Возникновение ЦКТ

С тех пор, как пивоварение перешло в свою промышленную стадию, основной тенденцией стала разработка новых технологий, позволяющих увеличить рентабельность. Практически все разработки сосредоточились на том, чтобы уменьшить затратную часть пивоварения (удешевление процесса и уменьшение количества работников) и ускорить оборачиваемость оборудования (сократить, по мере возможности, время брожения и дображивания).

Старое классическое немецкое правило пивоварения гласило: «на брожение сусла уходит неделя, а на дображивание пива - столько недель, сколько процентов в начальной экстрактивности сусла». Но уже в XIX веке оно стало неактуальным. Подгоняемые растущей конкуренцией, пивовары стремились максимально ускорить процесс производства пива.

Ярким образцом подобных изысканий служат разработки швейцарского ученого Натана6), который в XIX веке разработал и впервые применил на практике технологию сверхбыстрого пивоварения: весь процесс брожения и дображивания занимал у него всего 10-14 дней (в зависимости от начальной экстрактивности). Путем подбора специального температурного и технологического режима Натан увеличивал скорость прироста дрожжевой массы в 2,5 раза. Молодое пиво он на ранней стадии принудительно избавлял от углекислого газа, в котором в этот период содержатся летучие вещества, являющиеся причиной незрелого вкуса напитка. После этого пиво карбонизировалось чистой углекислотой и отстаивалось. Этот метод широко не прижился. По комментарию чешских специалистов, пиво, сваренное ускоренным методом по Натану «не достигало традиционного качества чешского пива» (думаю, то же самое можно смело сказать и о немецком пиве).

Тем не менее, эта технология в громадной степени обещала ускорить оборачиваемость оборудования, что делало ее в глазах многих пивоваров с коммерческой жилкой очень привлекательной. Это является хорошим показателем того, какое большое значение уже в то время придавалось сокращению общего времени пивоваренного цикла.

По словам Зденека Шубрта, экс-технолога «Plsensky Prazdroj a.s.», первый реально действующий ЦКТ был установлен в 1928 году в Европе на пивоварне «Кулмбах» (Бавария). Размеры этого танка были далеко не такие впечатляющие, как у современных емкостей: его диаметр достигал трех, высота - десяти метров. Емкость танка составляла около 80 кубических метров (800 гектолитров). Также именно специалистам «Кулмбах» приписывается честь выведения нового штамма дрожжей, пригодного для брожения в ЦКТ, где высота столба сусла (а значит - и давления на дрожжевые клетки) значительно возросла. При этом относительная величина дрожжевой клетки была уменьшена практически вдвое.7)

Еще позднее была разработана технология брожения и дображивания под давлением, сокращавшим цикл производства светлого 11%-ного пива до 14-15 дней, а также метод непрерывного брожения для производства пива в промышленных масштабах (в СССР впервые был внедрен в 1973 на «Москворецком пивоваренном заводе»). Сегодня на процесс брожения и дображивания стандартно отводится около 15-20 дней, но тенденция к сокращению времени производственного цикла сохраняется. Наиболее существенным препятствием в этом остается необходимость сохранить качество производимого пива (как минимум). Лучшие возможности в данном плане, как выяснилось, предоставляли цилиндро-конические танки.

Кроме этого, существенную роль в том, чтобы отдать приоритет ЦКТ, сыграл еще один фактор: с развитием пивоваренной промышленности величина существующих емкостей брожения перестала отвечать возросшим потребностям пивоваров. Возникла насущная необходимость в более крупных, а заодно - более экономичных в использовании емкостях. К сожалению, по ряду технических (и технологических) причин бродильные чаны и лагерные танки ограничены в размерах. Все эти причины создали весомые предпосылки для появления цилиндро-конических танков.

Первый опытный экземпляр емкости для брожения большого объема (однофазный способ производства) был изготовлен еще в 1908 году. «Отцом» этого «прародителя ЦКТ» был все тот же швейцарский ученый Натан. Величина емкости составила 100 гектолитров, полный производственный цикл длился 12 дней. Надо сказать, что идея применения в пивоварении емкостей большого объема тогда не прижилась: возникли практически неразрешимые (на то время) проблемы. Прежде всего - с ухудшенным осаждением дрожжей (не была отработана технология) и обеспечением качественного санирования оборудования.

Необходимо заметить, что первые ЦКТ изготавливались из обычной черной стали, покрытой изнутри специальной смолой. Это защитное покрытие нуждалось в регулярном обновлении. В наши дни ЦКТ изготавливаются исключительно из нержавеющей стали. По данным чешского пивовара Ф. Главачека, впервые в Европе нержавеющая сталь нашла применение при изготовлении емкости большого объема в 1957 году. Широкое использование нержавеющей стали привело к перелому в дальнейшем развитии технологий производства пива.

В шестидесятые годы ХХ века наступила «эра ЦКТ» - началось быстрое распространение новой технологии по странам и континентам. Уже в это время ЦКТ разделились на цилиндро-конические танки брожения (ЦКТБ), цилиндро-конические танки лагерные (ЦКТЛ) и уни-танки (соединяющие в себе основные черты ЦКТБ и ЦКТЛ).

Благодаря удачному техническому решению, ЦКТ начали строить на «свежем воздухе». До этого идея вынести бродильные и лагерные емкости «на улицу», вне помещений пивоварни, звучала, по меньшей мере, диковато. Возможность осуществить ее была воспринята чуть ли не как революционная. Дольше всего в пивоваренном процессе длятся фазы брожения и дображивания, поэтому бродильные и лагерные цеха были самыми большими помещениями пивоварни. Традиционно они состояли из отдельных помещений, в которых располагались деревянные бочки или танки.

Теперь не ограниченные габаритами внутренних помещений здания, пивовары пустились в негласное «соревнование» - кто построит ЦКТ большего размера, выпустит больше пива и опередит конкурентов. Уже в то время объемы ЦКТ достигли 5 тысяч гектолитров, диаметр - пяти, а высота - восемнадцати метров. В семидесятые годы в большинстве европейских стран прочно господствовала технология производства пива в ЦКТ.

В те же годы была отработана и приобрела завершенность технология охлаждения ЦКТ, в частности - режим и очередность активации отдельных охлаждающих рубашек и конуса (как известно, грамотное охлаждение ЦКТ способствует хорошему выпадению дрожжевого осадка). Также выяснилось, что ЦКТ помогает достигнуть наименьшей потери горьких веществ (около 10%), предоставляет возможность максимального насыщения пива СО2 и утилизации образующегося при брожении углекислого газа.
Основные преимущества и недостатки ЦКТ

Технический уровень цилиндро-конического танка (и взаимосвязанного с ним оборудования) при условии хорошего знания технологии дает возможность достичь одинаково высокого, стандартного качества производимого пива при самых больших производственных объемах. При этом процесс брожения пива в ЦКТ относительно несложно автоматизировать (как вариант - компьютеризировать). То же самое относится к процессу мойки и санированию танка.

Относительно высокие начальные капиталовложения экономически оправдываются тем, что с помощью ЦКТ можно существенно ускорить процесс ферментации пива, а значит - увеличить объемы его производства. Именно поэтому технология ЦКТ является сегодня наиболее распространенным способом производства пива во всех промышленно развитых странах.

Поставив в свое время танки брожения и холодной выдержки «на попа», конструкторы ЦКТ в громадной степени увеличили эффективность использования производственных площадей. Этот фактор и сегодня является одним из наиболее существенных дополнительных плюсов пивоварения в ЦКТ.

Определенные трудности, которые в свое время возникали у пионеров пивоварения с осаждением дрожжевых клеток в ЦКТ, сегодня успешно преодолеваются с помощью отработанных приемов охлаждения и из разряда проблем перешли в разряд обычных рабочих моментов. Замедленное (относительно классического варианта) размножение дрожжевых клеток компенсируется более высокой аэрацией сусла и большими дозами вносимых дрожжей.

ЦКТ позволяет заметно улучшить экологию рабочих мест, а кроме этого - существенно повысить производительность труда и уменьшить себестоимость продукции. Возможность работы всех рубашек охлаждения в автономных режимах делает режим охлаждения ЦКТ гибким и эффективным. Также к дополнительным достоинствам цилиндро-конических танков относится то, что из этих емкостей можно оперативно отводить осаждающиеся дрожжи.

Среди основных недостатков ЦКТ - невозможность полного устранения дрожжевых дек, образующихся на поверхности бродящего сусла и более длительный (в сравнении с чаном) период осаждения дрожжевых клеток. Кроме этого, в ЦКТБ необходимо резервировать около 20% от общего объема емкости под образующуюся там пену, что заметно снижает производственную эффективность танка. Впрочем, в традиционных бродильных чанах также резервируется около 20% свободного пространства) ЦКТЛ этот недостаток присущ в меньшей степени (свободное пространство 10%).

Если говорить о максимально эффективных условиях применения ЦКТ, следует отдельно подчеркнуть, что весь смысл использования ЦКТ заключается в открытом Натаном эффекте: увеличение гидростатического давления столба пива способствует ускоренному накоплению в нем СО2 при дображивании (в свою очередь, от скорости и степени накапливания СО2 напрямую зависит скорость формирования органолептического букета пива, то есть - его созревания). За счет этого и сокращается длительность пивоваренного цикла. Наиболее простым вариантом для того, чтобы увеличить высоту столба сусла, будет поставить используемую емкость «на попа», получив вместо горизонтального уже цилиндро-конический танк, что, собственно, и проделал Натан.

В этом контексте становится понятным, почему емкость ЦКТ (при стандартных пропорциях танка) должна составлять не менее 20 гектолитров - в противном случае мы не получим необходимой высоты столба пива, который должен запустить механизм ускоренного накопления углекислого газа при повышенном давлении. Также стоит учесть, что при 20-30 гектолитрах всего лишь «будет наблюдаться эффект» ЦКТ. Созревание пива тут ускорится на считанные сутки. По настоящему эффективным ЦКТ становится, начиная со 150-200 гектолитров (объем для среднего, а не мини-пивзавода). Поэтому использование на мини-пивзаводах вертикально расположенных танков брожения и дображивания можно объяснить, прежде всего, желанием расположить оборудование более компактно.

Материалы, использующиеся при изготовлении ЦКТ

Первые ЦКТ изготавливались из обычной черной стали, покрывавшейся изнутри специальным покрытием на основе эпоксидных смол. Такое покрытие нуждалось в регулярном обновлении. Сегодня ЦКТ изготавливаются исключительно из нержавеющей стали (обычно марки DIN 1.4301, но могут использоваться более устойчивые и дорогие AISI 304 или AISI 316L). Как уже говорилось выше, этот материал является достаточно нейтральным и устойчивым к воздействию на него пива и продуктов его брожения, а также - санационных средств.

На сегодня нержавеющая сталь является оптимальным материалом. Тем не менее, следует помнить, что ее применение не всегда исключает возможность появления коррозии. Она может возникнуть:

• при наличии хлоридных ионов или молекул свободного хлора в нейтральной или кислой среде (плохо подобранные средства санитации);
• в том случае, если сварка нержавеющей стали проводилась не в атмосфере инертного газа (например - аргона). Тогда на участке, подвергшемся воздействию высокой температуры, произойдет кардинальное изменение свойств стали;
• при контакте с обычной сталью. В этом случае для появления коррозии достаточно контакта с истертым или ржавым участком обычной стали.

Эти операции необходимы для насыщения пива углекислым газом, осветления и созревания, в процессе которого улучшается вкус и аромат пива.

При дображивании, как и при главном брожении, основным процессом является спиртовое брожение, но оно протекает медленно, потому что ведется при температуре 0-2°С. Молодое пиво содержит около 0,2% (к массе) углекислого газа. Для насыщения пива до стандартной концентрации углекислоты (0,3-0,35%) в молодом пиве на дображивание оставляют около 1 % экстрактивных веществ. Чтобы повысить растворимость углекислого газа, дображивание проводят при давлении 0,03-0,05 МПа. Осветление пива наступает после окончания брожения, когда оседающие дрожжи захватывают, частицы белков и хмелевых смол и увлекают их в осадок, при этом пиво не только осветляется, но и теряет грубую горечь. При созревании пива уменьшается количество альдегидов и нарастает содержание эфиров, высших спиртов и кислот, в результате чего пиво приобретает тонкий вкус и аромат.

В лагерный танк молодое пиво подается снизу. После наполнения танка шпунтовое отверстие оставляют приоткрытым, чтобы выпустить воздух, вытесняемый из газового пространства выделяющейся при дображивании углекислотой. Затем танк шпунтуют, присоединяя шпунтаппарат, отрегулированный на давление 0,03-0,05 МПа. Продолжительность дображивания и выдержки зависит от сорта пива. Жигулевское пиво выдерживают 21 сут, рижское и московское - 42, мартовское и украинское - 30, ленинградское - 90 сут. Готовое пиво передают на осветление. По мере опорожнения танка в него подают сжатый воздух или, лучше, углекислый газ, чтобы поддерживать постоянное давление в танке и тем предотвратить вспенивание пива и потери углекислого газа вследствие уменьшения его растворимости.

После спуска пива на дне танка остается осадок (лагерный отстой), состоящий из дрожжей, белков и хмелевых смол. Его собирают в сборник, отстаивают, сепарируют или фильтруют. Выделенное пиво используют вместе с другими отходами пива (так называемое смарочное пиво), а густую часть отстоя присоединяют к избыточным дрожжам и реализуют.

Брожение сусла и дображивание пива- наиболее длительные процессы в производстве пива, требующие применения большого количества емкостей и больших производственных площадей. Для сокращения производственных площадей бродильно-лагерных отделений переходят на использование танков большой вместимости (диаметром 4- 8 м и высотой 7-10 м), имеющих изоляцию и наружное охлаждение, что позволяет размещать их на открытой площадке. Перспективно использование цилиндро-конических танков, в которых совмещают главное брожение и дображивание пива.

ВНИИПБП разработал и внедрил на Москворецком пивоваренном заводе (в Москве) способ непрерывного брожения и дображивания пива в обычных танках, соединенных переточными трубами в батареи. По этому способу весь процесс сбраживания жигулевского пива проходит за 15 сут вместо обычных 28, а коэффициент использования производственной площади увеличивается более чем в 1,5 раза.

Ускоренный способ приготовления жигулевского пива, разработанный ВНИИПБПом, основан на сбраживании сусла в отсутствие кислорода, вследствие чего в пиве мало образуется альдегидов, поэтому созревание его происходит быстрее. Дображивание пива ведут при температуре 4°С и в изотермических условиях, когда температура пива в танках и в помещении одинаковая. Это исключает возникновение конвекционных токов в пиве, препятствующих оседанию взвесей, и оно быстрее осветляется.

Кислород растворяется главным образом в процессе охлаждения сусла, поэтому охлаждение и осветление сусла ведут в закрытых аппаратах (в сепараторах и пластинчатых теплообменниках). Кроме того, при подаче сусла в бродильный танк в суслопровод вдувают углекислый газ, в результате чего над поверхностью образуется пенный углекислый слой, исключающий соприкосновение сусла с воздухом. Количество семенных дрожжей увеличивают до 0,7-1 л на 1 гл сусла. Главное брожение проводят при температуре 7- 8°С. Для ускорения брожения сусло перемешивают продуванием через барботер углекислого газа 1 раз в смену в течение 5-10 мин. Главное брожение заканчивается через 5-5,5 сут. Молодое пиво охлаждают до 4-5°С и спускают в лагерный танк, при этом в ток пива также вдувают углекислый газ. Когда танк заполнится на 1/10 вместимости, подачу углекислоты прекращают. После заполнения танк немедленно шпунтуют и во время дображивания поддерживают давление 0,04-0,05 МПа. Дображивание и выдержку пива ведут 11 сут, затем его передают на осветление. Перед осветлением пиво охлаждают на пластинчатом теплообменнике до 0-1°С с тем, чтобы удержать СО 2 , содержащийся в пиве в пересыщенном состоянии, и не допустить вспенивания, связанного с большими потерями пива.

Ускоренный способ производства жигулевского пива позволяет в 1,6 раза сократить длительность производственного цикла и на 30% повысить производительность завода.

При проведении брожения и созревания в ЦКТ менее чем за три недели необходимо обращать особое внимание на некоторые технологические параметры, тем более, что визуально оценить как идет брожение невозможно.

Особое значение имеет азотистый состав сусла, который зависит от режима затирания: Главное: сусло должно содержать по меньшей мере 23 мг свободного α-аминного азота/100 мл сусла, необходимого для нормального питания дрожжей. Количество свободного α-аминного азота не должно быть ниже 20 мг/100 мл. При использовании несоложеного сырья содержание свободного α-аминного азота должно составлять минимум 15 мг/100 мл.

Аэрация сусла и норма внесения дрожжей - это решающие факторы для быстрого и интенсивного забраживания. Норма внесения дрожжей в 30 млн. клеток/мл соответствует добавлению 1 л густых дрожжей на 1 гл сусла.

Дрожжи очень чувствительны к внезапному изменению температуры. Резкое охлаждение приводит к шоку, что отрицательное влияет на брожение и размножение дрожжей. При внесении дрожжей и в логарифмической фазе роста следует избегать сильного охлаждения. Доливаемое сусло должно иметь температуру, равную бродящему пиву.

Индикатор созревания пива - расщепление диацетила. Можно исходить из того, что одновременно со значительным расщеплением диацетила исчезают и другие букетообразователи молодого пива. Общее содержание диацетила в конце фазы созревания должно быть ниже 0,10 мг/л. Незначительное расщепление диацетила происходит и при дображивании. Пиво должно иметь уровень диацетила ниже 0,10 мг/л.

Осевшие дрожжи необходимо удалять из танка, как только это позволит их консистенция. Автолиз дрожжей ухудшает качество пива.

После созревания все пиво должно охлаждаться до температуры -1 -2°С и выдерживаться при этой температуре не менее 7 дней. Более короткие сроки и более высокие температуры в данной стадии требуют увеличения затрат для достижения коллоидной стойкости. Быстрое глубокое кратковременное охлаждение не приводит к нужному результату!

Брожение и созревание можно проводить в одном ЦКТ (однотанковый способ) или использовать ЦКТБ для брожения и ЦКТЛ для холодной выдержки (двухтанковый способ).

Аналогично можно проводить брожение в ЦКТБ, а созревание и дображивание - в обычных лагерных танках.

При использовании двух цилиндроконических танков созревание (расщепление диацетила) следует проводить в ЦКТБ, чтобы получить однородное по качеству пиво. В лагерном ЦКТ следует проводить только выдержку при низких температурах (для достижения коллоидной стойкости, осветления и округления вкуса пива).

Использование одного танка дает серьезные преимущества, а именно:

· уменьшаются затраты на мойку, так как мойке подвергается только одна емкость;

· уменьшаются потери СО 2 , так как пиво не перемещают в пустой танк;

· уменьшаются потери пива, так как нет потерь при перекачивании и потерь на смачивание;

· сокращается рабочее время, так как пиво не надо перекачивать в другой танк;

· экономится энергия, так как пиво не перекачивается;

· не возникает опасности попадания кислорода.

Недостатком является менее эффективное использование объема танка в стадии дображивания. По качеству пива заметного различия между двумя данными вариантами нет. Считается, что любой режим брожения можно проводить с применением как одного, так и двух ЦКТ.

Рекуперация СО 2 при брожении по экономическим и экологическим соображениям настоятельно рекомендуется. Карбонизация необходима только в случае теплого созревания и низкого избыточного давления. Охлаждение должно быть на каждом танке.

Режимы брожения и созревания, применяемые для пива низового брожения, можно разделить на три группы:

· холодное брожение - холодное созревание;

· холодное брожение - теплое созревание;

· теплое брожение - холодное созревание.

На рисунках 4.48-4.53 по Миеданеру (Miedaner) обозначены:

· черной линией - изменение температуры;

· красной линия - концентрация диацетила;

· красной штриховой линией - экстрактивносгь;

· красной штрих-пунктирной линией - изменение давления;

· обозначение S в стрелке означает момент перекачки в лагерный танк;

· маленькая стрелка или буква и обозначает момент снятия дрожжей).

Производство пива с использованием цилиндроконических танков (ЦКТ) позволяет проводить процесс брожения и дображивания в одном аппарате и при этом интенсифицировать процессы с сокращением их общей продолжительности: для 11-процентного светлого пива до 14 сут., для 12 - 13-процентного светлого пива до 18 - 22 сут., если не используются другие дополнительные мероприятия, рекомендуемые соответствующими утвержденными инструкциями.

Сусло, осветленное в отстойных чанах или гидроциклонных аппаратах и охлажденное до температуры 7 - 9 °C, подают в коническую часть цилиндроконического танка. Для получения более глубоко сброженного и хорошо осветленного пива допускается добавление в сусло перед брожением ферментных препаратов (например, амилосубтилина Г10х и МЭК-1 в количестве 0,5 - 1,5 г/гл), при условии обязательной последующей пастеризации готового пива. Необходимость добавления ферментных препаратов в каждом конкретном случае определяется главным пивоваром.

Продолжительность заполнения ЦКТ не должна превышать 24 ч. При ведении брожения и дображивания в одном аппарате ЦКТ заполняют до 85% общего объема. Первые 50% сусла, поступающего в ЦКТ, аэрируют обеспложенным воздухом из расчета примерно 0,5 - 0,7 куб. м на 1 куб. м сусла в час так, чтобы обеспечить содержание 4 - 6 мг/л растворенного кислорода в сусле.

В первую порцию сусла (обычно первая варка), поступающего в ЦКТ, вводят все семенные дрожжи. При ведении процесса приготовления пива в ЦКТ применяются сильносбраживающие и хорошо агглютинирующие расы и штаммы дрожжей низового брожения. Если на предприятии имеется возможность и необходимость, допускается заполнение ЦКТ из чанов предварительного брожения. В этих случаях целесообразно проводить тщательное осветление холодного сусла, например путем флотации. Время пребывания сусла в чанах предварительного брожения не должно превышать 8 ч.

При подсчете общей продолжительности процесса за первые сутки брожения при использовании чанов предварительного брожения принимается момент заполнения ЦКТ суслом. При заполнении ЦКТ без использования чанов предварительного брожения отсчет продолжительности процессов брожения и дображивания ведется с момента подачи первой порции сусла в ЦКТ (имеется в виду, что варочный цех обеспечивает бесперебойное заполнение ЦКТ суслом). В случае, если между подачами порций сусла в ЦКТ имеются существенные интервалы, за первые сутки брожения принимается момент окончания заполнения ЦКТ суслом.

В первые двое суток ведения процесса в ЦКТ температура сбраживаемого сусла повышается с 9 - 10 °C до 13 - 14 °C. При этой температуре процесс брожения продолжается до достижения видимой конечной степени сбраживания. Требуемый температурный режим в процессе брожения обеспечивается подачей хладоагента в верхнюю рубашку ЦКТ. В результате охлаждения и с учетом расположения рубашек охлаждения, верхняя масса сбраживаемого сусла опускается вниз, а более теплая нижележащая масса вытесняется вверх, обеспечивая естественное перемешивание бродящего сусла. Температура хладоагента не должна быть ниже -6 °C во избежание примерзания бродящего сусла к внутренней поверхности стенок ЦКТ.