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.

10.3.2. К разделам 2.5.1, 2.5.5-2.5.6, 2.7.4, 2.7.7. Тонкоплёночный выпарной аппарат с дополнительным выпариванием после вирпула

Система кипячения состоит из плоской ёмкости с обогреваемым дном конической формы, разделенным на две зоны нагрева. Сусло через распределительное устройство подается на поверхность нагрева, скапливается в окружающей ее кольцеобразном лотке и перекачивается оттуда в расположенный ниже сборник сусла, использующийся также как вир-пул. Площадь поверхности нагрева составляет 7,5м²/100гл. Процесс при данных параметрах проходит следующим образом:

Нагревание:

около 40 мин, 650 гл/ч, избыточное давление пара 1,5 бар, степень выпаривания 0,5 %;

Кипячение:

а) около 20 мин, 500 гл/ч, избыточное давление пара 1,5 бар, степень выпаривания 1,5 %;

б) около 20 мин, 500 гл/ч, избыточное давление пара 0,8 бар, степень выпаривания 1,0 %;

Пауза в вирпуле:

около 15 мин (по необходимости);

Отгонка:

около 40 мин, 120 гл/ч, избыточное давление пара 1,5 бар, степень выпаривания 1,5 %.

Отгонка осуществляется перед охладителем сусла; продолжительность охлаждения около 50 мин. Процесс обычно подразделяется на 2 стадии: в первые 20 мин кипячение проводится интенсивнее, а в последующие 20 мин давление пара немного снижают (работает только нижняя поверхность нагрева).

При нагревании сусла из сборника важно, чтобы оно было однородным, так как после фильтрования оно может расслаиваться. При наличии теплообменника для нагревания в ходе перекачивания из сборника в кипятильник дополнительное нагревание производится всего с 95 до 99 °С, на что уходит 5-7 мин. При кипячении сусло подается в вирпул тангенциально, что способствует достаточно быстрому образованию конуса из осадка взвесей горячего сусла, благодаря чему после короткой паузы можно приступать к выпариванию и охлаждению сусла. Продолжительность охлаждения обычно составляет 50 мин; тем самым для отгонки достаточно избыточного давления пара около 1,5 бар (при более коротком периоде охлаждения, например, 30 мин, может возникнуть необходимость работы с избыточным давлением около 1,8 бар). Во избежание очень высокого расхода и давления в трубопроводе холодного сусла к бродильному танку после пластинчатого охладителя (при условии его повышенной холодопроизводительности) целесообразно расположить буферный танк для холодного сусла с учетом специальных мероприятий по его мойке и дезинфекции.

В результате:

· появляется возможность воздействовать на осаждение белков путем регулирования продолжительности кипячения и температуры теплоносителя; остаточное содержание коагулируемого азота на 50-70 % выше, чем при обычном кипячении, что положительно влияет на пенообразование;

· благодаря короткой продолжительности кипячения и низкой температуре теплоносителя образуется меньше продуктов реакции Майяра и альдегидов Штре-кера; их выпариванию способствует

· большая площадь поверхности и тонкий слой сусла, а продукты термических реакций, образовавшиеся при выдержке горячего сусла и в ходе процесса охлаждения, выпариваются при последующей отгонке - в результате холодное сусло характеризуется более низким ТБЧ, а также более низким (на 10-15 %) содержанием ароматических веществ;

· ароматические соединения, образующиеся в ходе метаболизма липидов, благодаря небольшой продолжительности кипячения выпариваются меньше, чем при обычном кипячении, однако в ходе последующей отгонки конечное их содержание корректируется до обычного уровня;

· расщепление ДМС-предшественников происходит в меньшей степени, однако образующийся свободный ДМС эффективно выпаривается; в ходе выдержки горячего сусла дополнительно образуется ДМС, но его содержание затем понижается при отгонке приблизительно до 30 мкг/кг;

· пиво характеризуется улучшением пе-нообразующих свойств, более светлым цветом, а также повышением стабильности вкуса (степень выпаривания ниже 4-4,5 % не рекомендуется); содержание горьких веществ на разных предприятиях несколько отличается (±5 %), причем получение типичного хмелевого аромата обеспечивается использованием дополнительной дозирующей ёмкости.

Иные методы дополнительного выпаривания. Дополнительное выпаривание после вирпула может быть реализовано с помощью традиционного внутреннего кипятильника, конструкцию которого изменяют так, чтобы верхнюю зону можно было заполнять суслом. Трубы внутреннего кипятильника оснащают стальными листами, сходящими на конус и позволяющими получать тонкий слой сусла на внутренней стенке трубы кипятильника. Сусло после вирпула подается тонким слоем через внутренний кипятильник, в котором происходит выпаривание ароматических веществ.

Иногда для дополнительного выпаривания применяют «стрип-колонну» соответствующей высоты, заполненную небольшими цилиндрическими капсулами. Принцип ее работы состоит в следующем:

· кипячение сусла в течение 5 мин для перемешивания содержимого котла и равномерного распределения хмеля;

· горячая выдержка сусла при температуре кипячения в течение 45 мин;

· повторное кипячение сусла продолжительностью 5-10 мин для регулирования процессов осаждения белков и испарения ароматических веществ сусла (степень общего испарения в первой фазе составляет 1,5-2 %);

· перекачивание в вирпул или сборник горячего сусла с последующей выдержкой (около 30 мин);

· перекачивание сусла через стрип-колонну к охладителю, для чего сусло еще раз дополнительно нагревают до температуры кипения и распыляют в стрип-колонну сверху, после чего оно стекает вниз тонкими струйками по внутренней поверхности стенок колонны; пар подводится противотоком в объеме 1-2 % от количества сусла, что снижает содержание летучих веществ. Степень выпаривания на этой стадии составляет около 1 %. Конденсат из пара и ароматических веществ сусла отводится по теплообменнику для рекуперации теплоты.

В заключение следует отметить, что процесс кипячения сусла иногда делится на две стадии, благодаря чему улучшаются возможности управления этим процессом. Таким образом, обе классические стадии приготовления сусла - «кипячение» и «охлаждение» следует рассматривать как единый процесс, делящийся на две стадии.