Pivovarennaya_inzheneria_ / Глава 3

4

2

1

3

Рис. 3.10. Установка для разведения чистой культуры пивных дрожжей системы Грейнера

Технические характеристики установок Грейнера для получения чистой культуры дрожжей приведены в табл. 3.4.

Установка Грейнера работает следующим образом. Сусло заливают в стерилизатор, нагревают его до кипения, выдерживают при температуре 100 °С в течение 30 мин и ох лаждают до температуры 8 °С, аэрируя сжатым воздухом.

Охлажденное стерильное сусло сжатым воздухом передавливают в бродильный ци линдр, заполняя его на 0,8 вместимости. В сусло вносят посевную культуру из колбы Кар лсберга через специальный штуцер в асептических условиях. После этого в цилиндре про исходит брожение в течение 3 сут.

По окончании брожения часть зрелой культуры переводят в сосуд для маточных дрожжей, заполняя его полностью.

Оставшуюся часть культуры передавливают сжатым воздухом из бродильного ци линдра в аппарат для предварительного брожения, в котором перед этим должно быть простерилизовано и охлаждено до 8 °С сусло при аэрировании сжатым воздухом. Коэффициент заполнения аппарата предварительного брожения — 0,75. Брожение в аппарате предварительного брожения продолжается 3 сут.

После опорожнения бродильного цилиндра в него перепускают из сосуда для ма точных дрожжей семенную культуру и заполняют на 0,8 вместимости стерильным, охлажденным суслом из стерилизатора. Затем повторяют цикл брожения.

С конца ХХ в. пивовары стали уделять повышенное внимание развитию как биоло гических, так и технических дрожжевых систем, от которых в значительной степени зависит качество функционирования пивоваренного производства и, в конечном ито ге, качество выпускаемой продукции.

В последние годы проводится активная работа по совершенствованию биологических дрожжевых систем, направленная на селекцию новых эффективных штаммов пивных дрожжей. Создаются новые, более совершенные технические дрожжевые системы — ус тановки для производства чистой культуры дрожжей (ЧКД), назначением которых явля ется получение достаточного количества биомассы биологически чистой дрожжевой куль туры с хорошим физиологическим состоянием.

3.3.2. Организация процесса получения чистой культуры дрожжей

Производственное размножение дрожжей осуществляют в открытых или закрытых дрожжевых системах, в анаэробных и аэробных условиях, в периодическом и полунепре рывном режимах.

Открытое размножение пивных дрожжей является относительно простым. Для это го используют открытые емкости различной вместимости, в которых проводят поэтапное анаэробное размножение дрожжей с увеличением объема за счет разбавления дрожжевой суспензии в соотношении 1 : 4 свежей питательной средой, в качестве которой применяют охлажденное производственное сусло. Вначале размноженную культуру перемещают в б\льший объем сусла при наиболее бурном брожении — при образовании высоких за витков, а в последующем культуру переносят в емкость, заполненную суслом на 1/4–1/3,

ипри появлении белых завитков постепенно добавляют в нее свежую порцию сусла.

Кнедостаткам открытого разведения пивных дрожжей относят:

•возможность инфицирования культуры посторонней микрофлорой;

•меньшую удельную концентрацию клеток в посевной культуре;

•менее активное физиологическое состояние клеток;

•б\льшую продолжительность процесса культивирования;

•более высокую трудоемкость процесса.

Закрытое анаэробное размножение пивных дрожжей, получившее широкое рас пространение во второй половине ХХ в., осуществляют в закрытых бродильных сосу дах. В таких условиях дрожжи испытывают недостаток кислорода, в результате чего вынуждены развиваться преимущественно в анаэробных условиях. Среднее значение

концентрации дрожжей в готовой культуре обычно не превышает 80 млн клеток/мл. Типичным примером дрожжевой системы закрытого типа для анаэробного размноже ния дрожжей является установка Грейнера (см. предыдущий раздел).

Современные установки для получения чистой культуры дрожжей представляют со бой системы закрытого типа для аэробного культивирования дрожжей в асепти( ческих условиях. В качестве субстрата используют стерильное сусло. Оптимальное раз множение дрожжевых клеток обеспечивают за счет поддержания культуры в фазе экспо ненциального роста.

Аэробные условия положительно влияют на ускорение роста и размножения дрож жей, поскольку только в присутствии кислорода в клетках осуществляется синтез не насыщенных жирных кислот и стеролов, являющихся компонентами клеточных сте нок и обеспечивающих их размножение.

Дрожжи извлекают необходимую им энергию из некоторых имеющихся в сусле сахаров. При этом аэробное культивирование дрожжей гораздо выгоднее с энергети ческой точки зрения, поскольку из каждой молекулы глюкозы образуется 38 молекул аденозинтрифосфата (АТФ), в то время как при брожении в анаэробных условиях — только 2 молекулы АТФ. При наличии в среде достаточного количества кислорода дрожжи не образуют спирт, а окисляют образовавшийся в процессе гликолиза пиру ват через цикл лимонной кислоты до диоксида углерода и воды. Аэробный метабо лизм дрожжей, способствующий очень быстрому росту клеток, регулируют добавле нием необходимого количества кислорода.

При аэробном культивировании получают дрожжи со стабильным хорошим физи ологическим состоянием и более высокой бродильной активностью, причем количе ство мертвых клеток обычно не превышает 1%.

К достоинствам применения посевной культуры, полученной при аэробном куль тивировании дрожжей, относят:

•сокращение продолжительности главного брожения;

•повышение степени сбраживания сусла;

•стабильность продолжительности сбраживания при пониженной температуре;

•ускорение распада побочных продуктов брожения и образования компонентов, формирующих букет молодого пива;

•снижение расхода семенных дрожжей;

•стабильность органолептических свойств получаемого пива;

•возможность снижения числа генераций семенных дрожжей (вплоть до обеспе чения каждого бродильного аппарата чистой культурой);

•подавление облигатных и потенциальных вредителей пива, не выдерживающих конкуренции со стороны физиологически активных дрожжей;

•лучшее осаждение дрожжей в аппаратах для брожения и дображивания, что ска зывается на увеличении ресурса фильтровальных материалов при осветлении пива;

•пониженную склонность дрожжевых клеток к автолизу, в результате чего образу ется меньше продуктов распада, негативно влияющих на вкусовые качества пива и его фильтруемость.

Аэробное размножение дрожжей осуществляют при различной температуре. Самый быстрый прирост дрожжевой биомассы достигается при температуре 20–25 °С. При этой

температуре, непрерывной аэрации и перемешивании уже через 24 ч можно достичь необходимого количества клеток, равного как минимум 170 млн клеток/мл.

В современном пивоваренном производстве применяют главным образом периоди( ческое культивирование дрожжей или его разновидности, например, периодическое культивирование с подпиткой, при котором в процессе культивирования в биореактор добавляют питательную среду через определенные промежутки времени. При этом про должительность культивирования возрастает, но требуется меньшее количество посевно го материала и происходит более полное использование всех имеющихся в среде пита тельных веществ.

К общим недостаткам периодического культивирования относят: цикличность; посто янное изменение условий культивирования; трудность контроля и регулирования пара метров процесса.

Применяют также отъемно(доливное культивирование, при котором часть культу ральной жидкости из биореактора периодически изымают при последующем добавлении эквивалентного количества питательной среды. Этот технологический прием способствует регулярному омолаживанию культуры и задержке ее перехода к фазе отмирания. Такой метод культивирования в значительной мере уподобляется непрерывному процессу и поэтому его часто называют полунепрерывным культивированием.

Существуют и другие высокоэффективные методы культивирования микроорганиз мов, например, непрерывное культивирование и культивирование в мембранных биоре акторах, но в пивоварении они пока применения не находят.

3.3.3.Строение и функционирование технических систем культивирования дрожжей

3.3.3.1.Требования к современным системам получения чистой культуры

дрожжей

Современные методы и технические системы для разведения чистой культуры на основе закрытого аэробного культивирования дрожжей позволяют интенсифицировать процесс — получать б\льшее количество биомассы дрожжей и за более короткие сроки.

Основные требования, предъявляемые к современным техническим системам для по лучения чистой культуры дрожжей:

•надежная герметизация оборудования и коммуникаций, обеспечивающая асеп тику процесса;

•применение в качестве питательной среды только стерильного сусла;

•минимизация в дрожжегенераторе встроенных конструктивных элементов;

•высокая степень чистоты обработки внутренних поверхностей оборудования;

•применение только стерильного воздуха;

•обеспечение термостабилизации культуры в заданных пределах;

•обеспечение эффективной целенаправленной мойки и дезинфекции оборудова ния и коммуникаций;

•исключение «мертвых» зон;

•исключение контакта технологических сред с растворами СIP;

•обеспечение гомогенности дрожжевой культуры;

•обеспечение тонкого диспергирования воздуха в культуральной жидкости;

•обеспечение дрожжей достаточным количеством кислорода;

•получение в кратчайшее время биомассы дрожжей в стадии высоких завитков

(логфазе) в количестве, достаточном для внесения в бродильный аппарат. Системы для получения чистой культуры дрожжей, применяемые в пивоварении, во

многом идентичны по конструктивному устройству и обычно отличаются лишь техни ческими и технологическими нюансами, от которых зачастую зависит эффективность и экономичность процесса.

Однако существуют общие принципы организации и технического обеспечения про цесса культивирования дрожжей в современных установках для получения ЧКД, кото рые обобщены ниже.

Стерилизацию сусла в стерилизаторе целесообразно осуществлять при 100–105 °С в течение 0,5–1,0 ч. Использовать более высокие температуры стерилизации, например 130 °С (как это иногда осуществляют) нецелесообразно, поскольку при этом выше как затраты энергии, так и тепловая нагрузка на сусло. Низкотемпературный режим вполне достаточен для стерилизации, но состав сусла вследствие низкой тепловой нагрузки бо лее благоприятен для культивирования дрожжей.

Сусло для установки ЧКД целесообразно отбирать в варочном цехе до теплообменни ка охладителя, чтобы не тратить тепловую энергию на его нагревание, сократить продол жительность процесса и не подвергать сусло опасности инфицирования.

Иногда последующие порции горячего сусла добавляют в дрожжегенератор без пред варительной стерилизации, тем не менее целесообразно осуществлять стерилизацию всех порций сусла, используемого для получения ЧКД, что повышает надежность процесса получения чистой культуры дрожжей и гарантирует исключение всех непредвиденных случайностей.

При культивировании дрожжей низового брожения температуру поддерживают на уровне 8–14 °С, а верхового брожения — 20 °С.

Не реже 1 раза в сутки необходимо контролировать содержание экстракта в дрож жегенераторе. После снижения экстракта до 3,5–4,5%*, чистую культуру дрожжей мед ленно охлаждают, периодически перемешивая ее насосом, но без аэрации, доводя тем пературу дрожжевой суспензии до температуры сусла, подаваемого на брожение, что бы избежать температурного шока дрожжей. Хладагент, применяемый для охлажде ния среды в дрожжевых аппаратах, не должен иметь слишком низкую температуру, обычно на входе ее поддерживают около –3 °С.

Единого мнения о том, как лучше вносить дрожжи в бродильный аппарат, до сих пор не сложилось. Одни полагают, что дрожжи нужно добавлять частями в каждую порцию сусла, заливаемого в ЦКБА; другие — можно внести сразу в первую порцию сусла всю массу дрожжей, а третьи — б\льшую часть (~ 80%) дрожжей следует вносить в первую порцию сусла и остаток дрожжей в предпоследнюю.

В одних случаях дрожжи подмешивают в поток проаэрированного сусла в процессе его перекачки в ЦКБА. В других — в ЦКБА предварительно вносят всю порцию дрожжей,

азатем подают в него аэрированное сусло. Разницы в качестве получаемого пива нет,

* При массовой доле сухих веществ в начальном сусле 11–12%.

но преимуществом второго способа, применяемого на большинстве пивоваренных предприятий, является существенное сокращение продолжительности опорожнения дрожжегенератора и, следовательно, увеличение его коэффициента оборачиваемости.

Обычно для ускорения освобождения дрожжегенератора дрожжи до окончания варки переносят в ЦКБА, в котором они могут находиться 1,5–2,0 ч до момента внесе ния сусла. Дрожжам безразлично, где пребывать — в дрожжегенераторе или в ЦКБА, но коэффициент оборачиваемости дрожжегенератора в этом случае увеличивается.

Иногда аэрированию подвергают не сусло, а только дрожжи, что способствует лучшей воспроизводимости процесса брожения.

Автоматические анализаторы концентрации клеток (мутномеры) существуют, но ис пользование их в установках ЧКД экономически нецелесообразно. Достаточно знать кон центрацию клеток и объем, который определяют по подаче насоса и продолжительности перекачивания. Как только требуемый объем дрожжей прокачивают, клапан автомати чески закрывается.

Остатки дрожжей вытесняют из трубопровода горячей (80 °С) стерильной водой, при этом смешивание дрожжей с водой крайне незначительно. Вытеснение осуществляют по продолжительности перекачивания.

Насосы для перекачивания дрожжей оснащают частотными регуляторами.

После каждого перекачивания дрожжей трубопроводы до места врезки в суслопровод в течение 30 мин промывают горячей щелочью и пропаривают.

Установки ЧКД целесообразно оснащать эффективной и экономичной локальной си стемой безразборной мойки без сборников химических реагентов. Моющие растворы

вэтом случае готовят непосредственно в трубопроводах и осуществляют их циркуляцию через аппараты установки ЧКД. Это экономически более выгодно, поскольку обеспечи вается минимальный расход химических реагентов в связи с тем, что моющие растворы после обработки оборудования установки ЧКД вторично не используют, а сбрасывают

вканализацию.

При проектировании установки следует избегать образования застойных зон и при менения конструктивных элементов, затрудняющих мойку оборудования.

Современные установки ЧКД работают обычно в автоматическом режиме, но пе реключение потоков целесообразно осуществлять с помощью панели, оснащенной за порными клапанами и быстросъемными перекидными коленами (калачами), перестав ляемыми вручную.

Автоматическое переключение потоков с применением двухседельных клапанов в ус тановках ЧКД применять не рекомендуется, поскольку они не обеспечивают абсолютную гарантию надежности герметизации. Двухседельные клапаны устанавливают обычно лишь на трубопроводе для перекачивания дрожжей в бродильные аппараты.

3.3.3.2. Периодическое культивирование дрожжей

Традиционное аэробное периодическое культивирование дрожжей осуществляют в установке, в состав которой входит один аппарат — дрожжегенератор (рис. 3.11).

Процесс получения чистой культуры дрожжей осуществляют следующим образом. Дрожжегенератор заполняют суслом на 50–60% и стерилизуют его, нагревая паром

с помощью нагревательной рубашки, расположенной на коническом днище. Простери лизованное сусло охлаждают до 20 °С с помощью охлаждающей рубашки, располо женной на цилиндрическом корпусе дрожжегенератора, и вносят в него посевной ма териал из колбы Карлсберга.

Стерильный

воздух

Хладагент

Хладагент

Пар

Рис. 3.11. Принципиальная схема установки для периодического культивирования дрожжей

В первые сутки процесса осуществляют циклы аэрирования культуральной жидкости стерильным воздухом в течение 1 мин через каждые 15 мин. По мере накопления биомас сы и усиления дыхания интенсивность аэрации повышают — подают стерильный воздух в течение 1 мин через каждые 5 мин. Аэрация способствует перемешиванию культураль ной жидкости, но иногда их дополнительно оснащают механическими перемешивающи ми устройствами.

По окончании культивирования дрожжегенератор освобождают, перекачивая всю дрожжевую культуру в бродильный аппарат, подвергают мойке и стерилизации. Этот способ приемлем при получении чистой культуры дрожжей один раз в неделю.

К достоинствам одностадийного культивирования дрожжей относят:

•исключение возможности мутации дрожжей, поскольку в каждом цикле исполь зуют новый посевной материал;

•простоту обслуживания и эксплуатации;

• простоту конструкции и меньшие капитальные затраты, поскольку требуется всего один аппарат.

К недостаткам этой системы культивирования относят:

•необходимость подготовки для каждого цикла культивирования новой порции посевного материала;

•наибольшую продолжительность цикла культивирования;

•повышенное соотношение объемов посевного материала и питательной среды (при большой вместимости дрожжегенератора), не являющееся оптимальным для раз вития дрожжей; помимо этого, в этих условиях значительная часть кислорода расходуется на нежелательное химическое окисление сусла.

* * *

Устранение вышеперечисленных недостатков возможно в системе периодического культивирования дрожжей на основе двух автономно работающих дрожжегенераторов различной вместимости. Вместимость б\льшего дрожжегенератора кратна вместимо сти меньшего в 3 или 4 раза.

Порядок работы такой системы следующий:

1.После мойки и стерилизации малый дрожжегенератор заполняют суслом, кото рое стерилизуют и охлаждают, а затем аэрируют до содержания кислорода в нем около 9 мг/л.

2.В малый дрожжегенератор вносят посевной материал из колбы Карлсберга и на чинают культивирование дрожжей с периодической аэрацией воздухом.

3.Большой дрожжегенератор и соответствующие коммуникации моют и стерили зуют, а затем заполняют его суслом, объем которого должен быть меньше рабочей вместимости дрожжегенератора на объем сусла, залитого в малый дрожжегенера тор. После этого сусло стерилизуют и охлаждают, а затем аэрируют до содержа ния кислорода в нем около 9 мг/л.

4.После достижения концентрации дрожжевых клеток в малом дрожжегенераторе около 60 млн клеток/мл все его содержимое перекачивают в большой дрож жегенератор и осуществляют в нем культивирование дрожжей с периодичес кой аэрацией воздухом, а малый дрожжегенератор моют и стерилизуют.

5.По достижении концентрации дрожжевых клеток в большом дрожжегенераторе около 80–120 млн клеток/мл, часть чистой культуры дрожжей перекачивают

вмалый дрожжегенератор, а остальное — в бродильное отделение. После опорож нения большой дрожжегенератор моют и стерилизуют — готовят к следующему циклу.

6.Технологический цикл в большом дрожжегенераторе повторяют, используя при этом в качестве посевного материала чистую культуру дрожжей, полученную

впредыдущем цикле и временно содержащуюся в малом дрожжегенераторе. Посевной материал из лаборатории используют для внесения в малый дрожжеге

нератор, как правило, всего лишь 2–3 раза в год.

К преимуществам двухстадийного культивирования дрожжей относят:

•автономность работы каждого дрожжегенератора, обеспечивающую надежность последовательных технологических циклов;

•возможность получения чистой культуры дрожжей до двух раз в неделю;

•использование в качестве посевного материала культуры, выращенной в преды дущем цикле, что позволяет получать исходный посевной материал в лаборато

рии всего 2–3 раза в год.

К недостаткам этой системы относят:

• усложнение и удорожание конструктивного устройства системы;

• более высокие требования к квалификации обслуживающего персонала.

3.3.3.3. Периодическое культивирование дрожжей с подпиткой свежим субстратом

Принципиальное устройство установки для получения чистой культуры дрожжей си стемы Steinecker, в которой осуществляют периодическую подпитку дрожжевой культу ры свежим субстратом, приведено на рис. 3.12.

При получении чистой культуры дрожжей осуществляют поэтапное масштабирова ние популяции — от одной клетки до 150–180 млн клеток/мл.

Первые этапы этого процесса выполняют в лабораторных условиях, где из пробирки с чистой культурой в результате 3–4 х пересевов из колбы в колбу с увеличением объема получают 10–100 л (в зависимости от вместимости дрожжегенератора) посевного мате риала в колбе Карлсберга.

Последующие этапы процесса осуществляют в дрожжегенераторе, который заполня ют вначале на 1/3 или 1/2 от его рабочей вместимости стерильным и охлажденным сус лом, в которое из колбы Карлсберга в условиях асептики вносят посевной материал с кон центрацией около 30 млн клеток/мл. При культивировании дрожжей в дрожжегенерато ре осуществляют метод периодического культивирования с подпиткой свежим субстра том, при котором соответственно 1 или 2 раза в аппарат добавляют свежие порции сте рильного и охлажденного сусла с доведением конечного объема дрожжевой культуры до количества, необходимого для внесения, как правило, в один бродильный аппарат. Благо даря периодической подпитке субстратом в несколько приемов обеспечивается вос полнение культуральной жидкости питательными веществами, вследствие чего куль тура развивается более эффективно и сбалансированно.

По окончании перекачивания дрожжевой суспензии в бродильный аппарат в дрожже генераторе (или соединенном с ним специальном сосуде для маточных дрожжей) остав ляют небольшое количество дрожжевой культуры (около 0,1 от первоначального объе ма), которое используют в последующем цикле культивирования в качестве посевного материала.

В процессе культивирования периодически осуществляют аэрацию культуральной жидкости, перекачивая ее через внешний аэратор в течение 5 мин, перемежая 10 минут ными паузами, благодаря чему дрожжи не испытывают недостатка в кислороде и раз виваются в аэробных условиях.

Гарантированная концентрация дрожжей в готовой культуре составляет 120 млн клеток/мл, а практически удается получить 150–180 млн клеток/мл. В аналогичных системах культивирования дрожжей с подпиткой свежим субстратом можно полу чить и более высокие концентрации биомассы, например до 400 млн клеток/мл.