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Aufarbeitung von Rückbrot unter umweltrelevanten

und wirtschaftlichen Gesichtspunkten

Von der Fakultät III: Prozesswissenschaften

der Technischen Universität Berlin

zur Erlangung des akademischen Grades

Doktor der Ingenieurwissenschaften

-Dr.-Ing.-

genehmigte Dissertation

vorgelegt von

Dipl.-Ing. Udo Martens

aus Varel

Promotionsausschuß:

Vorsitzender: Prof. Dr. Dietrich Knorr

1. Berichter: Prof. Dr. Jürgen-Michael Brümmer

2. Berichter: Prof. Dr. Dr. e.h. Friedrich Meuser

Tag der wissenschaftlichen Aussprache: 19.12.2001

Berlin 2001

D83

Ich erkläre an Eides Statt, daß die vorliegende Dissertation in allen Teilen von mir

selbständig angefertigt wurde und die benutzten Hilfsmittel vollständig angegeben

worden sind.

Vorveröffentlichungen von irgendwelchen Teilen der vorliegenden Dissertation sind

von mir nicht vorgenommen worden.

Weiter erkläre ich, daß ich nicht schon anderweitig einmal die Promotionsabsicht

angemeldet oder ein Promotionseröffnungsverfahren beantragt habe.

Berlin, 20.11.2001

Dipl.-Ing. Udo Martens

per aspera ad astra

DANKSAGUNG

Mein besonderer Dank gilt Herrn Prof. Dr. Dr. e.h. Friedrich Meuser, der mir nicht nur

das Thema dieser Arbeit gestellt hat, sondern mich auch in hervorragender Weise

fachlich und menschlich betreut hat.

Der Deutschen Bundesstiftung Umwelt, der Fa. Dietrich Reimelt KG und der Fa.

Müller Brot GmbH & Co. KG danke ich für die Bereitstellung der finanziellen Mittel für

die Durchführung dieser Arbeit. Insbesondere danke ich Herrn Dr. Stefan Reimelt,

Herrn Dipl.-Kfm. Hans Müller jun. und Herrn Michael Nüßgen für die gewährte

Unterstützung.

Für die Unterstützung bei der Durchführung der Versuche danke ich Frau Dr.

Annelore Jährig, Frau Dipl.-Ing. Elke Stötzer, Frau Dipl.-Ing. Melanie Braun, Herrn

Dipl.-Ing. Dirk Imhof, Herrn Bäckermeister Gerhard Fischer, Herrn Mühlening.

Heinrich Reimers und ganz besonders Herrn Chem.-techn. Assistent Andreas Lusch.

Schließlich danke ich den Mitarbeitern des Fachgebiets Getreidetechnologie der

Technischen Universität Berlin für die herzliche und hilfsbereite Zusammenarbeit.

INHALTSVERZEICHNIS

Inhaltsverzeichnis

SEITE

1 Einleitung und Problemstellung 1

1.1 Verwertung von Rest- und Rückbrot 3

1.2 Aufgabenstellung für eine neuartige biotechnologische

Aufarbeitung von Rückbrot

2 Stand der Technik 6

2.1 Verwertung von Brot in Teigen 6

2.2 Aufarbeitung von Brot durch Kochextrusion 6

2.3 Enzymatische Aufarbeitung von Brot 7

2.4 Aufarbeitung von Brot zu Paniermehl 7

2.5 Verwertung von Brot zur Hefeherstellung 8

2.5.1 Exkurs: Technik der Backhefe- und Ethanolherstellung 9

2.5.1.1 Nährsubstrat für die Backhefeherstellung 9

2.5.1.2 Prozeßtechnik der Backhefeherstellung 10

2.5.1.3 Nährsubstrat und Prozeßtechnik für die Ethanolherstellung 11

2.5.2 Exkurs: Stickstoffquelle im Brot 12

2.5.3 Exkurs: Herstellung eines Flüssigferments 13

3 Ansatz zur Lösung der Aufgabenstellung 15

3.1 Schritte zur Lösung der Aufgabenstellung 17

4 Material und Methoden 20

4.1 Aufbau und Betrieb der Laboranlage 20

4.1.1 Sirupherstellung mit der Laboranlage 21

4.1.2 Versäuerung des Brotsirups und Modellsubstrats 22

4.1.3 Kontinuierliche aerobe und anaerobe Fermentation: Labor-

fermenter

4.2 Aufbau und Betrieb der Technikumsanlage 24

4.2.1 Sirupherstellung und –versäuerung mit der Technikumsanlage 26

4.2.2 Kontinuierliche aerobe und anaerobe Fermentation: Technikums-

anlage

INHALTSVERZEICHNIS

Seite

4.2.2.1 Beschreibung der Fermentationsanlage 28

4.2.2.2 Beschreibung des kontinuierlichen Fermenters 28

4.2.2.3 Kontinuierlicher Betrieb des aeroben und anaeroben Fermenters 30

4.2.2.4 Optimierung des Betriebs des kontinuierlichen Fermenters 32

4.3 Aufbau und Betrieb der Pilotanlage 33

4.3.1 Beschreibung der Fermentationsanlage: Pilotanlage 34

4.3.2 Betrieb des Fermenters: Pilotanlage 34

4.4 Backversuche 35

4.4.1 Backversuche in der Institutsbäckerei 35

4.4.2 Backversuche in der Brotfabrik 36

4.5 Aufbereitung des Rohstoffs 37

4.6 Backhefen und Milchsäurebakterien 37

4.7 Analysenmethoden 38

4.7.1 Bestimmung der Zellzahl 38

4.7.2 Nachweis von Fremdhefen 38

4.7.3 Nachweis von Bakterien 39

4.7.4 Bestimmung des α-Amino-Stickstoffes 39

4.7.5 Bestimmung des Proteingehalts 39

4.7.6 Bestimmung des Stärke- und des Glucosegehalts 39

4.7.7 Bestimmung des Gehalts an unlöslichen und löslichen

Ballaststoffen

4.7.8 Bestimmung des Mineralstoffgehalts 40

4.7.9 Bestimmung des Rohfettgehalts 40

4.7.10 Bestimmung des Wassergehalts 40

4.7.11 Bestimmung des Gehalts an Ethanol, Milchsäure sowie

Saccharose

4.7.12 Bestimmung des Gehalts an Kochsalz 40

4.7.13 Bestimmung der Frischhaltung 40

4.7.14 Bestimmung der Triebkraft der Backhefe 41

4.7.15 Bestimmung der Gehalte Biotin, Pantothensäure, Thiamin und

m-Inosit

INHALTSVERZEICHNIS

SEITE

5 Ergebnisse und Diskussion 42

5.1 Herstellung des Fermentationssubstrats aus Rückbrot 42

5.1.1 Zusammensetzung des Rückbrots 44

5.1.2 Hygienischer Zustand des Brotpulvers 46

5.1.3 Amylolytischer Abbau, Versäuerung und Masseverteilung 47

5.1.3.1 Verflüssigung 48

5.1.3.2 Verzuckerung 50

5.1.3.3 Versäuerung 54

5.1.3.4 Aufarbeitung 56

5.1.4 Proteolyse 61

5.2

erobe und anaerobe Fermentation des Fermentationssubstrats

und Verwendung der Produkte

5.2.1 Nährstoffversorgung bei den Fermentationen 67

5.2.2 Mikronährstoffversorgung für die aerobe Hefevermehrung 75

5.2.3 Verwendung der Flüssighefe, des Flüssigsauers und der

Proteinfraktion

5.3 Backhefeherstellung mit der Technikums- sowie der Pilotanlage

und Verwendung der Backhefe

5.3.1 Optimierung der aeroben Fermentation mit der

Technikumsanlage

5.3.2 Backhefevermehrung mit dem Technikumsfermenter 85

5.3.3 Backhefevermehrung mit der Pilotanlage und Verwendung der

Backhefe

5.4 Masseanfall bei der Rückbrotverwertung 98

5.5 Täglicher Masseanfall und Verfahrensablauf bei der

Rückbrotverwertung

103

5.6 Wirtschaftlichkeit des Verfahrens 105

INHALTSVERZEICHNIS

Seite

6 Zusammenfassung 116

7 Literatur 119

8 Anhang 123

8.1 Funktionsbeschreibung der Anlage für die Flüssighefeherstellung 124

8.2 Zusammenstellung der Anlagenteile 127

8.3 Medienverbrauch und Leistungsangaben 128

TABELLENVERZEICHNIS

Tabellen

Tabelle Titel Seite

1 Wirtschaftlichkeitsberechnung zur Herstellung eines Futtermittels

aus Rückbrot durch Trocknung

2 Reaktionsbedingungen für die Proteolyse von Brotsirup 22

3 Zusammensetzung des aus dem Rückbrot der Brotfabrik

hergestellten Brotpulvers

4 Viskosität der Maische und des Brotsirups 49

5 Hydrolysegrad des Brotsirups in Abhängigkeit von den

Reaktionsbedingungen der enzymatischen Hydrolyse mit α-

Amylase und Amyloglucosidase

6 Fermentation des Sirups mit Lactobacillus delbrückii 55

7 Einstellung des pH-Werts und Säuregrads des Flüssigsauers 56

8 Frischmasseanfall an Fraktionen bei der Aufarbeitung des

Brotsirups und ihr Gehalt an Trockenmasse, Glucose und Protein

9 Prozentuale Verteilung der Trockensubstanz, der Glucose und des

Proteins auf die bei der Aufarbeitung des Brotsirups angefallenen

Fraktionen

10 Proteolytischer Abbau von Brotsirup 61

11 Zusammensetzung des Flüssigferments 64

12 Ergebnisse der kontinuierlichen Hefevermehrung mit dem

Modellsubstrat unter anaeroben Bedingungen: Laboranlage

13 Ergebnisse der kontinuierlichen Hefevermehrung mit dem Modell-

substrat unter aeroben und anaeroben Bedingungen: Laboranlage

14 Ergebnisse der kontinuierlichen Hefevermehrung unter aeroben

und anaeroben Bedingungen mit Brotsirup: Laboranlage

15 Ergebnis der kontinuierlichen Hefevermehrung mit Brotsirup unter

sterilen Bedingungen bei einer anfänglichen Hefekonzentration von

150g/L: Laboranlage

16 Konzentration an Backhefe und Fremdorganismen sowie Triebkraft

der Backhefe bei der kontinuierlichen Fermentation über einen

Zeitraum von 5 Tagen: Laboranlage

17 Weizenbackversuche mit Flüssighefe und Flüssigsauer:

Laboranlage

18 Roggenbackversuche mit Proteinfraktion und Flüssigsauer:

Laboranlage

TABELLENVERZEICHNIS

Tabelle Titel Seite

19 Kontinuierliche Backhefeproduktion unter unsterilen Bedingungen

auf dem Wege der aeroben Gärung

20 Backhefeproduktion unter den Bedingungen der kontinuierlichen

aeroben Fermentationen

21 Mittlerer Massestrom: Technikumsanlage 90

22 Backhefeherstellung mit dem Pilotfermenter im Zulaufverfahren und

Hefeverwertung

23 Grunddaten für die Massebilanzierung bei der Aufarbeitung eines

Brotsirups aus Rückbrot

24 Täglich aus Rückbrot anfallende Produktmassen bei dessen

Gesamt- und Teilverwertung

104

25 Thermischer Energiebedarf bei der Flüssighefeherstellung 107

bwärmeströme aus Rauchgas und Schwadenabluft im Neufahrner

Betrieb der Müller Brot AG

108

27 Wärmeverbraucher für eine mögliche sowie eine bereits

verwirklichte Nutzung der Abwärmeströme

108

28 Gegenüberstellung des nutzbaren Energieinhalts aus den Brennern

und des Wärmebedarfs bei der Brotsirupbereitung und

-aufarbeitung

109

29 Betriebs- und Hilfsstoffbedarf für die Flüssighefe- und

Ethanolherstellung

110

30 Preise für die Betriebs- und Hilfsstoffe 111

31 Rechnerischer Erlös für die erzeugten Produkte 121

32 Kostendeckungsrechnung für den Betrieb der Rückbrotanlage zur

Gewinnung von 2.620t Backhefe/a (H27) als Flüssighefe (3.930t/a)

aus 3.750t/a Rückbrot bei 312 Betriebstagen – Modell A

113

33 Kostendeckungsrechnung für den Betrieb der Rückbrotanlage zur

Gewinnung von 1.560t Backhefe/a (H27) als Flüssighefe (2.340t/a)

aus 9.360t/a Rückbrot bei 312 Betriebstagen – Modell B

114

VERZEICHNIS DER ABBILDUNGEN

Abbildungen

Abbildung Titel Seite

1 Vereinfachtes Fließschema der Technikumsanlage. 25

2 Temperaturverlauf bei der Bereitung des Sirups aus Rückbrot. 27

3 Verlauf des Hydrolysegrades in Abhängigkeit von den

Reaktionsbedingungen (Glucoamylasekonzentration a:0,44%,

b:0,22%, c:0,11%).

4 Führung der Prozeßströme bei der Bereitung und Aufarbeitung

von Brotsirup aus Rückbrot (Brotpulver)

5 Schematischer Aufbau der Laboranlage zur aerob-anaeroben

Backhefeproduktion.

6 Verlauf der Konzentration der Backhefe und der wilden Hefen

während der kontinuierlichen Backhefeproduktion unter

unsterilen Bedingungen auf dem Weg der aeroben Gärung:

Versuch Nr. 128.

7 Fließbild des Technikumsfermenters. 86

8 Verlauf der Zellzahl über die Zeit (Versuch Nr. 155, 157, 158,

159).

9 Verlauf des pH-Wertes, Ethanolgehalts, Füllstands,

Sauerstoffgehalts und der Zellzahl über die Zeit (VP 163).

10 Erreichen des Gleichgewichtszustands der Konzentration an

Chloridionen im Technikumsfermenter.

11 Darstellung der Temperatur, der Rührerdrehzahl, des

Sauerstoffpartialdrucks, des Zulaufvolumenstroms und des

Gesamtzulaufs über die Fermentationszeit (V205).

12 Massebilanz für die Rückbrotverwertung mit

Backhefeherstellung nach dem kontinuierlichen Verfahren und

dem Zulaufverfahren (gestrichelte Linie).

100

13 Massebilanz für die Rückbrotverwertung bei kontinuierlicher

Backhefeherstellung.

102

1 EINLEITUNG 1

1 Einleitung und Problemstellung

Die Ernährungsgewohnheiten zeichnen sich in Europa durch einen hohen

Backwarenkonsum aus. Er ist in Deutschland mit einem Prokopfverbrauch von

80kg/a besonders hoch und wird nur noch vom polnischen übertroffen, der etwa 100

kg/a beträgt (1). Aus diesem hohen Konsum resultiert in Deutschland ein großer

Backwarenmarkt, an dem handwerkliche Produzenten und Betriebe des

sogenannten produzierenden Backgewerbes ohne die Dauerbackwarenindustrie

etwa je zur Hälfte des Gesamtumsatzes beteiligt sind (2). Die Produktionsbetriebe

stehen sowohl bezogen auf die vorgenannte Unterteilung in der Art der Betriebe als

auch untereinander in einem scharfen Konkurrenzkampf. Dieser hat im vergangenen

Jahrzehnt zu einer Restrukturierung des Backgewerbes geführt, die noch immer

nicht abgeschlossen ist.

Die Restrukturierung wird durch die Einführung neuer Techniken sowohl auf der Seite

der Produktion als auch der Seite der Distribution der Backwaren in Gang gehalten.

Auf der Seite der Produktion sind dies insbesondere verschiedene Kühltechniken für

Teige und vorgebackene Produkte sowie dazugehörige Backtechniken, die

insbesondere die Filialisierung von Backbetrieben vorangetrieben hat. Das hat auch

dazu geführt, daß die Konzentrierung der Produktion entweder auf Brot oder

Kleinbackwaren oder Feine Backwaren zunehmend aufgelöst wird. Das bedeutet,

daß es heute kleine und sehr große Backbetriebe gibt, die eine breite Produktpalette

aus allen drei Produktkategorien produzieren. Darunter sind einige Großbetriebe,

deren Produktpalette so breit ist, daß sie in der Branchensprache als

„Vollsortimenter“ bezeichnet werden.

Die Verbreitung der Produktpalette hat zusammen mit dem Einsatz der neuen

Techniken zu einer bedeutenden Ausweitung des Wertschöpfungspotentials für die

Backwarenproduktion geführt. Die Veränderungen der Backwarenmärkte sind

zusätzlich im Zusammenhang mit einer fortschreitenden Veränderung der

Verzehrsgewohnheiten zu sehen. Diese besteht in einer starken Zunahme des

Außer-Haus-Verzehrs, für den Backwaren in Form von belegten Brötchen und

ähnlichen Produkten eine wesentliche Voraussetzung darstellen. Dabei ist es

1 EINLEITUNG 2

hinsichtlich eines jeglichen Verzehrs von Backwaren von ausschlaggebender

Bedeutung, daß das Konsumentenverhalten durch extrem hohe Ansprüche an die

Frische der Backwaren geprägt ist. Diesbezüglich ist es von besonderem Interesse

darauf hinzuweisen, daß für Backwaren der Zeitraum, in dem sie frisch sind, deutlich

kürzer ist als der ihrer Haltbarkeit. Ein großer Teil der Backwaren kann deshalb schon

kurz nach der Auslieferung oder Auslage nicht mehr verkauft werden, obgleich die

Haltbarkeitsgrenze noch lange nicht erreicht ist.

Daraus ergibt sich das Problem der Verwertung von Backwaren, die nicht mehr als

ausreichend frisch empfunden werden, die aber noch zum Verzehr geeignet sind. Die

Menge dieser Backwaren ist in Deutschland auf 8-10% der Produktionsmenge zu

veranschlagen. Das sind nach einer groben Schätzung, die auf dem Mehleinsatz zur

Backwarenherstellung in Deutschland beruht, ca. 600.000 t/a. Diese Menge kann aus

Gründen der Art der Vermarktung von Backwaren sowohl in Bäckerläden als auch

Filialen und Supermärkten nicht unterschritten werden, da eine gewisse Präsenz des

Warensortiments bis zum Ende eines jeden Verkaufstages gewährleistet bleiben

muß, weil sie für die Kaufentscheidung des Kunden maßgeblich ist.

Die in Deutschland nicht verkaufte Backwarenmenge besitzt bei Rohstoffkosten <300

Mio. DM einen Warenwert in der Größenordnung von 3 Mrd. DM. Dem Backgewerbe

erwächst folglich aus dem Nichtverkauf eines Teils seiner Produkte ein

milliardenschwerer Verlust, der letztendlich auch volkswirtschaftlich zu Buche

schlägt. Darüber hinaus ergibt sich zusätzlich das Problem der Verwertung der nicht

verkauften Backwaren. Die Lösung dieser Aufgabe ist in Abhängigkeit von der Art der

Backbetriebe, ihrer Größe und ihrem Sortiment vielschichtig. Besonders

problematisch stellt sie sich für Großbackbetriebe dar, die Supermärkte in Form

eines Frischedienstes beliefern. Sie sind deshalb gezwungen, die Regale in den

Supermärkten zu pflegen. Darunter ist zu verstehen, daß sie die Regale in dem für

ihr Vertriebssystem optimalen Zyklus unter Berücksichtigung des Frischekriteriums

befüllen und die unverkaufte Ware zurücknehmen. Dieses zurückgenommene Brot

wird in der Fachsprache als Rückbrot bezeichnet. Es ist zu unterscheiden von dem

innerhalb der Produktionsstätten beim Schneiden des Brotes anfallenden Resten,

Fehlschnitten und Fehlchargen, die als Restbrot bezeichnet werden.

1 EINLEITUNG 3

1.1 Verwertung von Rest- und Rückbrot

Hinsichtlich der Verwertung sowohl des Rest- als auch des Rückbrotes läßt es die

Lebensmittelgesetzgebung zu, daß diese in gewissen Anteilen bei der

Brotherstellung mitverwendet werden dürfen. Über die Zugabemengen sind Regeln

erlassen, die sich auf die Rohstoffbasis beziehen, aus denen die Brote hergestellt

werden. Für Brote, die überwiegend aus Weizenmahlerzeugnissen hergestellt

werden, darf die auf Frischbrot bezogene Zugabemenge an Restbrot 6% und für

Brote, die überwiegend aus Roggenmahlerzeugnissen hergestellt werden, darf sie

bis zu 20% betragen (3). Für die Zugabe gilt es als entscheidendes Kriterium, daß

das mitverwendete Brot im Enderzeugnis mit bloßem Auge nicht mehr zu erkennen

sein darf.

Aus den vorgenannten Zahlenangaben für die Restbrotzugabe zur Backrezeptur

neuer Brote geht im Zusammenhang mit der Vermahlung von Weizen und Roggen

(ca. 5,4 Mio. t Weizen/a, ca. 1,1 Mio. t Roggen/a) (4) sowie der geschätzten Menge

für unverkauftes Brot hervor, daß eine Mitverwendung des Rückbrotes allein über die

Brotproduktion aus quantitativen Gründen nicht möglich ist. Deshalb werden

unverkaufte, als Rückbrot anfallende Backwaren weit überwiegend als Futtermittel

verwertet und nur Restbrot für die Herstellung von Backwaren eingesetzt.

Wirtschaftlich vorteilhaft für die Restbrotverwertung ist es, daß über die damit in die

Rezeptur eingebrachte Masse wenigstens der anteilige Rohstoffeinstandspreis,

weitestgehend der des Mehles, gewonnen wird. Bei der Verwertung des Rückbrots

als Tierfutter richtet sich der damit von Backwarenproduzenten erzielbare

wirtschaftliche Nutzen, der mit seiner Abgabe entweder zur direkten Verfütterung

oder als Rohstoff für die Futtermittelherstellung verbunden ist, demgegenüber nach

dem Preis für Futtergetreide, das einen zum Rückbrot vergleichbaren Nährwert hat.

Nachteilig für diese Verwertungsform ist es folglich, daß der erzielbare Erlös damit

deutlich unter dem für die vorgenannte Restbrotverwertung indirekt erzielbaren

bleiben muß. Der mögliche Erlös wird zusätzlich dadurch gemindert, daß große

Rückbrotmengen, wie sie bei einigen der Großbackbetriebe anfallen, aus

logistischen Gründen nicht direkt verfüttert werden können, sondern zuvor erst noch

zu einem Futtermittel aufgearbeitet werden müssen. Die Aufarbeitung erstreckt sich

neben der Entpackung insbesondere auf eine Trocknung des Brotes, um es in eine

1 EINLEITUNG 4

mikrobiologisch und hygienisch stabile Form zu überführen. Diese Aufarbeitung ist

erforderlich, um die durch die Futtermittelverordnung gegebenen Anforderungen an

gewisse Grenzwerte, wie etwa für die Aflatoxinkonzentration, erfüllen zu können (5).

Die wirtschaftliche Problematik der Rückbrotverwertung, die Grundlage für

Überlegungen für eine neue Art der Verwertung von Rückbrot geworden ist, wird

nachstehend an einer konkreten, aber aus Gründen der betrieblichen Geheimhaltung

vereinfachten Beispielrechnung (Tab. 1) für die Aufarbeitung von Rückbrot zu einem

Futtermittel unter Zugrundelegen des Preises für Futterweizen als Referenzpreis (6)

dargestellt. Daraus geht hervor, daß Wirtschaftlichkeit in der Rückbrotaufarbeitung zu

einem Futtermittel sowohl aus der Sicht eines abgebenden Großbackbetriebes als

auch eines aufnehmenden Futtermittelwerkes nur in engen Grenzen, die z.T. im

Investment in die Anlage und deren dauerhafter und kontinuierlicher Versorgung mit

Rückbrot begründet liegen, erreicht werden kann. Nach der Rechnung bedeutet das,

daß ein Backbetrieb aus der Abgabe von Rückbrot allenfalls noch einen kleinen Erlös

erzielen kann. Dieser ist weit vom Mehleinstandspreis entfernt. Allerdings stellt der

Rückbrotaufarbeitung zu einem Futtermittel wenigstens z.Z. noch eine

kostenneutrale Verwertungsmöglichkeit dar. Außerdem bildet die Nutzung der

Nahrungsenergie auf der Ebene des Tieres nach ihrer direkten Nutzung zur

menschlichen Ernährung die nächsthöchste Verwertungsstufe.

Tabelle 1:Wirtschaftlichkeitsberechnung zur Herstellung eines Futtermittels aus

Rückbrot durch Trocknung

Position Betrag (DM/t Produkt)

Erlös* +220

Variable Kosten (Trocknung, Anlagenbetrieb) -80

Fixe Kosten (Personal, Reparaturen, Transport) -40

AfA -20

Ertrag +80 (53**)

* Referenzpreis: Futterweizen (6)

** Ertrag bezogen auf ungetrocknetes Rückbrot.

Ertrag wird zwischen Brotfabrik und Futtermittelfabrik geteilt.

1 EINLEITUNG 5

1.2 Aufgabenstellung für eine neuartige biotechnologische Aufarbeitung von

Rückbrot

Aus dieser Situation wurde die wissenschaftliche Aufgabe zur Entwicklung eines

neuen Wegs zur biotechnologischen Aufarbeitung von unverkauften Backwaren unter

umweltrelevanten und wirtschaftlichen Gesichtspunkten hergeleitet. Besondere

Zielsetzung war es dabei, ein Verfahren zu entwickeln, mit dem eine vollständige

Verwertung von Rückbrot und anderen, ihm gleichzustellenden Backwaren sowie

auch in Produktionsbetrieben anfallenden nicht verbackenen Teigen und Restbrot im

Sinne eines geschlossenen Stoffkreislaufes zu verwirklichen.

Hinsichtlich des Stoffkreislaufs und der Stoffnutzung ging es darum, beide auf einer

möglichst hohen Verwertungsstufe für die Nutzung der menschlichen

Nahrungsenergiezufuhr anzusiedeln. Außerdem war eine Verlängerung der

Stoffnutzung in Betracht zu ziehen, um dadurch vorhandene, aber bisher nicht

nutzbare Verwertungspotentiale zu erschließen. Davon betroffen sind in Brotfabriken

die ganzjährig anfallenden hohen Abwärmemengen aus den Backöfen. Die

Zielsetzung fügt sich folglich in die für eine nachhaltige industrielle Produktion

gestellte Aufgabe der schonenden Nutzung der Ressourcen an Energie und

Rohstoffen und dem davon abhängigen Umgang mit der Umwelt ein (7). Der Ansatz

für die Lösung der Aufgabe lag in einer ganzheitlichen Betrachtung der

Brotproduktion begründet, welche alle Stoffströme und teilweise die Herstellung von

Rohstoffen einschließt.

Diesbezüglich waren auch die gesetzlich vorgegebenen Randbedingungen zu

beachten, die in einem steten Fluß sind. Darauf sei hier deshalb hingewiesen, weil

sie einen entscheidenden Einfluß auf mögliche alternative Verwertungsformen für

Rückbrot ausüben. Beispielsweise können alternative Verwertungsformen entweder

verboten sein, was für das direkte Verbrennen von Brot mit einem Heizwert von

weniger als 11.000kJ/kg der Fall ist, oder gefördert werden, wie es zur Zeit für die

Verstromung von Biogas aus organischen Resten zutrifft (8).

2 STAND DER TECHNIK 6

2 Stand der Technik

Da aus der Sicht gesetzlicher Regelungen Restbrot und Rückbrot unter den Begriff

Brot fallen, sind sie gleich zu bewerten, so daß Rückbrot ebenso verwertet werden

kann wie Restbrot (3). Für Restbrot gibt es vier Verwertungsmöglichkeiten, denen es

gemeinsam ist, daß sie auf der höchsten Stufe der Nutzung der Nahrungsenergie

stehen, weil sie direkt als Rezepturbestandteil bei der Brotherstellung verwendet

werden. Sie unterscheiden sich aber im Aufwand für die Aufarbeitung des Restbrots

zur Verwertung in der Backrezeptur. Vorteilhaft ist es für alle vier Verwertungsformen,

daß das aufgearbeitete Restbrot in der Backrezeptur als Quellstoff zur

Wassserbindung und als Geschmackstoffträger fungiert. Mit dem aufgearbeiteten

Restbrot können deshalb die sensorischen Qualitätsmerkmale der Backwaren positiv

beeinflußt werden. Darunter kann vor allem ihre Frischhaltung verlängert werden.

2.1 Verwertung von Brot in Teigen

Die einfachste Verwertungsform besteht darin, das Brot zu zerkleinern und

einzuweichen, um es nach ausreichender Einwirkzeit zur Zerstörung der Krumen-

und Krustenstruktur der Rezeptur für neue Backwaren in den eingangs zitierten

Mengenbegrenzungen zusetzen zu können. Technisch etwas aufwendiger kann

Restbrot über das als Isernhäger Brotsauerteigfermentation bekannt gewordene

Verfahren verwertet werden(9). Mit diesem Verfahren werden Mehl, Wasser und

Restbrot mit speziellen Säuerungskulturen zu einem Sauerteig sehr hohen

Säuregrads fermentiert. Dafür wird ein Fermenter eingesetzt, in den Restbrot in

Scheiben und ganzen Laiben eingebracht werden kann. Ein spezielles

Schneidewerkzeug zerkleinert das Restbrot in dem Sauerteig so vollständig, daß es

in diesem für das Auge nicht mehr sichtbar aufgelöst wird. Der fertige Sauerteig wird

wie ein üblicher Sauerteig eingesetzt.

2.2 Aufarbeitung von Brot durch Kochextrusion

Eine technisch aufwendigere Aufarbeitung des Restbrotes besteht in seiner

Trocknung und nachfolgenden Kochextrusion (10). Dadurch wird sein Stärkeanteil

2 STAND DER TECHNIK 7

vollständig verkleistert. Die Extrudate werden vermahlen und in Pulverform der

Backrezeptur zugesetzt. Aufgrund der vollständigen Stärkeverkleisterung erfüllen die

Pulver die Funktion eines Quellmehls .

2.3 Enzymatische Aufarbeitung von Brot

Eine zur Quellmehlherstellung vergleichbar aufwendige Aufarbeitung von Restbrot

besteht in seiner enzymatischen Umwandlung in einen sogenannten Brotsirup (11,

12). Diese Aufarbeitung ist darauf gerichtet, die Stärke im Restbrot mit α-Amylase

und Amyloglukosidase bis zur Glucose abzubauen. Es entsteht dadurch ein

zähflüssiger, süß schmeckender Sirup, dem durch Druckkochung eine braune Farbe

verliehen werden kann. Durch die Mitverwendung dieser Sirupe in der Brotrezeptur

können den Broten besondere geschmackliche Eigenschaften verliehen werden.

Außerdem kann die Brotkrume in ihrer Farbe nuanciert werden (13).

2.4 Aufarbeitung von Brot zu Paniermehl

Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, daß aus Weizen hergestellte Backwaren , die

als Restbrot anfallen, zu Paniermehl aufgearbeitet werden können (14). Dazu wird

das Restbrot getrocknet und anschließend vermahlen. Aus dem Mahlgut wird

Paniermehl abgesiebt. Die nahrungsenergetische Verwertung des Restbrots als

Paniermehl erfolgt auf der gleichen Stufe wie die vorgenannten Formen, weil es

selbst wieder direkt bei der Herstellung von Lebensmitteln verwendet wird.

Aus der Verwertung des Restbrots als Paniermehl geht im übrigen hervor, daß

bereits mit den genannten Arten der Restbrotverwertung die technischen und

gesetzlichen Verwertungsmöglichkeiten für seine Wiederverwertung bei der

Brotherstellung ausgeschöpft sind. Folglich bleibt für die Verwertung des Rückbrots

auf dem gleichen Wege kein quantitativ nennenswertes Potential übrig. Aus diesem

Tatbestand ergab sich der Grund für die Suche nach neuen Wegen für die

Verwertung von Rückbrot unter der vorgenannten Zielsetzung.

2 STAND DER TECHNIK 8

2.5 Verwertung von Brot zur Hefeherstellung

Ein Blick auf die Inhaltsstoffzusammensetzung des Rückbrots läßt nun erkennen,

daß der Schlüssel für eine biotechnologische Aufarbeitung in seinem Stärkegehalt

liegt, weil sie den größten Anteil an der Gesamtmasse ausmacht und weil sie einer

Stoffumwandlung durch enzymatischen Abbau und nachfolgende Fermentation mit

klassischen biotechnologischen Verfahren leicht zugänglich ist. Eine Möglichkeit

dafür bietet die seit 200 Jahren bekannte Verhefung von stärkehaltigen Rohstoffen

nach deren enzymatischer Hydrolyse zu vergärbaren Zuckern (15). Dieser Gedanke

liegt deshalb nahe, weil zur Brotherstellung ohnehin Hefe benötigt wird und die

Verwertung von Kohlenhydraten zur Hefeherstellung aus nahrungsenergetischer

Sicht nur eine Stufe unter der Verwertung von Kohlenhydraten für die menschliche

Ernährung erfolgt; sie liegt damit auf gleicher Höhe wie die für die Tierernährung

gegebene.

Die Verwertung von Rückbrot als Substrat für die Backhefeherstellung ist deshalb

bereits auch patentiert worden (12). Diese Verwertung des Rückbrots hat sich jedoch

wirtschaftlich nicht verwirklichen lassen, weil sie gegenüber dem Einsatz von

Melasse als Nährsubstrat wesentlich teurer ist. Außerdem ist die patentierte

Verwertung des Rückbrots bisher noch nicht verfahrenstechnisch umgesetzt worden

und die Verwertung der nicht fermentierbaren Stoffe aus dem Brot, die etwa 30%

seiner Trockenmasse ausmachen, ist bisher ungelöst geblieben.

Im Zusammenhang mit den nicht verhefbaren Stoffen ist ein weiteres Patent zu

zitieren, das zwar prinzipiell auf die Herstellung eines Brotsirups der bereits

genannten Art gerichtet ist (11), in dem aber zusätzlich ein proteolytischer Abbau der

Proteine der Brotkrume beschrieben ist (16). Daraus ergibt sich ein wesentlicher

Ansatz für die Nutzung der von der Hefe nicht fermentierbaren Restmasse der

Brotkrume. Er besteht darin, die Aminosäuren der Proteine für die Ernährung der

Hefe verfügbar zu machen.

Dieser Ansatz führt zusammen mit dem Hinweis auf die Unwirtschaftlichkeit des

Einsatzes von Rückbrot als Substrat für die Hefevermehrung zu der Überlegung,

Wirtschaftlichkeit für ein Verfahren zur Hefevermehrung dadurch zu erreichen, daß

die Wertschöpfung der Hefefabriken bei der Hefeherstellung aus Melasse in eine in

2 STAND DER TECHNIK 9

den Backprozeß integrierte Hefeherstellung aus verzuckertem Rückbrot zu

verlagern. Damit würde die existierende Arbeitsteilung zwischen Hefefabriken und

Brotfabriken im Teilbereich der Großbackbetriebe aufgelöst werden können.

2.5.1 Exkurs: Technik der Backhefe- und Ethanolherstellung

Die Technik der Backhefe- und Ethanolherstellung beruht auf der Fähigkeit der Hefe,

unter Sauerstoffzusatz die assimilierbare Kohlenhydratquelle (C-Quelle) zu veratmen

und sie unter Abwesenheit von Sauerstoff zu vergären. In beiden Fällen kommt es zu

einer Vermehrung der Hefe, die beim Atmen 7,2 mal größer ist als beim Gären.

Dieser Unterschied ergibt sich aus der Differenz im ATP-Gewinn der Hefezelle

zwischen gären und atmen, der für die Zellsubstanzzunahme entscheidend ist. Aus

der C-Quelle (Glucose) entstehen beim Veratmen 0,54 g und beim Vergären 0,075g

Hefetrockenmasse (15). Die Bildung der Zellmasse und ihre Zusammensetzung wird

durch die zur Verfügung stehende Quelle an resorbierbarem Stickstoff (N-Quelle) und

von Wuchsstoffen (Vitamine, Mineralstoffe) limitiert (vergl. 2.5.2).

2.5.1.1 Nährsubstrat für die Backhefeherstellung

Nährsubstrat für die Backhefeherstellung ist heutzutage praktisch ausschließlich

Melasse. Sie steht in großer Quantität sehr preiswert zur Verfügung. Vorteilhaft für

ihren Einsatz gegenüber stärkehaltigen Rohstoffen ist es, daß der in ihr enthaltene

Zucker von der Hefe direkt als C-Quelle verwertet werden kann, während

stärkehaltige Rohstoffe, wie zum Beispiel Getreide oder Brot, erst durch

enzymatische Hydrolyse zu einem assimilierbare Zucker enthaltenden Substrat

aufgearbeitet werden müssen.

Die Backhefeherstellung erfolgt mit dem Ziel, die Zellmasseausbeute aus der C-

Quelle durch Belüftung des Substrats in ein Maximum zu führen. Da bei aerober

Vermehrung der Hefe mit Melasse als Substrat aus dieser weder nicht resorbierbare

Stickstoffverbindungen noch Wuchsstoffe (Vitamine, Mineralstoffe) in ausreichender

Menge zur Assimilation der C-Quelle zur Verfügung stehen, werden diese

hinzugefügt. Als N-Quelle werden Ammoniumphosphat und –sulfat sowie Ammoniak

2 STAND DER TECHNIK 10

und Harnstoff eingesetzt. Ammoniumphosphat dient gleichzeitig auch als

Phosphorquelle (P-Quelle). Zu ergänzende Wuchsstoffe sind Biotin,

Panthothensäure, Inositol, Thiamin, Pyridoxin und Niacin. Mineralstoffe sind in

Melasse weitgehend ausreichend vorhanden.

2.5.1.2 Prozeßtechnik der Backhefeherstellung

Die Backhefevermehrung erfolgt diskontinuierlich über mehrere Stufen im

Zulaufverfahren (feed batch) in belüft- und sterilisierbaren unterschiedlich großen

Fermentern. Die letzte Stufe der Vermehrung wird als Versandhefestufe bezeichnet

und die vorausgehenden als Stellhefestufen. Prinzipiell ist es zwar auch möglich,

Backhefe kontinuierlich zu vermehren (15), entsprechende Verfahren haben sich

jedoch nicht durchsetzen können, weil das Risiko von Infektionen und der

Veränderung der Qualitätsmerkmale der Hefe über die Zeit im Vergleich zum

Zulaufverfahren größer ist.

Nach Abschluß der Fermentation in der Versandhefestufe wird die Backhefe durch

Zentrifugalabscheidung vom fermentierten Substrat getrennt. Es entsteht dabei ein

Konzentrat, das als Hefemilch bezeichnet wird. Diese Hefe wird durch mehrmaliges

Verdünnen mit Wasser und anschließendes Konzentrieren gereinigt und von aus der

Melasse stammenden Farbstoffen befreit. Die gereinigte Hefemilch wird durch

Zentrifugalabscheidung entweder zu einer versandfertigen Flüssighefe konzentriert

oder durch eine sich der zentrifugalen Aufkonzentrierung anschließenden

Entwässerung mit einem Vakuumdrehfilter auf eine Trockenmasse von 27-30%

eingestellt. Diese Hefe wird über Strangpressen zur Versandhefe ausgeformt. Sie

wird aufgrund ihres Trockenmassegehalts als Backhefe H27 gekennzeichnet.

Die Flüssighefe und die Preßhefe werden nach ihrer Triebkraft und Triebhaltbarkeit

charakterisiert. Beide Qualitätsmerkmale werden durch die Prozeßführung,

insbesondere in der Versandhefestufe festgelegt. Diesbezüglich ist zu erwähnen,

daß die Triebkraft negativ mit der Triebhaltbarkeit korreliert.

2 STAND DER TECHNIK 11

Das von der Hefe befreite fermentierte Substrat wird als Abwasser entsorgt. Die

Entsorgung des Abwassers ist für die Hefefabriken wegen seiner starken Belastung

mit organischen und anorganischen Stoffen sehr kostenintensiv und sie verursacht

auch im Vergleich zur Entsorgung anderer Abwässer aus der Lebensmittelindustrie

bezogen auf die für deren Produkte gegebene Wertschöpfung eine relativ hohe

Umweltbelastung.

2.5.1.3 Nährsubstrat und Prozeßtechnik für die Ethanolherstellung

Die Ethanolherstellung und die Herstellung von Antiklopfmitteln daraus hat im

Rahmen der Treibstoffgewinnung aus nachwachsenden Rohstoffen weltweit,

darunter aber insbesondere in den USA, eine sehr große Bedeutung erlangt. Als

Rohstoffe dienen zur Zeit insbesondere Mais und Zuckerrohr (17). In Europa

zeichnet sich eine ähnliche Entwicklung ab, wobei für die bereits vorhandenen, bzw.

in Bau befindlichen Fabriken Weizen oder Gerste als Rohstoff vorgesehen ist (18).

Die auf den stärkehaltigen Rohstoffen basierenden Prozesse sind aufgrund ihrer

großen Bedeutung für die Umwelt sehr hoch entwickelt. Es gibt inzwischen

vollständig kontinuierliche Prozesse, in denen Zellkonzentrationen von 15-45 g

Hefetrockensubstanz (HTS) erreicht werden. Die Hefe wird zur Aufrechterhaltung der

Geschwindigkeit der Fermentation bei hoher Zelldichte teilweise zurückgeführt. Dazu

kann sie mit Säure gewaschen werden. Dieser Vorgang entspricht dem für die

Backhefeherstellung beschriebenen.

Die Weiterentwicklung der Prozesse zur Ethanolherstellung ist vor allem der

Senkung des energetischen Aufwands zugute gekommen. Praktisch der gesamte

Energieaufwand ist für die Prozeßschritte des Aufschlusses des Rohstoffes (Stärke)

und der Destillation des Ethanols erforderlich. Der energetische Gesamtaufwand

beträgt bei der Anwendung konventioneller Verfahren 19MJ und bei modernen 8MJ

pro Liter reinem Ethanol (15). Der energetische Aufwand konnte beim Aufschluß

durch Einführung kontinuierlicher Verfahren und Anwendung thermostabiler α-

Amylasen gegenüber diskontinuierlichen Verfahren mit klassischen α-Amylasen auf

ein Viertel (2 MJ/lEthanol) gesenkt werden.

2 STAND DER TECHNIK 12

2.5.2 Exkurs: Stickstoffquelle im Brot

Zur Veranschaulichung der Bedeutung und Größe der Stickstoffquelle im Brot, die

gegebenenfalls zur Resorption zur Verfügung gestellt werden kann, sei hier von

Weizenmehl als Vergleichssubstanz ausgegangen. Besäße das Mehl bezogen auf

seine Trockensubstanz einen Stärkegehalt von 78% und einen Proteingehalt von

14% (Nx5,7), so entstünden bei vollständiger enzymatischer Hydrolyse der Stärke zu

Glucose aus 1.000 g der Trockensubstanz aus Mehl 867g Glucose, aus denen bei

aerober Hefebildung 468g Hefetrockensubstanz würden. Das wäre aber deshalb

nicht möglich, weil für die Trockensubstanz der Backhefe, die einen Proteingehalt

von wenigstens 45% haben sollte, 211 g resorbierbare stickstoffhaltige Verbindungen

(N-Verbindungen) notwendig wären. Da aber nur 140 g Protein vorhanden wären,

könnten ohne Zugabe einer anderen N-Quelle in den Fermentationsansatz maximal

nur 311 g Hefetrockensubstanz gebildet und entsprechend 576 g Glucose veratmet

werden. Das setzte voraus, daß der N-Gehalt des Proteins vollständig zur Resorption

zur Verfügung stünde. Es blieben demzufolge 291 g Glucose, die nicht veratmet

werden könnten.

Da die Zellmassebildung bei der Vergärung von Glucose 7,2 mal kleiner als bei der

Atmung ist, könnten aus den verbleibenden 291 g Glucose 22 g Hefetrocken-

substanz entstehen, wenn dafür weitere 10 g resorbierbare N-Verbindungen zur

Verfügung gestellt würden. Das könnte aber auch durch eine Begrenzung der

aeroben Fermentation geschehen. Für diesen Fall wäre es möglich, eine aerobe mit

einer anaeroben Fermentation von Glucose aus einem Mehlhydrolysat so zu

kombinieren, daß sich ein optimales Verhältnis zwischen beiden Fermentationen

ergäbe, bei dem eine maximale Resorption der N-Verbindungen und eine

entsprechend maximale Zellmassebildung an Hefe erfolgte (19).

Diese theoretischen Überlegungen gelten in gleicher Weise für die Verwendung von

Brot oder Produkten vergleichbarer Zusammensetzung für fermentierbare C- und N-

Quellen. Praktisch erfährt die Umsetzung der Kohlenhydrate im Brot, hauptsächlich

der Stärke, in von Hefe veratembare und vergärbare Kohlenhydrate sowie des

Proteins in von ihr resorbierbare N-Verbindungen ihre Begrenzung durch die Art und

2 STAND DER TECHNIK 13

das Ausmaß der Hydrolysen, so daß davon auch die Zellmassebildung an Hefe

beeinflußt wird. Da die kleinste Zellmassebildung bei rein anaerober Fermentation

entsteht und sie zugleich mit der kleinsten Resorption an N-Verbindungen und der

größten Bildung an Ethanol verbunden ist, kann demzufolge die Zellmassebildung

unter Erhalt der vollständigen Umsetzung des Kohlenhydratanteils über die Wahl des

Verhältnisses zwischen aerober und anaerober Fermentation gelenkt werden.

2.5.3 Exkurs: Herstellung eines Flüssigferments

Im Zusammenhang mit der Backhefeherstellung ist ein Blick auf die noch heute in

russischen Brotfabriken geübte Praxis der Herstellung eines aus Backhefe und

Milchsäure bestehenden Flüssigferments von großem Interesse. Das Flüssigferment

besteht aus einer milchsauren Flüssigkeit, in der Milchsäurebakterien aktiv sind und

in der auf anaerobem Wege Hefe vermehrt wurde. Das Flüssigferment wird in einem

zweistufigen Fermentationssystem hergestellt, das vor mehr als 60 Jahren von

Ostrovsky (20) entwickelt wurde.

Das System wird mit einer Maische aus Mehl betrieben, deren Stärkeanteil

enzymatisch mit Malzmehl oder amylolytisch wirkenden Enzymen aus Mikro-

organismen zu Maltose oder Glucose abgebaut wird. Die Maische wird in der ersten

Fermentationsstufe unter selektiven Verfahrensbedingungen durch Milchsäure-

bildung mit Milchsäurebakterien (Lactobacillus delbrueckii) gesäuert. Damit wird über

die dabei erfolgende Absenkung des pH die Voraussetzung dafür geschaffen, daß in

der Maische neben den dominant vorkommenden Milchsäurebakterien keine

anderen Bakterien wachsen können. Die saure Maische ist deshalb stabil, ohne daß

ergänzende Maßnahmen für den Erhalt ihres mikrobiologischen Zustands ergriffen

werden müssen. In ihr werden in der zweiten Fermentationsstufe auf anaerobem

Weg Hefezellen vermehrt. Durch die Anreicherung des milchsauren

Fermentationssubstrats mit Hefezellen entsteht das Flüssigferment, das direkt zur

Teigherstellung verwendet wird.

Das Flüssigferment erfüllt aufgrund der in ihm enthaltenen aktiven Milchsäure-

bakterien und seines Milchsäuregehalts sowie der in ihm homogen verteilten

Hefezellen zugleich die Funktion der Säuerung als auch des Triebs der Teige. Das

2 STAND DER TECHNIK 14

Flüssigferment wird unter den in Rußland üblichen Bedingungen der Teigführung mit

großem Erfolg zur Fermentation von Brotteigen eingesetzt.

Vom Standpunkt einer wirtschaftlichen Herstellung von Backhefe aus betrachtet, muß

die Flüssigfermentherstellung jedoch als völlig unwirtschaftlich angesehen werden,

weil aus der über das Mehl oder ein vergleichbares anderes Fermentations-substrat,

das beispielsweise auch Rückbrot sein könnte, zur Verfügung stehenden Maltose

oder Glucose auf aerobem Weg 7,2 mal mehr Hefe als auf dem beschrittenen

anaeroben gewonnen werden kann. Es kommt hinzu, daß die Fermentationsprodukte

Ethanol und Kohlendioxid bei dem russischen Verfahren verloren gehen, weil sie

beim Fermentieren und Backen an die Umwelt abgegeben werden. Weder das

Ethanol noch das Kohlendioxid werden gewonnen, weil das sich wegen des dafür

erforderlichen technischen Aufwands, der die Abtrennung der Hefe vor der

Destillation des Ethanols erfordert, nicht lohnt. Außerdem besitzt das

Fermentationssystem zwar eine hohe Anpassung an die kontinuierliche Produktion

eines bestimmten in großer Quantität mit Sauerteig herzustellenden Brottyps, es

kann aber nicht für die flexible Produktion eines breiten Brotsortiments, dessen

einzelne Brotsorten mit Hefe und/oder mit Sauerteig hergestellt werden, eingesetzt

werden.

Die Inflexibilität des Systems ergibt sich vor allem auch daraus, daß nicht auf

spezielle Ansprüche bezüglich der Fermentationszeit unterschiedlicher Teige reagiert

werden kann, weil die Hefekonzentration im Flüssigferment praktisch konstant ist. Es

kommt hinzu, daß der nicht fermentierbare Feststoffgehalt des Substrats mit in die

Rezeptur des Brots überführt werden muß. Darin liegt eine zusätzliche Begrenzung

der Verwendung des Flüssigferments für ein breites Brotsortiment begründet.

Schließlich ist darauf hinzuweisen, daß nur für die anaerobe Fermentation das für die

Hefe verwertbare Stickstoffangebot aus dem Mehl ausreicht, um bei vollständiger

Umsetzung des zu Zucker hydrolysierten Stärkeanteils in Ethanol und Kohlendioxid

die unter anaerober Fermentation mögliche Hefemasse zu bilden.

3 ANSATZ ZUR LÖSUNG DER AUFGABENSTELLUNG 15

Abgesehen davon, daß es sich bei der Hefe im Flüssigferment um eine spezielle der

anaeroben Fermentation im sauren Milieu angepaßte Hefe handelt, die für das

Brotbacken mit langen Gärzeiten geeignet ist, wird für die Einstellung einer

ausreichenden Triebkraft während der anaeroben Fermentation des Substrats eine

zusätzliche Stickstoffquelle zugeführt. Das ist deshalb erforderlich, weil die aus dem

Mehl oder Malz stammenden, resorbierbaren Stickstoffverbindungen nicht

ausreichen, um auf den für eine hohe Triebkraft erforderlichen Proteingehalt zu

kommen. Der Proteingehalt von Backhefen mit hoher Triebkraft liegt im Bereich von

45-55% der Hefetrockenmasse.

Zur Erläuterung des Zusammenhangs zwischen Triebkraft und Gärzeit des Teigs

zeigt eine Beispielrechnung für das Bierbrauen, daß aus dem Maltose- und

Stickstoffangebot aus Malz aus 100g Maltose 7,5 g Hefetrockenmasse entstehen,

die nur einen Proteingehalt von ca. 20-25% besitzen (21). Die Übertragung dieses

Rechenbeispiels auf hydrolysiertes Brot als Fermentationssubstrat für eine anaerobe

Backhefeherstellung würde unter der Annahme eines zum Malz vergleichbaren

resorbierbaren Stickstoffangebots rechnerisch zwar zu einer Ausbeute an Backhefe

führen, die der Ausbeute an Bierhefe beim Vergären der Würze entspräche, deren

Triebkraft wäre jedoch wegen des niedrigen Proteingehalts viel zu klein.

3 Ansatz zur Lösung der Aufgabenstellung

Trotz all dieser Einschränkungen lieferte die Herstellung des Flüssigferments den

grundsätzlichen gedanklichen Ansatz für die Lösung der Aufgabenstellung, weil sie

die Möglichkeit eröffnet, zwei wesentliche Rohstoffe für die Backwarenproduktion,

nämlich Backhefe und Flüssigsauer, produktionsintegriert aus Rückbrot herstellen zu

können. Während nun die Herstellung des Flüssigferments in den russischen

Fabriken auf einfache Weise auf die Produktionskapazität und Produktionsmenge an

Backwaren abgestimmt werden kann, ergibt sich dieser Vorteil für den Einsatz eines

vergleichbaren Verfahrens in deutschen Fabriken für die Verwertung der täglich

insgesamt anfallenden Rückbrotmenge nicht, weil die daraus maximal herstellbare

3 ANSATZ ZUR LÖSUNG DER AUFGABENSTELLUNG 16

Hefemenge viel größer ist als eine beliebige Brotfabrik an Hefe und/oder Sauerteig

benötigt.

Für die als Beispiel für die Verfahrensentwicklung betrachtete Brotfabrik, die bei einer

durchschnittlichen täglichen Produktion von 300t eine Rückbrotmenge von 30t zu

verwerten hat, beträgt der Verbrauch an Backhefe (H27) nur etwa 5 t pro Tag und die

auf den Säuregrad der Sauerteigbackwaren bezogene Säuremenge ist nur 100-150

kg groß. Die betrachtete Brotfabrik ist der in Neufahrn, Bayern, gelegene Betrieb der

Müller-Brot AG.

Aus der Rückbrotmenge könnte nach Hydrolyse ihres Stärkegehalts zu Glucose bei

aerober Fermentation viel mehr Hefe produziert werden als benötigt wird. Zur

Erläuterung sei hier für den rechnerischen Idealfall angenommen, daß die

Trockenmasse des Rückbrots einen Stärkegehalt von 65% besäße und der

Trockenmassegehalt des Rückbrots 60% betrüge. Es entstünden dementsprechend

bei einer vollständigen Hydrolyse der Stärke 13t Glucose und daraus bei der

Hefevermehrung 7t Hefetrockenmasse, bzw. 26t Backhefe (H27).

Würde jedoch die Rückbrotmenge analog zum russischen Verfahren aerob

fermentiert, so würden im rechnerischen Idealfall zwar aus 30t Rückbrot/d ca. 5,1t

Ethanol/d und ca. 4,8 t Kohlendioxid/d neben ca. 3 t Hefe/d anfallen, diese

Hefemasse wäre jedoch deutlich kleiner als es dem Bedarf der Fabrik entspricht. In

dieser Betrachtung bleibt die Qualität der Hefe, die in ihrer Triebkraft zum Ausdruck

kommt, zunächst unberücksichtigt.

Die Lösung der Aufgabenstellung wurde entsprechend dieser Überlegungen in der

Kombination einer aeroben mit einer anaeroben Fermentation des aus Rückbrot

herstellbaren Fermentationssubstrats und der produktionsintegrierten Gewinnung,

Aufarbeitung und Verwertung der dabei anfallenden Nebenprodukte gesucht. Dafür

zeichneten sich zwei Lösungswege ab. Der eine bestand in der Möglichkeit der

Durchführung der sogenannten aeroben Gärung und der andere darin, das Substrat

in zwei Teilströme aufzuteilen und den einen zur aeroben Hefevermehrung und den

anderen zur Ethanol- und Kohlendioxidherstellung einzusetzen.

Für beide Lösungsansätze war aus den vorgenannten Überlegungen abzuleiten, daß

für eine hohe Triebkraft der Backhefe das Angebot an resorbierbarem Stickstoff im

3 ANSATZ ZUR LÖSUNG DER AUFGABENSTELLUNG 17

Substrat gegenüber dem aus dem Rückbrot vorhandenen erhöht werden muß. Dafür

bietet es sich an, entweder eine resorbierbare N-Quelle zuzufügen oder die über den

Proteingehalt des Brotes vorhandene N-Quelle resorbierbar zu machen. Für die

benötigte Backhefemenge (H27) von 5 t/d, die einem Proteingehalt von 45-55% in

der Trockenmasse aufweisen sollte, entspräche das einer Stickstoffmenge von 90-

120 kg Stickstoff/d.

Hinsichtlich der Verwirklichung eines aus aerober und anaerober Fermentation

kombinierten Verfahrens ist es zusätzlich notwendig, die Masseströme so zu lenken,

daß die in der aeroben Stufe erforderliche hohe Verdünnung des Fermentations-

substrats zur Absenkung der Zuckerkonzentration auf die für die aerobe

Fermentation zulässige Höhe möglich wird. Aus dieser Notwendigkeit ergibt es sich,

daß ein beide Fermentationen umfassendes Konzept für die aufeinander

abzustimmenden Masseströme erstellt werden muß. Dieses Konzept muß auf eine

Minimierung des Prozeßwasservolumens und seiner Fracht gerichtet werden, damit

im Verfahren kein Abwasser entsteht. Daraus ergaben sich zwei technische

Fragestellungen. Die eine bezog sich auf die Auswahl der Prozeßtechnik der

Hefevermehrung und die andere auf die produktionsintegrierte Verwertung des

Prozeßwassers über den Gesamtverfahrensablauf der Brot- und Rückbrot-

aufarbeitung.

3.1 Schritte zur Lösung der Aufgabenstellung

Die vorstehend skizzierte Lösung der Aufgabenstellung erfolgte schrittweise mit der

Zielsetzung, eine möglichst einfache und sichere Prozeßtechnik für die in den

Produktionsprozeß von Brotfabriken zu integrierende biotechnologische Aufarbeitung

und Umsetzung des Rückbrots in für die Brotherstellung direkt und indirekt

verwertbare Produkte zu entwickeln. Aus den zur Lösung der Aufgabenstellung

vorgesehenen fermentativen Prozeßschritten, die sich aus der Aufgabe der

vollständigen Verwertung des Rückbrots in einem Produktionsbetrieb ergeben,

zeichnete sich ab, daß dies Backhefe, ein milchsaures Prozeßwasser (Flüssigsauer),

3 ANSATZ ZUR LÖSUNG DER AUFGABENSTELLUNG 18

ein enzymatisch nicht verflüssigbarer Reststoff aus Proteinen und Ballaststoffen

(Proteinfraktion), Ethanol und Kohlendioxid sein würden.

Für die beispielhaft untersuchte Fabrik sind unter „Rückbrot“ verpackte, geschnittene

Brote (Schnittbrot) verschiedener Zusammensetzung, ganze unverpackte Brotlaibe,

Kleingebäck (Brötchen, Brezeln, Plunderstücke) und Kuchen zu verstehen. Dieses

Rückbrot fällt in unterschiedlichen Mengen an, so daß die aufzuarbeitende Masse

eine gewisse Schwankungsbreite in der Inhaltsstoffzusammensetzung aufweist. Das

verpackte Brot muß vor der Aufarbeitung entpackt werden, wofür ein

Aufarbeitungsschritt erforderlich ist, der hier für die Entwicklung des Verfahrens nicht

weiter untersucht wird, weil er zum Stand der Technik gehört. Er wird allerdings in die

Wirtschaftlichkeitsberechnung für das gesamte Verfahren einbezogen.

Die für die Verwertung der aus dem Rückbrot herstellbaren Produkte entscheidenden

Prozeßschritte beginnen erst nach dem Entpacken des Brots. Diese Prozeßschritte

sollen hier einleitend grob gegliedert werden, um dann anhand dieser Gliederung die

für die Entwicklung des Verfahrens erforderlichen Untersuchungen darzustellen. Die

Prozeßschritte bestehen in der

-enzymatischen Aufarbeitung des Rückbrots zu einem Brotsirup,

-Versäuerung des Brotsirups mit Milchsäurebakterien,

-Aufarbeitung des versäuerten Brotsirups zum Fermentationssubstrat,

-Verwertung des Fermentationssubstrats zur Herstellung von Backhefe-,

Ethanol-, Kohlendioxid und Flüssigsauer

-Verwertung der Backhefe als aus dem fermentierten Substrat gewonnenes

Konzentrat (Flüssighefe) zum Brotbacken,

-Verwertung der Proteinfraktion zum Brotbacken,

-Destillation des anaerob fermentierten Substrats,

-Verwertung des vom Ethanol befreiten fermentierten Substrats als Flüssigsauer

zum Brotbacken.

3 ANSATZ ZUR LÖSUNG DER AUFGABENSTELLUNG 19

Der Prozeßschritt der Destillation des anaerob fermentierten Substrats ist nur in

soweit durchgeführt worden, wie er für die Führung des Prozeßwasserstroms des

Flüssigsauers und seiner Verwertung erforderlich war. Dazu wurde ein Aliquot des

milchsauren Substrats anaerob fermentiert, aus ihm die Hefe zentrifugal

abgeschieden und danach das Ethanol durch Erwärmen des Flüssigsauers

ausgetrieben. Die Verfahrensschritte der Destillation des Ethanols und der

Verflüssigung des Kohlendioxids wurden nicht durchgeführt, weil sie zum Stand der

Technik gehören. Sie werden aber in der Wirtschaftlichkeitsberechnung auf der

Grundlage dafür bekannter Zahlen berücksichtigt.

4 MATERIAL UND METHODEN 20

4 Material und Methoden

Für die Durchführung der Entwicklung der Prozeßtechnik waren sowohl Versuche im

Labor- als auch im Technikumsmaßstab erforderlich. Einige Versuche mußten zur

Abschätzung einer Maßstabsvergrößerung auch im Pilotmaßstab durchgeführt

werden. Die Versuchsanordnungen wurden in Abhängigkeit von den jeweils erzielten

Erkenntnissen solange ergänzt und modifiziert, bis sich die Verfahrensschritte als

technisch durchführbar erwiesen. Nachfolgend werden der Entwicklung des

Verfahrens entsprechend zunächst der Aufbau und Betrieb der Anlagen zur

Aufarbeitung des Rückbrots zu Brotsirup, zur Versäuerung des Sirups, zur

Aufarbeitung des versäuerten Sirups zum Fermentationssubstrat und schließlich zur

Verwertung des versäuerten Fermentationssubstrats zur Herstellung von Flüssighefe

und Flüssigsauer beschrieben. Die Inoculi für alle nachfolgend beschriebenen

Fermentationsanlagen wurden in üblicher Weise im mikrobiologischen Labor als

Reinzucht herangeführt. Das galt sowohl für die Backhefen als auch die

Sauerteigbakterien.

Es wurden sich in der Baugröße und im Betrieb unterscheidende Anlagen aufgebaut.

Bezogen auf ihre Funktion werden diese Anlagen im folgenden als Labor-,

Technikums- und Pilotanlage bezeichnet. Die Labor- und Technikumsanlage wurden

sowohl in ihrem konstruktiven Aufbau als auch ihre Betriebsweise vielen

Veränderungen unterworfen, die hier nicht alle geschildert werden können. Es

werden deshalb nur die Bauformen beschrieben, mit denen die für die Auswahl der

Verfahrensschritte und ihre Abstimmung aufeinander wichtigsten Ergebnisse erzielt

worden sind.

4.1 Aufbau und Betrieb der Laboranlage

Die Laboranlage bestand aus einem Sirupkocher, einem Versäuerungsbehälter, zwei

Hefefermentern und zwei Lagerbehältern. Die Bereitung des Brotsirups, seine

Versäuerung und Aufarbeitung zum Fermentationssubstrat erfolgte diskontinuierlich.

4 MATERIAL UND METHODEN 21

Der Sirup wurde entweder aus getrocknetem und pulverisiertem Rückbrot

(Brotpulver) oder aus Rückbrot, wie es von der beispielhaft untersuchten Fabrik aus

dem Handel zurückgenommen wird, bereitet (vgl. 4.5). Das Brotpulver und das aus

dem Handel stammende Rückbrot, das nachfolgend als Brot bezeichnet wird,

entsprachen in ihrer Zusammensetzung über die Zeit der Durchführung der Versuche

jeweils einer Durchschnittsmischung der zuvor genannten Produkte.

Das Fermentationssubstrat wurde kontinuierlich sowohl anaerob als auch

aerob/anaerob und aerob fermentiert. In den Fermentern wurde außerdem ein

Modellsubstrat aerob und anaerob/aerob fermentiert. Das Modellsubstrat wurde aus

Glucose, Kleie und Wasser hergestellt. Es wurde nach der Versäuerung analog zum

Fermentationssubstrat aufbereitet.

4.1.1 Sirupherstellung mit der Laboranlage

Als Sirupkocher wurde ein temperierbarer Doppelmantelbehälter mit Rührwerk

eingesetzt, der ein Füllvolumen von 3,2 l besitzt. Der Sirupkocher wurde über ein

Wasserbad temperiert.

Brotpulver wurde außerhalb des Reaktors mit α-Amylase (L-840, Genencor) zu einer

Maische vermischt. Die Maische wurde in den Sirupkochbehälter gegeben. Der

Sirupkochbehälter wurde für 2 h auf eine Temperatur von 70°C erwärmt, um die

Stärke zu verflüssigen. Anschließend wurde der Sirupkochbehälter auf 60°C

abgekühlt. Bei dieser Temperatur erfolgte die Zugabe von Glucoamylase (L-300,

Genencor), um die verflüssigte Stärke zu Glucose abzubauen.

Nach einem Zeitraum von bis zu 15 h wurde die Temperatur des Brotsirups bei

einigen Versuchen auf die Reaktionstemperatur von proteolytisch wirkenden

Enzymen eingestellt. Die Reaktionszeit der verwendeten Proteasen (Corolase L10,

PN-L, 7089, 7092 und PP, Röhm, Tab. 2) betrug jeweils 16 h. Die Maische wurde vor

der Zugabe der Proteasen auf die vom Enzymhersteller angegebene

Reaktionstemperatur und den angegebenen pH-Wert eingestellt.

4 MATERIAL UND METHODEN 22

Tabelle 2: Reaktionsbedingungen für die Proteolyse von Brotsirup

Enzym1) Reaktionstemperatur

(°C)

pH-Wert Dosierung

(g/kg Protein TS)

Corolase PP 50 (50-60)2) 8,4 (8-9) 1,4 (0,1-5)

Corolase PN-L 48 (30-50) 5,0 (5-8) 2,8 (0,2-10)

Corolase 7089 50 (30-60) 7,1 (7) 1,4 (0,1-5)

Corolase L 10 55 (55-65) 6,1 (5-7) 1,4 (0,1-5)

1) Reaktionszeit betrug für alle Versuche 17 h

2) Werte in Klammern entsprechen Herstellerangaben

Nach Abschluß der enzymatischen Reaktionen wurde der Brotsirup auf 100°C

aufgeheizt, um die Enzyme zu inaktivieren. Diese Temperatur reichte zur

Inaktivierung aus, weil keine thermostabilen α-Amylasen eingesetzt wurden. Der

Einsatz solcher Amylasen verbot sich, weil der Prozeßstrom des Flüssigsauers zum

Brotbacken vorgesehen war. Eine thermostabile α-Amylase würde die Brotkrume

zerstören. Anschließend wurde der Sirup auf die Versäuerungstemperatur von 50°C

abgekühlt.

4.1.2 Versäuerung des Brotsirups und Modellsubstrats

Der Brotsirup wurde in einen verschließbaren Kunststoffbehälter gefüllt und mit einer

vorher auf Brotsirup herangezogenen Kultur mit Lactobacillus delbrueckii (L.

delbrueckii 0597, BFGKF in Detmold und Münster) beimpft. Diese als Anstellsauer

bezeichnete Kultur wurde in einem Verhältnis von 1-2 Teilen Anstellsauer zu 8-9

Teilen Brotsirup zugegeben. Der beimpfte Brotsirup wurde anschließend bei 50 °C im

Wärmeschrank für etwa 24 h inkubiert.

Das Modellsubstrat aus mühlenüblicher Weizenkleie, Glucose und Leitungswasser

wurde entsprechend versäuert. Das Modellsubstrat diente gegenüber dem Brotsirup

als idealisiertes Nährsubstrat. Es enthielt durch die Extraktion der Weizenkleie alle

für die anaerobe Fermentation von Hefe erforderlichen Nähr- und Wuchsstoffe. Das

Modellprozeßwasser wurde im Verhältnis 1:10:89 mit Glucose, Weizenkleie und

4 MATERIAL UND METHODEN 23

Leitungswasser angesetzt. Ein Aliquot das Ansatzes wurde mit L. delbrueckii

versäuert. Dieser versäuerte Teil diente als Anstellsauer für die Versäuerung des

Modellsubstrats.

Die im Brotsirup und Modellsubstrat enthaltenen groben Bestandteile wurden mit

einem Sieb mit der Maschenweite 500µm abgetrennt. Die so vorbereiteten Fluide

wurden anschließend in einer Becherzentrifuge (Varifuge3.2, Heraeus) bei 5000

UPM für 5 min zentrifugiert. Die Überstände dienten als Fermentationssubstrate und

die Rückstände wurden verworfen.

Der Glucosegehalt der Überstände wurde je nach Versuchsanordnung entweder

durch Glucosezugabe oder Verdünnung mit Leitungswasser oder Flüssigsauer für

die Fermentationen eingesetzt.

Die Versäuerung des Brotsirups und des Modellsubstrats wurde generell durch

Messung des pH-Wertes und titrimetrischer Bestimmung des Säuregrads bestimmt.

Die Säuerung wurde in ausgewählten Substraten zusätzlich durch enzymatische

Bestimmung des Milchsäuregehalts festgestellt.

4.1.3 Kontinuierliche aerobe und anaerobe Fermentation: Laborfermenter

Die Fermentationssubstrate wurden aerob in einem doppelwandigen Fermenter aus

Glas, der ein Volumen von 1,5 L besaß, fermentiert. Der Fermenter wurde wahlweise

steril und unsteril betrieben. Das Fermentationssubstrat und die

Verdünnungsflüssigkeit wurden zur Verhinderung unerwünschten

Mikroorganismenwachstums bei 50°C gelagert. Die Nährsubstrate wurden von dort

über zwei Schlauchpumpen in den Fermenter zugeführt. Dem Fermentationssubstrat

aus Brotsirup wurde für einige Versuche zusätzlich eine für das Hefewachstum

erforderliche Nährlösung (N-Quelle, Vitamine, Mineralstoffe) zugesetzt. Die

Nährlösung wurde mit dem Substrat vermischt zugegeben.

Der Fermenter wurde mittels eines Magnetrührers gerührt, die Belüftung erfolge zur

Feinverteilung der Luft über einen am Boden angebrachten Sinterstein. Der

Fermenter wurde über ein Wasserbad auf 30°C temperiert. Der pH-Wert wurde mit

4 MATERIAL UND METHODEN 24

einer im Fermenter befindlichen Elektrode gemessen und mit einem Titrator (Titrino,

Metrohm) durch Zugabe von Lauge (0,1 n NaOH) konstant gehalten. Der Ablauf aus

dem Fermenter wurde mit einer Schlauchpumpe so geregelt, daß der Füllstand

immer konstant blieb. Die Konzentration an Hefezellen im Fermenter wurde über die

pro Zeiteinheit zugegebene Glucosemenge konstant gehalten. Der Ablauf wurde

gesammelt und zur Abscheidung der Hefe mit einer Becherzentrifuge (Varifuge,

Heraeus) zentrifugiert.

Die anaerobe Fermentation erfolgte kontinuierlich in einem mit einem Rührwerk

ausgestatteten Fermenter, der mit einem Wasserbad auf 30°C temperiert wurde. Der

Fermenter hatte ein Volumen von 5 L. Das Substrat wurde aus einem auf 50°C

temperierten Zulaufbehälter mit einer Schlauchpumpe in den Fermenter gefördert.

Das fermentierte Substrat wurde aus dem Fermenter mit einer weiteren

Schlauchpumpe in einen Ablaufbehälter gefördert.

Da die Konzentration an Hefezellen in beiden Fermentern gleich groß sein sollte, die

Umsatzrate unter aeroben Bedingungen aber sehr viel größer als unter anaeroben

ist, wurden zwei Zulaufbehälter mit unterschiedlicher Glucosekonzentration

verwendet, um die Hefekonzentration in beiden Fermentern gleich zu halten. Die

Fermenter wurden kontinuierlich so betrieben, daß es während der Verweilzeit des

Substrats zum vollständigen Abbau der Glucose kam. Der Ablauf des aeroben

Fermenters wurde dann in den anaeroben Fermenter geleitet. Der Ablauf des

anaeroben Fermenters wurde in den Ablaufbehälter geleitet und auf 8°C gekühlt. Zur

Förderung der Volumenströme wurden Schlauchpumpen (Masterflex 1-100 und 6-

600, Cole-Parmer) verwendet.

4.2 Aufbau und Betrieb der Technikumsanlage

Die Technikumsanlage bestand aus dem Anlagenteil zur Bereitung und Aufarbeitung

von Brotsirup und zur Fermentation des aus dem Brotsirup gewonnenen Substrats

(Abb. 1). Die Bereitung des Brotsirups, seine Versäuerung und Aufarbeitung zum

Fermentationssubstrat erfolgte diskontinuierlich. Das Fermentationssubstrat wurde

kontinuierlich sowohl aerob als auch anaerob fermentiert. Das Anlagenteil zur

Sirupherstellung und Aufarbeitung besteht aus einem doppelwandigen Kochbehälter

mit wandschabendem Rührwerk (Volumen: 300 L, 1), der mit Wärmeträgeröl aus

4 MATERIAL UND METHODEN 25

einer Wärmeübertragungsanlage temperiert (STO 1-18-42 D2, Single) wird, einem

Fermenter mit wandschabendem Rührwerk zum Versäuern des Brotsirups (Volumen:

200 L, 2), einem Schwingsieb (600 LS 24S, Sweco, 3), einem Dekanter (CA 150,

Westfalia Separator, 5), einem Tellerseparator (NA7, Westfalia Separator, 6) und

einer Schneckenpresse (P-Spezial, Vetter, 4). Der Dekanter wurde auf der Seite des

Klarlaufs mit einer Tauchscheibe ausgestattet. Diese Scheibe wies einen

Durchmesser von 136 mm auf. Sie diente dazu, die auf der im Dekanter rotierenden

Flüssigkeit aufschwimmende Fettschicht mit in das Sediment zu drücken. Diese

Maßnahme war erforderlich, weil das Rückbrot einen relativ hohen Fettgehalt

aufweist, der nicht mit in das Fermentationssubstrat gelangen sollte. Die einzelnen

Elemente wurden mit Rohrleitungen über Pumpen verbunden. Im Bereich der

Herstellung des Fermentationssubstrats wurden Exzenterschneckenpumpen (2NE20,

Netsch) und im Bereich seiner Fermentation Schlauchpumpen (Masterflex, Cole-

Parmer) eingesetzt.

Abbildung 1: Vereinfachtes Fließschema der Technikumsanlage.

Fermentations-

substrat

Lager-

tank

Hefe

(aerob)

Hefe

(anaerob)

Flüssigsauer

Sirup-

kocher

Fermenter

Lactobacilli

Enzyme

Ethanol

Flüssighefe

Proteinfraktion

Wasse

Rückbrot Sieb (3)

Zentrifuge (6)

Zentrifuge (12)

Destillation (13)

Zentrifuge (9)

Flüssigsauer

Futtermittel

Luft

Kohlen-

dioxid

Dekanter (5)

Nähr-

stoffe

Schnecke

n-presse

(4)

1 2

10 11

7 8 14

4 MATERIAL UND METHODEN 26

4.2.1 Sirupherstellung und -versäuerung mit der Technikumsanlage

80kg pulverisiertes Rückbrot wurde mit 100 L Leitungswasser im Sirupkocher zu

einer Maische gemischt. Dem Leitungswasser wurde α-Amylase (Dexlo, Genencor)

zugegeben. Der Mischvorgang dauerte 1 h (Abb. 2). Danach wurde die Maische in

2 h auf 95°C erwärmt. Der pH mußte nicht eingestellt werden, weil der pH der

Maische aufgrund des Säuregehalts im Rückbrot im Wirkungsoptimum der Enzyme

lag. Außerdem brauchten keine Ca-Ionen zur Aktivierung der α-Amylase zugesetzt

werden, weil das Leitungswasser eine ausreichende Ca-Härte besaß. Nach

Erreichen der Temperatur von 95°C wurde die verflüssigte Maische in 1 h auf 60°C

gekühlt und dann mit Amyloglucosidase (Optidex L-300, Genencor) versetzt. Die

Zugabemengen an den Enzymen betrugen für die α-Amylase und für die

Amyloglucosidase je 1 ml pro kg Stärke im Brot. Die spezielle Aktivität der Enzyme

ergibt sich aus der vom Hersteller für die Produktkennzeichnung gegebenen

Spezifikationen.

Nach einer Verzuckerungszeit von 10 h wurde der Sirup zur Inaktivierung der

Enzyme auf 95°C erwärmt. Anschließend wurde der Sirup auf die für seine

Versäuerung mit L. delbrückii erforderliche Temperatur von 50°C abgekühlt. Die

Versäuerung erfolgte in der Weise, daß der Sirup in den Versäuerungsbehälter

gepumpt wurde, in dem sich noch 10% des vorangegangenen Ansatzes befanden.

Die Versäuerung dauerte 20-24 h.

Der versäuerte Sirup wurde zur Trennung von groben Bestandteilen über das

Schwingsieb (Maschenweite: 500 µm) geleitet. Der Oberlauf wurde mit der

Schneckenpresse entwässert. Das Preßwasser wurde als Prozeßwasser in den

Prozeß zurückgeführt. Der Preßrückstand wurde nach Feststellung seiner Masse und

Probenahme zur Bestimmung seiner Zusammensetzung verworfen. Der Unterlauf

wurde zur Abtrennung der in ihm suspendierten Feststoffe in zwei Stufen

zentrifugiert. Dazu wurde der Brotsirup zunächst durch den Dekanter und danach

durch die Entschlammungszentrifuge gefördert. Dadurch entstand als Oberlauf ein

teilgeklärtes Fermentationssubstrat, das in dem temperierbaren Lagerbehälter bei

50°C gelagert wurde.

4 MATERIAL UND METHODEN 27

Der Dekanter wurde bei einer Drehzahl von 6600 Upm, einer Differenzdrehzahl von

30 Upm und einem Zulauf von 300 l/h betrieben. Das Überlaufwehr wurde auf Stufe

14 eingestellt. Der Dekanter besaß eine Fettrückführscheibe im Bereich des

Klarlaufaustrags. Der Tellerseparator wurde bei 8500Upm und einem Zulauf von

300 l/h als Entschlammer betrieben. Die Entschlammung erfolgte etwa alle 4 min für

3 s. Die anfallenden Sedimente wurden in einigen Versuchen mit Leitungswasser

aufgeschlämmt und erneut zentrifugiert, um die in ihnen enthaltene Glucose zu

extrahieren.

Temperatur (° C)

TUB - GV 1371/98

Zeit (h)

02468101214

120

150

Amylase Amyloglucosidase

Abbildung 2: Temperaturverlauf bei der Bereitung des Sirups aus Rückbrot.

4.2.2 Kontinuierliche aerobe und anaerobe Fermentation: Technikumsanlage

Die aerobe und anaerobe Fermentation des Substrats bildeten die zentrale Aufgabe

in der Entwicklung des Verfahrens. Da erstrebt wurde, diese bei ausreichender

Betriebssicherheit möglichst einfach zu gestalten, erfolgte die Durchführung dieser

Aufgabenstellung durch schrittweise Anpassung der Ausführung des aeroben

Fermenters an die Mindestanforderungen für einen sicheren Betrieb. Diese

Anforderungen wurden aus den in den Entwicklungsschritten erzielten Ergebnissen

4 MATERIAL UND METHODEN 28

abgeleitet. Nachfolgend wird die Fermentationsanlage, ausgehend von ihrer

einfachsten Bauform, beschrieben.

4.2.2.1 Beschreibung der Fermentationsanlage

Die Fermentationsanlage bestand aus einem temperierbaren Vorratsbehälter für das

Fermentationssubstrat (Volumen: 200 l, 7), einem aeroben Fermenter mit

schnellaufendem Rührwerk (Volumen 70 l, 8), der über eine Sinterplatte mit einem

Kompressor (23 CM, Hydrovane Compressor) belüftet wurde, einem anaeroben

temperierbaren Fermenter mit einem langsam laufendem Rührwerk (Volumen: 200 l,

10), einem temperierbaren Zwischenlagertank für das fermentierte Substrat

(Volumen: 200 l, 11), den Fermentern zugeordnete Tellerseparatoren (NA7, Westfalia

Separator, 9, 12), einer Abdampfanlage (Centri Therm CT 1 B, Alfa Laval, 13) sowie

einem temperierbaren Lagertank für den Flüssigsauer (Volumen: 200 l, 14).

4.2.2.2 Beschreibung des kontinuierlichen Fermenters

Der kontinuierliche Fermenter und seine Steuerung wurden speziell für diesen

Anwendungszweck ausgelegt und konstruiert. Der Fermenter bestand aus einem

doppelwandigen Behälter aus Edelstahl mit einem Füllvolumen von 60l. Die

Innenmaße des Rohrs betrugen D = 250 mm und H = 1250 mm. Der Fermenter

wurde mit einem Rührwerk ausgestattet, welches drei Scheibenrührer mit einem

Durchmesser von 100 mm aufwies. Die maximale Drehzahl des Rührers betrug

700 Upm. Am Rand der Innenwandungen wurden vier Strömungsbrecher

angebracht. Zur Dosierung des Substrats, der Nährlösung und von Lauge wurden

drei Anschlußstutzen in der Deckelplatte angebracht . Ein weiterer Stutzen wurde in

die Deckelplatte eingebaut, um die Abluft über ein abschraubbares Abluftfilter

abführen zu können. Die Zuluft wurde mit einem Wälzkolbengebläse (RV 12H16G,

Bauknecht) über einen Sterilluftfilter (360019P, Satorius) von unten über eine

Edelstahl-Sinterplatte (Porengröße 30µm) in den Fermenter geleitet.

Die in die Bodenplatte über einen Rohrstutzen eingebaute Sinterplatte war nach

unten abgedichtet. Sie befand sich etwa 150mm über der Bodenplatte. Der Abstand

wurde gewählt, damit die in der Bodenplatte befindlichen Meßsensoren,

4 MATERIAL UND METHODEN 29

insbesondere der Sensor für die Sauerstoffmessung, nicht durch den Kontakt mit den

aufsteigenden Luftblasen in ihrer Funktion beeinträchtigt wurden. Der Ablauf des

fermentierten Substrats erfolgte über einen Stutzen in der Bodenplatte.

Die ablaufende Flüssigkeit wurde mit einer frequenzgeregelten Membranpumpe

(ML75, Jesco) in einen Labordekanter (MDZ 003, Lemitec) gefördert. In diesem

wurde die Hefe von der Fermentationsbrühe abgetrennt und gelangte über den

Auswurfschacht in ein Sammelgefäß. Der Klarlauf floß in ein Puffergefäß (Volumen

2 l) ab, von dem es entweder über eine für den Rücklauf vorgesehene

Schlauchpumpe zurück in den Fermenter gefördert wurde oder über eine für den

Klarlauf bestimmte Schlauchpumpe in ein Sammelgefäß gefördert wurde. Zwischen

Ablaufstutzen und Membranpumpe befand sich in der Rohrleitung ein Sensor zur

Trübungsmessung (CSB, Monitec) und ein pH-Sensor (pH 2100, Ingold).

In die Bodenplatte des Fermenters war ein Sensor zur Messung des gelösten

Sauerstoffs (S 1131 Oxiferm, Yokogawa) und ein Sensor zur Messung des Ethanols

eingebaut. Beide Sensoren ragten in den Fermenter hinein. Der Fermenter war auf

einer Grundplatte befestigt, unter der sich eine Wiegezelle (Dosimat E, Schenk)

befand, die auf einem den Fermenter umschließenden Traggerüst lagerte. Im oberen

Teil des Traggerüsts befanden sich Stützrollen aus Teflon, die den Fermenter in

horizontaler Richtung führten und so die Funktion der Wiegezelle gewährleisteten.

Der Fermenter wurde durch Umpumpen von Wasser aus einem Wasserbad durch

den Doppelmantel temperiert.

Die den Meßsensoren jeweils zugehörigen Meßumwandler gaben ein Signal (4-

20mA) an einen Modulträger (ME137, Meilhaus Electronic). Die auf den Modulträger

eingesteckten Module dienten der galvanischen Entkopplung des Meßsignals. Die

Module gaben ein Signal (0-5V) an eine Meßkarte (ME300, Meilhaus Electronic),

welche die eingehenden analogen Signale in digitale umwandelte und an einen

Prozeßrechner (Betriebssystem: Windows 95, Prozessor: Pentium 133 mHz,

Teamhaus) weitergaben (Dateninput). Die Signale wurden mit einer speziellen

Software (HP VEE x.0; Hewlett Packard) zur Regelung der Fermentation verwertet.

Dabei erfolgte der Datenoutput entweder über den Modulträger oder eine optisch

entkoppelte Relaiskarte (ME 131, Meilhaus Electronic).

4 MATERIAL UND METHODEN 30

Das Meßprinzip für die Messung des pH-Wertes des fermentierenden Substrats und

die des Gewichts des befüllten Fermenters mit einer Wiegezelle erfolgte durch

elektronische Meßwertaufnahme. Die Trübung des Substrats wurde über die

Auslöschung des Lichts einer Glühlampe mit einer Photozelle bestimmt. Die

Glühlampe und die Photozelle waren in zwei sich gegenüberliegenden Glaszylindern

angeordnet. Der Spalt zwischen den Glaszylindern bildete den Meßweg, über den

die optische Dichte des Substrats gemessen wurde.

Die Ethanolmessung erfolgte in einem sogenannten CH-Meßmodul. Das Meßmodul

hat über eine semipermeable Sondenmembran Kontakt zum Substrat, das die

flüchtige Kohlenwasserstoffverbindung (CH), in diesem Fall das Ethanol, enthält. Das

Ethanol diffundiert aus dem Substrat über eine Membran in einen Luftstrom aus

synthetischer Luft. Das Ethanol bewirkt an dem im Meßmodul enthaltenen Sensor

eine zu seiner Konzentration (FMG Mini 3.06, Biotechnologie Kempe) proportionale

Widerstandsänderung, die gemessen wird.

Die Sauerstoffmessung erfolgte mit einer Clark-Elektrode im Substrat (SM 31

Yokogawa).

4.2.2.3 Kontinuierlicher Betrieb des aeroben und anaeroben Fermenters

Die Einzelleistungen der Fermenter richteten sich nach den Teilungsverhältnissen

zwischen aerober und anaerober Fermentation. Darüber wurde auch die

Nährstoffversorgung bestimmt, hauptsächlich die mit resorbierbaren stickstoffhaltigen

Substanzen. Daraus ergab sich die Ausbeute an Backhefe und Ethanol sowie das

Volumen für den Flüssigsauer.

Die Abtrennung der Hefe erfolgte anfänglich mit dem im Fließbild eingezeichneten

Tellerseparator. In späteren Versuchen wurde die Hefe mit Hilfe eines

Labordekanters abgetrennt (vgl. 4.2.2.2). Der hefefreie Klarlauf des Separators

wurde in die Abdampfanlage geleitet, um das Ethanol abzudampfen. Der beim

Abdampfen als Sumpf anfallende milchsäurehaltige Flüssigsauer wurde zur

4 MATERIAL UND METHODEN 31

Verdünnung des Zulaufs des aeroben Fermenters verwendet. Außerdem wurde der

Flüssigsauer als Schüttwasser eingesetzt.

Es wurde angestrebt, die Hefekonzentration im aeroben Fermenter konstant zu

halten. Bezogen auf die Trockenmasse der Backhefe sollte die Hefekonzentration im

Bereich von 15-25 g HTS/kg fermentierendes Substrat liegen. Der Volumenstrom für

die Glucosezugabe wurde so eingestellt, daß die Glucosekonzentration in einem

Bereich von 0,5-1,0 g Glucose/kg Substrat lag. Der pH-Wert wurde durch

kontinuierliche Zugabe von Natronlauge aufrecht erhalten. Die dadurch ein-

gebrachten Na-Ionen wurden durch die Verwendung von Ammoniumchlorid als

Stickstoffquelle abgefangen. Das diente dazu, um im Flüssigsauer nur Natriumchlorid

entstehen zu lassen, das bei der Teigherstellung wichtiger Rezepturbestandteil ist.

Die Verdünnung des Zulaufs des Fermenters erfolgte durch Rückführung des

Klarlaufs aus der Abscheidung der Backhefe. Die Steuerung der Fermentation

geschah durch manuelle Einstellung der Pumpleistung über die im Ablauf des

Fermenters in regelmäßigen Abständen durch Auszählen bestimmte Konzentration

an Hefezellen. Die Überwachung der Reinheit der Hefekultur erfolgte durch

Probenahme aus dem Fermenter in regelmäßigen Abständen und Anzüchtung der

Hefezellen auf speziellen Nährböden.

Die aus dem Ablauf des aeroben Fermenters über die Zentrifuge konzentrierte Hefe

wurde hinsichtlich ihrer Triebkraft charakterisiert und für Backversuche sowie für die

anaerobe Fermentation eingesetzt. Der für die anaerobe Fermentation vorgesehene

Teilstrom des Fermentationssubstrats wurde in den anaeroben Fermenter gepumpt.

Der Teilstrom bestand bei diesen Versuchen aus dem von der Proteinfraktion

befreiten verdünnten Brotsirup. Der Ablauf aus dem anaeroben Fermenter wurde in

einen Vorratstank gefördert. Der Inhalt dieses Tanks wurde einmal täglich

aufgearbeitet. Dazu wurde zunächst die Hefe abgeschieden und dann das Ethanol

abgedampft. Der verbleibende Flüssigsauer wurde in einem weiteren Vorratstank bis

zum Verbrauch gelagert. Die Hefe wurde für die anaerobe Fermentation

weiterverwendet.

4 MATERIAL UND METHODEN 32

4.2.2.4 Optimierung des Betriebs des kontinuierlichen Fermenters

Für den Betrieb des kontinuierlichen Fermenters wurden drei Regelkreise zur

Regelung des Prozesses eingerichtet. Einer diente der Regelung des pH-Wertes, ein

zweiter der Regelung des Füllstands und ein dritter der Regelung der

Hefekonzentration.

Die Regelung des pH-Werts wurde durch Zugabe von Lauge vorgenommen. Das

geschah, wenn der Soll-pH-Wert, der auf 3,8 festgelegt war, unterschritten wurde

solange, bis der obere Soll-pH-Wert von 4,2 überschritten wurde. Die Zugabe

erfolgte über die Schaltung der die Lauge fördernden Schlauchpumpe.

Die Regelung des Füllstands erfolgte durch Zugabe von Klarlauf. Dieser wurde dem

Puffergefäß entnommen, das dem Labordekanter nachgeschaltet war. Dazu wurde

nach Unterschreiten des Sollgewichts des Fermenters aus dem Puffergefäß durch

Zuschalten einer Schlauchpumpe solange Klarlauf gefördert, bis das Sollgewicht

überschritten wurde.

Die Regelung der Hefezellkonzentration wurde über die Variation des

Ablaufvolumenstroms vorgenommen. Bezogen auf die Trockenmasse der Backhefe

sollte die Hefekonzentration im Bereich von 15-25 g HTS/kg fermentiertes Substrat

liegen. Dieser Konzentrationsbereich wurde als Vorgabe für die zur technischen

Umsetzung des Verfahrens zu treffenden Überlegungen im Hinblick auf die

erforderlich stabile und sichere Betriebsweise des Fermenters und den Volumen-

anfall des Flüssigsauers gewählt. Dazu wurde proportional zur Trübung des

Substrats der Ablaufvolumenstrom über die frequenzgeregelte Membranpumpe

verändert.

Die Konzentration an Sauerstoff und Ethanol wurden zwar kontinuierlich gemessen,

die Meßwerte wurden aber nicht in einen elektronisch gestützten Regelungsprozeß

eingefügt. Sie dienten lediglich der Überwachung der Fermentation.

4 MATERIAL UND METHODEN 33

4.3 Aufbau und Betrieb der Pilotanlage

Die mit der Technikumsanlage erzielten Ergebnisse mußten zur Schaffung der

Möglichkeit einer Umsetzung der Erkenntnisse auf den betrieblichen Maßstab der

beispielhaft untersuchten Fabrik zunächst auf einen Pilotmaßstab übertragen

werden. Diesbezüglich bildete vor allem die für die backtechnischen Versuche

erforderliche Hefemenge einheitlicher Qualität eine unabdingbare Voraussetzung.

Diesbezüglich war es unerheblich, ob Backhefe aus dem Brotsirup kontinuierlich oder

diskontinuierlich hergestellt wurde. Die Maßstabsvergrößerung des Fermenters

gegenüber dem Fermenter der Technikumsanlage mußte im Bereich eines Faktors

von 10-100 erfolgen.

Da sich im Verlauf der Durchführung der Untersuchungen herausstellte, daß der

Schritt zur Maßstabsvergrößerung, der den Bau und die Inbetriebnahme des

Fermenters in der Brotfabrik vorsah, für den erstrebten Erkenntnisgewinn zu

kostspielig sein würde, wurde entschieden, die Piloteinrichtungen einer Hefefabrik für

die Pilotversuche zu nutzen. Diesbezüglich war die Fa. Agrano, Riegel, bereit, ihre

Piloteinrichtungen zur Verfügung zu stellen. Die Fa. Agrano stellt sogenannte

biologische Backhefe aus Weizenmehl her, das aus biologischem Anbau stammt.

Das Weizenmehl ist zwar wie das Rückbrot ein stärkehaltiger Rohstoff, seine

Aufarbeitung erfolgt bei der Fa. Agrano jedoch in einem für die Rückbrotaufarbeitung

nicht geeigneten System.

Es erwies sich hinsichtlich der Rückbrotaufarbeitung als vorteilhaft, daß die

Sirupherstellung mit der beschriebenen Technikumsanlage so groß dimensioniert

war, daß mit ihr Fermentationssubstrat im für die Maßstabsvergrößerung

erforderlichen Umfang bereit gestellt werden konnte. Dazu wurde dieser Teil der

Technikumsanlage vom Technikum des Instituts in die Hefefabrik der Fa. Agrano

verlagert. Die Brotsirupherstellung wurde gemäß der Beschreibung nach 4.1.1 bzw.

4.2.1 sowohl mit Brot als auch mit Brotpulver und Teigen aus der Brotfabrik

vorgenommen.

Da die Pilotversuche bei der Fa. Agrano nur im Zulaufverfahren betrieben werden

konnten, war es nicht möglich, Backhefe kontinuierlich herzustellen. Diese

Einschränkung in der Versuchsdurchführung konnte toleriert werden, weil es lediglich

4 MATERIAL UND METHODEN 34

darum ging, Hefe einheitlicher Qualitätsmerkmale für die industriellen Backversuche

zur Verfügung zu stellen. Die Fragestellung bezüglich der Verwendung der anderen

Produkte (Proteinfraktion, Flüssigsauer) aus der Rückbrotverwertung konnten mit der

Technikumsanlage beantwortet werden.

4.3.1 Beschreibung der Fermentationsanlage: Pilotanlage

Die Versuchsanlage der Fa. Agrano besteht aus zwei Fermentern R1 (50l) und R2

(3000l) und einem Vorlagebehälter V2 (800l), der im unteren Teil einen

Propellerrührer aufweist. Beide Fermenter sind mit Scheibenrührern ausgestattet und

werden mit einem mit Bohrungen versehenen Ring belüftet. Im unteren Teil der

Fermenter befinden sich jeweils vier Anschlüsse, an denen sich jeweils ein

Probenahmehahn, ein Temperaturfühler sowie eine pH Elektrode befinden. Am R2

wurde zusätzlich eine Ethanolmeßsonde und eine Sauerstoffmeßsonde eingebaut.

Es handelte sich dabei um die im kontinuierlichen Fermenter der Technikumsanlage

verwendeten Meßeinrichtungen.

Die Fermenter werden über eine Steuereinheit bedient. Die Regelung des pH-Werts

erfolgt mittels eines PC mit eingebauten Meßkarten. Der Substratzulauf für den R1

wurde anhand eines errechneten Zulaufschemas mit einer Schlauchpumpe

durchgeführt. Der Substratzulauf für den R2 erfolgte in der mehrstündigen Startphase

mit einer Schlauchpumpe aus einem auf einer Waage stehenden Vorlagegefäß.

Nach der Startphase wurde der Zulauf gemäß einer im Steuerungs-PC

vorgegebenen Zulaufkurve über den Volumenstrom eines in der Transferleitung

zwischen V2 und R2 eingebauten Durchflußmesser automatisch eingestellt. Die

Substratüberführung durch die Transferleitung erfolgte durch Erzeugung von

Überdruck im V2 über ein steuerbares Absperrventil.

4.3.2 Betrieb des Fermenters: Pilotanlage

Der Fermenter R2 wurde im Zulaufverfahren steril betrieben. Vor Beginn der

Fermentation wurde eine gewisse Menge Wasser (700-1000l) vorgelegt. Das

Zulaufschema wurde zunächst rechnerisch aus der Menge an Inokulum, der

Glucosekonzentration des Substrats, der bekannten stündlichen Zuwachsrate an

Backhefe, der maximalen Fermenterfüllung und der Fermentationszeit ermittelt. Das

4 MATERIAL UND METHODEN 35

rechnerische Zulaufschema wurde anhand der aktuellen Prozeßmeßwerte

angepasst. Die aus den Technikumsversuchen bekannten Zugabemengen an

Nährsalzen wurden entsprechend der zu erwartenden Backhefemenge berechnet.

Die Zugabemengen wurden gemäß den Versuchsergebnissen optimiert. Die

Nährsalze wurden in Wasser aufgelöst und im Fermenter und im Substratlagertank

vorgelegt.

Die Fermentationen erfolgten bei 30°C, einem pH-Wert von 5-6 und einer

Rührerdrehzahl von etwa 100-250. Die Sauerstoffsättigung wurde durch die

Luftzufuhr und Rührerdrehzahl auf mindestens 25% eingestellt. Der Ethanolgehalt

des fermentierenden Substrats wurde durch Anpassung des Zulaufs des

Fermentationssubstrats auf maximal 0,5Vol% eingestellt.

Nach Abschluß der Fermentation wurde der Fermenterinhalt auf etwa 12°C gekühlt

und zentrifugiert (vgl. 4.2.1). Der Zulaufvolumenstrom zur Zentrifuge betrug 900l/h.

Der dabei anfallende Hefeschlamm bildete die Flüssighefe. Sie wurde nicht weiter

aufgereinigt, wie das bei der Herstellung handelsüblicher Backhefe der Fall ist.

4.4 Backversuche

Mit den bei der Rückbrotaufarbeitung anfallenden Produkten Flüssigbackhefe sowie

der daraus hergestellten Resthefe, dem Flüssigsauer und der Proteinfraktion wurden

Backversuche sowohl in der Institutsbäckerei als auch der Brotfabrik durchgeführt.

Die Flüssigbackhefe, der Flüssigsauer und die Proteinfraktion für die Backversuche

in der Institutsbäckerei und der Brotfabrik stammten sowohl aus der

Technikumsanlage als auch der Pilotanlage. Die Backversuche wurden bezüglich der

zu vergleichenden Kriterien in Anlehnung an das DLG-Prüfschema (22) ausgewertet.

Außerdem wurde für einzelne Versuche die Frischhaltung mit einem Penetrometer

und einem Konsistometer nach standardisierten Methoden bestimmt (vgl.4.5).

4.4.1 Backversuche in der Institutsbäckerei

In der Institutsbäckerei wurden Standard-Kastenbackversuche (23) mit

Flüssigbackhefe von der Technikums- und der Pilotanlage in einem Etagenbackofen

(Infra, Wachtel) durchgeführt. Dazu wurde Weizenmehl (Type 550) verwendet. In der

4 MATERIAL UND METHODEN 36

Institutsbäckerei wurden außerdem Standardbackversuche für freigeschobene

Roggenmischbrote (60% Roggenmehl der Type 1150 und 40% Weizenmehl der Type

550) mit dem Flüssigsauer und/oder der Proteinfraktion aus der Technikumsanlage

durchgeführt. Abweichend von den Standardbackversuchen wurde für die

Teigherstellung ein Spiralkneter (SP40D, Diosna) verwendet. Die Versuchsteige

hatten deshalb eine Größe zwischen 10-15 kg. Die Größe der Teige wurde gewählt,

um die Auswertung der Ergebnisse im Vergleich zu den Industriebackversuchen auf

eine sichere Grundlage zu stellen.

4.4.2 Backversuche in der Brotfabrik

In der Brotfabrik wurden mit der Rezeptur für das quantitativ wichtigste Brot

freigeschobenes Weizenmischbrot (70% Weizenmehl der Type 550, 30%

Roggenmehl der Type 997) unter Zugabe von Flüssigbackhefe, Flüssigsauer und

Proteinprodukt Backversuche im Vergleich zur Produktionsrezeptur für dieses

Produkt gemacht. Die Flüssigbackhefe und die Proteinprodukte stammten sowohl

aus den Versuchen mit der Technikums- als auch der Pilotanlage. Der Flüssigsauer

für diese Backversuche wurde nur mit der Technikumsanlage hergestellt.

Die Chargengröße der Teige betrug 240 kg. Die Zugabe der Flüssighefe, des

Flüssigsauers und der Proteinfraktion wurde von Hand vorgenommen. Die Zugabe

von Flüssighefe und des Flüssigsauers geschah im Austausch zur üblicherweise

verwendeten Backhefe bzw. des Teigsäuerungsmittels. Dazu erfolgte eine auf die

Triebkraft der Flüssigbackhefe, bzw. den Säuregrad des Teigsäuerungsmittels

bezogene Umstellung der Rezeptur, von der insbesondere die Schüttwassermenge

betroffen war. Gleiches galt für die Verwendung der Proteinfraktion.

Die Backversuche wurden auf den Produktionsanlagen der Brotfabrik durchgeführt,

die Leistungen von 1.500-2.500 Brotlaiben/h von 1 kg Gewicht haben. Die

Auswertung der Backversuche wurde nach betriebsüblichen Kriterien und in

entsprechender Weise vorgenommen. Die Beurteilung schloß neben der

Bestimmung der Volumenausbeute eine sensorische Bewertung der Brote ein.

4 MATERIAL UND METHODEN 37

4.5 Aufbereitung des Rohstoffs

Als Rohstoff für die Brotsirupbereitung dienten Brotpulver bzw. Rückbrot (vgl. 4.1.)

und Teige. Das Brotpulver stammte aus einer Futtermittelfabrik, welche das Rückbrot

der Brotfabrik zu einem Futtermittel verarbeitet. Dazu wird das aus dem Handel

zurückkommende Brot in seiner jeweiligen Verpackung grob vorzerkleinert. Dadurch

kann das Verpackungsmaterial anschließend durch Absaugen weitestgehend

vollständig vom Brot getrennt werden. Das abgetrennte Brot wird in einem

Trommeltrockner auf einen Restwassergehalt von <10% getrocknet. Die

getrockneten Partikel werden anschließend durch Prallzerkleinerung zu einem Pulver

mit einer Partikelgrößenverteilung von 100-1.000 µm zerkleinert.

Rückbrot und Teige wurden zur Aufbereitung von der Brotfabrik sowohl zum Institut

als auch zur Fa. Agrano geliefert. Dort wurde das Rückbrot, soweit erforderlich,

zunächst von Hand entpackt. Danach wurde das Brot entweder mit einem Kutter

(Krämer & Gräbe) oder mit einem Schneidewerkzeug (Comitrol 1700, Urschel) unter

Zugabe von Wasser zu einer Maische aufgearbeitet. Bei Verwendung des

Schneidewerkzeugs zur Herstellung der Maische wurde das Brot zuvor mit einem

Brotschredder (Rotomat 1000, Hommel) vorzerkleinert. Die Teige wurden direkt

eingemaischt.

4.6. Backhefen und Milchsäurebakterien

Die Versäuerung des Brotsirups wurde mit Lactobacillus delbrueckii vorgenommen.

Dazu wurde eine Reinkultur aus der Sammlung der BFGKF in Detmold und Münster

mit Kennzeichnung 0597 eingesetzt. Diese Reinkultur wurde für die jeweiligen

Versuche in der Laborreinzucht des Instituts herangezogen.

Für einige Fermentationsversuche in der Pilotanlage wurde eine hier nicht weiter zu

spezifierende Mischkultur verwendet, die aus einer Backhefe und

Milchsäurebakterien bestand. Diese Mischkultur wird üblicherweise von der Fa.

Agrano für ihre Backhefeherstellung eingesetzt.

Es wurden drei verschiedene Stämme Saccharomyces cerevisiae aus der

institutseigenen Stammsammlung für die Fermentationsversuche in den drei Anlagen

4 MATERIAL UND METHODEN 38

verwendet. Die Hefestämme tragen die Bezeichnungen H24, H201 und H202. Sie

zeichnen sich durch eine hohe Triebkraft und Vermehrungsfähigkeit aus. Einige

Fermentationsversuche wurden mit handelsüblicher Preßhefe (Lesaffre)

durchgeführt, die sich ebenfalls durch eine hohe Triebkraft und Vermehrungsfähigkeit

auszeichnet. Die Hefestämme H24, H201 und H202 wurden für die

Fermentationsversuche in den Anlagen über die Laborreinzuchten des Instituts und

der Fa. Agrano herangezogen.

4.7 Analysenmethoden

Der Rohstoff wurde mit bekannten standardisierten Methoden analytisch

charakterisiert. Die Auswertung der mit den Anlagen durchgeführten Versuche

erforderte z.T. den Einsatz analytischer Methoden, die überwiegend auf die

Charakterisierung der hergestellten Stoffströme und Produkte gerichtet war.

4.7.1 Bestimmung der Zellzahl

Die Zellzahl wurde durch Zählen der Hefezellen in einer Thomakammer mit einer

Tiefe von 0,1 mm bestimmt. Die Zählung wurde mindestens einmal mit einer neu

gefüllten Kammer wiederholt (24). Aus der Zellzahl wurde die Konzentration der Hefe

in g Hefe/l Flüssigkeit (Fermentationssubstrat, Ablaufvolumenströme, Flüssighefe)

nach Bronn (25) berechnet. Diese Vorgehensweise zur Bestimmung der

Hefekonzentration war erforderlich, weil das Fermentationssubstrat aus Brotsirup

anders als bei der Herstellung von Backhefe mit Melasse nur teilgeklärt wurde.

Deshalb konnte die Trockenmasse (HTS) der Hefe nicht direkt bestimmt werden.

4.7.2 Nachweis von Fremdhefen

Der Nachweis von Fremdhefen erfolgte durch gleichzeitiges Ausstreichen

verschiedener Verdünnungsstufen der Probe auf Lysin-Agar- und Pantothenat-Agar-

Platten. Saccharomyces-Fremdhefen wachsen nur auf Pantothenat-Agar, während

Nicht-Saccharomyces-Fremdhefen sowohl auf Pantothenat-Agar als auch auf Lysin-

Agar wachsen. Die Ansätze wurden 2-4 Tage bei 28°C bebrütet (26).

4 MATERIAL UND METHODEN 39

4.7.3 Nachweis von Bakterien

Der Nachweis von Bakterien im fermentierenden, bzw. fermentierten Substrat

erfolgte durch Ausstreichen und 48-stündige Bebrütung verschiedener

Verdünnungsstufen auf MRS-Agar-Platten mit einem Zusatz von Actidion zur

Unterdrückung des Hefewachstums.

4.7.4 Bestimmung des α-Amino-Stickstoffes

Für die Bestimmung des α-Amino-Stickstoffes wurde die Ninhydrinmethode

verwendet (27). Ninhydrin ergibt mit dem Ammoniak aus desaminierten Aminosäuren

eine blauviolette Färbung, die photometrisch bestimmt werden kann.

4.7.5 Bestimmung des Proteingehalts

Der Proteingehalt wurde nach der Kjeldahl-Methode gemäß AACC-Standard 46-13

bestimmt (28).

4.7.6 Bestimmung des Stärke- und des Glucosegehalts

Der Stärkegehalt wurde enzymatisch gemäß ICC Standard Nr. 128 bestimmt. Dabei

wurde in Abwandlung der ICC-Standard-Methode die gebildete Glucose nicht mit der

GOD-Methode, sondern mit Hexokinase und Glucose-6-Phosphat-Dehydrogenase

über NADPH als Meßgröße bestimmt (29, 30). Der Glucosegehalt des Brotsirups

wurde entsprechend bestimmt.

4.7.7 Bestimmung des Gehalts an unlöslichen und löslichen Ballaststoffen

Der Gehalt an unlöslichen und löslichen Ballaststoffen wurde nach der modifizierten

AOAC-Methode enzymatisch-gravimetrisch bestimmt (31).

4 MATERIAL UND METHODEN 40

4.7.8 Bestimmung des Mineralstoffgehalts

Der Mineralstoffgehalt wurde gemäß dem ICC-Standard Nr. 104 (32) bestimmt.

Dabei wird nach Veraschen des Probenmaterials bei 900°C im Muffelofen der

Glührückstand gravimetrisch bestimmt und als Aschegehalt angegeben.

4.7.9 Bestimmung des Rohfettgehalts

Der Rohfettgehalt wurde nach Weibull-Stoldt (33) bestimmt. Nach dem

Säureaufschluß der Proben wurde das mit Hexan extrahierbare Rohfett bei 105°C im

Trockenschrank getrocknet und anschließend gravimetrisch bestimmt.

4.7.10 Bestimmung des Wassergehalts

Der Wassergehalt wurde für alle Glucose enthaltenden Proben mit der Karl-Fischer-

Methode bestimmt. Dazu wurde die amperometrische Jodtitration auf einen

methanolischen Extrakt des Probenmaterials angewendet (34). Der Wassergehalt

aller anderen Proben wurde mit der Trockenschrankmethode (ICC-Standard

Nr. 110/1) (35) bestimmt.

4.7.11 Bestimmung des Gehalts an Ethanol, Milchsäure sowie Saccharose

Die Gehalte an Ethanol, Milchsäure sowie Saccharose wurden enzymatisch über

NADPH als Meßgröße erfaßt (36, 37, 38).

4.7.12 Bestimmung des Gehalts an Kochsalz

Der Gehalt an Kochsalz wurde mit der Methode nach Votocek und Mohr bestimmt

(39). Dabei wurden die Chloridionen mit Silbernitratlösung unter Verwendung von

Kaliumchromat als Indikator tritriert.

4.7.13 Bestimmung der Frischhaltung

Die Messung der Frischhaltung erfolgte mit einem Penetrometer (Sommer & Runge;

Belastung: 400 g, Einwirkzeit: 10 s, Meßkörper: Kalotte) (40). Die Messung der

4 MATERIAL UND METHODEN 41

Konsistenz erfolgte mit einem Konsistometer (Haake; Belastung: 6000 g, Meßpunkt:

8, Meßkörper: C, Meßstrecke: 20 mm, Kapillare: 5,0 mm) (41).

4.7.14 Bestimmung der Triebkraft der Backhefe

Die Triebkraft der Backhefe wurde mit einer eigens dafür entwickelten Methode

bestimmt. Dazu wird in einer Kneteinrichtung (Farinograf, Brabender) ein Teig aus

Weizenmehl, Wasser, Salz und Hefe bereitet. Ein gewogenes Aliquot dieses Teiges

wird in eine Meßvorrichtung gegeben, die aus einem skalischen Meßbecher

(Höhe x Durchmesser = 12cm x 5cm) besteht. Die durch die Gasbildungs-

geschwindigkeit hervorgerufene Volumenausdehnung des Teiges in der Zeiteinheit ist

das Maß für die Triebkraft.

Die Volumenausdehnung des Teiges wurde nach einer Zeit von 60 min an der Skala

abgelesen. Der sich mit den Flüssigbackhefeproben ergebende Meßwert wurde in

Relation zu dem Meßwert gesetzt, der sich unter den gleichen Versuchsbedingungen

für einen mit einer kommerziellen Backhefe ergab. Versuchsbedingungen für diesen

Vergleich war die Einstellung einer gleichen Hefezellzahl in den Teigen.

4.7.15 Bestimmung der Gehalte Biotin, Pantothensäure, Thiamin und m-Inosit

Die Bestimmung des Gehalts an Biotin, Pantothensäure, Thiamin und m-Inosit

erfolgte nach mikrobiologischen Verfahren, die in der Veröffentlichung (42)

beschrieben sind.

5 ERGEBNISSE UND DISKUSSION 42

5. Ergebnisse und Diskussion

Nachfolgend werden die im Verlaufe der Durchführung des Vorhabens erzielten

Ergebnisse im einzelnen dargestellt. Die Darstellung erfolgt jedoch nicht

ausschließlich nach dem chronologischen Ablauf der Versuche, sondern nach den

aufzuzeigenden verfahrenstechnischen Zusammenhängen, um Übersichtlichkeit in

die Entwicklung der einzelnen Verfahrensschritte und die aus ihnen für das

Gesamtverfahren gezogenen Schlußfolgerungen zu bringen. Außerdem werden im

Interesse der Übersichtlichkeit der Darstellung des erreichten Entwicklungsstandes

nur Ergebnisse präsentiert, aus denen diese Schlußfolgerungen gezogen werden

konnten. Daraus resultiert hinsichtlich der Beschreibung der Teilschritte der

Entwicklung eine Konzentrierung auf die Lösung des jeweiligen Aufgabenteils.

Versuche, die zwar zur Erreichung der Teillösung auch durchgeführt werden mußten,

deren Ergebnisse dafür aber nicht ausschlaggebend waren, werden nur insoweit

erwähnt, wie das für die Vollständigkeit der Darstellung notwendig ist. Entsprechend

dieser Vorgehensweise werden die Ergebnisse in vier Unterkapiteln abgehandelt und

diskutiert. Diese Unterkapitel beziehen sich auf die

- Herstellung des Fermentationssubstrats aus Rückbrot,

- Verwendung des Fermentationssubstrats zur aeroben und anaeroben

Fermentation,

- Verwendung der Produkte aus der Rückbrotaufarbeitung und

- Betrachtung zur Umsetzung und Wirtschaftlichkeit des Verfahrens.

5.1 Herstellung des Fermentationssubstrats aus Rückbrot

Da für die Herstellung des Fermentationssubstrats sowohl Brotpulver als auch

Rückbrot eingesetzt wurde, bzw. auch für eine mögliche Umsetzung des Verfahrens

in den technischen Maßstab in entsprechender Weise verwendet werden kann, war

es zunächst erforderlich, die durchschnittliche Zusammensetzung und die

enzymatische Abbaubarkeit beider Rohstoffe zu untersuchen.

Hinsichtlich der Verwendung des Brotpulvers als Rohstoff ist darauf zu verweisen,

daß diese für die Entwicklung des Verfahrens deshalb erfolgte, weil es in einer für

5 ERGEBNISSE UND DISKUSSION 43

den zeitlichen Ablauf der Versuche ausreichend großer Quantität in einheitlicher und

durchschnittlicher Zusammensetzung aus dem zitierten Prozeß der

Futtermittelherstellung (vgl. 1.1) zur Verfügung gestellt werden konnte. Dieser aus

der Futtermittelfabrik stammende Rohstoff wurde im Gegensatz zu dem aus dem

Handel genommenen Rückbrot aus hygienischen Gründen als kritisch angesehen.

Das Brotpulver wurde deshalb zum Ausschluß hygienischer Bedenklichkeit einer

mikrobiologischen Untersuchung unterzogen, weil mit der vorgesehenen

Verwendung der bei der verfahrensgemäßen Verarbeitung des Rohstoffs anfallenden

Produkte zu verkostende Brote gebacken wurden.

Bezüglich der Entwicklung des Verfahrens war außerdem zu prüfen, wie und in

welcher Form der Rohstoff in den Verfahrensablauf eingeschleust werden sollte.

Diesbezüglich ist es unabdingbar, daß er entpackt und zerkleinert wird, um ihn zum

enzymatischen Abbau einmaischen zu können. Hinsichtlich des enzymatischen

Abbaus muß gewährleistet werden, daß die Enzyme das Substrat durchdringen

können. Diesbezüglich ist eine Zerkleinerung des Rohstoffs zur

Oberflächenvergrößerung vorteilhaft. Dafür eignet sich die Trocknung des Rückbrots

besonders, weil das getrocknete, stückige Rückbrot durch Prallzerkleinerung in ein

feines Pulver vermahlen werden kann. Ein entsprechendes Pulver bietet den

weiteren Vorteil, längerfristig lagerfähig zu sein. Diesen Vorteil besitzt ungetrocknetes

Rückbrot nicht. Es ist aufgrund seines Wassergehalts (aW >80%) leicht verderblich,

vornehmlich durch Schimmelpilzwachstum.

Die Lagerfähigkeit von Brotpulver eröffnet die Möglichkeit, die Leistung einer

Rückbrotverarbeitungsanlage auf konstantem Niveau zu halten und Spitzen im

Rückbrotanfall abzufangen. Die Trocknung ist deshalb im Zusammenhang mit den

Investitionen für die Entpackungseinrichtungen und die gegebenenfalls erforderlichen

Trockner sowie die Kosten für deren Betrieb unter Verwendung der Abwärme der

Backöfen bei der Berechnung der Wirtschaftlichkeit des Verfahrens zu betrachten.

5 ERGEBNISSE UND DISKUSSION 44

5.1.1 Zusammensetzung des Rückbrots

Da das Rückbrot der als Untersuchungsbeispiel herangezogenen Brotfabrik bislang

von einer Futtermittelfabrik verwertet wird, die es zu Pulver nach dem beschriebenen

Verfahren (vgl. 1.1) aufarbeitet, wurden über einen Zeitraum von sechs Monaten

Proben gezogen, deren Inhaltsstoffzusammensetzung bestimmt wurde. Dadurch war

es möglich, einen Überblick über die Schwankungsbreite der durchschnittlichen

Zusammensetzung des Rückbrots zu erhalten. Diese Information ist für den täglichen

Betrieb einer Rückbrotverarbeitungsanlage wichtig, weil von ihr abgeleitet werden

kann, welcher Einfluß von der Zusammensetzung auf die Ausbeute an Produkten

ausgeht. Zwar ist für die Auslegung einer solchen Anlage die mittlere

Zusammensetzung des Rückbrots entscheidend, doch gibt diese weder einen

ausreichenden Hinweis auf die Ausbeuterelationen noch den Betrieb einzelner

Anlagenteile. Dafür muß die Schwankungsbreite der Inhaltsstoffzusammensetzung

bekannt sein.

In der Tabelle 3 ist das Ergebnis der Untersuchung der innerhalb von sechs Monaten

zu zufälligen Zeitpunkten gezogenen Proben aufgeführt. Da die Proben aus dem

Volumenstrom des Brotpulvers gezogen wurden, handelt es sich bei dem

angegebenen Mittelwert nicht um einen gewichteten Wert, der die Rückbrotmengen

nach Tag, Produktcharge und relativen Anteil derselben am täglichen Gesamtanfall

an Rückbrot berücksichtigte, sondern um den Mittelwert aus den gezogenen Proben.

5 ERGEBNISSE UND DISKUSSION 45

Tabelle 3: Zusammensetzung des aus dem Rückbrot der Brotfabrik hergestellten

Brotpulvers

Substanz Anzahl der

Proben

Meßwert (%TS) Mittelwert*

(%TS)

Kleinster Größter

Glucose 9 0,8 1,4 1,0

Protein 10 12,8 15,5 13,4

Fett 9 4,4 6,1 5,4

Ballaststoffe** 3 5,5 14,1 10,5

Saccharose 9 1,1 6,5 1,5

Kochsalz 5 2,4 2,7 2,6

Stärke 11 61,8 71,1 63,7

Summe - - - 98,0

nicht gewichteter Wert, **Gesamtballaststoffe (AOAC)

Der aus der Summe der Mittelwerte für die einzelnen Inhaltsstoffe gebildete Wert

repräsentierte mit 97,5% praktisch die gesamte Trockenmasse des Brotpulvers. Sie

wurde als Grundlage für alle Überlegungen zur Berechnung der Ausbeute an

Produkten herangezogen, von der die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens abhängt.

Entscheidend für die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens ist der Anteil der aus dem

Rückbrot zur Fermentation bereitstellbaren Kohlenhydrate, hauptsächlich von

Glucose aus dem enzymatischen Abbau der Stärke mit Amyloglucosidase.

Aus dem vollständigen Abbau der Stärke zu Glucose ergäbe sich, bezogen auf den

Mittelwert des Stärkegehalts von 63,7%, ein Massegewinn von 7,1 Teilen, so daß

66,1% der aus dem Rückbrot entstandenen Trockenmasse fermentierbare Glucose

wären. Dazu addierten sich unter Berücksichtigung des Massegewinns bei der

Hydrolyse der Saccharose bei der Fermentation etwa 1,5% Glucose und Fructose,

so daß von der eingesetzten Masse etwas mehr als zwei Drittel für die Fermentation

zur Verfügung stünden. Die Ausnutzung dieses theoretischen Potentials wird jedoch

durch die unter den Verfahrensbedingungen erzielbare Hydrolyse der Stärke zu

fermentierbaren Kohlenhydraten begrenzt.

5 ERGEBNISSE UND DISKUSSION 46

Der mit 5,4% gegenüber Broten üblicher Zusammensetzung relativ hohe Fettgehalt

ergab sich aus dem Kuchenanteil im Rückbrot. Die gleiche Ursache hatte der

entsprechend hohe Saccharosegehalt, der außerdem, bezogen auf seinen

Masseanteil an der Gesamtmasse des Rückbrots, die größte Schwankungsbreite

unter den Inhaltsstoffen aufwies.

Die Inhaltsstoffzusammensetzung läßt erkennen, daß bei rein amylolytischer

Hydrolyse des Rückbrots knapp ein Drittel seiner Trockenmasse als nicht

verflüssigbarer Feststoff anfallen muß. Die relative Zusammensetzung dieses

Trockenmasseanteils an Protein, Fett und Ballaststoffen kann über die

Verfahrensbedingungen der Abscheidung der Feststoffe in gewissen Grenzen

beeinflußt werden.

5.1.2 Hygienischer Zustand des Brotpulvers

Zur Beurteilung des hygienischen Zustands des Brotpulvers wurde dessen

Kontamination an anaeroben mesophilen Bakterien sowie Hefen und Schimmelpilzen

festgestellt. Die durchschnittliche Koloniezahl an aeroben mesophilen Bakterien

betrug auf Plate-Count-Agar 2,2 x 105 und auf Nähragar 2,9 x 105 koloniebildende

Einheiten (KBE) pro Gramm Brotpulver. Die mikroskopische Untersuchung der

Kolonien zeigte, daß es sich z.T. um bewegliche Stäbchenbakterien handelte. Es

waren Sporenbilder. Das wurde durch Abtötung vegetativer Keime vor der

Kultivierung der Bakterien auf Plate-Count-Agar festgestellt.

Der Nachweis von Hefen und Schimmelpilzen erfolgte auf Hefeextrakt-Glucose-

Chloramphenicol-Agar und auf Sabouraud-Agar. Die durchschnittliche Koloniezahl

auf Sabouraud-Agar betrug 2,9x105KBE/g Probe, während auf Hefeextrakt-Glucose-

Chloramphenicol-Agar wurden 3x104KBE/g gezählt wurden. Da durch den Zusatz

des Antibiotikums Chloramphenicol Bakterienwachstum auf dem Hefeextrakt-

Glucose-Chloramphenicol-Agar unterdrückt wurde, wurden auf Sabouraud-Agar

Kolonien beweglicher Langstäbchen nachgewiesen. Diese wurden als Ursache für

die höhere Koloniezahl auf diesem Nährmedium angesehen. Hefen wurden auf

beiden Nährböden nur vereinzelt beobachtet.

5 ERGEBNISSE UND DISKUSSION 47

Die Nährböden waren z.T. von einem unseptischen spinnwebenartigen weißgrauen

Pilzmycel überwachsen, an dem kugelrunde weiße bis schwarze Sporangien sichtbar

waren. Daneben traten Schimmelpilze mit einem gelblich-grauen, relativ derben

Mycel auf, aus dem ebenfalls lange Sporangienträger herauswuchsen. Nach dem

mikroskopischen Befund waren die Schimmelpilze den Mucoraceae zuzuordnen.

Die mikrobiologischen Untersuchungsergebnisse ließen die Schlußfolgerung zu, daß

das Brotpulver hygienisch unbedenklich war. Aus seiner Verwendung als Rohstoff für

seine vorgesehene Rückbrotverarbeitung konnte sich weder für die Durchführung

des Prozesses noch den Verzehr der mit den Produkten aus dem Prozeß

hergestellten Brote ein Gefährdungsrisiko ergeben. Abgesehen davon, daß die

Keime ubiquitär vorkommen, konnte von ihnen auch deshalb kein Gefährdungsrisiko

ausgehen, weil die Verfahrensbedingungen eine Vermehrung der Mikroorganismen

nicht zuließen. Unter den genannten Verfahrensbedingungen wäre insbesondere das

Wachstum pathogener Mikroorganismen unterbunden worden.

5.1.3 Amylolytischer Abbau, Versäuerung und Masseverteilung

Die Verfahrenstechnik zum amolytischen Abbau wurde von einer früheren

Verfahrensentwicklung (13) übernommen. Anders als bei diesem Verfahren, das

lediglich auf das Erreichen eines konstanten Hydrolysegrads angelegt ist, war es für

die Auslegung dieses Verfahrensschritts bei der Rückbrotherstellung zusätzlich

erforderlich, einen möglichst hohen, wenn auch nicht maximalen, Hydrolysegrad zu

erzielen. Der Hydrolysegrad ist im Zusammenhang mit der Ausbeute an Fraktionen

aus dem Brotsirup und deren Verwendung mitentscheidend für die Wirtschaftlichkeit

des Verfahrens. Diese Zusammenhänge werden an anderer Stelle abgehandelt

(vgl. 5.5ff).

Erschwerend für die Auslegung des Verfahrensschritts im Vergleich zum bekannten

Stand der Technik, der auch die Glucoseherstellung aus Stärke (43) einbezieht,

wirkte es sich aus, daß als Rohstoff nur Rückbrot eingesetzt werden konnte und alle

Produkte aus dem Rückbrot für die Brotherstellung verwendet werden sollten. Da im

Brot bereits ein großer Anteil der Stärke im verkleisterten Zustand vorliegt, konnte

5 ERGEBNISSE UND DISKUSSION 48

deshalb kein Heißmaischverfahren eingesetzt werden, wie das beispielsweise bei der

Stärkeverflüssigung möglich ist, weil beim Einmaischen mit hoher

Feststoffkonzentration durch die Zugabe von Heißwasser oder durch Dampf-

einleitung in die Suspension schlagartig eine so hohe Viskosität entstehen würde,

daß die Maische weder rühr- noch pumpbar wäre. Es konnte für das Brechen der

Viskosität auch keine thermostabile α-Amylase eingesetzt werden, weil diese im

Verfahrensablauf nicht mit Sicherheit vollständig inaktiviert werden kann.

Zwar wäre es möglich, die beim Einmaischen entstehende Viskosität der Maische

durch Wahl einer niedrigen Feststoffkonzentration so einzustellen, daß die genannten

Probleme mit der Rühr- und Pumpbarkeit der Maische nicht aufträten, doch ergäbe

sich daraus der Nachteil eines mit fallendem Feststoffgehalt steigenden

Energieaufwands für das Erwärmen der Maische. Das hätte gleichzeitig zur Folge,

daß die Behältergröße für den Maischeansatz entsprechend dem steigenden

Volumen größer gewählt werden müßte. Das Gleiche träfe für einen kontinuierlichen

Viskositätsabbau mit einer Rohrschlange zu. Der Einsatz eines kontinuierlichen

Verfahrens kam jedoch wegen der hohen Anfangsviskosität bei hoher

Einmaischkonzentration und dem sich daraus ergebenden Problem für den Betrieb

eines entsprechenden Systems nicht in Frage. Deshalb wurde für die verschiedenen

Versuchsanordnungen bei der Entwicklung des Verfahrens auf Behälter mit

Rührwerken zurückgegriffen, um die Anfangsviskosität über ein Kaltmaischverfahren

abzubauen. Der Verfahrensschritt des Viskositätsabbaus wird bei der Verzuckerung

von Stärke zur Herstellung von Glucose als Verflüssigung der Stärke bezeichnet.

Dieser Fachbegriff wird ebenso wie der Fachbegriff Verzuckerung deshalb auch hier

für Brot verwendet.

5.1.3.1 Verflüssigung

Das Einmaischen zur Verflüssigung des Brotpulvers oder von Rückbrot wurde in der

Weise vorgenommen, daß die Behälter (Labor- und Technikumssirupkocher)

allmählich mit der außerhalb der Behälter kontinuierlich zusammen mit dem Enzym

angesetzten Maische befüllt wurden. Während des Befüllens wurde die Maische

gleichzeitig gerührt und erwärmt. Der Vorgang des Befüllens, Rührens und

Erwärmens der Maische wurde so geführt, daß sich die für die Rührerleistung

5 ERGEBNISSE UND DISKUSSION 49

zulässige höchste Viskosität am Ende des Befüllens einstellte. Diese Möglichkeit der

Prozeßführung ergab sich dadurch, daß der bei der Temperatur von 20-50°C von der

schnell verquellenden Stärke ausgehende Viskositätsanstieg durch die mit steigender

Temperatur ansteigende Wirkung der α-Amylase aufgefangen wurde. Die für die

vollständige Verkleisterung der Stärke erforderliche weitere Temperatur-erhöhung der

Maische führte oberhalb 50°C dann zu einem schnellen Abfall der Viskosität.

Das Endergebnis der Versuche zur Führung der Verflüssigung und Verzuckerung der

Maische ist bezogen auf den Viskositätsverlauf in der Tabelle 4 dargestellt. Die

Zahlen lassen die Problematik der hohen Anfangsviskosität für die Führung des

Prozesses deutlich erkennen. Die Einmaischkonzentration in dem Technikumssirup-

kocher betrug in diesem Beispiel 40%. Die Durchführung der Versuchsreihen zur

Führung des Kaltmaischverfahrens, die hier nur als Endergebnis dargestellt sind,

dienten vor allem dazu, die Kenngröße für die Auslegung des Rührers und seines

Antriebs zu ermitteln.

Tabelle 4: Viskosität der Maische und des Brotsirups

Produkt dynamische Viskosität η

(Pa s)

Temperatur

(°C)

Maische1 164 50

Maische2 33 90

Maische3 10 60

Brotsirup4 5 60

1) Anfang Verflüssigung; 2) Ende Verflüssigung

3) Anfang Verzuckerung; 4) Ende Verzuckerung

5.1.3.2 Verzuckerung

5 ERGEBNISSE UND DISKUSSION 50

Der Viskositätsabbau bei der Erwärmung der Maische geht weitgehend von der

Wirkung der α-Amylase auf den molekularen Abbau der Stärke in der Brotkrume

zurück. Dieser Abbau ist in Verbindung mit der nachfolgenden Verzuckerung der

Abbauprodukte aus der Amylose und dem Amylopektin zu sehen. Diesbezüglich ist

es aus der Verzuckerung von mit α-Amylase hergestellten Sirupen aus reiner Stärke

bekannt, daß die Hydrolysegeschwindigkeit von der Molekülgröße der Abbau-

produkte der α-Amyloyse abhängt. Je kleiner die Moleküle sind, desto langsamer

schreitet die Hydrolyse voran. Deshalb war zu prüfen, wie weit die α-Amylolyse

fortschreiten muß, um sowohl eine schnelle wie auch weitgehend vollständige

Hydrolyse der Abbauprodukte zu von Hefe resorbierbaren Zuckern zu erzielen. Die

Kenntnis darüber ist für die Auslegung der Behälter zur Verflüssigung und

Verzuckerung und die Prozeßführung der Gewinnung des Fermentationssubstrats

notwendig.

Die Prüfung erfolgte im Labormaßstab mit dem Laborsirupkocher über die Variation

der Wirkung der α-Amylase bei konstanter Vorgabe der Reaktionszeit der

Glucoamylase für 3 h und 23 h. Die α-Amylase- und Amyloglucosidase-

Konzentration war für diese Versuche konstant festgelegt. Sie betrug bezogen auf

den Stärkegehalt der Trockenmasse des Brotpulvers für α-Amylase 0,5% (Optiamyl

840, Genencor) und für Amyloglucosidase 0,5% (Optidex, Genencor). Der optimale

pH-Wert für diese Enzympräparate liegt zwischen 5,5 und 6,5 und das

Temperaturoptimum beträgt für das α-Amylase-Präparat 70°C und für das

Amyloglucosidase-Präparat 60°C. Der Ansatz wurde auf diese Temperaturoptima

eingestellt. Der pH-Wert wurde auf dem pH-Wert der Maische von 4,8 belassen. Als

Maß für die Hydrolyse der Stärke im Brot zu von Hefe resorbierbaren Zuckern diente

der Grad der Hydrolyse der Stärke zu Glucose, weil diese von Hefe vollständig

resorbierbar ist. Dabei wurde vernachlässigt, daß bei der enzymatischen Hydrolyse

der Stärke mit Amyloglucosidase in kleinem Umfang auch Maltose und Isomaltose

entstehen, die ebenfalls von Hefe resorbiert werden. Diese Vernachlässigung war

tolerierbar, weil sie die aus dem Ergebnis zu ziehende Schlußfolgerung nicht

beeinflußt.

Aus der Tabelle 5 ist zu erkennen, daß der Hydrolysegrad sowohl von der

Reaktionszeit der α-Amylase als auch insbesondere von der Reaktionszeit der

5 ERGEBNISSE UND DISKUSSION 51

Glucoamylase abhing. Da die Anwendungskonzentration der Enzyme

Herstellerangaben entsprach, ergab sich außerdem, daß selbst nach der sehr langen

Reaktionszeit der Amyloglucosidase von 23 h nur ein Hydrolysegrad von ca. 90%

erreicht wurde.

Der Einfluß der Reaktionszeit der α-Amylase ist daran zu erkennen, daß sowohl für

die Reaktionszeit der Amyloglucosidase von 3 h als auch die von 23 h ein Optimum

des Hydrolysegrads für eine Reaktionszeit der α-Amylase von 2 h erreicht wurde.

Das Optimum im Hydrolysegrad und das langsame Fortschreiten des

Hydrolysegrads bis zu seinem Maximalwert ließen vermuten, daß der Molekülabbau

durch die α-Amylase unter den Versuchsbedingungen zu weit fortgeschritten war.

Eine so lange Reaktionszeit der α-Amylase ist aber weder für den Viskositätsabbau

erforderlich, was durch die in der Tabelle 5 dargestellten Ergebnisse belegt ist, noch

für die Prozeßführung wünschenswert. Deshalb wurde in einer weiteren

Versuchsreihe die Verflüssigung der Maische bei sonst konstanten Bedingungen bei

einer α-Amylase-Konzentration von 0,1% über eine Reaktionszeit von nur 1 h und

die Verzuckerung anschließend bei drei verschiedenen Amyloglucosidase-

Konzentrationen (0,11; 0,22 und 0,44%) durchgeführt.

5 ERGEBNISSE UND DISKUSSION 52

Tabelle 5: Hydrolysegrad des Brotsirups in Abhängigkeit von den

Reaktionsbedingungen der enzymatischen Hydrolyse mit α-Amylase und

Amyloglucosidase

Reaktionszeit (h) Hydrolysegrad

A: α-Amylase B: Glucoamylase A + B (%)

1 3 4 63,1

2 3 5 76,6

3 3 6 73,9

1 23 24 87,8

2 23 25 89,1

3 23 26 87,2

Aus der Abbildung 3 geht hervor, daß trotz einer Einschränkung des molekularen

Abbaus durch Absenkung der α-Amylase-Konzentration in der Verflüssigungsstufe

auf 0,1% die Hydrolysegeschwindigkeit für eine Amyloglucosidase-Konzentration von

ca. 0,5% der des Vergleichsversuchs mit einer α-Amylase-Konzentration von 0,5%

entsprach. Der Hydrolysegrad lag aber mit ca. 93% deutlich über dem des

Vergleichsversuchs und war bereits nach 12 h erreicht. Die Kurven für den

Hydrolysegrad für die Amyloglucosidase-Konzentrationen von 0,11% und 0,22%

belegen zusätzlich, daß es offenbar ein optimales Verhältnis für den molekularen

Abbau durch α-Amylase und Amyloglucosidase gibt, das von dem Verhältnis der

Anwendungskonzentration der Enzyme abhängt. Dieses Verhältnis resultiert jeweils

in einem von der Reaktionszeit der Amyloglucosidase abhängigen Optimum für den

Hydrolysegrad.

Das Optimum für das Verhältnis der Anwendungskonzentration der hier eingesetzten

Enzympräparate lag bei 0,1% α-Amylase zu 0,5% Amyloglucosidase. Für dieses

Verhältnis wurde gegenüber den beiden anderen Verhältnissen der höchste

Hydrolysegrad (93%) erhalten, der zusätzlich in der kürzesten Zeit (<12 h) erreicht

wurde.

5 ERGEBNISSE UND DISKUSSION 53

Abbildung 3: Verlauf des Hydrolysegrades in Abhängigkeit von den

Reaktionsbedingungen (Glucoamylasekonzentration a:0,44%, b:0,22%, c:0,11%).

Dieses mit dem Laborsirupkocher erzielte Ergebnis konnte auf den

Technikumssirupkocher bis zu der prozeßtechnisch maximalen möglichen

Brotpulverkonzentration von 40% Trockenmasse in der Maische übertragen werden.

Es stellte sich unter dieser Bedingung ein Hydrolysegrad ca. 90% über den

gesamten Zyklus der Sirupbereitung von 12 h ein. Da die Verzuckerung im

Verfahrensablauf die längste Zeit in Anspruch nimmt, wird von ihr die Auslegung der

Sirupanlage entscheidend bestimmt.

100

a 3 6 9 12 15 18

100

Hydrolysezeit in h

100

Hydrolysegrad (%)

5 ERGEBNISSE UND DISKUSSION 54

5.1.3.3 Versäuerung

Der Brotsirup wurde in Anlehnung an das beschriebene russische Verfahren zur

Herstellung eines flüssigen Backferments mit Lactobacillus delbrueckii versäuert. Die

Versäuerung ist eine einfache Maßnahme, um den Brotsirup mikrobiologisch zu

stabilisieren. Die Durchführung der Versäuerung wurde als erforderlich angesehen,

weil aufgrund unvermeidlicher Mehlstaubbelastungen in der Brotfabrik

verschiedenartigste mikrobiologische Kontaminationen möglich sind, die bis zum

Verderben des Brotsirups führen können. Das ergibt sich aus der Zusammensetzung

des Brotsirups, der für viele Mikroorganismen ein ideales Nährsubstrat ist. Der

Glucosegehalt des Brotsirups ist nicht groß genug, um aus dem daraus

resultierenden osmotischen Druck Mikroorganismenwachstum unterdrücken zu

können. Besonders anfällig ist der Brotsirup für das Wachstum wilder Hefen, die in

den Arbeitsräumen von Brotfabriken vorkommen. Deren Wachstum kann jedoch nicht

allein durch die mit der Versäuerung einhergehende pH-Wertabsenkung verhindert

werden, weil sie selbst noch bei pH-Werten <4,0 wachsen können, sondern es

müssen dafür durch Anhebung der Temperatur zusätzlich selektive Bedingungen

geschaffen werden. Aus diesem Grunde erfolgte die Versäuerung bei 50°C. Bei

dieser Temperatur können Hefen nicht mehr wachsen. L. delbrueckii ist durch die

Größe des Inokulums der einzige Mikroorganismus, der sich unter diesen selektiven

Bedingungen unter Bildung von Milchsäure im Brotsirup bei ca. 20-25%

Glucosekonzentration vermehrt.

Die Versäuerung erfolgte in der Weise, daß L.delbrückii über eine Reinzucht

herangeführt wurde, mit der ein Aliquot des Brotsirups beimpft wurde. Nach der

Versäuerung dieses Aliquots, das als Anstellsauer bezeichnet wird, wurde die

jeweilige Charge des Brotsirups versäuert. Dabei betrug das Verhältnis von

Anstellgut zu Brotsirup 1:10 in der Technikumsanlage und die Versäuerungszeit war

auf 24 h festgelegt. Diese Fermentationszeit wurde gewählt, um die Versäuerung auf

den auf 24 h bezogenen Rhythmus der Brotsirupherstellung abzustimmen.

Die Versäuerung des Brotsirups erwies sich sowohl aus mikrobiologischer wie auch

aus verfahrenstechnischer Sicht als relativ unproblematisch, weil sie mit großer

Sicherheit immer gleichartig ablief (Tab.6). Allerdings muß ihr in dem

Gesamtverfahrensablauf dennoch große Aufmerksamkeit geschenkt werden, weil die

5 ERGEBNISSE UND DISKUSSION 55

gebildete Milchsäure über den im Verfahren entstehenden Flüssigsauer zur

Säuerung des neu zu backenden Brotes eingesetzt werden soll. Dafür ist es aus

backtechnischen Gründen erforderlich, daß die Schwankungsbreite in der

Milchsäurekonzentration im Flüssigsauer nicht allzu groß ist. Schwankungen in der

Milchsäurekonzentration können sich durch Unterschiede in der im Brotpulver für die

Säurebildung vorhandenen Pufferkapazität ergeben, die weitgehend von der Art der

Zusammensetzung des Brotpulvers (Vollkornbrot oder Weißbrot) abhängt. Außerdem

kann sich darauf die Vitalität der Impfkultur auswirken, die von den Einflußgrößen der

Versäuerung abhängt. Darauf soll hier nicht näher eingegangen werden, weil das

zum allgemeinen Kenntnisstand zur Führung von Sauerteigen gehört.

Tabelle 6: Fermentation des Sirups mit Lactobacillus delbrueckii

Parameter Wert

pH-Wert 5,0 ! 3,8

Temperatur 48-52°C

Fermentation Chargenweise,

20-24 h

Anstellmenge 10% der vorherigen

Charge

Glucose 180-240 g/kg Sirup

Milchsäure 10 g/kg Sirup

In der Tabelle 7 sind die Ergebnisse der Versäuerung von acht Brotsirupen

aufgeführt, die aus verschiedenen Brotpulvern hergestellt worden waren. Daraus

ergibt sich, daß die Schwankungsbreite der Säurekonzentration in den Brotsirupen,

die durch den Säuregrad gekennzeichnet ist, beträchtlich war. Der Mittelwert des

Säuregrads von 11,2 führte zu einem pH-Wert des versäuerten Brotsirups von 4,0.

Diese Mittelwerte des Säuregrads und pH-Werts stellen das für den Verfahrensablauf

erstrebenswerte Ergebnis dar. Ein Säuregrad des Brotsirups im Bereich von 12

5 ERGEBNISSE UND DISKUSSION 56

entspricht einer Umwandlung von etwa 5% der im Brotsirup vorhandenen Glucose zu

Milchsäure. Im Brotsirup beträgt die Milchsäurekonzentration dann etwa 1%.

Tabelle 7: Einstellung des pH-Werts und Säuregrads des Flüssigsauers

Kriterium Anzahl der

Versuche

Mittelwert kleinster Wert größter Wert

pH-Wert 8 4,0 3,7 4,7

Säuregrad 8 11,2 5,0 15,5

5.1.3.4 Aufarbeitung

Der Brotsirup mußte zur Gewinnung des Fermentationssubstrats, welches das

Hauptprodukt für den weiteren Verfahrensablauf darstellt, aufgearbeitet werden. Das

geschah durch siebtechnische und zentrifugale Abscheidung seines Feststoffanteils.

Es entstanden dabei durch Absieben und Abpressen der Preßkuchen und durch

Zentrifugalabscheidung als Oberlauf das Fermentationssubstrat und als Unterlauf ein

Proteinschlamm. Letzterer wurde durch Auswaschen mit Wasser und nachfolgende

erneute Zentrifugalabscheidung zur Proteinfraktion aufgereinigt. Der Oberlauf aus

der zweiten Zentrifugalabscheidung, der nachfolgend als Extrakt bezeichnet wird,

wurde zum Teil für das Einmaischen von Brotpulver und zum Teil zum Verdünnen des

Brotsirups vor dem Sieben eingesetzt. Die Verdünnung des Brotsirups mit Wasser

oder dem Oberlauf aus der Auswaschung des Proteinschlamms führte dazu, daß die

Glucosekonzentration im Fermentationssubstrat auf 15-18 g Glucose/l

Fermentationssubstrat absank (Abb. 4).

5 ERGEBNISSE UND DISKUSSION 57

Abbildung 4: Führung der Prozeßströme bei der Bereitung und Aufarbeitung von

Brotsirup aus Rückbrot (Brotpulver).

Die in diesem Verfahrensschritt durchgeführte Verdünnung des Brotsirups ist

erforderlich, weil der Brotsirup mit der vorliegenden Feststoffkonzentration und der

Dichte seines flüssigen Anteils weder sieb- noch zentrifugierfähig ist. Die breiartige

Viskosität des Brotsirups sowie die annähernd gleiche Dichte der Flüssigkeit und des

Feststoffs erlauben es nicht, den Feststoff von der Flüssigkeit zu trennen. Für die

Sirupbereitung ist aus Gründen des Energieaufwands und eines möglichst kleinen

Behältervolumens jedoch eine möglichst hohe Feststoffkonzentration erstrebenswert.

Ein Feststoffgehalt von 40% in der Maische hat sich aus verfahrenstechnischer Sicht,

die vor allem auf die Auslegung der Rührwerkzeuge gerichtet war, als optimal

erwiesen. Diese Konzentration erwies sich auch für die Sirupaufbereitung mit

Auswaschung des Proteinschlamms für die Durchführung der anaeroben

Fermentation als optimal, weil dafür die Menge an Verdünnungswasser so gewählt

Einmaischen

Sieben/Pressen

Zentrifugieren

Sirupkochen

Zentrifugieren

Extrakt

Proteinfraktion

Preßkuchen

Fermentations-

substrat

Rückbrot

Wasser

5 ERGEBNISSE UND DISKUSSION 58

werden konnte, daß die Konzentration des Fermentationssubstrats an Glucose in

einen für die Ethanolgewinnung optimalen Bereich gelangte. Diese Konzentration

pendelte sich in der Vielzahl der durchgeführten Versuche zwischen 15-18 g

Glucose/kg Fermentationssubstrat ein.

Aus den Versuchsergebnissen kann geschlossen werden, daß die Auswaschung des

Proteinschlamms, in die auch eine Auswaschung des Preßkuchens eingeschlossen

werden kann, so gestaltet werden kann, daß die Glucose und die anderen in kleinen

Konzentrationen vorhandenen und von der Hefe resorbierbaren Kohlenhydrate zu

>98% der aeroben und anaeroben Fermentation zugeführt werden können. Das wird

durch das im folgenden beschriebene exemplarische Beispiel belegt, das für die

Ermittlung der Masseverteilung durchgeführt wurde und das für alle anderen im

Verlauf des Vorhabens für die Gewinnung des Fermentationssubstrats

durchgeführten Versuche repräsentativ war, obgleich in diesem Versuch lediglich ein

Hydrolysegrad von 82% erreicht wurde.

Der Versuch ist in den Tabellen 8 und 98 dargestellt. Die Darstellung ist auf den

Einsatz von 100 kg Rückbrot bezogen, um damit Anschaulichkeit in die in dem

Verfahren zu bearbeitenden und zu fördernden Massen und Massenströme zu

bringen. Für das Rückbrot wurde für die Berechnung ein Wassergehalt von 40%

zugrundegelegt. Das eingesetzte Brotpulver besaß einen Stärkegehalt von 63,8%.

In dem Versuch entstanden aus 67 kg Brotpulver (= 100 kg Rückbrot), 150 kg

Brotsirup. Aus diesem entstanden bei der Aufarbeitung die in der Tabelle 7

angegebenen Fraktionen, die unterschiedlich große Anteile der eingesetzten

Trockenmasse repräsentierten und unterschiedliche Frischmassen besaßen. Den

größten Anteil an der Trockenmasse machte das Fermentationssubstrat I mit 165 kg

aus. In der Angabe für die Trockensubstanz des Fermentationssubstrats I und des

Fermentationssubstrats II ist auch der Massegewinn durch die Hydrolyse der Stärke

zu Glucose enthalten, der sich in der Differenz zwischen der eingesetzten

Trockenmasse von 60 kg und der analytisch im Brotsirup ermittelten von 63,7 kg

widerspiegelt.

5 ERGEBNISSE UND DISKUSSION 59

Tabelle 8: Frischmasseanfall an Fraktionen bei der Aufarbeitung des Brotsirups

und ihr Gehalt an Trockenmasse, Glucose und Protein

Fraktion Frischmasse

(kg)

Trockensubstanz*

(kg)

Glucose

(kg)

Protein

(kg)

Ferm.-Substrat 165 37,6 26,1 1,4

Proteinfraktion 23 6,3 0,3 2,7

Preßkuchen 10 5,0 1,1 1,7

Extrakt 185

14,9 7,2 2,1

Summe 382

63,7 34,7 7,8

* Bezogen auf 100 kg Rückbrot mit einem Stärkegehalt von 63,8% unter

Berücksichtigung des Hydrolysegewinns bei der Stärkehydrolyse: Hydro-

lysegrad 77%.

Tabelle 9: Prozentuale Verteilung der Trockensubstanz, der Glucose und des Pro-

teins auf die bei der Aufarbeitung des Brotsirups angefallenen Fraktionen

Fraktion Trockensubstanz (%) Glucose (%) Protein (%)

Fermentationssubstrat 59,0 75,2 17,4

Proteinfraktion 9,8 0,9 36,4

Preßkuchen 7,8 3,1 21,4

Extrakt 23,4 20,8 26,6

Aus dem Stärkegehalt des Brotpulvers von 63,8% hätten bei vollständiger Hydrolyse

42,4 kg Glucose entstehen müssen. Da der Hydrolysegrad in diesem Fall jedoch mit

nur 82% relativ klein ausgefallen war, waren nur 34,7 kg entstanden. Diese

quantitative Betrachtung der gebildeten Glucosemenge ist jedoch für die Beurteilung

ihrer Verteilung auf die Fraktionen ohne Belang, weil die Verteilungsrelationen bei

höherem Hydrolysegrad gleich geblieben wären. Dies träfe auch deshalb zu, weil

davon auszugehen ist, daß die hydrolysierte Stärke praktisch vollständig in Lösung

vorlag.

5 ERGEBNISSE UND DISKUSSION 60

In dem dargestellten Experiment ist die Glucose nicht aus dem Preßkuchen

ausgewaschen worden. Ein entsprechender Auswaschschritt könnte jedoch mit der

Auswaschung der Proteinfraktion verbunden werden. Unter dieser Voraussetzung

würden nur 2% der Glucose, respektive aller anderen von Hefe resorbierbaren

Kohlenhydraten über diese Fraktion aus dem Verfahren ausgeschleust werden und

stünden der Fermentation somit nicht zur Verfügung. Anders wäre das für die im

Fermentationssubstrat II Extrakt befindliche Glucose, da diese bei längerfristigem

Produktionsrhythmus, z.B. von mehr als zwei Wochen, ständig im Verfahren

weitergeführt würde und damit in die Fermentationen gelangte. Dort würde sie zu den

vorgesehenen Produkten umgesetzt.

Aus diesen Überlegungen kann auf der Grundlage der in der Tabelle 8 enthaltenen

Zahlen abgeleitet werden, daß mehr als 95% der gebildeten fermentierbaren Zucker

in den Fermentationen umgesetzt werden können.

Die Angabe in der Tabelle 9 über die aus dem eingesetzten Rückbrot entstehende

Proteinfraktion und den Preßkuchen geben einen ersten Hinweis auf die Ausbeute an

Produkten, die bei dem Verfahren entstehen.

Hinsichtlich der aufgezeigten Proteinverteilung ist es von Interesse festzustellen, daß

das im Fermentationssubstrat und im Extrakt vorhandene Protein zum großen Teil in

den Flüssigsauer aber auch in die Flüssighefe gelangt. Bei dem Protein im Extrakt

handelt es sich überwiegend nicht um gelöstes Protein, sondern um kolloidal verteilte

Proteinpartikel, die zentrifugal nicht abgeschieden werden konnten.

Das Beispiel gibt natürlich nur die Masseverteilung wieder, wie sie in dem statisch

durchgeführten Versuch anfiel. In einem realen Prozeß ergäbe sich durch die

Weiterführung des Extrakts in die aerobe oder die anaerobe Fermentation und

dessen dortige Umwandlung zusammen mit dem Fermentationssubstrat in

Flüssighefe, Ethanol, Kohlendioxid und Flüssigsauer eine von dem Beispiel

verschiedene Trockenmassebilanz (vgl. Punkt 5.2.4).

5 ERGEBNISSE UND DISKUSSION 61

5.1.4 Proteolyse

Es ist eingangs darauf hingewiesen worden, daß das im Brotsirup vorhandene

Protein gegebenenfalls als Stickstoffquelle für die Hefevermehrung benutzt werden

kann. Dazu muß das Protein aber in von Hefe resorbierbare N-Verbindungen

abgebaut werden. Die Freisetzung von Aminosäuren aus dem Protein durch

enzymatische Hydrolyse stellt dafür einen denkbaren Weg dar. Deshalb wurde

Brotsirup nach Erreichen des gewünschten Hydrolysegrads mit verschiedenen

proteolytisch wirkenden Enzymen behandelt.

Die Tabelle 10 zeigt das Ergebnis des proteolytischen Abbaus. Die Enzyme waren

zwar alle in der Lage, die weit überwiegend unlöslich vorliegenden Proteine in

Lösung zu bringen, die Abbauprodukte waren aber nur zu einem relativ kleinen Anteil

in eine von Hefe resorbierbare Form übergeführt worden. Das geht aus den Angaben

über den FAN (freien Aminostickstoff) hervor, der als Maß für die Resorbierbarkeit

fungiert. Im günstigsten Fall wurde bei fast 90%iger Löslichkeit des Proteins mit

1,19 g/L nur etwa ein Sechstel des Proteins in FAN umgewandelt, im ungünstigsten

Fall waren es mit 0,26 g/L nur ca. 4%.

Tabelle 10: Proteolytischer Abbau von Brotsirup

Enzyme FAN* löslicher N Gesamt-N

g/l g/l g/l

Corolase PP 1,19 5,60 6,40

Corolase PN-L 0,26 2,16 6,40

Corolase 7089 0,33 4,00 6,40

Corolase L10 0,89 4,42 6,40

*Freier Aminostickstoff

Die Übertragung des größten Wertes für den FAN auf einen mit Brotpulver

hergestellten Brotsirup (40% Feststoffgehalt, 63% Stärkegehalt, 90% Hydrolysegrad)

würde es ermöglichen, rund 23 g HTS oder 25 g Frischhefe zu erzeugen. Aus der

Glucosekonzentration in dem Brotsirup könnten jedoch bei ausreichender

Versorgung mit N-Verbindungen 138 g HTS oder 510 g Frischhefe entstehen. Daraus

folgt, daß durch die enzymatische Hydrolyse des Proteins im Brotsirup nur ca. 17%

des N-Bedarfs für die vollständige Verwertung der Glucose zur Hefevermehrung

bereitgestellt werden könnten.

5 ERGEBNISSE UND DISKUSSION 62

Wird diese Angabe auf den eingangs zitierten Bedarf an Frischhefe bezogen, der mit

5.000 t/a angegeben ist, dann ergibt sich, daß über die enzymatische Hydrolyse des

Proteinanteils im Rückbrot nicht genug Backhefe erzeugt werden könnte, weil dazu

aus der anfallenden Rückbrotmenge nicht genug resorbierbare N-Verbindungen zur

Verfügung gestellt werden könnten. Es käme hinzu, daß für die Ausnutzung der

resorbierbarenen N-Verbindungen bei dem vorhandenen sehr großen

Glucoseüberschuß die gesamte Masse an Brotsirup aerob fermentiert werden

müßte. Sollte die Glucose gleichzeitig mit den resorbierbaren N-Verbindungen

aufgebraucht werden, dann könnte die Fermentation auch nach dem Prinzip der

„aeroben Gärung“ gefahren werden. Diese Möglichkeit konnte jedoch ausge-

schlossen werden, weil im Verzicht auf die Proteolyse und der Aufteilung des

Fermentationssubstrats auf eine aerobe und eine anaerobe Fermentation, die durch

die in den Prozeßstufen entstehenden Masseströme verbunden wurden, eine

einfachere, wenn auch sehr komplexe Lösung für das Problem der Glucose-

umsetzung gefunden wurde.

Der Ausschluß der Anwendung einer Proteolyse erfolgte insbesondere aus der

Überlegung, daß durch sie ein weiterer Verfahrensschritt in das Verfahren eingeführt

werden müßte, der aufgrund der langsamen Hydrolyse die Herstellzeit für den

Brotsirup deutlich verlängern würde. Außerdem wären für die technische

Durchführung Anlagenteile, darunter zusätzliche Behältervolumina, notwendig und es

müßten finanzielle Aufwendungen für die Enzyme gemacht werden. Schließlich ist

auch zu bedenken, daß die Kosten für die aus dem Protein für die Hefevermehrung

bereitstellbaren N-Verbindungen mit den Kosten für entsprechende anorganische N-

Verbindungen in Relation gesetzt werden müssen. Da das Protein aus dem Rückbrot

in den Prozeß der Brotherstellung zurückgeführt werden kann, ist der Mehlpreis der

Referenzpreis für einen solchen Vergleich.

5 ERGEBNISSE UND DISKUSSION 63

5.2 Aerobe und anaerobe Fermentation des Fermentationssubstrats und

Verwendung der Produkte

Die Gestaltung der Fermentation des aus dem Brotsirup gewonnenen

Fermentationssubstrats stellte die zentrale Problemstellung in der Entwicklung des

Verfahrens dar. Für die Lösung der Aufgabe wurde anfänglich, ausgehend von dem

zitierten russischen Fermentationssystem, versucht, die Fermentationen möglichst

einfach und sicher zu gestalten. Diese Vorgabe ergab sich aus der Überlegung, daß

die Fermentationsanlage genauso wie Sauerteig- und Vorteiganlagen oder die

Anlage zur Herstellung des Flüssigferments unter den in Brotfabriken üblichen

unsterilen Bedingungen zu betreiben sein würden.

Hinsichtlich dieser unsterilen Bedingungen ist darauf hinzuweisen, daß die

genannten Verfahren hauptsächlich durch die während den Fermentationen

entstehende pH-Wert-Absenkung vor Verderb geschützt werden. Dabei wirken die

Verfahrensbedingungen so selektiv, daß sich im wesentlichen nur Mikroorganismen

vermehren können, welche für die Teigeigenschaften entscheidend sind. Das gilt

auch für die Herstellung des Flüssigferments, dessen Besonderheit gegenüber der

Herstellung von Sauerteigen oder mit Hefe geführten Vorteigen darin besteht, daß

zwei Fermentationen hintereinander ablaufen, die je für sich für die Herstellung der

Endprodukte gleichbedeutend sind. Es handelt sich hierbei in der ersten Stufe um die

mit pH-Wert-Absenkung verbundene Milchsäurebildung durch L.delbrueckii und in

der zweiten um die Vermehrung von Backhefe. Die Fermentation mit L.delbrueckii

erfüllt für die Backhefevermehrung die Funktion des Schutzes vor Verderbniserregern

und für die Bildung des Brotteiges die Funktion seiner Säuerung. Die

Backhefevermehrung ist auf die Gasbildung des Brotteiges gerichtet, die als Trieb

bezeichnet wird. Das gesamte Verfahren der Flüssigfermentherstellung verläuft

kontinuierlich und ist in einem kontinuierlichen Prozeß der Brotherstellung im

wöchentlich ablaufenden Rhythmus integriert.

Demgegenüber zielen Sauerteigfermentationen und Vorteigfermentationen mit Hefe

nur auf die Vermehrung einer Mikroorganismenart (Milchsäurebakterien) und/oder

deren Stoffwechselleistung (Backhefe). Die Stoffwechselleistungen der

Mikroorganismen sind dabei mit den im Teig ablaufenden enzymatischen Reaktionen

5 ERGEBNISSE UND DISKUSSION 64

verbunden. Die Stoffwechselleistungen und die enzymatischen Reaktionen führen

zusammen zu den funktionellen sowie sensorischen Eigenschaften des Brots und

haben daran quantifizierbare Anteile.

Die Quantifizierbarkeit der Einzelwirkungen an der Gesamtwirkung der

Stoffwechselleistung der Mikroorganismen und der enzymatischen Reaktionen

ergeben sich aus der Art der Teigführung. Erläuternd sei zu diesem Tatbestand

darauf hingewiesen, daß es von der Höhe des Säuregrads im Sauerteig und dem

Anteil des Sauerteigs am Gesamtbrotteig abhängt, wie sauer das Brot schmeckt. Ein

weiteres Beispiel ist die Hefezugabe zum Teig. Je größer diese ist, um so größer ist

die Volumenzunahme pro Zeiteinheit, so daß über die Hefezugabe die

Geschwindigkeit der Teigbereitung und damit die Zeit für die Brotherstellung

gesteuert werden kann.

Bezüglich der Verwendung des Flüssigferments in russischen Brotfabriken war für

die erstrebte Verfahrensentwicklung dessen Gehalt an Hefe und Milchsäure sowie an

Feststoffen aus dem Nährsubstrat für seine Verwendung zum Brotbacken von

großem Interesse. Das auf der Basis von Getreide hergestellte Flüssigferment

enthält pro kg bei optimaler Führung der beiden aufeinander abgestimmten

Fermentationen etwa 10 g Milchsäure, 30-40 g Hefe, 50-60 g Ethanol und ca.

50-60 g aus Protein und Ballastoffen bestehende Feststoffe, die hier aus Gründen

der Verwendung gleicher Fachbegriffe zu dem neu entwickelten Verfahren als

Proteinfraktion bezeichnet wird (Tab.11). Diese Massebilanz wurde teilweise aus der

Literatur übernommen (23) und teilweise aus Sekundärliteratur errechnet (15).

Tabelle 11: Zusammensetzung des Flüssigferments

Flüssigferment Konzentration

(g Stoff/kg Flüssigferment)

Backhefe 30-40

Milchsäure 10

Proteinfraktion 50-60

Ethanol 50-60

5 ERGEBNISSE UND DISKUSSION 65

Das Flüssigferment wird, bezogen auf eine Weizenmehlmenge von 1.000 g, in einer

Menge von 150-250 g zum Teigherstellen und Brotbacken verwendet. Das bedeutet,

daß der Teig mit einer auf die Mehlmenge bezogenen Hefezugabe von ca. 1%

fermentiert wird. Gleichzeitig wird dabei der Trockenmasseanteil der Teigrezeptur

durch die Proteinfraktion um ca. 1% vergrößert. Die Proteinfraktion wirkt sich

zusammen mit der Milchsäurezugabe von ca. 0,2%, wiederum bezogen auf die

Mehlmenge, geschmacksbildend aus. Es entstehen mit dieser russischen Rezeptur

wohlschmeckende Weizenbrote mit einem im Vergleich zu deutschen Weizenbroten

gleichen Gewichts deutlich kleinerem Volumen und dichterer Krume.

Das Flüssigferment dieser Zusammensetzung kann nicht dazu verwendet werden,

um die Hefemenge zum Backen zu vergrößern, weil sich damit gleichzeitig die

Zugabemenge an Säure und Proteinfraktion erhöhte. Das hätte sowohl für die

Krumenausbildung als auch den Geschmack des Brotes nachteilige Folgen. Für den

Einsatz des Flüssigferments ist außerdem von Interesse darauf hinzuweisen, daß der

Ethanolgehalt im Teig mit den Backschwaden ausgetrieben wird. Das Ethanol könnte

aufgrund seiner hohen Konzentration im Backschwaden durch dessen Kondensation

und Destillation zurückgewonnen werden. In ähnlicher Weise könnte das zum

Ethanol korrespondierende Kohlendioxid bereits während der anaeroben

Fermentation in der zweiten Fermentationsstufe, in der die Hefevermehrung erfolgt,

durch Verflüssigung gewonnen werden.

Wird nun die Verfahrenstechnik zur Herstellung des Flüssigferments unter dem

Gesichtspunkt der Verwendung von Rückbrot als Rohstoff auf die eingangs genannte

Produktionsmenge der deutschen Brotfabrik in ihren Produktströmen quantifiziert,

dann könnten für die Herstellung des für 300 t Brot aus 200 t Weizenmehl

erforderlichen Flüssigferments von 40 t (Zugabemenge: 200 ml Flüssigferment auf

1.000 g Mehl) 11 t Rückbrot eingesetzt werden. Über die Herstellung und aus dem

Flüssigferment könnten neben der vollständigen Verwertung seines der

Proteinfraktion entsprechenden Feststoffanteils von ca. 2,5 t, seines Hefeanteils von

ca. 1,6 t und seines Säuregehalts von ca. 0,4 t, außerdem ca. 2,2 t Ethanol und ca.

2,0 t Kohlendioxid gewonnen werden. Dieses Beispiel könnte aber nur in einer Fabrik

verwirklicht werden, die nur eine Brotsorte herstellte.

5 ERGEBNISSE UND DISKUSSION 66

Das Beispiel ist aus verschiedenen Gründen für die beispielhaft betrachtete Fabrik

irreal. Diese produziert aus weit voneinander verschiedenen Rezepturen ein breites

Sortiment an Brot und Kleingebäck. Darunter sind reine Weizenbrote, die ohne

Sauerteig gebacken werden, ebenso wie Mischbrote, die mit Sauerteig gebacken

werden. Allein deshalb würde der Einsatz des milchsauren Flüssigferments nicht für

die Herstellung aller im Sortiment befindlichen Backwaren geeignet sein. Das wäre

nur möglich, wenn aus dem Flüssigferment die Hefe abgetrennt würde, um auf diese

Weise zwei Produkte zu erhalten, die je getrennt für sich eingesetzt werden könnten.

Die Brotfabrik müßte außerdem nicht nur 11 t Rückbrot mit der Fermentationsanlage

zum Flüssigferment verarbeiten, sondern 30 t, die ihrer durchschnittlich täglich

anfallenden Rückbrotmenge entsprechen (vgl. Kap.3). Dadurch würde aber bei

gleicher Prozeßführung, insbesondere gleicher Hefekonzentration im Flüssigferment,

eine ca. 3 mal größere Menge an Flüssigferment anfallen. Es würde dann zwar der

Bedarf der Fabrik an Hefe von ca. 5 t/d gedeckt sein und die Gesamtmenge an

Flüssigferment wäre auch nicht größer als die für die Teigbereitung erforderliche

Wassermenge, doch ergäbe sich selbst dann, wenn die Hefe aus dem

Flüssigferment abgetrennt würde, das Problem, daß die verbleibende

Flüssigfermentmenge zu groß wäre, um auf die Herstellung der Teige verteilt werden

zu können, die gesäuert werden müßten.

Damit verliert das russische Verfahren zur Herstellung des Flüssigferments für

deutsche Brotfabriken aus der Sicht der Verwertung des Rückbrots an Bedeutung,

obgleich es auch dafür einige wesentliche Vorteile aufweist. Diese Vorteile sollen hier

noch einmal explizit erwähnt werden, um an ihnen die schrittweise Vorgehensweise

zur Lösung der Aufgabenstellung im Bereich der Fermentation aufzeigen zu können.

Die Vorteile bestehen darin, daß

- die Fermentationen kontinuierlich ablaufen

- aus den stabilen Fermentationen (Versäuerung und Hefevermehrung) der

Aufbau eines einfachen und sicheren Prozesses und seiner entsprechend

einfachen Kontrolle resultiert.

5 ERGEBNISSE UND DISKUSSION 67

- unter den weitgehend anaeroben Bedingungen die Hefe relativ stabil vermehrt

werden kann. Der Vorgang ist dem in Brauereien üblichen Gärverfahren

vergleichbar.

- die Gewinnung von Nebenprodukten (Ethanol, Kohlendioxid) einfach wäre.

Die Ethanolgewinnung ließe sich in diesem Fall besonders energieeffizient

gestalten, weil das Ethanol beim Backen in hoher Konzentration in die

Backschwaden gelangte. Der für das Backen erforderliche Energieaufwand

könnte sozusagen in situ für die Destillation des Ethanols mitverwendet

werden.

Stabil läßt sich die Hefe auch bei dem russischen Verfahren allerdings nur unter der

Voraussetzung vermehren, daß gewisse Nährstoffe, darunter N-Verbindungen,

zugeführt werden. Das ist erforderlich, weil das Protein unter den

Verfahrensbedingungen weder aus Getreide (Malz) noch aus Mehl oder für den Fall

des Einsatzes von Rückbrot als Rohstoff für die Hefe in Form von resorbierbaren N-

Verbindungen zur Verfügung steht, um eine Hefekonzentration im Flüssigferment von

40-60g/L zu ermöglichen.

5.2.1 Nährstoffversorgung bei den Fermentationen

Die Nährstoffversorgung wurde zunächst über ein Modellexperiment überprüft. Dazu

wurde das Verfahren zur Flüssigfermentherstellung im Labormaßstab mit einem aus

Glucose und Weizenkleie hergestellten Modellsubstrat nachgestellt. Die Kleiezugabe

erfolgte mit der Absicht, darüber außer der Kohlenstoffquelle alle anderen Nährstoffe,

darunter auch die erforderlichen Mikronährstoffe (Vitamine, Wuchsstoffe), sowohl in

ausreichender Menge als auch in resorbierbarer Form zuzuführen.

Aus der Tabelle 12 geht hervor, daß unter der kontinuierlichen Führung der

anaeroben Fermentation des zuvor mit L. delbrueckii gesäuerten und danach durch

Sieben geklärten Modellsubstrats die Anfangskonzentration der Frischhefe über die

Fermentationszeit nicht aufrecht erhalten werden konnte. Sie war nach 5 Tagen

bereits von 41,7 g/L auf 26,5 g/L abgesunken. Dazu gleichförmig war ihre Triebkraft

zurückgegangen und die Ausbeute an Backhefe aus dem Substrat hatte

5 ERGEBNISSE UND DISKUSSION 68

entsprechend abgenommen. Sie lag mit 4,8 g HTS/100g Glucose deutlich unter der

zu erwartenden Hefevermehrung bei anaerober Fermentation, die 7,5 g HTS/100g

Glucose hätte betragen können. Die beobachtete Zunahme des Säuregrads über die

Fermentationszeit war auf das Pufferungsvermögen des Kleieextrakts und die

Vermehrung von L. delbrueckii unter den anaeroben Fermentationsbedingungen

zurückzuführen.

Tabelle 12: Ergebnisse der kontinuierlichen Hefevermehrung mit dem Modellsubstrat

unter anaeroben Bedingungen: Laboranlage

Parameter Zeit (h)

24 48 72 96 120

Frischhefe (g/l) 41,7 39,5 32,3 25,8 26,5

Triebkraft (%) 83,0 64,0 65,0 57,0 45,0

Ausbeute

(g HTS/100g Glucose)

7,2 6,9 5,9 5,3 4,8

pH-Wert/ Säuregrad 3,9/16,6 3,9/17,8 3,9/21,2 3,7/23,6 3,7/28,8

Da aus diesen Versuchen nicht geschlossen werden konnte, ob die Abnahme der

Hefekonzentration und daraus folgend der Ausbeute bei Überschuß der

Kohlenstoffquelle (Glucose) von einer Limitierung des Angebots an den anderen

Nährstoffen, vor allem an N-Verbindungen, oder von den sonstigen anaeroben

Fermentationsbedingungen verursacht worden war, wurde der Verfahrensablauf der

Modellfermentation um eine Fermentationsstufe erweitert. Das geschah, um die

Fermentation auch unter aeroben Bedingungen quasi im Sinne der sogenannten

„aeroben Gärung“ (15) führen zu können (Abb. 5).

5 ERGEBNISSE UND DISKUSSION 69

Zulauf

Ablauf

Hefe

(aerob)

Hefe

( anaerob )

Zulauf

Abbildung 5: Schematischer Aufbau der Laboranlage zur aerob-anaeroben

Backhefeproduktion.

Die Ergebnisse zeigen, daß die Nährstoffzufuhr, einschließlich die der

Mikronährstoffe, nicht die Ursache für die Konzentrationsabnahme der Backhefe im

Nährmedium des vorausgegangenen Versuchs gewesen war (Tab. 13), weil die

Hefekonzentration unter den teilweise aeroben Fermentationsbedingungen dieses

Versuchs über die Fermentationszeit von drei Tagen sogar leicht angestiegen war.

Die Hefeausbeute war in diesem Zeitraum gleich geblieben und die Triebkraft hatte

sich auf einem hohen Niveau stabilisiert. Die Triebkraft entsprach praktisch der

Triebkraft der zum Vergleich herangezogenen kommerziellen Frischhefe. Unter

diesen teilweise aeroben Bedingungen blieb der Säuregrad konstant, weil sich die

strikt anaeroben Milchsäurebakterien unter diesen Versuchsbedingungen offenbar

nicht mehr vermehrten. Der Ethanolgehalt korrespondierte mit der Hefeausbeute, die

aufgrund der Sauerstoffzufuhr mit ca. 11g HTS/100g Glucose deutlich über der bei

anaerober Fermentation zu erwartenden lag.

Damit war bewiesen, daß durch die Aufteilung der Fermentation in zwei aufeinander

folgende und über die Verbindung des Ablaufvolumenstroms des ersten Fermenters

mit dem zweiten voneinander abhängige Prozesse, wobei der erste nach dem Prinzip

der aeroben Gärung arbeitete und der zweite eine rein anaerobe Fermentation war,

die gesamte Hefemenge der Fabrik, die 1.350kg HTS/d beträgt (vergl. Kap. 3),

hergestellt werden könnte. Dazu wäre entsprechend der Versuchsbedingungen eine

Aufteilung der Glucose des Brotsirups zu 20% für die Hefevermehrung und zu 80%

für die Ethanol- und Co2-Bildung erforderlich. Die Aufteilung der Fermentation in zwei

5 ERGEBNISSE UND DISKUSSION 70

Prozesse ist vor allem für die Gewinnung des CO2 notwendig, weil damit nur ein Teil

des Fermentationssubstrats belüftet werden muß. Die übliche Durchführung der

aeroben Gärung hätte die Belüftung des gesamten Fermentationssubstrats zur

Folge. Dadurch würde das CO2 so stark mit Luft verdünnt, daß seine Gewinnung

unwirtschaftlich wäre. Der Nachteil der Vorgehensweise bestünde aber darin, daß

durch die Verbindung des ersten mit dem zweiten Fermenter und der für den Betrieb

des ersten Fermenters notwendigen Verdünnung des Brotsirups das

Fermentationssubstrat im zweiten Fermenter verdünnt würde.

Tabelle 13: Ergebnisse der kontinuierlichen Hefevermehrung mit dem Modell-

substrat unter aeroben und anaeroben Bedingungen: Laboranlage

Parameter Zeit (h)

24 48 72

Frischhefe (g/l) 29,7 35,0 34,7

Triebkraft (%) 47,0 96,0 91,0

Ausbeute, gesamt

(g HTS/100 g Glucose)

10,6 11,0 11,2

pH-Wert/Säuregrad 4,1/10,8 4,0/12,4 3,9/12,2

Umsatzrate

(g Ethanol/ 100 g Glucose)

n.b.

40,4

41,2

Es mußte nun gezeigt werden, daß mit Brotsirup die gleichen Ergebnisse wie mit

dem Modellsubstrat erzielt werden können. Diesbezüglich geht aus der Tabelle 14

hervor, daß mit Brotsirup über 96h kontinuierliche Fermentation bei annähernd

vergleichbarer Hefekonzentration zwar eine zum Modellsubstrat vergleichbare

Backhefeausbeute erhalten werden konnte, deren Triebkraft war aber deutlich kleiner

als die mit dem Modellsubstrat vermehrte. Für diesen Unterschied kamen drei

Ursachen in Betracht. Sie waren in der Sauerstoff- und Nährstoffzufuhr sowie der

Vermehrung von Fremdorganismen, vor allem Fremdhefen, zu suchen.

Zur Feststellung der Ursachen wurde ein Fermentationsversuch durchgeführt, bei

dem die Nährstoffzufuhr durch den Zusatz von Nährsalzen und Mikronährstoffen so

dosiert wurde, daß sie für eine Hefekonzentration von 150g/L ausreichend war. Die

5 ERGEBNISSE UND DISKUSSION 71

Sauerstoffzufuhr entsprach der des vorausgegangenen Versuchs. Außerdem wurde

der Versuch unter sterilen Bedingungen durchgeführt.

Tabelle 14: Ergebnisse der kontinuierlichen Hefevermehrung unter aeroben und an-

aeroben Bedingungen mit Brotsirup: Laboranlage

Parameter Zeit (h)

24 48 72 96

Frischhefe (g/l) 38,1 32,8 30,0 27,4

Triebkraft (%) 78,0 75,0 71,0 67,0

Ausbeute, gesamt

(g HTS/100g Glucose)

13,6 12,2 11,6 9,8

pH-Wert/Säuregrad:

Substrat, aerob

Substrat, anaerob

3,6/8,7

3,6/14,0

3,6/8,8

3,6/14,6

3,8/9,4

3,6/16,6

3,4/14,6

3,5/16,8

Umsatzrate

(g Ethanol/100 g Glucose)

39,8

34,3

41,3

41,0

Über die Versuchszeit der kontinuierlichen Fermentation von 14 Tagen kam es zu

keiner Vermehrung von Fremdorganismen und die Triebkraft blieb auf dem Niveau

der zum Vergleich eingesetzten kommerziellen Backhefe (Frischhefe) (Tab. 15). Die

anfängliche Hefekonzentration von 150g/L ging in den ersten 6 Tagen jedoch schnell

zurück und stabilisierte sich dann bei etwa 40g/L. Diese Hefekonzentration entsprach

der bei den vorausgegangenen Versuchen gemessenen. Durch die Abnahme der

anfänglichen Hefekonzentration um den Faktor 3-4 stand folglich ein entsprechend

größeres Nährstoffangebot für die Vermehrung der Backhefe bei der niedrigen

Hefekonzentration zur Verfügung. Damit ist belegt, daß die Ursache für die im

vorangegangenen Versuch beobachtete Abnahme der Hefekonzentration

hauptsächlich auf die Sauerstoffversorgung zurückzuführen war. Es hat sich ferner

erwiesen, daß eine optimale Nährstoffzufuhr unter sterilen Bedingungen zu einer

optimalen Triebkraft der Backhefe führte. Das Überangebot an Glucose wurde unter

den Versuchsbedingungen zu Ethanol und CO2 (aerobe Gärung) umgesetzt.

5 ERGEBNISSE UND DISKUSSION 72

Tabelle 15: Ergebnis der kontinuierlichen Hefevermehrung mit Brotsirup unter

sterilen Bedingungen bei einer anfänglichen Hefekonzentration von 150g/L:

Laboranlage

Tage Zellkonzentration

(g Frischhefe/L)

Anzahl an

Fremdorganismen

Triebkraft ( % )

1 152 0 112

2 143 0 104

3 143 0 109

4 120 0 115

5 86 0 98

6 38 0 85

7 40 0 110

8 43 0 102

9 42 0 86

10 38 0 89

11 35 0 97

12 36 0 105

13 42 0 96

14 36 0 85

Zur Bestätigung des Versuchsergebnisses wurde unter gleichen Bedingungen ein

weiterer Versuch durchgeführt, bei dem die anfängliche Hefekonzentration auf 40g/L

eingestellt wurde und die Nährstoffzufuhr, einschließlich der C-Quelle auf den

stabilen Erhalt dieser Konzentration eingestellt wurde (aerobe Hefevermehrung). Die

über 5 Tage durchgeführte Fermentation verlief unter Erhalt der Hefekonzentration,

der Triebkraft und ohne Vermehrung von Fremdorganismen (Tab. 16).

Aus den Versuchsergebnissen konnte geschlossen werden, daß es für die

Verwendung des Fermentationssubstrats aus Brotsirup zur Vermehrung von

Backhefe erforderlich ist, den für die Hefevermehrung vorgesehenen Teilstrom zu

belüften. Damit wird die Voraussetzung dafür geschaffen, daß sich bei ausreichender

Nährstoffzufuhr eine stabile und hohe Triebkraft einstellt. Dies galt unabhängig

5 ERGEBNISSE UND DISKUSSION 73

davon, ob die Hefevermehrung auf dem Weg der aeroben Gärung oder aerob

erfolgte.

Tabelle 16: Konzentration an Backhefe und Fremdorganismen sowie Triebkraft der

Backhefe bei der kontinuierlichen Fermentation über einen Zeitraum von 5 Tagen:

Laboranlage

Tage Hefekonzentration

(g Frischhefe/l)

Anzahl an

Fremdorganismen

Triebkraft ( % )

1 40 0 130

2 45 0 102

3 48 0 115

4 39 0 98

5 44 0 105

Da jedoch aus dem prozeßtechnischen Grund der CO2-Gewinnung die

Hefevermehrung auf einen Teilstrom des Fermentationssubstrats begrenzt werden

muß, liegt es nahe, die Hefevermehrung vollständig aerob durchzuführen. Es kann

dann der Vorteil genutzt werden, bei hoher Hefekonzentration im Fermentervolumen

arbeiten zu können.

Gleichzeitig kann damit dann der vom Fermentationssubstrat abzunehmende

Volumenstrom auf ein Fünftel seines Gesamtvolumens begrenzt werden.

Entsprechend stünde auch nur ein Fünftel der Glucose nicht für die bei der

anaeroben Umsetzung der Glucose zu Ethanol und CO2 für die CO2 Gewinnung zur

Verfügung. Demgegenüber hinge die Größe dieses Volumenanteils bei der aeroben

Gärung von der Sauerstoffzufuhr ab und wäre entsprechend der Ethanolbildung

größer als bei rein aerober Hefevermehrung.

Der weitere Vorteil der aeroben Hefevermehrung aus einem Teil des

Fermentationssubstrats besteht darin, daß der verbleibende Teil mit seiner bei der

Herstellung anfallenden Glucosekonzentration direkt zur Ethanol- und CO2-

Herstellung verwendet werden kann. Beide Stoffe fallen dadurch in einer für ihre

Gewinnung durch Destillation und Verflüssigung vorteilhaften Konzentration an. Das

5 ERGEBNISSE UND DISKUSSION 74

ist für die Führung der Prozeßströme von ausschlaggebender Bedeutung, weil das in

den Prozeß eingetragene Frischwasser über das Fermentationssubstrat und nach

dessen Verwertung zur Milchsäurebildung und Hefevermehrung sowie Ethanol- und

CO2-Gewinnung als mit löslichen und teilweise suspendierten Stoffen aus dem

Rückbrot beladenes Prozeßwasser als Schüttwasser und Teigsäuerungsmittel in den

Prozeß der Brotherstellung eingeführt werden soll (vergl. Abb. 1, 4).

Es zeichnete sich folglich ab, daß die wichtigste Aufgabe für die Maßstab-

vergrößerung von der Laboranlage zur Technikumsanlage darin zu sehen war, die

aerobe Fermentation im Hinblick auf einen möglichst kleinen Ablaufvolumenstrom zu

optimieren, weil von ihm der Anfall an Flüssigsauer, respektive Schüttwasser

entscheidend beeinflußt wird. Zur Erläuterung dieser Abhängigkeit sei darauf

hingewiesen, daß der Ablaufvolumenstrom aus dem aeroben Fermenter um so

kleiner ist, je höher die Hefekonzentration im Fermenter ist. Die Ablau-

volumenströme aus dem aeroben und dem anaeroben Fermenter dürfen nicht größer

werden als es dem Bedarf der Brotfabrik an milchsaurem Teigsäuerungsmittel bzw.

Schüttwasser entspricht, um das Verfahren der Rückbrotverwertung ohne

Abwasseranfall durchführen zu können.

Aus dieser Problematik erklärt sich auch, weshalb die Entscheidung ganz

unabhängig von dem russischen Verfahren der Flüssigfermentherstellung für eine

kontinuierliche aerobe Hefevermehrung fiel. Der Grund dafür lag darin, daß bezogen

auf die produzierte Hefemenge der Ablaufvolumenstrom eines kontinuierlich

arbeitenden Fermenters kleiner ausfallen kann als es dem Füllvolumen eines

Fermenters entspricht, der nach dem Zulaufverfahren betrieben wird.

Diese Überlegungen lassen erkennen, daß das russische Fermentationssystem nicht

an die besonderen Bedingungen der Verwertung des Rückbrots in der deutschen

Brotfabrik adaptiert werden kann. Dem stünde allein schon die für die Einstellung der

Triebkraft erforderliche Einführung der aeroben Gärung entgegen, weil diese mit der

CO2-Gewinnung verbunden werden müßte.

5 ERGEBNISSE UND DISKUSSION 75

5.2.2 Mikronährstoffversorgung für die aerobe Hefevermehrung

Die Abtrennung der Hefevermehrung von der Ethanol- und CO2 -Gewinnung warf die

Frage nach der Mikronährstoffversorgung der Hefe über das Fermentationssubstrat

auf. Die Hefe würde bei einer aeroben Gärung für ihre Vermehrung unter dem

vorgegebenen Teilungsverhältnis für die Glucoseverwertung der gesamte Gehalt des

Fermentationssubstrats an Vitaminen und Wuchsstoffen zur Verfügung stehen, im

Falle der rein aeroben Hefevermehrung wäre es aber nur ein Fünftel davon. Deshalb

wurde untersucht, welchen Beitrag die über die Stufen der Rückbrotaufarbeitung in

das Fermentationssubstrat gelangten Vitamine Biotin, Pantothensäure und Thiamin

sowie der Wuchsstoff m-Inosit zur Hefevermehrung leisten konnten. Da die

Ergebnisse dieser Untersuchung bereits publiziert sind (42), sollen hier nur die

wichtigsten daraus zu ziehenden Schlußfolgerungen zitiert werden.

Die Ergebnisse haben gezeigt, daß bezogen auf die im Fermentationssubstrat

enthaltene Glucose eine ausreichende Versorgung der Hefe mit Vitaminen und

Wuchsstoffen nicht gegeben war. Nur der Wuchsstoff Inosit lag in dafür

ausreichender Menge vor. Der Vitaminmangel im Fermentationssubstrat führte zu

einem Vitamingehalt in der Backhefe, der erheblich niedriger war als der aus der

Literatur für Backhefe bekannte. Die Triebkraft der ohne Vitamin- und

Wuchsstoffsupplementierung hergestellten Backhefe fiel deutlich niedriger aus als

die in der Backhefe, die bei der Vermehrung optimal mit diesen Mikronährstoffen

versorgt wurde. Das Fermentationssubstrat mußte deshalb für die aerobe

Hefevermehrung zur Einstellung einer hohen Triebkraft mit Biotin, Pantothensäure

und Thiamin supplementiert werden. Die Supplementierung betrug bezogen auf 100g

im Fermentationssubstrat enthaltener Glucose 80-90% des Bedarfs. Aus dieser

Aufgabe geht auch hervor, daß selbst wenn die Hefevermehrung für ein Fünftel des

Glucoseangebots durch aerobe Gärung ohne CO2-Gewinnung durchgeführt würde,

die Versorgung mit diesen Vitaminen aus der Gesamtmasse des

Fermentationssubstrats im Bereich der Unterversorgung läge.

5 ERGEBNISSE UND DISKUSSION 76

5.2.3 Verwendung der Flüssighefe, des Flüssigsauers und der Proteinfraktion

Die Verwendung der verfahrenskonform hergestellten Backhefe und des

Flüssigsauers stellte für die Maßstabvergrößerung von der Labor- zur

Technikumsanlage einen entscheidenden Meilenstein dar, weil davon die

Umsetzbarkeit des Verfahrens abhängt. Diesbezüglich wurde erstrebt, die aus dem

aeroben Fermenter kontinuierlich abzuscheidende Backhefe ohne die bei der

technischen Herstellung von Frischhefe übliche und notwendige Aufreinigung direkt

für die Brotherstellung einzusetzen. Der Vorteil dieser Vorgehensweise besteht in

einer beträchtlichen Einsparung von Prozeßschritten, die entsprechend mit Kosten

verbunden sind. Gleichzeitig bringt die Verwendung der dabei flüssig anfallenden

Backhefe den weiteren Vorteil, daß damit ein Teil des Prozeßwassers direkt in der

Brotherstellung aufgeht. Die Konzentration der Backhefe in diesem Backhefestrom

läßt sich in weiten Grenzen variabel gestalten. Sie findet ihre Begrenzung

ausschließlich in ihrer Wirkung auf die Qualitätsmerkmale des Brotes. Die im

Prozeßwasser durch Zentrifugalabscheidung konzentrierte Hefe wird im Kontext

dieser Arbeit als Flüssighefe bezeichnet.

Für die Verwendung des Flüssigsauers zur Brotherstellung war ebenfalls dessen

Einfluß auf die Qualitätsmerkmale des Brotes entscheidend. Diesbezüglich wurde

insbesondere der Einfluß der einzelnen Verfahrensschritte des gesamten Verfahrens

auf die sensorischen Merkmale des erst nach der anaeroben Fermentation

anfallenden Flüssigsauers als kritisch angesehen. Ähnliche Überlegungen waren für

die Verwendung der Proteinfraktion zu treffen.

Zur Feststellung der vorgesehenen Anwendung der drei im Prozeß anfallenden

Produkte wurden diese mit der Laboranlage gemäß der im Kapitel Material und

Methoden gegebenen Angaben in für Laborversuche ausreichender Menge

hergestellt. Die Produkte wurden dann in Rezepturen für Standardbackversuche

eingearbeitet und es wurden mit den so hergestellten Teigen die entsprechenden

Brote gebacken. Da sich geschmackliche Veränderungen beim Einsatz der

Flüssighefe und des Flüssigsauers am ehesten in Weizenbroten bemerkbar machen

würden, wurden mit den Produkten Weizenkastenbackversuche durchgeführt.

Darüber hinaus wurde der Flüssigsauer auch für die Herstellung eines Mischbrots

5 ERGEBNISSE UND DISKUSSION 77

aus je 50% Weizen- und Roggenmehl eingesetzt. Die Proteinfraktion wurde nur in

Mischbrotrezepturen eingearbeitet. Die mit der jeweiligen Standardrezeptur

hergestellten Brote dienten als Vergleich für die mit den drei Produkten gebackenen

Brote.

Aus den in den Tabellen 17 und 18 beispielhaft dargestellten Ergebnissen geht

hervor, daß der Einsatz der Produkte sich für die Brotherstellung als unproblematisch

erwies und die Qualitätsmerkmale der Brote in der für die gewählten Brottypen

üblichen Schwankungsbreite lag. Damit war der für die Fortsetzung der

Verfahrensentwicklung besonders wichtige Meilenstein erfolgreich erreicht. Es konnte

nun unter Verwendung der Erkenntnisse zur Gestaltung des Verfahrensablaufs daran

gegangen werden, die Technikumsanlage aufzubauen, um Details zur

Verfahrensführung zu erarbeiten.

5 ERGEBNISSE UND DISKUSSION 78

Tabelle 17: Weizenbackversuche mit Flüssighefe und Flüssigsauer: Laboranlage

Rezeptur/Ergebnis Backversuch

Vergleich Flüssighefe Flüssigsauer

Mehl

Weizen (T 550) (g)

500

Hefe

handelsübliche Hefe (g)

Flüssighefe (g)

Flüssigsauer (g) - - 100

Wasser (g) 300 279 200

Salz (g) 10 10 10

Knetdauer (g) 5 5 5

Teiggewicht (g) 817 827 820

Teigbeschaffenheit normal normal normal

Teigausbeute 163 165 164

Teiggare (min) 20 20 20

Teigeinlage (g) 600 600 600

Stückgare (min) 50 80 50

Backzeit (min) 30 30 30

Gebäckgewicht (g) 514 533 536

Gebäckvolumen (ml) 1650 1420 1640

Porenbild 7 7 7

Eingesetzte Mehlmenge (g) 367 363 366

Brotausbeute (g) 140 147 147

Backverlust (5) 14 11 11

Volumenausbeute (ml) 449 391 448

Volumenfaktor 125 92 124

Porenfaktor 90 90 90

Backzahl 112 82 112

Form noch normal normal normal

Bräunung kräftig kräftig normal

Lockerung 20 20 20

Gleichmäßigkeit 0 0 5

Elastizität 0 0 0

Wertzahl 132 102 137

Geschmack normal normal aromatisch

5 ERGEBNISSE UND DISKUSSION 79

Tabelle 18: Roggenbackversuche mit Proteinfraktion und Flüssigsauer: Laboranlage

Rezeptur/Ergebnis Backversuch

Vergleich Protein-

fraktion

Flüssigsauer

Mehl

Weizen ((T 550) (g)

Roggen (T 997) (g)

500

Hefe

handelsübliche Hefe (g)

Trockensauerteig (g) 8 8 -

Proteinfraktion (g) - 200 -

Flüssigsauer (g) - - 680

Wasser (g) 680 680 -

Salz (g) 20 20 20

Teiggewicht/-einlage (g) 1700 1889 1737

Teigbeschaffenheit normal etwas feucht normal

Teigausbeute 170 189 174

Teiggare (min) 20 20 20

Stückgare (min) 50 50 50

Backzeit (min) 60 60 60

Brotgewicht (g) 1492 1687 1557

Brotvolumen (ml) 3620 3840 3150

Brotausbeute (g) 149 169 156

Ausbackverlust (%) 12 11 10

Volumenausbeute (ml) 362 384 315

pH-Wert 5,15 4,54 4,31

Säuregrad 4,9 6,2 7,3

Wölbung gut etwas flach etwas rund

Bräunung normal kräftig normal

Krumenlockerung gut gut gut

Porengleichmäßigkeit gleichmäßig gleichmäßig gleichmäßig

Krumenelastizität gut gut gut

Kaufähigkeit gut gut gut

Geschmack mild einwandfrei aromatisch

5 ERGEBNISSE UND DISKUSSION 80

5.3 Backhefeherstellung mit der Technikums- sowie der Pilotanlage und

Verwendung der Backhefe

Da aus den mit der Laboranlage erhaltenen Ergebnissen hervorging, daß die aerobe

und die anaerobe Fermentation voneinander getrennt betrieben und der

Ablaufvolumenstrom aus beiden Fermentationen im Hinblick auf einen

kleinstmöglichen Anfall optimiert werden sollte, um den nach den Fermentationen

verbleibenden Volumenstrom als Flüssigsauer in Form von Schüttwasser bei der

Brotherstellung verwenden zu können, wurde der Stand der Technik für die

Ethanolherstellung aus stärkehaltigen Substraten zusammen mit dem Teilungs-

verhältnis der für die Backhefe- und Ethanolherstellung erforderlichen Glucose aus

dem Brotsirup für ein Konzept der Führung der Stoffströme herangezogen.

Dem Stand der Technik entsprechend sollte die Glucosekonzentration des für die

Ethanolherstellung vorgesehenen Teilstroms zwischen 15-18% betragen. Eine

höhere Glucosekonzentration kann nicht gewählt werden, weil die Hefe durch

Ethanolkonzentrationen oberhalb 7% stark in ihrer Stoffwechselaktivität beeinträchtigt

wird. Eine Glucosekonzentration in dem genannten Bereich kann aus dem Brotsirup

leicht hergestellt werden, weil aus energiewirtschaftlichen Gründen die

Einmaischkonzentration auf einen Feststoffgehalt von ca. 40% eingestellt wird.

Daraus resultiert für einen durchschnittlichen Stärkegehalt im Rückbrot von 63,8% in

der Trockenmasse (vgl. Tab. 3) und einen in der Sirupbereitungsstufe erreichbaren

Hydrolysegrad der Stärke zu Glucose von 90% (vgl. Abb. 3) eine Glucose-

konzentration im gesäuerten Brotsirup von ca. 22%.

Für die Ethanolherstellung und die damit verbundene Kohlendioxidherstellung

braucht der Brotsirup nur auf die vorgenannte Konzentration verdünnt zu werden.

Dieser Verdünnungsschritt kann für die zusätzlich vorgesehene Backhefeerstellung

dazu verwendet werden, um die dafür erforderliche Glucosemenge von einem Fünftel

der Gesamtmenge in einem entsprechend großen Teilstrom abzuzweigen. Das kann,

wie bereits gezeigt (vgl. 5.1.3.4), durch Zentrifugalabscheidung des aus dem

verdünnten Brotsirup sedimentierbaren Feststoffanteils geschehen. Diesbezüglich ist

es im Hinblick auf die direkte Verwertung der Backhefe in der Brotfabrik in Form von

5 ERGEBNISSE UND DISKUSSION 81

Flüssighefe als vorteilhaft anzusehen, daß mit der Zentrifugalabscheidung nur eine

Teilklärung des entstehenden Oberlaufs erforderlich ist.

Die verbleibenden vier Fünftel des verdünnten aber nicht geklärten Brotsirups, der

zuvor zusätzlich zur Abscheidung von grobkörnigen Bestandteilen und Fremdstoffen

durch Sieben gereinigt werden sollte, können direkt als Fermentationssubstrat für die

Ethanol- und Kohlendioxidherstellung eingesetzt werden. Nach Abschluß der

Fermentation kann das Ethanol gemäß dem Stand der Technik durch Destillation aus

dem Fermentationssumpf ausgetrieben werden. Aus dem vom Ethanol befreiten

Sumpf können dann durch Zentrifugalabscheidung die Proteinfraktion und der

Flüssigsauer gewonnen werden.

Nach diesem Konzept der Führung der Stoffströme bildet der aus dem anaeroben

Fermenter anfallende Flüssigsauer einen nicht weiter reduzierbaren Volumenstrom.

Demzufolge kann der entstehende Gesamtvolumenstrom an Flüssigsauer nur über

die Führung des für die aerobe Fermentation vorgesehenen Teilstroms beeinflußt

werden. Diesbezüglich war zu prüfen, welches Potential sich dafür aus der

kontinuierlichen Backhefevermehrung gegenüber der Backhefevermehrung im

Zulaufverfahren erschließen läßt. Dabei ging es nicht allein um eine Minimierung des

Volumenstroms, sondern auch um die damit verbundene Konzentrierung der Säure.

Das ist für die Verwendung des Flüssigsauers zur Herstellung des Brotsortiments der

Fabrik wesentlich, das aus gesäuerten und ungesäuerten Backwaren besteht.

Dieses Konzept der Führung der Stoffströme weist im Hinblick auf die

Produktherstellung den besonderen Vorteil auf, daß diese stark zugunsten der

Backhefeherstellung ausgeweitet werden kann, wenn dafür die Fermenterkapazität

entsprechend ausgelegt wird und eine entsprechende Abnahme für das Produkt

vorhanden ist. Gemäß der in der Tabelle 8 dargestellten Masseverteilung können bis

zu vier Fünftel der Glucose für die Backhefeherstellung über den vorgesehenen

Verdünnungsschritt des Brotsirups mit einer Glucosekonzentration von 15% zur

Verfügung gestellt werden.

Nur für den Fall, daß annähernd die gesamte Glucosemenge im Brotsirup zur

Backhefeherstellung eingesetzt werden sollte, womit die Ethanol- und

5 ERGEBNISSE UND DISKUSSION 82

Kohlendioxidherstellung entfiele, müßte aus dem Brotsirup die Glucose praktisch

vollständig extrahiert werden. Das gälte insbesondere dann, wenn nur eine

Teilmasse des Rückbrots verwertet werden sollte, beispielsweise zur

schwerpunktmäßigen Herstellung der Backhefe. Einen Hinweis darauf gibt das in der

Tabelle 8 und 9 aufgeführte Verteilungsschema für die Extraktion des Brotsirups über

eine zusätzlich eingeführte Extraktionsstufe. Darauf soll später im Zusammenhang

mit der Wirtschaftlichkeitsbetrachtung für die Anwendung des Verfahrens gezielt

eingegangen werden.

5.3.1 Optimierung der aeroben Fermentation mit der Technikumsanlage

Gemäß der schrittweisen Vorgehensweise zur Lösung der Aufgabenstellung, war

vorgesehen, die Fermentationen für die Herstellung der Produkte in Anlehnung an

das russische Verfahren so einfach wie möglich zu gestalten (vgl. 5.2). Darüber ist

bereits über die mit der Laboranlage erhaltenen Ergebnisse im vorausgegangenen

Kapitel berichtet worden. Aus diesen Ergebnisse war bereits zu erkennen, daß die

aerobe Stufe der Fermentation unter sterilen Bedingungen betrieben werden muß,

um die erforderliche Triebkraft der Backhefe erreichen zu können.

Aus der Bedingung der Sterilhaltung würde aber ein erheblicher technischer Aufwand

für den Betrieb einer technischen Anlage für die vorgesehene Rückbrotverwertung

entstehen. Deshalb wurde zunächst noch einmal mit der Technikumsanlage

überprüft, ob die aerobe Gärung unter unsterilen Bedingungen nicht doch so geführt

werden kann, daß sich unter stabiler Backhefevermehrung bei hoher Ausbeute und

relativ hoher Zellkonzentration eine ausreichende Triebstärke der Backhefe ergeben

kann. Ansatz für diese Überlegung war es, daß die Backhefevermehrung auf dem

Wege der aeroben Gärung gegenüber der rein aeroben Vermehrung den Vorteil der

schnelleren Vermehrung mit sich bringt. Es war zu prüfen, ob sich dies als

Selektionsvorteil gegenüber dem Wachstum von Wildhefen ausnutzen ließe.

Wildhefen kommen in Brotfabriken überall vor, so daß Kontaminationen der

Fermentationen mit diesen unausweichlich sind. Die Ausbreitung von Wildhefen im

Fermenter war deshalb besonders zu untersuchen, weil sich die vorgesehene

Rückführung eines Teils des nicht vollständig von Hefezellen freien

5 ERGEBNISSE UND DISKUSSION 83

Ablaufvolumenstroms in den Fermenter darauf unterstützend auswirken kann. In

dieser Rückführung besteht der wesentliche Vorteil der kontinuierlichen Fermentation

gegenüber der Hefevermehrung im Zulaufverfahren, weil damit der Ablaufvolumen-

strom zur Verdünnung des konzentrierten Substrats vorgenommen werden kann und

so der Ablaufvolumenstrom insgesamt minimiert werden kann. Auf die Rückführung

des von der Hefe befreiten Ablaufvolumenstroms kann deshalb nicht verzichtet

werden.

Alle zur Backhefevermehrung durch aeorbe Gärung durchgeführten Versuche haben

jedoch gezeigt, daß das erstrebte Ziel unter keiner der angewendeten

Versuchsbedingungen erreicht werden konnte. Es wurden lediglich die mit dem

Laborfermenter erzielten Ergebnisse bestätigt. Auszugsweise sind in Tabelle 19

Versuche dargestellt, welche die Aussage belegen.

Tabelle 19: Kontinuierliche Backhefeproduktion unter unsterilen Be-

dingungen auf dem Wege der aeroben Gärung

Versuchsbedingungen/ Versuchsnummer

Versuchsergebnisse 119 126 128

Versäuerung ja ja nein

Nährstoffzugabe nein ja ja

Fermentationszeit (h) 24 26 60

Backhefe (g/l): Start 20 37 102

Backhefe (g/l): Ende n.b 12 38 (≈70)*

Ausbeute 6,6 11,9 9,8 (≈18)*

(g HTS/100 g Glucose)

Mittlere Durchflußrate (h-1)

n.b.

0,41

0,25

Triebkraft (%): Start 100 100 100

Ende n.b. n.b. < 60

n.b. = nicht bestimmt

* bezogen auf die Summe aus Backhefe und Wildhefe

Unter konstanter Belüftung blieb die Backhefeausbeute selbst bei kleiner

anfänglicher Backhefekonzentration klein. Zwar konnte durch Nährstoffzugabe und

einer im Vergleich zum zitierten Versuch höherer Backhefekonzentration die

Ausbeute deutlich gesteigert werden, doch wurde die Backhefekonzentration durch

die gewählten Versuchsbedingungen, die bei hoher Zuwachsrate von H = 1,41 an

sich eine Ausbeute von 0,22 g HTS/g Glucose hätte erbringen können, schnell von

5 ERGEBNISSE UND DISKUSSION 84

anfänglich 37 g Backhefe/l auf gegen Ende des Versuchs 12 g Backhefe/l abgesenkt.

Mit dieser Ausbeute hätten 50% der im Brotsirup vorhandenen Glucose der aeroben

Gärung zugeführt werden müssen, um den Backhefebedarf der Fabrik zu decken.

Die Anpassung der Durchflußrate an die Wachstumsrate führte dann zwar zu einer

relativ stabilen Hefevermehrung, so daß sich die Hefekonzentration über die

Fermentationszeit auf einem annähernd konstanten und hohen Niveau (ca. 70 g

Hefe/l) einpendelte, doch sank die Triebkraft der gebildeten Flüssighefe deutlich, was

auf die starke Vermehrung von Wildhefen zurückgeführt werden konnte (Abb. 6). Der

Rückgang in der Triebkraft folgte dabei dem Wachstum der Wildhefen, die sich in

dem für diesen Versuch eingesetzten Fermentationssubstrat aus nicht versäuertem

Brotsirup trotz der Führung der Fermentation bei einem pH-Wert von 4,0 vermehrten.

Dieser pH-Wert entspricht dem des versäuerten Sirups.

Abbildung 6: Verlauf der Konzentration der Backhefe und der wilden Hefen während

der kontinuierlichen Backhefeproduktion unter unsterilen Bedingungen auf dem Weg

der aeroben Gärung: Versuch Nr. 128.

100

010 20 30 40 50 60 70

100

200

Backhefe

Wildhefen

Fermentationszeit (h)

Hefekonzentration (g Hefe/l)

5 ERGEBNISSE UND DISKUSSION 85

Damit ist bewiesen, daß mit der Versäuerung des Brotsirups zwar Verderbniserreger

unterdrückt werden können, nicht jedoch Wildhefen. Diese Erkenntnis ist für die

Auslegung für das Gesamtverfahren bedeutsam. Es bleibt außerdem festzuhalten,

daß sich die beiden anderen Vorteile der hier gewählten Führung der aeroben

Gärung, nämlich die Ausnutzung einer gegenüber der rein aeroben Fermentation

schnelleren Hefevermehrung und die Rückführung des von Hefe weitgehend

befreiten Ablaufvolumenstroms zur Verdünnung des Fermentationssubstrats nicht

verwirklichen haben lassen.

Es stand folglich fest, daß für die weitere Entwicklung des Verfahrensschrittes der

Backhefevermehrung sterile Betriebsweise des Fermenters gewählt werden muß.

Daraus folgt zwangsläufig auch, daß die rein aerobe Hefevermehrung der durch

aerobe Gärung möglichen vorzuziehen ist, weil sie den Vorteil der optimalen Nutzung

der Glucose zur Herstellung von Backhefe, Ethanol und Kohlendioxid unter der

Vorgabe des betriebsbedingten Backhefebedarfs aufweist. Damit ist dann auch die

Voraussetzung für eine zugehörige optimale Führung der Volumenströme

geschaffen, von denen der Ablaufvolumenstrom des Backhefefermenters das für die

Minimierung des Schüttwassers, respektive Flüssigsauers entscheidende Potential

besitzt.

5.3.2 Backhefevermehrung mit dem Technikumsfermenter

Die für die aerobe Backhefevermehrung mit dem Technikumsfermenter gestellte

Aufgabe wurde durch technische Maßnahmen bei der Konstruktion und Steuerung

des Fermenters gelöst, die in der Gewährleistung des Sterilbetriebs, eines

ausreichenden Sauerstoffeintrags und der Entwicklung der Regelkreise bestanden

(Abb. 7). Die Durchführung dieser Maßnahmen führte zu einer schrittweisen

Optimierung der Backhefevermehrung. Das Ergebnis der Optimierung ist in der

Tabelle 20 und Abbildung 8 anhand wesentlicher Teilergebnisse exemplarisch

dargestellt.

5 ERGEBNISSE UND DISKUSSION 86

Abbildung 7: Fließbild des Technikumsfermenters.

Wesentliche Erkenntnis aus den Versuchen 155 und 157 war es, daß die

Backhefekonzentration über den Versuchszeitraum von 91 h (Nr. 155) und 53 h

(Nr. 157) in gewissen Grenzen (Tab. 20) und Schwankungsbreiten (Abb. 7) stabil

gehalten werden konnte. Die Triebkraft änderte sich über den gesamten

Versuchszeitraum nicht und entsprach der Triebkraft der zum Vergleich

herangezogenen handelsüblichen Backhefe (Preßhefe). Allerdings war bei gleicher

Durchflußrate die Ausbeute deutlich kleiner als die angestrebte maximal mögliche

von 54 g HTS/100 g Glucose. Der Grund dafür lag in dem unzureichenden

Sauerstoffeintrag in das Fermentationssubstrat durch das eingesetzte

Propellerrührwerk. Dieses Rührwerk wurde deshalb durch ein effektiveres Rührwerk

mit Rührscheiben anstelle der Propeller ersetzt.

Substrat

Temperatur

Nährlösung

Lauge

Flüssighefe

Schüttwasser

Luft

Sauerstoff

Füllmasse

Trübung pH

PC-Regelung

Ethanol

Dekanter

Pufferbehälter

Rücklauf

Abluft

5 ERGEBNISSE UND DISKUSSION 87

Tabelle 20: Backhefeproduktion unter den Bedingungen der konti-

nuierlichen aeroben Fermentationen

Versuchsbedingungen/ Versuchsnummer

Versuchsergebnisse Propellerrührer Scheibenrührer

155 157 158 163

Fermentationszeit (h) 91 53 116 96

Backhefe (g/l): Start 60 50 50 55

Backhefe (g/l): Ende 30 60 40 70

Ausbeute

(g HTS/100g Glucose)

22,2 27,2 44,9 52,0

Mittlere Durchflußrate (h-1) 0,13 0,13 0,12 0,15

Triebkraft (%) (Start/Ende) 100 100 100 100

0 102030405060708090

100

200

Zeit (h)

Backhefekonzentration (g/l)

Nr. 155

Nr. 158

Nr. 157

Nr. 159

Abbildung 8: Verlauf der Backhefekonzentration während der kontinuierlichen

aeroben Fermentation.

5 ERGEBNISSE UND DISKUSSION 88

Die Optimierung des Scheibenrührwerks durch Einstellung der Rührelemente führte

schließlich zu dem gewünschten Ergebnis. Das ist durch die Versuche Nr. 158 und

Nr. 163 belegt. Die Regelung der Fermentation führte in allen Versuchen zu einer

stabilen Betriebsweise des Fermenters. Die festgestellte Schwankungsbreite der

Backhefekonzentration (Abb. 8) korrespondierte mit der entsprechenden

Schwankungsbreite der Regelung der Betriebsparameter (Abb. 9). Die

Schwankungsbreiten sind bezogen auf das Betriebsergebnis als sehr klein zu

bezeichnen, so daß das Ergebnis für eine Modellrechnung für den Massestrom des

Betriebs einer für die Fabrik erforderlichen Anlage verwendet werden konnte.

Abb. 9. Verlauf der Backhefekonzentration in Abhängigkeit von den Regelgrößen der

kontinuierlichen Fermentation: Versuch Nr. 163.

Aus der Abbildung 9 geht für die Modellrechnung hervor, daß durch Belüftung die

Backhefeausbeute nicht weiter hätte optimiert werden können. Das ergibt sich aus

dem Sauerstoffeintrag, der über die ganze Fermentationszeit von 85 h durch die

Belüftung so groß gewählt worden war, daß er die Backhefevermehrung nicht

limitierte. Deshalb konnte die Backhefevermehrung über die Verwertung des

zugeführten Fermentationssubstrats in das technische Optimum geführt werden. Die

kleine Ethanolbildung beweist das Erreichen des Ziels. Die Backhefeausbeute wich

-10

0 20406080100

Zeit (h)

Ethanol (g/l)

Füllstand (kg)

Sauerstoff (mg/l)

Zellzahl (g/l)

5 ERGEBNISSE UND DISKUSSION 89

über die Fermentationszeit weniger als 3% vom theoretischen Optimum ab. Da die

Glucosekonzentration im Fermentationssubstrat aus dem verfahrenstechnischen

Grund seiner Aufbereitung aus dem Brotsirup auf 15% festgelegt war, ergab sich

daraus zugleich die optimal erreichbare Backhefekonzentration im Fermenter und

davon abhängig ergaben sich die optimalen Ablaufmasseströme.

Der Sauerstoffeintrag wurde auch deshalb so groß gewählt, weil es in der

Anfahrphase des Fermenters durch die Rücklaufführung eines Teils des

Fermenterablaufs zu einer Konzentrierung nicht fermentierbarer organischer und

anorganischer Stoffe kommt, die einen erheblichen Einfluß auf die

Sauerstofflöslichkeit ausüben. Es sollte vermieden werden, dadurch die

Backhefevermehrung zu beeinträchtigen.

Abbildung 10: Erreichen des Gleichgewichtszustands der Konzentration an

Chloridionen im Technikumsfermenter.

Die Abbildung 10 zeigt, daß nach ca. 15 h unter den gewählten Betriebsbedingungen

ein Gleichgewichtszustand der Konzentration zwischen den zu- und abgeführten

Stoffen eintrat. Der Gleichgewichtszustand wurde über die Chloridionenkonzentration

berechnet, die exemplarisch für alle anderen nicht fermentierbaren Stoffe dazu

ausgewählt wurde. Die Betrachtung des Gleichgewichtszustands und seines Niveaus

0,0

5,0

10,0

15,0

20,0

25,0

30,0

35,0

0 5 10 15 20 25

Fermentationszeit (h)

Konzentration (g/l)

5 ERGEBNISSE UND DISKUSSION 90

gibt wichtige Hinweise auf die Abscheidecharakteristik der Backhefe durch

Zentrifugalabscheidung. Auf diese wirkt sich nämlich sowohl die Dichte des

Fermenterablaufs als auch seine Viskosität aus. Aus beidem ergibt sich eine weitere

begrenzende Größe für das Niveau des Gleichgewichtszustands.

Zur Vorbereitung auf die Modellrechnung wurden die in der Abbildung 9 dargestellten

Ergebnisse auf die mittleren stündlichen einzelnen Masseströme umgerechnet.

Damit waren diese für den Fermenter und unter den für seinen Betrieb gültigen

Randbedingungen der Verfahrensgestaltung explizit dargestellt. Die in der Tabelle 21

angegebenen Werte für den Massestrom des Fermentationssubstrats von 1,86 kg/h,

den Dekanterzulauf von 7,5 kg/h und den Rücklauf von 5,3 kg/h können damit als

Schlüsselgrößen für die Maßstabsvergrößerung einer solchen Anlage in der Fabrik

und die mit ihr zu erstellenden Leistung an Endprodukten gemäß der vorkommenden

Rückbrotmenge verwendet werden.

Tabelle 21: Mittlerer Massestrom: Technikumsanlage

Stoffstrom Massestrom (kg/h)

Fermentationssubstrat 1,86

Nährsalzlösung 0,27

Lauge 0,05

Dekanterzulauf 7,5

Flüssighefeablauf (20%TS) 0,77

= (Backhefe 27%TS) (0,53)

= (Hefe TS) (0,14)

Schüttwasser 1,41

Rücklauf 5,3

Unter der optimalen Betriebsweise des kontinuierlichen Fermenters fielen bei einer

Betriebszeit von sechs Tagen, die dem Produktionsrhythmus der Fabrik entsprechen,

unter Berücksichtigung des Abfahrmassestroms des Fermenters auf 1 kg Flüssighefe

(20% TS), die 0,67 kg Frischhefe entsprächen, 2,1 kg Schüttwasser an. Dieser Wert

ist mit dem Abfahrmassestrom eines nach dem Zulaufverfahren betriebenen

5 ERGEBNISSE UND DISKUSSION 91

Fermenters zu vergleichen. Gemäß dem Stand der Technik kann unter der Annahme

einer Backhefekonzentration von 180 g/l (15) in einem solchen Fermenter und der

Abnahme einer zum kontinuierlichen Fermenter gleichen Flüssighefemenge davon

ausgegangen werden, daß aus diesem auf 1 kg Flüssighefe 2,7 kg „Schüttwasser“

anfielen.

Aus diesem Vergleich geht hervor, daß der Vorteil der kontinuierlichen Fermentation

gegenüber der Fermentation im Zulaufverfahren bezogen auf den als Schüttwasser

bei der Brotherstellung verwertbaren Ablaufvolumenstrom nicht allzu groß wäre.

Deshalb sind für die Auslegung des Verfahrens hinsichtlich der Backhefevermehrung

grundsätzlich beide Möglichkeiten gegeben. Eine Entscheidung über den Einsatz des

einen oder anderen Fermenters wird deshalb weniger vom Schüttwasseranfall als

vielmehr von anderen Kriterien, wie der Sicherheit seines Betriebs und den für seine

Beschaffung erforderlichen Investitionskosten abhängen.

Diese Erkenntnis hatte für die weitere Durchführung des Vorhabens eine wichtige

Konsequenz. An sich wäre es bei Erreichen dieses Ergebnisses erforderlich

geworden, die Untersuchung durch Bau einer Pilotanlage mit kontinuierlichem

Fermenter in der Fabrik fortzuführen. Dem stand jedoch eine unverhältnismäßig

große Investitionssumme für den Bau eines steril zu haltenden Fermenters entgegen.

Da es in dieser Phase der Untersuchung aber nur noch darum ging, genügend

Backhefe aus dem Brotsirup zu produzieren, wurde vom Bau einer Pilotanlage

abgesehen. Die Versuche zur Backhefevermehrung wurden dafür in einer

angemieteten Pilotanlage für die Backhefeherstellung durchgeführt. Diese

Pilotanlage wurde mit den notwendigen Ausrüstungen für die Aufbereitung des

Rückbrots zu Brotsirup ergänzt (vergl. Kap. 4.3).

5 ERGEBNISSE UND DISKUSSION 92

5.3.3 Backhefevermehrung mit der Pilotanlage und Verwendung der Backhefe

Für den Einsatz des Pilotfermenters war es erforderlich, die technischen

Möglichkeiten zur Fermentationssubstratherstellung und seiner Verwertung zur

Herstellung von Flüssighefe auf den Einsatz in der Brotfabrik abzustimmen. Es

gelang, diese Vorgabe auf einen Arbeitsablauf im wöchentlich Rhythmus

einzustellen. Diese Einstellung orientierte sich pro Versuch an einer Backhefemenge

(H 27) von 80-100 kg, die groß genug war, um in den normalen Produktionsbetrieb

eines Betriebstags der Brotfabrik eingeschleust werden zu können. Da die

Substratherstellung auf die Produktion dieser Backhefemenge limitiert war, mußte

versucht werden, die Backhefevermehrung strikt aerob durchzuführen, um eine

möglichst hohe Substratausbeute in Form von Backhefe zu erzielen.

Hinsichtlich des Einsatzes der Flüssighefe ist auszuführen, daß die Teigchargen in

der Brotfabrik etwa 250 kg groß sind und die Backhefezugabe bezogen auf die

Mehlmenge je nach Teig zwischen 2-5% beträgt. Im Mittel konnten mit der auf H 27

bezogenen Flüssighefe etwa 4 t Mehl zu 25 Teigchargen verarbeitet werden. Die aus

diesen Teigen gebackenen Brote wurden sowohl als Ganzbrot wie auch als

Schnittbrot über die übliche tägliche Qualitätssicherung blind verkostet. Außerdem

wurden Gegenkontrollen durch Standardbackversuche vorgenommen. Dabei war

allerdings die Probenzahl der Versuchsbrote gegenüber den Normalbroten aufgrund

des kleinen Anteils der Versuchsbrote an der täglich produzierten Brotmenge

wesentlich größer.

Die Aufgabenstellung der Backhefeherstellung mit dem Pilotfermenter erforderte eine

besonders sorgfältige Planung der Versuche, weil ihre Durchführung mit erheblichen

Kosten verbunden war. Deshalb mußte der Pilotfermenter im Hinblick auf einen

sicheren Ablauf der Fermentation gefahren werden. Damit dies erreicht werden

konnte, wurde darauf verzichtet, den Stand der Technik hinsichtlich der

Backhefekonzentration im Fermenter und der technisch optimal erreichbaren

Substratausbeute zu reproduzieren.

Die Backhefevermehrung wurde auf die Einstellung der Triebkraft und

Geschmacksneutralität der Flüssighefe gerichtet. Da die Triebkraft im wesentlichen

vom Proteingehalt der Backhefe abhing, mußte vor allem die N-Versorgung in ein

5 ERGEBNISSE UND DISKUSSION 93

Optimum gebracht werden. Dabei stellte sich im Hinblick auf die

Geschmacksneutralität heraus, daß die N-Versorgung gegen Ende der

Backhefevermehrung von der Glucoseversorgung abgekoppelt werden mußte, um

den beobachteten ammoniakalischen Geschmack und Geruch des Fermenterablaufs

und der Flüssighefe zu beseitigen. Dazu wurde 120 min vor Ende der Fermentation

die N-Versorgung gestoppt. Die Glucoseversorgung wurde dagegen noch 90 min

weitergeführt.

Dieses Problem der geschmacklichen Beeinträchtigung der beiden Masseströme war

bei der kontinuierlichen Backhefevermehrung nicht aufgetreten, weil die

Backhefevermehrung unter diesen Bedingungen stets in der exponentiellen

Wachstumsphase erfolgte, so daß das Gleichgewicht zwischen Nährstoffangebot und

-aufnahme aufgrund der hohen Zuwachsrate ganz auf die Seite der

Nährstoffaufnahme gelegt werden konnte. Deshalb brauchten keine prophylaktischen

Maßnahmen für eine Stabilisierung des Geruchs und Geschmacks der Flüssighefe

und des Schüttwassers ergriffen zu werden.

5 ERGEBNISSE UND DISKUSSION 94

Tabelle 22: Backhefeherstellung mit dem Pilotfermenter im Zulaufverfahren und

Hefeverwertung

Versuchsbedindungen/ Versuchsnummer

Versuchsergebnisse 202 203 204 205 206 207 225* 229*

Fermentationszeit (h)

Frischhefevorlage (kg) 3,2 4,5 4,5 4,5 4,5 3,0 4,5 4,5

Wasservorlage (kg) 450 450 1000 1000 1000 1000 700 700

Substratzulauf (kg) 600 600 530 500 570 550 520 300

Glucose (kg) 36 36 68 65 67 47 74 48

Optimierung N-Versorgung ja ja ja

• • • • •

Frischhefeendkonzentration (g/l) 67 70 65 82 73 44 93 85

Frischhefeertrag (H 27) (kg) 71 73 99 123 117 65 109 85

Ausbeute (g HTS/100 g Glucose) 55 55 39 51 51 38 42 48

Backversuche zur Hefeverwertung

Gebäckvolumen (Triebkraft) + + + (+)** (+)** + + +

Geruch - - +/- + + + + +

* Verwendung von Teig an Stelle von Rückbrot

** Einschränkung war nur durch Versuchsanordnung begründet

Die Abbildung 11 zeigt eine exemplarische Fermentation, bei der die Backhefe-

vermehrung mit 51% Ausbeute in der Nähe des theoretischen Optimums ablief

(Tab.22). Bei diesem Versuch wurde aus einer Substratmenge von 500 l, die aus ca.

300 kg Rückbrot stammten, 200 kg Flüssighefe (= 127 kg H 27) hergestellt. Die

Ergebnisse der anderen in der Tabelle 22 dargestellten Versuche lassen die

Schwankungsbreite in der Ausbeute erkennen, die unter Berücksichtigung der

Meßgenauigkeit <20% war. Darin kommt zum Ausdruck, daß ein rein aerober Ablauf

der Backhefevermehrung nicht in allen Experimenten aufrecht erhalten werden

konnte. Daraus resultierte jedoch kein Nachteil für die Triebkraft der Flüssighefen, die

bei diesen Versuchen über die Volumenausbildung der Brote ermittelt wurde. Die

Triebkraft der Flüssighefe wurde jedoch in zwei Fällen der Brotherstellung im Bereich

des Ofenbetriebs leicht eingeschränkt. Das war jedoch nicht auf die Flüssighefe

selbst, sondern auf die Änderung einer Verfahrensbedingung zurückzuführen, welche

die Herstellung des Fermentationssubstrats betraf.

5 ERGEBNISSE UND DISKUSSION 95

Abbildung 11: Darstellung der Temperatur, der Rührerdrehzahl, des

Sauerstoffpartialdrucks, des Zulaufvolumenstroms und des Gesamtzulaufs über die

Fermentationszeit (V205).

Die Änderung der Verfahrensbedingung bestand darin, daß der Brotsirup nach

Absieben von Feststoffteilen direkt als Fermentationssubstrat eingesetzt wurde. Die

Begründung für diesen Schritt ergab sich für die Versuche ab der Versuchs-Nr. 202

aus der Überlegung, daß bezogen auf die Trockenmasse der Anteil der aus dem

Brotsirup herstellbaren Backhefe dem Anteil aller übrigen Stoffe entspricht, die nicht

in Backhefe umwandelbar sind. Folglich wäre selbst für den Fall, daß alle diese

Substanzen bei der Zentrifugalabscheidung in die Flüssighefe gelangten, die

Belastung des Teiges nur sehr klein. Sie sollte für die Volumenausbildung all der

Brote keine große Rolle spielen, die aus dunklen Mehltypen oder unter

Mitverwendung von Schroten hergestellt werden. Das gilt für einen großen Anteil des

Brotsortiments der Brotfabrik.

Diese Überlegung wurde durch Backversuche mit entsprechenden Rezepturen

bestätigt.

0 200 400 600 800 1000 1200 1400

Fermentationszeit (min)

Volumenstrom/Temperatur/

Sauerstoff/pH

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

Ethanol

Volumenstrom (l/h) Sauerstoffsättigung (%) Temperatur (°C) pH EtOH (Vol%)

5 ERGEBNISSE UND DISKUSSION 96

Die Backversuchsergebnisse belegen, daß nach der Geruchs- und

Geschmacksjustierung mit der aus Rückbrot und Teigen hergestellten Flüssighefe

Brote gebacken werden konnten, die der üblichen täglich in der Brotfabrik erzielten

Brotqualität entsprachen. Die Beobachtung des leichten Rückgangs im Brotvolumen,

der auf einem Rückgang im Ofentrieb beruhte und auf die Mitverwendung der

Proteinfraktion in der Flüssighefe zurückzuführen war, konnte toleriert werden, weil er

sich in der üblichen Schwankungsbreite der Volumenausbildung der einzelnen

Backwaren des Brotsortiments der Brotfabrik bewegte. Allerdings müßte für die

ausschließliche Verwendung einer so zusammengesetzten Flüssighefe doch von

einer begrenzten Absenkung des üblicherweise erreichten Niveaus des

Backvolumens ausgegangen werden. Dem kann aber dadurch begegnet werden,

daß die Proteinfraktion entsprechend der verfahrenskonformen Vorgehensweise aus

dem Brotsirup zentrifugal abgeschieden wird. Die Proteinfraktion kann dann, wie

bereits beschrieben, für die Brotsorten eingesetzt werden, für die ein kleines

Backvolumen und eine dichte, dunkle Krume charakteristisch sind.

Die Verwendung der so hergestellten Backhefe als Flüssighefe brächte für die

Brotfabrik den zusätzlichen Vorteil ihrer direkten Dosierbarkeit mit Dosierpumpen

über die vorhandene Ringleitung. Bei der Verwendung von Preßhefe muß diese vor

der Dosierung erst in einem zusätzlichen Verfahrensschritt verflüssigt werden.

Heutzutage gehen Hefefabriken jedoch mehr und mehr dazu über, Brotfabriken

anstelle von Preßhefe mit Heferahm zu beliefern, ohne diesen zu Preßhefe

weiterzuverarbeiten. Dieser Heferahm, der auch als Flüssighefe bezeichnet wird, ist

eine gereinigte Backhefe. Ihre Verwendung erfordert in Brotfabriken den Einbau

eines gekühlten Tanklagers.

Für den Einsatz von Flüssighefe ist es nun von Interesse, daß die durch den deutlich

höheren Wassergehalt des Heferahms verursachten höheren Transportkosten durch

den Verzicht auf die Preßhefestufe bei der Hefeherstellung und die Handhabung der

Preßhefe auf der Seite der Hefefabrik mehr als aufgewogen werden. Die Brotfabriken

können deshalb bezogen auf die gleiche Triebleistung den Heferahm billiger als die

Preßhefe beziehen. Diesem Vorteil stehen auf der Seite der Brotfabrik die Kosten für

die Handhabung der Preßhefe und die Investition in die Tankanlage und deren

5 ERGEBNISSE UND DISKUSSION 97

Betrieb gegenüber. Die sich ergebenden Differenzkosten müssen bei der Kalkulation

des Referenzpreises für die verfahrenskonform hergestellte Flüssighefe, die eine

nicht gereinigte Backhefe ist, berücksichtigt werden, für deren Einsatz ein gekühltes

Tanklager ohnehin erforderlich ist.

Die Pilotversuche zur Backhefeherstellung führten in zwei Fällen zur Ausbeute des

Substrats im theoretischen Optimum von 54%. Gemessen wurden einschließlich des

Meßwertfehlers 55%. In zwei weiteren Fällen wurde das für Backhefeanlagen übliche

technische Optimum von 51% erreicht. Die weiteren aufgezeigten

Versuchsergebnisse weisen von diesen Optima zum Teil deutliche Unterschiede auf.

Da der Pilotfermenter jedoch auf sicheren Betrieb und nicht auf höchste Leistung und

Substratausbeute gefahren werden mußte, um das Hauptziel zu erreichen, das in der

Herstellung einer ausreichenden Menge Backhefe mit zu konventionell hergestellter

vergleichbar großer Triebleistung bestand, wurde darauf verzichtet, Sicherheit in der

Reproduzierbarkeit der Ergebnisse zu erlangen. Dies war für die Pilotversuche

ohnehin ohne Belang, weil von ihnen keine Schlußfolgerungen auf Großversuche

gezogen hätten werden können, mit denen die gesamte täglich verbrauchte

Hefemenge der Brotfabrik hergestellt werden müßte.

Daraus könnte nun geschlossen werden, die Pilotversuche ließen sich nicht auf den

für die Brotfabrik zu fordernden technischen Maßstab übertragen. Das ist jedoch

nicht der Fall, weil es einen sicheren Beleg dafür gibt, daß Backhefe in genau dieser

Größenordnung im täglichen Produktionsrhythmus mit hoher Sicherheit hergestellt

werden kann. Der Beleg besteht in der Produktion einer Spezialbackhefe, den die Fa.

Agrano aus Getreide herstellt, einem zum Rückbrot direkt vergleichbaren Substrat.

Dazu betreibt sie den bereits zitierten Zulauffermenter mit einer Leistung von bis zu

5 t Backhefe (HTS) seit einigen Jahren bezüglich Substratausbeute und Leistung

erfolgreich. Es kommen dabei aufgrund der sorgfältigen Herstellung des Anstellguts

und des Betriebs des Fermenters keine Fehlchargen vor (44).

Dieser Hinweis ist für eine mögliche Umsetzung des Verfahrens zusammen mit dem

Hinweis auf die Notwendigkeit der Installation eines kühlbaren Tanklagers für die

Flüssighefe von großer Bedeutung. In der Brotfabrik geht es darum, täglich die

notwendige Backhefemenge zur Verfügung zu haben. Die Erfüllung dieser Forderung

5 ERGEBNISSE UND DISKUSSION 98

stellt für die Brotfabrik bisher kein Problem dar, weil sie mit Backhefe beliefert wird.

Das Risiko der Bereitstellung von Backhefe wird ihr dadurch von der Hefefabrik

vollständig abgenommen. Für den Fall, daß die Brotfabrik zum Hersteller ihres

eigenen Backhefebedarfs wird, liegt dagegen das ganze Risiko der

Backhefebereitstellung bei ihr. Die Brotfabrik braucht deshalb eine sehr hohe

Betriebssicherheit für den täglichen Betrieb des Fermenters, weil dessen Leistung

aus technischen und ökonomischen Gründen nicht für eine größere Vorratshaltung

von Backhefe ausgelegt werden kann.

Zu erwähnen bleibt, daß die Versuche mit dem Pilotfermenter nichts zur

Entscheidungsfindung über die Backhefeerstellung im kontinuierlichen Verfahren

oder im Zulaufverfahren hat beitragen können. Für beide Verfahren gibt es Vor- und

Nachteile, die bei einer möglichen Umsetzung der Ergebnisse in den Bau einer

entsprechenden Anlage zur Rückbrotverwertung zur Entscheidungsfindung für das

eine oder andere Verfahren gegeneinander abgewogen werden müssen.

5.4 Masseanfall bei der Rückbrotverwertung

Aus den vorzitierten Angaben über die Verwertung von Rückbrot zur Herstellung von

Flüssighefe, Schüttwasser (Flüssigsauer), Proteinfraktion, Ethanol und Kohlendioxid

aus Brotsirup, bzw. dem aus diesem gewonnenen Fermentationssubstrat, kann die

Massebilanz für die Durchführung des Verfahrens aufgestellt werden. Ausgehend

von einem Hydrolysegrad von 90% der Stärke im Rückbrot, der auf der Grundlage

der Versuchsergebnisse im nicht gewichteten Mittel hier zu 63,8% angenommen sei,

und einer Fraktionierung des entstehenden Brotsirups gemäß der in den Tabellen 8

und 9 gegebenen Verteilung sind dazu in der Tabelle 23 die Basisdaten für die auf

100 kg Rückbrot bezogene Verteilungsbilanz des Brotsirups dargestellt. Für diese ist

angenommen, daß der Stärkegehalt im Rückbrot zu 90% hydrolysiert worden sei, so

daß in 66,5 kg der Trockenmasse des Brotsirups 40,6 kg Glucose vorkommen. Nach

den Prozeßschritten Versäuern, Sieben/Pressen und Zentrifugieren werden 8,8 kg

Glucose der aeroben Hefevermehrung zugeführt, der Rest steht der anaeroben

Fermentation zur Verfügung.

5 ERGEBNISSE UND DISKUSSION 99

Tabelle 23: Grunddaten für die Massebilanzierung bei der Aufarbeitung eines

Brotsirups aus Rückbrot

Fraktion Frischmasse (kg) TS (kg)* Glucose (kg) Protein (kg)

Fermentations-Substrat 165 39,2 30,5 1,4

Proteinfraktion 23 6,6 0,4 2,7

Preßkuchen 10 5,2 1,3 1,1

Extrakt 185 15,5 8,4 2,1

Summe 382 66,5 40,6 7,8

* Bezogen auf 100 kg Rückbrot mit einem Stärkegehalt von 63,8% unter

Berücksichtigung des Hydrolysegewinns bei der Stärkehydrolyse: Hydrolysegrad =

90%

Unter Berücksichtigung des Verfahrensablaufs, der die Nutzung von ca. einem

Fünftel der im Brotsirup vorhandenen Glucose für die aerobe Hefevermehrung

vorsieht, ergibt sich bezogen auf 100 kg Rückbrot die in der Abbildung 12

dargestellte Massebilanz für die Rückbrotverwertung. In dieser Massebilanz ist die

Backhefeherstellung nach dem kontinuierlichen Verfahren und dem Zulaufverfahren

berücksichtigt. Die dieser Massebilanz zugrunde zu legende Führung der

Masseströme zeichnet sich insbesondere durch die Aufteilung des verdünnten und

gesiebten Brotsirups in ein teilgeklärtes und ein nicht geklärtes

Fermentationssubstrat aus. Das teilgeklärte Fermentationssubstrat mit einer

Glucosekonzentration von 15,0% wird für die Herstellung der Flüssighefe und

letzteres für die Herstellung und Gewinnung von Ethanol, Kohlendioxid und der

Proteinfraktion eingesetzt. Aus beiden Fermentationssubstraten wird darüber hinaus

Schüttwasser (Flüssigsauer) gewonnen.

5 ERGEBNISSE UND DISKUSSION 100

Abbildung 12: Massebilanz für die Rückbrotverwertung mit Backhefeherstellung nach

dem kontinuierlichen Verfahren und dem Zulaufverfahren (gestrichelte Linie).

Rückbrot

100 k

Einmaischen

150 k

Sirupkochen

150 k

Versäuern

150 k

Sieben und

Pressen

267 k

Wasser

117 k

Presskuchen

10 k

Zentrifugieren

257 k

Fermentations-

substrat I

59 k

Fermentations-

substrat II

198 kg

Anaerob

198 k

Aerob

69 k

Schüttwasser

139 k

Destillieren

185 k

Zentrifugieren

172 k

Schüttwasser

44 k

Proteinfraktion

33 k

Ethanol

13 k

Flüssighefe

25 k

Nährlösung

10 k

Kohlendioxid

13 k

Schüttwasser

50 k

Angaben beziehen sich auf:

Trockenmasse: 63,7 kg

Stärke: 40,6 kg

drol

rad: 90 %

Schüttwasser

68 kg

Vorlagewasser

14 k

5 ERGEBNISSE UND DISKUSSION 101

Die beiden das Schüttwasser bildenden Massen können zu einer Gesamtmasse

vereinigt werden. Danach fallen bei kontinuierlicher Backhefeherstellung 191 kg

Schüttwasser/100 kg Rückbrot und beim Zulaufverfahren 207 kg Schütt-

wasser/100 kg Rückbrot an. Der kleine Unterschied von etwa 17 kg Schütt-

wasser/100 kg Rückbrot zugunsten der kontinuierlichen Hefeherstellung ergibt sich

daraus, daß die Schüttwasserrückführung über 6 Betriebstage des kontinuierlichen

Fermenters zu einem entsprechend kleinerem Schüttwassermassestrom gegenüber

dem Schüttwassermassestrom beim Zulaufverfahren führt. Die Differenz beruht im

wesentlichen auf der Zellkonzentration in beiden Fermentern, die beim

kontinuierlichen Fermenter 70 g Backhefe/l nicht übersteigen kann und beim

Zulauffermenter dem Stand der Technik entsprechend 180 g Backhefe/l betragen

kann.

Es wurde bereits darauf hingewiesen, daß das Rückbrot gegebenenfalls

schwerpunktmäßig zur Herstellung von Backhefe verwendet wird. Für diesen Fall

muß aus dem Brotsirup die Glucose möglichst vollständig extrahiert werden, weil die

Brotsirupherstellung ein wesentlicher, kostenbestimmender Faktor für die

Backhefeherstellung ist. Dabei muß aber wegen der Einbindung der

Backhefeherstellung in die Brotproduktion darauf geachtet werden, daß die

Glucosekonzentration im Fermentationssubstrat nicht zu klein wird, weil dadurch

unter den gegebenen Fermentationsbedingungen im kontinuierlichen Fermenter

(Zellkonzentration: 70 g/l) der Ablaufvolumenstrom an Schüttwasser zu groß würde.

Ein Kompromiß aus beiden Forderungen ist in der Abbildung 13 dargestellt, der sich

ebenfalls auf die in der Tabelle 23 aufgezeigten Grunddaten bezieht. Danach

verbleiben von der vorhandenen Glucosemenge 0,4 kg in der Proteinfraktion, die

folglich nicht der Hefevermehrung zur Verfügung stehen. Es entstehen jedoch keine

weiteren Abgänge an Glucose gegenüber dem vorzitierten Beispiel. Danach gelingt

es, den Glucosegehalt des Brotsirups bei vertretbarer Verdünnung des Substrats auf

eine Glucosekonzentration von 10,7% bei einem Anfall der Glucose von 1% ihrer

Gesamtmasse im Preßkuchen annähernd vollständig der Hefevermehrung

zuzuführen.

5 ERGEBNISSE UND DISKUSSION 102

Abbildung 13: Massebilanz für die Rückbrotverwertung bei kontinuierlicher

Backhefeherstellung.

Rückbrot

100 kg

Einmaischen

150 kg

Schüttwasser

50 kg

Sirupkochen

150 kg

Versäuern

150 kg

Sieben und

Pressen

267 kg

Frischwasser

117 kg Presskuchen

10 kg

Zentrifugieren

257 kg

Zentrifugieren

92 kg

Frischwasser

116 kg

Fermentations-

substrat I

165 kg

Proteinfraktion

23 kg

Fermentations-

substrat II

185 kg

Aerob

393 kg

Flüssighefe

103 kg

Schüttwasser

290 kg

Angaben beziehen sich auf:

Trockenmasse: 63,7 kg

Stärke: 40,6 kg

Hydrolysegrad: 90 %

Schüttwasser = Flüssigsauer

Nährlösung

43 kg

Schüttwasser

240 kg

5 ERGEBNISSE UND DISKUSSION 103

Die Nutzung der gesamten Glucose des Brotsirups für die Hefevermehrung führt zu

einem Flüssighefeanfall von 103 kg aus 37,3 kg Glucose. Der Schüttwasseranfall

beträgt dabei 290 kg. Davon stehen 240 kg Schüttwasser (Flüssigsauer) für die

Brotherstellung nach Abzug des Rücklaufs zum Einmaischen von 50 kg zur

Verfügung. Die zugehörige Vergleichszahl aus der aerob-anaeroben Verwertung der

Glucose beträgt 123 kg. Werden beide Werte auf die produzierte Flüssighefemenge

bezogen, so ergibt sich für die ausschließlich aerobe Fermentation des

Fermentationssubstrats aus dem Brotsirup ein Faktor von 2,3 (F1) und für dessen

aerob-anaerobe Fermentation ein Faktor von 5,3 (F2). Das Verhältnis dieser Faktoren

beträgt 2,3 (F2/F1) und drückt aus, daß das Schüttwasservolumen bei der aerob-

aneroben Fermentation 2,3 mal größer als bei aeroben Fermentation ist, obgleich für

letzteres eine stärkere Verdünnung des Fermentationssubstrats als bei der aeroben

Hefevermehrung der aeroben-anaeroben Fermentation vorgenommen wird.

5.5 Täglicher Masseanfall und Verfahrensablauf bei der Rückbrotverwertung

Auf der Grundlage der dargestellten Massen können die im Verfahrensablauf

anfallenden Masseströme aufgestellt werden, nach denen die maschinentechnische

Auslegung der Anlage zu erfolgen hat. Aus dieser Auslegung ergibt sich aus der Art

der Verarbeitung der Masseströme der zugehörige Medienbedarf für die Herstellung

der einzelnen Produkte. Aus der maschinentechnischen Auslegung und dem

Medienbedarf können die Kosten für die Investition und die Kosten für den Betrieb

der Anlage berechnet werden. Diese Berechnung bildet die Grundlage für die

Wirtschaftlichkeitsberechnung, die hier im Sinne einer Kosten-Erlös-Rechnung

aufgestellt wird.

Zur Herleitung der Masseströme im Verfahrensablauf sind nachstehend mit Blick auf

eine mögliche Umsetzung der Ergebnisse in eine technische Anlage die täglich

anfallenden Produktmassen für das Beispiel der aerob-anaeroben Aufarbeitung der

Gesamtrückbrotmenge und der aeroben Aufarbeitung eines Teils davon aufgeführt.

Darin stellt der Hefebedarf der Fabrik von 5.000 kg Backhefe/h 27 die Bezugsgröße

dar (Tab. 24)

5 ERGEBNISSE UND DISKUSSION 104

Tabelle 24: Täglich aus Rückbrot anfallende Produktmassen bei dessen

Gesamt- und Teilverwertung

Produkt Produktanfall (kg/d)

Rückbrot-

Gesamtverwertung

Rückbrot-

Teilverwertung

Rückbrot 30.000 7.300

Brotsirup 45.000 11.000

Flüssighefe 7.500 7.500

Schüttwasser 39.900 17.500

Proteinfraktion 9.900 1.700

Preßkuchen 3.000 700

Ethanol 3.900 -

Kohlendioxid 3.900 -

Der Verfahrensablauf läßt sich in diskontinuierliche und kontinuierliche Teilschritte

unterteilen. Das ist sowohl für den Betrieb der einzelnen Anlageteile als auch die

Umsetzung des Verfahrens aus wirtschaftlicher Sicht von großen Interesse.

Grundsätzlich kann das Verfahren in die Blöcke Brotsirupbereitung,

Brotsirupaufarbeitung, Backhefeherstellung sowie Gärung mit Ethanol- und

Kohlendioxidgewinnung untergliedert werden. Diese Verfahrensblöcke werden im

Verfahrensablauf durch Pufferbehälter voneinander getrennt, so daß sie quasi

unabhängig voneinander betrieben werden können. Das ist für den Betrieb der

gesamten Anlage deshalb vorteilhaft, weil dadurch Teilausfälle oder vollständige

Stillsetzungen der einzelnen Blöcke nicht zur Stillegung des Gesamtverfahrens

führen. Damit ist eine hohe Betriebssicherheit gegeben.

Kennzeichnend für die Blöcke Brotsirupherstellung und Aufarbeitung ist es, daß diese

diskontinuierlich betrieben werden. Die Hefevermehrung kann sowohl kontinuierlich

als auch diskontinuierlich vorgenommen werden. Die Gärung sollte wegen der doch

nur kleinen Leistung des Blocks „Gärung“ vorzugsweise chargen-weise quasi

kontinuierlich erfolgen. Für die Kohlendioxid- und Ethanolgewinnung aus dem

vergorenen Fermentationssubstrat bietet sich eine auf die Brotproduktion bezogene

5 ERGEBNISSE UND DISKUSSION 105

kontinuierliche Betriebsweise an, weil damit für die Ethanoldestillation die Abwärme

der Backöfen genutzt werden kann.

In der Nutzung der Abwärme der Backöfen liegt ein besonderer wirtschaftlicher

Vorteil für das Gesamtverfahren. Dieser Vorteil ist jedoch mit Bezug auf die

Wirtschaftlichkeit des Gesamtverfahrens zu betrachten. Diesbezüglich ist

festzustellen, daß gegenüber den anderen Produkten die größte Wertschöpfung aus

dem Rückbrot in dessen Einsatz für die Backhefeherstellung liegt. Sie findet

allerdings ihre Begrenzung im Backhefebedarf der Brotfabrik.

5.6 Wirtschaftlichkeit des Verfahrens

Die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens wird entscheidend von den Kosten für Energie

und für Hilfsmittel für seine Durchführung, den Abschreibungskosten für die

Investitionen in die Anlagenteile und den Personalkosten für den Betrieb der Anlage

bestimmt. Die Kosten für den Rohstoff, der bei vergleichbaren Verfahren, wie der

Ethanolherstellung aus Getreide oder der Backhefeherstellung aus Melasse, von

wesentlicher Bedeutung sind, fallen bei dem Verfahren kaum noch ins Gewicht, weil

der Erlös für Rückbrot, das als Futtermittel eingesetzt wird, bei der als Beispiel

herangezogenen Brotfabrik auf 30 DM/t zurückgegangen ist. Dem steht ein

Referenzpreis für Futtergetreide von 220DM/t gegenüber.

Auf die Trockenmasse bezogen ist das Futtergetreide fünfmal teurer als das

Rückbrot. Vergleichbar teurer ist Melasse für die Backhefeherstellung. Der Preis für

Melasse beträgt z.Z. etwa 260 DM/t (45). Da aus 100kg Melasse 100kg Backhefe

(H27) und demgegenüber aus 100kg Rückbrot 70 kg Backhefe (H27) hergestellt

werden können, ist Melasse als Rohstoff für die Backhefeherstellung sogar sechsmal

teurer als Rückbrot. Ein ähnliches Verhältnis ergibt sich für die Verwendung von

Melasse und Rückbrot zur Ethanolherstellung. Das Verhältnis von Melasse- zu

Rückbrotkosten beträgt bei einer Ausbeute von 25,2 kg Ethanol aus 100kg Melasse

und 19,2kg Ethanol aus 100kg Rückbrot 6,5. Diese jeweiligen Relationen werden

allerdings sowohl für die Backhefe als auch die Ethanolherstellung dadurch

verringert, daß die Kosten für die Aufarbeitung des Rückbrots zum

5 ERGEBNISSE UND DISKUSSION 106

Fermentationssubstat in die Kalkulation für den Rohstoff einbezogen werden

müssen.

Grundsätzlich lassen diese Überlegungen erkennen, daß die Basis für einen

wirtschaftlichen Einsatz des Rückbrots als Rohstoff für die Backhefe- und

Ethanolherstellung gegeben ist. Dem kann allerdings entgegenstehen, daß die

Wirtschaftlichkeit für den Einsatz des einen oder anderen Rohstoffs für die Backhefe-

oder Ethanolherstellung nur erreicht wird, wenn eine bestimmte Anlagengröße nicht

unterschritten wird. Das ist letztlich der Grund dafür, daß nur große Hefe- und

Ethanolfabriken wirtschaftlich betrieben werden können. Es müssen deshalb von

vornherein besondere Vorteile gegeben sein, wenn kleine Anlagen wirtschaftlich

betreibbar sein sollen. Solche Vorteile bestehen beispielsweise für das beschriebene

Verfahren der Produktgewinnung aus Rückbrot darin, daß

-die Verfahrensschritte zur Aufarbeitung der aus dem Fermenter abgezogenen

Flüssighefe zu Backhefe (H27) entfallen können,

-kein Abwasser anfällt,

-die nicht fermentierbaren Begleitstoffe direkt in die Backrezeptur eingearbeitet

werden können und

-die Abwärme aus den Brennern als Energiequelle für die

Verfahrensdurchführung verwendet werden können.

In der Tabelle 25 ist einleitend zur Wirtschaftlichkeitsberechnung des Verfahrens,

bzw. seiner beiden darzustellenden Versionen (Modell A und B) für die

Flüssighefeherstellung (Modell A) bis zur Lagerung der Flüssighefe darstellt. Daraus

geht hervor, daß der Energiebedarf für die Brotsirupbereitung bis zur Kühlung des in

den Fermenter übergebenen Substrats 37% des Gesamtenergiebedarfs ausmacht.

Noch größer ist mit 60% vom Gesamtenergiebedarf allerdings der allein für die

Kühlung des Fermenters erforderliche Energiebedarf.

5 ERGEBNISSE UND DISKUSSION 107

Tabelle 25: Thermischer Energiebedarf bei der Flüssighefeherstellung

Aufheizen Energiebedarf*

Kühlen (kJ/100 kg Rückbrot) (kWh/100 kg Rückbrot)

Brotsirupbereitung 50.000 13,8

Heißextraktion 59.000 16,4

Pasteurisieren 44.000 12,2

Summe Aufheizen 153.000 42,4

Brotsirupbereitung 25.000 6,9

Substratkühlung 59.000 16,4

Aerobe Fermentation 380.000 106,0

Flüssighefekühlung 20.000 5,6

Summe Kühlen 484.000 134,9

Gesamt 637.000 177,3

* Ohne Berücksichtigung möglicher Energierückgewinnungen

Im Hinblick auf die Nutzung der Abwärme aus den Öfen der Brotfabrik ist es

nachteilig, daß der Energiebedarf zum Aufheizen bei der Brotsirupherstellung nur

24% des thermischen Energiebedarfs ausmacht. Diesbezüglich geht aus einer

Energienutzungsstudie (46) für die Brotfabrik hervor, daß der Energieinhalt der

nutzbaren Abwärmeströme aus Rauchgas und Schwadenabluft insgesamt 9.867

MWh/a beträgt (Tab. 26). Davon werden bisher weniger als 1.500 MWh/a genutzt

(Tab. 27).

Tabelle 26: Abwärmeströme aus Rauchgas und Schwadenabluft in der Brotfabrik

Ofenlinien Energieinhalt der nutzbaren

Abwärmeströme* (kWh/a)

Brenner 6.160.677

Schwaden 3.699.586

Gesamt 9.860.263

*l.c. A. Penschke (2000)

Aus den dargestellten Möglichkeiten der Verwendung des Energieinhalts der

Abwärmeströme in einzelnen Abteilungen des Betriebs geht hervor, daß davon

knapp 60% nutzbar gemacht werden könnten. Die restlichen 40% stünden dann

5 ERGEBNISSE UND DISKUSSION 108

beispielsweise für das Verfahren zur Rückbrotverwertung zur Verfügung.

Diesbezüglich ist für die Nutzung des Energieinhalts die Lenkung der

Abwärmeströme nach den betrieblichen Nutzungen als Heißwasser oder Dampf zu

berücksichtigen. Für das Verfahren ist der Abwärmestom aus den Brennern

besonders relevant, weil mit ihm Dampf erzeugt werden kann, der als Energieträger

sowohl für die Brotsirupherstellung als auch zum Sterilisieren und Destillieren des

Ethanols (Modell B) eingesetzt werden kann.

Tabelle 27: Wärmeverbraucher für eine mögliche sowie eine bereits verwirklichte

Nutzung der Abwärmeströme

Wärmeverbraucher Notwendige

Temperatur

(°C)

Wärme-

leistung

(kW)

Wärme-

verbrauch

(kWh/a)

Derzeitige

Energieträger

Verladehalle (Heizung) 50-60 140 873.600 Abwärme Rauch-

gase Linie 1-3

Brauchwarmwasser 50-60 93 637.120 Abwärme Kon-

densat Fernwärme

(+ND-Dampf 1,4bar)

Versandhalle (Heizung) 50-60 - 407.808 Fernwärmedampf

4bar

LKW-Waschanlage 40 - 209.260 Heizöl

Kastenwaschanlage >100 140 894.566 Fernwärmedampf

4bar

Backblechwaschanlage (60-80) - - ND-Dampf 1,4 bar

Heizung und Lüftung 50-60 - 1.223.423 ND-Dampf 1,4 bar

Pasteur >100 272 1.414.400 Erdgas

*l.c. A. Penschke (2000)

Im Falle der Durchführung des Modells A würden nur weitere 1.600 MWh/a benötigt,

um die Flüssighefe herzustellen. Damit würden dann 74% der nutzbaren Abwärme

genutzt sein. Zwar beträgt der Wert dieses Wärmebedarfs 77.000DM/a (Tab. 28),

doch kann dieser bei der Wirtschaftlichkeitsbetrachtung nicht in voller Höhe zur

Reduzierung der Energiekosten geltend gemacht werden, weil davon die

Investitionen für die Wärmerückgewinnung abgezogen werden müssen. Eine

überschlägige Berechnung auf der Grundlage der in der Energienutzungsstudie

gegebenen Hinweise für die Amortisation hat ergeben, daß über einen Zeitraum der

ersten 10 Betriebsjahre einer entsprechenden Rückbrotverwertungsanlage zwei

5 ERGEBNISSE UND DISKUSSION 109

Drittel des Energierückgewinns kostenmäßig angerechnet werden können. Das

bedeutet auf die vorgegebene Zahl von 77.000 DM/a einen geldwerten Rückgewinn

von 50.000 DM/a für den Wärmebedarf von 1.600 MWh/a für das Modell A.

Für die Durchführung des Modells B ist aus den Zahlen in der Tabelle 28 zu

erkennen, daß mit 7.100 MWh/a mehr thermische Energie, und zwar in Form von

Dampf, benötigt wird, als an für die Dampfherstellung nutzbare Energie aus dem

Abwärmestrom der Brenner anfällt. Deshalb lassen sich für diesen Bedarf aus dem

Abwärmestrom der Brenner von 6.161 MWh/a unter Berücksichtigung der

vorgenannten Berechnung für den Wert des Energierückgewinns nur 200.000 DM/a

realisieren.

Das Modell B besitzt folglich den Vorteil zusammen mit den anderen in der Tabelle 27

gezeigten Möglichkeiten der Abwärmenutzung alle nutzbaren Abwärmeströme

vollständig und vor allem kontinuierlich nutzen zu können. Der Gesamtwert dieser

Rückgewinnung würde 316.000 DM/a betragen. Darüberhinaus besteht dann noch

weiterer Bedarf für Wärmeenergie. Hier soll unberücksichtigt bleiben, daß natürlich

auch noch Abwärme aus dem Verfahrensablauf nach den Modellen A und B

gewonnen werden könnte, beispielsweise für den Betrieb einer Anlage zur

Kältegewinnung durch Ammoniakverdampfung.

Tabelle 28: Gegenüberstellung des nutzbaren Energieinhalts aus den Brennern und

des Wärmebedarfs bei der Brotsirupbereitung und -aufarbeitung

Energieinhalt

(MWh/a)

Wert (DM/a)

Nutzbarer Energieinhalt aus den Brennern (kWh/a) 6.161* 296.000

Wärmebedarf für die Brotsirupbereitstellung und

–aufarbeitung** - Modell A **

1.600 77.000

Wärmebedarf für die Brotsirupbereitung und

–aufarbeitung sowie die Ethanolherstellung Modell B***

7.100 341.000

* l.c. A. Penschke (2000)

** bezogen auf 12t Rückbrotverwertung/d x 6d pro Woche für 52 Jahreswochen

*** bezogen auf 30t Rückbrotverwertung/d x 6d pro Woche für 52 Jahreswochen

5 ERGEBNISSE UND DISKUSSION 110

Damit nun unter Einbeziehen dieser Betrachtung des Gesamtenergiekonzepts des

Betriebs eine Wirtschaftlichkeitsberechnung für die Durchführung der Modelle A und

B erfolgen kann, muß der Bedarf an Betriebs- und Hilfsstoffen für die Herstellung der

Produkte ermittelt werden. Diesbezüglich sind nur die Betriebs- und Hilfsstoffe für die

Flüssighefe-, Ethanol- und Kohlendioxidherstellung von Interesse, weil die beiden

anderen Produkte, das Schüttwasser und die Proteinfraktion sozusagen als

Folgeprodukte in den Prozeß der Brotherstellung überführt werden. Der Betriebs-

und Hilfsstoffbedarf ist in Tabelle 29 für die Flüssighefe- und Ethanolherstellung auf

der Grundlage der erzielten Versuchsergebnisse für das in der Anlage beigefügte

Fließbild für die Flüssighefeherstellung (Modell A) errechnet worden. Die

Zahlenangaben für die Ethanolherstellung wurden der Literatur (47) entnommen. Die

Auslegung und Berechnung der Kosten für diesen Anlagenteil ist bewußt nicht auf

heutige moderne Großanlagen (18) bezogen, sondern auf Kleinanlagen, die nach

herkömmlichen Verfahren arbeiten. Gleiches erfolgte für die Berechnung der Kosten

für die Kohlendioxidgewinnung, für die direkt die in der Literatur (46, 47)

veröffentlichten Werte für die Gewinnungskosten herangezogen werden, wie sie bei

Anlagen der hier vorgesehenen Größe anfallen.

Die Preise für die Betriebs- und Hilfsstoffe entsprechen außer für die Enzyme und

Nährstoffe Angaben der Brotfabrik. Die Preise für die Enzyme entspricht den

Angaben eines großen Enzymherstellers und die Preise für die Nährstoffe den

Angaben eines großen Hefeherstellers.

Tabelle 29: Betriebs- und Hilfsstoffbedarf für die Flüssighefe- und Ethanolherstellung

Betriebs/Hilfsstoff Flüssighefeherstellung Ethanolherstellung*

Dampf 408 kWh/t 5.075 kWh/t

Strom 630 kWh/t 20 kWh/t

Reinigungswasser 1,6 m3/t 3,0 m3/t

Kühlwasser 2,8 m3/t 0,5 m3/t

Prozeßluft 4.700 m3/t -

Preßluft 58 m3/t -

*errechnet aus l.c. H. Kreipe (1972)

5 ERGEBNISSE UND DISKUSSION 111

Da die Wirtschaftlichkeitsberechnung als Kostendeckungsrechnung durchgeführt ist,

mußten die rechnerischen Erlöse für die im Verfahren anfallenden Produkte ermittelt

werden, dazu wurden derzeitig übliche Marktpreise angesetzt. Diese Preise wurden

auf die erzeugten Produkte umgerechnet. Diesbezüglich wurde für die Proteinfraktion

der Mehlwert und für die Futtermittelfraktion der Futterkleiepreis zugrunde gelegt. Es

sei diesbezüglich erwähnt, daß aufgrund der Inhaltsstoffzusammensetzung der

Protein– und der Futtermittelfraktion leicht höhere Erlöse erzielt werden könnten,

wenn diese als eine Fraktion als Futtermittel abgegeben würden. Der erzielbare Erlös

richtete sich in diesem Fall nach dem Sojaschrotpreis als Referenzpreis. Ergänzend

sei darauf hingewiesen, daß für Ethanol- und Kohlendioxid die z.Z. unteren

Marktpreise eingesetzt wurden.

Tabelle 30: Preise für die Betriebs- und Hilfsstoffe

Betriebs- und Hilfsstoff Preis

Fernwärmedampf (DM/MWh) 48,00

Strom (DM/MWh) 80,00

Leitungswasser (DM/m3) 2,50

Abwasser /DM/m3) 2,50

Preßluft (DM/m3) 0,008

Prozeßluft (DM/m3) 0,016

Enzyme (DM/100 kg Rückbrot) 1,00

Nährstoffe (DM/100 kg Backhefe) 5,00

Für die Wirtschaftlichkeitsberechnung wird davon ausgegangen, daß für den Betrieb

der Anlage nach Modell A 500.000 DM/a und nach Modell B 900.000 DM/a

Personalkosten anfallen. Dies bedeutet die Beschäftigung von 7 Mitarbeitern im

Modell A und von 13 Mitarbeitern im Modell B.

Die Personalkosten werden als Fixkosten behandelt, weil hier in einem ersten Ansatz

für die Kostendeckungsrechnung von einer 100%igen Auslastung der Anlage

ausgegangen wird. Diese Annahme ist deshalb berechtigt, weil der Hefeverbrauch

der Brotfabrik seit langem stabil ist. Saisonale Schwankungen fallen bei dieser

Betrachtung nicht ins Gewicht.

5 ERGEBNISSE UND DISKUSSION 112

Weitere fixe Kosten sind die Kosten für die Investition in die Anlage und die Kosten

für deren Wartung. Aus den Kosten für die Investition ergeben sich die Kosten für

den Kapitaldienst. Diesbezüglich wird für beide Modelle eine zehnjährige

Abschreibung bei einem linearen Zinssatz von 5%/a vorgegeben. Die hier

angenommenen Investitionskosten für beide Modelle wurden in Zusammenarbeit mit

der Fa. Reimelt ermittelt.

Tabelle 31: Rechnerischer Erlös für die erzeugten Produkte

Produkt Referenzprodukt Referenzpreis

(DM/kg)

Rechnerischer

Erlös (DM/kg)

Flüssighefe (18%TS) Backhefe (27%TS) 1,20 0,80

Proteinfraktion (27%TS) Mehl (86%TS) 0,40 0,13

Ethanol (100%) Ethanol (96%TS) 0,88 0,91

Kohlendioxid (100%) Kohlendioxid (99,9%) 0,30 0,30

Futtermittel (50%TS) Futterkleie (85%) 0,13 0,15

Aus der Tabelle 32 geht hervor, daß sich in der Abschreibungszeit von 10 Jahren

eine Rendite von 4,1% ergibt. Diese Rendite würde sich bei Nutzung der Abwärme

aus den Brennern auf 5,1%/a erhöhen, weil das Ergebnis dadurch um den Geldwert

der Abwärmenutzung größer ausfiele.

5 ERGEBNISSE UND DISKUSSION 113

Tabelle 32: Kostendeckungsrechnung für den Betrieb der Rückbrotanlage zur

Gewinnung von 1.560t Backhefe/a (H27) als Flüssighefe (2.340t/a) aus 2.280t/a

Rückbrot bei 312 Betriebstagen – Modell A

Summe (DM/Jahr)

Erlöse

Flüssighefe 1.872.000

Proteinfraktion 69.000

Futtermittel 33.000

Summe Erlöse 1.974.000

Variable Kosten

Strom -118.000

Dampf -46.000

Enzyme -23.000

Nährstoffe -78.000

Prozeßluft -175.000

Preßluft -1.000

Reinigungswasser (Zu- und Abwasser) -19.000

Kühlwasser (Zuwasser) -16.000

Mindererlös Rückbrot -68.000

Summe Variable Kosten -545.000

Fixe Kosten

Wartung** -100.000

Personal -500.000

Kapitaldienst* -625.000

Summe Fixe Kosten -1.125.000

Ergebnis +203.000

Rendite +4,1%

Annahme : * 5,0 Mio. DM Investitionskosten,

Abschreibung in 10 Jahren linear bei 5 % Zins/Jahr

** 2% der Investitionssumme

5 ERGEBNISSE UND DISKUSSION 114

Tabelle 33: Kostendeckungsrechnung für den Betrieb der Rückbrotanlage zur

Gewinnung von 1.560t Backhefe/a (H27) als Flüssighefe (2.340t/a) aus 9.360t/a

Rückbrot bei 312 Betriebstagen – Modell B

Summe (DM/Jahr)

Erlöse

Flüssighefe 1.872.000

Proteinfraktion 402.000

Ethanol 1.107.000

Kohlendioxid 365.000

Futtermittel 140.000

Summe Erlöse 3.886.000

Variable Kosten

Strom -122.000

Dampf -342.000

Enzyme -94.000

Nährstoffe -78.000

Prozeßluft -176.000

Preßluft -1.000

Reinigungswasser (Zu- und Abwasser) -54.000

Kühlwasser (Zuwasser) -19.000

Mindererlös Rückbrot -281.000

Kohlendioxidgewinnung -207.000

Summe Variable Kosten -1.374.000

Fixe Kosten

Wartung** -180.000

Personal -900.000

Kapitaldienst* -1.125.000

Summe Fixe Kosten -2.205.000

Ergebnis +307.000

Rendite +3,4%

Annahme : * 9,0 Mio. DM Investitionskosten,

Abschreibung in 10 Jahren linear bei 5 % Zins/Jahr

** 2% der Investitionssumme

5 ERGEBNISSE UND DISKUSSION 115

Diesbezüglich zeigt die Kostendeckungsrechnung für das Modell B, daß bei einer

10jährigen Abschreibung mit einem linearen Zins von 5%/a sich eine Rendite von

3,4%/a ergibt. Da für dieses Modell die Wärmerückgewinnung einen Beitrag von

200.000 DM/a leisten kann, erhöht sich die Rendite auf 5,6%/a. Der Vorteil des

Modells B gegenüber dem Modell A besteht insbesondere darin, daß für dieses

angenommen ist, die ganze anfallende Rückbrotmenge der Brotfabrik würde

verfahrensgemäß verwertet.

Aus der Gegenüberstellung beider Kostendeckungsrechnungen kann abgeleitet

werden, daß die Rendite für die verfahrensgemäße Rückbrotverwertung in

Abhängigkeit von der Finanzierungsgestaltung eine flexible Größe ist, die zwischen

den durch die Modellrechnung belegten Eckwerten variiert werden kann. Die Rendite

wird darüber hinaus entscheidend auch von den Investitionskosten und dem

Marktpreis für Backhefe bestimmt. Deshalb ist die Umsetzung des Verfahrens zur

Rückbrotverwertung, trotz der günstigen Aussicht auf Rendite, mit einem Risiko

behaftet. Deshalb bietet es sich gegebenenfalls auch an, nur Teilschritte des

Verfahrens umzusetzen oder Teilschritte wegzulassen.

Letzteres ist in den Modellen für die Durchführung des Verfahrens für die

verfahrensgemäß vorgesehene Milchsäurebildung im Schüttwasser geschehen.

Dieser Verfahrensschritt war ursprünglich aus dem Grund, das

Fermentationssubstrat mikrobiologisch stabilisieren zu müssen, für notwendig

erachtet worden. Es konnte jedoch im Zuge der schrittweisen Erhöhung der

Sterilbedingungen im Gesamtverfahrensablauf auf ihn verzichtet werden. Dadurch

kann der Gesamtverfahrensablauf ohne Einschränkung der Nutzung des

Schüttwassers sowohl verkürzt als auch vereinfacht werden.

Desweiteren muß darauf hingewiesen werden, daß zu der direkten Rendite für diese

Art der Rückbrotverwertung auch eine „Umweltrendite“ gerechnet werden muß. Sie

besteht darin, daß die Umweltbelastung durch das Brotbacken und die derzeitige

Rückbrotverwertung vermindert werden kann. Diese Verminderung ergibt sich durch

die produktionsintegrierte Primär- und Sekundärnutzung unabdingbarer

Energieträger und Rohstoffe.

6 ZUSAMMENFASSUNG 116

6 Zusammenfassung

In Deutschland werden Backwaren, die nicht mehr als ausreichend frisch empfunden

werden, die aber noch zum Verzehr geeignet sind, aus dem Warenverkehr

genommen. Die Menge dieser Backwaren ist auf 8-10% der Produktionsmenge zu

veranschlagen. Aus dieser Situation ergab sich die Aufgabenstellung für diese Arbeit,

dessen Gegenstand es war, einen neuen Weg zur biotechnologischen Aufarbeitung

von unverkauften Backwaren unter umweltrelevanten und wirtschaftlichen

Gesichtspunkten aufzuzeigen. Besondere Zielsetzung war es dabei, eine

vollständige Verwertung von Rückbrot im Sinne eines geschlossenen Stoffkreislaufs

zu verwirklichen.

Die vorstehend skizzierte Aufgabenstellung wurde schrittweise mit der Zielsetzung

gelöst, eine möglichst einfache und sichere Prozeßtechnik für die in den

Produktionsprozeß einer Brotfabrik zu integrierende biotechnologische Aufarbeitung

und Umsetzung des Rückbrots in für die Brotherstellung direkt und indirekt

verwertbare Produkte zu entwickeln. Aus den zur Lösung der Aufgabenstellung

vorgesehenen fermentativen Prozeßschritten, die sich aus der Aufgabe der

vollständigen Verwertung des Rückbrots im Produktionsbetrieb ergaben, zeichnete

sich ab, daß dies Backhefe, ein milchsaures Prozeßwasser (Flüssigsauer), ein

enzymatisch nicht verflüssigbarer Reststoff aus Proteinen und Ballaststoffen

(Proteinfraktion), Ethanol und Kohlendioxid sein würden. Die Prozeßschritte

bestanden folglich in der enzymatischen Aufarbeitung des Rückbrots zu einem

Brotsirup, der Versäuerung des Brotsirups mit Milchsäurebakterien, der Aufarbeitung

des versäuerten Brotsirups zum Fermentationssubstrat, der Verwertung des

Fermentationssubstrats zur Herstellung von Backhefe-, Ethanol-, Kohlendioxid und

Flüssigsauer, der Verwertung der Backhefe als aus dem fermentierten Substrat

gewonnenes Konzentrat (Flüssighefe) zum Brotbacken, der Verwertung der

Proteinfraktion zum Brotbacken, der Destillation des anaerob fermentierten

Substrats, der Verwertung des vom Ethanol befreiten fermentierten Substrats als

Flüssigsauer zum Brotbacken.

Der Prozeßschritt der Destillation des anaerob fermentierten Substrats ist nur in

soweit durchgeführt worden, wie er für die Führung des Prozeßwasserstroms des

6 ZUSAMMENFASSUNG 117

Flüssigsauers und seiner Verwertung erforderlich war. Die Verfahrensschritte der

Destillation des Ethanols und der Verflüssigung des Kohlendioxids wurden nicht

durchgeführt, weil sie zum Stand der Technik gehören. Sie wurden aber in der

Wirtschaftlichkeitsberechnung auf der Grundlage dafür bekannter Zahlen

berücksichtigt.

Die enzymatische Aufarbeitung des Rückbrots zum Brotsirup und seine Versäuerung

gelang auf der Grundlage bekannter Verfahren ohne Probleme. Auch die

Aufarbeitung des versäuerten Brotsirups zum Fermentationssubstrat ließ sich in einer

Weise verwirklichen, daß das Fermentationssubstrat sowohl für die aerobe als aber

insbesondere für die anaerobe Fermentation in geeigneter Konzentration anfiel.

Diesbezüglich war es für die anaerobe Fermentation wichtig, eine

Glucosekonzentration von 15% im Fermentationssubstrat nicht zu unterschreiten,

damit die Ethanolherstellung und Kohlendioxidgewinnung auf dem Stand der Technik

erfolgen konnten. Es gelang mit einem einzigen Verdünnungsschritt, den nicht

fermentierbaren Feststoffgehalt aus dem Brotsirup, der einen Feststoffgehalt von

mehr als 40% aufwies, zentrifugal abzuscheiden. Damit war zugleich eine

energetisch günstige Brotsirupherstellung und –aufarbeitung gewährleistet. Der

abgeschiedene Feststoff ließ sich über eine Auswaschung praktisch vollständig von

seinem Glucosegehalt trennen. Dabei wurde das Ziel erreicht, das Substratvolumen

für den späteren Anfall an Schüttwasser so klein zu halten, daß das

Schüttwasservolumen wesentlich kleiner blieb als das für die Brotherstellung der

Brotfabrik erforderliche Schüttwasservolumen. Gleichzeitig fiel eine Proteinfraktion

mit einem Proteingehalt von 40% an. Außerdem fiel bei der Brotsirupaufbereitung

durch Sieben ein Preßkuchen an, in den alle für die Verwertung der Proteinfraktion

und das Fermentationssubstrat nicht erwünschten Feststoffe übergingen. Der

Preßkuchen hatte einen Getreideschroten vergleichbaren Futterwert. Das trübe

Fermentationssubstrat konnte zur aeroben Hefevermehrung eingesetzt werden, die

kontinuierlich erfolgte, ohne es weiter klären zu müssen.

Es konnte mit Pilotversuchen gezeigt werden, daß eine auf den wöchentlichen

Produktionsrhythmus der Brotfabrik abgestimmte Hefeproduktion bei Einhaltung von

in Brotfabriken verwirklichbaren Sterilbedingungen möglich ist. Die im Prozeß

anfallende Flüssighefe, die Proteinfraktion und das Schüttwasser wurden ohne

6 ZUSAMMENFASSUNG 118

jedwede Beeinträchtigung der Gebäckqualität in großtechnischen Backversuchen in

der Brotfabrik eingesetzt. Damit kann es als bewiesen gelten, daß das Verfahren

durchführbar ist. Die Herstellung von Ethanol und die Gewinnung von Kohlendioxid

aus Getreidemaischen vergleichbarer Zusammensetzung zum Fermentations-

substrat aus Brotsirup gehört ohnehin zum Stand der Technik. Sie brauchte deshalb

nicht experimentell überprüft zu werden.

Auf der Grundlage dieser Ergebnisse zur Verfahrensentwicklung wurden

Kostendeckungsrechnungen für zwei Modelle der Anwendung des Verfahrens

durchgeführt. Das eine Modell bezieht sich auf die ausschließliche Herstellung von

Flüssighefe aus einem Teil des täglich anfallenden Rückbrots einer Brotfabrik. Das

andere Modell sieht die ausschließliche Verwertung des gesamten Rückbrots einer

Brotfabrik vor, wobei deren Hefebedarf die Leitgröße darstellte.

Es konnte gezeigt werden, daß beide Modelle unter den gewählten

Randbedingungen wirtschaftlich umgesetzt werden können. In dem Modell der

ausschließlichen Flüssighefeherstellung ergab sich bei einer Amortisation des dafür

eingesetzten Kapitals von 10 Jahren unter Nutzung der Abwärme aus den Backöfen

eine Rendite von 5,1%, in dem anderen Modell unter den gleichen Bedingungen bei

einer Amortisation des eingesetzten Kapitals von 10 Jahren von 5,6%.

Es ist zusätzlich darauf hinzuweisen, daß zu der direkten Rendite für das

Unternehmen auch die indirekte Rendite für die Umweltentlastung durch das

Verfahren zu rechnen ist. Diese Entlastung ergibt sich durch die

produktionsintegrierte Primär- und Sekundärnutzung unabdingbarer Energieträger

und Rohstoffe.

7 LITERATUR 119

7 Literatur

1 Meuser, F., Brümmer, J.-M. and W. Seibel: Bread varieties in Central

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21 Narziß, L.: Abriß der Bierbrauerei. Ferdinand Enke Verlag, Stuttgart, 1986.

22 Deutsche Landwirtschafts-Gesellschaft e.V.: DLG-Prüfbestimmungen für

Brot, Feine Backwaren, Getreidenährmittel und Süßwaren, Frankfurt am

Main, 1995.

23 Arbeitsgemeinschaft für Getreideforschung e.V.: Standard-Methoden für

Getreide Mehl und Brot, Weizenbackversuch ff., 205-215. Verlag Moritz

Schäfer, Detmold, 1978.

24 Baumgart, J.: Mikrobiologische Untersuchung von Lebensmitteln. Behr‘s

Verlag, Hamburg, 1990.

25 Bronn, W.K.: Vorlesungsreihe „Technologie der Hefefabrikation“, Technische

Universität Berlin, 1986.

26 Röcken, W.: Fremdhefennachweis in der obergärigen Brauerei mit dem

Pnatothenat-Agar. Monatsschrift für Brauwissenschaft (1983) 2, 65-69.

27 The Practical Brewer. A Manual for the Brewing Industry. Harald M. Broderick

7 LITERATUR 121

(Ed.). Master Brewers Association of the Americans, 1977.

28 DIN. 1994. EN ISO 3188. Bestimmung des Stickstoffgehalts nach dem

Kjeldahl-Verfahren. Deutsches Institut für Normung.

29 ICC-Standard Nr. 128: Verfahren zur Bestimmung der Stärke nach

enzymatischem Aufschluß. Standard Methods of the International Association

for Cereal Chemistry. Verlag Moritz Schäfer Detmold, 1980.

30 Boehringer Mannheim GmbH: Methoden der biochemischen Analytik und

Lebensmittelanalytik, Bestimmung des Glucosegehalts. Mannheim, 1989.

31 ICC-Standard Nr. 156: Bestimmung des Gehalts an Gesamtballaststoffen.

Standard Methods of the International Association for Cereal Chemistry.

Verlag Moritz Schäfer Detmold, 1997.

32 ICC-Standard Nr. 104: Bestimmung der Asche von Getreide und

Mahlprodukten aus Getreide. Standard Methods of the International

Association for Cereal Chemistry. Verlag Moritz Schäfer Detmold, 1990.

33 ICC-Standard Nr.136: Bestimmung des Gesamtfettgehalts. Standard

Methods of the International Association for Cereal Chemistry. Verlag Moritz

Schäfer Detmold, 1980.

34 DIN. 1994. EN ISO 5381. Bestimmung des Wassergehalts, Modifiziertes

Karl-Fischer-Verfahren. Deutsches Institut für Normung.

35 DIN. 1994. EN ISO 1666. Bestimmung des Feuchtegehalts, Wärme-

schrankverfahren. Deutsches Institut für Normung.

36 Boehringer Mannheim GmbH: Methoden der biochemischen Analytik und

Lebensmittelanalytik, Bestimmung des Ethanolgehalts. Mannheim, 1989.

37 Boehringer Mannheim GmbH: Methoden der biochemischen Analytik und

Lebensmittelanalytik, Bestimmung des Milchsäuregehalts. Mannheim, 1989.

38 Boehringer Mannheim GmbH: Methoden der biochemischen Analytik und

Lebensmittelanalytik, Bestimmung des Saccharosegehalts. Mannheim, 1989.

39 Arbeitsgemeinschaft für Getreideforschung e.V.: Standard-Methoden für

Getreide Mehl und Brot,Kochsalzbestimmung in Backmitteln, Fertigmehlen,

Brot, anderen Backwaren und Teigwaren, 198-200. Verlag Moritz Schäfer,

Detmold, 1978.

40 Thomas, B. und A. Juretko: Vergleichende Beurteilung physikalischer

Verfahren zum Messen der Krumenkonsistenz. Getreide Mehl und Brot 27

(1973) 292-299.

7 LITERATUR 122

41 Thomas,B. und A.Juretko: Fertigung und Gebäckfrischhaltung. Brotindustrie

(1974) 387-398.

42 Jährig, A., Martens, U und Meuser, F. Untersuchung über den Gehalt

ausgewählter Vitamine und von m-Inosit über die Stufen einer

biotechnologischen Aufarbeitung von Brot. Getreide Mehl und Brot 54 (2000)

2, 103-109.

43 Tegge, G.: Stärke und Stärkederivate. Verzuckerung von Stärke, pp 219-295.

Behr’s Verlag, Hamburg, 1984.

44 Fa. Agrano GmbH u. Co. KG, Riegel, Dr. B. Bohrer, persönliche Mitteilung

vom 01.05.1999.

45 Internationaler Melasse- und Alkoholbericht, Preisstatistiken. 38 (2001) 13,

18.7.2001.

46 Penschke, A.: Minderung öko- und klimaschädigender Abgase aus

industriellen Anlagen durch rationelle Energienutzung-Großbäckerei-,

bschlußbericht. Zentrum für Rationelle Energieanwendung und Umwelt

GmbH, Regensburg, September 2000.

47 Kreipe, H.: Technologie der Getreide- und Kartoffelbrennerei, Verlag Hans

Carl, Nürnberg, 1972.

48 Haffmans, B.: CO2-Rückgewinnungsanlagen, Teil 1: Gründe für die CO2 –

Rückgewinnung Kostenrechnung, Aufgaben einer CO2-Rückgewinnungs-

anlage. Brauindustrie (1996) 3, 172-175.

49 Crommentuyn, L. und J. Sloesen: Neues Rückgewinnungskonzept, mehr

CO2 mit höherer Qualität. Brauindustrie (1998) 6, 380-382.

8 ANHANG 123

8 Anhang - Beispielhafte Auslegung einer Anlage zur Aufarbeitung von

Rückbrot zur Flüssighefeherstellung

Die nachstehend beschriebene Anlage sieht die Durchführung des aus mehreren

Teilen bestehenden Verfahrens zur Rückbrotverwertung unter Schwerpunktsetzung

auf die Herstellung des Fermentationssubstrats und die ihr folgende Herstellung

einer Flüssigbackhefe ohne Berücksichtigung der möglichen Herstellung von

Flüssigsauer vor. Es handelt sich bei dieser Schwerpunktsetzung um den technisch

anspruchsvollsten, zugleich aber in seiner Wertschöpfung interessantesten Teil des

gesamten Verfahrens. Die sich aus der Schwerpunktsetzung ergebende Anlage ist

Teil einer modular aufgebauten Gesamtanlage. Dieser Aufbau der Gesamtanlage

erlaubt die stufenweise Umsetzung des gesamten Verfahrens in den

Produktionsablauf der Brotfabrik. Er bietet den zusätzlichen Vorteil der Begrenzung

der anfänglichen Investition auf den Teil der größten Wertschöpfung.

Der besondere technische Anspruch der Anlage besteht in der vorgesehenen

kontinuierlichen Herstellung der Flüssighefe. Daraus ergibt sich im Hinblick auf die

Integration des Verfahrens in die kontinuierliche Backwarenherstellung der Vorteil

eines gegenüber dem Zulaufverfahren kleineren Fermentervolumens und

insbesondere der Vorteil kontinuierlicher Volumenströme der Prozeßwässer. Der

modulare Aufbau der Anlage erlaubt jedoch auch den Bau einer Anlage für eine

herkömmliche Hefeherstellung im Zulaufverfahren und eine entsprechende Führung

der Prozeßwasserströme.

8 ANHANG 124

8.1 Funktionsbeschreibung der Anlage für die Flüssighefeherstellung

Die Anlage zur biotechnologischen Aufarbeitung des Rückbrots (Backwaren und

Teige) ist auf einen Durchsatz von täglich 12 t ausgelegt, die ca. 7,2 t Trockenmasse

entsprechen. Die zur Aufarbeitung vorgesehenen Partien an Rohstoffen werden in

Rollwagen (Pos. 1) zwischengelagert. Die befüllten Rollwagen werden dann zur

Aufbereitungsanlage (Pos. 2) geschoben.

Das aufzubereitende Rückbrot wird täglich in drei Chargen über eine Kippstation

(Pos. 1) in einen Vorzerkleinerer (Kutter, Pos. 2) gefördert, in dem es unter Zugabe

von warmem Einmaischwasser (Pos. 3) und α-Amylase intensiv zu einer Maische

zerkleinert und vermischt wird. Das Einmaischwasser ist anfänglich Frischwasser

und nach dem Anfahren und Einlaufen des Prozesses ist es Prozesswasser, das

gemäß der für den Gesamtprozeß gewählten Definition als Schüttwasser bezeichnet

wird.

Die Menge an Schüttwasser wird so bemessen, daß die Maische einen

Trockensubstanzgehalt von ca. 40% aufweist. Der Maische wird zur Verflüssigung

der Stärke mit einer Exzenterschneckenpumpe, die mit einer speziellen

Zuführvorrichtung (Pos. 2) für hochviskose Medien ausgestattet ist, in einen

druckfesten, doppelwandigen und mit einem wandschabenden Rührwerk

ausgestatteten Behälter (Verflüssigungsbehälter) (Pos. 5) gefördert.

Der Verfahrensablauf von der Kippstation bis zur Befüllung des

Verflüssigungsbehälters erfolgt in Teilschritten zu 2.250kg/h Maische in 2h 40min. Die

Befüllung des Verflüssigungsbebälters dauert 3 h. Bereits während der Befüllung wird

die Maische auf 70°C aufgeheizt. Nach Beendigung der Befüllung wird noch 1 h

aufgeheizt. Dabei wird eine Temperatur von 95°C erreicht, so dass die α-Amylase

inaktiviert wird. Danach wird die verflüssigte Maische zur Verzuckerung der Stärke in

2 h mittels einer Pumpe über einen Wärmeaustauscher (Pos. 7), mit dem sie auf

60°C abgekühlt wird, in einen von zwei doppelwandigen , mit einem

8 ANHANG 125

wandschabenden Rührwerk ausgestatteten (Verzuckerungsbehälter) (Pos. 6),

gefördert.

Der gesamte Vorgang vom Beginn des Einmaischens bis zur Beendigung der

Verflüssigung, die mit der Entleerung des Verflüssigungsbehälters und der Befüllung

des einen Verzuckerungsbehälters abgeschlossen ist, dauert 6 h. Während der

Befüllung des Verzuckerungsbehälters erfolgt die Zugabe des Enzyms

Glucoamylase, das bei 60°C ihr Temperaturoptimum hat. Der befüllte Behälter wird

7 h bei 60°C gehalten und danach in 3 h entleert. Die verzuckerte Maische wird als

Brotsirup bezeichnet.

Der Brotsirup wird mit einer Pumpe (Pos. 8) auf ein Schwingsieb (Pos. 9) gefördert.

Dabei wird der Brotsirup mit Frischwasser (Pos. 4) auf einen Trockensubstanzgehalt

von 26% verdünnt, um die groben Bestandteile, insbesondere Ölsaaten und

Gewürze sowie Fremdstoffe, absieben zu können. Der Siebübergang (Pos. 9) wird

mittels einer Schneckenpresse (Pos. 10) zu einem Preßkuchen entwässert. Der

Preßkuchen wird als Futtermittel verwendet. Das abgepreßte Wasser (Pos. 10) wird

wieder auf das Sieb zurückgegeben.

Der Siebdurchgang (Pos. 9) wird mit einem Dekanter (Pos. 11) zentrifugiert. Der

Oberlauf (Klarlauf) wird mit einem Wärmeaustauscher (Pos. 13) thermisch behandelt.

Die Einlauftemperatur beträgt ca. 50°C und die Auslauftemperatur 70°C. Der

thermisch behandelte Klarlauf wird in einen von zwei einwandigen, isolierten

Lagerbehältern (Pos. 13) gefördert. Dieser Oberlauf bildet ein Teil des Substrats für

die Backhefeherstellung. Das beim Zentrifugieren anfallende Sediment wird in einem

weiteren Pufferbehälter (Pos. 12) gesammelt.

Das Sediment wird zur Extraktion seines Glucosegehaltes mit Frischwasser

(Pos. 4/12) vermischt und erneut mit dem Dekanter (Pos. 11) zentrifugiert. Der

Oberlauf (Klarlauf) bildet den zweiten Teil des Substrats (Pos. 11/12), der nach

thermischer Behandlung (Pos. 13) auf 70°C in zwei Vorratsbehältern für das Substrat

gelagert wird. Das Sediment fällt in einen Rollwagen (Pos. 12) und kann als protein-

und ballaststoffreiche Backzutat verwendet werden. Der Vorgang vom Sieben des

Brotsirups bis zur Extraktion des Sediments dauert 3h.

8 ANHANG 126

Das in den Vorratsbehältern gelagerte Substrat (Pos. 13) wird im 24 h Takt

kontinuierlich in den sterilisierbaren, mit einem Rührwerk ausgestatteten,

doppelwandigen aeroben Fermenter (Pos. 13) gepumpt und dabei über einen

Wärmeaustauscher (Pos. 13) auf 30°C abgekühlt.

Aus weiteren Vorratsbehältern (Pos. 16) werden außerdem kontinuierlich Lauge und

Nährlösung in den Fermenter gepumpt. Im Fermenter wird bei einer Temperatur von

30°C und einem pH-Wert von etwa 4 kontinuierlich unter sterilen Bedingungen bei

kräftiger Belüftung Backhefe vermehrt. Die Temperatur, der pH-Wert und die

Belüftungsrate werden über entsprechende Meßgeräte geregelt. Der

Fermenterablauf wird mit einem sterilisierbaren Tellerseparator (Pos. 17)

zentrifugiert. Die dabei anfallende Flüssighefe wird in vier gekühlte Vorratsbehälter

(Pos. 21) gefördert. Die Flüssighefe wird von 30°C auf etwa 6°C abgekühlt. Die

Entnahme der Flüssighefe zur Backwarenproduktion erfolgt mit einer Pumpe über

eine zu den Abnahmestationen geführte Ringleitung.

Ein Teil des im Tellerseparator als Oberlauf anfallenden Schüttwassers fließt zurück

in den Fermenter, der andere Teil gelangt in einen Pufferbehälter (Pos. 19). Die

Regelung dieser Volumenströme, respektive der Konzentration an Hefezellen im

Fermenter, erfolgt im Hinblick auf eine konstante Zellzahldichte über die Messung der

Zellzahldichte im Fermenterablauf und der Ethanolkonzentration im Fermenter-inhalt.

Die Produktion an Flüssighefe wird über ein in einem Reinzuchtfermenter (Pos. 15)

vermehrtes Inokulum gestartet. Die Standzeit der kontinuierlichen Flüssighefe-

produktion beträgt 6 Tage. Anschließend wird der Fermenter gereinigt, sterilisiert und

neu angefahren (Pos. 23).

8 ANHANG 127

8.2 Zusammenstellung der Anlagenteile

1 Entpackungs- und Sichtungsanlage

(nicht gezeigt)

2 Rückbrotaufbereitungsanlage

Aufgabebehälter RH01

mit Brotzerkleinerung KU01

mit Maische-Förderung P01 in T01

3 Brotsirupbereitungsanlage

Behälter für Enzyme BD01 und BD02

mit Dosierung in KU01 sowie in TO2.1 und TO2.2

Wasserdosierung von T03.1 in KU01

mit Wassermisch- und Dosiereinheit WMU01

Kochbehälter für Verflüssigung T01

Behälter für Verzuckerung T02.1 und T02.2

Wärmeaustauscher HE01

4. Brotsirupaufbereitungsanlage

Schwingsieb SW01

Schneckenpresse SP01

Dekanter DE01

Pufferbehälter für Extraktion T03.2

Pufferbehälter für Frischwasser T03.1

5 Zulauffermenter für Hefezucht

Fermenter F01 mit Mess- und Regeltechnik sowie Dosierbehältern

6 Kontinuierlicher aerober Fermenter

Vorratsbehälter für Fermentationssubstrat T04.1, T04.2

Wärmeaustauscher HE02 und HE03

Pufferbehälter für Schüttwasser T07

Aerober Fermenter mit Meß- und Regeltechnik sowie Dosierbehältern

Tellerseparator SE02

7 Vorratsbehälter für Flüssighefe

Vorratsbehälter T08.1 bis T08.4

8 Halbautomatische CIP-Anlage

9 Elektrische Steuer- und Schaltanlage

8 ANHANG 128

8.3 Medienverbrauch und Leistungsangaben

Medium Verbraucher Leistung

Elektrische Energie

1 Motor Kutter (KU01)

1 Motor Rührwerk (RH01)

1 Förderschnecke (RH01)

2 Pumpen P01, P02

1 Rührwerk T01

2 Rührwerke T02.1, T02.2

1 Schwingsieb SW01

1 Dekanter DE01

1 Tellerseparator SE02

1 Schneckenpresse SP01

1 Rührwerk F01

1 Rührwerk F02

10 Rührwerke

13 Pumpen

Summe 370 kW

Sicherheit 80 kW

Gesamtanschlußwert

450 kW

Preßluft (6 bar)

öl- und wasserfrei

Pneumatische Scheibenventile 18 Nm³/h

Ausblasen Rohrleitung 6 Nm³/h

Summe 24 Nm³/h

Sicherheit 6 Nm³/h

Gesamtpreßluftverbrauch

30 Nm³/h

Prozeßluft

Fermenter (F01, F02)

Prozeßluft 40 Nm³/min

Dampf Sattdampf 2,1 bar

-Produktion ca. 1675 kg/d

-Sterilhaltung ca. 500 kg/d

Sterilisieren (1x wöchendlich) ca. 1.000 kg

Kälte Kühlturm

Anschlußleistung 15 kW

Verdunstung ca. 35 m³/d

Kälteleistung 520 kW

Kältemaschine

Anschlußleistung 20 kW

Kälteleistung 30 kW

Wasser Prozesswasser

(je Betriebstag): ca.

35 m³/d

Reinigung

(bei täglicher Reinigung): ca.

20 m³/d

LEBENSLAUF

Lebenslauf

Udo Martens

Geburtsdatum: 11.05.1967

Geburtsort: Norden, Ostfriesland

Familienstand: verheiratet mit Dipl.-Volkswirtin Ursula Martens

14.02.1996 Geburt von Sohn Tyll Marten Martens

26.02.1998 Geburt von Sohn Sören Conrad Martens

Schulzeit:

Aug. 1973 - Jul. 1977 Grundschule am Schloßplatz, Varel

Aug. 1977 - Jul. 1979 Schulzentrum Arngaster Straße, Varel

Aug. 1979 - Jun. 1986 Lothar-Meyer-Gymnasium, Varel

Bundeswehr:

Jul. 1986 – Jun. 1988 Flugabwehrraketenbatallion 26, Wangerland

jetziger Dienstgrad: Oberleutnant der Reserve

Studium:

Okt. 1988 – Dez. 1993 Studium der Lebensmitteltechnologie mit Schwerpunkt

Getreidetechnologie an der Technischen Universität Berlin

mit Abschluß als Diplom-Ingenieur

Beruflicher Werdegang:

Jan. 1994 - Jul. 1999 Wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Lebensmittel-

technologie II, Fachgebiet Getreidetechnologie, der

Technischen Universität Berlin

Aug. 1999 - Jan. 2000 Assistent der Geschäftsleitung bei

Müller-Brot GmbH & Co KG, Neufahrn

Jan. 2000-Jul. 2001 Stv. Betriebsleiter bei Ankerbrot AG, Wien, Österreich

Seit Aug. 2001 Stv. Betriebsleiter bei Müller-Brot GmbH & Co KG,

Neufahrn

Neufahrn, 26.11.01