Варочный цех XXI века: объемное кипячение сусла с хмелем Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

Продолжаем публикацию цикла статей, посвященных инженерному обеспечению новейшей прогрессивной технологии приготовления пивного сусла. Предыдущие статьи опубликованы в № 4, 5 и 6 за 2008 г. и в № 1, 2 за 2009 г.

УДК 663.423

Варочный цех XXI века: объемное кипячение

сусла с хмелем

Б. Н. Федоренко, д-р техн. наук, проф.

Московский государственный университет пищевых производств

При несомненных технических и технологических достоинствах суслова-рочных аппаратов различных типов с внутренним кипятильником, в которых осуществляют объемное кипячение сусла, анализ их конструктивного устройства показывает, что условия гидродинамики сусла в них несовершенны, а это, в свою очередь, негативно сказывается на процессе теплопередачи, особенностях функционирования и отрицательно влияет на качество охмеленного сусла.

Внутренние кипятильники работают по принципу вытеснения нагреваемой среды. При нагревании сусло под действием термической подъемной силы вытесняется из труб нагревателя и распределяется в поверхностном слое. В то же время придонный слой сусла поднимается к нагревателю и заполняет его трубы. Однако при нагревании сусла термической подъемной силы, возникающей в трубах нагревателя вследствие перепада температур и соответственно плотности сусла, не хватает для того, чтобы поддерживать в них на стабильном уровне оптимальную скорость потока. Исследования показали, что в трубах нагревателя наблюдается пульсация жидкости — в течение кратковременной паузы (2-3 с) сусло задерживается в трубах и нагревается до 96 °С, а затем высоконапорным импульсом резко выбрасывается из труб. Интенсивная пульсация прекращается лишь незадолго до начала кипячения, когда в аппарате устраняются более холодные слои и температура сусла выравнивается. В процессе кипячения пульсация сусла в трубах внутреннего нагревателя практически не проявляется.

К негативным последствиям неравномерного движения сусла в трубах нагревателя следует отнести:

Ключевые слова: кипячение сусла, охмеление, аппарат сусловарочный, кипятильник, нагреватель внутренний

• пригорание сусла на внутренних стенках труб, что, в свою очередь, ограничивает период эффективной работы сусловарочного аппарата максимум до восьми циклов (чаще всего мойку кипятильника осуществляют через каждые 3-4 варки);

• весьма широкий диапазон изменения значений коэффициента теплопередачи в течение процесса;

• тепловое расслоение сусла, причем разница температур в верхнем и нижнем слоях может достигать 20 °С; лишь спустя 15-20 мин после начала нагревания сусла температура в аппарате выравнивается и начинается фаза кипения. Неравномерность температуры

в сусловарочном аппарате, в свою очередь, сказывается на ухудшении физико-химических показателей сусла, поскольку:

• опережающий нагрев и более ранний переход к кипячению верхних слоев сусла способствует преждевременному уменьшению содержания коагулируемого азота, оказывающего положительное влияние на пенообразование;

• отставание в нагревании нижних слоев сусла ведет к ухудшению процесса изомеризации первой порции хмелепродуктов;

• на сусло оказывается повышенная термическая нагрузка (о которой судят по изменению показателя тио-барбитуровой кислоты — TBZ). В связи с этим при разработке

прогрессивных высокоэффективных и экономичных сусловарочных си-

стем нового поколения следует стремиться к обеспечению следующих требований:

• улучшению удаления нежелательных летучих ароматических соединений из сусла (о степени их удаления судят по содержанию диметилсульфида — ДМС), хотя с применением в современной технологии последующего стрипинга (отгонки летучих фракций) это требование теряет актуальность на стадии кипячения сусла;

• устранению неравномерности потоков в трубах нагревателя;

• минимизации пригорания сусла;

• созданию щадящих условий для сохранения пеноположительных белковых фракций;

• снижению термической нагрузки на сусло в процессе кипячения;

• сокращению степени испарения сусла;

• снижению энергозатрат на осуществление процесса.

В значительной степени этим требованиям удовлетворяют сусловароч-ные аппараты системы Есо1вгт, отличительные особенности которых:

• увеличенная площадь поверхности испарения сусла за счет применения двойного отбойного колпака;

• сочетание естественной (термической) и принудительной (гидродинамической) циркуляции сусла с помощью насоса, обеспечивающего подачу перекачиваемого сусла непосредственно под внутренний нагреватель;

• пониженная термическая нагрузка на сусло благодаря оптимизации подвода тепловой энергии на различных фазах тепловой обработки сусла за счет регулирования расхода греющего пара, объемному кипячению при атмосферном давлении и, следовательно, в «мягких» условиях — без форсирования температурного режима. Сусловарочные системы Есо1вгт,

выпускаемые предприятием Stвinв-ckвr, нашли достаточно широкое распространение в промышленности, в том числе на предприятиях России и стран СНГ. Некоторые другие производители оборудования также начали выпуск сусловарочных аппаратов с некоторыми признаками системы Ecotвrm. Но в настоящей статье мы не хотим задерживать внимание читателя на сусловарочной системе Ecotвrm, поскольку сегодня их вытеснили (как, кстати, и многие дру-

гие сусловарочные системы) более эффективные и экономичные сусловарочные системы Stromboli, которые, по сути, являются результатом дальнейшего технического развития систем Е^егт.

В 2003 г. предприятие Steinecker компании KRONES выпустило новейший сусловарочный аппарат Stromboli (рис. 1), в котором практически идеально удовлетворены вышеупомянутые требования к современным сус-ловарочным системам, благодаря чему не только повышена технологическая эффективность его функционирования, но и улучшены технико-экономи-

Рис. 1. Внутренний теплообменник-нагреватель сусловарочного аппарата Stromboli (цилиндрический корпус и коническая крышка сусловарочного аппарата не показаны)

ческие и энергетические показатели его работы.

Система Stromboli представляет собой сусловарочный аппарат с внутренним кожухотрубным нагревателем, в котором обеспечивается эффективное удаление нежелательных ароматических веществ ниже допустимых пороговых значений и одновременно сохраняется нужное количество важных для пенообразования соединений при общем выпаривании всего лишь 2-4 % и при очень низких затратах первичной тепловой энергии.

Основное конструктивное отличие сусловарочного аппарата системы Stromboli состоит в том, что он оснащен центральной трубой, проходящей через кожухотрубный внутренний нагреватель вдоль его центральной оси, между греющих труб и по которой сусло циркулирует с помощью насоса.

На верхнем конце циркуляционной трубы крепится двойной отражатель для распределения сусла, состоящий из нижнего экрана и верхнего распределителя сусла.

Через центральную трубу насосом с частотным регулятором прокачи-

вают сусло, которое забирают через несколько симметрично расположенных выходных щтуцеров, находящиеся в днище аппарата. Таким образом, обеспечивают восьмикратную циркуляцию сусла через центральную трубу (по отношению к объему полного набора).

В отличие от традиционных внутренних нагревателей сусло поступает не под внутреннюю поверхность верхнего зонтообразного отражателя, а распределяется непосредственно между нижней частью верхнего распределителя сусла и расположенным над ней регулируемым по высоте кол-

паком (рис. 2). Благодаря возможности регулировать величину зазора в верхнем распределителе можно воздействовать не только на площадь поверхности сусла, но и на интенсивность его циркуляции.

Непосредственно над верхней трубной решеткой нагревателя, внутри направляющего кожуха, расположен струйный насос (эжектор), благодаря которому вследствие создаваемого им разрежения происходит всасывание и равномерное непрерывное движение сусла через трубы нагревателя. Кратность циркуляции сусла через нагревательные трубы теплообменника

Life is liquid. (В)

Каждый грамм

учитывается

drinktec

Огромную роль играет стоимость упаковки, достигающая порой 60% Ваших производственных затрат. К счастью, в КРОНЕС есть дизайнеры по ПЭТ, которые могут уменьшить вес ёмкости на один, другой лишний грамм. Это идеально подходит для тех, кто желает значительноулучшить индекс массы бутылки и на длительное время сохранить расходы незначительными.

Более подробно: www.krones.com/en/solutions

)N KRÖN ES

составляет 8-10 ч-1. Скорость сусла в эжекторе — около 4 м/с.

Вследствие непрерывного равномерного движения в трубах нагревателя сусло предохраняется от перегрева, особенно в критической фазе нагрева, а позитивные для пенообразования белковые соединения сохраняются.

Сочетанием внешней и внутренней циркуляции достигается очень эффективная общая циркуляция сусла в сус-ловарочном аппарате, исключающая образование мертвых зон и неоднородность сусла в аппарате.

Таким образом, благодаря конструктивному устройству системы Б1гот-ЬоИ обеспечивается возможность организации в сусловарочном аппарате двух циркуляционных контуров сусла, которые могут функционировать как совместно, так и независимо друг от друга и при этом решать различные технологические задачи (рис. 3).

В одном контуре сусло циркулирует с помощью струйного насоса через верхний распределитель сусла, а во втором — вследствие естественной термической циркуляции сусла через нижний зонтообразный отражатель.

Благодаря первому циркуляционному контуру обеспечивается преимущественное вытеснение летучих ароматических соединений, типичным представителем которых является диметилсульфид, а благодаря второму — регулирование требуемого состава белковых субстанций, например содержание коагулируемого азота. Таким образом, достигается эффективное раздельное управление содержанием ДМС и коагулируемым азотом.

Рис. 2. Распределитель сусла

с регулируемым колпаком

Для удаления содержащихся в сусле нежелательных ароматических соединений помимо общего количества выпаренной влаги большое значение имеет площадь поверхности испарения сусла. Чем больше площадь поверхности, тем меньше требуется выпарить сусло, при условии его равномерного распределения в аппарате. В сусловарочном аппарате системы Б^отЬоН вследствие хорошей общей циркуляции обеспечиваются обширная площадь поверхности испарения и одновременно хорошая гомогенизация сусла. Благодаря этому нежелательные ароматические соединения вытесняются из сусла, достигая концентраций ниже вкусового порогового значения без излишнего выпаривания и, следовательно, при меньших затратах энергии.

Ранее, при эксплуатации суслова-рочных аппаратов Есо1вгт, было практически подтверждено, что процессом

а б

Рис. 3. Схема функционирования сусловарочного аппарата Stromboli:

а — сочетание гидродинамической и термической циркуляции сусла; б — гидродинамическая циркуляция сусла (без подвода тепловой энергии)

кипячения сусла с хмелем можно эффективно управлять, варьируя температурой греющего пара, подачей циркуляционного насоса и продолжительностью манипуляций в зависимости от стадии процесса. Так, например, изменением количества теплоты, подаваемой в нагреватель, можно целенаправленно управлять составом белковых фракций в сусле. При этом для достижения требуемых значений отпадает необходимость в излишнем испарении жидкости, а вполне достаточно циркуляции сусла при температуре процесса.

В сусловарочном аппарате системы Б^отЬоН в отличие от других сусло-варочных аппаратов с внутренним нагревателем можно обеспечивать на определенной стадии процесса циркуляцию сусла и обширную площадь его поверхности испарения при несопоставимо низких затратах тепловой энергии. Эта особенность конструкции позволяет подводить к аппарату ровно столько энергии, сколько необходимо для осуществления процесса, поскольку излишняя теплота на стадии нагревания приводит к досрочному вскипанию и выпариванию сусла в теплообменнике. При нагревании температура в аппарате повышается равномерно, без пульсаций сусла в трубах встроенного теплообменника. На стадии кипячения также подводят лишь необходимое количество теплоты.

Учитывая эти конструктивные особенности и технологические возможности сусловарочного аппарата системы Б^отЬоН, процесс тепловой обработки сусла с хмелем в нем осуществляют следующим образом (рис. 4). В начале кипячения — в течение первых около 20 мин (фаза 1) из сусла удаляются ДМС и прочие летучие ароматические соединения и образуются хлопья коагулированного азота.

После этой фазы кипячения делают энергетическую паузу — прекращают (или снижают до минимума — около 10 %) подвод тепловой энергии в межтрубное пространство теплообменника, продолжая при этом интенсивное движение сусла в трубах теплообменника благодаря работе эжектора и сохраняя тем самым обширную площадь поверхности испарения сусла. Таким образом, на этом этапе процесса обеспечивают, во-первых, высокотемпературную выдержку сусла, при которой в нем продолжается расщепление предшественника ДМС, во-вторых, эффективное удаление из сусла свободного ДМС

Нагревание

Кипячение

Фаза 1

Пауза

Фаза 2

-1

1 1 __1 1 1 . -1 к2

"П 1 1 1 1 1 .г __1 1____

1 1___ 1 ___1 \з

30 40 50 60 70 80 Продолжительность варки, мин

Ь °С 100

20

Рис. 4. Примерный характер изменения параметров в процессе функционирования сусловарочного аппарата Stromboli:

1 — температура сусла, °С; 2 — относительная частота вращения вала насоса, %; 3 — удельные затраты тепловой энергии, кВт-ч/гл

Рис. 5. Образование накипи в трубах кипятильника:

а — традиционного сусловарочного аппарата после 8 варок без принудительной циркуляции; б — сусловарочного аппарата Stromboli после 60 варок

7

6

5

80

4

60

3

2

1

0

0

0

10

20

90

100

110

и прочих нежелательных ароматических веществ за счет большой поверхности испарения вследствие принудительной циркуляции сусла. Продолжительность этой стадии процесса составляет обычно 20-30 мин.

В заключительной фазе к теплообменнику вновь подводят греющий пар и вторично осуществляют кипячение сусла в течение около 20 мин (фаза 2).

Таким образом, содержание свободного ДМС в процессе варки в течение 70 мин снижается более чем на 90 % и составляет в готовом сусле около 15-25 мкг/л, а содержание связанного ДМС-п снижается более чем на 65 %.

Непрерывный и равномерный поток сусла в трубах теплообменника способствует минимальному образованию накипи на их поверхности, благодаря чему уменьшается количество циклов мойки, следовательно, снижается расход воды и моющих средств, сокращается объем сточных вод, уменьшаются эксплуатационные затраты. Число варок между циклами мойки гарантированно составляет не менее 30, а при использовании хорошего солода — даже 60 (рис. 5).

Таким образом, благодаря конструктивным и функциональным особенностям сусловарочной системы Stromboli возможно: • эффективно и целенаправленно управлять процессом кипячения сусла, индивидуально приспосабливаясь к его параметрам;

• обеспечить общее количество выпаренной влаги на уровне около 2-4 % при возможности его точного регулирования;

• существенно снизить затраты энергии на осуществление процесса;

• исключить неравномерность движения сусла в трубах теплообменника, что существенно уменьшает пригорание сусла при кипячении;

• снизить термическую нагрузку на сусло, о чем свидетельствует показатель тиобарбитуровой кислоты, значение которого в процессе кипячения возрастает, как правило, не более чем на 15-16 ед.;

• обеспечить эффективное удаление нежелательных ароматических соединений, о чем свидетельствует содержание ДМС в сусле по окон-

чании кипячения, не превышающее, как правило, 15-25 мкг/л;

• обеспечить хорошее сохранение белковых фракций, влияющих на пенообразование и пеностой-кость пива;

• использовать теплоноситель с более низкими температурами по сравнению с традиционными сусловароч-ными системами;

• сократить количество циклов мойки и обеспечить экономию воды и моющих средств;

• снизить негативные техногенные воздействия на окружающую среду (объем газовых выбросов и сточных вод).

Важная функциональная характеристика сусловарочного аппарата Stromboli — его непревзойденная энергоэкономичность, что обусловлено новейшим прогрессивным принципом тепловой обработки сусла, а это, в свою очередь, позволяет не только

существенно сократить затраты первичной энергии на производство пивного сусла, но и значительно снизить негативное влияние энергетической (прежде всего тепловой) нагрузки на обрабатываемый продукт.

По состоянию на апрель 2009 г. успешно эксплуатируются 120 сусло-варочных аппаратов Stromboli, в том числе в России и странах ближнего зарубежья 22 аппарата — в Москве, Омске (2 шт.), Новотроицке (2 шт.), Владивостоке, Ангарске (2 шт.), Твери, Ярославле и Бочкарях (Алтай), в Казахстане (5 шт.), на Украине (3 шт.), в Беларуси и Латвии.

В IV квартале 2009 г. Stromboli начнет функционировать в составе нового варочного порядка на пивоваренном заводе «Криница» в г. Минске. &