Pivovarennaya_inzheneria_ / Глава 6a

Рис. 6.5. Операторная модель системы приема, хранения и подработки сырья в пивоваренном производстве:

D1 — подсистема подработки солода, имеющая операторы: I — образования дробленого солода; II — оператор выделения примесей; III — оператор приема и хранения солода; D2 — подсистема подготовки рисовой сечки, имеющая операторы: I — дозирования рисовой сечки; II — приема и хранения рисовой сечки; D3 — подсистема образования сахарного сиропа; D4 — подсистема подработки ячменя, имеющая операторы: I — образования дробленного ячменя; II — оператор

выделения примесей; III — оператор приема и хранения ячменя

6.3. ДРОБЛЕНИЕ ЗЕРНОПРОДУКТОВ

Перед приготовлением затора отлежавшийся и очищенный от примесей и пыли солод подвергают дроблению — механическому процессу, предопределяющему эффек тивность последующих биохимических превращений и выход экстрактивных веществ в сусло.

6.3.1. Технологические аспекты дробления солода

Технологическая цель дробления солода — расщепление оболочки и измельчение мучнистой части зерна (эндосперма) для обеспечения лучшего контакта с водой, вслед ствие чего ускоряются биохимические и физические процессы, протекающие при за тирании, в результате которых экстрактивные вещества солода переходят в раствор.

Дробление зернового сырья решающим образом оказывает влияние на последую щие стадии производственного процесса и на качественные показатели получаемого пива, в частности, на процесс затирания, продолжительность осахаривания, фильтро вание затора, выход продукции, брожение, фильтруемость пива, цвет, вкус и типоло гию пива, устойчивость к старению и стабильность вкуса.

6.3.1.1. Технологические требования к дроблению солода

Однако роль основных компонентов солодового зерна — мякинных оболочек и эн досперма — при затирании различна, вследствие чего к дроблению солода предъявля ются специальные технологические требования.

Вещества, образующие эндосперм, прежде всего крахмал, белки и некоторые угле воды, могут полностью использоваться в процессе затирания и поэтому должны как можно полнее перейти в экстракт. Учитывая это обстоятельство, необходимо обеспе чить достаточно тонкое и полное измельчение эндосперма. При слишком грубом по моле выход экстракта будет пониженным, а оставшийся крахмал может вымываться и попадать в сусло после затирания. Однако сверхтонкое измельчение (до образова ния пудры) недопустимо, поскольку это приведет к проблемам при фильтровании за тора вследствие ухудшения проницаемости слоя дробины.

По химическому составу и, следовательно, физическим свойствам эндосперм не одно роден; наряду с хорошо растворенными хрупкими частицами в нем имеются менее раство ренные частицы с повышенной твердостью. Твердые частицы эндосперма оказывают б\льшее сопротивление при дроблении и хуже размалываются, нежели хрупкие. В этой связи середина зерна дробится лучше, в то время как твердые кончики зерна оказываются менее раздробленными. Такое различие в физических свойствах, в частности в твердо сти, способствует тому, что образующиеся продукты дробления также не однородны.

В то же время тонкое измельчение оболочек солода нежелательно, особенно если фильтрование затора осуществляют в фильтрационных аппаратах. Это обусловлено следующими причинами.

Во первых, оболочки солодового зерна, состоящие в основном из целлюлозы, ду бильных и горьких веществ, пентозанов и небольших количеств некоторых других органических и минеральных веществ, не имеют определяющего значения при образо вании экстракта. При этом они оказывают наибольшее сопротивление при дроблении по сравнению с другими частями зерна. Поэтому нецелесообразно расходовать допол нительную энергию на измельчение оболочек, следуя основному принципу дробления:

не измельчать ничего лишнего.

Во вторых, следует учитывать, что поскольку целлюлоза в воде нерастворима и при затирании инертна, то выщелачивание растворимых горьких, дубильных и зольных веществ нежелательно, так как приводит к ухудшению вкуса и цвета пива. Поэтому, стремясь предотвратить их выщелачивание, дробление солода необходимо осущест влять так, чтобы максимально сохранить его оболочки целостными.

И в третьих, лучшее сохранение оболочек при дроблении придает рыхлость и обес печивает более высокую проницаемость слою дробины при фильтровании затора, что необходимо учитывать при использовании того или иного вида оборудования для фильтрования затора, о чем будет сказано ниже.

Таким образом, дробление солода играет очень важную роль в процессе приготов ления пивного сусла, поскольку для получения хорошего помола необходимо обеспе чить определенный фракционный состав дробленого солода — оптимальное соотноше ние мелких и крупных фракций. С одной стороны, в мелкие частицы быстрее проникает вода, обеспечивая действие ферментов, а с другой — слишком тонкое дробление мо жет негативно сказываться на последующих технологических процессах.

6.3.1.2. Факторы, влияющие на дробление солода

При организации дробления солода необходимо учитывать ряд факторов, среди которых:

•качественные показатели солода;

•способ затирания;

•тип применяемого оборудования для фильтрования затора;

•способ и технологические режимы дробления.

К качественным показателям солода, влияющим на его дробление, относят, прежде всего, структурно механические свойства, определяющие его прочность. В свою оче редь прочность зерен солода существенно зависит от степени растворения солода, его стекловидности, влажности и крупности.

Степень растворения солода. Хорошо растворенный солод обладает рыхлой структурой и содержит относительно небольшое количество твердых или стекло видных частиц. Он достаточно легко измельчается, при этом даже недостаточно из мельченные частицы дробленого материала легко растворяются, поскольку солод богат ферментами.

Поэтому чем лучше растворен солод, тем меньшее влияние на последующие техно логические процессы оказывает процесс дробления — даже при грубом помоле затруд нений при затирании не происходит и обеспечивается хороший выход экстракта.

И наоборот, чем хуже растворен солод, тем б\льшую роль играет дробление. В этом случае необходимо тщательнее дробить солод, чтобы обеспечить его более тонкое из мельчение, особенно твердых трудно растворимых частиц, чтобы в дальнейшем они легче растворялись и гидролизовались под действием ферментов. Для дробления плохо растворимых солодов предпочтение отдают шестивалковым дробилкам с предваритель ным кондиционированием и дробилкам нового поколения для мокрого дробления.

Стекловидность. С увеличением стекловидности зерна возрастает его хрупкость, а с уменьшением — повышается пластичность.

Влажность солода. С увеличением влажности исходного солода помол получают грубее, поскольку в нем содержится больше оболочек и меньше муки. Это обусловле но тем, что солод с более высокой влажностью характеризуется лучшей эластичнос тью оболочек и, следовательно, более высокой их сопротивляемостью дроблению, осо бенно при использовании дробилок с валками, имеющими гладкую поверхность.

При этом следует учитывать причину повышенной влажности солода. Например, если влажность солода повышена до 6–8% вследствие его неправильного хранения, то в дробленом материале содержится около половины оболочек. При этом прилипшие к оболочкам частицы крупы хуже растворяются и осахариваются, что приводит к умень шению выхода экстракта.

Если же влажность солода перед дроблением повышают искусственно в процессе кондиционирования, то получают лучший фракционный состав дробленого солода, поскольку при кратковременном увлажнении солода прежде всего возрастает влаж ность оболочек, а эндосперм остается практически сухим и хорошо измельчается.

Крупность солода. При переработке солода с зернами меньшего размера в помоле увеличивается содержание оболочек, а содержание крупки и муки снижается. Более крупные зерна обладают большей хрупкостью, нежели зерна меньшего размера.

Способ затирания. Фракционный состав помола солода оказывает меньшее влия ние при использовании отварочного способа затирания по сравнению с настойным. При увеличении продолжительности растворения в процессе затирания, частоты и дли тельности ферментативных пауз значение фракционного состава помола уменьшается.

Вид оборудования для фильтрования затора. Если на предприятии для фильтро вания затора используют фильтрационный аппарат, то необходимо так измельчить солод, чтобы его оболочка по возможности максимально сохранилась целой. Это об стоятельство имеет особое значение при фильтровании сусла, поскольку слой дроби ны используется в качестве естественного фильтрующего материала. Для образования рыхлого, легко проницаемого, пористого слоя необходимо, чтобы оболочки солода как можно меньше разрушались, так как тонко измельченные частички плотнее прилегают друг к другу, что затрудняет фильтрование и снижает производительность фильтраци онного аппарата.

В этом случае для измельчения солода используют валковые дробилки, в которых обеспечивают кратковременное сжатие и сдвиг зерен солода. При таком виде дефор мации осуществляется избирательное измельчение зерна, в результате которого про исходит его раздавливание и раскалывание (но не истирание), при этом более хруп кий эндосперм зерна превращается в более мелкие частицы, а шелуха (оболочки), об ладающая более вязкой и пластичной структурой, сохраняется в более или менее цель ном виде.

При использовании заторных фильтр прессов, в которых в качестве фильтрующей перегородки используют фильтровальную ткань, фильтруемость дробины не имеет особого значения, поэтому степень дробления солода может быть существенно выше. В этом случае для дробления солода иногда используют также валковые дробилки, но с уменьшенными зазорами между валками. Однако гораздо чаще применяют молотко вые дробилки и вальцовые станки. В таком дробильном оборудовании для повышения однородности затора оболочки солода подвергаются более тонкому контролируемому измельчению, но ни в коем случае не до произвольной степени, поскольку тонкоизмель ченные частицы оболочки солода снижают качество пива и затрудняют его осветление.

Способы, оборудование и технологические режимы дробления, обеспечивающие требуемый фракционный состав помола, будут подробно рассмотрены в следующих разделах.

6.3.1.3. Фракционный состав дробленого солода

Результат дробления материала характеризуется степенью измельчения, равной отношению среднего характерного размера D частицы до измельчения к среднему ха

Фракционный анализ дробленого солода с разделением помола на шесть фракций осуществляют на лабораторной установке, оснащенной набором из пяти стандартных сит с разными размерами ячеек (так называемые Пфунгштадские сита). Характери стики этих сит приведены в табл. 6.1.

Рекомендуемый фракционный состав помола солода при использовании различ ных видов фильтрационного оборудования приведен в табл. 6.2.

Качество дробления солода ориентировочно можно определить также по объему самой крупной фракции помола — оболочек (шелухи) массой 100 г: меньше объем — тоньше помол, и наоборот. При использовании фильтрационного аппарата желательно, чтобы этот показатель был не менее 700 мл/100 г.

Ориентировочный фракционный состав дробленого солода, с разделением помола на четыре фракции, определяют при ручном просеивании на трех ситах. В этом случае рекомендуемый фракционный состав помола солода приведен в табл. 6.3.

Доля экстрактивных веществ каждой из фракций помола в сусле различна. Доля муки и крупки в экстракте составляет, соответственно, около 50 и 33%. Эти фракции быстро пропитываются водой, их вещества легко гидролизуются при участии фермен тов и практически полностью переходят в раствор. Доля крупы в экстракте — около 11%. Крупа медленнее расщепляется ферментами, поскольку вода гораздо труднее пропи тывает ее, вследствие чего ее вещества экстрагируются не полностью. И наконец, доля экстрактивных веществ от оболочки составляет всего около 6% — это оставшиеся на оболочке частицы эндосперма, которые перешли в растворенное состояние.

6.3.2.Инженерное обеспечение дробления солода

6.3.2.1.Ретроспективный взгляд на дробление солода

Издавна, вплоть до второй половины XIX столетия, для измельчения солода в пи воварении применяли обычные мельничные жернова; при этом, чтобы оболочка зерна меньше повреждалась, солод предварительно обрызгивали водой. Солод в жерновах подвергался истиранию, и фракционный состав помола был далек от того, который мы сегодня считаем оптимальным.

Лишь с середины XIX в. для дробления солода начали применять двухвалковые дробилки. При этом было замечено, что качество дробленого на двухвалковой дро билке солода повысится, если его пропустить через дробилку вторично. Отсюда ло гично вытекает появление более совершенных многовалковых дробилок.

Одна из них — предшественница современных солододробилок, конструкция кото рой относится к концу XIX в. (рис. 6.6). Устройство современных валковых дробилок будет описано ниже.

Рис. 6.6. Солододробилка XIX в.

Техническое развитие валковых солододробилок для повышения их технологи ческой эффективности осуществляли:

•во первых, за счет многопозиционности, в результате чего появились многовал ковые солододробилки, в основном четырех и шестивалковые (гораздо реже используют трех и пятивалковые дробилки);

•во вторых, за счет сочетания дробления солода с его предварительным увлажне нием для повышения эластичности и механической прочности оболочки; так по

явились солододробилки для кондиционированного, а впоследствии и мокрого дробления.

В многовалковых дробилках обеспечивают сочетание многократности механичес ких воздействий (за счет увеличения последовательных стадий дробления) с проме жуточным фракционированием измельчаемого продукта. Экономическая целесооб разность такого технического решения основана на том, что поскольку дробление яв ляется весьма энергоемкой операцией, то всегда необходимо стремиться к уменьше нию массы измельчаемого материала, следуя упомянутому выше основному принципу дробления: не измельчать ничего лишнего. Если дробилка имеет более одной пары вал ков, то перед подачей на последующие пары валков в ней, как правило, осуществляют промежуточное фракционирование продуктов размола на подвижных ситах, и повтор ному измельчению подвергают лишь ту фракцию, которая нуждается в дополнитель ном измельчении.

Современные валковые дробилки имеют от 2 до 6 валков и обеспечивают от одной до трех стадий дробления.

6.3.2.2. Принципы дробления солода на валках

Основными рабочими органами валковых* дробилок являются цилиндрические валки (от нем. Walze — валок, каток), расположенные параллельно и вращающиеся на встречу друг другу. Валки могут быть как с гладкой, так и рифленой (нарезной) повер хностью.

Проходя через зазор, образованный парой валков с гладкой поверхностью, зерно продукты подвергаются однократному кратковременному сжатию, вследствие чего происходит раздавливание материала, но не растирание. При этом зерновое сырье не переизмельчается и содержит относительно немного мелкой фракции.

На валках с рифленой поверхностью происходит в основном скалывание материа ла. На рис. 6.7 показан профиль поперечного сечения рифлей. Угол α, образованный короткой гранью рифли (гранью острия) и радиусом валка, проведенным к вершине рифли, называют углом острия. Угол β, образованный длинной гранью (спинкой) и ра диусом валка, проведенным к вершине рифли, называют углом задней грани. Угол α может быть равен 23–50°, а угол β — 65–69°. Угол γ, образованный между гранью ост рия и спинкой, называют углом заострения или углом рифли. Вершина рифли срезана по периметру валка с образованием площадки шириной 0,1–0,2 мм. Расстояние между двумя смежными рифлями называют шагом рифлей t. Высота рифлей по радиусу:

* Часто такие дробилки называют вальцовыми, что не соответствует современной терминологии процессов и аппаратов.

β α

γ

h

t

Рис. 6.7. Профиль поперечного сечения рифлей валков

h = (t sin α)/2. Плотность нарезки рифлей на 1 см окружности валков лежит в диапазо не 4,1–10,2.

На каждом валке рифли нарезают в одном направлении и под одним и тем же углом к образующей валка, что способствует равномерному измельчению зернопродуктов. Уклон рифлей лежит в пределах от 4 до 14%. При вращении валков навстречу друг другу рифли пересекаются по образующей в одном и том же количестве точек и под углом, равным двойному углу наклона рифлей (рис. 6.8).

Увеличено

Рис. 6.8. Схема взаимодействия валков при их вращении с одинаковой скоростью:

а — уклон рифлей; б — пересечение рифлей совместно работающих валков

Для обеспечения сдвига и усиления истирающего эффекта применяют дробилки с дифференциальными валками (рис. 6.9, б), частота вращения которых различна; при этом обеспечивается лучшее освобождение эндосперма от оболочек.