DE2151574A1 - Verfahren und vorrichtung zur gewinnung aethanolhaltiger produkte durch gaerung - Google Patents

Description

PATENTANWÄLTE

DR.-ING. VON KREISLER DR.-ING. SCHONWALD DR.-ING. TH. MEYER DR. FUES DIPL.-CHEAA. ALEK VON KREISLER DIPL.-CHEM. CAROLA KELLER DR.-ING. KLDPSCH DIPL.-ING. SELTING

KÖLN 1, DEICHMANNHAUS

Köln, den 15. Oktober 1971 Ke/Ki

Gebr. Herrmann, Köln-Ehrenfeld, Grüner Weg und Versuchs- und Lehranstalt für Spiritusfabrikation, Berlin 65, Seestraße 13

Verfahren und Vorrichtung zur Gewinnung äthanolhaltiger Produkte durch Gärung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung äthanolhaltiger Produkte durch Gärung, bei dem das Gärsubstrat in das Gärgefäß kontinuierlich eingespeist und das alkoholhaltige Produkt dann ebenfalls kontinuierlich abgezogen wird; dabei bewirkt ein Strom des bei der Gärung entstandenen Kohlendioxydes für eine den Stoffumsatz beschleunigende Turbulenz, während geeignete Einbauten und eine zweckmäßige Gestaltung des Gärbottichs für eine gelenkte Strömung des Gärsubstrats sorgen.

Bekannt sind zur Zeit Verfahren, bei denen Alkohol im diskontinuierlichen Gärverfahren gewonnen wird. Diese Verfahren sind sehr aufwendig und entziehen sich vor allem den modernen Möglichkeiten der automatischen Regelung, die ein kontinuierlich ablaufendes Verfahren dagegen bietet.

Es sind zwar auch schon kontinuierlich arbeitende Verfahren zur Gewinnung von Alkohol durch Gärung bekannt, bei denen zv/ei oder mehrere Gärbottiche horizontal hintereinander oder kaskadenförmig untereinander zusammengeschaltet werden. Bei diesen Verfahren fließt das Gärsubstrat von Bot-

309819/0364

tich zu Bottich über, und in jedem Bottich stellt sich ein erwünschter stationärer Gärungszustand ein. Diese Verfahren haben jedoch den eindeutigen Nachteil, daß man für sie Vorrichtungen verwenden muß, die infolge des notwendigen Einsatzes von mehreren Gärbottichen,den dazu gehörenden Rohrleitungen, Gasfördereihrichtungen, Gasverteilern und Regeleinrichtungen ebenfalls sehr aufwendig sind.

Andererseits sind kontinuierliche Gärverfahren unter Verwendung eines einzelnen der bisher bekannten einfachen Gärbot-P tiche in jedem Falle deshalb unwirtschaftlich, weil durch das Vermischen von zufließendem Gärsubstrat und abfließendem Produkt stets eine bestimmte Menge des Substrates "mit dem Produkt aus dem Gärbottich austritt. Zwar wäre es hierbei theoretisch möglich, die mit dem Produkt austretende Menge des Gärsubstrates gering zu halten durch sehr starke Vergrößerung des Volumeninhaltes dieses einzelnen, kontinuierlich arbeitenden Gärbottichs und die damit verbundene erheblich verlängerte Verweilzeit des in Gärung befindlichen Substrats im Gärbottich, sowie die Einstellung eines stationären, der Produktqualität nahekommenden Gärzustandes des Substrats in diesem einzelnen Gärbottich zu realisieren. Dieser Gärbottich müßte jedoch so groß gewählt werden, daß er letztlich doch wieder unwirtschaftlich sein würde und keinen Vorteil brächte.

Der vorliegenden Erfindung lag nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Gewinnung äthanolhaltiger Produkte durch Gärung und eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens aufzufinden, mit denen die. beschriebenen Nachteile der bekannten Verfahren und Vorrichtungen vermieden werden können. · .

Die Lösung dieser Aufgabe ist ein Verfahren zur Gewinnung äthanolhaltiger Produkte durch Gärung unter kontinuierlichem

309819/0364

Zuführen des Gärsubstrats in das Gärgefäß und kontinuierlichem Abziehen des Gärproduktes, das dadurch gekennzeichnet ist, daß man das Vergären im aufsteigenden Strom im wesentlichen ohne Rückvermischen von Gärsubstrat und Gärprodukt durchführt und gleichzeitig innerhalb der einzelnen Verfahrensbereiche eine turbulente Gasströmung aufrechterhält. Die turbulente Gasströmung wird mittels beliebiger, gegenüber dem Gärsubstrat, dem Gärprodukt bzw. den die Gärung auslösenden Mikroorganismen inerten Gasen oder Gasgemischen bewirkt, wobei es sich als vorteilhaft erwiesen hat, die turbulente Gasströmung mittels des bei der Gärung gebildeten Kohlendioxyds hervorzurufen.

Bei diesem Verfahren fließt das Substrat somit praktisch nur in einer Richtung, nämlich vom Substrateintritt in das Gärgefäß zum Produktaustritt, wodurch die Möglichkeit der Einstellung von stationären Gärungszuständen in beliebigen aufeinanderfolgenden Verfahrensabschriitten geschaffen wird. Die Pließrichtung wird einerseits bestimmt durch den aufsteigenden Strom der bei der alkoholischen Gärung entstehenden Kohlensäure, die noch Reste von Luft enthalten kann, die mit dem Gärsubstrat oder zum Züchten der für die Gärung benötigte Mikroorganismen eingebracht worden ist. Die durch den Flüssigkeitsstrom strömenden Gase, die auch von außen in das Verfahren eingebracht werden und auch Gasgemische darstellen können, wie Gemische aus Kohlendioxyd und anderen Gasen, die weder mit dem Gärsubstrat und dem Gärprodukt noch mit den die Gärung auszulösenden Mikroorganismen chemisch oder physiologisch reagieren, beispielsweise Stickstoff, rufen im Strom des Gärsubstrats eine Turbulenz hervor, die die Zellen der Gärungsorganismen schneller mit unverarbeiteten Anteilen des Substrats in Verbindung kommen läßt und die Stoffwechselendprodukte schneller von den Zellen abführt, wodurch wiederum die Verweilzeit des Substrats im Gärgefäß erheblich verkürzt wird. Ferner wird durch diese turbulente Strömung das Ab-

309819/0364

setzen von Trübpartikeln und auch Gärungsorganismen verhindert.

Zur Erzielung der turbulenten Strömung hat es sich als besonders zweckmäßig herausgestellt, einen Teil der während der Gärung gebildeten Kohlensäure wieder in das Verfahren zurückzuführen, um so die Wirkung der Kohlensäure zu erhöhen, wobei die Rückführung entweder in die erste oder eine der darauffolgenden Verfahrensstufen möglich ist.

^ Beim Verfahren gemäß der Erfindung können die für die Gä-■ rung benötigten Mikroorganismen entweder innerhalb der für das Verfahren verwendeten Vorrichtung gezüchtet und vermehrt werden; es ist aber auch möglich, sie getrennt vom Gärsubstrat oder mit diesem zusammen in der das Vergären des Gärsubstrats ausreichenden Menge in die Vorrichtung einzuführen, wobei sie dann nicht mehr oder nur in geringem Umfange vermehrt werden. Die Mikroorganismen, die mit dem Gärprodukt abgezogen v/erden, können selbstverständlich von diesem Produkt wieder abgetrennt und zurückgewon„ nen werden und entweder direkt oder nach einer Zwischenbehandlung zur Auffrischung der Kultur wieder in das Verfahren zurückgeführt werden.

Neben der vorzugsweise als Mikroorganismus verwendeten Hefe ist es beim Verfahren gemäß der Erfindung möglich,· auch Pilze und Bakterien einzusetzen. Das Verfahren kann sowohl zur Gewinnung von Äthanol als auch von Nebenprodukten der alkoholischen .Gärung herangezogen werden, die z.B. als Aromaspender bei der Herstellung von beispielsweise Rum, Weinen oder ähnlichen alkoholischen Getränken benötigt werden. Darüber hinaus kann .das Verfahren auch dem Abbau oder der Umsetzung verschiedener Stoffe während der Gärung dienen, beispielsweise bei der Glycerinerzeugung durch alkoholische Gärung bzw. der Gewinnung von Stoffen durch Gärung,, bei denen Alkohol nur als Nebenprodukt auftritt, wie ,der Butanol-Aceton-Gärung.

309819/0364

Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung besteht im wesentlichen aus mindestens einem vertikal angeordneten Gärbottich mit darin quer zur Strömungsrichtung angeordneten Einbauten zur Erzielung einer von unten nach oben gerichteten Strömung des Gärsubstrats sowie Mitteln zum Verhindern des Rückmischens der innerhalb des Gärbottichs durch die Einbauten voneinander getrennten Substratmengen. Dieser Gärbottich kann jede beliebige äußere, zweckmäßig zylindrische Form haben und kann auch aus einer Reihe einzelner, übereinander angeordneter Behälter bestehen, die mit Rohrleitungen verbunden sind, in jedem Falle aber nach dem gleichen Prinzip arbeiten wie ein einzelner Gärbottich mit den Strömungsregulierenden Mitteln gemäß der Erfindung. Der oder die Gärbottiche können aus beliebigen V/erkstoffen bestehen, und es können durch Schweißen, Nieten oder Flanschen oder dur,ch andere Methoden aufgebaute Gärbottiche verwendet werden.

Vorzugsweise wird für das Verfahren gemäß der Erfindung ein vertikaler, zylindrischer Gärbottich mit Einbauten verwendet, die den Gärbottich in Abschnitte, in denen sich die stationären Gärzustände einstellen, einteilen. Die Wirkungsweise dieser Einbauten wird unterstützt durch den bereits erwähnten aufsteigenden Strom der Kohlensäure, die bei der alkoholischen Gärung entsteht.

Die erfindungsgemäß verwendeten Einbauten in dem Gärbottich können durch flache, gewölbte oder konische Böden gestaltet sein, die horizontal oder schräg im Gärbottich angeordnet sind und mit Durchgängen für das Gärsubstrat und die Gase ausgestattet sind. Diese Durchgänge können die Form von runden oder unrunden, beispielsweise schlitzförmigen Öffnungen haben, die mit Ventilen versehen sind, die das Rückmischen der Gärflüssigkeit verhindern. Es können in die Böden aber auch Steigrohre, die mit Glocken abgedeckt sind, oder einfache Löcher.ader Siphonrohre mit einer im oberen oder un-

309819/0364

teren Ende angebrachten Krümmung von etwa l80 eingepaßt sein, die ebenfalls das unerwünschte Rückmischen der Gär- *lUssigkeit wirksam verhindern.

Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung wird nachstehend im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert. Gleiche Teile der Vorrichtung sind hierbei mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Fig. 1 zeigt im Schnitt einen einzelnen Gärbottich 1 mit Substrateinlaß 2, Produktaustritt 3, Gaseinlaß- bzw. -auslaß k bzw. 5 und den Einbauten 6 zur Erzielung einer von unten nach oben gerichteten Strömung, die den Gärbottich in Abschnitte, in denen sich stationäre Gärungszustände einstellen, aufteilen.

Pig. 2 zeigt eine aus mehreren, über Rohrleitungen Ya. und 7b miteinander verbundenen Gärbottichaila bis Ic bestehende Vorrichtung mit Einbauten 6a bis 6c zur Erzielung der von unten nach oben gerichteten Strömung der zu vergärenden Flüssigkeit.

Fig. ]5 bis 7 zeigen jeweils im Schnitt sowie in Draufsicht Einbauten in Form von horizontal bzw. schräg angeordneten Böden mit Durchgängen für den aufsteigenden Substratstrom, wobei in Fig. 3 die Einbauten durch eine Schikane 8 mit Durchgang 8', in Fig. 4 durch eine Schikane 9 mit mehreren Durchgängen 9'* in Fig.

5 durch einen Boden 10 mit Siphonrohren 10', in Fig.

6 durch einen Boden 11 mit Steigrohren 11', die mit Glocken 11" ausgestattet sind, und in Fig. 7 durch einen mit mehreren Durchgängen versehenen Boden 12 und in die Durchgänge eingesetzten Ventilen 12' gebildet werden.

Bei Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung wird, wie in Fig. 8 schematisch dargestellt ist, die kontinuierliche Gärung im vertikalen ,Gärbottich durchgeführt, in

309819/0364

den das Gärsubstrat bei 2 eingeführt wird, während das Gärprodukt bei 3 die Vorrichtung verläßt. Das zuckerhaltige Gärsubstrat wird im Bottich 13 aufbereitet, indem eine Zuckerkonzentration von beispielsweise 15 % eingestellt und der PjT-Wert auf 5*0 einreguliert wird. Außerdem erfolgt hier ein Zusatz von 40 g Diammoniumphosphat pro hl Flüssigkeit. Zu Beginn der Gärung findet hier auch das Beimpfen mit Hefe oder anderen Mikroorganismen statt, die durch Belüftung des Unterteiles des Gärbottichs 1 bzw. des Substratbottichs 13 vermehrt werden. Hat die Anzahl der Zellen pro ml Mikroorganismen im Gärbottich eine Konzentration von bei-

spielsweise j5 bis 5 x 10 Zellen/ml erreicht, so wird das Gärsubstrat aus dem Aufbereitungsbottich 13 kontinuierlich dem Gärbottich 1 in einer solchen Menge zugeführt, daß die bei 3 austretende Produktflüssigkeit praktisch keinen Zucker mehr enthält. Die beim Gärprozeß erzeugte Wärme kann über die Kühlschlangen 14 abgeführt werden. Während des Gärprozesses wird ein Teil der gebildeten Kohlensäure zweckmäßig bei 19 abgezogen, bei 15 komprimiert und bei 4 wieder in den Bottich eingeführt. Überschüssige Kohlensäure verläßt die Vorrichtung am Gasauslaß 5·

Zur Rückgewinnung der im Gärprodukt vorhandenen Mikroorganismen wird der Produktstrom durch einen Seperator 16 geführt, wo die Mikroorganismen vom Produktstrom abgetrennt werden; sie können dann nach einer Wäsche bei 20 mit an- ; gesäuertem Wasser von etwa p_R 2,5 am Fuß des Bottichs 1 bei 17 wieder in das Verfahren zurückgeführt werden. Das von den Mikroorganismen befreite Gärsubstrat verläßt die Anlage über die Leitung 18 zur weiteren Verarbeitung, beispielsweise zur Destillation.

Selbstverständlich ist es möglich, aber nicht in jedem Falle notwendig, die Gärsubstrate vor ihrer Einführung in den Gärbottich zu sterilisieren, auf einen optimalen Gehalt an stickstoff- und phosphathaltigen Salzen einzustellen und

309819/0364

hinsichtlich der Wasserstoffionenkonzentration einzuregulieren.

Durch das Verfahren gemäß der Erfindung ist es möglich, über eine Zeitdauer bis zu mehreren Wochen Alkoholausbeuten zu erzielen, die den im Laborversuch bestimmten, auf vorhandenen vergärbaren Zucker bezogenen Alkoholausbeuten weitestgehend entsprechen, und zwar unter Verwendung von Substraten, die durch geeignete, dem Fachmann bekannte Vorbehandlung aus Zuckerrüben, Zuckerrohr und Trauben gewonnen wurden, doch ist es gleichermaßen möglich, auch Substrate aus beispielsweise Getreide, Kartoffeln, Holz, Obst und anderen Grundstoffen entsprechend kontinuierlich zu vergären.

Bei Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung können Alkoholgehalte zwischen 5 und 12 Vol.$, insbesondere zwischen 8 und 10 Vol.$, ohne Schwierigkeiten erreicht werden bei Verweilzeiten des Substrats im Gärbottich zwischen 12 und 48 Stunden, in den meisten Fällen jedoch sogar von weniger als 24 Stunden.

309819/0361

Claims (1)

1. Patentansprüche

   1.) Verfahren zur Gewinnung äthanolhaltiger Produkte durch Gärung unter kontinuierlichem Zuführen des Gärsubstrats in das Gärgefäß und kontinuierlichem Abziehen des Gärproduktes, dadurch gekennzeichnet, daß man das Vergären im aufsteigenden Strom im wesentlichen ohne fUickvermisehen von Gärsubstrat und Gärprodukt durchführt und gleichzeitig innerhalb der einzelnen Verfahrensabschnitte eine turbulente Gasströmung aufrechterhält.

   2.) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die turbulente Gasströmung mittels beliebiger, gegenüber dem Gärsubstrat, dem Gärprodukt bzw. den die Gärung auslösenden Mikroorganismen inerten Gasen oder Gasgemischen bewirkt. ,

   35.) Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß man die turbulente Gasströmung mittels des bei der Gärung gebildeten Kohlendioxyds bewirkt.

   4.) Verfahren nach Anspruch 1 bis J5, dadurch gekennzeichnet, daß man einen Teilstrom des aus dem Gärgefäß austretenden Gases wieder in das Gärgefäß zurückleitet.

   5'.) Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß man die die Gärung auslösenden Mikroorganismen,, wie Hefe, Pilze oder Bakterien, einzeln oder zu mehreren dem Gefäß von außen zuführt und/oder in diesem züchtet bzw. vermehrt.

   6.) Verfahren nach Anspruch 1 bis 5* dadurch gekennzeichnet, daß man die mit dem Gärprodukt abgezogenen Mikroorganismen aus dem Gärprodukt wieder gewinnt und im Kreislauf, gegebenenfalls nach geeigneter Zwischenbehandlung, zur erneuten Verwendung zurückführt.

   309819/0364

   γ.) Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 6, gekennzeichnet durch mindestens einen vertikal angeordneten Gärbottich (l) mit darin quer zur Strömungsrichtung angeordneten Einbauten (6) zur Erzielung einer von unten nach oben gerichteten Strömung des Gärsubstrats sowie Mitteln (10', 11", 12') zum Verhindern des Rückmischens der innerhalb des Gärbottichs durch die Einbauten voneinander getrennten Substratmengen.

   b.) Vorrichtung nach Anspruch J, gekennzeichnet durch mehrere übereinander angeordnete und über Rohrleitungen (7a, 7b), die die Rückmischung verhindern, miteinander in Verbindung stehende Gärbottiche (la bis Ic).

   9.) Vorrichtung nach Anspruch 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Einbauten flache, gewölbte oder konische Böden (8 bis 12) horizontal oder schräg in den Gärbottichen angeordnet und mit Durchgängen für das Gärsubstrat und die Gase ausgestattet sind.

   10.) Vorrichtung nach Anspruch 7 bis 9, gekennzeichnet durch mit Ventilen (12¹) versehene oder freie, runde oder unrunde Öffnungen oder mit Glocken 11" überdeckte gerade oder gekrümmte Steig- bzw. Siphonrohre (ΙΟ',ΙΙ¹) als Substrat- und Gasdurchgänge in den quer zur Strömungsrichtung angeordneten Böden der Gärbottiche.

   309819/0364