Fermentation
Unter der Fermentation ist die alkoholische Garung des eingemaischten Materials zu verstehen. Diese Fermentation kann diskontinuierlich und kontinuierlich reali — siert werden. Beide Varianten sowie die Grundlagen der Fermentationstechnik werden im Folgenden diskutiert. Zuvor wird aber auf die Bereitstellung der fur die Fermentation erforderlichen Hefe eingegangen.
Hefebereitstellung. Die fur die Fermentation erforderliche Hefe wird in der Regel in den Ethanolanlagen selbst hergestellt. Dazu werden, von der eigentlichen Fermentation getrennt, Hefemaischen herangefuhrt. Die erforderliche Menge betragt je nach Zuschnitt des Verfahrens 5 bis 10 % der taglich erzeugten Maischemenge.
Um die Fermentation erstmalig zu starten kommt meist speziell fur diese Zwe — cke selektierte Trocken-Reinzuchthefe zum Einsatz. Diese wird verzuckerter Mai- sche zugegeben und 12 bis 24 h fermentiert. Diese Hefefermentation erfolgt im Gegensatz zur eigentlichen Alkoholfermentation bei relativ niedrigen Temperatu- ren von 20 bis 24 °C und pH-Werten von 2,5 bis 3,5. Dies dient dazu, ausreichen — de Hefemengen verfugbar zu haben, die sich in einem Stadium starker Vermeh — rung befinden und damit eine schnelle Angarung bei der Alkoholfermentation sicherstellen.
Die Hefefermentation findet in speziellen HefegefaBen statt, die mit Ruhrwer — ken und Kuhleinrichtungen versehen sind. In groBtechnischen Anlagen mussen diese HefegefaBe zudem sterilisierbar sein. Werden groBe Hefemengen nach kur — zer Fermentationsdauer benotigt, ist auch eine anfangliche Beluftung der Hefemai- schen zur Beschleunigung des Hefewachstums erforderlich.
Die reife Hefemaische wird dann zur Animpfung der Hauptmaischen verwen — det. Das entleerte HefegefaB wird anschlieBend gereinigt bzw. sterilisiert und da — nach erneut mit verzuckerter Maische befullt. Es wird dann mit etwa 10 % reifer Hefemaische versetzt und auf die gewunschte Temperatur und den notwendigen pH-Wert gebracht. Dadurch kann der Hefesatz praktisch uber die gesamte Produk — tionskampagne hinweg gefuhrt werden. Wird in einem Hefesatz eine Infektion mit Bakterien festgestellt, darf dieser jedoch nicht mehr fur die Hefezuchtung weiter — verwendet werden.
Konstruktionsmerkmale von Fermentern. Ublicherweise erfolgt die Fermentation von Maischen in zylindrischen Garbehaltern. Je nach Kapazitat der Ethanolan — lage reicht das Volumen dieser Garbehalter von wenigen bis 100 m3 und mehr. Garbehalter sollten aus Edelstahl gefertigt sein und folgende Konstruktionsmerk — male aufweisen:
— stehende zylindrische Bauform, dessen Hohe den Durchmesser ubersteigen sollte,
— Personenzugange oben und am unteren Ende des zylindrischen Teils,
— Schauglas uber dem unteren Mannloch,
— Thermometer im unteren und im oberen Drittel des Garbehalters, die etwa 50 cm in den Behalter hineinragen,
— Sammelrohr fur das austretende Kohlenstoffdioxid (CO2) am hochsten Punkt des Fermenters.
Uberschreitet das Fermentervolumen etwa 40 m3 ist eine Kuhleinrichtung erforder — lich, die fur eine schnelle und effektive Reinigung konzipiert sein muss. Derartige Kuhleinrichtungen im Innern der Fermenter sind sehr effektiv und erlauben eine optimale Temperaturfuhrung bzw. — kontrolle wahrend der Fermentation. Wahrend bei Fermentern ohne Kuhleinrichtung die Fermentation im Wesentlichen uber die
Anstelltemperatur gesteuert wird und allenfalls eine Berieselungs-Kuhlung mog — lich ist, kann bei vorhandener Kuhlschlange im Fermenter die Fermentation mit hoheren Temperaturen gestartet werden; dadurch kommt sie schneller in Gang und nimmt auch weniger Zeit in Anspruch. So muss beispielsweise bei einem Fermen — tervolumen von 30 m3 in der Regel die Anstelltemperatur auf 20 bis 22 °C abge — senkt werden. Ist eine Kuhleinrichtung vorhanden, kann die Garung demgegenuber mit 28 bis 30 °C gestartet werden; dies spart nicht nur Kuhlwasser und — zeit bei der Maischebereitung, sondern beschleunigt auch die Fermentation insgesamt und macht sie somit auch weniger infektionsanfallig. Allerdings steigt dadurch der Kuhlwasserverbrauch wahrend der Fermentation an. Bei groBen Fermentern ist aber eine Kuhleinrichtung ohnehin unausweichlich.
Absatzweise Fermentation. Traditionell wird die Fermentation absatzweise (d. h. im Batch-Verfahren) durchgefuhrt. Die vorbereitete Maische wird dazu in einen Garbehalter gefullt und mit Garhefe geimpft. Sie verbleibt in diesen Garbehaltern bis zum Abschluss der Vergarung. Der Vorteil der absatzweisen Fermentation liegt in der einfachen Prozessfuhrung bei gleichzeitig hohem Zuckerumsatz (d. h. 90 bis 95 % des theoretisch moglichen Umsatzes).
Die Fermentation kann unter Verwendung von Hefemaische durch zwei unter — schiedliche Vorgangsweisen gestartet werden.
— Die reife Hefemaische wird der suBen Maische im Maischapparat zugegeben, sobald die Temperatur der suBen Maische bei der Kuhlung 35 °C unterschreitet. Diese frisch mit Hefe versetzte Maische (frische Maische) wird dann im Maischapparat auf Anstelltemperatur abgekuhlt und anschlieBend in den Gar — tank gepumpt. Mit einem Teil der frischen Maischen wird auch das HefegefaB wieder befullt und mit der erneuten Hefesatzbereitung begonnen.
— Alternativ dazu konnen 90 bis 95 % des reifen Hefesatzes direkt in den Fermenter gepumpt werden. Die suBe Maische wird dann uber den Maischekuhler ebenfalls dem Fermenter zugefuhrt. Dies kann auch zeitgleich mit dem Uber — pumpen des Hefesatzes geschehen. Ein Teil der suBen Maische wird dann dazu benutzt, den fast entleerten Hefesatz wieder aufzufullen. Dieses Verfahren wird ublicherweise dort angewandt, wo ein separater Kuhler fur die Maischekuhlung verwendet wird.
Die Anstelltemperatur zum Start der Fermentation ist so zu wahlen, dass nach 24 h eine Fermentationstemperatur von 34 °C erreicht wird, ohne wahrend der weiteren Fermentation 36 °C zu uberschreiten. Kuhleinrichtungen sollten so genutzt werden, dass eine Temperatur von etwa 34 °C in den Gartanks gehalten wird, nach — dem diese einmal erreicht wurde.
Nach 24 h sollten etwa 50 % des vergarbaren Extraktes vergoren sein und der Alkoholgehalt der Maischen 4 bis 5 Vol.-% betragen. Normalerweise liegt dabei der pH-Wert der Maischen bei Beginn der Fermentation bei etwa 5,2, um im Ver — lauf der ersten 24 h auf 4,6 bis 4,8 abzusinken. Im weiteren Verlauf der Fermentation geht er dann auf 4,2 bis 4,5 zuruck, wahrend er zum Ende der Garung wieder um rund 0,2 Einheiten ansteigt. Kommt es im Zuge der Fermentation zu einer In — fektion mit Milchsaurebakterien, fallt dagegen der pH-Wert auf 4,0 und weit dar — unter.
Durch das Recycling der Schlempe im Maischprozess wird der Start der Fermentation deutlich beschleunigt. Wird dagegen z. B. Maismaische ohne Schlempe — Recycling hergestellt, beginnt die Fermentation mit einer Verzogerungsphase von etwa 4 h. Werden nur 50 % der erforderlichen Prozessflussigkeit durch Schlempe ersetzt, verkurzt dies die Phase auf nur noch 1,5 h, wahrend bei ausschlieBlicher Nutzung von Schlempe als Prozessflussigkeit diese Verzogerungs-Phase praktisch wegfallt. Ein derartiger schneller Start der Fermentation reduziert das Infektionsri- siko deutlich.
Durch das Schlempe-Recycling wird zusatzlich auch eine deutliche Reduzie — rung der gesamten Fermentationsdauer erreicht. So konnen Weizen-, Roggen — und Triticale-Maischen problemlos innerhalb von nur 40 h vergoren werden. Wird die Gartemperatur uber Kuhleinrichtungen gesteuert, sind sogar Garzeiten von nur 30 h realisierbar. Die Gardauer von Maismaischen betragt dagegen etwa 60 h und die von Kornermais-Silage etwa 40 h. Demgegenuber dauert die Garung von Maismaischen ohne Schlempe-Recycling 3 bis 4 Tage und bleibt immer unvoll- standig.
In der Praxis muss die Garung analytisch verfolgt und kontrolliert werden. Hierzu sollte taglich der Extraktgehalt — als MaB fur die Menge an vergorener Glucose — der garenden Maische sowie der pH-Wert und die Temperatur gemes — sen und dokumentiert werden. Zudem ist eine tagliche mikroskopische Untersu — chung der Maischen notwendig. Allgemein gultige Soll-Werte fur die wahrend der Fermentation zu erhebenden Prozessdaten konnen dabei nicht gegeben werden, da diese vom verwendeten Maischprozess und vom eingesetzten Rohstoff, dem einge — stellten Extraktgehalt der Maischen und dem Anteil der in den Prozess zuruckge — fuhrten Schlempe abhangen. Nur durch eine tagliche Erhebung und Beobachtung der Prozessdaten konnen fur bestimmte Prozesse und bestimmte Rohstoffe spezifi- sche Verfahrensweisen ermittelt werden. Sie konnen dann unter den jeweiligen Randbedingungen als maBgeblich angesehen werden, wenn sie bei gleicher Ver- fahrensweise und identischem Rohstoff auch gleiche Werte liefern und aus diesen Maischen mehr als 64 l Alkohol pro 100 kg Starke destilliert werden.
Mogliche Infektionen der Maischen werden meist durch Milchsaurebakterien verursacht. Dies fuhrt in der Regel zwar zu deutlichen Ausbeuteverlusten; die Qua — litat des erzeugten Alkohols wird jedoch nur gering beeintrachtigt, wobei diese Auswirkungen nur bei der Herstellung von Trinkalkohol eine etwas groBere Rolle spielen. In Ethanolanlagen treten immer wieder Infektionen mit Milchsaurebakte- rien auf, die Propenal (Acrolein) bilden konnen. Propenal wirkt schleimhaut- und tranenreizend und fuhrt auBerdem zu einer drastischen Qualitatsverschlechterung des erzeugten Ethanols; es kann auch nur mit groBem Aufwand und nur in gerin — gen Konzentrationen bei einer Rektifikation wieder abgetrennt werden.
Da die Propenal-Bildung in Maischen durch das Wachstum sporenbildender Bakterien (Clostridien) induziert wird, mussen derartige Maischen so verarbeitet werden, dass einerseits eine ausreichende Pasteurisation sichergestellt ist und an — dererseits ein Auskeimen der vorhandenen Sporen verhindert wird /15-29/, /15-9/. Fur eine ausreichende Pasteurisation mussen die infektionsgefahrdeten Maischen fur mindestens 30 min uber 65 °C erhitzt werden. Nach erfolgter Verflussigung werden sie dann auf Verzuckerungstemperatur gekuhlt; der pH-Wert wird jedoch vor dem Erreichen von 60 °C auf exakt 4,0 abgesenkt, um ein Auskeimen vorhan — dener Sporen zu unterbinden. Diese gezielte Ansauerung der Maischen fuhrt somit zwar zu einer effektiven Verhinderung des Auskeimens von Sporen; Infektionen, die durch Maischereste in Rohrleitungen oder einen infizierten Hefesatz in die Maische eingeschleppt werden (vitale Keime) konnen dadurch jedoch nicht unter — druckt werden. Eine entsprechende Reinigung der Anlagen ist somit oberstes Ge — bot zur Vermeidung von Infektionen.
Kontinuicrlichc Fermentation. Die kontinuierliche Fermentation — aufgrund des hoheren anlagentechnischen Aufwandes nur in groBtechnischen Anlagen sinnvoll — ist im Vergleich zur absatzweisen oder Batch-Fermentation durch eine deutlich hohere volumenbezogene Produktivitat — bezogen auf die Alkoholproduktion pro Zeiteinheit — gekennzeichnet. Beispielsweise betragt die Produktivitat bei einer diskontinuierlichen Fermentation etwa 2 g Ethanol je Liter Fermentervolumen und Stunde. Sie kann in kontinuierlich arbeitenden Anlagen auf bis zu 30 bis 50 g/(l h) gesteigert werden /15-27/. Dadurch sind wesentlich kleinere Fermentervolumina moglich. Ein spezieller kontinuierlicher Prozess stellt das Kaskadenverfahren dar. Hier wird die kontinuierliche Fermentation durch das Hintereinanderschalten und Durchstromen von mehreren Fermentern realisiert /15-51/ Grundsatzlich konnen bei der Batch-Fermentation hohere Ausbeuten im Bereich von 92 % gegenuber der kontinuierlichen Fermentation mit etwa 89 % erzielt werden /15-12/
Im Gegensatz zur absatzweisen Garung mussen die zu fermentierenden Substrate sterilisiert und, wegen der erforderlichen Ruckfuhrung von Hefezellen, frei von Feststoffen sein. Insbesondere die Sterilisation fuhrt notwendigerweise zu einem zusatzlichen, bei der diskontinuierlichen Fermentation nicht erforderlichen Ener- gieverbrauch.
Die hohen Produktivitaten konnen in kontinuierlichen Fermentern nur erzielt werden, wenn das Ausspulen der Hefezellzahl verhindert wird. Dies erfordert eine Ruckfuhrung von Hefezellen aus der vergorenen Maische in den Fermenter. Einer — seits kann dies dadurch realisiert werden, dass die Hefe aus den vergorenen Sub — straten mit Hilfe von Zentrifugen zuruckgewonnen wird. Andererseits konnen auch spezielle flockulierende Hefestamme verwendet werden; hier wird dem kontinuier- lich arbeitenden Fermenter meist ein zylindrokonisch geformter Sedimentations- tank nachgeschaltet, aus dem oben die "hefefreie" Maische und unten die zuruck zu fuhrende Hefefraktion entnommen werden kann.
Die Abtrennung der Feststoffe aus z. B. Getreidemaischen fuhrt zudem zu ei — nem erheblichen apparativen Aufwand und entsprechenden Verlusten an vergarba — rer Substanz, die zwangsweise an der Feststoff-Fraktion anhaftet und damit entwe — der verloren geht oder in einem aufwandigen Waschprozess zuruckgewonnen werden muss. Durch diese Abtrennung verarmen die Garsubstrate zudem an Nahrstof — fen; sie mussen deshalb vor der Fermentation zugesetzt werden. Auch ist die aus dem kontinuierlichen Fermenter entnommene vergorene Maische in den seltensten Fallen vollstandig endvergoren, so dass einem kontinuierlich arbeitenden Fermenter haufig ein Fermenter zum "Ausreifen" der Maischen nachgeschaltet wird; dies reduziert den Produktivitatsvorteil zusatzlich. Deshalb werden in solchen kontinu — ierlichen Fermentern meist Zuckerrohr und Melassen verarbeitet, wo von vornher — ein schon feststofffreie Garsubstrate anfallen; hierbei ist jedoch die Vergarung von
Melassen in kontinuierlichen Fermentern durch die darin enthaltenen Melanoidine deutlich problematischer als die Fermentation von Zuckersaften.