CC BY
19
к; Основные процессы пивоварения
Продолжение. Начало см. «Пиво и напитки» 1997-2002 гг.
Получение пива с применением иммобилизованных дрожжей
1Г.А. Ермолаева
Московский государственный университет пищевых производств
Продолжение.
(Начало см. ПиН, 2003, № 4)
Известно, что преимущество иммобилизации дрожжевых клеток в пивоварении по сравнению с традиционным сбраживанием — улучшенный контакт клетки с субстратом, в результате чего происходит быстрое сбраживание (более короткие производственные циклы из-за высокой концентрации биомассы дрожжей), увеличивается производительность предприятия, уменьшаются размеры реакторов, нет избыточного роста дрожжей, лучше используются питательные вещества субстрата, отделяются дрожжи, упрощаются технологические решения процесса, существует возможность непрерывных процессов, снижается риск микробиологического заражения, благодаря возобновляющейся популяции дрожжей стабильно качество продукта, уменьшается количество сточных вод. Технологический процесс с иммобилизованными дрожжами легко контролировать и автоматизировать.
Типы реакторов
Для эффективного осуществления технологического процесса важен тип реактора, который часто предопределен носителем иммобилизационной системы. Критериями при выборе реактора служат: ограничение массопереноса, свойства материала носителя, распределение потока, давление, образование и удаление газов, восстановление продукта, способность к мойке, загрузка реактора и регенерация [4].
Реакторы могут быть подразделены в основном на 3 группы: с неподвижным слоем носителя, со смешанным слоем носителя (носитель неподвижный, но в подвижном состоянии) и со взвешенным (псевдоожиженным) слоем носителя.
Реактор с неподвижным носителем — простейший. Реактор наполнен носителем с иммобилизованными дрожжами, а сбраживаемая среда проходит в восходящем или нисходящем направлении. Но за потоком следует осуществлять контроль: следить за тем, чтобы реактор не
засорялся, чтобы не создавалось в нем самостоятельных потоков, когда все содержимое находится не в одинаковом состоянии, то есть поступление питательных веществ к дрожжевой клетке должно быть одинаковым по всему объему. Последнее может привести к снижению производительности, длительному периоду адаптации и меньшей скорости роста клеток по сравнению со смешанной системой.
Эта система подходит для производства безалкогольного пива или для применения при дображивании. Избыток биомассы дрожжей может создать пробку в потоке, но ее можно частично разрушить продуванием, образуемым диоксидом углерода. Промывку углекислотой можно провести при некотором избыточном давлении, но это неблагоприятно для дрожжей.
Проблема избыточного масс-переноса может быть решена рециркуляцией сбраживаемой среды. Но следует учесть, что это может привести к выносу дрожжей с носителя и заблокировать реактор.
В таком реакторе в качестве носителя могут использоваться ОБАБ-целлюлоза или пористое стекло.
Реактор смешанного типа имеет улучшенный контакт иммобилизованных дрожжей с субстратом и поэтому — удвоенную производительность и требует более короткого времени удерживания. В этих реакторах достигают перемешивания при использовании ожиженно-го носителя или газовой смеси, или механическим путем.
Свойства носителя влияют на выбор системы перемешивания. Смешивание может ухудшить материал носителя, таким образом, влияя на конструкцию и эффективность системы.
При применении реакторов такого типа не происходит полного использования питательных веществ среды на одной стадии, поэтому используют многоступенчатый реактор. Возможны две конфигурации: на жидком носителе и петлевой реактор [3].
В качестве жидкого носителя служат пористые стеклянные шарики, которые суспендируются в среде, уменьшая диффузионные ограничения и обеспечивая легкое удаление диоксида углерода [3]. Но это может привести к истиранию ша-
риков из-за их контакта. Скорость прокачивания в производстве должна быть высокая.
Петлевой реактор представляет собой многоканальную систему, состоящую из петель кремнистых соединений. Он имеет достоинства как твердого носителя, так и жидкого [3]. Есть ограничения в конфигурации каналов, чтобы не было внешнего масс-переноса. Многопористый реактор подходит для одноступенчатой биоконверсии, а для многоступенчатого может быть применен при непрерывном производстве пива.
Наиболее часто применяют реактор с неподвижным носителем или реактор с гомогенным перемешиванием.
Этот тип реактора не обеспечивает оптимального перемешивания [2]. Частицы субстрата большого размера вызывают закупорку реактора, в котором может возникнуть разница концентраций субстрата; образуется много газа. При течении потока снизу вверх активность дрожжей в этом направлении снижается.
Достоинство реактора этого типа — низкое усилие сдвига на клетки (осевшие на поверхности носителя дрожжи испытывают слабую нагрузку).
В реакторах со взвешенным слоем носителя за счет дополнительной циркуляции среды со скоростью, которая псевдо-ожижает наполнитель, можно достичь хороших условий для протекания субстрата, а также избежать перепадов давления. Для субстрата не существует никакого ограничения. Отсутствует опасность закупорки, то есть система выдерживает наличие частиц большого размера. Этот тип реактора предназначен для работы с пористым носителем, поскольку из-за повышенных усилий сдвига на наружной поверхности носителя возникают потери биомассы [2].
По сравнению с реактором с неподвижным носителем затраты энергии здесь относительно невелики. Но наряду с необходимостью создания большой скорости потока следует постоянно отводить тепло, возникающее в результате трения [2].
Реактор с неподвижным носителем и с перепуском занимает промежуточное положение. У этого реактора по сравнению с реактором с псевдоожиженным слоем условия протекания лучше, причем перепуск организуется таким образом, чтобы наполнитель оставался неподвижным. Этот тип реактора используют при работе с носителем без пор, таких, как гранулы из ОЕАЕ-целлюлозы. Так как при использовании такого реактора происходит низкое усилие сдвига, то не бывает потерь биомассы с поверхности носителя [2].
Таким образом, разработаны различные методы иммобилизации клетки. Сначала встраивали клетки дрожжей в полимерный гель (альгинат и каррагенан). Важно в этом методе то, что матрица дос-
121 1пиво и ||Л||ИТКИУ 5 •2003
Десятая международная выставка (конкурс)
ВСЕРОССИЙСКАЯ МАРКА ОП ТЫСЯЧЕЛЕТИЕ). ЗНАК КАЧЕСТВА XXI ВЕКА
16-19 декабря 2003 гола
Москва, ВВЦ, павильон №69
ПРИГЛАШАЕМ К УЧАСТИЮ ОТЕЧЕСТВЕННЫХ ПРОИЗВОДИТЕЛЕЙ И ПОСТАВЩИКОВ НА РОССИЙСКИЙ РЫНОК ВЫСОКОКАЧЕСТВЕННЫХ ТОВАРОВ И УСЛУГ
Организаторы:
РОСТЕСТМОСКВА Госстандарта России АМСКОРТ Интернэшнл Фонд социально-экономических и интеллектуальных программ Фонд "Национальная слава1'
Исполнительная дирекция:
129223. Москва, Проспект Мира, ВВЦ, Павильон 69, ООО "АМСКОРТ Интернэшнл" Тел: (095) 187-8388, 187-4632 Тел/факс: <095) 187-8356 Факс: (095) 187-96-57 Е~твН: [email protected], admln®amscort,com Internet: www.roamarka.ru
таточно пориста, чтобы позволить пройти диффузии субстрата и продукта. Хотя частицы носителя имеют высокую загрузку биомассы, потеря механического связывания за счет истирания частиц ограничивает промышленное применение этой техники. Кроме того, брожение на основах из альгината кальция с вкрапленными клетками Saccharomyces cerevisiae показало, что ограничение переноса приводит к уменьшению специфической скорости брожения, образованию высших спиртов и эфиров, поглощению аминокислот.
Альтернативой встраиванию является адсорбция клеток. По этой технологии, которая активно применяется в различных отраслях промышленности, твердые поверхности колонизируются клетками дрожжей. Типичный пример используемой подложки — пористое стекло, керамика или частицы DEAE-целлюлозы.
Исследования Linko и Kronlöf показали, что дрожжевые клетки связываются с частицами DEAE-целлюлозы и с основой из пористого стекла по-разному. В случае если носитель — DEAE-целлюло-за, то дрожжевая клетка прикрепляется только к поверхности частиц, в то время как на пористых стеклянных носителях дрожжи частично прикрепляются к поверхности и частично внутри носителя, что приводит к большей загрузке.
Недавно Schelde-Delta совместно с CERIA разработали новую систему иммобилизации, основанную на пористых кремниевых носителях. 19-канальные матрицы этой системы имеют различные преимущества, а носитель — инертный материал, который показывает высокое механическое и химическое сопротивление и имеет идеальные размеры с точки зрения получения оптимальной загрузки биомассы, комбинированной с минимальным мас-сопереносом [1].
Выбор правильного носителя и наиболее целесообразного реактора имеет решающее значение для эффективного прохождения процесса и для качества продукта. Часто этот выбор является компромиссом между эффективностью и простотой. Главным критерием служит производственная стоимость, потому что оптимизация условий брожения и выполнения реактора неизбежно ведет к увеличению сложности и более высокой стоимости операций [2].
ЛИТЕРАТУРА
1. Дебург А. Развитие брожения в пивоварении. Вклад новых технологий//Пиво и напитки. 2000. № 3.
2. Людерс Ю. Иммобилизованные дрожжи в пивоварении. — Brauwelt Мир пива. 1996. № 1. С. 51-56.
3. L.van de Winkel, L. de Vuyst. Immobilized yeast cell systems in today's breweries and tomorrow's. — Cerevisiae. 1997. № 1. P. 27-30.
4. Pajunen E. The behaviour of immobilized cells. — Cerevisia. 1996. № 4. P. 33-36.
