Разделение твердой и жидкой фаз (седиментация) в пивоварении Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

Разделение твердой и жидкой фаз (седиментация) в пивоварении

|Т1ш О'Рурк

Лондонский институт и Английская гильдия пивоваров

Пивоваренный процесс включает ряд технологических стадий, в которых разделяются твердая и жидкая фазы:

• очистка воды, используемой для технологических и технических целей;

• отделение сусла от затора во время фильтрования;

• выделение осадка взвесей горячего сусла и хмелевой дробины из сусла после его кипячения;

• отделение холодного осадка и дрожжей во время брожения;

• осветление пива.

Качество удаляемого твердого вещества изменяется в значительных пределах — от больших частиц, таких, как оболочка ячменя, величиной в несколько миллиметров в диаметре, до размера молекул при отделении минеральных веществ из воды или нескольких ангстрем при обратном осмосе.

В пивоварении используются следующие методы выделения:

естественная или принудительная седиментация;

фильтрование, которому будут посвящены дальнейшие публикации.

Теория седиментации

Простейший метод разделения твердой и жидкой фаз основан на естественной седиментации, при которой частицы нерастворимого вещества, суспендированные

в растворе, оседают под действием силы тяжести g. На скорость осаждения влияет ряд факторов, что выражается законом Стокса

[й2Ц- р,)ё]/(18ц),

где V^ — скорость осаждения, м/с; й2 — размер частиц, м; рр — плотность частиц, кг/м3; р| — плотность жидкости, кг/м3; g — ускорение свободного падения, равное 9,81 м/с2; ц — вязкость жидкости, кг-м/с.

В некоторых случаях достаточно естественного осаждения, однако для производства больших объемов пива или ускорения периодических процессов на современных пивзаводах часто необходимо сократить процесс осаждения.

Скорость осаждения vg по закону Сто-кса можно ускорить следующими методами.

Увеличение размера частиц й2 (рис. 1). Из закона Стокса следует, что скорость осаждения частиц пропорциональна площади их поверхности й2, однако любое увеличение размера частиц имеет двойное влияние на скорость осаждения.

Например, если диаметр й = 1, тогда по закону Стокса й2 = 1 ед. Если диаметр удваивается (й = 2), тогда, согласно закону Стокса, й2 = 4 ед., или скорость увеличивается в 4 раза.

ч

О

О

О

\

Рис. . Увеличение

размера частиц

Рис. 2. Увеличение разности плотностей жидкой и твердой фаз

ПИВО " НАЛИТКИ

1 •2003

22

Из этого следует, что скорость осаждения может быть значительно увеличена, если все значения остаются постоянными, а диаметр частиц увеличивается (см. рис. 1).

Это наблюдается при естественном агрегатировании частиц, которое существует при коагуляции белковых веществ во время и после кипячения сусла и при фло-куляции дрожжей.

Процесс агрегатирования усиливается при использовании осветляющих агентов, действующих как сеть или клей, улавливающих частицы, увеличивающих их эффективную массу и ускоряющих седиментацию.

Увеличение разности плотностей жидкой и твердой фаз (р| - р|). Разница плотностей может быть использована для выделения твердых веществ с низкой плотностью, таких, как, например, пробка, имеющая плотность 180 кг/м3 — легче воды, у которой плотность 1000 кг/м3, поэтому пробка всплывает. Тогда как камень с плотностью 2700 кг/м3 тяжелее воды, чья плотность составляет 1000 кг/м3, поэтому он тонет (рис. 2).

В пивоварении разница плотностей жидкости (сусла или пива) и суспендированного твердого вещества (дрожжей или белка) намного меньше и, следовательно, осаждение происходит медленнее.

Пивовар мало что может сделать для повышения разности плотностей сусла или пива и суспендированных в них частиц. Однако плотность твердых частиц остается относительно постоянной, в то время как плотность жидкости обычно снижается с повышением температуры. В общем, температуры, при которых происходит разделение твердого вещества и жидкости, зависят от других процессов, таких, как, например, образование белковой мути. Следовательно, на практике мало что можно сделать для температурного регулирования процесса разделения.

Снижение вязкости жидкости ц. Вязкость жидкости обычно снижается с увеличением температуры, но, как отмечено выше, регулированием температуры трудно снизить вязкость без нарушения других важных технологических характеристик. Влияние температуры отмечено далее.

С увеличением вязкости пропорционально увеличивается продолжительность осаждения (рис. 3).

Например, если вязкость равна 1,0'10-3 кг-м/с, время осаждения будет равно 1 ед. Если вязкость увеличивается до 1,4210-3 кг-м/с, то продолжительность осаждения возрастает до 1,42 ед.

Иногда вязкость жидкости обусловлена присутствием растворимых высокомолекулярных веществ (в-глюканов и пенто-занов). Она может быть уменьшена изменением состава сырья, параметров процесса или применением экзогенных фермен-

тов. Однако это влияет незначительно на седиментацию и обычно больше — на фильтрование.

Увеличение скорости осаждения под действием ускорения свободного падения g. Ускорение свободного падения составляет 9,81 м/с2. Но мало кто может изменить силу тяжести Земли! Однако она может быть заменена центробежной силой, создаваемой механически: ускоряя движение жидкости, например подавая тангенциально жидкость насосом в аппараты (циклоны или вирпулы) или вращая ее очень быстро в машине (центрифуга), которая способна образовать силу, равную тысячам g.

Применение технологии центрифугирования для ускорения осаждения может быть иллюстрировано сравнением естественного осаждения согласно закону Стокса и быстрого осаждения в центрифуге (табл. 1).

Скорость осаждения дрожжей во время центрифугирования приблизительно в 6000 раз выше, чем при естественном осаждении под действием силы тяжести.

Осаждение, не подчиняющееся

закону Стокса

Закон Стокса определяет скорость, с которой частицы в жидкости оседают. В пивоварении технолог заинтересован в осветлении жидкости, которая зависит от скорости осаждения (согласно закону Стокса) и расстояния, которое частицы должны пройти при оседании. Из этого следует, что для естественной седиментации размер танка может иметь значение, предполагая в горизонтальных танках более быстрое осаждение, чем в вертикальных.

В высоком аппарате осаждение твердых частиц имеет более длинный путь и, следовательно, имеет большую продолжительность (рис. 4). В малом аппарате —малый путь оседания и, значит, в нем быстрее осядут твердые частицы (рис. 5).

Зная естественную скорость осаждения дрожжей vg = 1,5'10-6 м/с, вычисленную выше, можно рассчитать теоретическое время оседания дрожжей в танках двух различных высот, в каждом из которых содержится 2500 гл пива (табл. 2).

На практике дрожжи оседают быстрее, чем по закону Стокса, возможно, из-за агрегатирования (увеличивается размер частиц d). Согласно теории предпочтительнее горизонтальный танк дображивания вместо вертикального для более быстрого осаждения дрожжей на дно аппарата. Однако другие факторы (стоимость производства, необходимость пространства, потери пива, простота С1Р и компактность осажденного твердого вещества) делают предпочтительным вертикальный танк. Продолжительность необходимого времени естественного осаждения часто больше, чем время созревания, поэтому необходимо ускорить процесс механическими средствами.

Конструкция центрифуг предполагает непрерывное сепарирование твердых веществ из жидкости. При этом неосветлен-ная жидкость питает центрифугу на входе, в центрифуге происходит завихрение частиц перед сбором осветленной жидкости на выходе.

Как работает центрифуга

Как обсуждалось выше, в центрифуге естественная сила тяжести g заменяется крутящей силой частицы для обеспечения центрифужной силы, которая значительно увеличивает силы осаждения, действующие на частицы, что ускоряет их седиментацию (рис. 6).

Другой вид — центрифуга, имеющая пакет тарелок, через которые проходит жидкость (пиво или сусло) и в которой собираются твердые частицы, имеющие очень короткий путь осаждения (И), в несколько сантиметров, что улучшет таким образом эффективность сепарирования.

Таблица 1

Показатель Естественное осаждение Центрифугирование

Диаметр клетки дрожжей, м 8-10-6 8-10-6

Плотность дрожжей, кг/м3 1050 1050

Плотность пива, кг/м3 1007 1007

Вязкость пива, кг-м/с 10-3 10-3

Ускорение свободного падения, м/с2 9,81 -

Ускорение силы тяжести, м/с2 - 40 000

Скорость осаждения, м/с 1,5-10-6 6,0-10-3

Таблица 2

Показатель Горизонтальный танк Вертикальный танк

Скорость осаждения, м/с 1,5-10-6 1,5-10-6

Высота столба пива, м 10 30

Среднее время осаждения частиц, сут 86 260

Рис. 3. Увеличение продолжительности осаждения с повышением вязкости

Благодаря комбинированию этих двух принципов центрифуга способна отделить твердые частицы за секунды, при осаждении в естественных условиях этот процесс продлится несколько недель.

Применение

техники

быстрого осаждения

Увеличение размера частиц. В пивоварении (там, где разрешено) используют осветлители.

Осветлители сусла добавляют в сусло перед окончанием его кипячения или при подаче в вирпул, чтобы способствовать коагуляции белка и улучшить отделение холодного осадка. Осветлители не только дают прозрачное сусло, но и улучшают фильтруемость конечного пива, снижая его муть (табл. 3).

Осветлитель Айсингласс применяется для осветления нефильтрованного бестарного пива, добавляется при декантации и вызывает осветление пива для получения прозрачного пива, продающегося в баре.

Он может использоваться также для ускорения осветления при добавлении его к пиву в конце брожения или теплого созревания. Осветляет пиво во время холодного периода созревания.

Вспомогательные осветлители также используют для улучшения прозрачности пива. В пиве они имеют противоположный Айсинглассу заряд, притягивают суспендированные молекулы белка,что улучшает действие осветлителя.

Ускорение седиментации увеличением силы g, влияющей на частицы. Установка вирпула увеличивает центробежную силу, действующую на частицы и улучшающую их осаждение. Это влияние часто описывают как «эффект чайной чашки», где перемешивание чая в чашке вызывает движение чайных листиков, способствуя их передвижению к центру чашки и осаждению там.

1•2003

|ПИ

НАПИТКИ

23

У

•

- > Л

Рис. 4. Высокий аппарат

Таблица 3

Осветлители Вспомогательные осветлители Осветлитель

органические минеральные Айсингласс

Сырье Морская водоросль Морская водоросль ^-силикат Плавательный пузырь

Активный компонент Альгинат Альгинат Силикат Коллаген

Заряд - - - +

Осаждаемое вещество Белок Белок Белок Дрожжи Таннины

Выход Пиво с частицами

осветленного пива —^

Осветлено

Твердое

Разгрузка

твердой

массы

Седиментационное пространство

Центрифужные тарелки

Рис. 6. Устройство тарельчатой центрифуги

Центробежные силы в центрифуге применяются в основном для разделения твердой и жидкой фаз. Они могут служить для отделения сусла от затора вместо фильтр-чана; обезвоживания дробины; осветления горячего сусла; выделения сусла из осадка; сбора дрожжей; выделения пива из избыточных дрожжей; удаления избытка дрожжей перед перекачиванием молодого пива в танк дображивания; выделения пива из осадка в танке; удаления дрожжей перед фильтрованием.

Хотя одновременно все перечисленные мероприятия проводятся только на нескольких пивзаводах, но это та обработка, которой придают большое значение в пивоиндустрии. Центрифугой за секунды можно достичь разделения, которое мо-

жет продолжаться несколько недель или месяцев для достижения того же эффекта в результате седиментации.

Разделение твердой и жидкой фаз улучшается при длительном времени дображи-вания — дольше дображивание, больше твердых частиц осядет; использованием осветлителей, что улучшает осаждение; низкие температуры (ниже 0 °С) ускоряют образование мути и улучшают осаждение; достижение низких температур на фильтре (ниже 0 °С) для предотвращения повторного растворения веществ мути; осветление после созревания пива также зависит от размера частиц: дрожжи с величиной клеток 3-5 мкм в диаметре сравнительно легко удаляются центрифугированием, но тонкие суспендированные бел-

ковые вещества размером менее 1 мкм удалить труднее.

Существует великое множество стадий, где в пивоварении наблюдается разделение жидкой и твердой фаз. Часть этих стадий основана на седиментации. Скорость осаждения подчиняется закону Сто-кса. Влияя на критические параметры, такие, как размер частиц и силы, действующие на них для ускорения скорости осаждения, процесс может быть ускорен, что улучшит прозрачность продукта и облегчит фильтрование и качество конечного пива.

Автор выражает благодарность фирме «Альфа Лаваль» за рисунки, использованные в данной статье.

ПИВО и 11.М1ИГКИ

1 •2003

24