Теоретические основы осветления
В пиве после выдержки содержится 0,15-0,01 % по массе на сухое вещество твердой фазы. Взвешенные частицы можно разделить на три группы:
- дрожжи и микроорганизмы размером 1-10 мкм;
- частицы белка, полифенолов, углеводов размером 0,1-10,0 мкм;
- соли различных металлов, посторонние частицы (адсорбенты, частицы покрытия и т.п.).
Основную массу твердой фазы составляют дрожжи (90 %).
Прозрачность готового пива должна быть высокой (мутность не более 0,7 ед. ЕВС). Для достижения необходимой прозрачности пиво осветляют фильтрацией или сепарированием. Чем выше прозрачность пива, тем выше его товарные свойства, так как потребитель требует прозрачного пива с блеском. С прозрачностью связана и стойкость пива при его хранении.
Фильтрация пива осуществляется с помощью фильтрующих средств, которые подразделяются на следующие: намывные (диатомит, перлит, асбест, активированный уголь); волокнистые нетканые (фильтр-масса, целлюлозный и асбесто-целлюлозный картон); зернистые с жесткой структурой (керамические, металлокерамические, металлические); полупроницаемые мембраны.
Фильтрация осуществляется через фильтрующую перегородку, к которой предъявляются следующие требования: она должна обладать высокой разделяющей способностью при незначительном гидравлическом сопротивлении потоку пива; низкой сжимаемостью; термоустойчивостью; устойчивостью к кислотам и щелочам; не должна сорбировать важные компоненты пива.
Характеристика фильтрующих материалов
В настоящее время во всем мире основным фильтрующим материалом является кизельгур. Кизельгуровый порошок готовят из породы ископаемых кремнистых панцирей одноклеточных микроскопических водорослей диатомей. Крупнейшие месторождения кизельгура находятся в США, Мексике, Франции, Исландии, Испании, Чили, Китае. В России единственное месторождение кизельгуровой породы - Инзенское расположено в Ульяновской области. Сырой диатомит подсушивают, грубо дробят, освобождают от примесей песка и грунта, затем прокаливают в специальных печах при температуре 800-1100 ºС. Иногда для приобретения кизельгуром специальных свойств к диатомиту при прокаливании добавляют хлорид или карбонат натрия. После прокаливания кизельгур размалывают и сортируют на фракции по величине частиц.
Главным компонентом кизельгура является диоксид кремния, содержание которого может достигать 90-95 %. В состав диатомитового порошка входят также оксиды железа, алюминия, кальция и магния. Согласно действующему стандарту, содержание SiО2 должно быть не менее 80 %; Fe2O3 - не более 4 %; Al2О3 - не более 7,5 %; MgО - не более 2 %; CuО - не более 2 %. Влажность кизельгура марки А не должна превышать 1 %, а марок Б и В - 4 %.
Кизельгур - очень легкий порошок. Его плотность зависит от размеров и состояния частиц. Размеры и форма частиц определяются происхождением диатомита и способом его обработки. В зависимости от размеров частиц кизельгуры подразделяются на тонкие (полирующие), средние и грубые. Грубые и средние марки применяются для основной фильтрации после дображивания, а полирующие - для удаления тонкой мути после обработки пива стабилизирующими материалами. Инзенский завод фильтровальных порошков выпускает диатомит марок А (грубый), Б (средний), В (полирующий). Качество диатомита зависит от его насыпной массы. У высококачественных порошков насыпная масса не превышает 200 кг/м3. Отечественные марки имеют насыпную массу 350-450 кг/м3, пористость 75-85 %.
Распространенным намывным фильтрующим материалом является перлит. Это стекловидная вулканическая горная порода, способная при быстром нагревании до 1200 ºС увеличивать объем в 10-20 раз. Технология получения фильтрующего порошка из породы включает следующие последовательно проводимые операции: дробление, сушку, рассев, вспучивание, воздушную классификацию, тонкий размол, классификацию. Перлит - тонкий, легкий порошок белого, серого, желтого или розового цвета, влажностью 2-4 % и насыпной массой 80-100 кг/м3. По химическому составу близок к кизельгуру и содержит 70-75 % SiО2, отличается от диатомита повышенным содержанием оксида алюминия - до 15 %. По фильтрующим свойствам и химической стойкости перлит уступает кизельгуру. Перлиты пригодны для грубого фильтрования пива.
Асбест - порода вулканического происхождения, водный силикат магния. Состоит из волокон толщиной до долей микрона и длиной до 50 мм. Отличается высокой химической и термической стойкостью, обладает сильной адсорбционной способностью. При добавлении асбеста к кизельгуру при намывке повышается устойчивость фильтрующего слоя и его осветляющие свойства. Однако имеются сведения о негативном влиянии асбеста на организм человека, поэтому применение его ограниченно.
Для закрепления фильтрующего слоя на ситовых фильтрах используется целлюлоза. Она намывается отдельно или в смеси с крупнодисперсным кизельгуром. Расход целлюлозы колеблется от 40 до 200 г/м2. Препараты содержат до 99 % чистой целлюлозы.
Для устранения постороннего вкуса и аромата пива, а также для снижения его цвета рекомендуется использовать активированный уголь. Уголь можно вносить при фильтровании, частично заменяя им тонкую фракцию кизельгура. Расход активированного угля 2-6 г/10 дал. При фильтровании можно использовать уголь БАУ-А и БАУ-МФ.
Для осветляющего и стерильного фильтрования пива используют фильтр-картон. Его изготавливают из древесной и хлопковой целлюлозы с добавлением асбеста. Выпускают картон марок КФО-I и КФО-2, которые отличаются размером пор. Картон КФО-I предназначен для осветляющего фильтрования пива, а КФО-2 - для стерилизующего фильтрования. Расход картона КФО-I составляет 0,8 г/дал, а КФО-2 - 2 г/дал. Картон используют в качестве второй ступени фильтрования.
При фильтровании с использованием намывных материалов применяют опорный картон, на который наносят кизельгур или перлит. Его изготавливают из древесной целлюлозы с добавлением меламиноформальдегидной смолы и волокна винола. Расход опорного картона 1,4 г/дал. Его используют многократно - 10-15 циклов.
К современным фильтрующим материалам относятся мембраны, которые используют для обеспложивающего и тонкого фильтрования. Их изготавливают из полиуретана, полиакрила, полиамидов, полиэтилена, ацетатцеллюлозы и других полимерных материалов. Мембраны позволяют удалять из пива микроорганизмы и очень мелкие частицы, осуществлять микро- и ультрафильтрацию. Мембраны выпускают в виде фильтрующих модулей или в виде мембранных свечей. Фильтрующие полые свечи изготавливают чаще всего из полипропилена. Свеча имеет несколько слоев, структура которых уплотняется от периферии к центру. В таком же направлении проходит фильтрация пива через свечу.
Процессы, происходящие при осветлении пива
Осветление пива осуществляется сепарированием и фильтрованием. Основным методом является фильтрование, при котором производится механическое и адсорбционное воздействие на пиво. Механическое воздействие заключается в отделении крупных частиц, размеры которых превышают размеры пор фильтрующей перегородки, а также в отделении мелких взвесей, проникших в поры, путем зацепления их за выступы и изгибы. Основная фракция взвесей пива - дрожжи - отделяется механически.
Адсорбция - это изменение концентрации вещества у поверхности раздела, накопление одного вещества на поверхности другого. Объясняется адсорбция притяжением частиц одного вещества другим. При движении пива по капиллярам фильтрующей перегородки на поверхности последних возникает электрокинетический потенциал. Мицеллы коллоидов также имеют на своей поверхности дзета-потенциал. В случае противоположных знаков благодаря электростатическому притяжению частицы оседают на стенках капилляров. Посредством адсорбции из пива удаляются азотистые, красящие вещества, хмелевые смолы, декстрины. Удаляются частицы высокой степени дисперсности.
Движущей силой фильтрования через перегородку является разность давлений на входе в фильтр и на выходе из него, которая возрастает с увеличением продолжительности работы фильтра. Разность давления зависит от сопротивления фильтрующего слоя, на которое влияет его пористость и толщина. Фильтрационное сопротивление нарастает с увеличением толщины фильтрующего слоя и при снижении его пористости. На проходимость фильтрующего слоя влияет характер отделяемых частиц. Вещества твердой фазы пива могут быть хлопьевидными (белки, белково-дубильные комплексы), желеобразными (декстрины, гумми-вещества), кристаллическими (оксалат кальция). Чем больше в пиве желеобразных частиц, тем быстрее забивается фильтрующий слой. Пиво с высоким содержанием желеобразных частиц получается, как правило, из недостаточно растворенного солода с повышенным содержанием β-глюкана и в случае недоосахаривания.
Чрезмерное нарастание разности давления при фильтрации может наблюдаться при недостаточном осветлении пива во время его выдержки и при повышенном содержании в нем дрожжей.
Ускорению фильтрования способствует переработка солода с разницей экстракта в тонком и грубом помоле 1,8-2,3 %, применение при затирании цитолитических ферментных препаратов, хорошее осахаривание сусла и быстрый его разброд, длительная холодная выдержка пива, отсутствие взмучивания пива при подаче на фильтрацию.
Осветление пива сепарированием основано на использовании центробежной силы, которая зависит от частоты и радиуса вращения барабана. В современных сепараторах с диаметром барабана 400-500 мм и частотой вращения 6000-7000 об/мин центробежная сила в 8000-10000 раз больше силы тяжести. Под действием такой силы из пива удаляются крупные частицы - дрожжи, скоагулированные белки, белково-дубильные комплексы. Коллоидные частицы сепараторами не отделяются. Для выделения тонких частиц необходима центробежная сила, превышающая силу тяжести в сотню тысяч раз.
При осветлении несколько изменяются свойства пива: уменьшается содержание экстракта, снижается его вязкость и цветность, повышается рН за счет потери кислых коллоидов и СО2, понижается пенообразование.
Практика осветления пива