CC BY
48
Продолжаем публикацию цикла статей, посвященных инженерному обеспечению новейшей прогрессивной технологии приготовления пивного сусла. Предыдущие статьи смотрите в журнале «Пиво и напитки» № 4, 5, 6 за 2008 г. и № 1 за 2009 г.
УДК 663.443.242
Варочный цех XXI века: тонкопленочное кипячение сусла с хмелем
Б. Н. Федоренко, д-р техн. наук, проф.
Московский государственный университет пищевых производств
В 1998 г. в результате революционных преобразований в кипячении сусла с хмелем на предприятии Steinecker компании KRONES была разработана принципиально новая сусловароч-ная система на основе испарителя тонкопленочного типа, получившая торговое название «Merlin». В ней обеспечивается получение пива высокого качества при снижении общего выпаривания до 4 % и значительной экономии энергии на кипячение (до 75 %), а в целом по пивоваренному заводу на 20-28 %.
Принципиальная схема суслова-рочной системы с тонкопленочным испарителем приведена на рис. 1.
Система состоит из тонкопленочного испарителя, объединенного в циркуляционный контур с гидроци-
Ключевые слова: кипячение сусла, охмеление, аппарат сусловарочный; испаритель тонкопленочный; аппарат гидроциклонный; стрипинг
клонным аппаратом. В состав системы входят также циркуляционный насос и устройство для дозированного внесения хмелепродуктов.
Тонкопленочный испаритель представляет собой аппарат с цилиндрическим корпусом, типовой конической крышкой с вытяжной трубой и коническим днищем, вершина которого обращена вверх, т.е. внутрь аппарата. К вершине конического днища подводят трубопровод, по которому сусло поступает в испаритель из гидроци-
Вторичный пар
Сусло охмеленное
Рис. 1. Принципиальная функциональная схема сусловарочной системы Merlin:
1 — теплообменник-охладитель; 2 — аппарат гидроциклонный; 3 — насос для внесения хмелепродуктов; 4 — насос циркуляционный; 5 — сборник-дозатор для хмелепродуктов; 6 — испаритель тонкопленочный
ПИ
НАПИТКИ
2•2009
18
клонного аппарата. Непосредственно над вершиной конического днища расположен зонтообразный отражатель для равномерного распределения поступающего в аппарат сусла по конической поверхности днища. На наружной (нижней) поверхности конического днища расположена двухсекционная нагревательная рубашка. Площадь поверхности верхней секции рубашки соотносится с площадью нижней секции как 1: 2. Подача греющего пара организована таким образом, что обе секции могут работать одновременно или только нижняя секция с большей поверхностью нагрева.
Между корпусом и коническим днищем расположен кольцеобразный желоб, к нижней части которого равномерно приварено несколько штуцеров для отвода нагретого сусла. Отводимое из этих штуцеров сусло объединяется в общий трубопровод и самотеком возвращается в гидроциклонный аппарат.
В системе Merlin обычно используют гидроциклонный аппарат, ввод сусла в который может осуществляться помимо обычной тангенциальной подачи в пристеночную область аппарата также и в его центральную часть ниже уровня жидкости. Кроме того, к гидроциклонному аппарату системы Merlin присоединено устройство для дозированного внесения хмеле-продуктов. Для улучшения расщепления связанного диметилсульфи-да (ДМС-п) и изомеризации хмеля, а также для осуществления других зависимых от температуры процессов, происходящих в сусле, гидроциклонный аппарат изолируют.
Кратность циркуляции, толщину слоя (пленки) сусла, стекаемого по коническому днищу тонкопленочного испарителя, и скорость тангенциального ввода сусла в гидроциклонный аппарат можно плавно регулировать изменением подачи циркуляционного насоса, который оснащен частотным регулятором.
Испаритель и гидроциклонный аппарат оснащены шаровыми моющими головками системы безразборной автоматизированной мойки.
Сусловарочная система Merlin функционирует следующим образом. Перед началом варки сусло собирают в гидроциклонном аппарате, из которого его циркуляционным насосом многократно (5-6 объемов в час) прокачивают тонким слоем по горячей
конической поверхности испарителя, при этом имеющийся гидроциклонный аппарат используется в качестве промежуточного сборника.
Сусло, стекаемое с поверхности конуса, поступает в кольцевой желоб, из которого оно при температуре кипячения возвращается самотеком в гидроциклонный аппарат. Через верхний штуцер часть потока поступает непосредственно в центральную часть гидроциклонного аппарата, чтобы выравнять температуру сусла в центре, а через нижний штуцер вторая часть потока входит тангенциально, вследствие чего содержимое гидроциклонного аппарата постоянно вращается, что позволяет уже на стадии варки отделять от сусла взвешенные частицы горячего белкового отстоя.
Поскольку возврат сусла в гидроциклонный аппарат осуществляется самотеком за счет разницы высот, скорость сусла на входе в гидроциклонный аппарат составляет 1,0-1,5 м/с, что намного ниже обычно рекомендуемых для гидроциклонных аппаратов значений (около 4 м/с). Тем не менее белковый отстой хорошо оседает быстро и компактно в центре гидроциклонного аппарата.
Очень хорошее осаждение белкового отстоя при столь малых скоростях тангенциального ввода сусла объяснить очень просто: поскольку сусло поступает из испарителя в гидроциклонный аппарат самотеком, то хлопья скоагулированного белка не разбиваются насосом и, следовательно, попадая в гидроциклонный аппарат при относительно небольших скоростях более крупными, чем обычно, хорошо оседают в центральной части на днище аппарата. Если нет возможности разместить испаритель над гидроциклонным аппаратом, то их (аппараты) можно разместить на одном уровне рядом друг с другом, однако при таком размещении аппаратов самотек сусла из испарителя в гидроциклонный аппарат невозможен и необходима перекачка сусла насосом. В этом случае белковые хлопья разбиваются центробежным насосом, вследствие чего скорость тангенциального ввода сусла в аппарат должна быть, как обычно, около 3-4 м/с.
При тонкопленочном кипячении (рис. 2) создается очень большая поверхность испарения, при этом сусло на теплопередающей поверх-
Рис. 2. Тонкопленочное кипячение сусла в сусловарочной системе Merlin
ности постоянно обновляется за счет стекания в виде тонкой пленки с конической поверхности испарителя
и многократной рециркуляции через гидроциклонный аппарат. Благодаря этому происходит равномерная тепловая обработка всей массы сусла и достигается отличный технологический результат при испаряемости всего 1,5-2,5 %. Поскольку в тонкой пленке теплопередача осуществляется гораздо эффективнее, то для обеспечения тонкопленочного кипячении можно (и технологически целесообразно) использовать пар при относительно невысоком давлении (до 0,17 МПа) и соответственно невысокой температуре, вследствие чего значительно снижается термическая нагрузка
Life is liquid. (2)
Всё просчитать
и ни в чем не
раскаиваться
drinktec
Павильон В 6
Производственные расходы - запоздалая месть недальновидных инвестиций. Поэтому мы заранее выкладываем все карты на стол: Вы просто говорите нам, какие задачи Вы хотите решить. А мы составляем для Вас план, по которому Вы будете работать долго и наилучшим образом. При этом мы не отнимаем у Вас возможность принятия решения об инвестициях. Мы облегчаем Ваш выбор настолько, насколько это возможно.
Более подробно: www.krones.com/en/solutions
)N KRÖN ES
на сусло и благодаря этому лучше сохраняются ценные компоненты сусла, не снижается его качество.
Управление системы Merlin позволяет регулировать отдельные параметры сусла за счет изменения как давления пара в отдельных секциях греющей рубашки, так и величины потока и толщины пленки с помощью частотного регулятора насоса.
Изменяя температуру греющего пара в рубашке испарителя, можно регулировать термическую нагрузку и целенаправленно влиять на показатели сусла и испаряемость. Кроме того, термическую нагрузку на сусло можно также регулировать изменением подачи циркуляционного насоса, поскольку она будет снижаться при возрастании потока вследствие увеличения толщины стекающего слоя сусла.
Внесение хмелепродуктов в виде гранул или экстракта производят непосредственно в гидроциклонный аппарат.
Тонкопленочное течение сусла в турбулентном режиме по поверхности нагревателя способствует улучшению теплопередачи, что позволяет обеспечить хорошее нагревание при гораздо меньшем градиенте температур сусла и греющего пара, давление которого обычно не превышает 0,17 МПа. Относительно низкие температуры греющего пара, используемого для нагрева, кипячения и выпаривания сусла, составляют важную особенность сусловарочной системы Merlin. Это обстоятельство наряду с постоянным движением сусла по нагревательной поверхности практически исключает пригорание сусла и существенно увеличивает период времени между химическими очистками системы.
Например, при традиционном методе кипячения сусла температура греющего пара может достигать 150 °С. При таких высоких температурах происходит пригорание сусла в трубах нагревателя и тем самым ухудшение теплопередачи, вследствие чего появляется необходимость в частых остановках (через каждые 3-4 варки) для тщательной очистки оборудования.
Использование в сусловарочной системе Merlin относительно низких температур греющего пара служит хорошей предпосылкой для применения термического компрессора вторичного пара и открывает широкие перспективы в будущем для исполь-
зования альтернативных источников тепловой энергии.
Существенное преимущество сус-ловарочной системы Merlin — ее фантастическая энергоэкономичность — экономия тепловой энергии на кипячение достигает -75 %. Однако объяснение этого факта очень простое: как известно, особенно высокие затраты энергии характерны для процессов, протекающих с фазовыми переходами, к которым относят, в частности, и выпаривание, причем, чем выше степень испарения, тем больше затраты энергии. В сус-ловарочной системе Merlin благодаря ее конструктивным особенностям все необходимые технологические преобразования в сусле в процессе кипячения обеспечиваются при удивительно низких степенях испарения — всего 3-4 % (по сравнению с 6-12 % в традиционных сусловарочных аппаратах). Отсюда очевидно, что для обеспечения меньшей степени испарения сусла требуется меньший расход энергии.
так и через штуцер, обеспечивающий подвод сусла в центр аппарата. Продолжительность нагревания обычно составляет 20-30 мин, но она может быть сокращена до 5 мин при использовании дополнительного теплообменника нагревателя системы энергосбережения, используемого при заполнении гидроциклонного аппарата.
Кипячение сусла. После прогрева в сусловарочной системе всей массы сусла прекращают подачу греющего пара в верхнюю рубашку испарителя и перекрывают возврат сусла в центральную часть гидроциклонного аппарата. Давление пара, поступающего в нижнюю рубашку испарителя, понижают примерно до 0,08-0,11 МПа, а кратность циркуляции уменьшают до 3-4 ч-1. Продолжительность кипячения составляет 35 мин и сократить ее нельзя.
Поскольку речь идет о совершенно новом методе кипячения сусла, то изменяется и режим внесения хмелепродуктов. При продолжительности варки 35 мин хмелепродукты
Стадия Продолжительность, мин Давление пара изб., МПа Кратность циркуляции, ч-1 Количество испаренной влаги, %
Нагрев 20-30 0,13-0,17 5-6 ~ 0,5
Кипячение 35 0,08-0,11 3-4 ~ 2,0
Технологическая 25
пауза
Отгонка легколетучих фракций ~40-50 0,08-0,15 — ~ 1,5
В свою очередь, существенно сокращенный объем испарений и сокращение числа моек оборудования положительно сказываются на уменьшении сточных вод, а сокращение потребления топлива — на уменьшении вредных газовых выбросов, что благоприятно влияет на экологию окружающей среды.
Технологический цикл тепловой обработки сусла в сусловарочной системе Merlin складывается из четырех стадий (см. таблицу).
Нагревание сусла в сусловароч-ной системе осуществляют за счет его непрерывной циркуляции по нагретой конической поверхности тонкопленочного испарителя с кратностью циркуляции 5-6 ч-1. При этом греющий пар под давлением около 0,13-0,17 МПа подают в обе секции паровой рубашки. Для ускорения стадии нагревания за счет лучшего прогрева сусла не только в пристеночной, но и в центральной частях гидроциклонного аппарата горячее сусло в него подают как через тангенциальный штуцер,
должны быть внесены в начале процесса, чтобы оставалось больше времени для изомеризации а-кислоты. При варке сусла в системе Merlin невозможно провести четкую границу между нагреванием и варкой. Учитывая, что сусло в испарителе достигает температуры кипения уже через 5 мин после начала нагревания, то уже на этой стадии, примерно через 10 мин после начала, вносят первую порцию хмелепродуктов, причем их вносят непосредственно в гидроциклонный аппарат.
Вторую порцию хмелепродуктов вносят примерно через 10 мин после начала кипячения, а третью — примерно за 5-10 мин до его окончания.
Поскольку при кипячении сусло возвращают в гидроциклонный аппарат только через тангенциальный штуцер, то уже на этой стадии начинаются осветление сусла и образование белкового осадка в центральной части днища гидроциклонного аппарата.
Технологическая пауза, во время которой продолжается осаждение
2•2009
20
белковых хлопьев, аналогична стадии покоя, осуществляемой в традиционном гидроциклонном аппарате. На этой стадии процесса греющий пар в рубашки не подают и циркуляцию сусла в системе не осуществляют. Длительность технологической паузы не превышает 25 мин. Поскольку содержимое гидроциклонного аппарата на предыдущих стадиях хорошо и непрерывно перемешивается, что в значительной степени способствует выделению белковых частиц, а также благодаря тому, что осаждение белка фактически начинается уже во время кипячения сусла, то необходимую технологическую паузу можно сократить до ~10 мин и затем непосредственно начинать отвод сусла из гидроциклонного аппарата на охлаждение, подвергая при этом сусло еще одному этапу тепловой обработки.
Отгонка легколетучих фракций. В тонкопленочном испарителе системы Merlin возможно проведение стрипинга сусла — отгонки из него легколетучих фракций, типичный представитель которых — ДМС.
На практике в системе Merlin это осуществляют следующим образом: непосредственно перед охлаждением осветленное сусло из гидроциклонного аппарата еще раз прокачивают тонким слоем по конической нагревательной поверхности испарителя и только после этого направляют в пластинчатый теплообменник. При этом нежелательные летучие соединения, в том числе и образующиеся в гидроциклонном аппарате после кипячения, хорошо удаляются при тонкопленочном распределении сусла по нагретой поверхности испарителя. Для выпаривания сусла используют нижнюю секцию паровой рубашки, в которую подают греющий пар под давлением всего 0,085-0,15 МПа. Продолжительность этой стадии процесса соответствует длительности охлаждения сусла, т.е. обычно около 40-50 мин. Это позволяет на стадии выпаривания достичь испаряемости 1,0-1,5 %.
Преимущества сусловарочной системы с тонкопленочным испарителем:
• снижение скорости испарения до 3-4 % в час;
• технологическая гибкость (независимость от исходного объема сусла);
• снижение расхода технологической воды;
• экономия затрат энергии на кипячение до -75%;
• сокращение расхода хмелепродук-тов на -10 % (при достижении того же уровня горечи);
• сокращение продолжительности брожения сусла на -0,5-1,0 сут;
• снижение мутности и, следовательно, улучшение фильтруемости пива;
• уменьшение расхода топлива и, следовательно, уменьшение вредных газовых выбросов (СО2);
• снижение потерь ввиду низкого рабочего давления в аппарате и меньших температур греющего пара;
• относительно низкие температуры греющего пара открывают перспективы для применения альтернативных источников тепловой энергии;
• щадящие условия, обеспечивающие сохранность азотистых фракций при кипячении сусла;
• максимальная испаряемость неблагородных ароматических веществ;
• увеличение интервалов между циклами мойки и снижение в этой связи расходов на мойку;
• уменьшение количества сточных вод ввиду снижения объемов конденсата вторичного пара и более коротких циклов мойки;
• улучшение теплопередачи и более эффективное использование энергии.
В сусловарочной системе Merlin, основанной на тонкопленочном способе выпаривания сусла, почти идеально удовлетворяются экономические, технологические и экологические требования к кипячению сусла, что выгодно выделяет ее на фоне прочих сусловарочных систем, которые не позволяют обеспечить более высокие энергосбережения при одновременном улучшении качества сусла.
В традиционных технологиях для сохранения ароматических соединений хмеля первую его порцию задают обычно через 10 мин после начала кипячения. Это обусловлено тем, что полифенолы хмеля быстрее связываются с белком, нежели полифенолы солода, и при более раннем внесении хмеля его расход может быть выше. Однако в системе Merlin этого не происходит, хотя первую порцию хмеля вносят в гидроциклонный аппарат уже на стадии нагревания сусла. Это объясняется, по-видимому, тем, что при более мягкой термической нагрузке свойства сусла как раство-
Рис. 3. Тонкопленочный испаритель первой в мире сусловарочной системы Merlin на пивоваренном заводе в г. Фленсбург
рителя лучше и изомеризация хмеля в системе Merlin осуществляется гораздо эффективнее.
С технологической точки зрения Merlin — наилучшая сусловарочная система, обеспечивающая производство высококачественного пива. К тому же она обладает непревзойденной технологической гибкостью, поскольку в ней можно без проблем перерабатывать различные объемы сусла, причем в таком широком диапазоне, в каком не может функционировать никакая другая сусловарочная система.
Первая сусловарочная система Merlin была пущена в эксплуатацию на пивоваренном заводе в г. Фленсбург (Германия) в 1999 г. (рис. 3). На сегодняшний день в мире эксплуатируется несколько десятков таких установок, а в России и странах ближнего зарубежья — 12 систем Merlin, в том числе в г. Балаково, Чебоксарах, Калининграде, Кургане, Усть-Илимске и Пушкине Ленинградской области.
Однако с появлением новейшей сусловарочной системы Stromboli практический интерес к Merlin снизился. Это обусловлено тем, что сус-ловарочная система Stromboli при очень хороших показателях горячего охмеленного сусла (практически не уступающих суслу, получаемому в системе Merlin) обеспечивает 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.
О сусловарочной системе Strom-boli читайте в следующем номере журнала. &
2 • 2009
21
