Физические методы удаления спирта
Различают методы дистилляции в вакууме с помощью тонкослойного выпарных аппаратов, выпарных аппаратов с нисходящим потоком жидкости или противоточных выпарных аппаратов, а также мембранные методы (диализ или обратный осмос).
Эти методы можно комбинировать между собой, а также получать безалкогольное пиво путем смешивания с пивом, получаемым способом прерывания брожения.
7.10.5.1. Тонкослойный выпарной аппарат с вращающимися поверхностями нагрева. В этом случае применяется сочетание действия теплообмена и центробежной силы, возникающей в результате вращения конической поверхности нагрева. Вращение способствует созданию на поверхности нагрева очень тонкого слоя пива (с толщиной пленки 0,2 мм), и в ходе непродолжительного контакта (менее 1 с) из пива выпаривается спирт. Частично деалкоголизованное пиво подается насосом по трубопроводу в пластинчатый охладитель и охлаждается, и спиртосодержащие пары конденсируются. Температура продукта во время дистилляции поддерживается на уровне 38 °С.
7.10.5.2. Выпарной аппарат с нисходящим потоком жидкости также представляет собой тонкослойный выпарной аппарат, в котором на внутренних стенках вертикальных трубок образуется тонкая стекающая пленка. Трубки нагреваются равномерной подачей пара, при этом пар конденсируется на внешней стороне трубок. Образующиеся спиртосодержащие пары подаются по каналу для смеси на сепаратор и отделяются там от захваченного с ними пива. Благодаря регулировке разрежения температура пива поддерживается в пределах 36-40 °С.
В ходе таких процессов испарения концентрация пива повышается. В одной установке для получения содержания спирта в пиве 0,6 % отводилось в виде водяного пара почти 40 %, а для получения содержания спирта до 0,3 % - даже около 60 % первоначального количества жидкости. Содержание CO2 в пиве желательно поддерживать достаточно низким, поскольку диоксид углерода скапливается на поверхностях теплообменника.
7.10.5.3. Противоточная дистилляция/ ректификация. Аппарат состоит из пластинчатого теплообменника для нагревания пива до температуры испарения около 42 °С. Из пива в дегазаторе в условиях вакуума удаляется CO2 с превращением летучих ароматических веществ (высших спиртов и эфиров). Пиво подается сверху через перегонную секцию колонны, накапливается там при температуре около 46 °C и поступает через выпарной аппарат с нисходящим потоком жидкости. Спиртосодержащие пары устремляются в ректификационной колонне навстречу жидкости и проходят через конденсатор, в верхней части которого их концентрация достигает примерно 75 %. Пары спирта в конденсаторе осаждаются. Деалкоголизованное пиво направляется в пластинчатый теплообменник и охлаждается в нем до 0 °С. Диоксид углерода, скопившийся в дегазаторе, поступает по трубопроводу в аппарат для очистки ароматических веществ и промывается деалкоголизованным пивом или водой. Сгущения пива в этом аппарате не происходит.
Для испарительных установок важно, чтобы пиво не подвергалось термической нагрузке вследствие действия очень высоких температур при слишком длительных периодах выдержки. Недостаток значительного выпаривания «ценных» ароматических веществ, в частности уксуснокислых эфиров и высших алифатических спиртов, компенсируется возможностями получения пива с содержанием спирта 0,1 %. Это позволяет благодаря смешиванию с исходным пивом (обычно около 6 % об.) вновь вводить ароматические вещества, получая тем самым более округлый вкус. Описанный способ противоточной дистилляции/ректификации иногда дополняют смешиванием ароматических веществ из скруббера, что проявляется в относительно более высоком содержании высших спиртов и эфиров (см. табл. 7.5).
7.10.5.4. Метод диализа. При этом мембранном процессе разделения массообмен происходит благодаря градиенту концентрации. Мембрана разделяет пиво на деалкоголизованный продукт и диализат.
Между ними перепад давления отсутствует, но наблюдается разная концентрация спирта. В остальном продукт и диализат характеризуются практически одинаковым составом, так что другие вещества (в отличие от спирта) не могут диффундировать через мембрану. Продукт проходит через мембранный модуль в противотоке к диализату, и содержание спирта в нем уменьшается. Из насыщенного спиртом диализата он удаляется с помощью вакуумного дистилляционного аппарата, а деалкоголизованный диализат возвращается в контур для диализа. По экономическим соображениям удаление спирта до его содержания более чем 0,5 % об. является нецелесообразным. Преимущество данного метода состоит в том, что в деалкоголизованном продукте сохраняется первоначальное содержание CO2 при минимальных потерях других компонентов. По сравнению с методом дистилляции остаточное содержание высших спиртов и эфиров немного выше.
7.10.5.5. При обратном осмосе массообмен через мембрану обеспечивается за счет перепада давления. Мембраны с соответствующим размером пор являются проницаемыми для молекул меньшего размера (солей, воды и спирта), если разность давлений между стороной ретентата и стороной пермеата больше осмотического давления разделяемой жидкости (принцип обратного осмоса). При удалении спирта из пива используются давление 30 и 45 бар и температуры от 5 до 15 °С. Принцип работы здесь такой же, что и у тангенциально-поточных фильтров (см. раздел 4.4). Пиво после удаления спирта имеет более высокую концентрацию, чем конечный продукт. Для корректировки экстрактивности начального сусла (и содержания спирта) его смешивают с деминерализованной (с помощью обратного осмоса или ионообменника) и деаэрированной водой (содержание O2 менее 0,1 мг/кг) и насыщают CO2. В этом случае в безалкогольном пиве сохраняется несколько больше высших спиртов и эфиров, чем в пиве, полученном методом дистилляции.
По экономическим соображениям и при данном методе удаление спирта до его содержания более чем 0,5 % об. является нецелесообразным.
7.10.5.6. В технологии производства безалкогольного пива при использовании дистилляционных методов, когда вместе со спиртом удаляется и вода, может оказаться целесообразным разбавление пива до исходной концентрации с помощью деаэрированной и декарбонизированной воды, которое проводят не до значения действительного начального экстракта, например 4 %, а до экстрактивности 5-5,5 %. Это позволяет придать пиву большую полноту вкуса. Вместе с тем в равной степени важно сократить содержание в пиве продуктов, образующихся под действием термической нагрузки путем оживления дображивания пивом в стадии низких завитков или с помощью подмешивания 4-6 % исходного пива.
Еще одной возможностью является проведение отдельных варок, предназначенных для процесса удаления спирта, с повышением их концентрации до 13-14 % и/или снижения КСС. При этом достигается двойная выгода: с одной стороны, благодаря остаточному содержанию экстрактивных веществ пиво больше сохраняет «тело», а с другой - содержание спирта снижается, в связи с чем требуется удалять меньше спирта.
Подобную технологию обычно применяют тогда, когда пиво уже не может купажироваться завитками или нормальным пивом (как, например, при мембранном фильтровании пива).
Безалкогольные типы пива содержат не так много горьких веществ, как оригинальное пиво типа Pilsener данного предприятия, в связи с чем целесообразно осуществлять специальные варки с меньшим содержанием горьких веществ или использовать для удаления спирта специальные сорта пива. Наряду с повышенным остаточным содержанием экстрактивных веществ они вносят больше высших спиртов и эфиров, из которых, правда, лишь относительно малая доля остается в безалкогольном пиве.
С учетом этого пиво, предназначенное для удаления спирта, зачастую сбраживают при повышенных температурах, вследствие чего образуется больше побочных продуктов брожения. Ограничить содержание CO2, который во многих методах дистилляции является нежелательным, способно также «теплое» созревание.
При купажировании пива с остаточным содержанием спирта 0,1-0,25 % завитками в пиво хотя и вносятся букето-образователи молодого пива, но тем самым пиво приобретает определенную свежесть и гармоничность. Правда, такое пиво нуждается в повторном созревании и последующем фильтровании. При смешивании с нормальным отфильтрованным светлым пивом низового брожения промежуточное хранение не требуется.
У пшеничного пива добавка завитков может привнести питательные вещества для определенного отрезка вторичного («бутылочного») брожения (см. раздел 8.3.6.3). Из 6 % завитков получается около 0,5 % экстракта, который быстро сбраживается в условиях хранения при температуре 12-18 °С и повышает содержание CO2 примерно на 0,25 %. Таким образом, постоянно требуется дополнительная карбонизация. Последний из описанных методов дистилляции позволяет благодаря наличию дополнительной компрессорной установки напрямую добавлять вытесненный и промытый CO2-При диализе содержание CO2 в пиве сохраняется в нужных пределах, и перед розливом его следует лишь скорректировать.
Показатели безалкогольного пива, приготовленного по методу удаления спирта, представлены в табл. 7.6.
Таблица 7.6. Характеристики безалкогольного пива, приготовленного методом удаления спирта
| Диализ | Дистилляция | |||
| до 0,5% этанола | + аром, в-ва и промывка CO2 | 0,1% этанола + аром, в-ва + 6% завитков | ||
| Экстрактивность начального сусла, % | 5,3 | 5,16 | 5,00 | 5,12 |
| Экстракт, % | 4,12 | 3,91 | 3,86 | 3,92 |
| Спирт, % об. | 0,48 | 0,48 | 0,50 | 0,49 |
| Значение pH | 4,55 | 4,75 | 4,78 | 4,70 |
| Содержание горьких веществ, ед. EBC | 28,0 | 27,0 | 27,5 | 28,5 |
| Общее содержание высших алифатических спиртов, мг/кг | 4,4 | 2,8 | 9,0 | 19,0 |
| Общее содержание эфиров уксусной кислоты, мг/кг | 1,3 | 0,3 | 3,8 | 7,7 |
| Содержание 2-фенилэтанола, мг/кг | 21,0 | 18,0 | 20,0 | 22,0 |
| Общее содержание жирных кислот, мг/кг | 5,0 | 4,0 | 4,0 | 3,5 |
| Содержание 2-метилбутаналя, мкг+кг |
Типы пива верхового брожения после удаления спирта сохраняют больше ароматических веществ. При этом речь идет о высокомолекулярных летучих веществах и о веществах, проходящих сквозь мембраны хуже этилового спирта. Как видно из приведенной таблицы, происходит инверсия более ценных ароматических веществ в ароматические спирты, и особенно в жирные кислоты и их эфиры. Это обстоятельство является также причиной того, что пиво после удаления спирта может приобретать специфический привкус, из-за чего уже в процессе приготовления исходного пива необходимо принять все меры для обеспечения низкого содержания жирных кислот и их эфиров (например, путем применения физиологически безупречных дрожжей и создания благоприятных условий для брожения и дображивания). Нередко в пиве присутствует «вареный» привкус, подтверждаемый данными химического анализа (существенное повышение содержания фурфураля, метилбутаналя ит. д.). Для поддержания содержания среднемолекулярных жирных кислот и их эфиров на низком уровне важно, чтобы при брожении и дображивании отсутствовали факторы, вызывающие выделение дрожжами свободного аминного азота, жирных кислот и их эфиров (см. раздел 3.2.6.6).
Еще одна возможность состоит в том, чтобы с помощью разделения фаз продукты брожения из «нормального пива» связывались в колоннах соответствующим адсорбентом. Эти ароматические вещества затем вымывают спиртом, для чего в Германии разрешается использовать спирт только из собственной установки деалкоголизации. В рассмотренном в разделе 7.10.5.3 аппарате противоточной дистилляции/ректификации в качестве побочного продукта образуется спирт концентрацией 75 %, который можно использовать для решения этих задач в «закрытой системе». Для других аппаратов необходима дополнительная ректификационная установка.