По мере увеличения производственных мощностей пивоваренных заводов процесс брожения становится не только биологическим процессом, но и инженерной задачей.
В ходе реализации проектов по брожению — от крафтовых пивоварен до крупных промышленных пивоваренных комплексов — компания Tiantai пришла к выводу, что обеспечение стабильного качества пива зависит от понимания взаимосвязи между конструкцией емкостей, гидростатическим давлением, схемой охлаждения и управлением технологическим процессом.
В продолжение предыдущих статей в этой главе рассматривается, как конвекция, гидростатическое давление и время переноса влияют на однородность ферментации и формирование вкусовых качеств в современных цилиндроконические бродильные чаны.
Конвекция, гидростатическое давление и однородность ферментации
Одной из наиболее характерных особенностей цилиндроконические бродильные чаны — это их способность поддерживать удивительно однородные условия брожения, несмотря на значительную высоту. Глубина жидкости в промышленных бродильных чанах может превышать десять метров, однако различия в температуре, степени сбраживания и концентрации дрожжей по всему объему чана зачастую гораздо меньше, чем можно было бы ожидать.
Эта кажущаяся однородность является результатом постоянного взаимодействия между конвекцией, гидростатическим давлением, выделением углекислого газа и теплопередачей.
По мере продвижения процесса брожения в результате метаболизма дрожжей во всем объёме жидкости выделяется тепло. Одновременно пузырьки углекислого газа поднимаются к поверхности пива, увлекая за собой окружающую жидкость. При этом гликолевое охлаждение отводит тепло от стенок емкости, что приводит к возникновению локальных перепадов температуры, увеличивающих плотность жидкости. В совокупности эти факторы создают непрерывный цикл циркуляции, который обеспечивает перераспределение как дрожжевых клеток, так и растворённых веществ по всему ферментер.
В отличие от механического перемешивания, такая циркуляция остается достаточно щадящей, чтобы не повредить дрожжи, и в то же время предотвращает значительное расслоение внутри емкости.
Для пивоваров это на практике означает повышение стабильности технологического процесса.
При условии надлежащего контроля охлаждения в различных участках ферментера, как правило, наблюдаются очень схожие показатели концентрации экстракта, активности дрожжей, уровня растворенного углекислого газа и температуры брожения. Вместо образования отдельных зон с более быстрым или более медленным брожением резервуар функционирует как единая интегрированная биологическая система.
Эта однородность приобретает всё большее значение по мере того, как ферментер объем увеличивается.
Крупные пивоваренные заводы зачастую используют бродильные чаны объемом более нескольких сотен гектолитров. При отсутствии надлежащей внутренней циркуляции даже относительно небольшие перепады температуры могут привести к заметным колебаниям скорости брожения, что в свою очередь вызывает неравномерность формирования вкусовых характеристик в пределах одной партии. Естественная конвекция позволяет эффективно минимизировать эти колебания без использования механического оборудования для перемешивания.
Однако не следует считать, что конвекция приносит исключительно пользу.
Как ферментеры По мере увеличения высоты гидростатическое давление на дне емкости пропорционально возрастает с увеличением глубины жидкости. Повышенное давление позволяет большему количеству углекислого газа оставаться в растворенном состоянии в пиве, окружающем дрожжевые клетки. Повышенная концентрация растворенного CO₂ влияет на ряд аспектов физиологии дрожжей, включая рост клеток, мембранный транспорт, поглощение питательных веществ и образование вторичных метаболитов брожения.
В зависимости от сорта пива и графика брожения эти факторы, связанные с давлением, могут быть как благоприятными, так и нежелательными.
Например, умеренное гидростатическое давление может сдерживать чрезмерное образование эфиров, обеспечивая более чистый вкусовой профиль, характерный для многих сортов лагера. И наоборот, пивоварни, производящие яркие бельгийские эли или высокоароматичные сорта специального пива, могут намеренно использовать меньшую высоту наполнения или различные стратегии брожения, чтобы сохранить образование эфиров и ароматических соединений, образующихся под действием дрожжей.
Гидростатическое давление также влияет на поведение горьких веществ, получаемых из хмеля. По сравнению с традиционными открытыми бродильными чанами, цилиндроконические сосуды Как правило, в них на протяжении всего процесса брожения сохраняется более высокая доля изо-альфа-кислот, поскольку их удаление ограничивается из-за сниженной интенсивности отгонки углекислого газа. В результате восприятие горечи может незначительно различаться даже при использовании одинаковых схем хмелевания.
Понимание этих взаимосвязей изменило подход современных пивоваренных заводов к выбору оборудования для брожения.
Вместо того чтобы выбирать резервуары исключительно исходя из производственной мощности, пивоваренные заводы всё чаще оценивают взаимосвязь между высотой резервуара, его диаметром, ожидаемым гидростатическим давлением, эффективностью охлаждения и целевыми сортами пива. Соотношение высоты к диаметру влияет не только на эффективность использования площади; оно напрямую сказывается на внутренней циркуляции, распределении давления, отводе тепла, суспензии дрожжей и, в конечном итоге, на органолептических характеристиках готового пива.
Для производителей оборудования это требует поиска баланса между несколькими противоречащими друг другу приоритетами при проектировании.
Более высокая емкость позволяет увеличить производственную мощность без увеличения занимаемой площади, однако чрезмерная высота может привести к повышению гидростатического давления выше оптимального диапазона для определенных профилей ферментации. И наоборот, более широкая емкость снижает давление, но требует дополнительной площади и иных схем охлаждения.
Следовательно, ферментер Геометрия ни в коем случае не должна быть унифицирована для всех проектов пивоваренных заводов.
Опытные инженерные команды, напротив, оценивают объемы производства, температуру ферментации, штамм дрожжей, предполагаемые сорта пива и имеющееся пространство в погребе, прежде чем определять наиболее подходящие размеры емкостей. Компания TIANTAI следует этой инженерной философии, предлагая индивидуальные решения ферментер пропорции в соответствии с производственными задачами каждой пивоварни, а не опираясь исключительно на стандартные размеры из каталога.
В конечном счете, поддержание однородных условий брожения зависит не от какой-то одной конструктивной особенности, а от успешной интеграции геометрии бродильного чана, системы управления охлаждением, планирования технологического процесса и управления дрожжами. При правильном балансе этих элементов пивоварни достигают более стабильной степени сбраживания, повышенной воспроизводимости вкусовых характеристик и большей стабильности между последовательными производственными партиями.
Перекачка и созревание пива: от сроков зависит стабильность вкуса
Брожение не заканчивается с достижением заданной степени сбраживания.
Несмотря на то что большая часть бродимых сахаров, возможно, уже превратилась в спирт и углекислый газ, дрожжи продолжают осуществлять множество биохимических реакций, которые существенно влияют на конечный вкусовой профиль пива. Время перекачки пива из ферментер, таким образом, является одним из важнейших оперативных решений в процессе управления винным погребом.
На многих пивоваренных заводах «зелёное» пиво перекачивают, пока в нём остаётся небольшая доля бродильного экстракта. Продолжение брожения в ограниченном объёме после охлаждения преследует несколько целей. Остаточная активность дрожжей расходует растворённый кислород, поступивший во время перекачки, продолжает окисление соседних дикетонов, таких как диацетил, и выделяет дополнительный углекислый газ, который помогает поддерживать однородные условия на протяжении всего периода созревания.
Такой подход также позволяет дрожжам сохранять метаболическую активность на начальном этапе охлаждения. По мере того как температура пива постепенно снижается от температуры брожения до температуры созревания, дрожжи сохраняют способность завершить ряд реакций, обеспечивающих очистку вкуса, прежде чем перейти в состояние покоя. Преждевременное охлаждение может подавить эти реакции, что приведет к увеличению времени созревания и повышению вероятности того, что нежелательные вкусовые соединения останутся на уровне, превышающем сенсорный порог.
Альтернативная стратегия заключается в отсрочке перекачки до тех пор, пока осаждение не будет практически завершено. При таком подходе пиво остается внутри цилиндроконический бродильный чан в течение дополнительного периода, поскольку охлаждение способствует дальнейшей флокуляции и осаждению дрожжей. В результате перед поступлением в бродильную емкость пиво содержит значительно меньшую концентрацию взвешенных дрожжей.
Данный метод обладает рядом технологических преимуществ. Снижение количества переносимых дрожжей уменьшает накопление осадка во время лагерного брожения, повышает эффективность фильтрации и упрощает осветление. На пивоваренных заводах, использующих центрифуги или системы мембранной фильтрации, стабильная концентрация дрожжей также способствует более предсказуемым результатам последующих технологических операций.
Однако при отсроченной пересадке необходимо уделять пристальное внимание распределению дрожжей внутри ферментер.
По мере продвижения процесса осаждения концентрация дрожжей постепенно становится неоднородной по всему объёму жидкости. Пиво, отбираемое из верхней части емкости, может содержать лишь часть дрожжей, находящихся вблизи конуса, что может привести к неравномерному созреванию, если перелив осуществляется без надлежащего перемешивания.
По этой причине многие пивоварни смешивают пиво во время переливки или добавляют активно бродящее пиво «Краузен» перед созреванием.
Метод «Кройзенинг», хотя и традиционно ассоциируется с естественной карбонизацией, также способствует перераспределению жизнеспособных дрожжей по всему объему пива, одновременно обеспечивая поступление свежего бродильного экстракта. Помимо содействия карбонизации, этот метод способствует дополнительному созреванию вкуса и придаёт пиву сбалансированное ощущение во рту, характерное для многих традиционных сортов лагера.
Независимо от применяемой стратегии перевода, стабильность зависит не столько от фиксированных производственных графиков, сколько от точного мониторинга процессов.
Измерения кажущегося затухания, жизнеспособности дрожжей, содержания растворенного кислорода, температуры, давления и концентрации диацетила в совокупности дают гораздо более надежный показатель готовности к переливу, чем только время брожения. Тем не менее, две партии, сваренные по идентичным рецептурам, могут потребовать разных графиков перелива из-за различий в жизнеспособности дрожжей, норме засева, составе сырья или температуре брожения.
Современная автоматизация пивоваренного производства всё в большей степени отражает эту философию.
Вместо того чтобы полагаться исключительно на опыт операторов, многие коммерческие пивоварни интегрируют непрерывный мониторинг температуры, измерение давления, автоматическое управление охлаждением и цифровую регистрацию данных о брожении в единую систему управления технологическим процессом. Эти данные позволяют пивоварам объективно оценивать ход брожения и одновременно снижать вариабельность между партиями.
Конструкция бродильного резервуара также способствует реализации этих технологических решений. Санитарные клапаны для отбора проб, расположенные в репрезентативных точках, позволяют проводить точные микробиологические и аналитические испытания на протяжении всего процесса брожения. Прецизионные термокарманы обеспечивают надёжные измерения температуры, а резервуары, рассчитанные на работу под давлением, позволяют пивоварням проводить брожение и созревание в одном и том же резервуаре, когда это допускает производственная стратегия. Встроенные системы CIP дополнительно гарантируют, что каждый цикл брожения начинается в неизменно гигиеничных условиях, сводя к минимуму микробиологический риск без увеличения простоев в производстве.
Поэтому для пивоваренных заводов, стремящихся обеспечить стабильное качество пива на протяжении сотен ежегодных производственных циклов, процесс перекачки следует рассматривать не как простое перемещение пива из одной емкости в другую, а как заключительный этап активного управления процессом брожения. Решения, принимаемые в этот период, продолжают влиять на стабильность вкусовых качеств, эффективность осветления, продуктивность дрожжей и общую экономическую эффективность производства еще долго после того, как первичное брожение, казалось бы, завершилось.
Современные пивоваренные заводы всё чаще опираются на технологические данные, а не на фиксированные графики производства, при определении сроков перекачки.
Для обеспечения этого подхода в системе TIANTAI предусмотрены системы отбора проб для санитарного контроля, высокоточный мониторинг температуры, а также системы, рассчитанные на работу под давлением бродильные сосуды, автоматизированный контроль уровня гликоля и полностью интегрированные решения CIP в комплексные проекты пивоваренных заводов. Эти инженерные решения помогают пивоварам поддерживать стабильные показатели брожения и одновременно снижать колебания показателей от партии к партии.
В заключительной статье этой серии речь пойдет об одной из самых мелких — но зачастую упускаемых из виду — операций, осуществляемых в бродильном цехе: управлении холодным осаждением. Мы также подведем итоги того, как инженерные решения в области брожения способствуют долгосрочной эффективности работы пивоварни и повышению производительности.
