Аэрация сусла: мониторинг растворенного кислорода

Актуально для: пивоваренных заводов

Встроенный мониторинг растворенных газов с помощью надежных в эксплуатации и разнообразных технологических датчиков является обязательным для оценки качества пива. Ярким примером является мониторинг растворенного кислорода (DO), который является нежелательным в конечном продукте. Это снижает качество и сокращает срок хранения пива в готовой упаковке. Тем не менее, кислород играет жизненно важную роль на ранней стадии брожения, где он подлинно необходим для роста дрожжей. Встроенный датчик кислорода Oxy 5100 от компании «Anton Paar» можно легко внедрить непосредственно в производственную линию. Ускорьте свой путь к оптимальной аэрации с помощью точных бездрейфовых измерений!

1. Введение

Чтобы обеспечить надлежащее брожение и качество продукта, холодное сусло аэрируют, для обеспечения дрожжей достаточным количеством кислорода. Кислород потребляется с целью биосинтеза самых основных строительных единиц дрожжевых клеток - липидов. Они образуют клеточную стенку, которая защищает внутреннюю часть клетки от окружающей среды. Таким образом, липиды необходимы для размножения дрожжей (рис. 1). Как только весь кислород метаболизируется, дрожжей должно быть достаточно, чтобы правильно выбродить все сахара в бродильном чане. Недостаток кислорода может привести к снижению жизнеспособности дрожжей, замедлению брожения и ухудшению качества продукта. Напротив, слишком высокий уровень кислорода приводит к избытку дрожжей, что напрямую связано с потерями пива, вызванными сбором дрожжей после завершения ферментации.

2. Достаточная и недостаточная аэрация

Для большинства штаммов дрожжей 8 и 6 ч/млн. O₂ являются номинальным и абсолютным минимальным значением перед брожением соответственно. Однако точная желаемая концентрация может варьироваться в зависимости от штамма дрожжей, плотности сусла и условий технологического процесса. Последовательное и точное дозирование кислорода позволяет улучшить планирование времени брожения и дальнейших производственных процессов. Когда аэрация недостаточна, скорость брожения снижается и могут образовываться потенциально нежелательные побочные продукты.

Рисунок 1: Размножение дрожжевых клеток.

2.1 Желаемый вкус и увеличенный срок хранения

Гарантия неизменности вкуса напитков абсолютно необходима для обеспечения стабильной защиты интересов потребителей.

Компании во всем мире, стремящиеся к точному вкусу (независимо от места производства), часто указывают точные пределы концентрации вкусо-ароматических соединений для своих марок пива. Многие из этих веществ образуются в процессе брожения, и их выход сильно зависит от количества подаваемого кислорода.

Яркие примеры таких соединений включают:

• Диоксид серы (SO₂) может быть (как и другие соединения серы) причиной постороннего привкуса при более высоких концентрациях. С другой стороны, в регулируемых количествах вкус остается неизменным, а антиоксидантные свойства SO₂ защищают пиво от прокисания.
• Эфиры придают типичный фруктово-банановый вкус, который обычно ассоциируется с такими сортами пива, как Bavarian Hefeweizen. Однако другие типы эфиров пива обычно имеют посторонний привкус даже при очень низких концентрациях. Таким образом, концентрация эфиров должна точно контролироваться.

Рисунок 2: Бродильные чаны.

3. Способы аэрации

Есть два способа аэрации сусла. Это стерильный воздух и чистый кислород. В обоих случаях газ вводят в холодное сусло в виде мелкодисперсных и мелких пузырьков. Оба метода аэрации имеют явные преимущества и недостатки.

3.1 Стерильный воздух

Поскольку воздух содержит только ~ 21% кислорода по сравнению с 78% азота, требуется достаточно большое количество стерильного воздуха для достижения целевой концентрации растворенного кислорода для правильного размножения дрожжей. Как правило, впрыскивается ~ 30 литров воздуха (при стандартных условиях давления и температуры) на гектолитр сусла. Это примерно в 10 раз больше количества воздуха, необходимого для достижения целевой концентрации растворенного кислорода в холодном сусле (8-9 ч/млн.). Такие большие количества необходимы, поскольку не весь кислород, присутствующий в воздухе, растворяется.

Преимущества использования стерильного воздуха:

• Просто, недорого, готов и доступен по требованию
• Нет газовых баллонов, нет доставки, нет хлопот

Недостатки использования стерильного воздуха:

• Высокая подача воздуха может привести к образованию пены
• Должен использоваться стерильный воздух, и требуется специальный компрессор или фильтр.
• Потеря летучих вкусо-ароматических соединений.

3.2 Чистый кислород

Использование чистого кислорода снижает количество необходимого газа и используется для брожения пива с высокой плотностью.

Современные аэрационные установки позволяют очень тонко распылять кислород. Такие установки обеспечивают короткое время растворения за счет применения высокого давления и оптимальных условий переноса масс (высоко турбулентный поток). Поэтому обычно требуются короткие расстояния растворения. Они могут составлять всего несколько метров. Кроме того, уменьшается пенообразование в чане.

Преимущества использования чистого кислорода:

• Высокие и точные уровни растворенного кислорода
• Кислород стерильный из баллона
• Снижение пенообразования в чане/трубопроводе
• Кислород быстро растворим

Недостатки использования чистого кислорода:

• Обязателен встроенный мониторинг растворенного кислорода для обеспечения замкнутого цикла управления технологическим процессом и предотвращения потерь чистого кислорода.
• Для использования чистого кислорода требуются правила обеспечения безопасности
• Кислород всегда должен быть доступен
• Более высокие первоначальные инвестиции.

Подсказка: Закон Генри гласит, что в состоянии равновесия концентрация растворенного газа в жидкости пропорциональна парциальному давлению этого газа над жидкостью.

Для аэрации сусла это означает: чистый кислород обеспечивает очень высокие уровни растворенного кислорода по требованию.

4. Измерение растворенного кислорода

Когда дело доходит до измерения растворенного кислорода в любых видах напитков, ассортимент продукции компании «Anton Paar» включает в себя поточные, около поточные («у линии») и лабораторные приборы. Принцип измерения этих приборов основан на оптохимическом (гашении флуоресценции) принципе измерения.

Из поточных и около поточных приборов предпочтительный выбор (таблица 1) включает Oxy 5100 для надежного встроенного мониторинга и OxyQC Wide Range, который можно использовать для быстрой проверки качества в процессе эксплуатации.

Таблица 1: Поточные и около поточные приборы для измерений растворенного кислорода

4.1 Оптохимический принцип измерения

Как поточный, так и около поточный датчик состоят из люминесцентного красителя (слоя, чувствительного к кислороду), который находится в непосредственном контакте с измеряемой жидкостью (образцом).

На рис. 3 представлена измерительная установка оптических датчиков кислорода.

Рисунок 3: Измерительная установка.

Светоизлучающий диод подходящей длины волны проливает свет на люминофор, чувствительный к кислороду, который возбуждается при поглощении света. Часть этого поглощенного света высвобождается путем испускания флуоресцентного света с более высокой длиной волны. В присутствии O₂ в качестве молекулы-гасителя происходит фазовый сдвиг флуоресценции между возбуждением люминофора и испусканием флуоресценции. Датчик обнаруживает это гашение флуоресценции, и происходящий в результате фазовый сдвиг является прямой мерой содержания растворенного кислорода.

5. Основы применения

Для измерения растворенного кислорода абсолютно необходимо, чтобы пятно датчика (черное пятно на крышке датчика) не соприкасалось с пузырьками/пеной. Если пена или пузырьки попадут на пятно датчика, значения измерения будут неверными.

Смотровые стекла, установленные на производственной линии, обеспечивают решающую визуальную проверку на наличие пузырьков и пены. Такие или иные надежные альтернативные проверки должны быть выполнены до интеграции поточных и около поточных датчиков для измерения растворенного кислорода.

При установке как поточного датчика, так и датчика «у линии» эти датчики должны быть расположены перед впускным отверстием для дозирования дрожжей (рисунок 4).

Рисунок 4: Рекомендуемая точка установки Oxy 5100. Датчик устанавливается непосредственно в линию и не требует обхода.

Подсказка: Чем больше расстояние между входным отверстием для газа и входным отверстием для дрожжей, тем больше времени для растворения O₂. На современном пивоваренном заводе длина трубопровода между этими двумя входными отверстиями обычно составляет ~ 50 метров.

Также важно отметить, что изменение технологических параметров и технологического оборудования может повлиять на растворение. Например, понижение давления или повышение температуры может перевести растворенные газы в газообразное состояние (пузырьки или пену).

6. Мониторинг поточными приборами

Обычные способы аэрации сусла включают регулировку количества стерильного воздуха на основе профессионального опыта пивовара (например, открывая до определенной степени клапаны подачи) и показаний массовых расходомеров, которые основаны на предположениях о равновесии. Такие методы не могут гарантировать последовательное брожение и качество продукта. Напротив, измерение встроенными поточными приборами обеспечивает постоянство аэрации. Кроме того, полученные данные всегда доступны для оптимизации процессов, статистической оценки и анализа состояния производства.

Oxy 5100 (рис. 5) выполняет высокоточные измерения растворенного кислорода в холодном сусле в широком диапазоне концентраций растворенного кислорода (от 0 до 45 ч/млн.). Датчик совместим с блоками оценки и программным обеспечением для сбора данных от компании «Anton Paar». Прочная и гигиеничная конструкция, а также простота установки делают Oxy 5100 устройством, требующим минимального обслуживания. Оценивается оставшийся срок службы крышки датчика, и датчик предупреждает, когда требуется новая крышка.

Дополнительные ключевые преимущества и особенности:

• Датчик сертифицирован по EHEDG (тип EL – класс I). Все детали, соприкасающиеся с жидкостью, соответствуют требованиям FDA.
• Можно проводить очистку датчика с помощью процедур CIP/SIP.
• Интеграция встроенного прибора мониторинга обеспечивает постоянную аэрацию и является обязательной с целью избежать потерь чистого кислорода.
• Улучшает планирование процесса брожения и дальнейших производственных процессов
• Все крышки датчика Oxy 5100 оснащены технологией ToolmasterTM, позволяющей автоматически определять все необходимые параметры конфигурации и калибровки для каждой крышки. Ручное вмешательство через ЧМИ не требуется, сокращая, таким образом, время простоя и возможность человеческих ошибок, что приводит к быстрой и простой замене крышек.

Рисунок 5: Oxy 5100

7. Измерение приборами «у линии»

OxyQC Wide Range (рис. 6) можно легко внедрить около линии для быстрой проверки качества растворенного кислорода до и после точки аэрации. Проверка нуля и верхней точки гарантирует надежные и точные измерения кислорода. OxyQC Wide Range с диапазоном измерения от 0,015 до 45 ч/млн. охватывает необходимую область измерения растворенного кислорода в сусле.

На рисунке 6 изображен портативный прибор OxyQC Wide Range для использования «у линии» для проведения измерений вне технологических линий, резервуаров, кегов или контейнеров или в качестве автономной версии для лаборатории.

Рисунок 6: OxyQC Wide Range

7.1 Оптимизация установки для проведения измерений «у линии»

Для выполнения измерения «у линии» необходимо подключить прибор к линии или резервуару. Между точкой отбора проб и прибором необходимо использовать фильтр. Сливной шланг должен быть подведен к емкости для отходов или раковине (рисунок 7).

Для успешного проведения измерения «у линии» давление при наполнении должно быть достаточно высоким, чтобы предотвратить образование пузырьков. Для получения надежных и воспроизводимых результатов выполните кондиционирование прибора, промывая его до тех пор, пока отображаемое значение температуры и значение O₂ не станут почти стабильными. Закройте шаровой кран на выходе образца из прибора и убедитесь, что в измерительной камере нет пузырьков газа. Нажмите кнопку «Пуск», чтобы начать измерение.

По окончании дневной смены промойте прибор деионизированной водой.

Рисунок 7: Установка прибора около линии

Подсказка: Для успешного измерения «у линии» сусла на пивоваренных заводах при выборе фильтра необходимо учитывать вязкость и количество частиц. Если сусло маловязкое (водянистое), содержащее мало частиц, подходит универсальный фильтр «у линии». В любом другом случае правильным выбором будет целлюлозный фильтр «у линии».

7.2 Режим регистратора данных

Если прибор установлен около линии, можно выполнять автоматические измерения O₂ в течение определенного периода времени через определенные промежутки времени, используя функцию регистратора данных.

8. Итог

Компания «Anton Paar» предлагает надежные и прочные приборы для использования в линии и около линии, которые легко интегрируются в ваше производство.

Когда речь идет о процессе аэрации сусла и лабораторных приборах для определения растворенного кислорода, это является ключом к успеху в обеспечении постоянства аэрации сусла и качества конечного продукта с точки зрения гарантии стабильности вкуса для обеспечения стабильной защиты потребительского интереса. В дополнение к практическим преимуществам приборы обладают многими достоинствами, такими как простота установки, очистки и компактный размер.

Мониторинг аэрации сусла с помощью поточного датчика Oxy 5100 обеспечивает постоянную и точную аэрацию и улучшенное планирование времени брожения. Кроме того, для предотвращения потерь чистого кислорода измерение поточными приборами является абсолютно необходимым.