СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПИВНОГО СУСЛА

Название	СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПИВНОГО СУСЛА
Разработчик (Авторы)	Третьяк Людмила Николаевна, Герасимов Евгений Михайлович
Вид объекта патентного права	Изобретение
Регистрационный номер	2391388
Дата регистрации	01.12.2008
Правообладатель	Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Оренбургский государственный университет"
Медаль имени А.Нобеля

Описание изобретения

Изобретение относится к пищевой промышленности, в частности к пивоваренной отрасли, и касается способов получения пивного сусла.

Принципиальная технологическая схема производства пива состоит из следующих этапов: очистка солода и ячменя, дробление зернопродуктов, получение пивного сусла (приготовление и фильтрование затора, кипячение сусла с хмелем, отделение от хмелевой дробины, охлаждение, осветление и аэрирование сусла), подготовка дрожжей, сбраживание пивного сусла, дображивание и созревание пива, фильтрование и розлив готового пива. [Технологическая инструкция по производству солода и пива: ТИ 18-6-47-85, срок введ. с 01.07.86 г. по н.в., М.: Минпищепром СССР, НПО ПБП, 1985. с.50-51]. Качество готового пива во многом зависит от способа приготовления пивного сусла. Известно большое количество способов изменения технологии приготовления сусла, направленных на повышение эффективности извлечения полезных компонентов из солода и несоложенного сырья путем разрушения межмолекулярных связей углеводных составляющих зернового сырья.

Известен способ приготовления пивного сусла с предварительным воздействием на солод и несоложенное сырье некогерентным лазерным излучением [Тезисы докладов V Всесоюзной конференции «Электрофизические методы обработки пищевых продуктов», - М., 1985, с.132]. Недостатком этого способа является большой расход зернового сырья, длительность производственного процесса и недостаточно высокое качество пивного сусла.

Известны способы получения сусла из зернопродуктов с применением энергии электромагнитного излучения (при длине волны в диапазоне 0,6-1,6 мкм в течение 10-15 секунд при плотности потока 10-15 кВт/см²), воздействующего на ячменный солод и несоложенное сырье перед его затиранием [патент РФ №2146699; опубл. 20.03.2000; Бюл. №8] или воду, обработанную постоянным магнитным полем и применяемую для затирания (величина магнитной индукции в зоне обработки 30-120 мТл) [патент РФ №94034365, МПК ⁶C12C 007/00].

При использовании способа в сусле увеличивается содержание редуцирующих сахаров на 5,3-18,3%, а аминного азота на 0,45-7,5% и массовой доли сухих веществ на 6,54-11,0% по сравнению с контролем. Однако способ не предотвращает закупорки пор фильтрующих элементов.

Известен способ приготовления затора, предусматривающий затирание зерна и солода и их термообработку паром в поле акустических колебаний, при этом зерно и солод перед затиранием пропитывают сжиженным газом; при последующем сбросе давления до атмосферного впитанный сырьем сжиженный газ вскипает с резким увеличением объема, что приводит к вспучиванию сырья и его клеточных мембран [патент РФ №2122572; опубл. 27.11.1998; Бюл. №33].

Применение способа позволяет ускорить осахаривание затора (на 10-25%) и увеличить выход экстрактивных веществ на 1,5-2,0%. Способ не предусматривает непосредственного воздействия на процесс фильтрации затора или автоматизированного контроля над качеством промежуточного продукта.

Все указанные способы приготовления пивного сусла способствуют повышению извлечения полезных компонентов из сырья, однако незначительно влияют на процессы фильтрации затора и не устраняют периодической забивки пор фильтров составными компонентами затора. Основными недостатками перечисленных способов являются так называемые «проблемы фильтрации», приводящие к закупорке пор фильтрующих элементов и требующие периодической промывки затора над фильтрационными ситами опресненной водой; установки постоянно функционирующих механических мешалок над фильтроэлементами; подачи снизу к фильтроэлементам подогретых промывных вод для предотвращения преждевременной температурной коагуляции растворимых элементов фильтрующегося затора и даже изменения конфигурации емкости чана фильтрации (применение двойного дна, с приданием ему конической формы, применение ножей-рыхлителей слоя пивной дробины и др.) [Меледина Т.В., Дедегкаев А.Т., Баланов П.Е. «Технология пивного сусла», Ростов-на-Дону, Санкт-Петербург, Изд-во «Феникс», 2006 г., с.121-123, 129-134].

Известен способ ускорения процесса фильтрации сусла путем применения вместо фильтр-чанов пресс-чанов, обеспечивающих увеличение разницы давлений до и после фильтрационных сит [Кунце В. «Технология солода и пива», СПб., Изд-во «Профессия», 2003 г., с.270-280].

Способ практически вдвое сокращает длительность фильтрации, но затрудняет процессы выщелачивания дробины, что приводит к большим потерям полезных компонентов с дробиной.

Известен заторно-сусловарочно-фильтрационный аппарат, использующий способ ускорения фильтрации пивного сусла путем вращения фильтрующего элемента, выполненного в виде полого перфорированного цилиндра, внутри которого среду (сырье) перемешивают воздушными потоками, подаваемыми через полый перфорированный вал [патент РФ №2167194 С1; опубл. 20.05.2001; Бюл. №14].

Центрифугирование цилиндра с суслом при перфорированных стенках (т.е. через фильтры) действительно существенно ускоряет процессы фильтрации, но перемешивание сусла путем подачи воздушных струй нарушает ферментативные процессы, происходящие в заторе в различные фазы расщепления крахмала, что снижает эффективность выщелачивания зерновой составляющей затора. Кроме того, считается, что процесс фильтрации в фильтр-чане осуществляется проще, поэтому не получили широкого применения центрифуги и вакуумные фильтры [Ф.Главачек, А.Лхотский. «Пивоварение», перевод с чешского И.В.Холодовой, ред. А.П.Колпакчи, - М.: «Пищевая промышленность», 1977 г., с.169].

Этих недостатков лишен способ непрерывного приготовления сусла, включающий непрерывную энзиматическую конверсию солода в одном вращающемся дисковом реакторе и отделение отработанного зерна от бражки (сусла) в сепараторе, причем фильтрация осуществляется с применением мембранных фильтров при использовании многоэтапных противоточных фильтровальных аппаратов [патент РФ №2096445; опубл. 20.11.1997; Бюл. №32].

Однако метод чрезвычайно дорогостоящий и требует радикальной реконструкции пивоваренных заводов, при этом не предусмотрена автоматизация контроля над технологическим процессом.

Все указанные нововведения недостаточно ускоряют процесс фильтрования затора и не затрагивают автоматизации процесса. Известно также [http://pivovod.ru/e107plugins/content/content.php?content.114], что автоматизация процесса приготовления сусла и фильтрации затора до сих пор находятся в стадии опытов. Известно многофункциональное управление фильтрованием путем непрерывного считывания и анализа текущих параметров: скорости потока, глубины погружения разрыхлителя, оборотов разрыхлителя, плотности сусла, мутности сусла и его уровня в фильтрационном аппарате [Меледина Т.В., Дедегкаев А.Т., Баланов П.Е. «Технология пивного сусла», Ростов-на-Дону, Санкт-Петербург, изд-во «Феникс», 2006 г., с.121-124].

Известно, что в процессе фильтрации при прохождении сусла через дробину захватываются и перемещаются в основном тонкие частицы суспензии, тем самым постепенно снижается проходимость фильтрующего слоя; при этом дробина, сначала облегченная жидкостью, в процессе фильтрования прилегает в зависимости от интенсивности стока более или менее плотно к фильтрационному ситу, забивает отверстия в сите и тем самым снижает его пропускную способность. Даже при нормальной фильтрации дробина так плотно прилегает к дну, что для свободного прохождения остается едва ли 1% от общей поверхности фильтрационного сита. [Ф.Главачек, А.Лхотский. «Пивоварение», перевод с чешского И.В.Холодовой, ред. А.П.Колпакчи, - М.: «Пищевая промышленность», 1977 г., с.179].

В качестве прототипа принят известный способ получения пивного сусла, включающий дробление солода и зернопродуктов, приготовление затора путем смешивания дробленого солода с водой, который подвергают белковой, мальтозной паузам и осахариванию, с последующим фильтрованием, выщелачиванием сусла, его кипячением с хмелем и выпариванием излишней влаги, причем в процессе приготовления затора осуществляют его гидродинамическую обработку, которую проводят в течение всего процесса приготовления заторной массы, между белковой, мальтозной паузами и осахариванием, при этом время мальтозной и белковой пауз находится в пределах 15-20 минут, а осахаривание осуществляется в течение 5-10 минут [патент РФ №2144065; опубл. 10.01.2000, Бюл. №1].

Недостатком указанного способа получения пивного сусла является длительность и недостаточная эффективность процесса фильтрации затора, при этом способ не предусматривает автоматизации процесса контроля над качеством конечного продукта и над полнотой извлечения растворимых компонентов первичного сырья. К недостаткам способа также следует отнести неизбежное захватывание порций воздуха струями промывной жидкости, что приводит в заторе к искажению обычных биохимических процессов и снижает эффективность выщелачивания растворимых элементов из дробины.

Техническим результатом заявляемого способа является сокращение длительности цикла фильтрации при получении максимального выхода экстракта, при этом неизбежное создание безвоздушной среды (азот - пар) сводит до минимума проявление побочных биохимических процессов, вызванных захватом кислорода разбрызгивающейся жидкостью, а также возможность автоматизации управления процессом получения пивного сусла по критериям качества.

Техническая задача решается тем, что в известном способе получения пивного сусла, включающем дробление солода и зернопродуктов, приготовление затора путем смешивания дробленого солода с водой, который подвергают белковой, мальтозной паузам и осахариванию, с последующим фильтрованием, выщелачиванием сусла, его кипячением с хмелем и выпариванием излишней влаги, причем в процессе приготовления затора осуществляют его гидродинамическую обработку, согласно изобретению фильтрование затора проводят через слой взвешенной в растворе затора пивной дробины, при этом состояние взвешенности пивной дробине придают струями пара и инертного газа, подаваемыми снизу на фильтрационные сита; при этом при фильтровании затора ритм чередования струй пара и инертного газа регулируется автоматически, причем автоматизированное управление процессом фильтрации проводят по параметрам затора выше и ниже фильтрационных сит, ориентируясь на прогнозные и оптимальные показатели качества сырья и конечного продукта. Эти же принципы ускорения фильтрации и экстрагирования используются при отделении хмелевой дробины, при этом способ предусматривает для приготовления пара использовать обессоленную воду.

Данный способ известен в нефтехимических производствах как фильтрация через «кипящий слой» катализатора, гранулированных компонентов фильтра или процесс «псевдоожижение» [Советский энциклопедический словарь, 1989; Изд-е 4; с.1088: «псевдоожижение - превращение слоя зернистого материала в т.н. кипящий слой под действием восходящего потока газа или жидкости, достаточного для поддержания твердых частиц во взвешенном состоянии»].

Для целей пивоваренного производства данный способ фильтрации в открытых источниках не описан. В отличие от аналогов других отраслей применение кипящего слоя затора приводит не только к более полному извлечению полезных компонентов, но и к ликвидации закупорки пор фильтроэлементов, что способствует ускорению процесса фильтрации затора. При этом пар подается в условиях, обеспечивающих его конденсацию. Это приводит к прогреву решетки, в том числе за счет энергии фазового перехода пара. При этом пузырьки инертного газа (азота), создавая эффект кавитации, разрушаются при контакте с решеткой, создавая поля акустических колебаний в диапазоне частот ультразвуковой части спектра с огромным энергообменом, что является полезным воздействием, интенсифицирующим массообменные процессы в фильтрующемся слое затора, в частности, разрушаются коагулированные частицы, что облегчает выход экстрактивных веществ из дробины.

Согласно заявляемому способу состояние взвешенности («кипящего слоя») затору придают струями пара и инертного газа, периодически подаваемыми снизу на фильтрационные сита. Это способствует очистке забиваемых пор фильтра и ускоряет процесс фильтрации, превращая его в непрерывный. Но так как при фильтрации столб жидкости и ее давление уменьшаются, то и изменения эти регистрируются датчиками давления жидкости над решеткой и поступают в управляющий процессор, регулирующий подачу (встречную направлению фильтрации) и разбрызгивание промывной жидкости, подачу пара или его замену на азот. Известно, что при повышении температуры решетки происходит повторное растворение ранее коагулированных гумми-веществ, способных забивать поры фильтра [Меледина Т.В., Дедегкаев А.Т, П.Е.Баланов «Технология пивного сусла», Ростов-на-Дону, Санкт-Петербург, Изд-во «Феникс», 2006 г., с.129], поэтому согласно заявляемому способу режим фильтрации проводят в диапазоне температур от 50 до 80°С. Принято во внимание, что чем горячее сусло, тем лучше оно фильтруется. Известно, что при повышении температуры на 1°С вязкость сусла снижается на 0,2% [Люерс, цит. по Ф.Главачек, А.Лхотский. «Пивоварение», перевод с чешского И.В.Холодовой, ред. А.П.Колпакчи - М.: «Пищевая промышленность», 1977, с.180]. Однако избыточный нагрев затора выше 80°С может привести к инактивации ферментной составляющей, поэтому способ предусматривает своевременную замену пара на инертный газ.

В заявляемом способе прочистка фильтрационной решетки осуществляется пузырьками инертного газа в режиме кавитации. Данный принцип используется в известных кавитационных аппаратах для очистки деталей, эмульгирования, гомогенизации, для возбуждения химических реакций, для уничтожения микроорганизмов, экстрагирования из животных и растительных клеток путем разрушения последних, а также интенсификации других технологических процессов, протекающих в жидких средах. [http://www.esi.ru/cavitat.htm].

Заявляемый способ приготовления пивного сусла может быть реализован системой автоматизированного управления, применительно к технологическому процессу фильтрации затора, приведенной на чертеже.

Данная схема включает: управляющий процессор 1; блок управления основным технологическим оборудованием 2; блок управления вспомогательным оборудованием 3, используемым для коррекции качества промежуточного продукта; блок мониторинга технического состояния оборудования 4; основное технологическое оборудование данного этапа процесса пивоварения 5. (5.1, 5.2…5.m); блок контроля качества фильтрата 6; блок сравнения 7; дежурный технолог-оператор 8; стандарт качества 9; специальный канал связи (коррекция стандарта) 10; блок коррекции 11; сигнал выхода отклонения качества промежуточного продукта за критические параметры (тревожный сигнал рассогласования) 12; сигнал внештатной ситуации состояния технологического оборудования (сигнал аварийной технической ситуации для блокировки процесса) 13; мнемосхему текущего состояния процесса (блоки визуализации и архивирования) 14.

Управление процессом ведет управляющий процессор 1 через блок коррекции 11, в котором также анализируется информация от блока 4 мониторинга технического состояния основного оборудования 5.1, 5.2, 5.m и блока контроля качества фильтрата 6, через сигнал рассогласования из блока сравнения 7 и формируется управляющее воздействие на блок управления основным 2 и через него - на блок вспомогательным 3 оборудованием. При этом дежурный оператор-технолог 8 вводит параметры стандарта качества в блок стандарта качества 9 по специальному каналу связи 10; блок контроля качества 6 через блоки 9 и 7 взаимосвязан с блоком и по тревожному сигналу рассогласования 12 связан с управляющим процессором 1. Сигнал аварийной технической ситуации по каналу 13 выводится на мнемосхему 14 текущего состояния процесса через блок управляющего процессора 1.

Заявляемый способ реализуется следующим образом.

Процесс фильтрации начинается с подачи жидкости на фильтрующие поверхности фильтр-чана, при этом происходит обязательный прогрев не только решетки, но и всех металлических составляющих чана. Теплая вода конденсированного пара накапливается между фильтрационными решетками и дном фильтр-чана, что исключает необходимость дополнительной подачи фильтрующейся жидкости в это пространство. Навстречу струям пара сверху на сита фильтр-чана подается затор, подготовленный в соответствии с регламентом фильтрации и прошедший все стадии (фазы) созревания. Для исключения прохождения мелких частиц дробины сквозь поры фильтрационных сит, которые могут создавать мутность отфильтрованной жидкости, начальный уровень воды устанавливается на 1,0-1,5 см выше поверхностей фильтрационных сит. Включение механической мешалки способствует равномерному распределению затора по поверхности фильтрующих элементов, после загрузки всей подготовленной порции затора включаются устройства разбрызгивания промывных вод. При этом дробина не слеживается в «трехслойной лепешке», а находится под двойным воздействием: снизу - струй пара, а сверху - опресненной воды, при этом поддерживается ее взвешенное состояние, что способствует более полному выщелачиванию растворимых компонентов. Перемешивание слоя дробины механическими мешалками включается при повышении уровня жидкой составляющей фильтрующегося затора. Способ предусматривает использование традиционных фильтр-чанов с горизонтальными поверхностями и с возможностью дробной перекачки определенных объемов (например, в гектолитрах) из накопителя отфильтрованной жидкости ниже фильтров в сусловарочный котел. При этом появляется возможность автоматически контролировать процесс фильтрации и полноту экстрагирования по суммарному накоплению растворимых компонентов в общем объеме перекачиваемой жидкости, например, по формуле

[V₁·ρ₁+V₂·ρ₂+…+V_m·ρ_m]=V_Σ·p_Σ≅0,8V_пр·ρ_пр,

где V_1,…,m; ρ_1,…,m - объем и плотность i-й порции отфильтрованного сусла; V_Σ - суммарный объем отфильтрованного сусла; ρ_Σ - суммарная плотность; V_пр - прогнозируемый объем сусла; ρ_пр - прогнозируемая плотность сусла.

Коэффициент 0,8 (от 1,0 - теоретически возможного извлечения из сырья растворимых компонентов) корректируется оператором-технологом по фактическим параметрам качества зернового сырья конкретной порции затора (использование ячменя и солода более низкого класса снижает прогнозируемый коэффициент извлечения, тогда как применение амилолитических ферментов на стадии затирания увеличивает процент осахаривания и ожидаемую экстрактивность начального сусла).

Приближение фактических (действительных) суммарных показателей объема и плотности к прогнозируемым при резком снижении плотности очередной порции отфильтрованной жидкости может рассматриваться как один из признаков для завершения процесса фильтрации. Выгрузку истощенной пивной дробины и удаление избыточных промывных вод проводят согласно регламенту, причем промывные воды могут быть использованы повторно.

Перечисленная последовательность операций фильтрования запрограммирована в управляющем процессоре 1, заложена в блоки управления технологическим оборудованием 2. Параметры оборудования, участвующего в процессе фильтрации, контролируются приборами блока мониторинга технического состояния оборудования 4. В заявляемом способе основными управляемыми параметрами являются: температура фильтрационной решетки, уровень жидкости в чане и в накопителе отфильтрованного сусла, температура и давление пара, расход инертного газа и его давление; помимо pH затора контролируется его редокс-потенциал. Вместо заполнения водой пространства над решеткой согласно заявляемому способу проводится обработка паром всего пространства между фильтрационными ситами и дном чана. Этим достигается не только равномерный прогрев оборудования, но и стерилизация пространства (устранение типичных микробиологических загрязнений); в этом же пространстве (между фильтрами и дном чана) накапливается не требующая специального подогрева жидкость конденсированного пара.

Основной отличительной частью способа является придание взвешенного состояния («кипящего слоя») затору путем воздействия на фильтрационные сита струями пара или инертного газа, подаваемыми снизу под сита вспомогательным оборудованием (парогенераторы, баллоны сжиженного газа), которые управляются блоком управления вспомогательного оборудования 3.

Формула изобретения

Способ получения пивного сусла, включающий дробление солода и зернопродуктов, приготовление затора путем смешивания дробленого солода с водой, который подвергают белковой, мальтозной паузам и осахариванию, с последующим фильтрованием, выщелачиванием сусла, его кипячением с хмелем и выпариванием излишней влаги, причем в процессе приготовления затора осуществляют его гидродинамическую обработку, отличающийся тем, что процесс фильтрования затора проводят через слой взвешенной дробины в диапазоне температур от 50 до 80°С, который поддерживают чередованием струй пара и азота, подаваемых снизу на фильтрационные сита.

Изобретение "СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПИВНОГО СУСЛА" (Третьяк Людмила Николаевна, Герасимов Евгений Михайлович) отмечено юбилейной наградой (25 лет Российской Академии Естествознания)
Медаль Альфреда Нобеля

Оформление наградных документов и заказ каталога