<Desc/Clms Page number 1>
Werkwijze en inrichting voor het produceren van alcoholhoudende dranken en dergelijke. Deze uitvinding heeft betrekking op een werkwijze en inrichting voor het produceren van alcoholhoudende dranken en dergelijke.
In de eerste plaats is zij bedoeld voor het produceren van bier, zowel van hoge als van lage gisting, doch in het algemeen kan zij ook worden aangewend voor het produceren van andere alcoholhoudende dranken, zoals wijn en dergelijke.
Het is bekend dat bier, in het bijzonder bier van lage gisting, wordt geproduceerd door middel van twee gistingsprocessen, namelijk een hoofdgisting of eerste fermentatie en een secundaire fermentatie.
Bij de hoofdgisting worden een voedingsstof, normalerwijze wort, en een gist, namelijk Saccharomyces cerevisiae, bij elkaar gebracht. Deze hoofdgisting, tijdens dewelke het eigenlijke bier wordt gevormd, strekt zieh doorgaans over 5 ä 6 dagen uit.
Tijdens dit gistingsproces worden door de gist zuren geproduceerd, ondermeer alfa-acetolactaat en alfa-acetohydroxybutyraat, die in het fermentatiemedium worden afgescheiden.
Tijdens de secundaire fermentatie voltrekt zich een trage oxidatieve decarboxylatie, waarbij diacetyl en 2, 3-pentaandion worden gevormd, welke minstens gedeeltelijk terug door de gist worden opgenomen, en worden herleid tot acetoin en
<Desc/Clms Page number 2>
acetylethylcarbinol, welke op hun beurt door de gist nog verder kunnen worden omgezet tot 2,3-butandiol en 2, 3-pentaandiol.
Deze omzetting is nodig omdat ondermeer diacetyl een nadelige invloed heeft op de smaak van bier, namelijk bier een boterige smaak geeft. De aanwezigheid aan diacetyl of de precursoren hiervan dient dan ook tot een minimum te worden herleid.
Het grote nadeel bij deze klassieke productie van bier is de lange rijpingsperiode van verschillende weken, doorgaans twee ä drie weken, die nodig is om de zeer traag geproduceerde hoeveelheid diacetyl en 2, 3-pentaandion te verminderen.
Het is bekend dat deze periode kan verkort worden door tijdelijk in een temperatuursverhoging te voorzien of door de pH te verlagen.
De pH kan uitsluitend worden verlaagd door het toevoegen van producten, wat met het oog op het behoud van zuiver natuurlijk bier ongewenst is.
Volgens een andere techniek wordt het fermentatiemedium opgewarmd tot een temperatuur van 90"C en gedurende zeven minuten op deze temperatuur gehouden, zodat een decarboxylatie wordt verkregen van alfa-acetolactaat naar diacetyl. Deze techniek heeft echter als nadeel dat de kwaliteit van het bier achteruit gaat daar naast deze omzetting ook omzettingen naar allerlei andere ongewenste componenten optreden.
<Desc/Clms Page number 3>
De uitvinding beoogt een werkwijze voor het produceren van alcoholhoudende dranken die toelaat dat het productieproces van dergelijke dranken aanzienlijk sneller kan worden verwezenlijkt dan dit tot op heden gebruikelijk is en/of dit productieproces in menig opzicht aanzienlijk kan worden versoepeld, zonder nadelen voor de kwaliteit van het bier.
Tot dit doel bestaat de uitvinding in een werkwijze voor het produceren van alcoholhoudende dranken, meer bepaald dranken die door middel van een gistingsproces worden aangemaakt, daardoor gekenmerkt dat de hierbij gevormde producten katalytisch worden behandeld met behulp van een vaste, bij voorkeur minerale, katalysator.
Door het contact met zulke katalysator wordt bereikt dat een aantal omzettingen kunnen worden versneld, waardoor de duur van het ganse productieproces aanzienlijk kan worden verkort. Bovendien kunnen deze omzettingen op een meer soepele wijze worden verwezenlijkt, doordat deze nu door middel van een continu proces kunnen worden uitgevoerd.
Volgens de uitvinding wordt de katalytische behandeling aangewend om de tijdens het gistingsproces gevormde voor de te produceren drank nadelige producten in niet nadelige producten om te zetten, op een wijze die sneller is dan in het geval dat deze omzetting door middel van uitsluitend gist dient te worden verwezenlijkt. Onder deze nadelige producten worden vooral de producten verstaan die zoals bekend een sterk nadelige invloed hebben op de smaak van het bier.
Meer speciaal wordt met de katalytische behandeling de omzetting bewerkstelligd van de tijdens het gistingsproces gevormde zuren in ondermeer diketonen.
<Desc/Clms Page number 4>
In de productie van bier zal de katalytische behandeling volgens de uitvinding bij voorkeur worden toegepast met het oog op de omzetting van alfa-acetolactaat naar diacetyl, respectievelijk acetoin, zodanig dat deze omzetting in enkele uren kan worden verwezenlijkt in plaats van verscheidene weken.
In een bijzondere uitvoering van de werkwijze zal de katalytische behandeling worden aangewend om in een rechtstreekse omzetting te voorzien van alfa-acetolactaat naar acetoine, zonder dat diacetyl bij deze reactie wordt gevormd.
De uitvinding heeft eveneens betrekking op een brouwproces voor bier, waarin gebruik wordt gemaakt van de voornoemde katalytische omzetting en waarbij dit brouwproces voorziet in een continue productie of nagenoeg continue productie van bier. Hiertoe bestaat dit brouwproces in het in een bioreactor, waarin gist is geimmobiliseerd in een drager, laten rondcirculeren van een voedingsstof en het hierbij gevormde fermentatiemedium ; het aan een ingang van de bioreactor toevoeren van de voedingsstof ; het afvoeren van het in de bioreactor gevormde product ; het zoals voornoemd katalytisch behandelen van het uit de bioreactor afgevoerde product door dit langsheen een katalysator te laten stromen ; en het opvangen van het bekomen eindproduct in een afwerkingstank.
Bij voorkeur wordt voor de katalysator gebruik gemaakt van zeoliet, doch andere vaste, bij voorkeur minerale, katalysators zijn niet uitgesloten.
Met het inzicht de kenmerken van de uitvinding beter aan te tonen, zijn hierna als voorbeeld zonder enig beperkend
<Desc/Clms Page number 5>
karakter enkele voorkeurdragende uitvoeringsvormen beschreven, met verwijzing naar de bijgaande tekeningen, waarin : figuur 1 schematisch een aantal omzettingen weergeeft die zich voordoen bij de productie van bier ; figuur 2 schematisch een aantal omzettingen weergeeft die volgens de uitvinding met behulp van een katalysator worden verwezenlijkt ; figuur 3 schematisch een inrichting volgens de uitvinding weergeeft ; figuur 4 op een grotere schaal een doorsnede weergeeft volgens lijn IV-IV in figuur 3.
Hierna wordt de uitvinding in eerste instantie beschreven voor haar toepassing in de productie van bier, doch zoals verder nog zal blijken, kan zij ook in andere toepassingen worden aangewend.
In figuur 1 zijn schematisch een aantal omzettingen weergegeven die zich voltrekken wanneer een gist, meer speciaal Saccharomyces cerevisiae, dat in de figuur door middel van het blok 1 is voorgesteld, wordt samengevoegd met een voedingsstof, in dit geval threonine en suiker.
Vooreerst doet zich een omzetting voor naar alfa-ketobutyraat en pyruvaat, waarna alfa-acetolactaat en alfa-acetohydroxybutyraat worden gevormd.
Het alfa-acetolactaat wordt afgescheiden en wordt door middel van een zeer langzame decarboxylatie, die in figuur 1 met pijl A is aangeduid, omgezet in diacetyl, dat een diketone is, en dat door de gist terug wordt opgenomen en
<Desc/Clms Page number 6>
wordt omgezet in acetone, dat op zijn beurt door de gist verder omgezet wordt naar 2, 3-butaandiol.
Gelijktijdig wordt het alfa-acetohydroxybutyraat uit de gist afgescheiden en via een eveneens langzame decarboxylatie omgezet in 2, 3-pentaandion, zoals aangeduid met pijl B, dat een diketone is en dat door de gist terug wordt opgenomen en wordt omgezet in acetylethylcarbinol, dat op zijn beurt door de gist verder kan omgezet worden naar 2, 3-pentaandiol.
De door pijlen A en B aangeduide omzettingen zijn nadelig doordat zij traag verlopen en doordat het bier, samen met het fermentatiemedium, hiertoe lange tijd dient gestockeerd te worden. Deze omzettingen, en in het bijzonder de omzetting van alfa-acetolactaat naar acetoin, al dan niet met een tussenvorming van diacetyl, is bijzonder noodzakelijk, daar de aanwezigheid van diacetyl in het bier dient te worden uitgesloten, of althans dient te worden beperkt, omdat hierdoor een ongewenste boterige smaak ontstaat.
Volgens de uitvinding worden de gevormde producten hiertoe katalytisch behandeld met behulp van een vaste, bij voorkeur minerale, katalysator, met andere woorden worden deze producten in contact gebracht met zulke katalysator.
Bij voorkeur bestaat deze katalysator uit zeoliet.
Door het feit dat gebruik wordt gemaakt van een vaste katalysator kan hij gemakkelijk worden gestructureerd, zodat geen bijzondere technieken moeten worden aangewend om de katalysator achteraf terug uit het bier te verwijderen.
<Desc/Clms Page number 7>
Door het contact met de katalysator wordt in de plaats van de natuurlijke trage decarboxylatie die in figuur 1 met pijlen A en B is aangeduid, een decarboxylatie verkregen die aanzienlijk sneller verloopt. Bovendien kunnen op deze wijze een aantal meer rechtstreekse omzettingen worden verwezenlijkt, onder andere de rechtstreekse omzetting van alfa-acetolactaat naar acetoin.
De beide katalytische omzettingen zijn voor alfa-acetolactaat weergegeven in figuur 2. Pijl C stelt hierbij de katalytische omzetting voor van alfa-acetolactaat naar diacetyl, terwijl pijl D de omzetting weergeeft naar acetoin, die geleverd wordt door de gist. Pijl E geeft de voornoemde rechtstreekse omzetting weer.
Deze omzettingen vereisen geen hoge temperaturen en worden bij voorkeur dan ook verwezenlijkt bij de gebruikelijke lage gistingstemperaturen, zodat de nadelen die optreden bij het verwarmen van het fermentatiemedium zich niet manifesteren. De temperatuur van het gistingsproces, wordt in het geval van de productie van bier van lage gisting bij voorkeur steeds lager gehouden dan 5OC, ook tijdens de katalytische behandeling.
De katalytische behandeling kan op verschillende tijdstippen in het productieproces worden uitgevoerd.
Zo bijvoorbeeld kan volgens de uitvinding een productieproces worden gevolgd dat hoofdzakelijk bestaat uit eerst een hoofdgisting en vervolgens een katalytische behandeling alsmede filtratie. Hierbij kan de katalytische behandeling zowel voor als na de filtratie worden verwezenlijkt.
<Desc/Clms Page number 8>
In het eerste geval worden de voedingsstof en de gist bijeengebracht in een gisttank tot dat zich de hoofdgisting voltrokken heeft. Vervolgens wordt het geheel aan producten in contact gebracht met de katalysator waardoor op een vrij vlugge wijze de omzettingen worden verwezenlijkt die in figuur 2 met pijlen C en D zijn aangeduid en/of de omzetting die met pijl E is aangeduid. De omzetting D gebeurt door de gist.
Nadat deze omzettingen voltrokken zijn in een zodanig grote mate dat geen wezenlijke nadelen meer optreden voor het eindproduct, worden de gist en het bier van elkaar gescheiden door filtratie of een andere scheidingstechniek.
In het tweede geval wordt na de hoofdgisting eerst de scheiding uitgevoerd tussen het bier en de gist. Vervolgens wordt het bier, dat tevens alfa-acetolactaat bevat, katalytisch behandeld, zodat rechtstreeks acetoin wordt gevormd. Aangezien geen gist meer aanwezig is, kan dit acetoin niet meer omgezet worden in 2,3-butandiol, doch dit vormt geen probleem daar dit niet schadelijk is en ook weinig of geen invloed heeft op de smaak van het bier.
Volgens de uitvinding is het ook mogelijk om de betreffende producten reeds bij de hoofdgisting in contact te brengen met de katalysator.
Doordat de voornoemde katalytische omzettingen zich vrij vlug voltrekken, kan de katalytische behandeling worden gerealiseerd door de betreffende producten langsheen de katalysator te laten stromen, met als voordeel dat in een continue productie kan worden voorzien, waardoor opeenvolgende behandelingen in bulk, zoals dit tot op heden gebruikelijk is, kunnen worden uitgesloten, zodat het
<Desc/Clms Page number 9>
productieproces niet alleen sneller, doch ook aanzienlijk minder omslachtig wordt.
Het is echter duidelijk dat een katalytische behandeling in bulk niet is uitgesloten, waarbij de betreffende producten en de katalysator een tijd lang in een vat bij elkaar worden gebracht.
Eveneens kan de katalysator bestaan uit een star element dat doorheen het product bewogen wordt, bijvoorbeeld door middel van een roerbeweging.
Zoals in de inleiding vermeld, heeft de uitvinding ook betrekking op een brouwproces dat toelaat dat in een continue doorstroming van producten kan worden voorzien.
Een voorbeeld hiervan is schematisch afgebeeld in figuur 3.
Hierbij wordt de combinatie gemaakt van een fermentatie met een katalytische behandeling die beide volgens een doorstroomprincipe fungeren.
Zoals afgebeeld in figuur 3 wordt hiertoe bij voorkeur gebruik gemaakt van een inrichting 2 die hoofdzakelijk is samengesteld uit een tank 3 met een voedingsstof 4 ; een bioreactor 5 ; een katalysatorinrichting 6 ; en een afwerkingstank 7.
De tank 3 laat toe dat in een permanente aanvoer van voedingsstof 4, meer speciaal wort, aan de bioreactor 5 kan worden voorzien. Deze voedingsstof wordt bij voorkeur aan een ingang 8 continu ingepompt door middel van een pomp 9.
De bioreactor 5 bestaat uit een reactieruimte 10 waarin een drager 11 is aangebracht waarop de gist is geimmobiliseerd, alsmede uit een middel dat toelaat in een
<Desc/Clms Page number 10>
permanente circulatie te voorzien van het fermentatiemedium langsheen of doorheen de drager 11. Deze middelen bestaan uit een omloopcircuit 12, waarin een pomp 13 aanwezig is.
De bioreactor is bij voorkeur voorzien van een koelinrichting 14, die bijvoorbeeld in het omloopcircuit 12 is opgenomen.
De drager 11 bestaat uit een poreuze structuur 15 waarin de gist is ge mmobiliseerd, waarbij in deze structuur 15 doorstroomkanalen 16 zijn aangebracht, die zich bij voorkeur verticaal uitstrekken. Het omloopcircuit 12 voorziet in een verbinding tussen een ruimte 17 aan de bovenzijde van de drager 11 en een ruimte 18 aan de onderzijde van de drager 11.
De katalysatorinrichting 6 bestaat bij voorkeur uit een behuizing 19 en een in deze behuizing 19 aangebracht katalysatorlichaam 20, dat zoals weergegeven in figuren 3 en 4 is voorzien van een reeks doorstroomkanalen 21. Deze katalysatorinrichting 6 is met haar ingang 22 aangesloten op een uitgang 23 aan de bovenzijde van de bioreactor 5.
Deze uitgang is zodanig gesitueerd dat hij als een overloop fungeert.
De uitgang 24 van de katalysatorinrichting 6 staat in verbinding met de afwerkingstank 7. Deze afwerkingstank 7 is bij voorkeur gekoeld, door middel van de schematisch weergegeven koelinrichting 25, en is tevens voorzien van middelen om de in deze tank aanwezige producten in beweging, of met andere woorden in suspensie, te houden.
Deze laatste middelen bestaan bijvoorbeeld uit een omloopcircuit 26, dat voorzien is van een pomp 27.
<Desc/Clms Page number 11>
De werking van de inrichting 2, alsmede de hiermee gepaard gaande werkwijze zijn als volgt.
In de bioreactor 5 wordt eerst een drager 11 ge nstalleerd waarop de gist aanwezig is. Door een gepaste poreuze drager aan te wenden, blijft deze gist hierin aanwezig, en kan hij groeien mits de toevoer van voedingsstof 4.
Deze voedingsstof 4 wordt langzaam in de bioreactor 5 ingepompt, door middel van de pomp 9 en komt in de ruimte 18 terecht, vanwaar zij gedwongen wordt langsheen de drager 11 te stromen. Hierbij komt de voedingsstof in contact met de gist, waardoor een fermentatieproces ontstaat, analoog als bij een klassieke hoofdgisting. Het omloopcircuit 12 zorgt ervoor dat het in de bioreactor gevormde fermentatiemedium herhaaldelijk en degelijk in contact wordt gebracht met de gist en dat alle toegevoerde voedingsstof gedwongen wordt doorheen de kanalen 16 van de drager 11 te vloeien.
Tijdens dit fermentatieproces wordt bier gevormd. Tevens ontstaat door de groei van de gist een hoeveelheid gist die vrij beweeglijk in het medium in de bioreactor 5 aanwezig is. Ook worden gassen gevormd die bovenaan langs een uitgang 28 worden afgevoerd.
Doordat continu voedingsstof 4 wordt ingepompt, gaat ook continu een hoeveelheid bier, waarin gist aanwezig is, via de uitgang 23 wegstromen. Hierin zijn ook nog andere producten aanwezig, zoals het voornoemde alfa-acetolactaat.
De producten die de bioreactor 5 verlaten, worden vervolgens katalytisch behandeld in de katalysatorinrichting 6, waarin zich de voornoemde omzettingen voltrekken, meer speciaal alfa-acetolactaat zich omzet naar diacetyl, alsook
<Desc/Clms Page number 12>
rechtstreeks naar acetoin, in een vrij korte tijd van enkele uren. Het gevormde diacetyl zet zich natuurlijk om in acetoin, omwille van het feit dat nog steeds een hoeveelheid gist in het product aanwezig is.
Hierbij ontstaat zogenaamd groen bier dat nog verder dient afgewerkt te worden, wat gebeurt door dit nog een tijd te laten rijpen in de gekoelde afwerkingstank 7. Hierbij worden onder andere een aantal suikers omgezet. Deze afwerking voltrekt zich vrij vlug.
Via de uitgang 29 kan het bier worden afgetapt en al dan niet verder worden bewerkt, bijvoorbeeld worden gefiltreerd.
Opgemerkt wordt dat de uitvinding vooral van toepassing is bij bier van lage gisting. Dit sluit echter niet uit dat de uitvinding alsnog bij bieren van hoge gisting kan worden aangewend.
Alhoewel de uitvinding in de eerste plaats bedoeld is om te worden toegepast bij het brouwen van bier, kan zij meer algemeen ook worden aangewend voor het produceren van andere alcoholhoudende dranken, alsook van bepaalde niet-alcoholhoudende of alcoholarme dranken, zoals bijvoorbeeld alcoholvrij of-arm bier.
Zo bijvoorbeeld kan zij worden aangewend bij de productie van wijn om op katalytische wijze bepaalde omzettingen uit te voeren op een vluggere wijze dan gebruikelijk, zodat een rijping in vaten niet meer echt noodzakelijk is. Met de katalytische omzetting van de uitvinding kan bijvoorbeeld in dit geval appelzuur (malaat) worden omgezet in melkzuur (lactaat).
<Desc/Clms Page number 13>
De huidige uitvinding is geenszins beperkt tot de als voorbeeld beschreven en in de figuren weergegeven uitvoeringsvormen, doch dergelijke werkwijze en inrichting kunnen in verschillende uitvoeringsvormen worden verwezenlijkt zonder buiten het kader van de uitvinding te treden.