Отчет по летней практике «Производство безалкогольного пива»

3.5 Розлив пива в бутылки

Розлив  пива осуществляется на линии розлива  производительностью 12 тыс. бутылок в час. По пути к моноблоку пиво проходит через пластичный теплообменник (пастеризатор), где нагревается до температуры 80°С и опять охлаждается. С помощью машины для извлечения бутылки (поз. 48) стеклотара извлекается из ящиков и контейнером подается в бутылкомоечную машину (поз. 49), где стеклотара проходит следующие технологические стадии:

• полное опорожнение бутылок (удаление остатков);
• отмочка;
• щелочная ванна;
• щелочное шприцевание;
• промежуточное шприцевание;
• шприцевание горячей водой;
• шприцевание холодной водой;
• шприцевание свежей водой.

Чистая  бутылка через световой экран (поз. 50) конвейером подается к моноблоку (поз. 51), где наполняется пивом  и укупоривается кронен-пробкой. Далее через бракетажную машину (поз. 52), пастеризатор (поз. 53) и этикетировачную машину (поз. 54) подается на упаковку в полиэтиленовую пленку (поз. 55).Далее готовая продукция отправляется на склад готовой продукции, где хранится при температуре от 10 до 20°С.

 

 

 

 

 

 

 

 

Для получения безалкогольного пива, допустимая концентрация этанола в  котором не превышает 0,5 %, используют физико-химические, технологические и биохимические методы.

4. Физико-химические методы

Из  физико-химических методов в практике широко и эффективно применяют метод  диализа, обратный осмос, вакуумную  дистилляцию и упаривание. Диализ и обратный осмос относят к  мембранным технологиям, при которых  деалкоголизация пива осуществляется с помощью специальных селективных мембран. В состав мембран входят различные материалы – целлофан, каучук, полиэтилен, полистерол, целлюлоза и ее различные производные, из которых следует выделить ацетилцеллюлозу, пористое стекло и т.д. Из новых типов мембран в настоящее время применяют мембраны в виде полых волокон с внутренним диаметром 20-100 мкм и толщиной 10-50 мкм.

В России универсальные ацетатцеллюлозные мембраны выпускает фирма Владипор, кроме того, пользуются спросом мембраны фирм Миллипор и Амикон (США).

4.1. Мембранные методы

4.1.1. Обратный осмос

Обратный  осмос — это способ разделения растворов путем их фильтрования через полупроницаемые мембраны, пропускающие растворитель и задерживающие молекулы или ионы растворенных веществ [3].

В основе метода разделения раствора обратным осмосом лежит явление самопроизвольного перехода растворителя через полупроницаемую мембрану в раствор (рис 1 а). Если давление над раствором ниже осмотического (р < π),то растворитель будет переходить в раствор до достижения осмотического равновесия в системе. Равновесное состояние наступает, когда гидростатическое давление между раствором и растворителем, определяемое разностью уровней, станет равным осмотическому давлению (р = π), (рис 1 б). Если после достижения осмотического равновесия со стороны раствора приложить давление, превышающее осмотическое (р > π), то растворитель начнет переходить из раствора в обратном направлении (рис 1 в). В этом случае имеет место обратный осмос. Растворитель, прошедший через мембрану, называют фильтратом. Движущей силой процесса обратного осмоса является перепад давления. р = р – π, где р — избыточное давление под раствором; π — осмотическое давление раствора.

а)                           б)                              в)

Рис. 1. Разделение раствора обратным осмосом.

Для приблизительного расчета осмотического давления может быть использована формула Вант-Гоффа π = xRT, где x — мольная доля растворимого вещества; R — газовая постоянная; T — абсолютная температура раствора [6].

Осмотические  давления растворов могут достигать десятков мегапаскалей. Давление в обратноосмотических условиях должно быть значительно больше осмотического, так как эффективность процесса определяется движущей силой — разностью между рабочим и осмотическим давлением [10].

При удалении алкоголя из пива с помощью обратного осмоса избыточное давление со стороны пива составляет примерно 35 бар.

Селекционный  процесс мембраны связан только с размером молекул, поэтому через нее проходят не только молекулы воды и этилового спирта, но также и другие молекулы того же размера. Путем удаления воды и спирта пиво подвергают концентрированию. Для снижения содержания алкоголя до 0,5 % потребовалась бы 10-кратная концентрация. Это невозможно, поскольку в процессе концентрации постоянно увеличивается осмотическое давление в пивном концентрате. Поэтому специалистами применяется следующий прием: добавляя специально обработанную воду, постепенно пивной концентрат разбавляют до достижения конечного содержания алкоголя, т.е. этиловый спирт вымывают. При использовании этого способа, именуемого также диафильтрацией, вымываются и другие молекулы, в результате чего появляется водянистый вкус пива [6].

При удалении спирта с помощью обратного осмоса (рис. 2), заранее отфильтрованное пиво из буферного танка (1) с помощью насоса (2) перекачивается в систему, состоящую из насоса высокого давления (3), обратного клапана (6) и разделительного модуля (4). Насосом (3) в разделительном модуле создается давление до 40 бар, и порциями или непрерывно пиво перекачивается сквозь него. Разделительный модуль представляет собой фильтровальный аппарат, в котором фильтрующей перегородкой является полупроницаемая мембрана из хлопковой целлюлозы или ацетатцеллюлозы (5), установленная тангенциально к направлению потока. С поверхности мембранны постоянно смываются от экстрактивные вещества, прежде всего глюканы, благодаря возникающим касательным напряжениям.

Прошедшая через мембрану водно-спиртовая смесь называется фильтратом (7). Поскольку вода непрерывно уходит из раствора, она должна постоянно добавляться после удаления солей и деаэрирования (8). Благодаря выше перечисленным этапам содержание спирта заметно уменьшается. Готовое безалкогольное пиво из установки выходит по линии (9).

Такое фильтрование называется фильтрованием  в поперечных потоках.

В процессе различают три фазы:

• - фаза концентрирования. При прохождении пива через модули образуется около 2,2 л пермеата на гл пива. При этом концентрация спирта и экстрактивных веществ возрастает. Определенная концентрация некоторых веществ, прежде всего b-глюканов, уменьшает проницаемость мембран, что ограничивает производительность установки на стадии концентрирования;
• - фаза диафильтрации. В данной фазе концентрированное пиво, взамен ушедшего фильтрата разбавляется обессоленной водой до тех пор, пока не будет достигнуто желаемое содержание спирта;
• - фаза восполнения. Концентрированное пиво разбавляется водой до первоначального объема, при этом содержание спирта падает ниже 0,5%. Одновременно пиво насыщается СО2, поскольку из-за обратного осмоса и добавления воды в пиве почти не остается диоксида углерода [6].

Пиво  после деалкоголизации методом обратного осмоса претерпевает изменения в своем химическом составе, так как при удалении спирта из пива вымываются также другие компоненты, имеющие размеры молекул близкие к воде и спирту. Более того, процесс обратного осмоса протекает под большим избыточным давлением, что приводит к увеличению температуры пива.

4.1.2 Состав установки обратного осмоса

. На Рис. представлена принципиальная технологическая схема типовой одноступенчатой обратноосмотической установки. Ниже На Рис. приведен общий вид ОО-установки.

          Первой  стадией процесса обратного осмоса  является тонкая очистка исходного сырья от механических примесей. Обычно для этого используются фильтры патронного типа, размещаемые в однопатронных или мультипатроных фильтродержателях, в зависимости от производительности ОО-установки.  Данный фильтр относится к фильтрам периодического действия, работающим под давлением. Механизм работы патронных фильтрующих элементов относится к глубинной и/или поверхностной фильтрации, т.е. механические примеси, задерживаемые фильтрующим элементом, накапливаются внутри слоя фильтрующей перегородки.

Раствор, очищенный на патронных фильтрах, подается на насос высокого давления, назначением которого является достижение давления исходной среды расчетного давления для осуществления массообменных процессов, протекающих на полупроницаемых обратноосмотических мембранах. Подбор высоконапорного насоса производится исходя из его рабочей характеристики. При этом рабочая точка насоса должна находится в диапазоне от 0,6 – 0,7 максимальной его производительности.

          При невозможности установить «паритет» между давлением и производительностью насоса высокого давления (а это бывает чаще всего) между всасывающим и нагнетающим патрубками насоса устанавливается байпассный вентиль, с помощью которого и осуществляется данная операция (по показаниям ротаметра и манометра исходного сырья, поступающей на установку обратного осмоса). Регулировка процесса повышения давления исходной воды производится один раз в процессе пуско-наладочных работ. В процессе эксплуатации ОО-установки осуществляется только контроль указанных параметров исходного сырья. 

После того как давление исходного сырья повышено, оно поступает на модули, в которых размещены обратноосмотические мембраны, где собственно и происходит разделение исходного сырья на пермеат и концентрат. Концентрат, выходящий из установки обратного осмоса, имеет достаточно высокое давление и его транспортировка к месту сброса или утилизации не вызывает особых трудностей. Давление пермеата после обратноосмотической установки редко превышает 1 атм. Поэтому, чаще всего его приходиться подавать в накопительную емкость, откуда с помощью повышающего насоса он транспортируется на дальнейшие стадии очистки.

          Несколько отдельных ОО-модулей,  размещенных параллельно или  последовательно по отношению  друг к другу, образуют каскад. Задача инженера, проектирующего  ОО-установку — собрать модули таким образом, чтобы оптимизировать систему при минимальной себестоимости продукта. Схема потоков в модуле является одним из главных факторов, определяющих степень достигаемого разделения.

4.1.3. Диализ

Тенденция к достижению равновесия по обе стороны мембраны является движущей силой процесса и в диализе. Процесс отличается от осмоса, но молекулы углеводов, спиртов и др. проникают через мембрану до достижения равновесия, без всякого воздействия давления и при низкой температуре.

При удалении алкоголя данным методом с одной стороны мембраны подается пиво, охлажденное до 10°С, при нормальной скорости потока и нормальном давлении. С другой стороны мембраны идет поток несущей жидкости, диализата, вымывающего алкоголь из пива через мембрану и направляющего его на дальнейшую переработку (рис. 3). На процесс удаления алкоголя не влияют ни давление, ни температура. Значение имеет только разность концентраций по обе стороны мембраны, причем процесс занимает не более 13секунд.

          При диализе используются мембраны в виде полых волокон с тонкими стенками. Полые волокна имеют диаметр равный 50–200 мкм и обладают микропорами. В одном модуле расположено много тысяч связанных друг с другом микропористых мембран, закрытых с обоих концов. Пиво равномерно продавливается сквозь них, в то время как диализат обтекает полые волокна в обратном направлении, при этом все растворенные вещества, находящиеся по обе стороны мембраны, стремятся достичь равновесия друг с другом. Это означает, что алкоголь из пива будет переходить в диализат, пока с обеих сторон не будет достигнута одинаковая концентрация спирта. Переход алкоголя в диализат осуществляется за счет разности концентраций. Диализат протекает через модули с большей скоростью и меньшим давлением, чем пиво. Количественное соотношение пива к диализату 1:5 соответственно. Пиво, подлежащее деалкоголизации, перед входом в модули заранее фильтруется и, переходя через модули, частично или полностью освобождается от спирта. После выхода из модуля пиво охлаждается, карбонизируется и направляется в форфас.

Диализат  из модуля поступает в регенерационный  теплообменник предварительного нагрева, нагревается за счет теплоты диализата, возвращающегося из колонны (рис. 4). После этого теплообменника обогащенный спиртом диализат поступает в кожухотрубный теплообменник для нагрева до технологической температуры. Подогретый диализат попадает в колонну, где он распыляется на элементы насадки с помощью специального распылительного устройства. Распыляемый сверху диализат подвергается термической деалкоголизации посредством поднимающегося снизу пара из парогенератора.

Деалкоголизированный диализат собирается в нижней части колонны, из которой насосом перекачивается в регенерационный теплообменник. После предварительного охлаждения, диализат поступает в охладитель, где охлаждается до технологической температуры, после чего поступает в накопительный бак диализата.

Высказывание, что сквозь мембраны диффундирует только спирт, конечно, очень условно. В действительности, пиво теряет при диализе большое количество легколетучих побочных продуктов брожения, СО2 и сухих веществ. Это связано с тем, что при обработке диализата вместе со спиртом отгоняется и значительная часть других летучих субстанций, в особенности эфиров и высших спиртов. Снижение содержания некоторых эфиров может достигать до 65%. Но во всех других способах удаления спирта никогда не происходит исчезновения одного лишь этанола, поскольку другие летучие вещества претерпевают похожие со спиртом процессы. Несмотря на это, диализ остается сегодня наиболее современным хотя и дорогостоящим методом снижения содержания спирта.