Pivovarennaya_inzheneria_ / Глава 6b

Рис. 6.81. Примерный характер изменения режимов варки в сусловарочном аппарате системы Stromboli:

1 — температура сусла; 2 — частота вращения вала насоса; 3 — удельные затраты тепловой энергии

Таким образом, благодаря конструктивным особенностям сусловарочной системы

Stromboli возможно:

•эффективно и целенаправленно управлять процессом кипячения сусла, индиви дуально приспосабливаясь к его параметрам;

•обеспечить общее количество выпаренной влаги на уровне около 2–4% при воз можности его точного регулирования;

•снизить затраты энергии на осуществление процесса;

•исключить неравномерность движения сусла в трубах теплообменника, что су щественно уменьшает пригорание сусла при кипячении;

•снизить термическую нагрузку на сусло, о чем свидетельствует показатель тио барбитуровой кислоты, значение которого в процессе кипячения возрастает, как правило, не более чем на 15–16 ед.;

•обеспечить эффективное удаление нежелательных ароматических соединений, о чем свидетельствует содержание ДМС в сусле по окончании кипячения, не пре вышающее, как правило, 15–25 мкг/л;

•обеспечить хорошее сохранение белковых фракций, влияющих на пенообразова ние и пеностойкость в пиве;

•использовать теплоноситель с более низкими температурами по сравнению с тра диционными сусловарочными системами;

•сократить количество моющих циклов и обеспечить экономию воды и моющих средств;

•снизить негативные воздействия на окружающую среду (объем газовых выбро сов и сточных вод).

6.4.4.3.3.Сусловарочные установки

Внастоящее время тепловая обработка сусла с хмелем может быть организована не только в отдельном сусловарочном аппарате, но и в группе аппаратов различного функционального назначения, образующих единую сусловарочную систему, кото рую, в соответствии с современной классификацией оборудования, относят к уста новкам. Ниже рассмотрено конструктивное устройство и принцип действия одной из наиболее распространенных сусловарочных установок.

6.4.4.3.3.1. Сусловарочная установка Merlin с испарителем тонкопленочного типа

В 1998 г. предприятие Steinecker в результате революционных преобразований в ки пячении сусла с хмелем разработало принципиально новую сусловарочную систему на основе испарителя тонкопленочного типа, получившую торговое название Merlin, обес печивающую получение пива высокого качества при снижении общего выпаривания до 4% и значительной экономии энергии на кипячение (до 75%), а в целом по пивова ренному заводу на 20–28%.

Принципиальная схема сусловарочной системы Merlin с тонкопленочным испари телем приведена на рис. 6.82.

Вторичный пар

6

Хмелепродукты

Пар

5

Хладагент

4

Сусло

Рис. 6.82. Принципиальная функциональная схема сусловарочной системы Merlin:

1 — теплообменник#охладитель; 2 — аппарат гидроциклонный; 3 — насос для внесения хмелепродуктов; 4 — насос циркуляционный; 5 — сборник#дозатор хмелепродуктов; 6 — испаритель тонкопленочный

Система состоит из тонкопленочного испарителя, объединенного в циркуляцион ный контур с гидроциклонным аппаратом. В состав системы входят также циркуляци онный насос и устройство для дозированного внесения хмелепродуктов.

Тонкопленочный испаритель представляет собой аппарат с цилиндрическим кор пусом, типовой конической крышкой с вытяжной трубой и коническим днищем, вер шина которого обращена вверх, т. е. внутрь аппарата. К вершине конического днища подводят трубопровод, по которому сусло поступает в испаритель из гидроциклонно го аппарата. Непосредственно над вершиной конического днища расположен зонтооб разный отражатель для равномерного распределения поступающего в аппарат сусла по конической поверхности днища. На наружной (нижней) поверхности конического днища расположена двухсекционная нагревательная рубашка. Площадь поверхности верхней секции рубашки соотносится с площадью нижней секции как 1 : 2. Подача греющего пара организована таким образом, что обе секции могут работать одновре менно или только нижняя секция с большей поверхностью нагрева.

Между корпусом и коническим днищем расположен кольцеобразный желоб, к ниж ней части которого равномерно приварено несколько штуцеров для отвода нагретого сусла. Отводимое из этих штуцеров сусло объединяется в общий трубопровод и само теком возвращаетя в гидроциклонный аппарат.

В системе Merlin обычно используют гидроциклонный аппарат (см. раздел 6.8), ввод сусла в который может осуществляться помимо обычной тангенциальной подачи в пристеночную область аппарата также и в его центральную часть ниже уровня жидко сти. Кроме того, к гидроциклонному аппарату системы Merlin присоединено устрой ство для дозированного внесения хмелепродуктов. Для улучшения расщепления свя занного ДМС п и изомеризации хмеля, а также для осуществления других зависимых от температуры процессов, происходящих в сусле, гидроциклонный аппарат изолируют.

Кратность циркуляции, толщину слоя (пленки) сусла, стекаемого по коническому днищу тонкопленочного испарителя, и скорость тангенциального ввода сусла в гидро циклонный аппарат можно плавно регулировать изменением подачи циркуляционно го насоса, который оснащен частотным регулятором.

Испаритель и гидроциклонный аппарат оснащены шаровыми моющими головками системы безразборной автоматизированной мойки.

Сусловарочная система Merlin работает следующим образом. Перед началом варки сусло собирают в гидроциклонном аппарате, из которого его циркуляционным насо сом многократно (5–6 объемов в час) прокачивают тонким слоем по горячей коничес кой поверхности испарителя, при этом имеющийся гидроциклонный аппарат исполь зуется в качестве промежуточного сборника.

Сусло, стекаемое с поверхности конуса, поступает в кольцевой желоб, из которого оно при температуре кипячения возвращается самотеком в гидроциклонный аппарат. Через верхний штуцер часть потока поступает непосредственно в центральную часть гидроциклонного аппарата, чтобы выровнять температуру сусла в центре, а через ниж ний штуцер вторая часть потока входит тангенциально, вследствие чего содержимое гидроциклонного аппарата постоянно вращается, что позволяет уже на стадии варки отделять от сусла взвешенные частицы горячего белкового отстоя.

Поскольку возврат сусла в гидроциклонный аппарат осуществляется самотеком за счет разницы высот, скорость сусла на входе в гидроциклонный аппарат составляет

1,0–1,5 м/с, что намного ниже обычно рекомендуемых для гидроциклонных аппаратов значений (4 м/с). Тем не менее белковый отстой быстро и компактно оседает в центре гидроциклонного аппарата.

Очень хорошее осаждение белкового отстоя при столь малых скоростях тангенци ального ввода сусла объяснить очень просто: поскольку сусло поступает из испарителя в гидроциклонный аппарат самотеком, то хлопья скоагулированного белка не разбива ются насосом и, следовательно, попадая в гидроциклонный аппарат при относительно небольших скоростях, хорошо оседают в центральной части на днище аппарата. Если нет возможности разместить испаритель над гидроциклонным аппаратом, то их можно разместить на одном уровне рядом, однако при таком размещении аппаратов самотек сусла из испарителя в гидроциклонный аппарат невозможен и необходима перекачка сусла насосом. В этом случае белковые хлопья разбиваются центробежным насосом, вследствие чего скорость тангенциального ввода сусла в аппарат должна быть, как обычно, около 3–4 м/с.

При тонкопленочном кипячении создается очень большая поверхность испарения, при этом сусло на теплопередающей поверхности постоянно обновляется за счет сте кания в виде тонкой пленки с конической поверхности испарителя и многократной рециркуляции через гидроциклонный аппарат. Благодаря этому происходит равно мерная тепловая обработка всей массы сусла и достигается отличный технологичес кий результат при испаряемости всего 1,5–2,5%. Поскольку в тонкой пленке теплопе редача осуществляется гораздо эффективнее, то для обеспечения тонкопленочного кипячения можно (и технологически целесообразно) использовать пар при относи тельно невысоком давлении (до 0,17 МПа) и, соответственно, невысокой температуре, вследствие чего значительно снижается термическая нагрузка на сусло, благодаря чему лучше сохраняются ценные компоненты сусла и не снижается его качество.

Управление системы Merlin позволяет регулировать отдельные параметры сусла за счет изменения как давления пара в отдельных секциях греющей рубашки, так и вели чины потока и толщины пленки с помощью частотного регулятора насоса.

Изменяя температуру греющего пара в рубашке испарителя, можно регулировать термическую нагрузку и целенаправленно влиять на показатели сусла и испаряемость. Кроме того, термическую нагрузку на сусло можно также регулировать изменением подачи циркуляционного насоса, поскольку она будет снижаться при возрастании по тока из за увеличения толщины стекающего слоя сусла.

Внесение хмелепродуктов в виде гранул или экстракта производят непосредствен но в гидроциклонный аппарат.

Тонкопленочное течение сусла в турбулентном режиме по поверхности нагревате ля способствует улучшению теплопередачи, что позволяет обеспечить хорошее нагре вание при гораздо меньшей разнице температур сусла и греющего пара, давление кото рого обычно не превышает 0,17 МПа. Относительно низкие температуры греющего пара, используемого для нагрева, кипячения и выпаривания сусла являются важной особенностью сусловарочной системы Merlin. Это обстоятельство наряду с постоян ным движением сусла по нагревательной поверхности исключает пригорание сусла и существенно увеличивает период времени между химическими очистками системы.

Например, при традиционном методе кипячения сусла температура греющего пара может достигать 150 °С. При таких высоких температурах происходит пригорание

сусла в трубах нагревателя и тем самым ухудшение теплопередачи, следствием чего являются необходимость в частых остановках (через каждые 3–4 варки) для тщатель ной очистки оборудования.

Использование в сусловарочной системе Merlin относительно низких температур греющего пара является хорошей предпосылкой для применения термического комп рессора вторичного пара и открывает широкие перспективы в будущем для использо вания альтернативных источников тепловой энергии.

Существенным преимуществом сусловарочной системы Merlin является, казалось бы, ее фантастическая энергоэкономичность — экономия тепловой энергии на кипяче ние достигает ~75%. Однако объяснение этого факта очень простое: как известно, осо бенно высокие затраты энергии характерны для процессов, протекающих с фазовыми переходами, к которым относят, в частности, и выпаривание, причем, чем выше сте пень испарения, тем больше затраты энергии. В сусловарочной системе Merlin благода ря ее конструктивным особенностям все необходимые технологические преобразова ния в сусле в процессе кипячения обеспечиваются при удивительно низких степенях испарения — всего 3–4% по сравнению с 8–12% в традиционных сусловарочных аппа ратах. Отсюда очевидно, что для обеспечения меньшей степени испарении сусла тре буется меньший расход энергии.

В свою очередь существенно сокращенный объем испарений и сокращение числа моек оборудования положительно сказывается на уменьшении сточных вод, а сокра щение потребления топлива — на уменьшении вредных газовых выбросов, что благо приятно сказывается на экологии окружающей среды.

Технологический цикл тепловой обработки сусла в сусловарочной системе Merlin складывается из четырех стадий, основные показатели которых приведены в табл. 6.24.

Нагревание сусла в сусловарочной системе осуществляют за счет его непрерывной циркуляции по нагретой конической поверхности тонкопленочного испарителя с крат ностью циркуляции 5–6 ч–1. При этом греющий пар под давлением около 0,15 МПа подают в обе секции паровой рубашки. Для ускорения стадии нагревания за счет луч шего прогрева сусла не только в пристеночной, но и в центральной части гидроциклон ного аппарата горячее сусло в него подают как через тангенциальный штуцер, так и че рез штуцер, обеспечивающий подвод сусла в центр аппарата. Продолжительность

нагревания составляет обычно 20–30 мин, но она может быть сокращена до 5 мин при использовании дополнительного теплообменника нагревателя, используемого при за полнении гидроциклонного аппарата.

Кипячение сусла. После прогрева в сусловарочной системе всей массы сусла пре кращают подачу греющего пара в верхнюю рубашку испарителя и перекрывают воз врат сусла в центральную часть гидроциклонного аппарата. Давление пара, поступаю щего в нижнюю рубашку испарителя, понижают примерно до 0,11 МПа, а кратность циркуляции уменьшают до 3–4 ч–1. Продолжительность кипячения составляет 35 мин, и сократить ее нельзя.

Поскольку речь идет о совершенно новом методе кипячения сусла, то изменяется и режим внесения хмелепродуктов. При продолжительности варки в 35 мин внесение хмелепродуктов должно быть осуществлено в начале процесса, чтобы иметь в распоря жении больше времени для изомеризации α кислоты. При варке сусла в системе Merlin невозможно провести четкую границу между нагреванием и варкой. Учитывая, что сусло в испарителе достигает температуры кипения уже через 5 мин после начала на гревания, то уже на этой стадии, примерно через 10 мин после начала, осуществляют внесение первой порции хмелепродуктов, причем вносят их в гидроциклонный аппарат.

Вторую порцию хмелепродуктов вносят примерно через 10 мин после начала кипя чения, а третью — примерно за 5–10 мин до его окончания.

Поскольку при кипячении сусло возвращают в гидроциклонный аппарат только через тангенциальный штуцер, то уже на этой стадии начинается осветление сусла и об разование белкового осадка в центральной части днища гидроциклонного аппарата.

Технологическая пауза, во время которой продолжается осаждение белковых хло пьев, аналогична стадии покоя, осуществляемой в традиционном гидроциклонном ап парате. На этой стадии процесса греющий пар в рубашки не подают и циркуляцию сусла в системе не осуществляют. Длительность технологической паузы не превышает 25 мин. Поскольку содержимое гидроциклонного аппарата на предыдущих стадиях непрерывно перемешивается, что в значительной степени способствует выделению белковых частиц, а также благодаря тому, что осаждение белка фактически начинается уже во время кипячения сусла, то необходимую технологическую паузу можно сокра тить до ~10 мин и затем непосредственно начинать отвод сусла из гидроциклонного аппарата на охлаждение, подвергая при этом сусло еще одному этапу тепловой обра ботки, как описано ниже.

Отгонка легколетучих фракций. В тонкопленочном испарителе системы Merlin возможно осуществление стрипинга сусла — отгонку из него легколетучих фракций, типичным представителем которых является DМС. Подробно от стрипинге и спосо бах его реализации изложено далее в разделе 6.4.4.6.2.

На практике в системе Merlin это осуществляют следующим образом — непосред ственно перед охлаждением осветленное сусло из гидроциклонного аппарата еще раз прокачивают тонким слоем по конической нагревательной поверхности испарителя и только после этого направляют в пластинчатый теплообменник. При этом нежела тельные летучие соединения, в том числе и образующиеся в гидроциклонном аппарате после кипячения, хорошо удаляются при тонкопленочном распределении сусла по на гретой поверхности испарителя. Для выпаривания сусла используют нижнюю секцию паровой рубашки, в которую подают греющий пар под давлением всего 0,085–0,15 МПа.

Продолжительность этой стадии процесса соответствует длительности охлаждения сусла, т. е. обычно около 40–50 мин. Это позволяет на стадии выпаривания достичь испаряемости 1,0–1,5%.

Преимуществами сусловарочной системы с тонкопленочным испарителем являются:

•снижение скорости испарения до 3–4% в час;

•снижение расхода технологической воды;

•экономия затрат энергии на кипячение до ~75%;

•сокращение расхода хмелепродуктов на ~10% (при достижении того же уровня горечи);

•сокращение продолжительности брожения сусла на ~0,5–1,0 сут;

•снижение мутности и, следовательно, улучшение фильтруемости пива;

•снижение расхода топлива и, следовательно, уменьшение вредных газовых выб росов (СО2);

•снижение потерь ввиду низкого рабочего давления в аппарате и меньших темпе ратур греющего пара;

•относительно низкие температуры греющего пара, открывающие перспективы для применения альтернативных источников тепловой энергии;

•щадящие условия, обеспечивающие сохранность азотистых фракций при кипя чении сусла;

•максимальная испаряемость неблагородных ароматических веществ;

•увеличение интервалов между циклами мойки и снижение в этой связи расхо дов на мойку;

•уменьшение количества сточных вод из за снижения объемов конденсата вто ричного пара и более коротких циклов мойки;

•улучшение теплопередачи и более эффективное использование энергии.

Всусловарочной системе Merlin, основанной на тонкопленочном способе выпари вания сусла, почти идеально удовлетворяются экономические, технологические и эко логические требования к кипячению сусла, что выгодно выделяет ее на фоне прочих сусловаренных систем, которые не позволяют обеспечить более высокие энергосбере жения при одновременном улучшении качества сусла.

Втрадиционных технологиях для сохранения ароматических соединений хмеля первую его порцию задают обычно через 10 мин после начала кипячения. Это обуслов лено тем, что полифенолы хмеля быстрее связываются с белком, нежели полифенолы солода, и при более раннем внесении хмеля его расход может быть выше.

Однако в системе Merlin этого не происходит, хотя первую порцию хмеля вносят

вгидроциклонный аппарат уже на стадии нагревания сусла. Это объясняется, по види мому, тем, что при более мягкой термической нагрузке свойства сусла как растворителя лучше и изомеризация хмеля в системе Merlin осуществляется гораздо эффективнее.

* * *

С технологической точки зрения Merlin — наилучшая сусловарочная система, обеспе чивающая производство высококачественного пива. К тому же она обладает непревзой денной технологической гибкостью, поскольку в ней можно без проблем перерабатывать

различные объемы сусла, причем в таком широком диапазоне, в каком не может фун кционировать никакая другая сусловарочная система.

Однако с появлением сусловарочной системы Stromboli практический интерес к Merlin снизился. Это обусловлено тем, что сусловарочная система Stromboli при очень хороших показателях горячего охмеленного сусла (практически не уступающих суслу, получаемому в системе Merlin), обеспечивает лучшие функциональные показатели,

вчастности:

•более высокий коэффициент оборачиваемости (до 14 варок в сутки);

•существенно проще в управлении;

•дешевле.

6.4.4.4. Методы и системы энергосбережения сусловарочного оборудования

Варочное отделение потребляет наибольшее количество тепловой энергии, удель ный расход которой составляет 81–128 МДж/гл товарного пива, при общих удельных затратах тепловой энергии на производство пива 130–185 МДж/гл. При этом только на кипячение сусла приходится 24–54 МДж/гл. Все это свидетельствует об актуально сти и важности решения проблемы сокращения затрат тепловой энергии в пивоварен ном производстве и, в первую очередь, на стадии кипячения сусла с хмелем.

При кипячении сусла выпаривается (в зависимости от типа сусловарочного обору дования) от 3 до 12% воды в виде водяного пара с температурой около 100 °С. При использовании сусловарочного оборудования предыдущих поколений теплота вто ричного пара безвозвратно терялась при его удалении в атмосферу через вытяжную трубу, что при современных высоких затратах на энергию весьма расточительно. Из термодинамики известно, что удельная теплота парообразования составляет 2257 кДж/кг. Именно столько теплоты требуется для превращения 1 кг воды при 100 °С в парообраз ное состояние. При конденсации 1 кг водяного пара, наоборот, это количество теплоты выделяется в окружающую среду.

Помимо этого, с водяным паром выбрасывались в атмосферу ароматические лету чие компоненты сусла, придавая окрестностям пивоваренного предприятия своеоб разный запах. Это не соответствует современным требованиям экологической безо пасности и во многих развитых странах законодательно запрещено.

Оба эти обстоятельства послужили основанием для разработки методов и систем энергосбережения, обеспечивающих не только рекуперацию (от лат. recuperation — возвращение, повторное использование) тепловой энергии, но значительное сниже ние выбросов запахов в атмосферу.

6.4.4.4.1. Энергосбережение с применением конденсаторов вторичного пара

Применение конденсаторов вторичного пара известно в пивоварении со второй половины XIX в.

На рис. 6.83 показан вариант рекуперации тепла вторичного пара с применением простейшего конденсатора смешения. Конденсацию пара в нем осуществляют за счет мельчайшего распыления холодной воды в корпусе конденсатора, смонтированного

непосредственно на вытяжной трубе сусловарочного аппарата. Нагретую воду, сме шанную с конденсатом, отводят из конденсатора через нижний штуцер.

При простоте конструктивного решения этот способ имеет существенный недоста ток — невозможность использования нагретой воды в технологических целях, посколь ку в ней содержатся сконденсировавшиеся ароматические соединения, оказывающие негативное влияние на промежуточные и конечный продукты пивоварения.

Рис. 6.83. Конденсатор смешения на вытяжной трубе сусловарочного аппарата

В современных сусловарочных системах в качестве конденсаторов вторичного пара применяют теплообменники любых типов, но наибольшее применение для этой цели нашли кожухотрубные теплообменники. Их подсоединяют к отводу вытяжной трубы сусловарочного аппарата (рис. 6.84). Подвод пара осуществляют через верхний шту цер в межтрубное пространство. Через трубы теплообменника конденсатора прокачи вают холодную воду с температурой 15–20 °С, которая, проходя через них, нагревается до температуры 80–85 °С благодаря тому, что вторичный пар, контактируя с трубами, отдает свою теплоту и конденсируется. В этом случае нагретую воду можно использо вать в технологических целях.

Образующийся конденсат, стекающий с труб теплообменника, собирается в ниж ней части межтрубного пространства и отводится из него через нижний штуцер.

Повторное использование конденсата вторичного пара в технологических целях недопустимо, поскольку в нем содержатся также ароматические соединения, выпарен ные из сусла. Поэтому этот конденсат охлаждают в теплообменнике холодной водой до температуры примерно 30 °С и направляют в канализацию. Тем самым обеспечи вают, во первых, дополнительную рекуперацию теплоты, а во вторых, понижение

Рис. 6.84. Принципиальная схема сусловарочного аппарата с рекуперацией тепловой энергии в конденсаторе вторичного пара:

1 — сусловарочный аппарат; 2 — насос для сусла; 3 — конденсатор вторичного пара; 4 — теплообменник для охлаждения конденсата вторичного пара

температуры конденсата до уровня, при котором допускается сбрасывать стоки в кана лизацию.

Таким образом, при использовании конденсатора вторичного пара из 1 гл испарен ной из сусла воды получают до 8 гл горячей воды с температурой 80 °С и тем самым частично возвращают тепловую энергию в производство, при этом КПД конденденса тора вторичного пара достигает 97%.

6.4.4.4.2.Энергосбережение с накоплением тепловой энергии

Вварочном отделении пивоваренного производства обычно образуется избыток горячей воды, который не находит практического применения. В то же время на неко торых стадиях технологического потока требуется подвод тепловой энергии для подо грева перерабатываемых сред. Внимание специалистов привлекла возможность ис пользования для этих целей теплоты очень горячей воды, образующейся в процессе производства. Это стало практически возможным с появлением в начале 80 х гг. ХХ в. замкнутых теплоизолированных систем с накоплением тепловой энергии. Принципи альное устройство системы энергосбережения в варочном цехе с накоплением тепло вой энергии показано на рис. 6.85.