Pivovarennaya_inzheneria_ / Глава 6c

Однако Пастер до конца жизни так и не смог отрешиться от мысли, что химический акт брожения тесно связан с жизненным актом, начинающимся и заканчивающимся с ним. Пастер не допускал спиртового брожения без одновременной организации разви% тия и размножения клеток или продолжающейся жизни уже образовавшихся клеток. Виталистическое убеждение Пастера, что нет брожения без жизни и его научный авто ритет в течение многих лет имели решающее влияние на воззрения исследователей в области брожения.

Ферментативная теория, характеризующая дальнейший этап научного развития брожения, выдвинута русским ученым Марией Михайловной Манассеиной (1843– 1903), которая впервые (1871) указала на возможность бесклеточного спиртового бро жения. Она доказала, что распад сахара на алкоголь и угольную кислоту не зависит от жизни дрожжевых клеток, а спиртовое брожение обусловлено специфическими фер ментами, образуемыми дрожжевыми клетками. Эта теория в последствии была под тверждена и развита немецким биохимиком, нобелевским лауреатом Эдуардом Бух нером (1860–1917), выделившим зимазу (1897).

Выявление бесклеточного брожения открыло новое направление в изучении фер ментов и биокатализа. Особая роль в изучении этой проблемы принадлежит русскому ученому Александру Николаевичу Лебедеву (1881–1938), предложившему более про стой метод изолирования зимазы по сравнению с методом Бухнера.

Работы М. М. Манассеиной, Э. Бухнера и А. Н. Лебедева положили конец витали стическим воззрениям на природу брожения и послужили импульсом к дальнейшему изучению биохимической стороны процесса брожения.

На этом этапе развития теории брожения было установлено, что фермент, иниции рующий спиртовое брожение, — зимаза отнюдь не является моноферментом, а пред ставляет собой комплекс ферментов, участвующих в брожении на различных этапах распада углеводов. Были предложены рабочие гипотезы и феноменологические моде ли, более или менее удовлетворительно объясняющие явления, сопровождающие про цесс брожения.

Современная теория брожения достаточно адекватно отражает химическую и фер ментативную стороны процесса, но его исследования продолжаются.

6.5.1.2.Процессы и явления, протекающие при брожении

Сразвитием методов аналитического контроля установлено, что процесс броже ния, при котором содержащийся в сусле сахар под действием ферментов дрожжей расщепляется на этанол и диоксид углерода, сопровождается образованием промежу точных и побочных продуктов (глицерина, янтарной кислоты и пр.), которые быстро исчезают, а зачастую просто не улавливаются традиционным анализом. Это свиде тельствует о том, что на самом деле брожение протекает не так просто, как это ранее представляли и обычно суммарно описывали уравнением Ж. Гей Люссака (1778–1850), учитывающим лишь исходные и конечные продукты:

Согласно этому уравнению при спиртовом брожении из одного моля глюкозы (180 г) образуется 92 г этанола и 88 г диоксида углерода. То есть сахар, содержащийся в сусле,

по массе практически почти поровну разлагается на спирт и углекислоту. Однако, по скольку газ обладает гораздо меньшей плотностью, объемная доля образующегося ди оксида углерода намного больше этанола.

Образование и частичное расщепление промежуточных и побочных продуктов бро жения обусловлено метаболизмом дрожжей и следует рассматривать совместно.

Одновременно с превращением сахаров в этанол и диоксид углерода дрожжами осуществляется ассимиляция азота из аминокислот, органических и неорганических аммонийных солей с образованием летучих и нелетучих кислот. Дрожжи не только потребляют азот, но и выделяют его в процессе своей жизнедеятельности.

Впроцессе брожения, особенно в начальной его стадии, повышается концентрация водородных ионов и снижается значение рН, что обусловлено образованием диоксида углерода и органических кислот. В последующем величина рН изменяется в меньшей степени в зависимости от состава среды, который меняется вследствие метаболизма дрожжей, особенно в результате потребления ими фосфатов. В результате повышения концентрации водородных ионов изменяется дисперсность коллоидных частиц, про исходит коагуляция высокомолекулярных белков на поверхности дрожжевых клеток

ивыделение их в деку, а также частичное выделение горьких веществ из за снижения их растворимости.

Впроцессе брожения наряду с образованием этанола и диоксида углерода происхо дит еще целый ряд преобразований, в результате которых образуются альдегиды, выс шие спирты, сложные эфиры и сернистые соединения, изменяется кислотность, содер жание изогумулонов, полифенолов и др.

Дображивание и выдержка пива сопровождаются его осветлением, в процессе которого оседающие дрожжи сорбируют белковую муть и прочие взвеси, увлекая их в осадок. Помимо этого при дображивании завершается насыщение пива диоксидом углерода.

Для качественного сбраживания сусла и получения готового пива необходимо от носительно большое количество засеваемых дрожжей — 0,7–0,8 л на 1 гл сусла при внесении в цилиндроконический бродильный аппарат (ЦКБА) и 0,5 л — при внесении в классический бродильный аппарат.

Учитывая, что площадь поверхности (т. е. площадь обмена веществ) одной клетки составляет около 180 10–12 м2, при концентрации дрожжей 10 106 клеток/мл удельная площадь поверхности пивных дрожжей в бродильном аппарате составляет 1800 м2/м3.

6.5.1.3. Основные факторы, влияющие на брожение

Сбраживание сусла зависит от штамма, концентрации и физиологических свойств дрожжей, на жизнедеятельность которых влияют следующие основные стрессовые факторы:

•экстрактивность сусла;

•концентрация продуктов метаболизма (прежде всего этанола);

•содержание микроэлементов в сусле;

•содержание кислорода в сусле;

•температура;

•давление.

Экстрактивность сусла. При повышенной экстрактивности сусла концентрация сахаров в нем слишком высока, а содержание аминокислот недостаточно, что замедля ет брожение. Ускорить процесс можно внесением новых дрожжей или добавлением сбраживаемого сусла с дрожжами, находящимися в самой благоприятной фазе разви тия — в логарифмической.

Содержание спирта до концентрации около 5% об. практически не сказывается негативно на процессе брожения. Некоторые штаммы дрожжей без проблем сбражи вают сусло до 6–7% об. спирта. При более высоких концентрациях этанола брожение и рост клеток замедляются, и те начинают гибнуть.

Содержание микроэлементов в сусле влияет на активность брожения. Прежде ионы микроэлементов попадали в сусло в основном при контакте его с материалом оборудо вания варочного отделения, корпуса которых традиционно изготавливали из красной меди, сита фильтрационных аппаратов — из латуни и пр.

Врезультате повсеместного перехода пивоваренного аппаратостроения на нержаве ющую сталь стали возникать трудности при брожении из за ухудшения работы дрож жей, что обусловлено недостатком в сусле ионов двухвалентных металлов — меди и цинка. Цинк — один из важнейших микроэлементов в сусле, поскольку способствует синтезу белка в дрожжевой клетке и регулированию ее нуклеинового и углеводного обмена веществ.

Всвязи с этим для восполнения дефицита двухвалентных металлов в сусле в него

добавляют при кипячении ZnSO4 в расчете не менее 0,12 мг цинка/л сусла. Содержание кислорода в сусле в начале брожения должно быть не менее 8–10 мг/л.

При недостатке кислорода дрожжи испытывают недостаток липидов и ненасыщенных жирных кислот, расходуемых на строительство клеточного вещества. Прирост био массы дрожжей завершается быстрее, продолжительность брожения возрастает, и по вышается количество мертвых клеток.

Температура оказывает существенное влияние на жизнедеятельность дрожжей, которые весьма чувствительны к ее резким изменениям. При сильном охлаждении дрожжи испытывают холодный температурный шок, вследствие которого брожение замедляется или совсем останавливается. При кратковременном повышении темпера туры до 37–40 °С дрожжи также испытывают шок.

Давление при дображивании поддерживают с помощью шпунт аппарата на уровне 0,02–0,18 МПа, вследствие чего в пиве повышается концентрация диоксида углерода. При этом на дрожжи действует не только гидростатическое давление, но и возросшее парциальное давление диоксида углерода.

6.5.2.Инженерное обеспечение брожения и дображивания пива

6.5.2.1.Ретроспективный взгляд на брожение и дображивание пива

Вдревние времена брожение осуществляли в открытых сосудах, установленных

впрохладных подвальных помещениях. В северных странах в зимнее время заготав ливали лед и загружали им бродильные подвалы, что позволяло продлить пивова ренный сезон.

Избыточную теплоту, выделяемую в процессе главного брожения в относительно небольших по объему бродильных сосудах, отводили через их стенки и от поверхности бродящего сусла. С увеличением объемов бродильных сосудов площади поверхности стенок и сусла для обеспечения эффективного теплообмена стало недостаточно. В этом случае стали использовать дополнительное охлаждение с помощью специальных пла вающих в сусле емкостей, наполненных льдом.

Дображивание пива вначале осуществляли в шпунтованных деревянных бочках, а позднее — в металлических герметичных аппаратах, размещенных в холодном подва ле, называемом лагерем.

С широким внедрением искусственного холода в пивоваренном производстве ста ли быстро совершенствовать конструкции аппаратов главного брожения и дображива ния. Появились герметичные аппараты главного брожения, позволяющие утилизиро вать диоксид углерода, и аппараты дображивания пива. В основном они отличаются лишь наличием теплообменных устройств.

Во второй половине ХХ в. начали использовать бродильное оборудование нового поколения — цилиндроконические бродильные аппараты, в которых стало возмож ным осуществление как главного брожения сусла, так и дображивания пива. В России впервые ЦКБА отечественного производства были установлены в 1975 г. на Москов ском пивоваренном заводе имени А. Е. Бадаева.

6.5.2.2. Организация брожения и дображивания пива

Спиртовое брожение пивного сусла в результате жизнедеятельности дрожжей — основной процесс в производстве пива. При брожении сложные органические соеди нения распадаются на более простые вещества с выделением теплоты.

В результате ферментативных превращений, происходящих в пивном сусле при брожении и в пиве при его последующем созревании, формируются необходимые вкус, цвет и аромат напитка.

При традиционном превращении сусла в пиво выделяют две фазы. В первой фазе, называемой главным брожением, сусло бурно бродит при температуре 5–6 °С в тече ние около 7 суток. При этом температура иногда повышается до 10 °С. Продуктом главного брожения является молодое пиво, имеющее значительную мутность, своеоб разный вкус и аромат, из за которых оно еще непригодно к употреблению.

Во второй фазе, называемой дображиванием, молодое пиво при температуре 0–3 °С в течение 21 суток и более дозревает в герметичных аппаратах. При этом происходит медленное сбраживание незначительного количества остаточных сахаров, пиво освет ляется и насыщается диоксидом углерода.

Граница между главным брожением и дображиванием весьма условна, поскольку они взаимосвязаны и проникают друг в друга. В связи с этим процессы, протекающие при превращении сусла в пиво, следует рассматривать совместно.

Организацию брожения и созревания пива осуществляют различными способами, из которых можно выделить следующие:

•классический периодический способ с осуществлением раздельного открытого главного брожения и дображивания;

•классический периодический способ с осуществлением раздельного закрытого главного брожения и дображивания;

•ускоренный периодический способ:

♦с совмещением главного брожения и дображивания в одном цилиндрокони ческом бродильном аппарате;

♦с осуществлением главного брожения и дображивания в разных цилиндроко нических бродильных аппаратах;

•непрерывный способ брожения и дображивания;

•комбинированный способ, включающий периодическое брожение и ускоренное

непрерывное дображивание с применением иммобилизованных дрожжей.

При открытом брожении велика опасность инфицирования пива, поэтому в про шлом веке начали повсеместный переход на более защищенное в микробиологическом отношении закрытое брожение.

В настоящее время новые и реконструированные пивоваренные предприятия осна щают исключительно цилиндроконическими бродильными аппаратами, поскольку их продуктивность почти вдвое выше по сравнению с традиционными аппаратами.

6.5.2.3. Строение систем брожения и дображивания пива

Типичные схемы систем брожения и дображивания пива в периодическом режиме приведены на рис. 6.116.

Операторная модель системы брожения и дображивания пива приведена на рис. 6.117. Строение систем брожения и дображивания в непрерывном и комбинированном

режимах приведены в разделах 6.5.3.5 и 6.5.3.6.

Сусло Молодое пиво Пиво Сусло Пиво Сусло Молодое пиво Пиво

б) в) г)

Рис. 6.116. Типичные схемы брожения и дображивания пива в периодическом режиме: а — классический способ на основе открытого главного брожения; б — классический способ на основе закрытого главного брожения; в — ускоренный способ с совмещением главного брожения и дображивания в ЦКБА; г — ускоренный способ с раздельным

главным брожением и дображиванием в ЦКБА

530 ПИВОВАРЕННАЯ ИНЖЕНЕРИЯ

дрожжейдрожжей

Семенные дрожжи

Сжатыйвоздух

IIIIII Микрофлора Избыточные дрожжи

Рис. 6.117. Операторная модель системы брожения и дображивания пива: I — оператор дображивания пива; II — оператор брожения пива; III — оператор хранения семенных дрожжей

6.5.2.4. Инженерные задачи при брожении и дображивании пива

При брожении и дображивании пива необходимо обеспечить выполнение следую щих основных инженерных задач:

•организовать заполнение аппаратов суслом;

•организовать дозирование и внесение семенных дрожжей в сусло;

•организовать отвод избыточной теплоты от бродильного аппарата;

•организовать отвод диоксида углерода из бродильного аппарата;

•обеспечить отвод осевших избыточных дрожжей из бродильного аппарата;

•организовать опорожнение аппаратов;

•организовать эффективную безразборную мойку и дезинфекцию аппаратов и ком муникаций.

6.5.3.Оборудование систем для брожения и дображивания пива

6.5.3.1. Классификация бродильного оборудования

Бродильное оборудование классифицируют по следующим основным признакам (табл. 6.28).

По функциональному назначению различают бродильные аппараты (для главного брожения), аппараты дображивания и комбинированные аппараты, в которых осуще ствляют как главное брожение, так и дображивание.

По степени герметизации различают открытые и закрытые бродильные аппараты. В закрытых аппаратах обеспечиваются стерильность сусла и возможность отбора ди оксида углерода для дальнейшего его использования. Аппараты дображивания всегда герметизированы.

По геометрической форме различают аппараты призматической, цилиндрической и цилиндроконической формы.

По ориентации в пространстве различают горизонтальные и вертикальные аппараты.

По виду конструкционного материала различают аппараты из дерева, бетона, алю миния, углеродистой и нержавеющей стали.

По виду систем теплообмена различают аппараты с внутренним, наружным и вы носным охлаждающим устройством. Внутри аппаратов используют обычно змеевики, расположенные в их верхней части. Снаружи используют рубашки. В качестве вынос ных охладителей используют типовые пластинчатые теплообменники.

По способу теплообмена различают прямое охлаждение хладагентом (например, аммиаком) и косвенное охлаждение промежуточной охлаждающей средой (напри мер, раствором пропиленгликоля).

По наличию теплоизоляции различают изолированные и неизолированные аппараты. По виду опор различают аппараты, опирающиеся на 3–4 металлические ножки, на 2

железобетонные опоры или на кольцо железобетонного перекрытия.

По месту размещения различают аппараты, устанавливаемые на улице и аппараты, устанавливаемые внутри помещения.

По степени контроля и управления процессом различают аппараты с ручным, полу автоматизированным и полностью автоматизированным управлением.

Таблица 6.28

Классификация бродильных аппаратов

6.5.3.2. Основные характеристики бродильного оборудования и требования, предъявляемые к нему

Ниже приведены основные характеристики бродильных аппаратов, которыми обыч но руководствуются при их проектировании.

Основные технические характеристики бродильных аппаратов

6.5.3.3.Бродильное оборудование

6.5.3.3.1.Аппараты для главного брожения

Бродильный аппарат ЧБ015 (рис. 6.118) представляет собой стальной герметич ный призматический сосуд с закругленными углами стенок и днища, внутри которого установлен змеевик 5. Через штуцер 4 в змеевик подают хладагент. Аппарат имеет патрубок 6 для подвода сусла и отвода молодого пива, пробку 7 для опорожнения аппарата, люки 1 и 2 для мойки и патрубок 3 для отвода диоксида углерода. Высота уровня сусла в таких аппаратах обычно не превышает 2 м.

Техническая характеристика бродильного аппарата ЧБ 15:

Вконце газопровода расположен тройник 3 для отвода диоксида углерода, выделя ющегося во время брожения. Внутри аппарата установлен змеевик 2 для охлаждения сусла водой.

Впереднем днище имеются люк 7 для мойки и обслуживания аппарата, штуцер

скраном 6 для входа и выхода сусла, пробный кран 5 и бобышки 8 для установки контрольно измерительных приборов (термометра, указателя уровня и др.).

Техническая характеристика аппарата Б 604:

Аппараты Б 604 выпускают диаметром 1800–2400 мм и длиной 3400–11 200 мм.

6.5.3.3.2. Аппараты для дображивания

Аппараты для дображивания М70ТЛА (рис. 6.120) предназначены для дображи вания молодого пива и для хранения готового пива под давлением до 0,07 МПа. Аппа рат представляет собой горизонтальный цилиндрический корпус 3 с эллиптическими днищами, на одном из них находится люк 2 для санитарной обработки. Для наполне ния аппарата и слива продукта внизу расположен штуцер с бронзовым краном 1. Диок сид углерода отводится по специальному трубопроводу 4 со шпунт аппаратом на кон це. Аппарат установлен на опорах 5.

4

3

вн D

2

1 Продукт

5

Рис. 6.120. Аппарат для дображивания молодого пива М7*ТЛА: 1 — кран; 2 — люк; 3 — корпус; 4 — трубопровод; 5 — опора