2.5.6. Потребление энергии при кипячении сусла

2.5.6.1. Расход энергии при кипячении сусла достаточно высок - около 50 % энергопотребления пивоваренного предприятия. После энергетического кризиса 1970-х гг. не было недостатка в предложениях по экономии энергии в процессе кипячения сусла и по рекуперации отводимой теплоты.

2.5.6.2. Использование отводимой теплоты в современных системах кипячения производится, с одной стороны, за счет закрытого кипячения (без подсоса воздуха), а с другой - путем улучшения конструкции пароконденсаторов сусловарочного котла. Такой пароконденсатор дает примерно в два раза больше горячей воды с температурой 80-85°С, чем требуется для производственных целей, а так как количество горячей воды для варки и без того покрывается водой, образующейся при охлаждении сусла, то необходим следующий шаг, реализованный в аккумуляторе энергии.

Высокая температура испарения (например, 98 °С) используется в пароконденсаторе сусловарочного котла для нагревания воды от 80 до 96 ° С. Этой водой нагревают затем фильтрованное пивное сусло с 72 до 93 °C; отработанную горячую воду с температурой 75-80 °С собирают и при следующей варке вновь нагревают до 98 °С в пароконденсаторе сусловарочного котла. Таким способом можно сэкономить около 75 % энергии, необходимой для нагревания сусла. При так называемом кипячении при низком давлении образуется вода температурой в среднем 100 °С, с помощью которой сусло можно нагреть на 2 °С выше.

Другой задачей пароконденсатора является улавливание испарений, образующихся при кипячении затора и сусла. В конденсат, который содержит главный носитель запаха, перед его спуском в сточные воды добавляют поверхностно-активные, биологически расщепляемые нетоксичные вещества. Повторное использование конденсата из пароконденсатора в качестве заторной или промывной воды не оправдало себя вследствие переноса ароматических летучих соединений.

2.5.6.3. Снижение интенсивности испарения стало возможным при чрезмерной интенсивности кипячения, практиковавшейся в 1960-е гг. Такое уменьшение в зависимости от той или иной системы кипячения необходимо было проводить постепенно (например, при длительности кипячения 90-100 мин - с 15 до 12 %), контролируя свойства сусла и качество пива. Котлы с двойным днищем из-за уменьшения фонтанирования при кипении (обусловливающего перемешивание) практически не позволяют добиться снижения интенсивности кипячения, что может быть показано с помощью ароматограмм сусла и пива. При дальнейшем снижении интенсивности испарения в сусле остается значимое повышенное содержание гексанола-1, а также других спиртов, альдегидов, ароматических веществ хмеля и ДМС. Содержание уксусных кислот (гексил-, гептил- и октил-эфиров, образующихся из гексанола-1 при брожении) также характеризуется повышенными значениями и дают солодовый запах и вкус пива. В системах с внутренним кипятильником с соответствующей циркуляцией жидкости и большой поверхностью испарения можно поддерживать испарение на уровне около 8 % при продолжительности кипячения около 75 мин и температуре над кипятильником 101,5-102 °C. Более высокая интенсивность испарения является нежелательным для теплоотводного контура в аккумуляторе энергии. Чтобы при этом предотвратить недостаточное испарение ароматических веществ сусла, наряду с кипятильниками (см. раздел 2.5.1) были предложены различные конструкции напорных конусов и экранов. Очень хорошие результаты дает двойной экран с большой площадью поверхности. Благодаря уменьшению интенсивности испарения с 12,5 до 8 % достигаемая экономия энергии может составить 36 %.

В системах с внешним кипятильником можно добиться сопоставимого уменьшения интенсивности испарения, хотя и в этом случае большое значение придается максимальному испарению ароматических веществ. При соблюдении условий кипячения (см. раздел 2.5.3)

можно получить безупречное по качеству сусло и пиво. Экономия энергии здесь такая же, как и в системах с внутренним кипятильником, однако из нее следует вычесть энергию, потребляемую циркуляционным насосом (около 5,5 кВт/100 гл.). В системах с внутренним и внешним кипятильниками оптимальное действие на протекающие при кипячении сусла процессы оказывают низкие температуры теплоносителя.

2.5.6.4. Принцип действия компрессора для вторичною пара основан на механической или термической компрессии пара, образующегося в процессе кипячения сусла. В первом случае применяется тепловой насос (турбина или винтовой компрессор), приводом которого служит дизельный, газовый или электродвигатель (потребляемая мощность 16-25 кВт/100 гл). После перевода испарений на более высокий энергетический уровень пар при давлении 0,35-0,45 бар имеет температуру 112-115 °С; при использовании турбины происходит перегрев, который необходимо снизить до температуры насыщенного пара путем впрыска воды или конденсата. Вследствие незначительной разницы температур теплоносителя и сусла поверхность обогрева должна иметь достаточно большую площадь, что легче реализуется в системах с внешним кипятильником, чем с внутренним; при течении сусла образуется настолько мало отложений, что можно проводить более 40 варок без чистки котла. Внутренние кипятильники в небольших котлах способны обеспечить необходимую площадь обогрева (в прямоугольных котлах - несколько кипятильников), однако для обогрева последних необходимо более высокое давление и температура вторичного пара, что требует повышенной мощности компрессора. При использовании двигателей внутреннего сгорания для нагревания технической воды повторно используют отводимую теплоту как пара, так и охлаждающей воды. Экономия тепла на такой установке составляет с учетом всех факторов около 56 % (при продолжительности кипячения 60 мин один агрегат, состоящий из внешнего кипятильника и компрессора вторичного пара, может обслуживать в длительном режиме три сусловарочных котла и эксплуатироваться 24 ч в сутки). При этом, однако, требуется второй внешний кипятильник, в котором сусло после перекачивания из сборника сусла нагревается до температуры кипения и кипятится до тех пор, пока из системы не выйдет воздух, после чего можно подключить компрессор вторичного пара. С учётом всех издержек механический компрессор вторичного пара оказывается рентабельным при загрузке не менее 1200 варок в год.

Термическая компрессия вторичного пара приемлема для небольших пивоваренных производств с меньшим числом варок. В пароструйном компрессоре в качестве рабочего пара для перехода на более высокий энергетический уровень применяется острый пар с избыточным давлением 8 бар и более. При этом температура острого пара повышается до 103,5-104 °С, а при работе с более высоким давлением - и более, так что сусло в котле доводится до температуры 100,5 "С и выше. При объеме котла около 400 гл очень большие поверхности обогрева можно разместить в пластинчатом теплообменнике, а для более крупных котлов требуется трубчатый конвертер. Для получения интенсивности испарения, например, 12 %/ч в условиях незначительной разницы температур при температуре кипячения 100,5 °С необходимо обеспечить примерно 24-кратную циркуляцию, вследствие чего потребляемая мощность насоса составит 14-15 кВт/100 гл.

Благодаря низкой температуре теплоносителя компрессия вторичного пара обеспечивает щадящее кипячение, что положительно сказывается на цвете, пеностойкости и вкусе пива. Бесспорное ее преимущество заключается в том, что приведенные выше экономические показатели достигаются в рамках известной технологии кипячения, в частности, с использованием внешнего или внутреннего кипятильника. Другим преимуществом этого метода является удаление летучих ароматических веществ с испарениями. Недостатком термической компрессии вторичного пара является то, что конденсат вторичного пара не используется, в связи с чем требуется больше воды для питания котла.

Интересная возможность кипячения сусла основана на применении конденсатора пара пониженного давления (см. раздел 2.7.7.4). Сусло выдерживают при температуре кипячения в обычном котле всего 1 ч, затем кипятят около 5 мин при атмосферном давлении, а в конце перекачивают через конденсатор пара пониженного давления в сборник сусла. Под действием вакуума происходит охлаждение до температуры 70 °С с испарением 5-6 % воды. Такое спонтанное испарение способствует удалению ароматических веществ сусла. Аналитические показатели (содержание азота) при этом не отличаются, но выход горьких веществ снижается.

2.5.6.5. Кипячение при повышенном или низком давлении применялось прежде при обогреве днища котла, а в настоящее время оно проводится исключительно с использование внешних и, чаще, внутренних кипятильников. Хотя в большинстве случаев котлы рассчитаны на эксплуатацию с рабочим избыточным давлением 1 бар (120 °C), типовые температуры составляют порядка 102-104 °С, причем в рамках всего процесса кипячения их необходимо поддерживать лишь в течение 20-30 мин. Используемая в настоящее время технология состоит в следующем: предварительное кипячение перед повышением давления не применяется или проводится в течение 5 мин для дозирования первой порции хмеля. При незначительной разнице температур для подъема давления требуется всего 5-8 мин, затем около 30 мин выдерживается фаза кипячения под давлением (например, при температуре 103 °C). Важно, чтобы как при увеличении давления, так и во время нагревания до 103 °С происходило испарение, чтобы пузырьки пара отводились с поверхности котла или кипятильника и тем самым обеспечивалась интенсивная конвекция. Следующее за этим снижение давления в течение 5 мин способствует интенсивному испарению (его дополняет открытое кипячение продолжительностью около 20 мин). Общая продолжительность кипячения составляет 60-65 мин, а интенсивность испарения - 7,5-8 %. Температура внутреннего или внешнего кипятильника примерно на 2 °С выше температуры сусла в котле. Экономия энергии, включая теплоту, полученную от аккумулятора энергии, составляет 50-52 %. Использование указанных температур, длительное испарение и обычный способ внесения хмеля на производстве через шлюзы или дозирующие емкости позволяют получить пиво удовлетворительного качества, тогда как слишком высокие температуры, неравномерная циркуляция жидкости, а также недостаточное испарение ароматических веществ хмеля могут придать пиву так называемый «вареный привкус».

2.5.6.6. Кипячение сусла при высоких температурах применяется в диапазоне средних (120 °С, 10 мин) или повышенных температур (135 или 130 °C, 2,5-3 мин). Сусло постоянно нагревается в ходе теплообмена испаряющейся жидкостью на обеих ступенях сброса давления.

Процесс кипячения сусла при высоких температурах характеризуется следующим температурным режимом: теплообменник 1 - с 70 до 92 °С, теплообменник 2 - с 92 до 108 °C, нагреватель - со 108 до 130 °С; в емкости для тепловой выдержки в течение 2,5-3 мин поддерживается температура 130 °С. Затем следует фаза сброса давления 1 (117 °С), фаза сброса давления 2 (100 °C), сборник горячего сусла или вирпул. Общая продолжительность пребывания при температуре выше 100 °С составляет около 500 с, а интенсивность испарения - около 6-6,5 %. Благодаря теплообмену между вторичным паром и суслом достигается экономия энергии, которая с учетом обычного для производства потребления горячей воды (0,3-0,4 гл/1 гл пива) составляет 55-60 %. В подобных системах осаждение белков происходит не так глубоко, в связи с чем емкости для сброса давления заполняют только на 15-20 %, что дает увеличение площади испарения. Выход горьких веществ равен или чуть больше чем при обычном кипячении. Что касается качества получаемого пива, то оно вполне удовлетворительно, однако очень высоких температур теплоносителя (температура пара < 150 °С) следует избегать, как и образования отложений на последних фазах нагревания (со 107 до 130 °С). Отложения следует периодически удалять. Аналитическим методом в сусле обнаруживаются повышенное содержание фурфураля и фурфурилового спирта, N-гетероциклических соединений и, в первую очередь, горьких производных пролина - пирролизинов. Решить эту проблему помогает установка второго нагревателя для фазы 1 0 7 - 130 °С, что в случае необходимости позволяет остановить рабочий нагреватель и провести его мойку и очистку, не нарушая процесс кипячения. Для щелочной мойки этой нагревательной ступени может потребоваться 8 ч. Основная мойка всей установки в конце варочной недели подразумевает полную программу горячей щелочной мойки с добавлением перекиси водорода и нейтрализацию кислоты.