CC BY
53
Варочный цех XXI века: новые инженерные решения
Б. Н. Федоренко
Московский государственный университет пищевых производств
Приготовление пивного сусла традиционно сопровождается несколькими серьезными проблемами, среди которых в первую очередь следует выделить:
недостаток высококачественного зернового сырья;
высокие энергозатраты (особенно на стадии кипячения сусла с хмелем);
пригорание сусла в трубах кипятильника;
трудность получения требуемого качественного состава пивного сусла;
повышенная термическая нагрузка на сусло;
невозможность регулирования состава сусла непосредственно в процессе его производства;
повышенные техногенные нагрузки на окружающую среду.
Несмотря на разнохарактерность этих проблем, в совокупности они ограничивают технологическую эффективность, экономичность и экологичность систем приготовления пивного сусла, снижают конкурентоспособность готовой продукции на пивном рынке и являются тем техническим противоречием, которое требует своего разрешения в процессе их дальнейшего технического развития.
Прокомментируем вкратце эти проблемы и сформулируем вытекающие из них технические требования к новым прогрессивным системам для приготовления пивного сусла.
Недостаток высококачественного зернового сырья. Качество сусла и, следовательно, пива в значительной степени определяется качеством применяемого зернового сырья. А оно не всегда, к сожалению, в полной мере соответствует требованиям пивоваренных кондиций, в результате чего пивовар вынужден варить пиво из того сырья, какое у него есть. Корректировка состава сусла специальными технологическими приемами возможна лишь в относительно узком диапазоне.
Высокие энергозатраты.Процес-сы, в которых осуществляются фазовые переходы, требуют гораздо больших затрат энергии по сравнению с процессами, в которых эти переходы отсутствуют. При приготовлении пивного сусла фазовыми переходами сопровождаются процессы отварки затора и кипячения сусла с хме-
лем, в ходе которых частично испаряется жидкость. Таким образом, чем больше выпаривают сусло, тем больше энергии необходимо на это израсходовать. Причем затраты энергии значительны, поскольку удельная теплота парообразования составляет 2257 кДж/кг.
Исходя из этого, одно из направлений снижения энергозатрат связано с уменьшением степени испарения сусла. Благодаря совершенствованию систем и методов тепловой обработки сусла за последние 10-15 лет этот показатель удалось снизить с 10-12 % до примерно 6 %, что в настоящее время считают нормой.
Другое направление снижения энергозатрат — применение систем энергосбережения, обеспечивающих рекуперацию тепловой энергии вторичного пара.
Несмотря на указанные меры, в варочном отделении по-прежнему потребляется 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 обычно 24-54 МДж/гл.
Пригорание сусла в трубах кипятильника. В процессе кипячения сусла на стенках труб кипятильника образуется слой отложений в результате пригорания сусла вследствие повышенного градиента температур и неодинаковых (к тому же меняющихся на разных стадиях тепловой обработки сусла) гидродинамических режимов. Слой отложений в трубах повышает сопротивление теплопереносу и, следовательно, снижает эффективность теплопередачи. Вследствие этого сусло, протекающее по трубам кипятильника, нагревается меньше, что приводит к снижению движущего напора. Все это приводит к необходимости регулярной и весьма частой (обычно через каждые 4-6 варок) мойке кипятильника. А это, в свою очередь, связано с сокращением продолжительности эффективной (производительной) работы оборудования, повышением вспомогательных трудозатрат, увеличением расходов на воду и моющие средства, повышением техногенной нагрузки на окружающую среду за счет увеличения стоков отработанных моющих сред и пр.
Трудность получения требуемого качественного состава пивного сусла. В традиционных достаточно энергоемких сусловарочных системах на состав сусла (прежде всего на содержание в нем коагулируемого азота и диметилсульфида) можно воздействовать, только варьируя температуру и продолжительность кипячения. Трудность заключается в том, что повышение данных параметров сказывается положительно на одних показателях и отрицательно — на других и наоборот.
Повышенная термическая нагрузка на сусло. В сусловарочных аппаратах традиционной конструкции градиент температур достаточно высок вследствие применения греющего пара под давлением около 0,3 МПа и достаточно долгой тепловой обработки сусла, продолжительность которой от начала нагревания до окончания кипячения составляет обычно около 90 мин. Все это способствует повышению термической нагрузки на сусло (TBZ). Кроме того, часто для форсирования удаления диметилсульфида на стадии кипячения процесс осуществляют при повышенном изменяющемся давлении, что приводит к повышению температуры кипения сусла. Но улучшая одни показатели, в частности снижая содержание диметилсульфида, ухудшают другие — повышают термическую нагрузку на сусло.
Помимо этого различный движущий напор сусла в трубах кипятильника в течение замедленной фазы повышения и быстрой фазы понижения давления негативно сказывается на загрязнении труб теплообменника.
Невозможность регулирования состава сусла непосредственно в процессе его производства. Как отмечалось выше, специальными технологическими приемами в определенных пределах можно осуществить корректировку состава сусла, но эта возможность весьма ограничена. К тому же еще одна серьезная проблема тепловой обработки сусла связана с тем, что уже после кипячения в течение технологической паузы в гидроциклонном аппарате при повышенной температуре продолжает образовываться свободный DMS, отрицательно сказывающийся на органо-лептических показателях целевого продукта. Таким образом, форсировать удаление DMS на стадии кипячения сусла, как это происходит в большинстве случаев в настоящее время, бессмысленно, поскольку образовавшийся в гидроциклонном аппарате DMS удалить из сусла после его охлаждения практически невозможно.
Повышенные техногенные нагрузки на окружающую среду обусловлены следующими обстоятельствами, от которых зависят объемы газовых выбросов и производственных стоков. Чем больше потребность в энергии, тем больше сжигается топлива и соответственно больше выбрасывается в атмосферу топочных газов,
4 • 2008
21
продуктов сгорания и пр. Чем больше степень испарения сусла в процессе кипячения, тем больше вторичного пара или его конденсата попадает в окружающую среду. Чем чаще приходится подвергать оборудование мойке и санитарной обработке, тем больше образуется производственных сточных вод и т. д.
Таким образом, новые прогрессивные системы приготовления пивного сусла в процессе их последующего конструктивного и технологического развития с целью устранения или уменьшения вышеуказанных проблем должны удовлетворять следующим техническим требованиям:
обеспечить производство конкурентоспособного пива с требуемыми потребительскими свойствами из имеющегося в наличии сырья (зачастую не слишком высокого качества);
минимизировать затраты энергии; минимизировать пригорание сусла в трубах кипятильника;
упростить получение требуемого качественного состава пивного сусла;
минимизировать термическую нагрузку на сусло;
обеспечить возможность регулирования качественного состава получаемого сусла;
снизить техногенные нагрузки на окружающую среду.
С учетом этих требований разработана современная концепция экономичного и регулируемого приготовления пивного сусла, базирующаяся на следующих основных положениях (см. таблицу).
Предлагаемая концепция приготовления пивного сусла реализуется в новейших технических разработках предприятия Steinecker компании Krones, созданных с учетом принципов так называемой «бескислородной технологии», обеспечивающей на всех этапах производства минимизацию контакта технологических сред с кислородом воздуха.
Дробление зернопродуктов осуществляют в солододробилках VariomШ и PowermШ многофункционального назначения, в которых помимо дробления солода обеспечиваются предварительное увлажнение зерна, смешивание дробленого солода с водой в заданном соотношении, гомогенизация полученного затора, корректировка рН затора и его транспортирование в заторные аппараты.
Затирание зернового сырья осуществляют в заторных аппаратах ShakesBeer с принципиально новой системой теплообмена, перемешивающим и вибрационными устройствами.
Фильтрование затора осуществляют в фильтрационных аппаратах Pega-
Положения концепции
Положительный эффект
Приготовление гомогенного затора непосредственно на стадии дробления солода на валках
Вибрационное затирание с минимизацией удельной вводимой мощности и интенсификацией теплообмена
Равномерное фильтрование затора
через слой дробины кольцеобразного сечения
Регулируемое кипячение пивного сусла без форсированного удаления нежелательных ароматических соединений в исключительно «мягких» условиях: при атмосферном давлении и пониженной удельной вводимой мощности
Осветление горячего охмеленного сусла с регулированием его конечного состава
• Снижение удельных затрат энергии на дробление (по сравнению с молотковой дробилкой — втрое)
• Исключение из технологического потока некоторых видов оборудования (бункера и транспортирующего устройства для дробленого солода, предзаторника
и предзаторного аппарата)
• Оптимизация фракционного состава помола и, следовательно, улучшение фильтрующих свойств дробины
• Минимизация интенсивности механических и гидродинамических воздействий на затор и, следовательно, уменьшения образования в нем р-глюканов
• Снижение энергозатрат на затирание благодаря:
повышению эффективности теплоотдачи в пристеночном слое со стороны затора; возможности применения греющего пара с пониженной температурой; более экономичному перемешиванию затора
• Ускорение осахаривания затора благодаря интенсификации физических и ферментативных процессов
• Повышение удельной нагрузки на ситчатое днище
• Равномерность выщелачивания дробины
• Снижение остаточной концентрации вымываемого экстракта в дробине (не более 0,5 %)
• Интенсификация процесса фильтрования с доведением коэффициента оборачиваемости оборудования
до 14 варок в сутки
• Снижение эксплуатационных затрат
• Минимизация термической нагрузки на сусло
• Оптимизация содержания коагулируемого азота в сусле
• Минимизация энергозатрат
• Минимизация пригорания сусла
• Снижение до оптимального уровня содержания DMS в начальном сусле
4•2008
22
sus с ситчатым днищем кольцеобразной формы.
Кипячение и осветление охмеленного сусла может осуществляться в двух вариантах:
в сусловарочной системе Merlin на основе тонкопленочного испарителя и традиционного гидроциклонного аппарата (вирпула), работающих совместно;
в сусловарочном аппарате Stromboli и новом гидроциклонном аппарате Calypso, работающих последовательно.
Сусловарочная система Merlin создана на предприятии Steinecker в самом конце 90-х годов прошлого века. В этой уникальной системе впервые в пивоварении использован принципиально новый принцип кипячения сусла — тонкопленочный. Благодаря специфическим особенностям этого принципа удается улучшить теплопередачу, сократить энергозатраты, уменьшить тепловую нагрузку на сусло, интенсифицировать удаление негативных летучих соединений, минимизировать при-горание сусла и регулировать состав сусла непосредственно в процессе тепловой обработки за счет изменения толщины пленки в процессе кипячения и последующего стриппинга (дополнительной отгонки легколетучих фракций), осуществляемого в том же тонкопленочном испарителе.
С технологической точки зрения Merlin, пожалуй, наилучшая сусловарочная система, обеспечивающая производство высококачественного пива. В ней удалось почти идеально выполнить технологические, экономические и экологические требования к кипячению сусла. К тому же она обладает непревзойденной технологической гибкостью, так как в ней можно перерабатывать различные объемы сусла, причем в таком широком диапазоне, в каком не может функционировать никакая другая сусловарочная система.
На пивоваренных предприятиях, где эксплуатируются эти системы (в России их насчитывается шесть — в Балаково, Чебоксарах, Калининграде, Кургане, Усть-Илимске и Пушкине Ленинградской обл. и еще шесть — в странах ближнего зарубежья), к ним приспособились, оценили их технические достоинства и технологические возможности и не хотят признавать никаких других сусловарочных аппаратов. А если возникает потребность в расширении производства, то в состав второго варочного порядка включают исключительно Merlin, как это сделали в Кишиневе и собираются сделать в Чебоксарах.
Однако технологический триумф системы Merlin в пивоварении, отмеченный в 1999 и 2000 гг. множеством профессиональных европейских призов, оказался весьма недолгим. Причина проста. Как говорят: «Лучшее — враг хорошего».
С появлением в 2003 г. новых суслова-рочных аппаратов Stromboli практический интерес к Merlin снизился. Это обусловле-
но тем, что сусловарочные аппараты St-romboli при очень хороших показателях горячего охмеленного сусла (практически не уступающих суслу, получаемому в системе Merlin) обеспечивают лучшие функциональные и экономические показатели, в частности:
более высокий коэффициент оборачиваемости — до 14 варок в сутки;
меньший расход первичной энергии; простоту в управлении; меньшую чувствительность к качеству исходного зернового сырья;
потребность в менее квалифицированном персонале;
меньшую стоимость. К тому же при использовании Strom-boli в сочетании с новым гидроциклонным аппаратом Calypso отпадает потребность в дополнительных затратах энергии для осуществления стриппинга.
В сусловарочных аппаратах Stromboli с внутренним нагревателем тепловая обработка сусла проводится благодаря функционированию двух независимых циркуляционных контуров. В одном из них осуществляется естественная, а в другом — принудительная циркуляция, обеспечиваемые движущими силами различной природы (соответственно термической и механической).
Расход тепловой энергии в аппаратах Stromboli переменен, поскольку оптимизирован для разных стадий процесса кипячения, а в течение почти трети цикла кипячения (около 20 мин) не превышает 10 % (!!!) от общепринятых энергозатрат и обеспечивает только восполнение тепловых потерь сусла. Поэтому благодаря прежде всего существенно меньшим затратам первичной энергии, а также эффективной рекуперации теплоты вторичного пара в этом оборудовании снижаются газовые выбросы, содержащие топочные газы, продукты сгорания, летучие ароматические соединения и пр.
В то же время благодаря снижению термической нагрузки на сусло, оптимизации гидродинамических режимов и обеспечению однородности потоков сусла в трубах кипятильника минимизируется пригорание, в результате чего значительно сокращается количество циклов мойки оборудования — через 30 варок (!!!), снижается потребность в технической воде и детергентах, и, следовательно, уменьшается количество сточных вод. Все это способствует улучшению экологической обстановки за счет минимизации техногенной нагрузки на окружающую среду.
В гидроциклонных аппаратах Calypso помимо осветления сусла осуществляют также функцию регулируемого стриппин-га, который протекает в отличие от известных аналогов без дополнительного подвода тепловой энергии или вакуумми-рования — за счет собственной тепловой энергии горячего охмеленного сусла.
Оборудование нового поколения предприятия Steinecker уникально, и в прямом смысле слова является оборудованием XXI в., потому что все оно (кроме дробилок и системы Merlin) было создано за последние 5-6 лет на основе глубоких научных исследований, передовых конструкторских разработок и характеризуется высочайшей степенью технологической эффективности, технического совершенства, экономичности и эколо-гичности.
Несмотря на техническую новизну, самое прогрессивное на сегодняшний день технологическое оборудование Steinecker успешно апробировано и эффективно эксплуатируется на многих пивоваренных предприятиях Европы и мира. В России
и странах ближнего зарубежья отдельные виды этого оборудования (не считая Merlin) эксплуатируются на пивоваренных предприятиях Алма-Аты, Ангарска, Владивостока, Запорожья, Клина, Караганды, Кургана, Кишинева, Москвы, Львова, Новотроицка, Омска, Павлодара, Твери, Харькова, Чернигова, Цесиса, Уральска и Ярославля.
В серии последующих статей будут кратко рассмотрены конструктивное устройство и технологические возможности современных аппаратов варочного цеха предприятия Steinecker компании Krones, в которых обеспечивается представленная выше современная концепция экономичного и регулируемого приготовления пивного сусла. &
