Pivovarennaya_inzheneria_ / Глава 6c

при его охлаждении перед началом дображивания необходимо отвести дополнитель но еще некоторое количество теплоты Qо.

Тогда общее удельное количество теплоты (кДж/гл), которое необходимо отвести от 1 гл пива на стадии главного брожения, составляет

Qуд = Qб + Qо, (6.83)

где Qо — удельное количество теплоты, отводимое от молодого пива при его охлажде нии перед дображиванием, кДж/гл; при охлаждении пива на 10 °С можно принять среднее ориентировочное значение Qо = 4200 кДж/гл.

Часовую тепловую нагрузку на охлаждающую систему рассчитывают исходя из условия, что охлаждение осуществляют в течение 6 сут. При этом, поскольку теплота при брожении выделяется неравномерно, при расчете вводят коэффициент неравно мерности. Таким образом, часовая тепловая нагрузка (кДж/ч) на охлаждающую сис тему составляет

где kн — коэффициент неравномерности, kн = 1,5; Vp — объем пива в аппарате (т. е. рабо чая вместимость аппарата), гл; Qуд — удельное количество теплоты, отводимое при главном брожении от сбраживаемого пива, кДж/гл; n — продолжительность охлажде ния, сут.

где α1 — коэффициент теплоотдачи от стенки (поверхности теплопередачи) к хлада генту, Вт/(м2 К); α2 — коэффициент теплоотдачи от сбраживаемого пива к стенке, Вт/(м2 К); δ — толщина стенки, через которую осуществляется теплопередача, мм; λ — коэффициент теплопроводности материала, из которого изготовлена стенка, Вт/(м К).

Коэффициенты теплоотдачи аппаратов главного брожения и дображивания опре деляют следующим образом.

Коэффициент теплоотдачи α1 от поверхности теплопередачи к хладагенту опреде

Подставляя все значения параметров, входящих в критерии Рейнольдса и Прандт ля, в уравнение (6.86) и преобразовав его относительно коэффициента теплоотдачи α1 [Вт/(м2 К)], получим следующую зависимость:

где В — коэффициент, включающий в себя все числовые множители и теплофизичес кие характеристики хладагента из входящих в расчет критериев подобия (выбирается в зависимости от температуры жидкости); v — скорость движения теплоносителя, м/с (v = 0,05–0,09 м/с); d — определяющий геометрический размер, м.

Значения коэффициента В для воды приведены в табл. 6.29.

Таблица 6.29

Значение коэффициента В для воды

Коэффициент теплоотдачи α2 [Вт/(м2 К)] от сбраживаемого пива к поверхности теплопередачи определяют по эмпирической формуле

где С — коэффициент пропорциональности, зависящий от температур сбраживаемого пива и поверхности теплопередачи; t1, t2 — температура соответственно сбраживаемого пива и поверхности теплопередачи, °С.

Значения коэффициента С приведены в табл. 6.30.

Таблица 6.30

Значение коэффициента пропорциональности С

Площадь поверхности теплообмена (м2) рассчитывают по формуле

где ∆tср — средняя разность температур, °С.

6.5.5.Основные технические проблемы брожения и дображивания пива

итенденции развития оборудования для их осуществления

Анализ современного состояния брожения и дображивания пива позволяет выде лить следующие основные технические проблемы бродильных систем:

•длительность цикла брожения и дображивания;

•несовершенство контроля за процессами, происходящими в бродильных аппаратах;

•повышенные эксплутационные затраты на осуществление процесса;

•повышение эффективности мойки и дезинфекции оборудования и коммуникаций;

•возможность окисления сусла и пива кислородом воздуха;

•громоздкость бродильного оборудования.

В этой связи совершенствование бродильного оборудования, очевидно, будет на правлено прежде всего на:

•ускорение процесса за счет интенсификации брожения и дображивания (в част ности расширение применения бродильных систем на основе иммобилизован ных дрожжей);

•совершенствование систем контроля за процессами, происходящими в бродиль ных аппаратах;

•герметизацию бродильного оборудования и коммуникаций;

•организацию процесса, обеспечивающую минимизацию контакта технологиче ских сред с кислородом;

•обеспечение требований производственной санитарии;

•повышение экономичности процесса за счет повышения коэффициента оборачи ваемости оборудования и снижения затрат на его осуществление.

6.6. ФИЗИКО,ХИМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ПИВА

После дображивания получают пиво, в котором содержится большое количество взвешенных частиц: дрожжевых клеток, хмелевых смол, белково дубильных соедине ний, скоагулированных белков, микроорганизмов и пр.

Оптические свойства этих веществ отличаются от оптических свойств жидкой фазы, что обусловливает мутность (опалесценцию) пива, не ухудшая при этом осталь ных органолептических свойств напитка.

На предприятиях малой мощности, продукция которых реализуется через пред приятия общепита в течение ближайших суток, такое пиво обычно не подвергают даль нейшей физико химической обработке.

Однако такое пиво не способно продолжительное время сохранять свои потреби тельские свойства — оно крайне нестабильно. Поэтому при промышленном крупно тоннажном производстве расфасованного пива, предназначенного для реализации через торговую сеть, после дображивания пиво необходимо подвергнуть физико хи мической обработке, в процессе которой из него удаляют взвешенные частицы, повышают стабильность и при необходимости нормализуют содержание диоксида углерода.

6.6.1. Осветление и стабилизация пива

Для удаления взвешенных частиц пиво подвергают осветлению, технологическими целями которого являются:

•повышение коллоидной стабильности пива;

•повышение биологической стабильности пива;

•придание пиву товарного вида — прозрачности.

Прозрачность — одно из основных свойств пива, которому придают особое значе ние, поскольку по прозрачности потребитель зачастую оценивает качество пива. Очень важно, чтобы визуальное впечатление от пива в бокале было приятным. Некоторые пивовары, например, говорят, что пиво «пьют глазами». В преломляющихся через стекло бокала световых лучах свежее пиво должно искриться и давать янтарный блеск.

Осветление и стабилизацию пива осуществляют различными методами, среди которых:

•сепарирование;

•фильтрование:

♦через намывной слой кизельгура;

♦через слой поливинилполипирролидона (ПВПП);

♦через волокнистые фильтровальные материалы (картоны, патроны из поли пропилена и т. п.);

•микрофильтрация.

На практике часто используют комбинированные методы осветления и ста били зации пива, сочетающие в себе некоторые из перечисленных способов, например:

•сепарирование + фильтрование через слой кизельгура;

•фильтрование через слой кизельгура + фильтрование через обеспложивающий картон;

•фильтрование через слой кизельгура + фильтрование через обеспложивающий картон + микрофильтрация;

•фильтрование через слой кизельгура + фильтрование через слой ПВПП;

•сепарирование + фильтрование через слой кизельгура + фильтрование через слой ПВПП;

•фильтрование через слой кизельгура + фильтрование через слой ПВПП + филь трование через обеспложивающий картон;

•фильтрование через слой кизельгура + фильтрование через слой ПВПП + тонкое фильтрование через патроны из полипропилена.

В настоящем разделе будут рассмотрены фильтрование и сепарирование пива. Микрофильтрация пива подробно рассмотрена в специальном разделе 4.4.4.4, посвя щенном мембранным процессам разделения жидких сред.

Биологическую стабилизацию пива обеспечивают также, подвергая его после фильтрования термической обработке (пастеризации) — она будет рассмотрена в разделе 6.6.3.

6.6.1.1. Фильтрование пива

Фильтрование — процесс разделения жидких неоднородных смесей с помощью пористой перегородки, способной пропускать жидкость, но задерживать взвешенные в среде твердые частицы. Фильтрование осуществляют под действием сил давления или центробежных сил и применяют для более тонкого разделения суспензий по срав нению с осаждением.

6.6.1.1.1. Технологические аспекты фильтрования пива

Пиво как объект фильтрования представляет собой трудно фильтруемую, слож ную многокомпонентную систему, содержащую, помимо растворенных веществ, кол лоидные частицы, микроорганизмы и прочие взвеси.

В растворенном виде в пиве содержатся остаточные соединения экстракта, продук ты брожения и вкусо ароматические вещества, образующиеся при затирании, охмеле нии сусла и брожении пива.

К коллоидным веществам, содержащимся в пиве, относят белки, полифенолы, уг леводы, оксалаты, белково полифенольные соединения, частицы которых составляют менее 0,1 мкм.

Также в пиве содержатся микроорганизмы и взвешенные частицы, являющиеся причиной его биологической нестабильности и придающие напитку мутность.

Типичные размеры некоторых частиц, содержащихся в пиве и в большей степени влияющих на его фильтруемость, приведены ниже:

Взвешенные частицы:

взвеси горячего сусла, мкм . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20–80 постоянная муть, мкм . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3–10 холодная муть, мкм . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,08–5

Молекулы β*глюканов:

β*глюкан с молекулярной массой 10 000, мкм . . . . . . . . . . ≈ 0,05 β*глюкан с молекулярной массой 100 000, мкм . . . . . . . . . ≈ 0,5 β*глюкан с молекулярной массой 1 000 000, мкм . . . . . . . ≈ 5

Низкомолекулярные β глюканы не оказывают определяющего влияния на фильт рование пива, а высокомолекулярные — имеют ограниченное влияние. Общее содер жание β глюканов оказывает негативное влияние на фильтрование потому, что при больших количествах образует гель. В пиве обычно содержится около 400 мг/л β глюка нов, и если из них лишь 10% превратится в гель, то фильтруемость пива существенно снижается.

Технологической целью фильтрования пива является выделение из него взвешен ных и коллоидных частиц, от которых зависит прозрачность пива, а также его биологи ческая и коллоидная стабильность.

6.6.1.1.1.1. Процессы и явления, осуществляемые при фильтровании пива

При технологической обработке пива фильтрованием возможно решение двух за дач, одной из которых является осветление и биологическая стабилизация за счет вы деления из пива взвешенных частиц, в том числе микроорганизмов, а другой — колло% идная стабилизация за счет комплексообразования со связыванием полифенолов и вы деления этих комплексов из пива. Коллоидная стабилизация пива рассмотрена далее

вразделе 6.6.1.2.

Внастоящее время на пивоваренных заводах для осветления пива наибольшее при менение находят фильтры, в которых фильтрование осуществляют через намывной слой порошкообразного фильтровального материала. Чаще всего для этой цели ис пользуют кизельгур — разновидность рыхлого диатомита — осадочную легкую гор ную породу, образованную из окаменевших обломков панцирей одноклеточных диа томитовых водорослей. Фильтровальные порошки получают, обжигая грубораздроб ленный сырой диатомит при температуре 800–1100 °С, после чего его тонко размельча ют и сортируют по величине частиц. Типичные размеры (мкм) различных фракций кизельгура:

Мелкая . . . . . . . . . . . . . . . . . 2–10 Средняя . . . . . . . . . . . . . . . . . 10–20 Грубая . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20–60

Кизельгур содержит около 85–90% кремнезема, химически устойчив, а его части цы обладают очень высокой пористостью, благодаря чему их площадь поверхности может достигать 20 м2 на 1 г массы порошка.

Кизельгур не должен привносить в пиво посторонние вкус и запах. Поэтому перед применением каждой новой партии кизельгура необходимо протестировать его: 1 чай ную ложку кизельгура размешать в стакане воды и попробовать эту воду на вкус и запах.

Одним из преимуществ фильтрования через намывной слой кизельгура является возможность приспособления его к фильтруемому пиву (см. раздел 6.6.1.1.2.4) для получения ожидаемого конечного результата фильтрования.

При фильтровании пива осуществляется не только механическое задерживание частиц, но и адсорбционные взаимодействия частиц и фильтровальных материалов, проявляющиеся главным образом вследствие их противоположных электрических зарядов. Благодаря адсорбции из пива удаляются частицы высокой степени дисперс ности, не задерживаемые механическим способом.

Фильтровальные материалы имеют, как правило, отрицательный заряд, поэтому ми целлы белков, заряд которых положителен, притягиваются фильтрующей перегород кой, в то время как прочие составляющие коллоидного комплекса пива — декстрины, пектины, горькие кислоты хмеля и пр., заряженные отрицательно, — не адсорбируются.

Фильтрование через слой кизельгура на современных фильтрах обеспечивает стой кость пива до 3 месяцев, а при дополнительном фильтровании через обеспложиваю щие фильтровальные картоны — до 6 месяцев.

6.6.1.1.1.2. Основные факторы, влияющие на фильтрование пива

Процесс фильтрования описывают рассмотренными ранее закономерностями (см. формулы (6.38) и (6.39)).

Из анализа уравнений (6.39) следует, что скорость фильтрования пива прямо про порционально зависит от движущей силы процесса и обратно пропорционально — от сопротивления фильтрующего слоя и вязкости пива. А сопротивление фильтрующего слоя прямо пропорционально его толщине и обратно пропорционально его фильтро вальным свойствам, в частности размерам пор.

Движущая сила фильтрования (разность давлений) пива обеспечивается за счет избыточного давления над фильтрующей перегородкой, создаваемого насосом для подачи пива на фильтрование.

Сопротивление фильтрующего слоя (комбинации осадка и опорной поверхности) является сложными функциями многих переменных — например, сопротивление осадка обратно пропорционально пористости осадка и прямо пропорционально удельной поверх ности составляющих его твердых частиц. Кроме того, на величину сопротивления фильт рующего слоя влияют его толщина, а также размер и форма образующих его частиц.

В процессе фильтрования пива сопротивление слоя возрастает вследствие заку порки пор и увеличения его толщины за счет отложения кизельгура, непрерывно дози руемого в поток нефильтрованного пива перед входом в фильтр.

Вязкость пива зависит от его физико химических свойств, прежде всего от следу ющих параметров:

•плотности (определяемой составом сырья, регламентируемого приготовлением определенного сорта пива);

•химического состава (прежде всего содержания в нем β глюканов);

•температуры.

Фильтруемость пива зависит от его физико химических свойств, которые, в свою очередь, зависят от качества применяемого сырья и промежуточных продуктов, а так же от технологии на предыдущих стадиях производства. Ниже кратко рассмотрены некоторые сырьевые, продуктовые и технологические показатели, обеспечивающие хорошую фильтруемость пива.

Содержание в пиве дрожжевых клеток двояко влияет на фильтруемость пива: с од ной стороны, их небольшое количество положительно сказывается на процессе фильт рования, поскольку, осаждаясь на фильтрующих элементах, они образуют в своем роде дополнительный вспомогательный фильтрующий слой и, кроме того, дрожжевые клет ки адсорбируют на своей поверхности мельчайшие дисперсные частицы мути, способ ные блокировать каналы фильтрующего слоя; с другой стороны, очевидно и негативное влияние дрожжей на фильтрование пива: во первых, образующиеся продукты автолиза дрожжей также способны блокировать каналы фильтрующего слоя, снижая при этом эффективность фильтрования; во вторых, повышение их концентрации на входе в фильтр (так называемый дрожжевой удар) приводит к образованию запирающего слоя и к существенному увеличению перепада давления на входе и выходе.

Изменение содержания некоторых компонентов в пиве для улучшения его фильт руемости обеспечивают также внесением в пиво на стадии брожения и дображивания некоторых добавок, в частности осветляющих веществ (например, 30% ного кизельзо ля в количестве 30 мл/гл пива), ферментных препаратов (например, эндо β глюкана зы с активностью 1000 ед./г в количестве 1 г/гл) и пр.

Кроме того, фильтруемость пива повышают, подвергая его предварительной обра ботке перед фильтрованием — центробежному осветлению на сепараторе.

6.6.1.1.2.Инженерное обеспечение фильтрования пива

6.6.1.1.2.1.Ретроспективный взгляд на фильтрование пива

Осветлять пиво фильтрованием начали всего лишь чуть более 100 лет назад — с кон ца XIX в. При этом, чтобы освободить пиво от белковой и хмелевой мути, применяли преимущественно чашечные фильтры, в которых фильтрующим материалом была масса на основе хлопкового линта с добавлением асбеста, спрессованная на специальном прес се в виде лепешек. В настоящее время такие фильтры вышли из употребления.

Во второй половине ХХ в. в пивоварении начали широко применять рамные фильтр прессы с намывным слоем диатомита (кизельгура), в которых в качестве опорных эле ментов использовали картон (рис. 6.128). Рамные фильтр прессы доминировали на пивоваренных заводах вплоть до конца 1990 х гг. В настоящее время они уступают свои позиции более прогрессивным фильтрующим системам.

1

2

3

4

Фильтрованное пиво Мутная

жидкость

Рис. 6.128. Рамный фильтр*пресс для пива середины XX в.:

1 — фильтр; 2 — дозатор; 3 — расходомер; 4 — насос для подачи пива

На современных предприятиях для фильтрования пива через намывной слой кизель гура применяют преимущественно тарельчатые или патронные (свечевые) фильтры.

6.6.1.1.2.2. Организация фильтрования пива

Для снижения потерь диоксида углерода и более полного удаления холодной бел ковой мути пиво перед фильтрованием охлаждают до –1,5 °С в теплообменниках переохладителях.

Фильтры для пива должны работать с противодавлением (чтобы исключить кон такт с кислородом воздуха и сохранить диоксид углерода) в условиях, исключающих гидравлические удары и прочие возмущения потока пива (чтобы не нарушить намывной

Операторная модель приведенной выше системы фильтрования пива показана на рис. 6.130.

Рис. 6.130. Вариант операторной модели фильтрования пива: I — оператор фильтрования пива; II — оператор сепарирования пива; III — оператор переохлаждения пива;

IV — оператор приготовления суспензии кизельгура

6.6.1.1.2.4. Инженерные задачи при фильтровании пива

При фильтрования пива необходимо обеспечить выполнение следующих основ ных инженерных задач:

•подготовить фильтр к работе — экипировать его фильтровальным материалом, нанести намывной слой (кизельгура, ПВПП и др.);

•организовать:

—равномерную (без толчков) подачу пива на фильтрование;

—дозирование кизельгура в фильтруемое пиво;

—(при необходимости) дозирование добавок в фильтруемое пиво;

—равномерный (без толчков) отвод фильтрованного пива;

—улавливание частиц фильтровального материала, попавших в фильтрован ное пиво;

—выгрузку отработавшего материала (картона, кизельгура, и др.);

—регенерацию регенерируемых материалов (например, ПВПП);

—эффективную мойку и дезинфекцию фильтра (при использовании рамного фильтра — разборную, а тарельчатых и свечевых — безразборную), а также коммуникаций.

При использовании современных фильтров с сетчатой или щелевой рабочей по верхностью опорных элементов особой инженерной задачей является нанесение на мывного фильтровального слоя, которая может быть разделена на 2 этапа.

Особенность 1 этапа нанесения слоя порошкообразного фильтровального материала обусловлена тем, что его частицы имеют несколько меньший размер, нежели размер щеле вых зазоров или ячеек сетчатой поверхности, которые составляют от 20–30 до 60–80 мкм. Поэтому при намыве предварительного слоя требуется обеспечить образование сво дов над относительно большими проемами в опорной поверхности, способных вос принимать воздействия сил, возникающих вследствие разности давлений на фильт ровальной перегородке, и задерживать тонкодисперсные частицы.