Отчет по летней практике «Производство безалкогольного пива»

Чтобы избежать вымывания с несущей  жидкостью помимо алкоголя и других компонентов пива, фирма APV разработала диализные установки, где в качестве несущей жидкости используется такое же пиво, из которого необходимо удалить алкоголь. Это пиво проходит технически упрощенную вакуумную дистилляцию, в процессе которой алкоголь удаляется, и затем оно закачивается назад на мембрану. Там оно, как было описано выше, выводит алкоголь из основного пива и вновь поступает на вакуумную дистилляцию. Таким образом, цикл завершается. В течение всего этого процесса диализат остается в цикле.

Как правило, процесс длится пять суток  без необходимости проведения мойки установки. Небольшое избыточное давление со стороны пива препятствует переходу в него термических побочных продуктов, отвечающих за "вареный вкус".

Известны  российские и зарубежные патенты на изготовление безалкогольного пива с использованием диализных мембран [13]. Часто используются мембраны немецкого производства, которые в другой модульной конфигурации, используются также для очистки крови у людей с почечной недостаточностью. Этот щадящий способ, используемый в медицинских целях, успешно адаптирован к процессу удаления алкоголя из пива.

4.1.4 Аппараты для диализа

В качестве аппаратов для проведения диализа в основном используют четыре типа аппаратов: объемного типа, змеевиковый, плоскорамного типа (типа «фильтр-пресс») и аппараты с полыми волокнами.

• Диализатор объемного типа

Конструкция диализатора такого типа чрезвычайно проста и представляет собой «мешок» из диализной мембраны, погруженный в диффузат (вода, буферный раствор). Внутри «мешка» находится раствор, подлежащий диализу (разделяемый раствор). Достоинствами такой конструкции является крайняя простота и дешевизна. Но аппараты данной конструкции имеют ряд существенных недостатков. Во-первых, в таком аппарате малая удельная поверхность мембраны. Поэтому, чтобы обеспечить необходимую поверхность, нужны аппараты очень большого размера. Диализаторы этого типа требуют большой площади для проведения процесса и довольно больших по толщине мембран для обеспечения их механической прочности. Кроме того, рассмотренная конфигурация малоэффективна для проведения мероприятий по снижению концентрационной поляризации как внутри, так и снаружи мембранного мешка. Во-вторых, процесс массопереноса протекает крайне медленно, т.к. и диализат, и разделяемый раствор неподвижны и мембраны имеют большую толщину. Поэтому процесс в аппаратах такого типа протекает очень долго, т.е. эффективность диализа крайне низкая.

Такой аппарат впервые применил для своих исследований Т.Грэхем. Аппарат Грэхема включал мембрану, которая закрывала собой открытый конец цилиндра, погруженного в емкость с водой. Цилиндр содержал раствор, подлежащий диализу. Диализная ячейка находилась в воде до тех пор, пока не достигалась необходимая степень разделения.

Впоследствии  для увеличения эффективности диализа  было введено много усовершенствований, однако основная идея конструкции осталась прежней. Усовершенствовалось расположение мембраны и поддерживающих ее систем. С одной стороны или с обеих  сторон мембраны для уменьшения сопротивления  массопереносу было введено механическое перемешивание. Чтобы интенсифицировать  процесс, организуют циркуляцию разделяемого раствора или диализата.

• Диализатор змеевикового типа.

Аппарат этого типа включает мембрану в виде трубки, свернутой в спираль (змеевик), погруженную в ванну с диализатом . В диализаторе данного типа частично решаются проблемы, присущие аппаратам объемного типа. В первую очередь за счет конструктивных особенностей увеличивается площадь мембраны, а за счет того, что организуется прокачивание разделяемого раствора внутри змеевика, интенсифицируется массообмен (возрастает коэффициент массоотдачи).

 

 

• Диализатор типа «фильтр-пресс»

В настоящее время разработаны  многочисленные варианты аппаратов  с использованием различных плоскокамерных фильтрующих элементов. Они бывают прямоугольными или круглыми .

Положительной особенностью диализаторов типа фильтр-пресс  является простота конструктивных решений. Кроме того, в таких аппаратах  можно использовать мембраны малой  толщины, что снижает сопротивление  массопререносу и обеспечивает большой  поток через мембрану растворенного  вещества.

Высокая эффективность работы этих диализаторов может быть достигнута при их применении в таких условиях, когда может  поддерживаться режим противоточного идеального вытеснения.

К основным недостаткам диализаторов с плоскими элементами можно отнести  следующие: использование ручных операций при их сборке и разборке, высокую  металлоемкость, относительно низкую плотность укладки мембран в  единице объема, сложность герметизации отдельных узлов.

В качестве примера можно привести гемодиализатор Гамбро Лундия. Эта  конструкция была разработана шведской фирмой АБ Гамбро в 80-е годы. Диализатор конструкции Гамбро Лундия состоит  из 17 слоев пластин и мембран, уложенных друг на друга подобно сэндвичам с образованием фильтр-прессного пакета. В качестве мембран в этом аппарате использовался купрофан (медноаммиачный целлофан) толщиной около 18 мкм. Общая диализирующая поверхность в аппарате 1 м2. Для заполнения диализатора требовалось 90 мл крови при перепаде давления 30 мм рт. ст. (4 кПа). Оптимальная эксплуатация достигалась при установке диализатора в вертикальное положение с использованием противоточного движения фаз.

• Диализатор с полыми волокнами

Диализатор  этого типа представляет собой пластмассовый, стеклянный или металлический корпус, закрытый крышками с уплотнителями, в который помещен пучок параллельно уложенных полых волокон, концевые части которых закреплены в пластмассовом блоке-коллекторе. Для закрепления концов волокон используют заливочные полимерные составы. Операция закрепления волокон является весьма ответственной, так как именно на этой стадии изготовления разделительных элементов обеспечивается герметичность торцевых частей аппарата. Аппараты такого типа нашли широкое применение в качестве гемодиализаторов для аппаратов «искусственная почка».

 

 

 

4.2. Термический способ удаления спирта. Вакуумная дистилляция

Помимо  мембранных технологий используют также  термические методы деалкоголизации пива, например перегонку.

Перегонкой  можно разделить смеси, компоненты которых при одном и том  же давлении имеют различные температуры  кипения; в результате смесь разделяется  на легколетучие и труднолетучие  вещества. Перегонка этанола из пива при атмосферном давлении приводит к значительному ухудшению его  вкусовых качеств, так как процесс  идет при высоких температурах. Исходя из этого, деалкоголизацию пива термическими методами необходимо осуществлять под вакуумом, т.е. в разреженном пространстве при абсолютном давлении 0,04-0,2 бар, благодаря чему процесс может протекать при температурах 30…55 °С; при этом вкусовые качества полученного пива зависят от температуры и длительности теплообработки. Температура и длительность процесса обратно пропорциональны друг другу.

Во  всех методах термического удаления этилового спирта применяют вакуумно-перегонные аппараты с различными конструктивными  особенностями теплопередачи. Для  вакуумной перегонки используют: вакуумные перегоночные установки; выпарные аппараты с нисходящим движением  жидкости; многоступенчатые перегоночные колонны; трехступенчатые пластинчатые испарители; центробежные испарители.

В вакуумной перегоночной установке подлежащее деалкоголизации пиво нагревается в пластинчатом теплообменнике до 45 °С и направляется в эпюрационную колонну , при входе в которую давление пива падает. При этом из пива испаряются легколетучие ароматические компоненты, которые позднее вновь добавляются к пиву в рекомбинационной емкости. В вакуумной спиртовой колонне при 55 °С пиво освобождается от спирта, который осаждается в оросительном конденсаторе. Безалкогольное пиво охлаждается до 4°С на регенерационном теплообменнике, а затем (до 0…1 °С) в  и поступает в рекомбинационную емкость , где вновь смешивается с легколетучими ароматическими веществами.

С целью достижения одинаковых качественных показателей у всех партий пива, содержание этанола снижают до 0,3 %, а потом увеличивают эту концентрацию до 0,5 % путем добавления пива на стадии завитков, молодого пива или готового к розливу пива. Таким образом, ароматические вещества вновь попадают в пиво и отчасти выравнивают  вкус.

Рис.5 Пленочный выпарной аппарат - это вертикальный стальной цилиндрический сосуд сварной конструкции, который состоит из четырех основных частей: распределительной камеры 1, распределительного устройства 2, паровой камеры 3, соковой камеры 4.[ 2]

 

 

 

 

 

 

 

4.3  Технологические способы  подавления образования спирта

Другая возможность  приготовления безалкогольного  пива состоит в том, чтобы не проводить  спиртовое брожения вообще или прерывать  его тогда, когда концентрация спирта еще низка. При этом напиток имеет  сладковато-бумажный привкус вследствие высокого содержания несброженных углеводов  сусла.

К способам подавления образования этанола  относят: применение иммобилизованных дрожжей; сбраживание сусла специальными штаммами дрожжей; прерывание брожения при концентрации этанола ниже 0,5 %; метод контакта дрожжей с суслом при низких температурах.

Сусло и пиво – совершенно разные по своему химическому  составу продукты. И для того, чтобы получить пиво со степенью сбраживания 10-20%, похожее на классическое пиво, надо регулировать химический состав сусла при затирании и создавать  оптимальные условия при брожении для образования максимального  количество вторичных продуктов  метаболизма дрожжей.

• Затирание

Количество  и качество экстракта, получаемого  при переработке одного и того же вида сырья, можно регулировать в  определенных пределах путем изменения  условий затирания. На качество экстракта  в значительной степени влияют температура, концентрация и величина рН затора.

При выборе способа получения пивного сусла  следует регулировать содержание сбраживаемых углеводов, определяющих конечную степень сбраживания; регулировать отношение сбраживаемых углеводов к несбраживаемым; обеспечить достаточно высокий уровень среднемолекулярных и высокомолекулярных белков для достижения полноты вкуса и пеностойкости пива. Также важны начальная концентрация сусла, степень и способ охмеления, длительность кипячения.

• Брожение

При проведении процесса брожения следует обратить внимание на характеристику штамма дрожжей. Во время брожения в процессе метаболизма  дрожжей возникают побочные продукты, многие из которых претерпевают дальнейшие изменения. Эти побочные продукты брожения наряду с составными частями хмеля  в значительной мере определяют вкус и аромат пива. Во время процесса брожения можно регулировать количественное соотношение вторичных метаболитов  дрожжей, которые играют ключевую роль в формировании вкуса и аромата  пива.

Факторы, которые  подвергаются регулированию: состав и  концентрация среды, интенсивность  аэрации пивного сусла, температура, величина рН, норма введения дрожжей, давление.

• Состав и концентрация среды.

Дрожжи  развиваются в пивном сусле, и  их жизнедеятельность во многом определяется его составом, от которого зависят  скорость размножения дрожжей и  количество образующейся биомассы. Как  состав (углеродный и азотистый), так  и начальная массовая доля сухих  веществ в сусле будут влиять на формирование вкуса пива во время  брожения. Высокий уровень свободного аминного азота (более 180 мг/дм3 сусла с массовой долей сухих веществ 12 %) в сусле стимулирует рост дрожжей, в результате чего будет образовываться больше эфиров и высших спиртов.

• Аэрация.

 При нормальных  условиях брожения пивного сусла  98 % сбраживаемых углеводов расходуется на брожение и только 2 % – на дыхание. Путем аэрации сусла можно изменить соотношение углеводов, расходуемых на брожение и на дыхание (эффект Пастера). Кислород стимулирует рост и жизнеспособность дрожжей, в то же время его излишнее количество приводит к увеличению окислительно-восстановительного потенциала, чрезмерному накоплению биомассы дрожжей, повышенному образованию вторичных продуктов метаболизма дрожжей: кислот, высших спиртов, альдегидов и др., которые при приготовлении безалкогольного пива технологическими методами служат положительными факторами.

• Температура.

 Температура  – один из доступных способов  регуляции метаболизма дрожжей.  Она влияет на скорость клеточных  реакций, природу метаболизма,  пищевые потребности и состав  биомассы, а также на синтез  вторичных метаболитов, что особенно  важно для сенсорного профиля  пива. При повышенной температуре возрастает концентрация ацетальдегида, который является промежуточным продуктом в процессе спиртового брожения и придает пиву привкус недозревшего яблока (вкус зеленого яблока). Пониженная температура плохо влияет на образование компонентов вкуса и аромата готового пива, в частности на синтез высших спиртов, содержание которых не должно превышать 100 мг/дм3.

При низких температурах уменьшается образование  эфиров, которые являются важнейшими компонентами готового пива, но при  длительном дображивании может произойти увеличение эфиров в два раза.

• Величина рН.

Как и температура, она влияет на метаболизм дрожжей, что  отражается на выходе биомассы, скорости роста клеток и синтезе вторичных  метаболитов. Значение величины рН оказывает  влияние на природу конечного  продукта сбраживания Сахаров. При  производстве пива величина рН во время брожения значительно падает: с 5,0 – 5,2 единиц в сусле до 4,2-4,4 в готовом пиве.