Пиво и напитки

Непрерывный процесс приготовления и брожение пивного сусла

Непрерывный процесс приготовления пивного сусла

В основу схемы непрерывного процесса приготовления пивного сусла положен настойный способ приготовления затора, центробежный метод отделения сусла от дробины, непрерывное выщелачивание экстрактивных веществ из дробины, сепарирование сусла для отделения хмелевой дробины и коагулированного белка. Схема, разработанная во ВНИИПБП, представлена на рисунке 1.

Затирание, осахаривание, фильтрация сусла, кипячение его с хмелем и другие стадии приготовления сусла проводятся в аппаратах непрерывного действия.

Солод из бункера поступает через дозатор в дробилку. Дробленный солод смешивается с водой в предсмесителе при 50°С. Смесь поступает в смеситель, где при помощи бил и двухвиткового шнека превращается в однородную массу. Из смесителя заторная масса передается в осахариватель, разделенный на 10 сообщающихся между собой камер, в которых установлен необходимый температурный режим. Пять из них оборудованы змеевиками для подогрева массы, а в остальных проводится выдержка массы по принятому режиму.

Под действием ферментов солода при благоприятных температурных условиях заторная масса осахаривается и поступает в вертикальную центрифугу для фильтрации сусла. Обезвоженная дробина выводится шнеком в экстрактор, где в противотоке выщелачивается горячей водой. Промывная вода присоединяется к суслу, и смесь поступает для осветления на сепаратор.

Расход воды на промывку дробины составляет около 120% от массы солода, а по периодическому способу — 180-200%. Промывные воды при непрерывном способе содержат около 6-7% экстракта.

Осветленное сусло подается в кипятильник непрерывного действия, сходный по конструкции с осахаривателем. Сусло движется снизу вверх и одновременно к нему добавляется хмель из дозатора. Кипятильник может работать при атмосферном или при повышенном давлении.  Кипячение сусла по времени значительно сокращается по сравнению с периодической схемой.

Охмеленное сусло направляют на сепаратор для осветления и отделения белковых веществ и хмелевой дробины. Осветленное сусло охлаждают на пластинчатом холодильнике, после чего направляют на брожение.

Преимуществом непрерывного процесса приготовления сусла являются:

  1. сокращение в два раза производственного цикла;
  2.  сокращается кубатура производственной площади в 2 и более раз;
  3.   уменьшается мощность котельной установки на 25-30%;
  4. снижается потребление холода;
  5. сокращаются затраты рабочей силы на 30-40% за счет механизации и автоматизации процессов.
1 - бункер для солода; 2 -б а к горячей воды; 3 -дозировочный аппарат тарельчатого типа; 4 -дробилка; 5 - предсмеситель; 6 - смеситель; 7 - шестеренчатый насос; 8 - осахариватель; 9 - экстрактор; 10 - центрифуга; 11 - сборник сусла и промывной воды; 12 - сепаратор; 13 - дозатор хмеля; 14 - кипятильник; 15 - холодильник. Рисунок 1 - Аппаратурно-технологическая схема непрерывного приготовления пивного сусла
1 — бункер для солода; 2 -б а к горячей воды; 3 -дозировочный аппарат тарельчатого типа; 4 -дробилка; 5 — предсмеситель; 6 — смеситель; 7 — шестеренчатый насос; 8 — осахариватель; 9 — экстрактор; 10 — центрифуга; 11 — сборник сусла и промывной воды; 12 — сепаратор; 13 — дозатор хмеля; 14 — кипятильник; 15 — холодильник.
Рисунок 1 — Аппаратурно-технологическая схема непрерывного приготовления пивного сусла

Брожение пивного сусла

На пивоваренном заводе брожение сусла протекает в две стадии: главное брожение и дображивание.

Главное брожение происходит в бродильных чанах при 5-8°С и продолжается 7-10 сут. В результате главного брожения получается молодое, или зеленое, пиво. Вторая стадия — дображивание — производится в лагерных танках при 1 -3°С в течение 21-90 сут в зависимости от сорта пива.

Пивные дрожжи

В качестве возбудителей брожения применяют дрожжи. Применяют в основном дрожжи низового брожения. Дрожжи подразделяются на расы. Наиболее распространенные расы: 776, XI, 47 и др.

В пивоваренном производстве применяют дрожжи чистой культуры. Чистую культуру размножают в лаборатории завода, а затем передают в бродильный цех. Один раз выведенные дрожжи могут использоваться для главного брожения в течение нескольких циклов. Каждый оборот дрожжей называется генерацией. После окончания главного брожения и перекачки пива в лагерный подвал дрожжи собирают, промывают и используют для брожения сусла следующей варки; эти дрожжи называют семенными. Дрожжи могут использоваться до десятой генерации.

При ведении главного брожения в бродильные чаны могут попасть посторонние микроорганизмы, к которым относятся дикие дрожжи, молочнокислые бактерии, уксуснокислые бактерии, сарцины и др. Эти микроорганизмы вызывают помутнение пива, повышение его кислотности, могут вызвать неприятный запах и вкус. Для предупреждения попадания и развития инфекции при брожении необходимо соблюдать чистоту в бродильном отделении, вести процесс при низкой температуре, уменьшать поверхность соприкосновения сусла и бродящего пива с воздухом.

Биохимические и физико-химические процессы при главном брожении

В процессе спиртового брожения мальтоза расщепляется в глюкозу, которая превращается в спирт и углекислый газ.

В первый период брожения после введения дрожжей сбраживание экстракта происходит слабо. За сутки экстрактивность сусла уменьшается на 0,1-0,2%. В этот период идет размножение дрожжей.

Начиная от 2 до 5 суток содержание экстракта быстро уменьшается; понижение экстракта составляет 1,0-1,5% в сутки. К концу брожения, когда основная масса сахара сбродит, количество экстракта уменьшается медленно. В последние 2 суток понижение экстракта составляет 0,2-0,5%.

Процесс спиртового брожения является экзотермическим. При сбраживании 1 г-моль моносахарида выделяется 28 ккал. В период более бурного брожения наблюдается интенсивное повышение температуры, что вызывает развитие инфекции. При низовом брожении повышение температуры допускается до 9-10°С. Температуру брожения регулируют подачей холодной воды в змеевики, находящиеся в бродильных чанах. В конце брожения температуру понижают до 4-5°С.

Кроме сбраживания сахаров, при главном брожении протекают другие процессы, влияющие на состав и качество пива. Значительные изменения происходят в белковом составе сусла. Этому способствует повышение активной кислотности при брожении. Начальное сусло имеет pH 5,3-5,6, а молодое пиво 4,2-4,6. Изменение pH происходит вследствие накопления углекислоты и органических кислот — побочных продуктов брожения. При этом изменяется буферная система сусла. Наличие в начальном сусле первичных и вторичных фосфатов создает фосфатную буферную систему. При брожении она постепенно заменяется фосфатно-карбонатной буферной системой. Усиливается также буферная система органическая кислота — соль органической кислоты.

Повышение активной кислотности благоприятно влияет на коагуляцию белков. Белковые вещества частично денатурируются, теряют свой заряд и коагулируют. Изменение pH понижает также растворимость хмелевых смол. Нерастворимые хмелевые смолы вместе с коагулируемыми белками частично оседают на дно бродильного чана, а более легкая часть их вместе с мертвыми и слабыми дрожжевыми клетками поднимаются с углекислотой на поверхность пива. Белковые вещества и хмелевые смолы являются поверхностно активными. На поверхности пузырьков появляются адсорбционный слой из этих веществ. При слипании отдельных пузырьков получаются ячейки пены. В ходе брожения эти ячейки изменяются, укрупняются, пена приобретает форму завитков. Под конец брожения завитки опадают, а поверхность молодого пива остается покрытой тонким плотным слоем пены, называемым декой. Полученная при главном брожении величина pH 4,2-4,6 благоприятна также для оседания дрожжей. Дрожжи собираются в крупные хлопья. Выпадение белков и оседание дрожжей способствует общему осветлению молодого пива.

При главном брожении происходит ряд процессов, при которых образуются продукты, влияющие на состав и качество пива. В дрожжевых клетках протекает обмен веществ. В результате этого обмена в пиво переходят органические кислоты и высшие спирты. Ряд кислот и спиртов являются побочными продуктами спиртового брожения. Смесь высших спиртов образуют группу сивушных масел, придающих пиву неприятный вкус и запах. Из органических кислот в пиве находятся молочная, уксусная, янтарная, муравьиная и др. В результате взаимодействия спиртов и кислот образуются эфиры.

Присутствие в молодом пиве кислот, эфиров и сивушных масел придают ему неприятный вкус и запах, которые устраняются при дображивании и выдержке.

Процессы при дображивании и выдержке пива

Во время дображивания пива в нем протекают сложные физико-химические процессы. При дображивании пиво насыщается углекислотой, осветляется, приобретает специфические вкусовые и ароматические качества.

В зеленом пиве содержится 1-1,5% несброженных сахаров. Во время дображивания, которое ведется при низкой температуре, сахара медленно сбраживаются. Выделяющаяся при этом углекислота накапливается в пиве, находящемся под давлением, и насыщает его. Молодое пиво содержит 0,15-0,20% углекислоты, после дображивания оно должно содержать такое количество углекислоты, чтобы в готовом разлитом пиве ее было 0,3-0,35%. Чтобы углекислота из пива не выделялась, а насыщала его, необходимо повышенное давление. Для этого танки герметизируют, но в первые сутки этого делать нельзя, так как должен сначала быть удален воздух, растворенный в пиве. Танки закрывают (шпунтуют) через 2-3 суток после начала дображивания. Накоплению углекислоты в пиве способствует низкая температура.

Во время дображивания пиво осветляется. К концу дображивания, когда прекращается брожение и выравнивается температура, пиво приходит в спокойное состояние и осветляется. При дображивании происходит также созревание пива. Во время созревания в пиве образуются сложные эфиры, уменьшается количество альдегидов, повышается кислотность. В результате этих процессов улучшаются вкусовой и ароматический букет.

Главное брожение

Главное брожение происходит в открытых (рисунок 2) или закрытых (рисунок 3) бродильных чанах, которые установлены в бродильном отделении. Открытые бродильные чаны бывают вертикальными, цилиндрическими и прямоугольными. Закрытые бродильные чаны бывают горизонтальными или вертикальными цилиндрической формы, а также вертикальными прямоугольной формы. Бродильные чаны изготовляются из дерева, стали, алюминия и железобетона, внутри их покрывают специальными лаками или пивной смолкой. Внутри бродильных чанов устанавливаются змеевики для поддержания в них температуры бродящего сусла. Температура воды для охлаждения должна быть 1 °С. Температура в бродильном отделении поддерживается около 6°С. В отдельном помещении бродильного отделения устанавливаются дрожжевые ванночки для приема и хранения дрожжей.

Рисунок 2 - Открытые бродильные чаны
Рисунок 2 — Открытые бродильные чаны
1 - сосуд; 2 - кран; 3 - люк; 4 - арматура для отвода СО2; 5 - труба отвода воздуха; 6 - охлаждающий змеевик Рисунок 3 - Закрытый горизонтальный танк главного брожения
1 — сосуд; 2 — кран; 3 — люк; 4 — арматура для отвода СО2; 5 — труба отвода воздуха; 6 — охлаждающий змеевик
Рисунок 3 — Закрытый горизонтальный танк главного брожения

Начальное сусло, охлажденное на оросительном или закрытом холодильнике, поступает в бродильный чан. Сюда же вносятся дрожжи из расчета 0,5-0,7 л густых дрожжей на 100 л сусла. Семенные дрожжи предварительно проверяются в лаборатории. С дрожжей, которые хранятся под водой, сливают воду, осторожно удаляют верхний слой, а дрожжи тщательно перемешивают. В небольшой деревянный сосуд наливают холодное сусло и дрожжи в необходимом количестве, повторяя эту операцию 10-12 раз. Содержимое перемешивают переливанием в другой такой же сосуд. При механизации этой операции перемешивание производится в специальном герметическом сосуде (монжю) сжатым воздухом или углекислотой, используя в конце давление для перекачивания дрожжей в бродильный чан.

Главное брожение можно вести с предварительным или без предварительного брожения. При предварительном брожении начальное сусло поступает в чан предварительного брожения, объем которого равен сумме объемов трех-четырех бродильных чанов. Здесь сусло с внесенными дрожжами бродит 1 сутки, а затем перекачивается в чаны главного брожения. При способе без предварительного брожения сусло поступает сразу в чан главного брожения и в нем находится до конца. Процесс главного брожения делят на четыре стадии: забела, низких завитков, высоких завитков, образования деки и осветления пива.

Стадия забела это начальный период брожения (около 1 сут). В этот период происходит размножение дрожжей, брожение идет слабо, и поверхность сусла покрывается мелкой белой пеной.

Во второй стадии, которая продолжается 2-3 сут, происходит интенсивное брожение. Поверхность бродящего сусла покрывается плотной мелкой пеной, которая приобретает характер завитков. Брожение протекает равномерно и за сутки сбраживает 0,5-1 % экстракта.

Стадия высоких завитков характеризуется наиболее интенсивным брожением; за сутки сбраживает 1-1,5% экстракта. В этот период пена сильно поднимается вверх, завитки становятся более крупными и достигают наибольшей высоты. Пена постепенно темнеет и к концу периода приобретает коричневый или грязно-бурый цвет. Период продолжается 3-4 сут.

Четвертая стадия (2 сут) характеризуется постепенным прекращением брожения. Завитки отпадают и на поверхности пива образуется темно-коричневый плотный слой деки. В этот период происходит образование хлопьев дрожжей и пиво осветляется. При закрытом брожении деки образуется меньше, чем при открытом, и цвет ее значительно светлее. Для соблюдения необходимого температурного режима брожения чаны оборудуются специальными устройствами.

Таблица 1 - Температурный режим главного брожения для жигулевского пива
Таблица 1 — Температурный режим главного брожения для жигулевского пива

Плотность молодого жигулевского пива обычно составляет 4,5-6% по сахарометру.

Главное брожение считается законченным, если в течение 12 ч плотность сусла уменьшается на 0,15-0,2%. Дека при раздувании не должна смыкаться. Поверхность молодого пива должна быть блестяще черной. Конец главного брожения определяется по степени сбраживания. Степенью сбраживания (А) называется процент сухих веществ сусла, сброженных за период брожения.

А = (Е-е)х100/Е

где Е — содержание сухих веществ в начальном сусле,%; е — содержание сухих веществ в пиве,%.

Степень сбраживания бывает кажущейся, если процент сухих веществ в пиве определяют в присутствии алкоголя, и действительной, если процент сухих веществ в пиве определяют в отсутствии алкоголя.

На практике конец главного брожения определяется по кажущейся степени сбраживания, которая для светлых сортов пива составляет 57-66%, а для темных — 55-60%.

Показатели некоторых зеленых сортов пива приводятся в таблице 2.

Таблица 2 - Показатели зеленого пива
Таблица 2 — Показатели зеленого пива

По окончании главного брожения с поверхности пива, которое бродили в открытых бродильных чанах, осторожно снимают деку и перекачивают в лагерный подвал. Деку снимают для того, чтобы горькие хмелевые смолы, находящиеся в ней придают пиву грубый горький вкус.

При брожении в закрытых бродильных чанах дека имеет другой характер, на вкус пива она не влияет. При выпуске пива она остается на стенках бродильного аппарата.

Молодое пиво перекачивается в лагерные танки центробежным насосом или спускается самотеком, если бродильное отделение расположено выше лагерного подвала.

Применяется и непрерывное брожение в каскадной установке.

Непрерывное сбраживание сусла продолжается 48 ч вместо 5-7 суток при периодическом способе.

Съем и хранение семенных дрожжей

После перекачки пива в лагерные танки на дне бродильного чана остаются дрожжи. Осадок дрожжей состоит из трех слоев. Верхний и нижний слой имеют темный цвет, они содержат много отстоя, мертвые клетки, хмелевые смолы. Средний слой более светлый, он состоит из семенных дрожжей, которые собирают в приемный сосуд и тщательно промывают. Промытые дрожжи хранят в ванночках под слоем воды при температуре, близкой к 0°С. Они могут храниться 4-6 сут.

Дображивание пива

Молодое пиво поступает в лагерный подвал самотеком или подается насосом. В лагерном подвале установлены лагерные танки (рисунок 4). или бочки, в которых происходит дображивание и выдержка пива. В подвале поддерживается температура 1 °С. Лагерные танки наполняют до объема 96% снизу, бочки — сверху, однако шланг опускают до дна.

1 - люк; 2 - штуцер; 3 - пробные краны; 4 - кран для заполнения и спуска; 5 - штуцер для шпунт-аппарата; 6 - штуцер для манометра Рисунок 4 - Горизонтальный лагерный танк
1 — люк; 2 — штуцер; 3 — пробные краны; 4 — кран для заполнения и спуска; 5 — штуцер для шпунт-аппарата; 6 — штуцер для манометра
Рисунок 4 — Горизонтальный лагерный танк

На 3-5 сут после вытеснения из танка воздуха углекислым газом, танки шпунтуют. Шпунт-аппарат (рисунок 5) позволяет поддерживать в танке постоянное давление 0,3-0,5 атм. Шпунтование для жигулевского
пива составляет 15-18 с ут, для сортового пива значительно больше.

1 - камера; 2 - резиновая пластинка; 3 - корпус; 4 - манометр; 5 - входной штуцер; 6 - резиновый клапан; 7 - закрытый сильфон; 8 - крышка сильфонного аппарата; 9 - корпус цилиндра; 10 - шкала давления. Рисунок 5 - Шпунт-аппарат
1 — камера; 2 — резиновая пластинка; 3 — корпус; 4 — манометр; 5 — входной штуцер; 6 — резиновый клапан; 7 — закрытый сильфон; 8 — крышка сильфонного аппарата; 9 — корпус цилиндра; 10 — шкала давления.
Рисунок 5 — Шпунт-аппарат

Видимая степень дображивания лагерного пива должна быть на 10-15% выше, чем молодого. После дображивания пиво с помощью специального насоса подается на фильтрацию.

Считается целесообразным подавать на фильтрацию пиво одновременно из нескольких танков через смеситель. После спуска пива в танке остается осадок из дрожжей, осевших частиц белков, хмелевых смол и пива. Этот осадок собирают в специальные сборники для отстаивания. После отстаивания пиво сливают в смарочное пиво, а осадок присоединяют к товарным дрожжам.

Таблица 3 - Сроки выдержки пива различных сортов
Таблица 3 — Сроки выдержки пива различных сортов
Таблица 4 - Температурный режим брожения
Таблица 4 — Температурный режим брожения

Ускоренный способ производства пива

Схема ускоренного способа производства пива (рисунок 6) основана на ведении спиртового брожения в отсутствии кислорода воздуха. Это позволяет сократить сроки брожения, чем повышается производительность завода. Схема предусматривает также изменение режима замочки ячменя, которое ведется не по воздушно-водяному способу, а в непрерывном токе воды и воздуха. При этом зерно равномерно насыщается водой и воздухом, нормально дышит, вследствие чего сокращаются сроки замачивания и проращивания ячменя, а солод получается лучшего качества.

1 - отстойный чан; 2 -пластинчатый холодильник; 3 - бродильный чан; 4 -лагерный танк; 5 - насосы; 6 - баллон с углекислым газом Рисунок 6 - Ускоренная схема главного брожения
1 — отстойный чан; 2 -пластинчатый холодильник; 3 — бродильный чан; 4 -лагерный танк; 5 — насосы; 6 — баллон с углекислым газом
Рисунок 6 — Ускоренная схема главного брожения

Для обеспечения бескислородного брожения все процессы, начиная от охлаждения сусла, ведутся без доступа воздуха. Сусло охлаждают в закрытых отстойных чанах и закрытых холодильниках. Главное брожение ведут в закрытых бродильных чанах. Чтобы избежать соприкосновения сусла с воздухом при поступлении его в бродильный чан, в сусло через форсунку интенсивно вдувается углекислота. Углекислота вспенивает сусло и создает над его поверхностью пенистый покров, предохраняющий от соприкосновения с воздухом.

Дрожжей в чан вносят больше, чем при обычной схеме. Количество их составляет 0,075-0,1 л на 1 дал сусла.

Для ускорения брожения пиво в бродильном чане периодически перемешивают углекислотой при помощи барботера. Продолжительность главного брожения составляет 5-5,5 сут.

Отсутствие кислорода уменьшает во время брожения образование альдегидов, эфиров и других побочных продуктов, которые придают пиву неприятный запах и для удаления которых требуется длительная выдержка пива в подвале.

Молодое пиво поступает на дображивание при 4-5°С. Во время перекачивания в струю пива вдувается С 0 2 для создания защитного слоя, который называется углекислотной подушкой. Танк, заполненный пивом, немедленно шпунтуют и поддерживают давление в пределах 0,4-0,5 эти.

Ускоренная технологическая схема позволяет сократить выдержку жигулевского пива в лагерных танках до 11 суток вместо 21 суток при обычной схеме. Дображивание ведут при 4°С. Дображивание — изотермическое, т.е. в лагерном подвале и танках поддерживается одинаковая температура. Это способствует лучшему осветлению пива, так как не создаются конвективные токи, перемешивающие пиво.

Чтобы избежать выпадения углекислоты, находящейся в пиве в пересыщенном растворе, пиво перед розливом и фильтрацией охлаждают до 1°С.

Ускоренная технология является наиболее прогрессивной, поэтому широко применяется в пивоварении.