Эффективность пивоварни (часть 3): фильтрация и промывка

Фильтрация (то есть отделение сладкого сусла от дробины) является процессом, также влияющим на эффективность варочного цеха. Но в отличие от затирания это в основном физический процесс. В домашнем пивоварении используются две техники фильтрации: периодическая промывка (в том числе особый случай, когда промывка отсутствует полностью) и постоянная промывка. Периодическая промывка основана на повторном разбавлении и стекании сусла, оставшегося в зерне, партиями промывной воды для переноса растворенного экстракта в сусловарочный котел, а постоянная промывка представляет собой непрерывный процесс, при котором промывочная вода просачивается в зерно и вымывает экстракт.

Оценка эффективности фильтрации (периодическая промывка)

В фильтрационном методе с периодической промывкой после завершения затирания, первое сусло сливается до тех пор, пока зернистый слой не станет «сухим». Но дробина в фильтр-чане, на самом деле не совсем сухая, и содержит некоторый объем сусла оставшийся в зерне (с такой же плотностью, что и слившееся сусло). Затем кран закрывается и к зерну добавляется порция воды, с перемешиванием. За счет этого происходит разбавление сусла, оставшегося в зерне, и как только перемешивание завершается, в сусловарочный котел сливается еще одна партия сусла, которая будет с более низкой плотностью. Этот процесс повторяется до тех пор, пока не будет достигнут желаемый объем перед кипячением. Чаще всего используется одна-две партии промывочной воды.

Из-за статического характера проблемы: слив -> разбавление -> слив ... эффективность фильтрации при периодической промывки может быть легко смоделирована. Эффективность переноса растворенного экстракта (сахара, белков и т. д.) представляет собой соотношение между сливаемым объемом и общим объемом начального сусла в заторном чане. Из-за наличия нерастворенных твердых веществ, объем сусла в фильтр-чане не равен объему всего затора, и лучше всего рассчитать объем сусла в фильтр-чане суммированием сливаемого объема с объемом поглощения (абсорбция) зерна и с мертвым пространством фильтр-чана (остаток сусла, который нельзя слить). В правильно спроектированной фильтр-чане кол-во сусла, поглощенного зерном, обычно намного больше, чем сусла, оставшегося в мертвых пространствах. Объем, поглощенный зерном, пропорционален количеству зерна, которое было в заторе.

Эффективность одношаговой периодической промывки:

Эфф _{шаг_ переодич._промывки} = 100% * М _{эктракт_котла} / М _{эктракт_фильтр-чана}
Эфф _{шаг_ переодич_промывки} = 100% * е * V _слив / (е * (V _слив + V _{абсорбция_зерна} + V _{метрвое_простр-во} ))
e - содержание экстракта (т. е. плотность) сусла. Это одно и то же значение для числителя и знаменателя и может быть исключено из уравнения.

Эфф _{шаг_ переодич._промывки} = 100% * V _слив / (V _слив + V _{абсорбция_зерна} + V _{метрвое_пространство} )
Эта эффективность будет рассчитываться для способа без промывки. В последующих обсуждениях объемом мертвого пространства будем пренебрегать, но если он значителен, его необходимо добавить к объему, поглощенному (абсорбированному) зерном.

Чтобы рассчитать процент растворенного экстракта (эффективности) при последующих периодических промывках, то можно пользоваться одним и тем же уравнением, но 100% должны быть изменены на процентный экстракт, который все еще присутствует в дробине:

Эфф _{2-ой_ слив} = (100% - Эфф _{1-ый_ слив}) * V _слив / (V _слив + V _{абсорбция_зерна} + V _{метрвое_пространство} )
С увеличением количества сливов менее плотное сусло попадает в котел, и все меньшие суммы добавляются к числителю. В результате эффективность слива снижается.

Определение эффективности фильтрации (периодическая и постоянная)

Таблица 2 - Таблица для определения эффективности варочного цеха при потерях во время фильтрации основанная на содержании экстракта / удельного веса в заторе после добавления воды в дробину

Математическое моделирование хорошо работает при периодической, но не так хорошо при постоянной промывке из-за динамической природы этого процесса. Это не означает, что оно не было сделано в промышленном пивоварении, в частности производителями оборудования, в поисках все более эффективных конструкций фильтр-чана, но слишком много параметров, которые влияют на эффективность фильтрации, которые трудно измерить или поддерживать постоянными, поэтому разработка математической модели для непрерывной промывки не является практическим вариантом для домашнего пивовара.

Вместо этого существует метод оценки эффективности при непрерывной промывке путем измерения растворенного экстракта, который остается в дробине после завершения слива. Этот метод не ограничивается непрерывной промывкой, он также работает и для периодического способа. Идея состоит в том, чтобы разбавить сусло, находящееся в дробине, и измерить его плотность / экстракт. Объем сусла после добавления воды может быть определен по уровню поглощения сусла зерном и количеству добавляемой воды. Исходя из этого объема и плотности / экстракта можно определить вес растворенного экстракта, оставшегося в отработанном зерне, и соотношение между этим весом и первоначальным весом экстракта в зерне представляет собой процентные пункты эффективности варочного цеха, которые были потеряны во время всей фильтрации:

m _{экстракт_оставшийся_при_фильтрации} = (V _{добавленная_вода} + V _{абсорбция_зерна} ) * удельный вес * экстракт
Количество, поглощенное зерном, может быть рассчитано исходя из общего количества использованной воды, количества произведенного сусла и количества экстракта, извлеченного из зерна. Последнее важно, поскольку оно фактически увеличивает объем примерно на 0,62 л на каждый килограмм растворенного экстракта. Общий коэффициент поглощения сусла в зерне составляет 1,56 л / кг.

Если в зерне предполагается наличие экстракта 80%, а количество добавленной воды выражается кратное весу зерна, следующую формулу можно использовать для определения потери эффективности варочного цеха во время фильтрации на основе добавленной воды и удельного веса промывочной жидкости после тщательного перемешивания.

Эфф_{потерянная_при_фильтрации} = экстракт * удельный вес * (А_{абсорбция_зерна} + R_{добавленная_вода}) / 0.8
Коэффициент поглощения зерна ( А_{абсорбция_зерна} ) 1,56 л / кг и коэффициент добавления воды ( R_{добавленная_вода} ) должны быть указанны в л / кг. Таблица 2 была создана с использованием приведенной выше формулы.

Что влияет на эффективность фильтрации при периодической промывке.

Параметры, которые влияют на эффективность периодической промывки, подробно обсуждались в Batch Sparging Analysis . Ниже приводится краткий обзор:

Размер засыпи / начальная плотность
Эти двоя связаны друг с другом. Чем выше начальная плотность пива, тем больше зерна потребуется в заторе. При периодической промывки размер засыпи влияет на эффективность за счет увеличения объема поглощаемого сусла, который находится в знаменателе базового уравнения эффективности периодической промывки:

Эфф = 100% * V _слив / (V _слив + V _{абсорбция_зерна} )
Чем больше зерен используется, тем больше сусла будет удерживаться в зерне (V _{абсорбция_зерна}), и тем ниже будет эффективность. Это одна из причин того, что крепкое пиво, которое обычно требует больше зерна в пересчете на заданный объем воды, имеет более низкую эффективность фильтрации с периодической промывкой, чем легкое пиво.

Количество сливов
Хотя очевидно, что каждый дополнительный промывочный шаг (слив) приведет к извлечению большего количества экстракта из затора в сусловарочный котёл и, следовательно, к повышению эффективности, но следует учитывать, что для сохранения такого же объема перед кипячением, при увеличении количества сливов их размер должен уменьшаться. Это приводит к уменьшению эффективности промывочных шагов и, как результат, за счет добавления большего количества сливов достигается уменьшение отдачи. В результате существует предел эффективности периодической промывки, который определяется количеством зерна и желаемым объемом до кипячения. Переход от безпромывочного (1 слив) к однопромывочному методу (2 слива) повышает эффективность фильтрации на 8% при переходе от одно- к двухпромывочному (3 слива) на около 2-3%. После этого преимущество в эффективности фильтрации быстро падает с каждым добавленным шагом слива, в то время как объем партии значительно увеличивается (только ~ 1% достигается за счет перехода от 3-х сливов к 4). Быстро уменьшающаяся отдача - одна из причин, по которой большинством пивоваров не использует более 3 сливов.

Объем перед кипячением / выпаривание
Имея больший объем пред кипячением (который потребует более сильного выпаривания, чтобы достичь желаемого экстракта /плотности), повышается эффективность фильтрования за счет увеличения знаменателя в вышеупомянутом уравнении. Проще говоря, чем больше воды, доступной для выщелачивания экстракта, тем выше будет эффективность фильтрации. Но выпаривание должно быть изменено только в ограниченном диапазоне. Чрезмерно длительное время кипячения или чрезмерно сильное выкипание (почасовое выкипание в 15% и более) могут нанести ущерб качеству пива.

Размеры слива по отношению друг к другу
В Batch Sparging Analysis было продемонстрировано влияние неравных размеров слива в методе с 2-мя сливами. Там было обнаружено, что максимальный эффект фильтрации достигается, когда оба слива равны, было также показано, что этот оптимум является довольно плоским. Только до тех пор, пока один слив не станет меньше ~ 30%, а другой составит более ~ 70% от объема перед кипячением, это приводит к более 1% потери эффективности фильтрования. Распределение 20/80 дает эффективность, которая на 3% меньше максимальной эффективности фильтрации. Крайнее распределение составляет от 0% к 100% - это в случаи отсутствия промывки (1 слив), а эффективность для этого сценария составит примерно на 7-8% меньше.

Основываясь на этих выводах, размеры слива для периодических промывок должны поддерживаться примерно одинаковыми, но лишь немного теряется, если они не совсем равны.

Что влияет на эффективность фильтрации при постоянной промывке

Параметры, которые влияют на эффективность при постоянной или непрерывной промывки, не так легко моделируются, как при периодической промывки. При непрерывной промывки эффективность фильтрации страдает, если зерно не промывается равномерно. Основная причина этого - «каналинг», где промывная вода находит пути наименьшего сопротивления (каналы), которые она хорошо промывает. Более плотные участки между каналами будут промываться хуже или вовсе нет. В результате получается относительно большое количество экстракта, который удерживается в этих областях.

Каналы могут образовываться, когда скорость потока идет слишком быстро. Это вызывает высокую разность давления между дном и верхней частью затора, которая заставляет быстрей проталкивать сусло через зернистый слой, чем он может это выдержать. В результате происходит закупоривание затора или локализованное сжатие зернового слоя. Во многих случаях зерновой слой будет отслаиваться от стенок и открывать зазоры, через которые может течь промывная вода без большого контакта с экстрактом, задержанном в зерне.

Чтобы избежать остановки или уплотнения затора, частицы зерна должны быть как можно большими. Но это идет вразрез с желанием иметь мелкий помол для повышения эффективности расщепления (см. предыдущую часть статьи). В результате должен быть достигнут компромисс между дроблением, который достаточно мелкий, чтобы обеспечить достаточную эффективность расщепления, но и достаточно крупный для легкой фильтрации. К тому же скорость потока обратно пропорциональна вязкости сусла, и она также пропорциональна площади частиц среднего размера. В результате частицы меньшего размера (мука, белок) пагубно сказываются на скорости потока, как и высокая вязкость [Бриггс, 2004]. На размер частиц и вязкость оказывает влияние мэш аут. Хотя очевидно, что более высокотемпературное сусло обладает меньшей вязкостью, но менее известно, что более высокие температуры мэш аута заставляют больше белка образовывать между собой крупные хлопья, что уменьшает количество частиц среднего размера. Очевидно, что достаточное кол-во ионов кальция в заторе также способствует флокуляции белков и улучшает скорость потока

Особое внимание следует обратить на формирование верхового теста - плотного слоя, который состоит в основном из небольших крахмальных гранул, бета-глюканов, белков и липидов. Этот слой может образовывать барьер между слоем зерна и промывной водой, что способствует образованию каналов в более слабых точках. Чтобы избежать вредного воздействия этого слоя на скорость потока, следует избегать его формования путем сгребания, резки или других форм разрушения.

Другим важным параметром при непрерывной промывки, который не имеет существенного значения при периодическом способе, является конструкция фильтр-чана (или заторно-фильтрационного чана, если используется один и тот же сосуд). Важно, чтобы он обеспечивал равномерный сбор сусла на дне зернистого слоя без создания отдельных или предпочтительных точек слива. Это лучше всего достигается с перфорированным фальшдном, на которое ложится зерно, но многие пивовары также имели хороший успех с конструкцией коллектора, состоящей из прорезных или перфорированных трубок.

Подобно периодическому промыванию, количество используемой воды для промывки также влияет на эффективность фильтрации. Чем больше воды доступно для промывания, тем больше экстракта можно вымыть из зерна. Но следует отметить, что качество сусла уменьшается по мере удлинения промывки. Содержание экстракта в сусле становится все ниже и ниже, в то время как буферная способность становится слабее. Последнее может привести к повышению рН в зернистом слое (особенно когда используется вода для промывки с высокой щелочностью), что приводит к чрезмерной экстракции танинов из шелухи (основная причина вяжущего вкуса пива). Также желаемый объем до кипячения ограничивает объем промывки и, следовательно, эффективность непрерывной промывки. Но если сделать все правильно, непрерывная промывка дает лучшую эффективность фильтрации, чем периодический способ при таком же количестве промывной воды.