verringerung des Übertragungsgrades von Sauerstoff in die Fermentationsflüssigkeit zur Folge hätte·
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße FermentationsVorrichtung sind sozusagen für eine Realisierung in einem großen Maßstab konzipiert, die insbesondere eine Menge von im Kreislauf behandelter Fermentationsflüssigkeit oder ein Volumen von wenigstens 50 m^ beinhaltet· Je größer der Tank ist, desto mehr wird die Verwirklichung von günstigen Bedingungen erleichtert, ohne im geringsten eine Energieversohwendung für die Durohmischung und den Umlauf erforderlich zu machen«
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann man als Ausgangsmaterial eine Fermentationsflüssigkeit verwenden, die vorzugsweise einen Gehalt an vergärbarem Zucker aufweist, der zwischen 100 und 280 g/l über die für die Hefe erforderlichen Nährsubstanzen hinaus enthält. Die Hefe
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kann aus den Hefeaorten ausgewählt werden, die einerseits für ihre guten Alkohol-Produktionseigenschaften und andererseits dafür bekannt sind, daß sie Aggregate bilden, die ihre Sedimentation erleichtern.
Man kann frische fermentationsflüasigkeit im unteren Bereich des Kreislaufes, beispielsweise im unteren Bereich der Rücklaufleitung zuführen, um in maximaler Weise den Durchmischungseffekt im Tank durch den zurückgeführten Fermentationsflüssigkeits-Strom auszunutzen« Man gibt vorzugsweise je Stunde in den Kreislauf eine Menge an frischer ferment at ions flüssigkeit zu, die 0,2mal bis 0,5mal der im Kreislauf vorhandenen Fermentationsflüssigkeit entspricht, wobei die i'ermentationsflüssigkeit im Kreislauf im Mittel 50 Gramm bis 100 Gramm Trockenmasse Hefe je Liter enthalten kann»
Es wurde weiter oben besonders darauf hingewiesen, daß man dem Kreislauf den Sauerstoff in sehr geringen Mengen zugeben kann, wodurch einzig und allein der tatsächliche Sauerstoffbedarf der Hefe für ihre anaerobe Arbeit bzw. Gärung gedeckt wird. Um eine vollständige Resorption des Sauerstoffs in der Permentationsflüssigkeit sicherzustellen, kann man dafür sorgen, daß die Verweilzeit der Ferment at ionsflüssigkeit in der Rücklaufleitung ausreichend groß ist, und man kann eine Turbulenz der Fermentationsflüaaigkeit in dem oberen Teil der Rücklaufleitung vorsehen, die ausreichend stark ist, daß der Durchmesser der Blasen des Gasgemisches genügend klein bleibt· D· h., daß man in einer bevorzugten Ацзfuhrungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens einerseits dafür sorgt, daß die Turbulenz der Fermentatione-
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flüssigkeit in dem oberen Teil der Rücklaufleitung genügend stark ist, daß der durchmesser der Blasen des in die Ferment ationsflüssigkeit eingeblasenen Gasgemisches im Äugenblick ihrer Ausbildung ungefähr 4 mm nicht übersteigt, und. daß andererseits die Verweilzeit der Fermentationsflüssigkeit in der Rücklaufleitung wenigstens 10 s beträgt.
Die Tatsache, daß man besser ein Gasgemisch statt beispielsweise reinen Sauerstoff einbläst bzw. zuführt, hat ihren Grund darin, daß es im übrigen möglich ist, ein inertes Gas zu verwenden, das augenblicklich in der Permentationsflüssigkeit resorbiert wird und den Sauerstoff, den es enthält, im Zustand kleinerer Bläschen zurückläßt. Dank der Tatsache, daß man nicht mehr Sauerstoff als erforderlich zuführt, kann man erreichen, daß diese Restbläschen vereinzelt bleiben und zum größten l'eil resorbiert werden, bevor sie sich treffen und durch gegenseitiges Verschmelzen größere Blasen bilden, die nicht vor ihrem Eindringen In den i'ermentationstank resorbiert würden.
Man verwendet somit den zweifachen Effekt der Turbulenz der i'ermentationsflüssigkeit, die für die injizierten Blasen eine begrenzte Größe vorgibt, und der Lösung des Sauerstoffs in einem sehr leicht resorbierbaren Gas, was es ermöglicht , den durchmesser der Blasen sehr schnell auf einen Bruchteil dieser begrenzten Größe zu reduzieren. Ein Gasgemisch, das hierfür gut geeignet ist, kann mit Hilfe von Umgebungsluft und dem Kohlendioxid-Gas realisiert werden, das während der Gärung freigesetzt wird; dieses Gasgemisch umfaßt vorzugsweise einen Volumenteil Luft und wenigstens 5 Volumenteile des Kohlendioxid-Gases·
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Die ζurückgeführte Fermentationsflüssigkeit ist .somit mit praktisch vollständig resorbiertem Sauerstoff beladen and nimmt gewünschtenfalls die frische Fermentationsflüssigkeit mit, wenn аіѳ in den Unterteil des Fermentationstankes mit großer Geschwindigkeit eindringt, die durch die Höhe der Rücklaufleitung bewirkt wird. Diese kinetische Energie kann dadurch in wirksamer V/eise auf die sich im lank befindende Fermentationsflüssigkeit übertragen werden, daß man die Form des Unterteils des Tanks und die Einmündung der Rücklaufleitung in geeigneter Weise ausbildet«
Die Fermentationsflüssigkeit kann im Tank langsam, beispielsweise mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 1 bis 2 cm/s ansteigen, oder man kann willkürlich drei aufeinanderfolgende Zonen unterscheiden, d. h. eine Durchmischungszone, eine Sedimentationszone und eine Zone der Konzentration des GO2* In der Durchmischungszone wird somit die frische Fermentationaflüssigkeit innig mit der zurückgeführten Fermentationsflüssigkeit und der im unteren Bereich des Tanks vorhandenen Fermentationsflüssigkeit durchmischt. In der Sedimentationszone, die den grüßten Teil des Tanks darstellt, arbeitet bzw, gärt die Hefe in wirksamer «eise, wobei sie weder durch das Durchmischen im unteren Bereich des Tanks noch durch das Freisetzen des GO2 gestört wird« Die Hefe kann schneller sedimentieren, als die Fermentationsflüssigkeit ansteigt, und man kann somit einen Effekt einer Hefekonzentration im unteren Bereich der Sedimentationszone beobachten. Dies hat zur Folge, daß die zurückgeführte Fermentationsflüssigkeit weniger Hefe je Liter enthält als die Fermentationsflüssigkeit im Fermentationstank, was das Arbeiten einer Dekantiervorrichtung er-
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leichtert, die man außerhalb des Fermentationstanks vorsehen kann und die beispielsweise von der Rücklaufleitung abgezweigt ist, waa weiterhin einen verminderten Kontakt der Hefe mit Sauerstoff während ihrer Bewegung längs der Rückführleitung zur Folge hat· In der Zone der C02-Konzentration wird, wie in allen Fermentationstanks, das Freisetzen von COp in Form von Gasbläschen durch den Gegendruck verhindert, der im oberen Bereich des 'JJanks ausgeübt wird, was gleichförmige und ideale Arbeite- bzw· Gär- und Sediraentationsbedingungen für die Hefe in der Sedimentationszone garantiert.
Somit läßt man erst über dem Tank in einer Pumpsäule das Kohlendioxid-Gas aus der Fermentationsflüssigkeit austreten, Bläschen bilden, sich entspannen und die Mammut-Pumpen-Wirkung ausüben. Die Zirkulationsgeschwindigkeit in dieser Säule kann sehr groß, beispielsweise in der Größenordnung von wenigstens einigen Metern je Sekunde sein. Bei dieser Geschwindigkeit wird der gebildete Schaum zerschlagen bzw, zerrissen und die bereits teilweise in der Pumpsäule ausgeführte Abtrennung des Gases bzw, die Entgasung kann in einer wirksamen Vorrichtung, wie z, B, einem Cyclon, vervollständigt bzw, beendet werden.
Die Konzeption des erfindungsgemäßen Verfahrens ermöglicht auch die Verwirklichung einer speziellen Ausführungsform, bei der man im Oberteil des Kreislaufes einen Druck aufrechterhält, der unter dem Atmosphärendruok liegt, um durch Verdampfung den Alkohol der fermentierten Fermentationsflüssigkeit zu entnehmen bzw. zu gewinnen. Man kann auf diese iVeise die Vorteile eines Verdampfungs-Systems aus-
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nützen, d. h. einen vergrößerten Wirkungsgrad und eine verringerte Hemmung aufgrund des Alkohols, ohne daß man dessen !Nachteile in Kauf nehmen muß, du h. das Erfordernis, große Luftvolumina mit verringertem Druck zugeben zu müssen·
Sobald sie entgast ist, strömt die Fermentationsflüssigkeit in turbulenter V/eise in die Rücklauf leitung. Um diese turbulente Strömungsform über die gesamte Länge der Rücklaufleitung sicherzustellen, muß man einen gewissen Druckverlust aufnehmen können· Dies ist einer der Gründe, warum das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Ferment at ionsvorriohtung mit großem Vorteil in großem Maßstab in der Weise realisiert werden können, daß die Geschwindigkeiten, die Durchsätze und die Höhen in der erforderlichen V/eise zur Verfügung gestellt werden«,
Vorzugsweise unterwirft man die zugeführte Fermentationsflüssigkeit in der Rücklaufleitung der erforderlichen Abkühlung, um die Erwärmung zu kompensieren, die durch die Fermentation im Tank verursacht wird. Weiterhin wird vorzugsweise aus der Rücklaufleitung und insbesondere aus ihrem unteren Teil die fermentierte, mit Alkohol beladene i'ermentationsflüssigkeit entnommen, wenn eine Ausführungeform ohne Verdampfungssystem Verwendung findet· Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt eine besonders wirksame Dekantion aufgrund der Tatsache, daß die fermentationsflüssigkeit zuvor entgast worden ist und daß die geringe Menge von Kohlendioxid-Gas, die ihr im folgenden gegebenenfalls zugeführt worden ist, sich aufgrund des Druckes nicht üesorbieren kann, der durch die Höhe der Rücklaufleitung ausgeübt wird. Man kann auf diese Weise Dekantationsgeschwindigkeiten der Hefe in der Größen-
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ordnang von 20 cm/min erzielen, -ьіпе solche Dekantation ermöglicht es einerseits, eine von Hefe freie und mit Alkohol beladene bzw· versetzte Fermentationsflüssigkeit zu entnehmen und andererseits gegebenenfalls aus dem Kreislauf überschüssige Hefe herauszuholen· Die nicht überschüssige dekantierte Hefe kann beispielsweise in die Pumpsäule allein unter dem üinfluß des druckes zurückgeführt werden, der durch die Höhe der Rücklaufleitung bewirkt wird, ohne daß eine Hilfapumpe verwendet werden muß. Die dekantierte entnommene •e'ermentationsflüssigkeit kann z, B. einen Alkoholgehalt von ungefähr 50 bis 80 g/l aufweisen·
erfindungsgemäße fermentationsvorrichtung ist in der oben angegebenen Weise charakterisiert. Die im unteren Teil des Tanks vorgesehene hydraulische Rührvorrichtung ist vorzugsweise vom .Vent uri-Typ. Die Einmündung der Rücklaufleitung kann zu diesem Zweck über dem Boden des Tanks angeordnet, nach unten gerichtet und koaxial von einem Rohrstück umgeben sein, das einen größeren Durchmesser aufweist und an seinen beiden ^nden aufgeweitet ist· Der Boden des Tanks kann seinerseits beispielsweise eine halbkugelige Form besitzen, die dazu dient, die Wirkung der Venturi-Vorrichtung zu verstärken· Der mittlere Teil des Tanks kann somit eine zylindrische Form in Fortsetzung der Boden-Halbkugel aufweisen und oben durch eine Halbkugel abgeschlossen sein, die zur Bodenhalbkugel komplementär ist, so daß man auf diese V/eise die fermentierte Fermentationsflüssigkeit zum Gegendruckventil leiten kann.
Letzteres hat vorzugsweise einen veränderbaren Durchsatz, so daß man gezielt den Durchsatz der Mammutpumpe und somit
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die Zirkulationsgeschwindigkeit der Permentationsflüssigkeit im Kreislauf einstellen und steuern kann. Der Durchmesser und die Höhe der Mammutpumpe werden in Abhängigkeit vom Volumen der Pe jmentationsvorrichtung und dem Durchsatz von zirkulierender iermentationsflüssigkeit gewählt· Dieser Durchsatz ist seinerseits eine funktion der durch die Reaktion freigesetzten Wärme und muß genügend groß sein, damit der Temperaturgradient im -Ferment at ions tank eine gewisse Grenze nicht übersteigt* Diese Grenze liegt in der Größenordnung eines Unterschiedes von ungefähr 3 0C zwischen dem oberen und dem unteren Teil des Tanks·
ebenso wird die Bemessung der Rucklaufleitung in Abhängigkeit von der Zirkulationsgeschwindigkeit der Permentationsflüssigkeit und in der tfeise vorgenommen, daß vorzugsweise die oben beschriebenen Turbulenzbedingungen und die angegebene Verweilzeit beachtet werden· Die Turbulenz kann nicht nur durch die Bemessung der Leitung, sondern z· B. auch dadurch beeinflußt werden, daß man in ihr Diaphragmen oder Hindernisse vorsieht. &a muß lediglich darauf geachtet werden, daß die Höhe der fermentationsvorrichtung ausreicht, um die damit verbundenen Öruckverluste zu überwinden, die ein Äquivalent von 2 m Wassersäule übersteigen können·
Die erfindungsgemäße Fermentationsvorrichtung kann an ihrer Spitze mit einer Entgasungsvorrichtung, beispielsweise vom Gyclon-Typ, versehen werden. Tatsächlich ist die Zirkulationsgeschwindigkeit der Permentationsflüssigkeit in ihreroberen Teil so, daß sie die Verwendung dieser besonders wirksamen Vorrichtung erlaubt·
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Die erfindungsgemäße Fermentationsvorriohtung weist vorzugsweise eine Abkühlvorrichtung in einem Teil, ja sogar im größten Teil ihrer Rücklaufleitung auf. Diese Vorrichtung kann beispielsweise In Form eines rohrförmigen Wärmetauschers realisiert werden, in dem sich der sehr stark turbulente Strömungszustand der Fermentationsflüssigkeit in einen sehr hohen Übertragungskoeffizienten der Wärme umsetzt·
Die erfindungsgemäße Fermentationsvorrichtung kann im übrigen in vorteilhafter Weise mit einer äußeren Dekantiervorrichtung ausgerüstet sein, die beispielsweise strömungsmäßig vor dem unteren ώιαβ der Rücklaufleitung und hinter der Mitte der Mammutpumpe abgezweigt ist. -ciine so angeschlossene Dekantiervorrichtung ist in der Lage, ohne die Hilfe einer Hilfspumpe in sehr wirksamer Weise zu arbeiten. Sie dient einerseits dazu, eine fermentierte Fermentationsflüssigkeit zu liefern, die mit Alkohol beladen bzw· angereichert, aber von ihrer Hefe befreit ist, und andererseits dazu, die dekantierte Hefe zurückzuführen, wobei sie es gegebenenfalls ermöglicht, überschüsssige Hefe zu entfernen,
Schließlich schließt man vorzugsweise am unteren Ende der Rücklaufleitung eine Leitung zur Versorgung mit frischer Fermentationsflüssigkeit in der V/eise an, daß diese Fermentationsflüssigkeit direkt in die Rührvorrichtung durch die zurückgeführte Fermentationsflüssigkeit mitgenommen werden kann.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Fermentationsvorrichtung verbindet man deren oberes Ende einerseits mit einer Gas-Pumpvorriohtung, die
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dazu dient, einen Druck zu erzeugen, der unter dem Atmosphärendruck liegt, und andererseits mit einer Auffangvorrichtung für Alkoholdämpfe. Bei dieser speziellen Ausführungsform kann man auch eine Heizvorrichtung für das obere Jinde der Mammutpumpe vorsehen, um die Alkoholdämpfe besser freisetzen zu können. Diese sind mit dem CO2 vermischt, das von der Ferment at ionsflüssigkeit abgegeben wird, und müssen hiervon getrennt werden. Dies ist auch der Grund, warum die Auffangvorrichtung für die Alkoholdämpfe vorzugsweise eine Kombination von Kondensationaeinrichtungen und läinrichtungen zur Trennung des Alkohols und des GOg umfaßt.
Eine erfindungsgemäße fermentationsvorrichtung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben, in deren einziger Figur in schematischer Form eine bevorzugte Ausführungsform wiedergegeben ist.
Bei dieser Ausführungsform besitzt der Fermentationsbehälter bzw. -tank 1 in seinem unteren Teil ein Rührwerk 2 vom Venturi-Typ, das mit der Rücklaufleitung 3 für die zurückzuführende Fermentationaflüssigkeit verbunden ist. Der Tank 1 besitzt an seinem Scheitel ein regelbares Gegendruck-Ventil 4, das dazu dient, ein Ausdehnen des während der Fermentation freigesetzten Kohlendioxids im Tank 1 zu verhindern. Die Mammutpumpe 5 bzw· der Luftheber ist über dem Gegendruckventil 4 angeordnet, um durch das von diesem Ventil 1 abgegebene Kohlendioxid betätigt zu werden. Die Rücklaufleitung 3 ist mit dem Scheitel bzw. Oberteil des Lufthebers 5 über eine Entgasungsvorrichtung 6 vom Gyclon-Typ verbunden. Ein kleiner Kompressor 7 ist in einer Abzweigung der Abzugsleitung 8 für
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das Kohlendioxid angeordnet und dient dazu» in den oberen Teil der Rücklaufleitung 3 eine Mischung aus Luft und CO2 zu injizieren. Die Luft wird in die Gaa-Injektionsvorrichtung vermittels eines Mischventils 9 eingeführt· Die Rücklaufleitung 3 verläuft durch einen Wärmetauscher 10 zur Abkühlung der zurückgeführten Fermentationsflüsaigkeit· Eine Leitung zum Zuführen bzw· einspritzen von frischer Fermentationsflüasigkeit mündet in die Rücklaufleitung 3 unmittelbar vor deren eintritt in den Tank 1, Ebenso ist eine Leitung 12 zur Entnahme von mit Alkohol versetzter Fermentationsflüssigkeit und von Hefe von der Rücklaufleitung 3 unterhalb des Wärmetauschers 10 abgezweigt« Diese Leitung 12 mündet in ein unter Druck stehendes Dekantiergefäß 13· Ein Entnähmeventil 14 für dekantierte fermentierte Fermentationsflüssigkeit ermöglicht es, die Menge der entnommenen Fermentationsflüssigkeit einzustellen· Ein Ablaßschieber bzw. ein Ablaßventil 15 ist vorgesehen, das dazu dient, einen eventuellen Überschuß an Aktivhefe zu entfernen· Schließlich ermöglicht es ein Rückführventil 16 unter der Wirkung des Druckes, der auf der Höhe der Rückführleitung 3 beruht, eine mit in dem Dekantiergefaß 13 zurückgewonnener Hefe beladene bzw, versetzte Fermentationsflüssigkeit in den Luftheber 5 zurückzuführen,
Das erfindungsgemäße Fermentationsverfahren wird im folgenden anhand von zwei Beispielen erläutert, bei denen als Hefe die Hefe Saccharomyces cerevisiae GBS 2961 verwendet wurde, deren Ausflockeigenschaften als relativ gut angesehen werden können»
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іапѳ bevorzugte Form des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in einer ^ermentationsvorrichtung durchgeführt, die dem in der Figur .wiedergegebenen Ausführungsbeispiel entspricht· Die Fermentationsvorrichtung hat ein Gesamtvolumen von 300 m^ und eine Geaamthöhe von 23,5 m. Der Fermentationstank weist einen halbkugeligen Boden und eine halbkugelige Oberseite auf und besitzt eine Höhe von 8,5 m und einen Durchmesser von ungefähr 7»5 m. Die mittleren Durchmesser des Lufthebers und der Rücklaufleitung sind ungefähr 75 cm bzw« 60 cm·
Man gibt in den Unterteil der Rücklaufleitung 60 пг/h von frischer Fermentationsflüssigkeit ein, die 150 g/l von gärungsfähigem Zucker enthält· Man gibt in den Oberteil der Rücklaufleitung pro Stunde 6 m? Luft ein, die mit 60 иг CO2 vermischt ist, das am Ausgang des Entgasungs-Cyclons wiedergewonnen wird. Der Gehalt an Aktivhefe der Ferment ationsflüssigkeit in der Fermentationsvorrichtung ist 65 g Trockenmasse pro Liter, Man regelt den Durchsatz des Gegendruckventils auf dem Tank so, daß die mittlere Zirkulationsgeschwindigkeit der Fermentationsflüssigkeit im Luftheber ungefähr 2 m/s, im ^ntgasungscyclon ungefähr 6 m/s und in der Rücklaufleitung ungefähr 1,5 m/s ist. Die mittlere Verweilzeit der Ferinentationsflüssigkeit in dem Tank ist etwa 10 Minuten. Die Aufenthaltezeit der Fermentationsflüssigkeit in der Rücklaufleitung beträgt im Mittel 15 s. Die Turbulenz in der Rücklaufleitung hat eine solche Stärke, daß die Mischungsblasen des injizierten Gases einen Durchmesser besitzen, der praktisch in der Höhe der Leitung nicht über 3,5 mm hinausgeht.
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Man entnimmt aus der Fermentationsvorrichtung je Stunde 60 mJ Fermentationsflüssigkeit! die einen Alkoholgehalt von 8,5 Vol.-^e besitzt,
In einer ü'ermentationsvorrichtung, die derjenigen entspricht, die schematisch in der Zeichnung wiedergegeben ist, jedoch im übrigen in ihrem oberen bereich eine Pumpvorrichtung für Alkoholdämpfe umfaßt, wird eine spezielle Art des erfindungsgemäßen Verfahrens realisiert· Die Fermentationsvorrichtung ist im Vergleich zu der aus dem Beispiel 1 um 10 ш erhöht·
Man gibt im Unterteil der Rücklauf leitung je Stunde 135 nr* an frischer Permentationsflüssigkeit zu, die 265 g/l an vergärbarem Zucker enthält. Man gibt im oberen Bereich der Rücklaufleitung je Stunde 9 m·^ Luft zu, die mit 90 m^ CO2 vermischt ist, das am Ausgang der Pumpvorrichtung wiedergewonnen wurde. Der Gehalt an aktiver Hefe der Fermentationsflüssigkeit in der Fermentationsvorrichtung ist 50 g Trockenmasse je Liter,
Man sorgt dafür, daß im oberen Bereich der Fermentationsvorrichtung ein Druck von 70 mbar herrscht, und man heizt den oberen Teil des Lufthebers auf eine Temperatur von 36 0C auf· Man trennt die Alkoholdämpfe vom CO2 mit einer geeigneten Vorrichtung, die eine Kondensationsfalle und einen Wasserabscheider umfaßt. Man gewinnt 90 % des Alkohols mit dieser Vorrichtung und die verbleibenden 10 % vermittels des
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Dekantiergefäßes· Man erzielt eine Geaamtproduktivität von 120 g Alkohol je Liter friech zugegebener tfermentationsflüssigkeit.
Claims (13)
1. Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von Alkohol durch Fermentation einer Fermentationeflüssigkeit, die in einem geschlossenen Kreislauf unter der Wirkung einer Mammutpumpe zirkuliert, wobei frische Permentationsflüasigkeit kontinuierlich in den Kreislauf eingespritzt und kontinuierlich fermentierte Fermentationsflüssigkeit aus dem Kreislauf entnommen wird, gekennzeichnet dadurch, daß man die fermentationsflüssigkeit im unteren Teil eines Fermentationstanks durch Einspritzung eines fallenden Stroms von zurückgeführter Fermentationsflüssigkeit rührt, daß man im oberen Bereich des Tanks einen Gegendruck ausübt, damit das bei der Fermentation freigesetzte Kohlendioxidgas im oberen Teil des Tanks komprimiert bleibt, daß man das Kohlendioxidgas dazu verwendet, den Mammutpumpeneffekt in einer Pumpkolonne auszuüben, die über dem Tank angeordnet ist, daß man die Fermentationsflüssigkeit dadurch zurückführt, daß man sie in turbulenter Weise in einer Rücklaufleitung abwärtsfließen läßt und daß man eine Mischung aus Sauerstoff und einem inerten Gas in den oberen Teil der Rücklaufleitung einbläst.
2· Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß man Je Stunde eine Menge des Gasgemisches einbläst, die wenigstens 0,15 ml Sauerstoff bei Atmosphärendruck je Gramm Trockenmasse der in der Fermentationsflüssigkeit vorhandenen Hefe enthält,
3. Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß man die Mischung aus Sauerstoff und inertem Gas dadurch er-
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hält, daß man einem Volumenteil Luft und wenigstens 5 Volumenteile Kohlendioxidgas mischt·
4. Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Turbulenz der Fermentationsflüssigkeit^in dem oberen Teil der Rücklaufleitung ausreichend stark ist, so daß der Durchmesser der Blasen der Gasmischung, die in die Ferment at ions flüssigkeit eingeblasen wird, zum Zeitpunkt ihrer Ausbildung ungefähr 4 mm nicht übersteigt.
5. Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Aufenthaltszeit der Fermentationsflüssigkeit in der Rücklaufleitung wenigstens 10 s beträgt.
6. Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß
die Menge an Fermentationsflüssigkeit, die im Kreislauf vorhanden ist, wenigstens 50 rar beträgt.
7. Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß man je Stunde dem Kreislauf eine Menge von frischer Fermentationsflüssigkeit zugibt, die 0,2- bis 0,5mal der Menge an Fermentationsflüssigkeit entspricht, .die im Kreislauf enthalten ist, wobei der Gehalt an vergärbtem Zucker der frischen Fermentationsflüssigkeit zwischen 100 und 280 g/l beträgt.
8. Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Fermentationsflüssigkeit im Kreislauf im Mittel 50 g bis 100 g Trockenmasse Hefe je Liter enthält.
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9. Verfahren nach. Punkt 1, gekennzelohnet dadurch, daß man im oberen Bereich des Kreislaufs einen ,Druck aufrechterhält, der unter dem Atmosphärendruck liegt, um durch Verdampfung den Alkohol der fermentierten Fermentationsflüasigkeit abzuführen·
10. Fermentationsvorrichtung zur kontinuierlichen Herstellung von Alkohol, die einen Fermentationstank und eine hiermit einen geschlossenen Kreislauf bildende Mammutpumpe, eine Vorrichtung zum Einspritzen von frischer FermentationeflUs8igkeit und eine Vorrichtung zur Entnahme von fermentierter Fermentationsflüssigkeit umfaßt, gekennzeichnet dadurch, daß der Sank (1) in seinem unteren 'feil eine hydraulische Rührvorrichtung (2) umfaßt, die mit einer Rücklaufleitung (3) für die zurückgeführte Fermentationsflüssigkeit verbunden ist, daß ein Gegendruckventil (4) an der Oberseite des Tanks vorgesehen ist, um ein Ausdehnen des bei der Fermentation freigesetzten Kohlendioxidgases im 'fank zu verhindern, daß die Mammutpumpe (5) über dem Gegendruckventil (4) angeordnet ist, um'vermittels des Kohlendioxidgases bei der expansion betätigt zu werden, daß die Rücklaufleitung (3), die mit der Oberseite der Mammutpumpe verbunden ist, in ihrem oberen Teil eine üinblasvorrichtung (7j 8j 9) für Gas aufweist, um die Fermentationsflüssigkeit mit Sauerstoff zu versorgen, und daß die Rücklaufleitung (3) in der Weise ausgebildet ist, daß eine turbulente Strömung der zurückgeführten Fermentationsflüssigkeit sichergestellt ist·
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11. Fermentationsvorrichtung nach Punkt 8, gekennzeichnet dadurch, daß die Rührvorrichtung (2) vom Venturi-Typ ist.
12. fermentationsvorrichtung nach Punkt 8, gekennzeichnet dadurch, daß sie ein Volumen von wenigstens 50 nr aufweist.
13. Fermentationsvorrichtung nach Punkt 8, gekennzeichnet dadurch, daß ihre Oberseite einerseits mit einer Pumpvorrichtung für Gas zur Erzeugung eines unter dem Atmosphärendruck liegenden Drucks und andererseits mit einer Vorrichtung zum Auffangen von Alkoholdämpfen verbunden ist.
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