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啤酒发酵之锥形发酵罐发酵法
发布时间:2013-08-12   点击次数:3096次

传统啤酒是在正方形或长方形的发酵槽(或池)中进行的,设备体积仅在5~30m,啤酒生产规模小,生产周期长。20世纪50年代以后,由于世界经济的快速发展,啤酒生产规模大幅度提高,传统的发酵设备以满足不了生产的需要,大容量发酵设备受到重视。所谓大容量发酵罐是指发酵罐的容积与传统发酵设备相比而言。大容量发酵罐有圆柱锥形发酵罐、朝日罐、通用罐和球形罐。圆柱锥形发酵罐是目前通用的发酵罐,该罐主体呈圆柱形,罐顶为圆弧状,底部为圆锥形,具有相当的高度(高度大于直径),罐体设有冷却和保温装置,为全封闭发酵罐。圆柱锥形发酵罐既适用于下面发酵,也适用于上面发酵,加工十分方便。德国酿造师发明的立式圆柱锥形发酵罐由于其诸多方面的优点,经过不断改进和发展,逐步在*得到推广和使用。我国自20世纪70年代中期,开始采用室外圆柱体锥形底发酵罐发酵法(简称锥形罐发酵法),目前国内啤酒生产几乎全部采用此发酵法。

1.锥形罐发酵法的特点

(1)底部为锥形便于生产过程中随时排放酵母,要求采用凝聚性酵母。

(2)罐本身具有冷却装置,便于发酵温度的控制。生产容易控制,发酵周期缩短,染菌机会少,啤酒质量稳定。

(3)罐体外设有保温装置,可将罐体置于室外,减少建筑投资,节省占地面积,便于扩建。

(4)采用密闭罐,便于CO2洗涤和CO2回收,发酵也可在一定压力下进行。即可做发酵罐,也可做贮酒罐,也可将发酵和贮酒合二为一,称为一罐发酵法。

(5)罐内发酵液由于液体高度而产生CO2梯度(即形成密度梯度)。通过冷却控制,可使发酵液进行自然对流,罐体越高对流越强。由于强烈对流的存在,酵母发酵能力提高,发酵速度加快,发酵周期缩短。

(6)发酵罐可采用仪表或微机控制,操作、管理方便。

(7)锥形罐既适用于下面发酵,也适用于上面发酵。

(8)可采用CIP自动清洗装置,清洗方便。

(9)锥形罐加工方便(可在现场就地加工),实用性强。

(10)设备容量可根据生产需要灵活调整,容量可从20~600m不等,高可达1500m。

2. 锥形罐工作原理与罐体结构

(1)锥形发酵罐工作原理

锥形罐发酵法发酵周期短、发酵速度快的原因是由于锥形罐内发酵液的流体力学特性和现代啤酒发酵技术采用的结果。

接种酵母后,由于酵母的凝聚作用,使得罐底部酵母的细胞密度增大,导致发酵速度加快,发酵过程中产生的二氧化碳量增多,同时由于发酵液的液柱高度产生的静压作用,也使二氧化碳含量随液层变化呈梯度变化(见表4-3-1),因此罐内发酵液的密度也呈现梯度变化,此外,由于锥形罐体外设有冷却装置,可以人为控制发酵各阶段温度。在静压差、发酵液密度差、二氧化碳的释放作用以及罐上部降温产生的温差(1~2℃)这些推动力的作用下,罐内发酵液产生了强烈的自然对流,增强了酵母与发酵液的接触,促进了酵母的代谢,使啤酒发酵速度大大加快,啤酒发酵周期显著缩短。另外,由于提高了接种温度、啤酒主发酵温度、双乙酰还原温度和酵母接种量也利于加快酵母的发酵速度,从而使发酵能够快速进行。

(2)锥形发酵罐基本结构

罐顶部分

罐顶为一圆拱形结构,中央开孔用于放置可拆卸的大直径法兰,以安装CO2和CIP管道及其连接件,罐顶还安装防真空阀、过压阀和压力传感器等,罐内侧装有洗涤装置,也安装有供罐顶操作的平台和通道。

罐体部分

罐体为圆柱体,是罐的主体部分。发酵罐的高度取决于圆柱体的直径与高度。由于罐直径大耐压低,一般锥形罐的直径不超过6m。罐体的加工比罐顶要容易,罐体外部用于安装冷却装置和保温层,并留一定的位置安装测温、测压元件。罐体部分的冷却层有各种各样的形式,如盘管、米勒扳、夹套式,并分成2~3段,用管道引出与冷却介质进管相连,冷却层外覆以聚氨酯发泡塑料等保温材料,保温层外再包一层铝合金或不锈钢板,也有使用彩色钢板作保护层。

圆锥底部分

圆锥底的夹角一般为60º~80º,也有90º~110º,但这多用于大容量的发酵罐。发酵罐的圆锥底高度与夹角有关,夹角越小锥底部分越高。一般罐的锥底高度占总高度的1/4左右,不要超过1/3。圆锥底的外壁应设冷却层,以冷却锥底沉淀的酵母。锥底还应安装进出管道、阀门、视镜、测温、测压得传感元件等。

此外,罐的直径与高度比通常为1:2~1:4,总高度不要超过16m,以免引起强烈对流,影响酵母和凝固物的沉降。制罐材料可用不锈钢或碳钢,若使用碳钢,罐内壁必须涂以对啤酒口味没有影响的且无毒的涂料。发酵罐工作压力可根据罐的工作性质确定,一般发酵罐的工作压力控制在0.2~0.3MPa。罐内壁必须光滑平整,不锈钢罐内壁要进行抛光处理,碳钢罐内壁涂料要均匀,无凹凸面,无颗粒状凸起。

(3)锥形发酵罐主要尺寸的确定

径高比  锥形罐呈圆柱锥底形,圆筒体的直径与高度之比为1:1~4。一般径高比越大,发酵时自然对流越强烈,酵母发酵速度快,但酵母不容易沉降,啤酒澄清困难。一般直径与麦汁液位总高度之比应为1:2,直径与柱形部分麦汁高度之比应为1:1~1.5。

罐容量  罐容量越大,麦汁满罐时间越长,发酵增殖次数多、时间长,会造成双乙酰前驱物质形成量增大,双乙酰产生量大、还原时间长。此外,还会造成出酒、清洗、重新进麦汁等非生产时间延长,且用冷高峰期峰值高,造成供冷紧张。由于二氧化碳的释放和泡沫的产生,罐有效容积一般为罐总量的80%左右。

锥角  一般在60°~90°之间, 常用60°~75°(不锈钢罐常用锥角60°,内有涂料的钢罐锥角为75°),以利于酵母的沉降与分离。

冷却夹套和冷却面积  锥形发酵罐冷却常采用间接冷却。国内一般采用半圆管、槽钢、弧形管夹套,或米勒板氏夹套在低温低压(-3℃、0.03MPa)下用液态二次冷媒冷却,国外多采用换热片式(爆炸成型)一次性冷媒直接蒸发式冷却。一次性冷酶(如液氨蒸发温度为-3~-4℃)蒸发后的压力为1.0MPa~1.2MPa,对夹套耐压性要求较高。由于啤酒冰点温度一般为-2.0~-2.7℃,为防止啤酒在罐内局部结冰,冷媒温度应在-3℃左右。国内常采用20%~30%的酒精水溶液,或20%丙二醇水溶液作为冷媒。

根据罐的容量不同,冷却可采用二段式或三段式。冷却面积根据罐体的材料而定,不锈钢材料一般为0.35~0.4m/m发酵液,碳钢罐为0.5~0.62m/m发酵液。锥底冷却面积不宜过大,防止贮酒期啤酒的结冰。

隔热层和防护层  绝热层材料要求导热系数小、体积质量低、吸水少、不易燃等特性。常用绝热材料有聚酰胺树脂、自熄式聚苯乙烯塑料、聚氨基甲酸乙酯、膨胀珍珠岩粉和矿渣棉等。绝热层厚度一般为150~200mm。外保护层一般采用0.7~1.5mm厚的铝合金板、马口铁板或0.5~0.7mm的不锈钢板,近来瓦楞型板比较受欢迎。

罐体的耐压  发酵产生一定的二氧化碳形成罐顶压力(罐压),应设有二氧化碳调节阀,罐顶设有安全阀。当二氧化碳排出、下酒速度过快、发酵罐洗涤时二氧化碳溶解等都会造成罐内出现负压,因此必须安装真空阀。下酒前要用二氧化碳或压缩空气背压,避免罐内负压的产生,造成发酵罐"瘪罐"。

3.锥形罐发酵工艺

(1)锥形罐发酵的组合形式

锥形罐发酵生产工艺组合形式有以下几种:

①发酵-贮酒式  此种方式,两个罐要求不一样,耐压也不同,对于现代酿造来说,此方式意义不大。

发酵-后处理式   即一个罐进行发酵,另一个罐为后熟处理。对发酵罐而言,将可发酵性成分一次完成,基本不保留可发酵性成分,发酵产生的CO2全部回收并贮存备用,然后转入后处理罐进行后熟处理。其过程为将发酵结束的发酵液经离心分离,去除酵母和冷凝固物,再经薄板换热器冷却到贮酒温度,进行1~2天的低温贮存后开始过滤。

发酵-后调整式  即前一个发酵罐类似一罐法进行发酵、贮酒,完成可发酵性成分的发酵,回收CO2、回收酵母,进行CO2洗涤,经适当的低温贮存后,在后调整罐内对色泽、稳定性、CO2含量等指标进行调整,再经适当稳定后即可开始过滤操作。

(2)发酵主要工艺参数的确定

发酵周期

由产品类型、质量要求、酵母性能、接种量、发酵温度、季节等确定,一般12~24天。通常,夏季普通啤酒发酵周期较短,啤酒发酵周期较长,淡季发酵周期适当延长。

酵母接种量

一般根据酵母性能、代数、衰老情况、产品类型等决定。接种量大小由添加酵母后的酵母数确定。发酵开始时:10~20×10个/ml;发酵旺盛时:6~7×10个/ml;排酵母后:6~8×10个/ml;0℃左右贮酒时:1.5~3.5×10个/ml。

发酵高温度和双乙酰还原温度

啤酒旺盛发酵时的温度称为发酵高温度,一般啤酒发酵可分为三种类型:低温发酵、中温发酵和高温发酵。低温发酵:旺盛发酵温度8℃左右;中温发酵:旺盛发酵温度10~12℃;高温发酵:旺盛发酵温度15~18℃。国内一般发酵温度为:9~12℃。双乙酰还原温度是指旺盛发酵结束后啤酒后熟阶段(主要是消除双乙酰)时的温度,一般双乙酰还原温度等于或高于发酵温度,这样既能保证啤酒质量又利于缩短发酵周期。发酵温度提高,发酵周期缩短,但代谢副产物量增加将影响啤酒风味且容易染菌;双乙酰还原温度增加,啤酒后熟时间缩短,但容易染菌又不利于酵母沉淀和啤酒澄清。温度低,发酵周期延长。

罐压

根据产品类型、麦汁浓度、发酵温度和酵母菌种等的不同确定。一般发酵时高罐压控制在0.07~0.08MPa。一般高罐压为发酵高温度值除以100(单位MPa)。采用带压发酵,可以抑制酵母的增殖,减少由于升温所造成的代谢副产物过多的现象,防止产生过量的醇、酯类,同时有利于双乙酰的还原,并可以保证酒中二氧化碳的含量。啤酒中CO2含量和罐压、温度的关系为:

CO2(%,m/m)=0.298+0.04p-0.008t

其中  p --罐压(压力表读数)(MPa)

t --啤酒品温(℃)

满罐时间

从*批麦汁进罐到后一批麦汁进罐所需时间称为满罐时间。满罐时间长,酵母增殖量大,产生代谢副产物α-乙酰乳酸多,双乙酰峰值高,一般在12~24h,在20h以内。

发酵度

可分为低发酵度、中发酵度、高发酵度和超高发酵度。对于淡色啤酒发酵度的划分为:低发酵度啤酒,其真正发酵度48%~56%;中发酵度啤酒,其真正发酵度59%~63%;高发酵度啤酒,其真正发酵度65%以上,超高发酵度啤酒(干啤酒)其真正发酵度在75%以上。目前国内比较流行发酵度较高的淡爽性啤酒。

(4)锥形发酵罐工艺要求

①应有效的控制原料质量和糖化效果,每批次麦汁组成应均匀,如果各批麦汁组成相差太大,将会影响到酵母的繁殖与发酵。如10ºP麦汁成分要求为:浓度%(m/m)10±0.2,色度(EBC单位)5.0~8.0,pH5.4±0.2,α-氨基氮(mg/L)140~180。

②大罐的容量应与每次糖化的冷麦汁量以及每天的糖化次数相适应,要求在16h内装满一罐,多不能超过24h,进罐冷麦汁对热凝固物要尽量去除,如能尽量分离冷凝固物则更好。

③冷麦汁的温度控制要考虑每次麦汁进罐的时间间隔和满罐的次数,如果间隔时间长次数多,可以考虑逐批提高麦汁的温度,也可以考虑前一、二批不加酵母,之后的几批将全量酵母按一定比例加入,添加比例由小到大,但应注意避免麦汁染菌。也有采用前几批麦汁添加酵母,后一批麦汁不加酵母的办法。

④冷麦汁溶解氧的控制可以根据酵母添加量和酵母繁殖情况而定,一般要求每批冷麦汁应按要求充氧,混合冷麦汁溶解氧不低于8mg/L。

⑤控制发酵温度应保持相对稳定,避免忽高忽低。温度控制以采用自动控制为好。

⑥应尽量进行CO2回收,以便于进行CO2洗涤、补充酒中CO2和以CO2背压等。

⑦发酵罐采用不锈钢材料制作,以便于清洗和杀菌,当使用碳钢制作发酵罐时,应保持涂料层的均匀与牢固,不能出现表面凹凸不平的现象,使用过程中涂料不能脱落。发酵罐要装有高压喷洗装置,喷洗压力应控制在0.39~0.49MPa或更高。

(5)操作步骤一罐法发酵

接种  选择已培养好的0代酵母或生产中发酵降糖正常,双乙酰还原快、微生物指标合格的发酵罐酵母作为种子,后者可采用罐-罐的方式进行串种。接种量以满罐后酵母数在(1.2~1.5)×10个/ml为准。

满罐时间  正常情况下,要求满罐时间不超过24h,扩培时可根据启发情况而定。满罐后每隔1天排放一次冷凝固物,共排3次。

主发酵  温度10℃,普通酒10±0.5℃,酒9±0.5℃,旺季可以升高0.5℃。当外观糖度降至3.8%~4.2%时可封罐升压。发酵罐压力控制在0.10~0.15MPa。

双乙酰还原  主发酵结束后,关闭冷媒升温至12℃进行双乙酰还原。双乙酰含量降至0.10mg/L以下时,开始降温。

降温  双乙酰还原结束后降温,24h内使温度由12℃降至5℃,停留1天进行酵母回收。亦可在12℃发酵过程中回收酵母,以保证更多的高活性酵母。旺季或酵母不够用时可在主发酵结束后直接回收酵母。

贮酒  回收酵母后,锥形罐继续降温,24h内使温度降至-1℃~-1.5℃,并在此温度下贮酒。贮酒时间:淡季7天以上,旺季3天以上。

4.酵母的回收

锥形罐发酵法酵母的回收方法不同于传统发酵,主要区别有:回收时间不定,可以在啤酒降温到6~7℃以后随时排放酵母,而传统发酵只能在发酵结束后才能进行;回收的温度不固定,可以在6~7℃下进行,也可以在3~4℃或0~1℃下进行;回收的次数不固定,锥形罐回收酵母可分几次进行,主要是根据实际需要多次进行回收;回收的方式不同,一般采用酵母回收泵和计量装置、加压与充氧装置,同时配备酵母罐且体积较大,可容纳几个罐回收的酵母(相同或相近代数);贮存方式不同,锥形罐一般不进行酵母洗涤,贮存温度可以调节,贮存条件较好。

一般情况下,发酵结束温度降到6~7℃以下时应及时回收酵母。若酵母回收不及时,锥底的酵母将很快出现"自溶"。回收酵母前锥底阀门要用75%(v/v)的酒精溶液棉球灭菌,回收或添加酵母的管路要定期用85℃的NaOH(俗称火碱)溶液洗涤20分钟;管路每次使用前先通85℃的热水30分钟、0.25%的消毒液(H2O2等)10分钟;管路使用后,先用清水冲洗5分钟,再用85℃热水灭菌20分钟。

酵母使用代数越多,厌氧菌的污染一般都会增加,酵母使用代数不要超过4代。对厌氧菌污染的酵母不要回收,做灭菌处理后再排放。

回收酵母时注意:要缓慢回收,防止酵母在压力突然降低造成酵母细胞破裂,适当备压;要除去上、下层酵母,回收中层强壮酵母;酵母回收后贮存温度2~4℃,贮存时间不要超过3天。

酵母泥回收后,要及时添加2~3倍的0.5~2.0℃的无菌水稀释,经80~100目的酵母筛过滤除去杂质,每天洗涤2~2.5次。

若回收酵母泥污染杂菌可以进行酸洗:食用级磷酸,用无菌水稀释至5%(m/m),加入回收的酵母泥中,调制pH2.2~2.5,搅拌均匀后静置3h以上,倾去上层酸水即可投入使用。经过酸洗后,可以杀灭99%以上的细菌。

酵母使用代数:有人研究发现,在同样的条件下,2代酵母的发酵周期较长,但降糖、还原双乙酰的能力较好;3代酵母在发酵周期、降糖、还原双乙酰能力等方面,酵母活性强;4代酵母以后,发酵周期逐渐延长,酵母的降糖能力和双乙酰还原能力也逐渐下降,产品质量将变差。

如果麦汁的营养丰富(α-氨基氮含量高,大于180mg/L),回收酵母的活性高,而麦汁营养缺乏时,回收的酵母活性很差,对下一轮发酵和啤酒质量有明显影响。

回收酵母泥时用0.01%的美蓝染色测定酵母死亡率,若死亡率超过10%就不能再使用,一般回收酵母死亡率应在5%以下。

5CO2的回收

CO2是啤酒生产的重要副产物,根据理论计算,每1kg麦芽糖发酵后可以产生0.514kg的CO2,,每1kg葡萄糖可以产生0.489kg的CO2,实际发酵时前1~2天的CO2不纯,不能回收,CO2的实际回收率仅为理论值的45%~70%。经验数据为,啤酒生产过程中每百升麦汁实际可以回收CO2约为2~2.2kg。

CO2回收和使用工艺流程为:

CO2收集→洗涤→压缩→干燥→净化→液化和贮存→气化→使用

①收集CO2  发酵1天后,检查排出CO2的纯度为99%~99.5%以上,CO2的压力为100~150kPa,经过泡沫捕集器和水洗塔除去泡沫和微量酒精及发酵副产物,不断送入橡皮气囊,使CO2回收设备连续均衡运转。

洗涤  CO2进入水洗塔逆流而上,水则由上喷淋而下。有些还配备高锰酸钾洗涤器,能除去气体中的有机杂质。

压缩  水洗后的CO2气体被无油润滑CO2压缩机2级压缩。第1级压缩到0.3MPa(表压),冷凝到45℃;第2级压缩到1.5~1.8MPa(表压),冷凝到45℃。

干燥  经过2级压缩后的CO2气体(约1.8MPa),进入1台干燥器,器内装有硅胶或分子筛,可以去除CO2中的水蒸汽,防止结冰。也有把干燥放在净化操作后。

净化  经过干燥的CO2,再经过1台活性碳过滤器净化。器内装有活性炭,清除CO2气体中的微细杂质和异味。要求2台并联,其中1台再生备用,内有电热装置,有的用蒸汽再生,要求应在37h内再生1次。

液化和贮存  CO2气体被干燥和净化后,通过列管式CO2净化器。列管内流动的CO2气体冷凝到-15℃以下时,转变成-27℃、1.5MPa的液体CO2,进入贮罐,列管外流动的冷媒R22蒸发后吸入致冷机。

气化  液态CO2的贮罐压力为1.45MPa(1.4~1.5之间),通过蒸汽加热蒸发装置,使液体CO2转变为气体CO2,输送到各个用气电。

回收的CO2纯度要大于99.8%(v/v),其中水的的高含量为0.05%,油的高含量为5mg/L,硫的高含量为0.5mg/L,残余气体的高含量为0.2%,将CO2溶于不能出现不愉快的味道和气味。

6.锥形罐的清洗与消毒

在啤酒生产中,卫生管理至关重要。生产环节中清洗和消毒杀菌不严格所带来的直接后果是:轻度污染使啤酒口感差,保鲜期短,质量低劣;严重污染可使啤酒酸败和报废。

(1)发酵大罐的微生物控制  啤酒发酵是纯粹啤酒酵母发酵,发酵过程中的有害微生物的污染是通过麦汁冷却操作、输送管道、阀门、接种酵母、发酵空罐等途径传播的,而发酵空罐则是大的污染源。因此,必须对啤酒发酵罐进行洗涤及消毒杀菌。

(2)杀菌剂的选择 设备、方法、杀菌剂对大罐洗涤质量起着决定作用,而选择经济、、安全的消毒杀菌剂则是关键。我国大多数啤酒厂所采用的杀菌剂大致有CIO2、双氧水、过氧乙酸、甲醛等,使用效果的是CIO2。

(3)洗涤方法的选择

①清水-碱水-清水这种方法是比较原始的洗涤方法,目前在中小型啤酒厂中使用较多,虽然洗涤成本低,但不能充分杀死所有微生物,而且会对啤酒口感带来影响。也有采用定期用甲醛洗涤杀菌,但并不安全。

②清水-碱水-清水-杀菌剂(CIO2、过氧乙酸、双氧水)  一般认为上述三种消毒剂终分解产物无毒副作用,洗涤后不必冲洗。采用此种方法的厂家较多,其啤酒质量特别是口感、保鲜期会比*种方法提高一个档次。

③清水-碱水-清水-消毒剂-无菌水  有的厂家认为这种方法对微生物控制比较安全,又可避免万一消毒剂残留而带来的副作用,但如果无菌水细菌控制不合格也会带来大罐重复污染。

④清水-稀酸-清水-碱水-清水-杀菌剂-无菌水  此种方法被认为是比较理想的洗涤方法。通过对长期使用的大罐内壁的检查,可发现粘附有由草酸钙、磷酸钙和有机物组成的啤酒石,先用稀酸(磷酸、硝酸、硫酸)除去啤酒石,再进行洗涤和消毒杀菌,这样会对啤酒质量有利。

(4)其它因素对大罐洗涤的影响

CIP系统的设计:特别是管道角度、洗涤罐的容量及分布、洗涤水的回收方法等,都会对洗涤杀菌产生影响。有些采用带压回收洗涤水,压力过高会使洗涤水喷射产生阻力而影响洗涤效果。

洗涤器:当前生产的洗涤器种类很多,应选择喷射角度完全,不容易堵塞的万向洗涤器。定期拆开大罐顶盖对洗涤器进行检查,以免洗涤器因异物而堵塞。

洗涤泵及压力:如果泵的压力过小,洗涤液喷射无力,也会在大罐内壁留下死角,洗涤的压力一般应控制在0.25~0.4MPa。

大罐内壁:有的大罐内壁采用环氧树脂或T541涂料防腐,使用一段时间后会起泡或脱落,如果不及时检查维修,就会在这些死角藏有细菌而污染啤酒。

洗涤时间:只要方法正确,设备正常,一般清水冲洗每次15~20分钟,碱洗时间20分钟,杀菌时间20~30分钟,总时间控制在90~100分钟是比较理想的。

微检取样方法:大罐洗涤完毕后放净水,关闭底阀几分钟,然后再打开,用无菌试管或无菌三角瓶,在火焰上取样作无菌平皿培养24小时或厌氧菌培养7天,取样方法不正确或者培养不严格也会使微生物测定不准确。

 

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