НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ СУСЛОВАРОЧНЫЙ КОТЕЛ

Полезная модель относится к пивоваренной промышленности, в частности, к устройствам стерилизации сусла и варки сусла с хмелем.
Сусловарочный котел предназначен для отвара отфильтрованного сусла с хмелем с целью придания суслу заданных свойств, как по плотности, экстрактивности, так и его обогащению компонентами хмеля.
В технологической инструкции по производству солода и пива [ТИ 18-6-47-85, с.83-84 Раздел 5.7.4 «Применение экстрактов хмеля»] предусмотрена определенная длительность варки, определяемая как числом подаваемых порций отфильтрованного сусла, так и длительностью процесса максимального извлечения флавонидов и других компонентов из брикетов хмеля. При этом ТИ 18-6-47-85 регламентирует норму внесения экстрактов хмеля на 1 дал горячего сусла, приняв показатель наличия α-кислот за критерий качества «горечи экстракта хмеля».
Современные исследования в области изучения влияния компонентов хмеля на качество пива и здоровье потребителя привели к выводу о прямой взаимосвязи концентраций твердых смол хмеля в готовом пиве как одной из причин возникновения рака прямой кишки. Этот факт заставляет отказаться от кипячения сусла с хмелем. Доказано, что внесение хмелевого эфирного масла (дозы - 1-5 г/гл) в сусловарочный котел приводит к его большим потерям. При внесении хмелевого эфирного масла перед брожением (0,5-2,0 г/гл) меняются его характерные свойства из-за метаболизма дрожжей и под действием химических реакций с летучими соединениями - продуктами брожения. Оптимальным принято внесение хмелевого эфирного масла (0,05-0,3 г/гл) перед фильтрованием, что обеспечивает требуемую интенсивность хмелевого вкуса, аромата и характера молодого пива [цит. по C.Schonberger, Joh. Barth. «Переработка хмеля». В кн. «Новое в пивоварении» // ред. Ч.У.Бэмфорт // 2007, с 143-167].
В связи тем, что исчезла необходимость варки сусла с хмелем для получения качественного пива, возникла необходимость разработки нового типа сусловарочного котла.
Известен сусловарочный котел с внутренним нагревательным элементом - паровой теплообменник (перколятор) [Федоренко Б.Н. Пивоваренная инженерия, СПб, Профессия, 2009, - с.442]. При этом внутри аппарата размещен паровой нагреватель, который представляет собой кожухотрубчатый теплообменник. В межтрубное пространство теплообменника подают греющий пар при избыточном давлении до 0,3 МПа, а в открытых с обеих сторон трубах циркулирует сусло. Теплообменник зафиксирован в аппарате на трех трубчатых опорах, которые одновременно являются трубопроводами для подвода в межтрубное пространство греющего пара и отвода из него конденсата. Непосредственно к верхней трубной решетке теплообменника по ее периметру примыкает конический диффузор, сужающий поток сусла, выходящего из труб теплообменника и имеющий отбойный отражатель струй сусла, препятствующий выбросу сусла в верхнюю часть аппарата [Федоренко Б.Н. Пивоваренная инженерия, С.442. рис 6.70].
Длительность варки (пребывания сусла в сусловарочном котле) в том числе определяется необходимостью выпаривания сусла для повышения его экстрактивности. При сильном разбавлении сусла его концентрацию можно повысить выпариванием. Конструкция котла громоздка, энергозатратна и не учитывает современных достижений в области ускоренной стерилизации сусла.
Известна конструкция сусловарочного котла, в котором выпарной аппарат вынесен за пределы котла [Егоров Е.В. и др. АСУ ТП сусловарочного производства на комбинате им. Степана Разина // промышленные АСУ и контроллеры, 2002, №9, С.12-15]. Эта конструкция сусловарочного котла принята нами за прототип.
Однако конструкция котла направлена на устранение ошибок предыдущего технологического этапа фильтрации затора, требующих термической концентрации (выпаривания) излишне разбавленного сусла. Известно, что для стерилизации сусла вполне достаточно прокипятить его в течение 15 мин [Б.Н.Федоренко, Пивоваренная инженерия, изд-во СПб, Профессия, 2009 - С.423: раздел «Стерилизация сусла»].
Все остальные функции сусловарочного котла могут быть реализованы в низкотемпературных условиях. В частности, сусло для полноты осахаривания можно выдерживать в течение 2 час. при температуре от +55 до +57°С, затем 1 час. при температуре от +65 до +68°С, после чего стерилизовать при +85°С - 20 мин., а затем охлаждать от +52 до +50°С. [Государственный институт по проектированию предприятий пищевой промышленности №2 «ГИПРОПИЩЕПРОМ-2». - Нормы технологического проектирования предприятий спиртовой промышленности; ВНТП 34-93; Комитет РФ по пищевой и перерабатывающей промышленности. Москва 1993 г./ Разработаны Государственным институтом по проектированию предприятий пищевой промышленности «Гипропищепром-2» / http://www.docload.ru/Basesdoc/9/9797/index.htm].
Подводя итог существующих в мировой практике вариантов кипячения сусла, известный специалист в области пивоварения В. Кунце неоднократно подчеркивает, что короткая продолжительность кипячения и низкая термическая нагрузка на сусло дают лучшую вкусовую стабильность пива [Кунце В. Технология солода и пива, Изд-во Профессия, 3-е издание, 2009 С.320, 342].
Таким образом, дорогостоящий и энергозатратный высокотемпературный сусловарочный котел не соответствует направлению мирового технического развития технологии пивоварения.
Техническим результатом заявляемой полезной модели низкотемпературного сусловарочного котла является оптимизация устройства сусловарочного котла и приведение его в соответствие с современными достижениями смежных наук, в первую очередь, внедрение автоматизации производственного процесса и энергоэкономичное выполнение задач, стоящих перед конкретным этапом пивоваренного процесса, а именно: подготовка сусла к подаче на этап основного брожения.
Техническая задача решается тем, что в известном устройстве сусловарочного котла, оснащенного паронагреваемой термостатирующей рубашкой и содержащего выпарной аппарат, вынесенный за пределы котла, согласно полезной модели котел оснащен выносными СВЧ-пастеризатором и теплообменным холодильным агрегатом, при этом котел оснащен плавающей крышкой, на которой размещены уровнемеры, датчики контроля качества сусла и дозаторы технологических добавок, функционально взаимосвязанные с управляющим микропроцессором.
Заявляемая полезная модель не предусматривает этапа кипячения сусла с хмелем, замененного нами по требованию современных технологий пивоварения внесением хмелевых горечей, хмелевого масла и ксантогумола непосредственно в готовое пиво перед этапом бутылирования. Это позволило отказаться вообще от кипячения сусла, заменив стерилизацию кипячением на более быструю и экономичную СВЧ-пастеризацию. Кроме того, отказ от кипячения создает экономию энергии на обязательное последующее охлаждение сусла перед его подачей на основное брожение и позволяет проводить охлаждение непосредственно в сусловарочном котле.
Заявляемая полезная модель низкотемпературного сусловарочного котла представлена на чертеже.
Сусловарочный котел включает корпус котла 1, оснащенный плавающей крышкой 2 с тремя роликовыми направляющими 3, позволяющими ей перемещаться снизу вверх котла в зависимости от его наполнения поступающими после фильтрации затора порциями, причем плавающая крышка 2 содержит беспроводные датчики-измерители температуры 4, плотности сусла 5, датчик-измеритель кислотности сусла 6, а также верхний 7 и нижний 8 измерители уровня сусла в котле 1, а также контейнер-дозатор технологических добавок 9, добавляемых в сусло в качестве корректирующих мероприятий для приведения к стандарту фактических параметров сусла, при этом дозатор 9 оснащен дистанционно управляемым краном 10. Подача сусла в котел 1 после фильтрации затора осуществляется порционно через СВЧ-пастеризатор 11, оснащенный управляемым краном 12, причем подача пастеризованного сусла в котел 1 осуществляется через дистанционно управляемый кран 13, расположенный в нижней части котла 1 над входом в котел циркуляционного насоса 14 напротив элемента (змеевика) 15, являющегося частным вариантом технического решения конструкции выносного теплообменного холодильного агрегата 16, соединенных посредством дистанционно управляемого крана 17, регулирующего подачу хладагента. Другим вариантом охлаждения сусла принят вариант охлаждения сусла забираемого из котла в выносной теплообменный холодильный агрегат 16 с последующим возвратом охлажденного сусла в котел 1. Взаимодействие датчиков-измерителей и исполнительных механизмов осуществляется микропроцессором 18 по линиям беспроволочной связи. При этом выпарной аппарат 19 соединен с сусловарочным котлом 1 дистанционно управляемым краном 20. Для санитарной обработки котла 1 предусмотрена линия подачи промывной воды 21 и сброс в канализацию по линии 22. Сусло, подготовленное для основного брожения, подается на фильтрацию через линию 23.
Заявляемая полезная модель работает следующим образом.
Сусло поступает через управляемый кран 12 в выносной СВЧ-пастеризатор 11, где его выдерживают не более 1 минуты.
2
Известно, что в СВЧ-пастеризаторе темп нагрева обрабатываемых жидкостей составляет +250-350°С в секунду (тогда как в традиционных пастеризаторах всего 1-5°С). При этом на микроорганизмы действуют три факторы: мгновенный нагрев (около 0,08 с) с созданием мнимого источника тепла внутри бактерий; высокий градиент температуры (от 4 до 350°С в секунду); высокая плотность СВЧ-энергии (не менее 800 Вт/см). Полная пастеризация пива происходит за 1,5-2,0 секунды при температуре пастеризации +65°С. Молниеносность нагрева гарантирует сохранение органолептических характеристик продукта [патент RU №2106766 «СВЧ-установка для пастеризации и обеззараживания жидкостей», опубликован 10.03.1998 г].
Обработанная в СВЧ-пастеризаторе 11 порция сусла поступает через управляемый кран 13 в нижнюю часть сусловарочного котла 1, что обеспечивает частичное перемешивание с порциями сусла предшествующих фильтраций. Гомогенизации температуры и состава разных порций сусла по всему объему котла 1 способствует работа циркуляционного насоса 14, периодически включаемого по команде микропроцессора 18 между циклами закачки пастеризованного сусла. Охлаждение всего объема находящегося в котле 1 сусла осуществляется либо при контакте сусла с конструктивным элементом (змеевиком) 15, являющимся частным вариантом технического решения конструкции выносного теплообменного холодильного агрегата 16, либо непосредственно в выносном теплообменном холодильном агрегате 16 (на чертеже показан вариант охлаждения сусла змеевиком 15, расположенным внутри котла 1). При этом запрограммированные и контролируемые параметры сусла (температура, плотность, кислотность), находящегося внутри котла, измеряются датчиками - измерителями 4, 5, 6, размещенными на плавающей крышке 2 котла 1, конструктивно всегда расположенными в верхних слоях накапливающегося стерилизованного сусла. Информационный (мониторинговый) поток в микропроцессор 18 позволяет вести дистанционное программируемое управление процессом накопления сусла, подготавливаемого к этапу основного дрожжевого брожения. Соотношения показателей расходомера (на чертеже не показан) при входе в СВЧ-пастеризатор 11 с заведомо известными объемами котла между верхним 7 и нижним 8 измерителями уровней сусла в котле 1 позволяют контролировать объем сусла, подаваемого на фильтрацию по линии 23. Санитарная обработка котла 1 может осуществляться посредством промывания котла 1 по линии подачи промывной воды 21 с участием циркуляционного насоса 14 и сбросом в канализацию по линии 22.
Охлаждение сусла является обязательным при любых технологиях и рассматривается как способ физико-химической стабилизации пива (охлаждение пивного сусла снижением его температуры до 5-7°С согласно ТИ 18-6-47-85, Раздел 7. Охлаждение и осветление сусла. С.91). Перекачка охлажденного сусла на фильтрацию перед подачей в танк брожения производят по команде управляющего процессора 18 по показаниям уровнемеров 7-8, свидетельствующих об уровне заполнения котла 1. Применение выпарного аппарата 19 согласно заявляемой полезной модели производится только в случае необходимости повышения плотности сусла, особенно в тех случаях, когда этого не удается достичь корректирующими состав сусла добавками через дозатор 9 ввода технологических добавок.
Заявляемое техническое решение, кроме существенного снижения энергозатрат на длительное кипячение относительно прототипа, имеет и другое преимущество, а именно: стерилизация сусла, предназначенного для основного брожения, исключает этап кипячения с хмелем и проводится как этап низкотемпературной стерилизации. Это исключает накопление в составе сусла токсичных психогенных соединений белков с углеводами, известных как тиобарбитуровое число, меланоидины, пиридины и пиримидины.
В заявляемой полезной модели охлаждение сусла проводят в сусловарочном котле 1 посредством выносного теплообменного холодильного агрегата, в частности, с использованием внутри котлового змеевика 15, в котором циркулирует хладагент (например, полиэтиленгликоль). При этом длительность работы циркуляционного насоса 14, гомогенизирующего температуры сусла по объему котла 1, управляется микропроцессором 18 по показаниям датчиков-измерителей температуры 4, расположенных на плавающей крышке 2 сусловарочного котла 1.
Проектное технико-экономическое моделирование показало преимущество выполнения выносными устройствами выпарного аппарата и теплообменного холодильного агрегата перед размещением этих функциональных блоков в составе (внутри) секций термостатирующей рубашки котла (верхние секции рубашки сусловарочного котла - холодильник с циркуляцией хладагента-полиэтиленгликоля, нижние секции котла - нагреватель-кипятильник сусла с пароциркуляцией). Эксплуатационный прогноз также показал преимущества обслуживания выносных блоков перед встроенными.
Применение разработанной нами полезной модели низкотемпературного сусловарочного котла делает излишними последующий технологический этап: «охлаждение сусла, подаваемого на брожение», использующих крупногабаритные устройства, такие как многочисленные модификации охлаждения и осветления пивного сусла: на холодильной тарелке, в отстойном и в гидроциклонном аппаратах, в сепараторе, на фильтрах, трубчатых и пластинчатых теплообменниках, обязательные при использовании высокотемпературных сусловарочных котлов [Основные процессы пивоварения. Охлаждение и осветление пивного сусла / Ермолаева Г.А. // Пиво и напитки - 1998 - №3 - с.10-13].
Заявляемая полезная модель, сделав выносными основные функциональные блоки, а также разместив датчики средств автоматики на плавающей крышке внутри сусловарочных котлов, позволяет без капитальных затрат модернизировать существующие сусловарочные котлы действующих пивоваренных предприятий.