CC BY
67
СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
ТЕМА НОМЕРА
УДК 663.433 (075.8)
Простой и эффективный способ
снижения энергозатрат
при кипячении пивного сусла
Б. Н. Федоренко,
д-р техн. наук, профессор Московский государственный университет пищевых производств
Ф. Трэнкл
КRONES ла
Варочное отделение пивоваренного завода потребляет наибольшее количество тепловой энергии, удельный расход которой составляет 81-128 МДж/гл товарного пива при общих удельных затратах тепловой энергии на производство пива 130-185 МДж/гл. При этом только на кипячение сусла приходится 2454 МДж/гл. Все это свидетельствует об актуальности и важности решения проблемы сокращения затрат тепловой энергии в пивоваренном производстве, и в первую очередь на стадии кипячения сусла с хмелем [1].
При кипячении сусла выпаривается в зависимости от типа сусловарочного оборудования от 3 до 12% воды в виде водяного пара температурой около 100 °С. При использовании сусловарочного оборудования предыдущих поколений теплота вторичного пара безвозвратно терялась при его удалении в атмосферу через вытяжную трубу, что при современных высоких затратах на энергию весьма расточительно. Из термодинамики известно, что удельная теплота парообразования составляет 2257 кДж/кг. Именно столько теплоты требуется для превращения 1 кг воды при 100 °С в парообразное состояние. При конденсации 1 кг водяного пара, наоборот, это количество теплоты выделяется в окружающую среду.
Помимо этого с водяным паром в атмосферу попадают ароматические летучие компоненты сусла, придавая окрестностям пивоваренного предприятия своеобразный запах. Это не соответствует современным требованиям экологической безопасности и во многих развитых странах законодательно запрещено.
Оба эти обстоятельства послужили основанием для разработки методов и систем энергосбережения, обеспечивающих не только рекуперацию (от лат. Recuperation — возвращение, повторное использование) тепловой энергии и значительное снижение выбросов запахов в атмосферу, но и снижение затрат первичной энергии на кипячение сусла с хмелем.
Продолжительность кипячения сусла обусловлена многими явлениями, осуществляемыми при его тепловой обработке, в частности, снижением содержания в сусле нежелательных летучих веществ до приемлемого уровня.
Критерием качества удаления нежелательных ароматических соединений пивного сусла служит такое вещество-индикатор, как свободный диметил-сульфид (DMS-f), который образуется из своего предшественника DMS-р при температурах более 95 °C.
Для получения сусла наивысшего качества необходимо снизить содержание свободного DMS-f ниже порога ощущений вкуса, соответствующего критической концентрации около 100 мкг/ л, и добиться как можно более полного разложения предшественника — DMS-р.
Таким образом, при определении необходимой продолжительности кипячения пивного сусла учитывают требования к содержанию в нем DMS-f.
Продолжительность кипячения должна быть выбрана в зависимости от качества исходного сырья так, чтобы, несмотря на последующее увеличение содержания свободного DMS-f в гидроциклонном аппарате (в условиях высокой температуры, но почти без испарения, поскольку сусло не циркули-
18 ПИВО и НАПИТКИ 2 • 2014
СОВРЕМЕННЫЕТЕХНОЛОГИИ
рует) — порог ощущений вкуса не был превышен. После охлаждения сусла содержание DMS-f в нем не изменяется.
Приняв упрощенное представление об изменении концентрации DMS-f при кипячении пивного сусла в виде линейной функции, вышеизложенное можно проиллюстрировать следующим образом (рис. 1).
Из рис. 1 видно, что сокращение продолжительности кипячения не способствует сохранению оптимального содержания DMS-f в охмеленном сусле. Таким образом, возникает очевидное техническое противоречие при производстве пивного сусла: значительная продолжительность кипячения (как правило, не менее 60 мин) способствует освобождению сусла от излишнего содержания DMS-f, но при этом требует более высоких затрат энергии, стоимость которой постоянно возрастает, и наоборот, сокращение продолжительности способствует экономии энергии, но не обеспечивает необходимого содержания DMS-f в сусле. Обострение этого технического противоречия в соответствии с диалектическими закономерностями развития требует своего эффективного разрешения.
Один из путей устранения этого противоречия при решении актуальных технологических и энергетических задач пивоваренного производства — применение оригинальной системы Boreas (в переводе с англ. — северный ветер), созданной на предприятии KRONES (Германия) в 2010 г. Эта система предназначена для осуществления нового эффективного технологического приема — стриппинга, заключающегося в дополнительном испарении горячего охмеленного пивного сусла, в результате которого происходит кон-
3
Критический уровен^ч 2
ДМС, мкг/л N. 1
Продолжительность обработки сусла, мин
Рис. 1. Изменение концентрации свободного DMS-f в пивном сусле при кипячении и последующей обработке в гидроциклонном аппарате. Продолжительность кипячения (мин): 1 — 60; 2 — 50; 3 — 40
тролируемая отгонка его летучих фракций, оказывающих негативное влияние на качество получаемого пива. Общий вид этой системы показан на рис. 2.
Система Boreas имеет модульную конструкцию и легко интегрируется в технологический поток варочного цеха — она встраивается на участке между гидроциклонным аппаратом (вирпу-лом) и теплообменником-охладителем пивного сусла, занимая относительно немного производственной площади. В зависимости от изменения ассортимента выпускаемого пива в конструкции предусмотрена байпасная (обводная) линия, позволяющая при необходимости сусло или некоторую его часть пропускать, минуя испарительную систему.
Конструктивно система Boreas представляет собой испаритель — аппарат с коническим корпусом и коническими днищем и крышкой, смонтированный вертикально на металлической раме. На крышке аппарата размещено распределительное устройство, образующее два раздельных канала. По одному каналу — через входной тангенциально расположенный штуцер и спиральный завихритель потока — в испаритель подают насосом горячее сусло из вир-пула, а по другому — вертикально ориентированному каналу, соединенному с выходным штуцером, отводят образующиеся испарения. Днище испарителя в нижней точке соединено с насосно-регулирующим блоком, обеспечивающим подачу технологического газа и отвод обработанного сусла к теплообменнику-охладителю.
В качестве технологического газа может быть использован диоксид углерода, азот, но чаще всего применяют обычный воздух, который по сравнению с вышеперечисленными газами на основании результатов колориметрии не приводит к окислению сусла, поскольку слой водяного пара у поверхности сусла препятствует контакту сусла с кислородом воздуха.
Система Boreas функционирует следующим образом. Горячее сусло из вирпула нагнетают насосом в испаритель через спиральный завихри-тель, благодаря которому сусло равномерно распределяется тонкой пленкой по внутренней поверхности конической крышки испарителя и стекает по ней, а затем и цилиндрической поверхности его корпуса в турбулентном режиме. Повышение скорости потока на выходе из завихрителя приводит к понижению давления в сусле, что улучшает процесс испарения, при котором наряду с водя-
ным паром из жидкой фазы в газовую переходят летучие ароматические соединения, в частности DMS-f.
В зависимости от температуры в газовой фазе устанавливается равновесие концентраций водяного пара и DMS-f, которое пропорционально долевому распределению их парциальных давлений. До состояния насыщения газовой фазы в нее из сусла постоянно переходят водяной пар и DMS-f.
Поддержание определенной разности концентраций летучих веществ в пленке стекающего сусла и газовом пространстве аппарата и благодаря этому регулирование интенсивности испарения обеспечивают за счет изменения расхода технологического газа.
Расход технологического газа зависит от температуры сусла на входе в аппарат и устанавливаемой разности температур на входе и выходе. Чем выше температура сусла на входе и меньше разность температур, тем меньше расход технологического газа (рис. 3).
В зависимости от параметров регулирования в системе Boreas может быть снижено содержание DMS-f и других нежелательных компонентов до 70%.
Важная технологическая особенность системы Boreas состоит в том, что процесс отгонки летучих ароматических соединений осуществляется без дополнительных затрат тепловой энергии или применения вакуума. Благодаря этому сусло не подвергает-
Ш I-
2 • 2014
ПИВО и НАПИТКИ 19
СОВРЕМЕННЫЕТЕХНОЛОГИИИ
Ш h
200 -
е 150 -
100 -
88 93
Температура сусла на входе, °С
0
78
83
98
Рис. 3. Расход технологического газа в зависимости от температуры сусла на входе в систему Boreas при разности температур на входе и выходе 2 °С
ся дополнительной тепловой нагрузке и в нем хорошо сохраняются горькие вещества хмеля, придающие пиву привычный специфический аромат.
Итак, система Boreas позволяет удалять из пивного сусла летучие ароматические компоненты, целенаправленно регулируя его состав и тем самым влияя на ароматический профиль целевого продукта.
Эта важная функциональная особенность системы Boreas позволяет использовать ее для снижения энергозатрат при кипячении пивного сусла и соответственно снижения термической нагрузки на него. То есть система Boreas позволяет просто и эффективно разрешить обострившееся производственное противоречие (о котором речь шла в начале статьи) — снизить затраты энергии на кипячение пивного сусла, не ухудшая при этом его состав и соответственно качество.
Графическая интерпретация этого эффективного технологического решения приведена на рис. 4.
На этом рисунке видно, что при сокращении кипячения сусла на треть и доведении его до 40 мин содержание свободного DMS-f в горячем охмеленном сусле не достигает значения ниже критического уровня, а последующая выдержка его в гидроциклонном аппарате приводит к еще большему увеличению концентрации DMS-f. Однако дальнейшая обработка сусла в системе Boreas обеспечивает кардинальное снижение DMS-f (кривая 2) до приемлемой величины, практически такой же, как в охмеленном сусле, полученном в результате традиционной тепловой обработки пивного сусла (кривая 1). А поскольку продолжительность кипячения уменьшена на 20 мин, то и затраты тепловой энергии на осуществление этого процесса пропорционально снижены, т. е. на треть.
Таким образом, функциональные возможности стриппинг-системы Boreas позволяют технологу эффективно и целенаправленно влиять на тепловую обработку охмеленного пивного сусла,
Рис. 4. Изменение концентрации свободного DMS-f в пивном сусле при кипячении и последующей обработке в гидроциклонном аппарате. Продолжительность кипячения (мин): 1 — 60; 2 — 40 + дополнительная отгонка летучих фракций с применением системы Boreas
решая при этом две важные технологические задачи:
• во-первых, снизить содержание нежелательных ароматических веществ в пивном сусле до более низкого уровня;
• во-вторых, уменьшить затраты энергии на осуществление процесса за счет сокращения продолжительности тепловой обработки сусла на стадии кипячения на 10-15 мин при сохранении прежнего приемлемого содержания нежелательных ароматических веществ в пивном сусле. Первая в России стриппинг-система
Boreas эксплуатируется с 2011 г. на ярославском комбинате ОАО «Пивоваренная компания «Балтика».
ЛИТЕРАТУРА
1. Федоренко, Б. Н. Пивоваренная инженерия// Б.Н. Федоренко. — СПб.: Профессия, 2009. — 1000 с. <S
Простой и эффективный способ
снижения энергозатрат при кипячении пивного сусла
Ключевые слова
диметилсульфид; DMS; кипячение сусла; летучие соединения; пивное сусло; стриппинг, энергосбережение.
Реферат
Проанализированы особенности кипячения пивного сусла и выявлены его технические противоречия. Описана техническая система, позволяющая эффективно разрешить это противоречие — снизить энергозатраты на осуществление процесса, сохранив или улучшив качество пивного сусла.
Авторы
Федоренко Борис Николаевич, д-р техн. наук, профессор Московский государственный университет пищевых производств, 125080, Москва, Волоколамское шоссе, д. 11, [email protected] Трэнкл Франц, заместитель директора Компания ШШ А^ ФРГ,
85356, Фрайзинг-Аттахинг, Райфанзенштрассе, 30, [email protected]
A Simple and Effective Way
to Reduce Energy Consumption by Boiling Wort
Key words
dimethyl sulfide; DMS; tags wort; volatile compounds; beer wort; stripping; energy saving.
Abstract
Analyzes the characteristics of boiling wort and revealed his technical contradictions. Describes the technical system that can effectively resolve this contradiction is to reduce the energy consumption for the implementation process, while maintaining or improving the quality of the beer wort.
Authors
Fedorenko Boris Nikolaevich, Doctor of Technical Science, Professor Moscow State University of food production, 125080, Moscow, Volokolamsk Highway, 11, [email protected] Trènkl Franz, Deputy Director KRONES AG of GERMANY,
85356 Freising-Attahing, Rajfanzenstrasse, 30. [email protected]
20 ПИВО и НАПИТКИ 2 • 2014
