Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von
Ernährungswertstoffen aus Getreide durch einen enzymatischen Abbau von im Getreide
enthaltener Stärke in lösliche Dextrine und deren fortgesetzter Abbau zu einfacheren
Oligosacchariden in einem Schritt, sowie eine Anlage zur Durchführung des Verfahrens.[0001]
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Möglichkeit zu schaffen, auf
einfache und zweckmäßige Weise Ernährungswertstoffe aus Getreide zu gewinnen, welche
sowohl für Menschen als auch für Tiere angewendet werden können.[0002]
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Eine weitere Aufgabe besteht darin, ein sehr vereinfachtes und zeitsparendes
Verfahren zu entwickeln, mit dem Produkte mit verschiedenem Glucosegehalt hergestellt
werden können. Hierbei können als Ausgangsmaterial verschiedene Getreidearten oder
Getreideteile wie zum Beispiel Weizen, Hafer, Gerste, Roggen, Mais, Sorghum sowie andere
Stärkeprodukte verwendet werden.[0003]
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In bestimmten Anwendungen kann das Endprodukt direkt verwendet werden und
braucht vorher nicht getrocknet oder einer weiteren Fraktionierung oder Trocknung ausgesetzt
zu werden. Wird ein getrocknetes Produkt gewünscht, so kann das Endprodukt durch
Sprühtrocknung oder durch ein ähnliches Verfahren oder mittels eines Walzentrockners
getrocknet werden. In manchen Fällen wird der Faseranteil des Produkts davon getrennt und
separat getrocknet, bevor es als hochwertiges und wohlschmeckendes faserhaltiges
Nahrungsmittel verwendet wird.[0004]
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Herstellungsanlage zu
schaffen, in der das erfindungsgemäße Verfahren, insbesondere ein kontinuierliches
Herstellungsverfahren, durchgeführt werden kann.[0005]
Hintergrund der Erfindung
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Zum Beispiel ist aus der SE-A-7808870-5 bekannt, ganze Getreidekörner unter
Verwendung von Eiweiß und Stärke abbauenden Enzymen zu hydrolysieren. Das offenbarte
Verfahren ist ein komplizierteres Herstellungsverfahren, das 15 bis 30 Stunden benötigt, um
einen hohen Glukosegehalt zu erzielen. Aufgrund dieser langen Bearbeitungszeiten werden sehr
große Anlagen benötigt, um das Produkt in größeren Mengen herstellen zu können. Aufgrund
der langen Verweilzeiten kann ein derartiges Verfahren zudem nur schwer als kontinuierliches
Verfahren ausgeführt werden. Nach dieser bekannten Technik basiert das Verfahren primär auf
dem Abbau von vorliegendem Eiweiß unter Verwendung eines proteolytischen Enzyms bei
60ºC während 2 Stunden, bis eine bestimmte Aminosäurenlänge erreicht wird, wobei danach
eine alpha-Amylase bei 75ºC hinzugefügt wird und die vorhandene Stärke dann etwa 6
Stunden lang behandelt wird, um Saccharide zu bilden, und dann[0006]
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Überraschenderweise hat sich nun herausgestellt, dass die Herstellung von
glukosehaltigen Getreideprodukten mit dem vorliegenden Verfahren vereinfacht werden kann,
wodurch erheblich kürzere Herstellungszeiten erzielt werden können, was auch bedeutet, dass
das Verfahren als kontinuierliches Verfahren weiterentwickelt werden kann.[0007]
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Die vorliegende Erfindung umfasst weiterhin eine Anlage, mit der das vorliegende
Verfahren durchgeführt werden kann.[0008]
Beschreibung der vorliegenden Erfindung
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Die vorliegende Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Gelatinierung und der
Abbau der Stärke zu löslichen Dextrinen und deren fortgesetzter Abbau zu einfacheren
Oligosacchariden in einem Schritt durchgeführt werden kann.[0009]
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Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass schon in einer ersten Phase
alpha-Amylase und Amyloglucosidase zu dem selben Zeitpunkt hinzugefügt werden, zu dem
die pH- und Temperaturbedingungen so eingestellt werden, dass die verschiedenen Enzymarten
eine zufriedenstellende Aktivität aufweisen.[0010]
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Dabei wird ein schneller Abbau der Stärke erzielt, während die normalerweise
stattfindende erhebliche Zunahme der Viskosität zu Beginn der Gelatinierung verhindert wird.
So können einfachere und weniger kostenaufwendige Rührwerke verwendet werden.
Gleichzeitig wird die Stärke sehr schnell enzymatisch in einfachere Kohlenhydrate zerlegt, so
dass bereits nach wenigen Stunden ein maximaler Glucosegehalt erzielt werden kann.[0011]
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Mit dem Verfahren kann das Produkt auch eine Mischung aus Glucose und Maltose
enthalten, was dadurch erreicht wird, dass eine geeignete Menge an Amyloglucosidase und eine
vorbestimmte Inkubationszeit gewählt werden.[0012]
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Wie bereits eingangs erwähnt, können als Ausgangsmaterial ganze gequetschte Weizen-,
Hafer-, Gersten-, Roggen-, Mais- und Sorghumkörner verwendet werden. Dabei ist die
Partikelgröße für das Verfahren als solche nicht wesentlich und wird eher durch das
abschließende Trocknungsverfahren oder die Fraktionierung des Endprodukts sowie die
vorgesehene Anwendung bestimmt. Das Mehl dieser Getreidearten sowie andere stärkereiche
Materialien können ebenfalls verwendet werden.[0013]
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Das Verfahren wird in einem geeigneten Reaktionsgefäß durchgeführt, das mit einem
Rührer und mit Mitteln zur Aufrechterhaltung einer gewünschten Temperatur versehen ist. In
der vorliegenden Anmeldung wird jedoch auch eine bevorzugte Anlage für eine kontinuierliche
Herstellung beschrieben, wobei diese Anlage eine Misch- und Heizeinheit, Wärmetauscher,
Reaktionsgefäße und ein Gefäß für die Endreaktion umfasst.[0014]
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Im Allgemeinen wird das Rohmaterial beim Rühren mit auf 40 bis 75ºC, vorzugsweise
auf 40 bis 60ºC, vorgeheiztem Wasser und mit alpha-Amylase sowie mit einer
Amyloglucosidase versehen, wobei die Temperatur der Gesamtmischung maximal 55ºC
beträgt.[0015]
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Geeignete alpha-Amylasen sind Termamyl (eingetragenes Warenzeichen) 120L (Novo),
BAN 240L (Novo) oder entsprechendes. Eine geeignete Amyloglucosidase ist AMG 200L
(Novo) oder entsprechendes. Diese erwähnten Enzyme liegen in flüssiger Form vor und können
somit leicht in der korrekten Dosierung zugefügt werden. Wird Termamyl verwendet, so
werden in der Lösung weniger Ca-Ionen benötigt.[0016]
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Nachdem etwa 30 bis 50% des stärkehaltigen Rohmaterials zugefügt wurde, wird der
pH-Wert unter Verwendung von Salz- oder Citronensäure oder einer anderen geeigneten Säure
auf 4,5 bis 5,5, vorzugsweise auf 4,9 eingestellt. Dann wird die Temperatur auf einen Bereich
von 60 bis 75ºC erhöht, bis das Reaktionsprodukt die in Bezug auf ihren Glukosegehalt
gewünschte Zusammensetzung aufweist. Gleichzeitig erfolgt die für das Verfahren wesentliche
Gelatinierung, wobei, aufgrund der Tatsache, dass ein gewisser Stärkeabbau bereits
stattgefunden hat, diese eine nicht so starke Zunahme an Viskosität bewirkt, wie dies der Fall
wäre, wenn die Stärke nicht zuvor bereits teilweise abgebaut worden wäre. Dann werden die
Enzyme dadurch inaktiviert, dass das Reaktionsprodukt, je nach der Hitzestabilität der
verwendeten Amyloglucosidase, 30 bis 60 Sekunden lang auf 90 bis 95ºC, alternativ auf 125
bis 130ºC aufgeheizt wird. Gleichzeitig wird das Produkt sterilisiert.[0017]
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Das Endprodukt kann nun für bestimmte Anwendungen direkt eingesetzt werden, oder
es muss für andere Anwendungen zuerst auf einen geeigneten Wassergehalt getrocknet werden.
Das Produkt kann je nach der letztendlichen Verwendung in eigens dafür vorgesehenen
Gefäßen gelagert werden. Es sollte dabei insbesondere auf die Erhaltung der Sterilität geachtet
werden. So ist eine aseptische Verpackung möglich und auch geeignet.[0018]
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Wie eingangs erwähnt kann das Endprodukt auch sprühgetrocknet oder mit einem
Walzentrockner getrocknet werden. Wird ein Faseranteil abgetrennt, so wird dieser
vorzugsweise in einem Trockner unter Verwendung von Heißluft getrocknet.[0019]
Beispiel
Herstellung eines Produkts mit erhöhtem Glucosegehalt auf der Basis von Weizenmehl
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Als Rohmaterial wurde herkömmliches Weizenmehl verwendet, wobei 500 g
Weizenmehl unter Rühren 1000 ml auf etwa 55ºC aufgeheiztes Wasser zugefügt wurde, wobei
das Wasser 1,0 ml Termamyl 120L und 2,0 ml AMG 200L enthielt. Nachdem etwa 50% des
Weizenmehls beigemischt worden waren, wurde der pH-Wert unter Zugabe von verdünnter
Salzsäure auf 4,9 eingestellt. Nachdem das gesamte Weizenmehl hinzugegeben worden war,
wurde weitere verdünnte Salzsäure hinzugefügt, um den genannten pH-Wert aufrecht zu
erhalten. Dann wurde die Temperatur des Gemischs auf 70 bis 75ºC erhöht, während
gleichzeitig der Gehalt an einfachen sich bildenden Kohlenhydraten sukzessive mittels HPLC
bestimmt wurde. Aus Fig. 1 ist die Zunahme der einfachen Kohlenhydrate im löslichen Teil
erkennbar. Nach 3 Stunden bei 70ºC wurde die Inkubation dadurch gestoppt, dass die Enzyme
durch Erhitzen mit Mikrowellen auf 95ºC inaktiviert wurden, wobei das Produkt gleichzeitig
sterilisiert wurde.[0020]
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Nach dem Trocknen entstand ein süßschmeckendes Produkt, das 68% Glucose enthielt.[0021]
Beispiel 2
Herstellung eines Produkts mit erhöhtem Glucosegehalt auf der Basis von ganzen
Weizenkörnern
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Ganze Weizenkörner wurden auf eine Partikelgröße von 0,05 bis 1,5 mm gemahlen.
700 g Weizen wurden unter Rühren 1000 ml Wasser zugefügt, wobei das Wasser eine
Temperatur von etwa 55ºC aufwies und 1,0 ml Termamyl 120L und 2,0 ml AMG 200L
enthielt. Nachdem etwa 50% des Weizens beigemischt worden waren, wurde der pH-Wert unter
Zugabe von verdünnter Salzsäure auf 4,9 eingestellt. Nachdem der gesamte Weizen
hinzugegeben worden war, wurde weitere Salzsäure zugegeben. Die Menge an Salzsäure hingt
von dem Puffervermögen des Rohmaterials ab. Dann wurde die Temperatur der Mischung unter
ständigem Rühren auf 70 bis 75ºC erhöht, wobei die Inkubation fortgesetzt wurde. Die Menge
einfacher Kohlenhydrate wurde mittels HPLC bestimmt. Nach 3 Stunden bei 70ºC wurde die
Inkubation gestoppt, das Produkt wurde sterilisiert und die Enzyme wurden durch Erhitzen auf
95ºC inaktiviert.[0022]
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Nach der Trocknung entstand ein süßes Produkt mit einem Glucosegehalt von 55%.[0023]
Beispiel 3
Herstellung eines Produkts mit erhöhtem Glucosegehalt auf der Basis von Hafer
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Ganze Haferkörner wurden von ihrer haftenden Schale befreit und zu feinem Mehl mit
ungefähr derselben Partikelgröße wie in Beispiel 2 gemahlen. 700 g Mehl wurden unter Rühren
1000 ml Wasser zugefügt, das auf eine Temperatur von 55ºC gebracht worden war und 1,5 ml
Termamyl 120L und 2,5 ml AMG 200L enthielt. Nachdem etwa 50% des Mehls beigemischt
worden waren, wurde der pH-Wert unter Zugabe von verdünnter Salzsäure eingestellt.
Nachdem der gesamte Hafer hinzugegeben worden war, wurde schließlich der pH-Wert durch
Zugabe von Salzsäure auf 4,9 eingestellt. Dann wurde die Temperatur der Mischung unter
ständigem Rühren auf 70 bis 75ºC erhöht, wobei die Inkubation fortgesetzt wurde. Die Menge
einfacher Kohlenhydrate wurde mittels HPLC bestimmt. Nach 3 Stunden bei 70ºC wurde die
Inkubation gestoppt, das Produkt wurde sterilisiert und die Enzyme wurden durch Erhitzen auf
95ºC inaktiviert. Der Trockengehalt des löslichen Anteils bestand dann zu 71% aus Glucose.[0024]
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Nach der Trocknung entstand ein süßes Produkt mit einem milden Hafergeschmack und
mit einem Glucosegehalt von 59%.[0025]
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In den oben genannten Beispielen wurden für die Mischung des Rohmaterials mit dem
Wasser 33 bis 41% Trockengehalt verwendet. Diese Beispiele dienen jedoch nur der
Erläuterung und fallen nicht in den Rahmen der Ansprüche. Dieser Anteil kann jedoch ohne
größere Probleme auf 50% gesteigert werden, wodurch die fakultative Notwendigkeit einer
Trocknung reduziert wird und das Produkt direkt zur Herstellung von Nahrungsmitteln,
beispielsweise von Backwaren, eingesetzt werden kann.[0026]
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In den oben genannten Beispielen wurde alpha-Amylase zusammen mit
Amyloglucosidase verwendet. Alpha-Amylase kann erforderlichenfalls auch mit beta-Amylase
kombiniert werden.[0027]
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Das Endprodukt kann anstelle von Zucker als allgemeiner Zusatzstoff für
Nahrungsmittel beispielsweise in Backwaren, Ketchup, Speiseeis und anderen Produkten
verwendet werden.[0028]
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Das hergestellte Produkt verleiht dem Produkt, dem es zugesetzt wird, beispielsweise
Getränken oder anderen Nahrungsmitteln, eine erhöhte sahnige Konsistenz.[0029]
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Wie eingangs erwähnt, betrifft die vorliegende Erfindung auch eine Anlage zur
Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, unter kontinuierlichen Bedingungen. Dieser
Teil der Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnungen näher
beschrieben. Sie zeigen:[0030]
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Fig. 2 eine Anlage in einer Gesamtansicht;
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Fig. 3 einen Mischreaktor der Anlage im Querschnitt
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Fig. 4 einen Reaktionsreaktor der Anlage im Querschnitt
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Fig. 5 den Reaktionsreaktor aus Fig. 4 im Querschnitt in einer senkrecht zur
Drehachse verlaufenden Ebene; und
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Fig. 6 einen Reaktor der Anlage für die Endinkubation im Querschnitt.
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[0031] Fig. 2 zeigt eine Gesamtansicht einer bevorzugten Anlage zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens. Das aus einer geeigneten Quelle stammende Mehl wird einem
Sammeltank 1 zugeführt, von dem aus das Mehl dann über eine Förderschnecke 2 zu einem
Vorreaktor 3 gebracht wird. Bevor das Mehl in den Vorreaktor 3 eingeführt wird, wird ihm eine
geeignete Menge Wasser, das im Verhältnis zum Mehl eine geeignete Temperatur aufweist,
zugefügt, so dass der Wassergehalt bei etwa 50% und die Temperatur bei etwa 50ºC liegen.
Die zur Hydrolyse der vorhandenen Stärke benötigten Enzyme werden in Wasser aufgelöst oder
suspendiert. Wie in Fig. 3 gezeigt, umfasst der Vorreaktor zwei Schnecken 4 und 5, wobei die
innere Schraube 4 direkt an der durchgehenden, von einem Motor 7 mit einer Geschwindigkeit
von etwa 100 Upm angetriebenen Welle 6 montiert ist, und wobei die äußere Schnecke an
einem Schaufelrührer 8 im unteren Teil des Reaktors montiert ist und von diesem auch
angetrieben wird. Ein oder mehrere stationäre Rührmittel 9 sind zwischen den zwei Schnecken
4 und 5 angeordnet, wodurch die Mischung aus Stärke und Wasser, welche primär eine hohe
Viskosität aufweist, von den Schnecken nicht nur gefördert, sondern auch gemischt wird. Da
die Schnecken eine gegensätzliche Steigung aufweisen, aber in die gleiche Richtung
angetrieben werden, wird die innere Schnecke 4 das Material in dem Beispiel nach unten
fördern, während die äußere Schneckenschraube das Material nach oben befördert. Die
Kontraktionsbewegungen führen zu einer hohen Homogenisierung des Materials. So bewirkt
die nach unten gerichtete Bewegung in der Mitte des Reaktors in der Ausführungsform ein
Zusammenpressen des Materials, das dann bei der Aufwärtsbewegung im Randbereich des
Reaktors wieder gelockert wird. Nach einer Verweilzeit von "einigen" Minuten wird die
Mischung aus Wasser und Stärke in Form einer Aufschlämmung aus dem Vorreaktor abgeleitet,
wobei die Temperatur bei 48 bis 50ºC liegt. Die Aufschlämmung wird dann über eine Pumpe
einem Wärmetauscher 10 zugeführt, in dem die Temperatur zunächst etwa 60ºC beträgt und
dann auf 70ºC erhöht wird, bevor die Aufschlämmung einem zweiten Reaktor 11 (Fig. 4)
zugeführt wird. Während des Aufheizens auf 70ºC findet die für das Verfahren wichtige
Gelatinierung statt, wobei die Viskosität deutlich erhöht wird. Die Aufschlämmung wird in den
unteren Teil dieses Reaktors eingeführt und durch den Druck der Pumpe durch den Reaktor
hindurch nach oben gefördert. Der zweite Reaktor 11 umfasst eine doppelwandige Außenfläche
12 und einen zentralen zylindrischen Körper 13, der ebenfalls eine doppelte Wandung aufweist.
Weiterhin umfasst der Reaktor zwei Schnecken 14 und 15, die beide durch einen gemeinsamen
Motor angetrieben werden. In der in den Fig. 2, 3 und 4 dargestellten Ausführungsform
werden sie vom Motor 7 angetrieben. In diesem Reaktor 11 rotieren die Schnecken 14 und 15
gegenläufig, d. h. die äußere Schnecke 15 drückt das Material nach unten, während die innere
Schnecke 14 das Material nach oben fördert. Die Schnecken sind derart angeordnet, dass
zwischen der doppelwandigen Fläche 12 und der doppelwandigen Fläche 13 ein kleiner Spalt
entsteht. Da diese Flächen heiß sind, kann das Material an diesen Flächen anhaften; deshalb
wurde die entsprechende Schnecken mit senkrechten Kratzelementen 16 versehen, die in
Aussparungen in der jeweiligen Schnecken 14 oder 15 (Fig. 6) angeordnet sind. In geeigneter
Weise sind die Kratzelemente 16 aus einem gegenüber der Aufschlämmung inerten Material
hergestellt und können in einfacher Weise von jeder Seite des Reaktors, vorzugsweise von
oben, ausgetauscht werden. Nachdem die Aufschlämmung während des Aufheizens, das
dadurch erfolgt, dass den zwei doppelwandigen Flächen 12 und 13 Wärme zugeführt wird, den
Reaktor 11 durchlaufen hat, wird die Aufschlämmung aus dem oberen Teil des Reaktors 11
abgezogen. Die Aufschlämmung wird hierbei zur abschließenden Hydrolyse in den
Inkubationsreaktor weitergeleitet (Fig. 5), wobei die Verweilzeit in diesem Inkubationsreaktor
17 etwa 2 Stunden beträgt. Der Inkubationsreaktor 17 umfasst eine Anzahl konzentrisch
angeordneter zylindrischer Wände 18 und 19, wobei jede zweite Wand 19 vom Boden 20 aus
und die anderen 18 vom oberen Teil 21 des Reaktors aus angeordnet werden. Der innere
Zylinder 18 kann auch aus Stangen bestehen. Die Zylinder 18 bzw. 19 nehmen nicht die
gesamte Höhe des Reaktors ein, sondern enden etwas oberhalb des Bodens 20 des Reaktors und
etwas unterhalb des oberen Teils 21 des Reaktors. Die am oberen Teil 21 des Reaktors
angeordneten Zylinder 18 sind, über den Motor drehbar gelagert, der im oberen Teil des
Reaktors angeordnet ist. Die Drehung kann dabei entweder nur in eine Richtung oder auch
alternierend in zwei Richtungen erfolgen. Das Material, die Aufschlämmung, wird mittig am
Boden des Reaktors durch einen Einlass 22 eingeführt. Da die Zylinder nicht die gesamte Höhe
der Reaktoren einnehmen, entstehen jeweils oben und unten, oberhalb oder unterhalb der
entsprechenden Zylinderwand, Lücken, durch die die Aufschlämmung in der durch die Pfeile in
Fig. 3 angedeuteten Richtung geführt werden kann. Nach der Inkubation 17 wird die
Aufschlämmung mittels einer Pumpe einem Wärmetauscher 23 zugeführt, in dem die
Temperatur auf 110 bis 120ºC erhöht wird, um die Enzyme zu inaktivieren. Dann wird die
Aufschlämmung wieder durch den gleichen Wärmetauscher 23 geführt, damit dieser ihre Hitze