Регулирование экстрактивности начального сусла при намывном фильтровании пива на свечных фильтрах Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УдК 663.46

регулирование экстрактивности начального сусла

при намывном фильтровании пива на свечных фильтрах

|Е. В. Родин, канд. биол. наук; С. В. Родин

Пензенская государственная сельскохозяйственная академия

Ключевые слова: фильтрование пива; пиво; экстрактивность

начального сусла; потери экстрактивных веществ.

Kew words: filtration of beer; beer; origin wort extract; the loss of extractives.

На фоне сокращающегося рынка пива и соответственно обостряющейся конкурентной борьбы в последнее время все более актуальными становятся две проблемы:

• обеспечение стабильно воспроизводимого от партии к партии качества пива, что особенно выражено при производстве одного и того же сорта пива на разных филиалах компании;

• минимизация затрат на производство пива, что, с точки зрения пивовара, имеющего свою непосредственную зону ответственности, сводится к минимизации потерь экстрактивных веществ при производстве пива.

В свете вышеизложенных проблем рассмотрим технологическую операцию фильтрования пива. Фильтрование пива — одна из заключительных операций в производстве этого напитка — проводится с целью обеспечения его товарного вида и играет важную роль в обеспечении биологической, коллоидной и органо-лептической стойкости.

Данная операция — критическая не только по степени осветления пива и стабилизации пива (чему посвящено множество работ, например [1, 2]), но и по такому параметру качества пива, как экстрактивность начального сусла, поскольку при дальнейшей реализации технологического потока у технолога отсутствует возможность изменять данный параметр качества напитка. Экстрак-тивность начального сусла — параметр, жестко регламентированный ГОСТом на производство пива, и пивовар обязан обеспечить этот

параметр качества, причем с целью минимизации потерь на минимально возможном уровне и обеспечения стабильности качества пива на одном и том же уровне от партии к партии. В проекте Технического регламента на пивоваренную продукцию, направленного в Государственную Думу РФ, отсутствует требование к регламентированию экстрактив-ности начального сусла для производимого пива, что, на наш взгляд, является большой ошибкой. Это может привести к тому, что пивоваренные компании с целью уменьшения расхода сырья будут делать пиво с большей степенью сбраживания и набирать необходимый в пиве спирт при меньшей экстрактивности сусла, что будет способствовать сокращению затрат на производство, но в то же время приведет к замещению продукции импортной (в которой экстрактивность начального сусла регламентирована) и в результате к гибели национальной пивоваренной отрасли. Поэтому надеемся, что регламентирование экстрактивности начального сусла все-таки будет внесено в технический регламент на пивоваренную продукцию.

При намывном фильтровании пива на свечных фильтрах последовательно проводят следующие операции:

• нанесение на фильтрующую перегородку намывов;

• выдавливание воды с фильтрационного порядка пивом с образованием и сбором части смарочного пива;

• фильтрование пива с внесением текущей дозировки кизельгура и смарочного пива;

• выдавливание пива с фильтрационного порядка водой с образованием и сбором части смарочного пива.

Экстрактивность начального сусла в фильтрованном пиве будет зависеть от объема и экстрактивности начального сусла в нефильтрованном пиве, направляемом на фильтрование, от объема и экстрактивности начального сусла в дозируемом сма-рочном пиве и объема воды, вносимой в пиво с текущей дозировкой кизельгура.

Таким образом, поскольку объем пива, экстрактивность начального сусла и объем воды вносимый с текущей дозировкой, — это величины, детерминированные для каждой конкретной партии нефильтрованного пива, задача обеспечения заданной экстрактивности начального сусла в фильтрованном пиве, по сути, сводится к оптимизации сбора и дозирования смарочного пива.

Анализ литературы [1, 2] выявил следующую рекомендуемую последовательность действий в регулировании сбора и дозации смарочного пива:

• сбор смарочного пива;

• анализ собранного смарочного пива на экстрактивность начального сусла;

• расчет по правилу «креста» возможного объема добавления сма-рочного пива к фильтруемому пиву.

При этом возможны два варианта развития событий:

• часть смарочного пива оказывается излишней и сбрасывается в канализацию;

• смарочного пива оказывается недостаточно, и фильтрованное пиво имеет завышенную экстрактив-ность начального сусла по сравнению с требованиями нормативно-технической документации.

В современных высокоинтенсивных технологиях использование подобных эмпирических конструкций (собрали смарочное пиво и лишь затем измерили, что получилось) недопустимо, поскольку приводит к колебаниям параметров качества пива и неизбежно — к дополнительным потерям экстрактивных веществ.

Рассмотрим более подробно динамику изменения экстрактивности начального сусла при выдавливании воды с фильтрационного порядка пивом.

Предположим, что по характеру протекания процесс вытеснения воды на фильтрационном порядке является промежуточным вариантом между процессом идеального вытеснения и процессом идеального смешения. Следовательно, экстрактивность начального сусла зоны смешения по мере выдавливания воды пивом будет изменяться от экстрактивности начального сусла воды (бесконечно малой величины, фактически 0) до экстрактивности начального сусла пива, подаваемого на фильтрование, т. е. до момента полного вытеснения воды пивом.

Очевидно, что динамика экстрак-тивности начального сусла смеси (смарочного пива), образующейся при выдавливании, будет зависеть только от объема и геометрических параметров фильтрационного порядка, экстрактивности начального сусла пива и природы смешиваемых жидкостей. Объем, геометрические параметры фильтрационного порядка (на каждом конкретном предприятии), а также природа жидкостей неизменны, т. е., зафиксировав значение экстрактивности начального сусла пива, подаваемого на фильтрование, мы имеем право предположить, что экстрактивность начального сусла смарочного пива является функцией от объема поданного на порядок пива.

Для нахождения этой функциональной зависимости в условиях филиала ЗАО МПБК «Очаково» в г. Пензе был проведен следующий эксперимент. При вытеснении воды пивом с экстрактивностью начального сусла 11,1% на выходе с порядка производили отбор смарочного пива на выходе с фильтрационного порядка через каждые 5 гл. В отбираемых пробах смарочного пива измеряли экстрактивность начального сусла на приборе Anton Paar. Отбор прекращали, когда экстрактивность начального сусла отбираемой пробы была идентична экстрактивности начального сусла пива, подаваемого на фильтрование, что свидетельствовало о полном вытеснении воды пивом. По полученным значениям экстрактивности начального сусла смарочного пива была построена зависимость, отображенная на рис. 1.

Анализируя полученный график, отметим, что полное замещение воды, находящейся в фильтрационном порядке, на пиво произошло только

8 -

6 -

50 ■ 60 ■ 70 ■ 80 Объем пива, гл

100 110 120 130

Рис. 1. Экстрактивность начального сусла смарочного пива в зависимости от объема пива, поданного для вытеснения воды на фильтрационный порядок

12

0

10

20

30

40

90

Номер гектолитра, с которого начинается отбор смарки Объем смарочного пива, гл Экстрактивность начального сусла собранного смарочного пива, %

130 1 11,1

129 2 11,09

128 3 11,08

127 4 11,07

126 5 11,06

2 129 7,26

1 130 7,21

к 130 гл, несмотря на то, что объем фильтрационного порядка, указанный в технической документации, — 70 гл. Данное обстоятельство служит прямым подтверждением нашего предположения о характере протекания процесса смешения.

Допустив, что изменение экстрак-тивности начального сусла между двумя измерениями происходит линейно, несложно рассчитать значение экстрактивности начального сусла для каждого гектолитра получаемого смарочного пива. Поскольку завершение отбора строго фиксировано 130 гл (завершение вытеснения), то можно рассчитать экстрактивность смарочного пива, собираемого в смарочной емкости, которая будет зависеть от начала отбора пива в смарочную емкость еще до собственно начала фильтрования пива, по формуле

130

S ЭНС

ЭНС

130 - n + 1 '

(1)

где ЭНСп _ — экстрактивность начального сусла собранного смарочно-го пива, %; ЭНС1 — экстрактивность начального сусла ¿-го гектолитра

смарочного пива, %; п — номер гектолитра, с которого начинается сбор смарочного пива.

Для удобства использования полученной информации результаты расчетов сведены в таблицу.

Расчетные данные, приведенные в таблице, были неоднократно проверены при фильтровании пива в условиях филиала ЗАО МПБК «Очаково» в г. Пензе.

Естественно, расчетные данные, приведенные в таблице, будут верны только для фильтрационного порядка, установленного на филиале ЗАО МПБК «Очаково» в г. Пензе и только для экстрактивности начального сусла фильтруемого пива 11,1%. Однако совершенно несложно на каждом предприятии провести подобное исследование для собственного фильтрационного порядка и для каждой величины экстрактивности начального сусла пива, подаваемого на фильтрование (на самом деле вариантов по экстрактивности не так уж и много, поскольку в условиях высокоинтенсивной технологии полуфабрикат, подаваемый на совершение технологической операции, стремятся максимально стандартизировать, что приводит к минимизации разброса входных параметров и

соответственно к сокращению количества экспериментов).

Установление динамики экстрактивности начального сусла при вытеснении воды с фильтрационного порядка позволяет заранее рассчитать объем и экстрактивность начального сусла собранного смароч-ного пива, что позволяет отказаться от проведения анализов смарочного пива и, при желании, регулировать объем и экстрактивность начального сусла смарочного пива заранее, а не сначала собрать смарочное пиво, а потом думать, что с ним делать.

Для того чтобы не описывать второй раз алгоритм расчета, укажем, что аналогично можно рассчитать и экстрактивность начального сусла в смарочном пиве, образующемся и при обратном вытеснении пива с фильтрационного порядка водой в конце фильтрования.

Однако прогнозируемость и расчет экстрактивности начального сусла смарочного пива не являются собственно самоцелью (хотя и уменьшают вероятность принятия ошибочных решений), но это только первый этап в обеспечении производства однородного по экстрактивности начального сусла пива с минимально возможными потерями.

Рассмотрим следующий этап, для чего представим динамику экстрак-тивности начального сусла при фильтровании партии пива (рис. 2).

Очевидно, что экстрактивность начального сусла пива, получаемого в форфасе численно, есть площадь фигуры, ограниченной данной кривой, деленная на объем собранного пива, и абсолютно точно можно рассчитать экстрактивность начального

сусла пива, взяв определенный интеграл по функции экстрактивности от объема пива. Причем для минимизации потерь экстрактивных веществ необходимо определить пределы интегрирования функции таким образом, чтобы частное от результата интегрирования на объем пива составило заданное значение экстрак-тивности при условии, что разница между пределами интегрирования будет максимальна.

Однако, несмотря на то, что вышеизложенный способ расчета теоретически абсолютно точный, подобрать аналитическое выражение функции экстрактивности начального сусла от объема пива достаточно трудоемко.

Наиболее простой способ решения данной задачи — создание итерационной математической модели, которая позволит, последовательно приближаясь к заданной экстрак-тивности сверху, вычислить точки начала и завершения отбора пива с фильтрационного порядка.

При расчете экстрактивности начального сусла фильтрованного пива необходимо учитывать, что кроме снижения экстрактивности пива в результате присоединения части смарочного пива экстрактивность пива также несколько снижается при дозировании водных растворов вспомогательных фильтрующих средств (текущая дозировка), поскольку фильтрование пива намывное.

Блок-схема итерационного вычисления экстрактивности начального сусла представлена на рис. 3. В блок-схеме приняты следующие обозначения: ЭЯСнф — экстрактивность начального сусла нефильтрованного пива; Унф — объем нефильтрованного

Рис. 2. Динамика экстрактивности начального сусла при фильтровании партии пива

пива; V — объем текущей дозировки; ЭНСнтд — заданная (желаемая) экстрактивность начального сусла отфильтрованного пива; ЭНСГ.. ЭНС130 — массив значений экстрак-тивности начального сусла смароч-ного пива соответственно объемам выдавливания V .V130, полученный эмпирически; ЭНСу... ЭНСу+130 — массив значений экстрактивности начального сусла смарочного пива, соответственно объемам выдавливания V...V+130, полученный эмпирически; ЭНС — экстрактивность

Г ' итог Г

начального сусла фильтрованного пива; V — объем фильтрованного

итог

пива; i — номер гектолитра, с которого необходимо начинать сбор пива в форфас; j — номер гектолитра, на котором необходимо завершать сбор пива в форфас.

Данная математическая модель и соответственно способ фильтрования пива, реализуемый с ее помощью, были неоднократно проверены на практике в условиях филиала ЗАО МПБК «Очаково» в г. Пензе. Практическая проверка показала сходимость расчетных и эмпирических значений экстрактивности начального сусла в пределах погрешности прибора для измерения. Однако необходимо понимать, что применение вышеприведенной блок-схемы позволяет рассчитать оптимальные с точки зрения минимизации потерь экстрактивных веществ значения начала и завершения отбора пива в форфас, но не гарантирует перемешивания пива в форфасе. Данный вопрос должен решаться индивидуально на каждом предприятии эмпирически.

Анализируя рис. 3, несложно заключить, что для полного исключения потерь экстрактивных веществ при фильтровании пива необходимо полностью собрать и добавить к пиву обе зоны смешения пива с водой. При этом, зная динамику экстрактив-ности начального сусла при прямом и обратном вытеснении в начале и конце фильтрования, можно рассчитать, какова будет экстрактивность начального сусла фильтрованного пива, по формуле

ЭНСА = [V ЭНС +(V + V ) х

фп L нп нп n тек

х ЭНС + V ЭНС ] / (2)

в ов ов-1 '

[V + V + V + V ],

нп п тек ов

где ЭНСфп, ЭНСнп, ЭНСв, ЭНСов —

фп нп в ов

экстрактивность начального сусла соответственно отфильтрованного

(3)

(получаемого в форфасе) пива, нефильтрованного пива, подаваемого на фильтрование, воды и смарочно-го пива, образующегося в ходе обратного вытеснения, %; V , V , V , V — объем нефильтрованного пива, подаваемого на фильтрование, объем фильтрационного порядка, объем текущей дозировки кизельгура и объем воды, пошедшей на обратное вытеснение, соответственно, гл.

С учетом того, что ЭНС фп« 0 , получим

ЭНСф = (V ЭНС +V ЭНС )/

фп нп нп ов ов '

(V + V + V + V ).

нп п тек ов

Подставив в (3) вместо экстрак-тивности начального сусла фильтрованного пива экстрактивность, заданную нормативно-технической документацией, и преобразовав (3) относительно экстрактивности начального сусла нефильтрованного пива, получим

ЭНС = [ЭНС (V + V + V +

фп фп нп п тек

+ V ) - V ЭНС ] / (4)

ов ов ов

[V + V + V + V ].

нп п тек ов

Поскольку все величины, находящиеся в правой части (4), на каждом конкретном производстве являются детерминированными, для каждого конкретного производства можно рассчитать, какая должна быть экс-трактивность начального сусла нефильтрованного пива, подаваемого на фильтрование, для того чтобы полностью исключить потери экстрактивных веществ. Затем несложно провести перерасчет производства сусла и изготовлять пиво с заранее завышенной экстрактивностью начального сусла с учетом того, что впоследствии пиво будет разбавлено при фильтровании. Подобная технология производства близка к технологии высокоплотного пивоварения, но таковой не является, поскольку при высокоплотном пивоварении к пиву добавляется вода, а в данном случае происходит добавление смарочного пива, пусть и с минимальной экстрак-тивностью начального сусла.

При реализации вышеописанной схемы фильтрования с полным исключением потерь экстрактивных веществ существенный момент — обеспечение равномерного смешивания смарочного и обычного пива. И если при прямом вытеснении проблем, как правило, не возникает, поскольку смарочное пиво попадает в форфас в начале фильтро-

7

ЭНС

ЭНС V ф + V ■ 0

^ П — тек

— н,—

1 = 130

V = V.

j = V

ЭНС =ЭНС„

Нет

Да

ЭНС

фп ^+1

ЭНС =

ЭНС ^ + ЭНС. ■ 1

,ф" ^+1

7 = j +1

1 = 1 +1

Нет

Рис. 3. Блок-схема итерационного вычисления экстрактивности начального сусла фильтрованного пива

вания и хорошо перемешивается при подаче в форфас отфильтрованного пива, то после обратного вытеснения внизу форфаса однозначно окажется разбавленное пиво, что приведет к подаче на розлив какого-то объема некондиционного пива.

Для того чтобы избежать подобной проблемы, необходимо весь объем смарочного пива, образующийся во время обратного вытеснения, собирать в смарочную емкость и дозировать к следующей партии пива. Естественно, данный способ фильтрования реализуем только при поточном способе производства, когда фильтро-

вание пива осуществляется следом без продолжительных остановок.

Таким образом, применение рассмотренных в статье способов фильтрования позволяют производить пиво, идентичное по такому параметру качества, как экстрактивность начального сусла, и минимизировать (или вообще исключить) потери экстрактивных веществ при фильтровании пива.

ЛИТЕРАТУРА

1. Кунце В., Мит Г. Технология солода и пива. — СПб.: Профессия, 2003.

2. Нарцисс Л. Краткий курс пивоварения. — СПб.: Профессия, 2007.

ЭНС1 ... ЭНС130

ЭНСу ... Н,+130

V, = V „+V

фп нф тек

V = V

итог фп