К разделу 2.5. Кипячение и охмеление сусла

Внутренние кипятильники с принудительной подачей (см. разделы 2.5.1.7, 2.5.5, 2.5.6) предназначены для повышения температуры при начальном нагревании сусла и в процессе кипячения не только благодаря действию конвекции в кипятильнике, но и с помощью насоса. Вследствие этого скорость сусла в процессе нагревания повышается, а теплопередача улучшается, благодаря чему можно использовать более низкую температуру теплоносителя и избежать нежелательной пульсации. В ходе кипячения температура теплоносителя больше уже не влияет напрямую на интенсивность кипячения, и в зависимости от производительности насоса может быть ниже, что позволяет улучшить регулирование процесса кипячения. Перекачивающий насос во время нагревания обеспечивает шестикратную производительность (по объему сусла в час), которую при кипячении можно снизить до трёх-четырёхкратной. Забор сусла в насос производится из периферийных зон сусловарочного котла, а возвращение сусла в него - непосредственно под внутренним кипятильником. После внутреннего кипятильника сусло естественным образом попадает по напорному конусу на двойной экран с большой площадью поверхности для испарения ароматических веществ. Более низкая температура нагревания и повышенная скорость сусла в кипятильнике замедляют процесс образования отложений на поверхности нагрева, так что мойка требуется только через 20-40 варок. В одном и том же котле достигаются следующие преимущества:

· снижение температуры горячей воды для нагревания со 160 до 145 °С;

· снижение температуры при кипячении (в течение 75 мин) - со 152 до 135 ° С в первые 25 мин кипячения, до 130 °С в следующие 25 мин и затем вновь повышение температуры до 135 °С в конце кипячения;

· ускоренное нагревание фильтрованного сусла до температуры кипячения (20 мин вместо 53) без обычного температурного расслоения сусла;

· существенное улучшение однородности сусла при нагревании и кипячении;

· снижение испарения с 8,5 до 6,7 %;

· улучшение свойств сусла - повышение остаточного содержания коагулируемого белка с 1,8 до 2,3 мг/100 мл, снижение ТБЧ на 15 %, а также содержания 3-метилбутаналя, 2-фурфураля и 2-фенилэтаналя на 30 %, в том числе карбонильных соединений (продуктов липидного обмена) - на 30-50 %. Расщепление предшественников ДМС, несмотря на уменьшение продолжительности кипячения, остается одинаковым, как и содержание свободного ДМС.

Динамическое кипячение под низким давлением может быть реализовано в сус-ловарочном котле для варки под давлением (см. раздел 2.5.6.5). Идея, положенная в основу этого метода, состоит в том, что при повышении температуры со 101 до 103 °С и при давлении 150 мбар реакции ускоряются, а благодаря последующей ускоренной декомпрессии (до 50 мбар, температура 101 °С) за счет задержки кипения с образованием пузырьков пара во всем объеме сусловарочного котла происходит существенное увеличение интенсивности кипячения и перемешивания сусла. В результате такого перемешивания (20 объемов/ч) не только улучшается однородность сусла, но и происходит усиленное удаление ароматических веществ.

Процесс/способ протекает следующим образом:

· нагревание фильтрованного сусла с помощью теплообменника с 70 до 95-98 °С;

· кратковременное предварительное кипячение (в течение примерно 2 мин) при атмосферном давлении для удаления воздуха из сусловарочного котла, системы регулировки давления и испарительного конденсатора;

· постепенное повышение давления в сус-ловарочном котле до достижения температуры 103 °С, ускоренная декомпрессия до температуры 101 °С (занимает 6-7 мин) и повторение этого процесса 5-8 раз в зависимости от предусмотренной продолжительности кипячения;

· кипячение при атмосферном давлении (в течение примерно 5 мин) до достижения нормальной концентрации горячего охмеленного сусла.

Результат:

· сокращение продолжительности кипячения примерно с 65 мин (при классическом кипячении с низким давлением)

· до 45-55 мин (в зависимости от того, производилось ли предварительное охлаждение сусла между котлом и вирпулом, например, до 88-90 °С);

· снижение испарения примерно на 5 % (в случае использования предварительного охлаждения - около 4 %);

· снижение потерь коагулируемого азота примерно на 5 %, меньшее увеличение ТБЧ, усиленное расщепление предшественников ДМС, улучшение испарения свободного ДМС и ароматических веществ сусла (как альдегидов Штрекера, так и карбонильных соединений - продуктов метаболизма липидов).

Внутренние кипятильники с принудительным наполнением и струйным насосом. Через центр пучка труб внутреннего кипятильника проходит труба, на конце которой установлен отражающий экран для распределения сусла. Через эту трубу сусло перекачивается насосом с регулированием числа оборотов (сусло отбирается через симметрично расположенные выпускные отверстия). На отражающий экран сусло подается не снизу, а между регулируемыми по высоте и оптимизированными под данный расход экранами. Регулируемая ширина просвета влияет как на площадь поверхности, так и на степень перемешивания. Непосредственно над пучком труб внутреннего кипятильника смонтирован струйный насос, всасывающий сусло в кипятильник благодаря эффекту Вентури. Производительность струйного насоса примерно в два раза выше, чем у насоса с регулированием числа оборотов, благодаря чему удается избежать перегрева сусла не только в фазе нагревания, но и в процессе собственно кипячения (вследствие интенсивного перемешивания содержимого сусловарочного котла). Всё это способствует однородной обработке сусла.

Результат:

· снижение температуры теплоносителя (см. выше), благодаря чему достигается разделение показателей температуры теплоносителя и интенсивности кипячения путем регулировки производительности насоса;

· усиленное перемешивание благодаря эффекту Вентури примерно в два раза выше, чем производительность насоса (то есть в час перемешивается 12-15 объемов);

· интенсивное выпаривание ароматических веществ благодаря регулируемому двойному экрану;

· возможность сокращения продолжительности кипячения до 50 мин (при условии предварительного охлаждения сусла между котлом и вирпулом даже более), благодаря чему испарение снижается примерно до 4 %;

· такое кипячение позволяет избежать слишком сильного осаждения белков, поддерживать щадящую термическую нагрузку (ТБЧ, содержание альдегидов Штрекера и фурфураля), добиться эффективного расщепления предшественников ДМС, а также хорошего выпаривания ароматических веществ сусла (в том числе из продуктов расщепления липидов) и свободного ДМС.

Внутренние кипятильники для крупных сусловарочных котлов удалось адаптировать ко всем требованиям современных методов кипячения и обработки сусла.

Что касается кипячения сусла, то важны два обстоятельства.

· Нагревание сусла от температуры фильтрования (70-72 °С) до температуры кипячения. В зависимости от способа подачи сусла в сусловарочный котел это может вызвать перегрев системы нагревания или привести к образованию в котле зон неравномерного нагрева (часть сусла длительное время находится в области температур 95 °С, а другая его часть продолжает оставаться при исходной температуре). В результате протекают реакции, обусловливающие усиленное образование продуктов реакции Майяра и альдегидов Штрекера, повышающие ТБЧ и способствующие осаждению части высокомолекулярного азота. При использовании внешних кипятильников этого можно избежать путем подачи сусла под углом 23°, а у внутренних кипятильников - благодаря принудительной подаче, обеспечивающей циркуляцию большого количества жидкости и исключающей перегрев вследствие пульсации. С точки зрения качества и надежности неплохим решением представляется нагревание сусла горячей водой с температурой 96-100 °С почти до температуры кипячения с помощью теплообменника при транспортировке его в котел (см. раздел 2.5.6.2). При необходимости эту горячую воду можно дополнительно нагреть паром. В данном случае речь идет о замкнутом контуре, в связи с чем в качестве теплоносителя используется полностью умягченная вода. Обогрев теплообменника паром менее целесообразен, так как в этом случае температура теплоносителя хуже поддается регулировке и возможен перегрев.

· Дополнительная обработка сусла после собственно кипячения - с одной стороны, путем предварительного охлаждения при перекачивании или с помощью теплообменника (вакуумного каскада), а с другой - путем дополнительной обработки сусла после выдержки горячего сусла в вакуумном каскаде или с помощью дополнительного испарения. Благодаря этому можно существенно сократить продолжительность кипячения.

Кипячение сусла с помощью вакуумного охладителя с последующим вакуумированием (см. раздел 2.7.7.4) можно проводить в существующем сусловарочном котле. Система состоит из внешнего кипятильника, вакуумного охладителя (в котором при перекачивании создается разрежение), испарительного конденсатора сусловарочного котла (для рекуперации теплоты и для конденсации вторичного пара) и вакуумного насоса. Вакуумный охладитель представляет собой цилиндроконический сосуд, в нижнюю треть которого сусло поступает тангенциально в виде тонкой пленки. От конуса его откачивают назад в сусловарочный котел или (при перекачивании готового сусла) в вирпул. В испарителе во время кипячения поддерживается атмосферное давление. Вторичный пар направляется вверх к испарительному конденсатору сусловарочного котла. После кипячения в вакуумном испарителе создается разрежение. До поступления в вирпул сусло охлаждается до 88 °С (более низкая температура может стать причиной проблем с седиментацией).

Данный способ позволяет обеспечить:

· сокращение продолжительности кипячения до 50 мин и менее в зависимости от содержания коагулируемого азота и пониженное выделение продуктов термических реакций (определяемое по ТБЧ);

· усиленное удаление ароматических веществ в условиях разрежения;

· заметное сокращение остаточных реакций вследствие снижения температуры, что заметно по протеканию реакций с ДМС; дальнейшего расщепления предшественников ДМС не происходит;

· снижение испарения до 4-5 %.

10.3.1. К разделам 2.5.6 и 2.7.7. Предварительное охлаждение сусла между котлом и вирпулом до 85-90 °C

Предварительное охлаждение сусла непосредственно не связано с процессом кипячения и влияет на него косвенно, поскольку реакции, протекающие в сборнике горячего сусла при температуре 97-99 °С, несколько ослабляются в зависимости от температуры предварительно охлажденного сусла. Таким образом, продолжительность и интенсивность кипячения сусла подбирают с учетом других процессов, например, осаждения белков.

Охлаждение осуществляется в пластинчатом охладителе (теплообменнике), который должен быть рассчитан на необходимую высокую производительность по охмеленному суслу. В частности необходимо предусмотреть увеличенное сечение трубопроводов и соответствующую форму пластин теплообменника, чтобы за непродолжительное время перекачивания (около 15 мин) иметь возможность охладить содержимое сусловарочного котла (четырехкратный объем котла в час). Для этого может использоваться холодная пивоваренная или технологическая вода, которая после нагревания до температуры около 80 °С попадает в накопитель горячей воды; теплообменник может быть интегрирован в контур энергосбережения, но для этого потребуется увеличение площади охлаждения.

Проще направить в существующий охладитель часть потока сусла при его перекачивании, при этом чтобы в конечном итоге выйти на температуру смешивания 88 °С требуется охладить 20 % перекачиваемого объема всего до 44 °С.

Благодаря этому достигается:

· сокращение продолжительности кипячения до 50 мин и менее, так как в вирпуле существенно снижаются термические реакции и расщепление предшественников ДМС;

· ориентация процесса кипячения на другие приоритеты, в частности, на снижение осаждения высокомолекулярных азотсодержащих веществ;

· новыми системами с интенсивным и однородным кипячением обеспечивается необходимая степень выпаривания карбонильных соединений из продуктов окисления липидов, несмотря на сокращение продолжительности кипячения;

· снижение испарения до 4-5 %.

Предварительное охлаждение сусла сочетается со всеми существующими эффективными системами кипячения (внутренними и внешними кипятильниками), необходимо лишь внести корректировки по горячей воде (прежде всего по рекуперации теплоты).

Способы дополнительного вакуумного испарения предусматривают испарение в вакууме между вирпулом и пластинчатым теплообменником, в ходе которого происходит дальнейшее снижение содержания ароматических соединений в сусле. При этом речь идет в основном о таких ароматических веществах, которые образовались во время выдержки горячего сусла и последующего его охлаждения. Это позволяет сократить процесс кипячения и уменьшить испарение (см. выше).

Данный способ предусматривает выдерживание сусла в первой фазе (кипячении) при температуре 97-99 °С в течение 60 мин, благодаря чему испарение составляет около 1 %. Для этого используют сусловарочный котел любой конструкции (с обогревом двойного дна и месильным органом или котел с внутренним кипятильником), в котором, естественно, можно проводить и обычное кипячение. На второй стадии после вирпула в расширительном испарителе при абсолютном давлении около 300 мбар дополнительное испарение составляет около 7 %. При этом достигается температура около 65 °С. Испаритель состоит из верхней эллипсоидной части и цилиндрической нижней части. Сусло после вирпула подается в верхнюю часть насосом тангенциально; жидкость благодаря этому приобретает вращательное движение и на стенке емкости формируется тонкий слой сусла. Тем самым создается большая площадь поверхности испарения воды, а также ароматических веществ. При входе в расширительный испаритель сусло оказывается в разреженной среде (абсолютное давление 300 мбар), создаваемой вакуумным водокольцевым насосом, причем испарительный конденсатор для конденсации вторичного пара поддерживает созданное разрежение в текущем режиме. Благодаря обильному выпариванию под вакуумом при температуре сусла 65 °С образуется горячая вода с температурой 60 °C, которую при необходимости, например, для промывания дробины, необходимо дополнительно нагреть.

Эта установка позволяет добиться:

· общего испарения 8 % (1 % - при «горячей выдержке», 7 % - в течение выпаривания под вакуумом);

· меньшей степени осаждения белков благодаря щадящей технологии;

· более глубокого выпаривания ароматических веществ сусла и свободного ДМС, содержание которого к концу горячей выдержки довольно велико;

· образования меньшего количества горячей или теплой воды;

· возможности интеграции расширительного испарителя в существующие аппараты;

· возможности модификации данного способа (например, отведения определенного времени на кипячение и испарение с последующим снижением давления в расширительном испарителе до 600 мбар - в этом случае температура сусла снизится до 85 °С и, соответственно, контур горячей воды сможет работать с более высокой температурой).

Способ вакуумного выпаривания после вирпула можно применять на любой имеющейся установке, но аппарат должен быть рассчитан с запасом так, чтобы по производительности он мог обеспечить обработку существующего количества сусла за необходимое короткое время (в зависимости от продолжительности охлаждения сусла - 45-50 мин) и получать разрежение с абсолютным давлением 500-600 мбар при условии максимальной степени выпаривания ароматических веществ сусла. При варке 700 гл ЦКТ диаметром 1,2 м и общей высотой 2,8 м вмещает 30 гл; перепад высот от насоса на охладитель сусла должен быть для предотвращения кавитации довольно велик (в данном примере - 7 м). С помощью регулятора перепада давления уровень сусла в декомпрессионной ёмкости поддерживается постоянным.

Показатели примерно соответствуют приведенным в табл. 10.1, но для охлаждения под вакуумом до температуры 86 °С они уточняются следующим образом:

· сокращение продолжительности кипячения с 60 до 40 и даже до 30 мин;

· увеличение степени выпаривания с 9 до 6 %, а затем до 4,5 %;

· благодаря испарителю удаляется 83 % свободного ДМС, 63 % продуктов окисления липидов (например, гексаналя и гептаналя), 22 % альдегидов Штрекера и 5 % высших спиртов (3- и 2-ме-тилбутанола, 1-пентанола, 1-октанола, 1-октен-3-ола и 2-фенилэтанола);

· остаточное содержание коагулируемого азота увеличивается на 50 %;

· благодаря меньшему испарению вакуумная установка всего потребляет примерно на 22 % меньше энергии по сравнению с установкой термической компрессии вторичного пара.