Scientific journal

Scientific Review. Agricultural sciences

Введение

Осветление и первичное охлаждение сусла являются ключевыми этапами в производстве пива и других ферментированных напитков. Эти процессы не только определяют качество готовой продукции, но и влияют на стабильность, вкусовые характеристики и срок хранения напитков. С развитием технологий и повышением требований к качеству пищевой продукции важно добиваться максимальной эффективности этих технологических этапов.

Осветление и первичное охлаждение сусла обеспечивают нормативные значения основных параметров качества готового продукта и стабильность последующих технологических операций. Некачественное осветление может привести к появлению нежелательных оттенков, помутнению или посторонним привкусам в процессе ферментации. Остаточные вещества, такие как белки и полифенолы, могут вызывать помутнение при хранении готовой продукции или нежелательные химические реакции. Потребность улучшения качества готового продукта вызывает необходимость совершенствования методов осветления и первичного охлаждения сусла [1].

Цель исследования

Целью проведенного исследования является определение ключевого параметра процессов осветления и первичного охлаждения сусла и оценка эффективности влияния этого параметра на качество готового продукта. Авторами было проведено изучение различных методов и соответствующих им технологий осветления и первичного охлаждения, а также был проведен анализ влияния технологических особенностей каждого из методов на качество конечного продукта, что позволило выделить общий параметр оптимизации процессов осветления и первичного охлаждения сусла и на его основе разработать рекомендации по выбору метода осветления и первичного охлаждения сусла в производстве ферментированных напитков.

Материал и методы исследования

В процессе производства ферментированных напитков важную роль выполняет подготовительная стадия, которая включает в себя два этапа: приготовление сусла (дробление солода, затирание, нагрев до заданной температуры и фильтрация); варка сусла (нагрев полученного сусла, доведение до кипения и добавление хмеля). Ошибки, допущенные на этих этапах, повлекут за собой нарушения в последующих процессах, в том числе в процессе осветления и первичного охлаждения сусла [2] (рис. 1).

Процесс осветления и первичного охлаждения сусла включает в себя очистку сваренного сусла от остатков хмеля и осветление для выпадения частиц, от которых не удалось избавиться в процессе фильтрации на предварительной стадии. Основными методами осветления и первичного охлаждения сусла являются: осветление и охлаждение сусла в тонком слое; осветление и охлаждение сусла в высоком слое; осветление и охлаждение сусла в вихревом слое; осветление и охлаждение сусла во взвешенном слое [3] (табл. 1).

Таблица 1

Анализ основных методов осветления и первичного охлаждения сусла

Методы осветления и первичного охлаждения сусла	Основные технические системы и/или подсистемы	Технологический процесс	Область применения
1.Осветление и охлаждение сусла в тонком слое	Холодильная тарелка: плоский открытый сосуд прямоугольной формы, имеющий четыре отверстия с кранами, высота стенок около 300 мм, площадь варьируется	Горячее сусло наливают в тарелку слоем 150-250 мм для осаждения осадка на дне, осветленное сусло сливается, осадок смывается проточной водой. Продолжительность охлаждения - 2-6 ч. Понижение температуры от 90°С до 30°С	Подходит для малых и средних объемов производства
2.Осветление и охлаждение сусла в высоком слое	Отстойный аппарат: цилиндрический аппарат с холодильной секцией внутри	Горячее сусло поступает через патрубок, высота слоя не превышает 900 мм, сусло охлаждается посредством холодильной секции, в процессе отстаивания выпадают тяжелые частицы. Продолжительность охлаждения - не более 2 ч. Понижение температуры от 95°С до 60°С	Применяется в основном на крупных производствах

 

Продолжение таблицы 1

3.Осветление и охлаждение сусла в вихревом слое	Гидроциклонный аппарат: цилиндрический аппарат с плоским, слегка наклонным днищем. Давление при подаче сусла не менее 0,6 МПа.	Струя потока направляется тангенциально, посредством чего происходит вращение сусла. Под действием гидродинамических сил взвешенные частицы собираются в центре днища, где образуется осадочный конус. Процесс охлаждения – около 20 мин. Понижение температуры незначительное - от 100°С до 90°С	Применяется в основном на крупных производствах
4.Осветление и охлаждение сусла во взвешенном слое	Полузакрытый тарельчатый сепаратор: скорость вращения ротора варьируются от 1500 до 10 000 об/мин. Производительность варьируется от 1000 л/ч до 10 000 л/ч и более	Суспензия сусла, обрабатываемая в барабане, под действием центробежной силы, освобождается от взвешенных частиц осадка и выводится из сепаратора по трубе. Продолжительность осветления варьируется. Понижение температуры от 90°С до 60°С	Может применяться как на частных, так и на крупных производствах

Отметим достоинства и недостатки оборудования и технологии каждого метода (рис. 2).

 

Результаты исследования и их обсуждение

Сравнительный анализ технологических особенностей методов осветления и первичного охлаждения сусла позволил отметить следующее:

- методы 1 и 2 будут эффективны для частного производства и на небольших предприятиях, так как им присущи низкие эксплуатационные затраты, но при этом придётся смириться с потерей качества готового продукта;

- комбинация различных методов (1, 2, 3) подходит для крупных производств, так как это обеспечивает наилучшее качество готового продукта, несмотря на то, что в этом случае будут потери сусла и сложности в обслуживании;

- если учитывать важность экономии производственной площади для малых производств, то наилучшим вариантом будет использование метода 2, при этом придется принять факт потери качества готового продукта;

- для метода 4 характерны потери сусла, само оборудование требует высоких эксплуатационных затрат, но данный метод оптимален для крупных производств, так как в последующем производстве нет необходимости в дополнительном осветлении.

Для более точного определения эффективности каждого из методов необходимо обратить внимание не только на общие параметры оборудования, но и на входные и выходные параметры соответствующего метода (Табл. 4), влияющие на конечный продукт.

Таблица 4

Входные и выходные технологические параметры основного оборудования для осветления и первичного охлаждения сусла

Основной вид оборудования каждого метода	Входные параметры	Выходные параметры
Холодильная тарелка	Температура сусла: 90 — 100°C	Температура: 25 — 30° C
	Концентрация взвешенных частиц: 1000 мг/л	Концентрация частиц: 500 мг/л
	Объёмный поток сусла: низкий-средний
Отстойный чан	Температура сусла: 90 — 100°C	Температура: 60 — 80°C (частичное охлаждение)
	Концентрация взвешенных частиц: 1000 мг/л	Концентрация частиц: 300 мг/л
	Время отстаивания: 1-2 часа
Гидроциклонный аппарат	Температура сусла: 85 — 100°C	Температура: практически без изменений
	Концентрация взвешенных частиц: 1000 мг/л	Концентрация частиц: 200 мг/л
	Скорость подачи сусла: средняя
Тарельчатый сепаратор	Температура сусла: 80 — 90°C	Температура: 50 — 60°C (при интеграции охлаждения)
	Концентрация взвешенных частиц: 1000 мг/л	Концентрация частиц: 50 мг/л
	Объёмный поток сусла: высокий

Анализируя входные и выходные параметры, можно выявить общий ключевой параметр, который определяет эффективность осветления сусла каждого из методов и позволяет провести их точное сопоставление [4].

С учетом нормативных значений концентрации взвешенных частиц на входе и выходе данного этапа может быть определена степень осветления сусла (????) по следующей формуле:

,

где ???? – степень осветления сусла, %; – концентрация взвешенных частиц на выходе в аппарат, мг/л; – концентрация взвешенных частиц на выходе из аппарата, мг/л.

Расчитаем степень осветления для каждого метода:

Осветление и первичное охлаждение сусла в тонком слое:

Осветление и охлаждение сусла в высоком слое:

Осветление и охлаждение сусла в вихревом:

Осветление и охлаждение сусла во взвешенном слое:

На основе расчёта степени осветления можно отметить, что осветление и первичное охлаждение сусла с использованием тарельчатого сепаратора — самый эффективный метод, обеспечивающий до 95% осветления сусла, что делает его идеальным для удаления даже мелкодисперсных частиц. У гидроциклонного аппарата степень осветления меньше и достигает 80%, что обусловливает эффективное удаление частиц среднего размера. Отстойный чан даёт 70% осветления, что подходит для процессов с меньшими требованиями к чистоте сусла. Холодильная тарелка обеспечивает наименьшее осветление — 50%, эффективно удаляя только крупные частицы. Эти результаты подтверждают, что методы с более сложной механикой (гидроциклонный аппарат и сепаратор) обеспечивают значительно лучшее осветление, чем простые гравитационные методы (отстойный чаны и холодильная тарелка).

Таким образом, по показателю прозрачности сепаратор и гидроциклон обеспечивают наилучшие результаты, но с большими потерями сусла. Отстойный аппарат имеет наименьшие потери сусла, в то время как сепаратор — наибольшие. Так же отметим, что отстойный аппарат показывает наибольшую стабильность pH, что критично для ферментации [5].

На основе проведенных исследований, были сформированы общие рекомендации по выбору метода осветления и первичного охлаждения сусла:

1. Для малых объемов производства подходит метод осветления и первичного охлаждения сусла в тонком слое или в высоком слое, соответственно с применением холодильной тарелки или отстойного аппарата. Для крупных объемов лучше использовать метод осветления и первичного охлаждения в вихревом или во взвешенном слое, с использованием соответственно гидроциклонного аппарата или сепаратора.

2. Если важна высокая степень осветления, предпочтение стоит отдать осветлению или первичному охлаждению сусла в вихревом или во взвешенном слое с использованием такого оборудования, как гидроциклонный аппарат или тарельчатый сепаратор.

3.Нужно отметить, что комбинированные технологии дают лучший результат, например, предварительное отстаивание (осветление и первичное охлаждение в высоком или в тонком слое) с последующим сепарированием (осветление и первичное охлаждение во взвешенном слое) или использованием гидроциклонов (осветление и первичное охлаждение в вихревом слое).

Таким образом, выбор технологии должен основываться на конкретных условиях производства и требованиях к качеству продукта.

Выводы или заключение

Сравнительный анализ различных методов осветления и первичного охлаждения сусла позволил выявить преимущества, недостатки и определить области применения для каждого метода отдельно или для их комбинации. Выявление общего ключевого параметра, а именно – степени осветления сусла(????), позволил выделить самый эффективный метод осветления и первичного охлаждения сусла. Таким образом, результаты исследования могут быть использованы для выбора метода осветления и первичного охлаждения сусла в зависимости от объёма перерабатываемого сусла, влияния на качество готового продукта, а также от области применения.