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Main Title: Zur Verbesserung der Langzeitstabilität von Verfahren mit immobilisierter Hefe bei der Hauptgärung
Translated Title: Improvement of long term stability of processes with immobilized yeast for main fermentation
Author(s): Ludwig, Andreas
Advisor(s): Wackerbauer, Karl
Kraume, Matthias
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät III - Prozesswissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: Kontinuierliche Hauptgärungen mit immobilisierter Hefe bieten zwar eine Reihe potenzieller Vorteile gegenüber Chargenprozessen, dennoch leiden sie oft unter einer stetigen Veränderung der Bierqualität, die sich insbesondere im Gehalt an Aminosäuren, dem pH-Wert und der Größenordnung der Gärnebenprodukte äußert. Anhand von Fermentationen unter Variation der Parameter definierte Belüftung, Trägermaterial und Reaktortyp wurde in einem umfassenden Versuchsprogramm versucht, Methoden benennen zu können, die zu einer wesentlichen Verbesserung der Langzeitstabilität des Reaktorbetriebes führen könnten. Dabei stellten sich Festbettreaktoren als wenig günstig für eine derartige Hauptgärung heraus, da Verblockungen und Inhomogenitäten eine Langzeitstabilität unmöglich machten. Die Variation des im Festbettreaktor eingesetzten Trägermaterials DEAE-Cellulose, Sinterglas oder Silikon hatte keinen signifikanten Einfluss auf die Bierqualität, während eine definierte Belüftung die Langzeitstabilität bereits im Festbettreaktor verbesserte. Sowohl der Einsatz eines Modul/Schleifen-Reaktors mit Siliciumcarbid-Modulen als Trägermatrix als auch eines Wirbelschichtreakors mit Silikonkugeln bei gleichzeitiger definierter Belüftung erwiesen sich als hinsichtlich der Langzeitstabilität und Produktqualität prinzipiell geeignete Varianten der Verfahrensführung. Da eine vollständige Konstanz des Produktes über die Reaktorlaufzeit jedoch immer noch nicht gegeben war, wurde eine Regelung entwickelt und in der Fermentation überprüft. Mit ihr gelang eine weitere Verbesserung. Als notwendig für eine gute Langzeitstabilität können nunmehr die folgenden Punkte definiert werden: Die definierte Sauerstoffversorgung der Zellen durch definierte Belüftung, der Einsatz eines möglichst homogenen und gradientenlosen Reaktorsystems in Verbindung mit Trägermaterialien möglichst geringer Diffusionslimitation und die Notwendigkeit einer Regelung zur flexiblen Reaktion auftretender Veränderungen.Zusätzlich zu den oben beschriebenen Versuchen wurden vier Analysenmethoden angewendet und verglichen, die zur Beurteilung der Hefevitalität verwendet werden. Dabei erwiesen sich in Verbindung mit der eingesetzten untergärigen Brauhefe der Trehalosegehalt als nicht aussagekräftig, der Acidification-Power-Test für eine Beurteilung kontinuierlicher Gärungen als ungeeignet, Glykogen hinsichtlich seines Verlaufes und in Verbindung mit weiteren Kenngrößen als bedingt brauchbar und die Bestimmung des intrazellulären pH-Wertes als aussagekräftig für das zu beurteilende Kriterium.
Continuous main fermentation with immobilized yeast includes a lot of potential advantages compared to batch processes. Nevertheless, this processes often show a constantly changing beer quality which especially is characterized by its content of amino acids, pH-value and the quantity of fermentation by-products. By means of fermentations under variation of the parameters defined aeration, carrier material and reactor type in a comprehensive experimental programme it was tried to name methods which contribute to a considerable improvement of long term stability of reactor operation. It was found that fixed bed reactors were not optimal for application in main fermentation because long term stability was made impossible by clogging and inhomogeneities. By variation of the carrier material DEAE-cellulose, sintered glass or silicone in the fixed bed reactor, beer quality was not influenced significantly, while defined aeration improved long term stability even in the fixed bed reactor. The use of a module/loop-reactor with silicon-carbide-modules as a carrier matrix as well as the use of a fluidised bed reactor with silicone beads and simultaneously applied defined aeration proved to be suitable variations for the process in order to improve long term stability. Since a completely constant product quality during the operation period of the reactor was even still not found with the described variations, in a subsequent step a reactor control was developed and tested during a fermentation. With the controller a further improvement of the situation was achieved. The following subjects can now be defined as necessary for a good long term stability of reactor operation: A defined oxygen supply of cells by means of defined aeration of the reactor, use of reactors including homogeneous conditions and small substrate gradients combined with carrier materials with diffusion limitations as low as possible and finally the necessity of control for a flexible reaction to changing conditions.Additionally to the described reactor tests four analytical methods were applied and compared which are used for the evaluation of yeast vitality. In combination with our bottom fermenting yeast strain the expressiveness of trehalose content was poor and the acidification power-test was not suitable for evaluation of continuous fermentations. The glycogen content can be used concerning its development during fermentation with some restrictions and in combination with additional analytical quantities while the determination of intracellular pH-value showed a good expressiveness to evaluate yeast vitality.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-5379
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/932
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-635
Exam Date: 8-Dec-2003
Issue Date: 18-Dec-2003
Date Available: 18-Dec-2003
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Bierherstellung
Hauptgärung
Hefevitalität
Immobilisierte Hefe
Kontinuierliche Verfahren
Reaktortypen
Beer production
Continuous processes
Immobilized yeast
Main fermentation
Reactor types
Yeast vitality
Usage rights: Terms of German Copyright Law
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