УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАЗМНОЖЕНИЯ СЕМЕННЫХ ПИВНЫХ ДРОЖЖЕЙ

Полезная модель относится к пивоваренной промышленности, а именно к устройствам для размножения семенных пивных дрожжей для введения дрожжей в аппарат брожения на этапе основного брожения.
ТИ 18-6-47-85 [Технологическая инструкция по производству солода и пива, М.:1985 г., С.102-103] предписывает рост и увеличение объемов семенных дрожжей производить путем многократных пересевов из емкости в емкость с удвоением объема добавляемого стерильного сусла, используемого как культуральная среда.
Процедура очень длительная и трудоемкая, требующая стерилизации сусла кипячением с последующим охлаждением в специальных устройствах - пропагаторах, дооснащаемых устройствами стерилизации воздуха. Для размножения семенных дрожжей до объема, необходимого для введения в аппарат брожения, пивоваренному предприятию необходимо поочередно использовать несколько устройств нарастающего объема.
Из известных технических решений наиболее близким является устройство для размножения пивных дрожжей, предложенное Вакербауэром [Wackerbauer, К., Zufall, C: Dresdner Brauertag, 17.4.1998, ref. Briforum 5 (1998 s.133-134)], содержащее цилиндроконический танк (ЦКТ), снабженный рубашкой, служащей для подвода пара и охлаждающей среды, и кроме вакуумных и предохранительных клапанов, оборудованный моющими головками, при этом стерильный воздух подают через аэрационную насадку. При этом чистую культуру из колбы предварительного разведения переносят в колбу Карлсберга в разведении 1:200; затем из колбы Карлсберга - в пропагатор в разведении 1:300; после чего переносят в танк чистой культуры в соотношении 1:20 для последующего внесения в ЦКТ на каждые 500 гл. сусла. Таким образом, за 2,5-3 дня наращивают объем дрожжей, достаточный для одной варки, который перекачивают в танк разбраживания. До этого танк заполняют суслом наполовину; сусло стерилизуют в течение 15 минут и охлаждают до+20°С.При этом в танке разбраживания проводят активную аэрацию размножающихся дрожжей стерильным воздухом: в первый день - 1 минута через интервал в 15 минут; во второй день - 1 минут через интервал в 5 минут. Только после этого полученную биомассу дрожжей переносят в аппарат основного брожения, различающийся по емкости для различных предприятий.
Недостатком устройства является необходимость перекачивания порций размножающихся дрожжей через несколько устройств. Кроме того, недостатком устройства является использование сусла как неполноценной культуральной среды и неиспользование специально адаптированных сред. В этих условиях на каждом этапе разведения дрожжей число клеток может соответствовать только верхней границе возможного максимума [Manger,H.J., Annemuller.G.: Speed of Yeast Propagation in Breweries-Basis for Planning and Sizing a Yeast Propagatin Plant.Brauwelt Internat. 19.2001, 117-123]. При этом возникает т.н. «эффект Грабтри». Эффект Грабтри является причиной того, что при разведении дрожжей в сусле невозможно препятствовать образованию этилового спирта, блокирующего размножение дрожжей путем уничтожения молодых почкующихся клеток [Magner. H.J., Annemuller.G.; Speed of Yeast Propagation in Breweries-Basis for Planning and Sizing a Yeast Propagation Plant. Brauwelt Internat. 19, 2001, 117-123; Гавин Миллар и др. «ЦКТ пивзавода «Велке Поповице», Пиво и жизнь, 2003 С 17-21 // www.propivo.ru Beer @ Life magazine]. Кроме того, недостатком устройства является необходимость многократных пересевов семенных пивных дрожжей и внесение их в аппарат основного брожения из танка «разбраживания» в соотношении 1:20 к требуемому для основного брожения объему. Это соответствует практике пивоварения, при которой в ЦКТ вносится только часть необходимого объема дрожжей, которые за первые два дня основного брожения размножаются до необходимого объема остаточного количества. Так Мальцев П.М. [Технология солода и пива, М.: Изд-во «Пищевая промышленность», 1964, С.499-500] считает, что при засеве 0,5 л жидких дрожжей на 1 гл сусла обычно получается четырехкратный прирост дрожжей, учитывая при этом, что каждая дрожжевая клетка успеет произвести до 40 делений до момента начала автолиза из-за возникающего дисбаланса углеводной и азотистой составляющих сусла и под влиянием эффекта Грабтри.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является разработка устройства единого танка разбраживания, автоматически обеспечивающего оптимизацию условий размножения пивных дрожжей, как по составу культуральной среды размножения пивных дрожжей, так и по условиям, обеспечивающим без пересевов из емкости в емкость оптимальную скорость прироста биомассы до требуемых объемов «остаточного количества».
Техническая задача решается тем, что в известном устройстве для размножения семенных пивных дрожжей представляющем собой цилиндроконический танк разбраживания, который снабжен рубашкой, служащей для подвода пара и охлаждающей среды, средствами периодической аэрации сусла и кроме вакуумных и предохранительных клапанов, оборудован моющими головками, и аэрационной насадкой для подачи стерильного воздуха, согласно полезной модели танк разбраживания оснащен микропроцессором, функционально взаимосвязанным с дозаторами питательных добавок к суслу, а также средствами автоматизации поддержания состава среды размножения, температуры и скорости подачи воздуха, необходимых для оптимизации прироста биомассы дрожжей до объема остаточного количества основного брожения и поддержания дрожжей во взвешенном состоянии, причем аэрационная насадка размещена на дне танка и выполнена в виде серии сопел.
Полезная модель устройства приведена на чертеже, при этом устройство для размножения семенных пивных дрожжей включает: корпус танка разбраживания 1; смеситель составляющих культуральную жидкость 2; дозатор плазмолизата пивных дрожжей 3; дозатор сусла 4; колбу Карлсберга 5; бойлер - проточный подогреватель воды 6; выносной поплавковый уровнемер 7; датчики температуры 8; измерители растворенного кислорода 9; воздуходувку 10; спиралевидное распределительное устройство подачи воздуха 11 с воздухоподающими соплами 12; управляющее устройство воздухоподающих сопел 13; микропроцессор 14.
2
Согласно заявляемой полезной модели все процедуры размножения семенных дрожжей до требуемого «остаточного количества» проводят в едином танке разбраживания 1, в который через смеситель 2, расположенный в верхней части танка разбраживания 1, подают дробно необходимые порции плазмолизата дозатором плазмолизата 3, сусла - дозатором сусла 4 и порции семенных дрожжей путем выдавливания из колбы Карлсберга 5. При этом в смеситель 2 из бойлера 6 проточного типа подают подогретую до 40°С воду со скоростью 0,3 литра в минуту весь период размножения дрожжей. Причем, до внесения семенных дрожжей в танк разбраживания 1 заполняют водой и культуральной жидкостью на одну четвертую часть объема, о чем свидетельствует ее появление в выносном поплавковом уровнемере 7. Этот уровень соответствует уровню начала погружения датчика температуры 8 и датчика-измерителя растворенного кислорода 9 в жидкость, что соответствует началу мониторинга жидкости. По показаниям датчика-измерителя растворенного кислорода 9 включают воздуходувку 10, обеспечивающую подачу воздуха в спиралевидное распределительное устройство 11 на дне танка разбраживания 1. При этом подача воздуха, обеспечивающая постоянное взвешенное состояние размножающихся дрожжей, проводят поочередным включением воздухоподающих сопел 12, через управляющее устройство 13 по принципу «бегущей волны». Причем, для эффективности перемешивания дрожжей и гомогенизации температуры жидкости (до 32±2°С) по всему танку разбраживания 1 скорость подачи воздуха в начальный период размножения дрожжей составляет не менее одного объема подаваемого воздуха на один объем культуральной жидкости. В дальнейшем объем подаваемого воздуха воздуходувкой 10 определяет микропроцессор 14 по показаниям датчика-измерителя растворенного кислорода 9, причем величина растворенного кислорода не должна быть ниже 5 мг O/л.
6
3
Подачу в танк разбраживания 1 составных частей культуральной жидкости проводят дробными порциями через дозаторы 3 и 4 по командам с микропроцессора 14, запрограммированного на поддержание соответствия: один объем плазмолизата и три объема сусла на три объема воды. Разведение считается законченным при обнаружении в пробе дрожжевых культур около 150 кл·10/см. В программу микропроцессора 14 заложено использование ресурса дозаторов 3-4, необходимого для выращивания каждых 100 л дрожжевой культуры, расчетно необходимых для внесения в аппарат брожения на этапе основного брожения. При исчерпании ресурсов дозаторов или при достижении верхнего уровня заполнения танка разбраживания 1 расчетной вместимостью 5000 л микропроцессор отключает дозаторы и подачу воды, сохраняя только управление барботированием всего содержимого танка разбраживания.
2
2
Устройство подачи воздуха в размножающуюся биомассу дрожжей имеет существенное значение. Размножающимся дрожжам для обеспечения тканевого дыхания требуется не менее 0,03 мг О/литр дрожжей. Ниже этой величины размножение дрожжей прекращается. Оптимум подачи кислорода составляет величину более 5,0 мг О/литр среды.
Известно устройство подачи кислорода в среду размножения дрожжей, в котором воздух подается через полупроницаемую мембрану, выполненную в виде трубок [Федоренко Б.Н. Пивоваренная инженерия. - СПб, Изд-во Профессия, 2009, С.152]. При этом в сусло через стенку мембраны переходит лишь быстро растворяющийся кислород. Это современное устройство исключает необходимость, как стерилизации воздуха, так и подведения к пропагатору линий от источников чистого кислорода.
Недостатком устройства является неизбежность биообрастаний воздухоподводящих трубок и отсутствие требуемого барботажа растущей биомассы дрожжей. Для оптимизации размножения требуется поддержание дрожжей во взвешенном состоянии. Этому требованию соответствует устройство подачи воздуха в дрожжевую массу в виде тонких струй или через специальные свечи [Гавин Миллар и др. «ЦКТ пивзавода «Велке Поповице», Пиво и жизнь, 2003 С 17-21 // www.propivo.ru Beer @ Life magazine]. Однако мелкопузырьковые устройства подачи воздуха в сусло несут опасность развития кавитационных процессов при разрыве пузырьков, что может быть губительно для дрожжевых клеток. В устройстве, принятом за прототип, подача воздуха производится порционно: в первый день - 1 минута через интервал в 15 минут; во второй день - 1 минут через интервал в 5 минут.
Указанная проблема: необходимость аэрации для обогащения среды размножения кислородом и поддержания биомассы дрожжей во взвешенном состоянии в заявляемой полезной модели решена тем, что воздуходувка 10, нагнетающая воздух в воздухоподающие сопла 12, по спиралевидной насадке 11, распределенные в нижней части танка разбраживания 1, включаемые поочередно по команде с управляющего устройства 13 со скоростью, определяемой по показаниям датчиков-измерителей 9 величины растворенного кислорода в среде размножения дрожжей. Струйная подача воздуха соплами 12 поочередно снизу-вверх обеспечивает активное перемешивание растущей биомассы дрожжей. При этом неизбежное вспенивание блокируется сетчатым пеногасителем, расположенным в верхней части танка разбраживания 1 ниже смесителя 2 составляющих культуральную среду (на чертеже не показан).
Пример конкретного применения.
Для создания оптимизированной культуральной среды размножения использован плазмолизат отработанных пивных дрожжей. Состав культуральной среды на базе плазмолизата приведен в таблице.
Идеология применения устройства состоит в том, чтобы максимально использовать биологические ресурсы отработанных пивных дрожжей для размножения новой партии семенных дрожжей. При этом чтобы избежать процедуры технологической очистки автолизата, получаемого при лизисе целостных клеток с неизбежными побочными включениями, накопленными оболочками дрожжевых клеток, которые могут влиять на вкус пива, мы предпочли использовать только плазмолизат дрожжевой клетки. При этом разрушенные ультразвуком оболочки клеток удаляют из раствора центрифугированием, а сам плазмолизат обрабатывают протеолитическими ферментами для разрушения белков на аминокислоты и азотсодержащие составляющие, пригодные для усвоения дрожжами для роста биомассы. Каждый новый засев начинают с засева стандартизированной (чистой семенной культуры) партии, а по окончании разбраживания сусла и основного брожения вся биомасса дрожжей дезинтегрируется, а пиво пастеризуется. Это позволило отказаться от барботажа дрожжевой биомассы стерильным воздухом, что наряду с отказом от кипячения сусла с последующим охлаждением до температурного оптимума размножения дрожжей существенно снизило энергозатраты. Обеспложивание сусла, подаваемого как часть культуральной среды размножения дрожжей, в заявляемой промышленной модели производят выносным СВЧ-пастеризатором (на чертеже не показан).
Таблица
Минеральный состав плазмолизата и культуральной среды, мкг/г зольного остатка (собственные данные)
Минерал
Плазмолизат дрожжей расы 34
сусло
вода
1
2
3
4
Са
666,0
66,12
23,98
Mg
272,0
108,0
7,96
Продолжение таблицы
1
2
3
4
Р
2619,0
243,0
0,033
Si
8,88
47,7
5,05
Na
75,62
50,12
48,71
К
1564,0
367,0
2,91
Li
0,007
0,0053
0,00359
Al
0,16
0,09
0,009
Fe
12,1
0,40
0,05
J
0,03
0,018
0,003
Zn
26,26
0,40
0,03
Se
0,0536
0,0208
0,00161
Cu
1,56
0,1
0,01097
Cr
0,0244
0,056
0,0012
Mn
1,18
0,14
0,001957
As
0,013
0,0014
0,00043
В
0,13
0,15
0,066823
Cd
0,01848
0,000138
0,000012
Co
0,03748
0,00117
0,000071
Hg
0,00054
0,00054
0,000635
Ni
0,28
0,00036
0,001455
Pb
0,00485
0,00015
0,000809
Sn
0,01231
0,00203
0,000015
Sr
1,55
0,13
0,20
V
0,0024
0,002
0,00077
∑
5248,92 мкг/г
882,83 мкг/г
83,975 кг/г
В обычных условиях производства при приготовлении 1 гл молодого пива получается около 1 кг остаточных дрожжей, которые мы предлагаем использовать для получения плазмолизата. В наших опытах минеральная составляющая плазмолизата пивных дрожжей расы 34 не превышала 30% сухого остатка. Приведенные в таблице данные показывают, что плазмолизат отработанных пивных дрожжей является основным поставщиком кальция, магния, цинка, фосфора, калия, необходимых для увеличения биомассы пивных дрожжей. На этом основании мы считаем излишним насыщать разработанную нами оптимизированную культуральную среду минералами или микроэлементами. Этим наше техническое решение отличается от существенных признаков аналогов питательных подкормок размножающейся биомассы дрожжей.
Белковая составляющая плазмолизата достигала 70% всего состава, при этом концентрация аминокислот в дрожжевом плазмолизате составила 54,5 г/л. Общий азот в плазмолизате составил 1750 мг%, при остаточном азоте 32,25 мг%. Определения произведены в аккредитованной испытательной лаборатории ВНИИМС (г.Оренбург) по методу Г.А.Узбекова в модификации З.С.Чулковой [К.Г.Колб, B.C.Камышников. Справочник по клинической химии. Минск. Беларусь, 1982]. При этом сусло содержало всего 0,2 г/л аминного азота. Таким образом, ячменное сусло не может обеспечить даже части потребности растущей биомассы дрожжей в азоте. Учитывая тот факт, что обычные пивные дрожжи не содержат протеолитических ферментов, следовательно, не могут самостоятельно утилизировать белковый и полипептидный азот, возникла необходимость добавления в состав плазмолизата протеолитического фермента, например, доступного бактериального препарата «Протосубтилин Г20х», обладающего протеолитической активностью (ТУ 9152-031-34588571-99). Препарат использовали в концентрациях до 1% к массе плазмолизата. Использование ферментов при производстве автолизата дрожжей оправдано только при ферментативном цитолизе целостной клетки [Патент RU №2129592, опубликован 27.04.1999 г.], причем внесение амилолитического фермента амилоризина П10Х неизбежно провоцирует ускорение процесса сбраживания сахаров и развитие синдрома Грабтри (этанольная гибель молодых почкующихся клеток). Известно, что автолиз (самопереваривание) дрожжевой клетки неизбежно происходит и без добавления ферментов при неблагоприятных внешних условиях, например, при исчерпании запасов углерода в питательной среде. Известно также, что до 40% белковой составляющей клетки состоит именно из ферментов, в том числе протеолитических, что является основанием для получения из дрожжей витаминно-ферментных смесей. Однако процесс стихийного автолиза длительный. Так при технологическом гидролизе микробную биомассу подвергают тепловому шоку (15-17 с), после чего подвергают выдержке 2 ч при температуре 45-50°С и 1 ч при 55-60°С с последующим высаливанием белковой составляющей [Смотраева И.В. «Использование вторичных материальных ресурсов пивоварения в хлебопекарной промышленности, дисс. к.т.н., СПб 2003. - 120 с]. В заявляемом техническом решении нами применен именно протеолитический фермент (но не амилолитический) для упрощения и ускорения низкотемпературного разложения сложных белков на фрагменты, пригодные для усвоения биомассой размножающихся дрожжей. Используемое для приготовления культуральной смеси сусло (11% экстрактивности) содержало 20 г/л сахаров, тогда как в отцентрифугированном плазмолизате сахаров обнаружено всего 0,5 г/л. Определение проведено по ГОСТ Р 51135-98 (п.5.5.3.2.2). Обнаруженный нами факт согласуется с существующими теоретическими представлениями о том, что функционально активные дрожжи накапливают полисахариды и гликоген в клеточной стенке [Крюгер, Лин. Обмен веществ дрожжей и его влияние на вкус и аромат пива / Лин Крюгер // Спутник пивовара. - 1999. -Весна. - С.39]. Мы осмысленно подошли к удалению клеточных оболочек (и прочих взвесей) центрифугированием и соответственно к снижению содержания углеродной составляющей питательной среды в пользу существенного упрощения технологии получения плазмолизата. При этом компенсанаторно в три раза увеличили долю сусла в составе культуральной среды. При этом мы учли, что накопление биомассы зависит от концентрации углеводов в среде: чем она больше, тем интенсивнее нарастает дрожжевая масса. Причем, при нехватке сахаров, как источника углерода, дрожжевая масса не может усваивать азот, начинает деградировать в «результате самопереваривания голодающих дрожжей при недостатке углеводов» [Грачева, И.М. Влияние концентрации сухих веществ в исходном сусле на динамику накопления продуктов брожения / И.М.Грачева, Ю.А.Атрушкевич, В.Н.Романенко // Антология спиртового брожения, дистилляция и ректификация этилового спирта. Производство водки / Осетров С.Б. - [Б. м.], 1998. - Режим доступа: http://sergey-osetrov. narod.ru/Projects/Fermentation/influence_to_ concentrations_dry_ material_ with_source_mash_on_fermentation.htm. - Дата обращения 10.11.2009]. Этот факт послужил основанием применить сусло, как источник углерода в культуральной жидкости, составленной на основе дрожжевого плазмолизата. При расчете необходимого баланса источников азота, углерода и минеральных веществ для получения биомассы в танке разбраживания на каждые 100 литров засевных дрожжей приняты следующие соотношения для настройки дозаторов: один объем плазмолизата и три объема сусла на три объема воды.
2
Таким образом, разработано устройство с автоматизированным управлением в виде единого танка разбраживания, обеспечивающего поддержание оптимальных условий для размножения семенных пивных дрожжей, обеспечивающее оптимальные условия для прироста биомассы дрожжей, поддерживаемых во взвешенном состоянии, в условиях оптимально адаптированных для размножения пивных дрожжей по параметрам температуры (от +30 до +35°С), оксигенации среды (не менее 5,0 мг О/л) и по балансу источников азота, углеводов и минералов. Устройство содержит серийно выпускаемые средства автоматизации в виде микропроцессора, типовых датчиков, измерительных устройств и исполнительных механизмов. Каждый из них используется по прямому назначению, но при совместном применении они дают новый положительный эффект. При этом устройство экономично, экологически безвредно, просто в реализации, способствует эффективной утилизации отработанных дрожжей и может быть применено на любом пивоваренном предприятии.