В те времена, когда сусло охлаждалось натуральным льдом, бродильные чаны и лагерные бочки размещались в сухих и холодных подвалах. Тогда вопрос о какой-либо теплоизоляции емкостей еще не стоял. Позднее бродильные цеха, как правило, также размещали на одном этаже с лагерными отделениями, так как в этом случае снижались общие расходы на охлаждение (охлаждался один блок смежных помещений). Охлаждаемые помещения начали облицовываться теплоизоляционными материалами, чаще всего — асфальтопробковыми пластинами.

Как уже упоминалось  в предыдущей статье, идея строительства на открытых площадках емкостей брожения большого объема появилась в 60-е годы. Причем, как ни странно, не в Европе, где первые ЦКТ пробовали создать еще в первом десятилетии ХХ века, а в Азии — в развивающейся Японии. Следует сказать, что японцы тут в полной мере проявили свою легендарную практичность. Опираясь на опыт европейского построения большеобъемных емкостей, они первыми не просто обосновали возможность применения емкостей брожения особой конструкции (собственно ЦКТ), но и получили хорошие практические результаты. В качестве «родителя» современного ЦКТ выступила компания «Asahi» (Япония), чьи конструкторы и технологи смогли преодолеть практически все существовавшие ранее трудности, делавшие невозможным производство пива с помощью большеобъемных герметичных емкостей брожения. В Европе первые ЦКТ, предназначенные для установки на открытом воздухе, были построены и смонтированы по лицензии «Asahi» компанией «Ziemann» (Германия) на одном из пивоваренных заводов Португалии.

Первые ЦКТ монтировались исключительно на улице, но позднее появились цилиндро-конические танки, рассчитанные на установку в помещениях-ангарах. Надо сказать, что, по мнению специалистов, для европейских стран с жесткими климатическими условиями вариант установки ЦКТ в помещении является оптимальным. Это дает большую гарантию того, что к примеру, не замерзнет купольная арматура или на ЦКТ не будут воздействовать значительные ветровые нагрузки (парусность ЦКТ - 

довольно существенный фактор). Также установка ЦКТ в помещении помогает снизить затраты на изоляцию каждого танка и уменьшить энергопотери (за счет уменьшения поверхности активного теплообмена). Но даже в том случае, когда ЦКТ располагаются в помещении, оптимальным вариантом является установка на танках индивидуальных рубашек охлаждения. Это позволяет регулировать температуру в каждой емкости отдельно. Размещение ЦКТ в ангаре предохраняет танки еще от одного вредного влияния погодных факторов. Оно снижает риск попадания влаги в полиуретановую изоляцию. В то же время при установке ЦКТ в помещении приходится дополнительно потратиться на возведение здания (ангара) на стальном каркасе и его отделку.

Для стран СНГ, в частности — России, Беларуси и Украины, расположение ЦКТ в ангарах встречается довольно часто. Но тем не менее, многие пивовары предпочитают устанавливать центрально-конические танки на открытом воздухе.

При установке ЦКТ на улице громадное значение приобретает качественная теплоизоляция емкости. Лучшей изоляцией для ЦКТ сегодня справедливо считается вспененный полиуретан. Главным его недостатком является гигроскопичность — способность впитывать влагу. При попадании в полиуретан воды изоляция напрочь утрачивает свои теплозащитные функции. Поэтому снаружи она защищается герметичной пароизоляцией, в качестве которой выступает полиэтиленовая пленка, обычная или металлизированная, с облицовкой из листовой нержавейки, оцинкованного железа или алюминия. Полиуретановая изоляция наносится на ЦКТ, как правило, заводом-изготовителем. Исключением являются случаи, когда ЦКТ вынужденно собирается непосредственно на территории пивоварни (из-за габаритно-транспортных проблем). Также полиуретановая изоляция может наноситься на танк на пивзаводе в случае ремонта емкости. Жидкая полиуретановая пена заливается в промежуток между стенкой танка и внешней облицовкой, толщина слоя обычно составляет 10-15 сантиметров. Застывая, пена превращается в эффективную теплоизоляционную прокладку.

Во время нанесения изоляции на ЦКТ в нее ни в ком случае не должна попасть вода. После этого восстановить изолирующие свойства полиуретана уже невозможно. Опасна для полиуретана (как жидкого, так и застывшего) даже естественная сырость или водяной пар. В связи с этим защитное покрытие на танке выполняется герметичным. Достаточно любого отверстия или щели в облицовке, чтобы в полиуретан начала попадать влага. По словам специалистов, в таком случае изоляция прослужит не более 9-10 лет, после чего ее придется менять (а это недешевая операция). По единодушному мнению экспертов, восстановлением изоляции ЦКТ (плановым и нет) должны заниматься только специалисты, но ни в коем случае не сами пивовары. Самонадеянность тут недопустима — как говаривал Иван Крылов:

«Беда, коль пироги начнет печи сапожник,
А сапоги тачать пирожник —
И дело не пойдет на лад».
 

 

Наиболее надежным вариантом будет передать заказ на изоляцию танка специализированной компании, но при этом — обязательно оговорить в заключаемом контракте долгосрочную гарантию качества.

 

Охлаждение ЦКТ

 

Низовое пиво на стадии брожения обязательно должно охлаждаться. В старину оно охлаждалось так называемыми «поплавками» — пустотелыми металлическими емкостями, наполненными льдом. Поплавки свободно плавали на поверхности сусла, охлаждая его (по мере того, как лед растапливался, его меняли). В эпоху индустриализации в бродильных чанах стали применяться так называемые «змеевиковые холодильники», представляющие собой погруженные в сусло медные, стальные или алюминиевые трубы, по которым циркулировала охлажденная вода. Во второй половине ХХ века, когда в Европе вошли в широкое употребление бетонные бродильные чаны, появились первые примитивные «рубашки охлаждения». Устроены они были очень просто — тот же змеевиковый холодильник вмуровывали в стенки чана. Широкого распространения эта система охлаждения не получила по причине, мягко говоря, весьма затрудненного сервисного доступа к охлаждающему змеевику.

В технологии производства пива с помощью ЦКТ сегодня существует два общепринятых варианта охлаждения пива в танке: прямое и непрямое.

Прямое охлаждение

При прямом охлаждении хладоноситель (преимущественно аммиак, так как на использование фреоносодержащих хладагентов наложен ряд запретов) испаряется непосредственно в трубках, пластинах или рубашках, охлаждающих пиво. Аммиак (NH₃) является весьма эффективным хладагентом, испаряющимся при температуре -70°С.

Прямое охлаждение экономически является более выгодным (расходы электроэнергии тут достаточно невелики). Реальная экономия энергии при производстве холода (сравнительно с непрямым охлаждением) составляет до 30%. Кроме того, соответственно снижается требуемая холодильная мощность компрессорного отделения. Компрессоры можно перевести на более тёплый режим работы, что положительно скажется на их эффективности. Также, ввиду того, что аммиак может испаряться в широком диапазоне температур, прямое испарение позволяет более гибко управлять процессом охлаждения, избегая температурного шока для дрожжей. Последнее преимущество является очень важным технологическим аргументом в пользу прямого охлаждения. В то же время, использование аммиака связано с известной степенью опасности. Аммиак является не просто сильноядовитым веществом. При соединении его с углекислотой (CO₂) происходит взрывообразная реакция с выбросом большого количества тепла. Это обуславливает применение специальных мер безопасности, исключающих возможную аварию.

Для прямого охлаждения пива в ЦКТ могут использоваться специальные устройства, наиболее распространенными из которых являются разновидности «пластины Мюллера» и различного рода сегментные трубки. Сегодня подобного рода устройства морально устарели и практически вышли из употребления, но несколько слов о конструкции таких охладителей сказать все же стоит.

«Mueller plates» (пластина Мюллера), «Temp-plates», «Dimpl jackets» внешне напоминают простеганное пуховое одеяло. При их изготовлении два металлических листа охладителя точечно сваривались между собой (места сварки обычно располагались «по ромбику»). После сварки между листами создавалось повышенное давление, и они раздавались в стороны, продолжая прилегать друг к другу только в местах точечной сварки. После этой операции пластина Мюллера приобретала свой характерный «простеганный» вид.

Внутри пластины Мюллера находилось единое пространство, а внутренность охладителя с сегментными трубками делилась трубками на отдельные взаимосвязанные с собой каналы. Конструктивно эти устройства подразделялись на сегментные трубки с вертикальным и горизонтальным направлением сегментов. В качестве хладоносителя выступали гликоль или все тот же аммиак.

К числу наиболее заметных недостатков систем прямого охлаждения можно отнести сравнительно большое количество потенциально опасного хладагента. Он должен находиться во всей системе трубопроводов охладителя, причем каждое соединение труб и трубок является потенциальным местом утечки ядовитого аммиака.

 Непрямое охлаждение

При непрямом методе охлаждение также используется аммиак, но охлаждение пива производится не непосредственно аммиаком, а через своеобразное «передаточное звено». Аммиак испаряется только в самом охладителе, охлаждая трубки с хладагентом (обычно — пропиленгликолем или этиленгликолем, реже — горючими этанолом или спиртом), который и идет в трубки или рубашки, охлаждающие пиво. При этом необходимо учитывать, что хладагент в охладителе необходимо охлаждать несколько ниже требующейся температуры (в среднем, на 3-4°С). Пока он собирается в накопителе и по системе трубопроводов попадает непосредственно к ЦКТ, эта температурная разница сглаживается.

Существенным преимуществом непрямого охлаждения является низкое давление охлаждающей жидкости в системе (за счет того, что гликолю не нужно испаряться), а это уменьшает вероятность утечки. Необходимое количество аммиака в холодильной системе существенно уменьшается. Холодильная установка работает с равномерной нагрузкой, в достаточно узком температурном диапазоне, что увеличивает срок работы оборудования. Применение накопителя позволяет сделать цикл работы холодильной установки прерывистым — на какое-то время выключать ее из сети. Учитывая то, что холодильная установка является наиболее серьезным потребителем электроэнергии на пивоваренном заводе, это поможет если не решить, то хотя бы смягчить проблему пиковых энергетических нагрузок. Эти преимущества являются весомым аргументом в пользу применения данного варианта охлаждения, что объясняет популярность непрямого охлаждения на пивоваренных предприятиях.

К недостаткам непрямого охлаждения можно отнести его большее (относительно прямого) энергопотребление, необходимость использования аммиачных компрессоров большей мощности, больших диаметров трубопроводов и арматуры для хладоносителя. Возрастает опасность температурного шока дрожжей.

Если говорить о конструкционных различиях охладителей, то охлаждение ЦКТ может осуществляться несколькими способами, основными среди которых являются:

Орошение танка

В пивоварении, по данным редакции, не используется. Побочным эффектом орошения является нежелательное насыщение окружающей среды водяным паром, что приводит к повышенной коррозии, росту микроорганизмов и т. п. Является стандартным способом охлаждения ЦКТБ на винокуренных предприятиях. Серьезным минусом есть то, что орошение может применяется только в теплоизолированных помещениях. Также к основным недостаткам этого способа охлаждения относятся:

1.    Медленное охлаждение.

2.    Образование конденсата.

3.    Невозможность установки индивидуального температурного режима танков.

К его относительным преимуществам можно отнести разве что низкую стоимость неизолированных танков (сводится к нулю необходимость теплоизолировать помещение, в котором они находятся).

Внешний контур охлаждения

С 1970 года для охлаждения пива в ЦКТ успешно применяется способ внешнего охлаждения. Для этого пиво отбирается снизу — из конуса — и охлаждается на стандартном пластинчатом теплообменнике. Обратно в танк оно подается уже через верхнюю часть емкости (на 1-1,5 метра ниже поверхности сусла). При этом, естественно, происходит интенсивное перемешивание содержимого ЦКТ, что позволяет дрожжевым клеткам постоянно находиться во взвешенном состоянии. Благодаря этому несколько сокращается время брожения, а соответственно — повышается оборачиваемость оборудования. Для того, чтобы позволить дрожжам осесть, на конечном этапе брожения пиво начинают отбирать уже не из конуса, а из верхней части танка. Всю фазу брожения содержимое танка непрерывно перемешивается, что гарантирует его однородность (гомогенность).

Наиболее заметным плюсом методы внешнего охлаждения являются гораздо более низкие (относительно охлаждающих рубашек) первоначальные инвестиционные затраты. Не менее важно, что в этом случае площадь охлаждающей поверхности не зависит от диаметра ЦКТ, как это происходит с охлаждающими рубашками. Температурный режим при этом можно выдерживать очень точно, а корректировать — быстрее. Охлаждение конуса танка происходит изнутри, что повышает его эффективность. Также не возникает особых затруднений со взятием проб, при помощи которых можно оперативно контролировать и корректировать ход брожения.

К недостаткам метода внешнего охлаждения относится повышенный расход электроэнергии (идет на работу циркуляционного насоса) и большие расходы на СИП-санацию системы.

Рубашки охлаждения

Является доминирующим в мире (и одновременно — наиболее старым и испытанным) вариантом охлаждения ЦКТ.

Традиционная рубашка охлаждения собирается из разрезанной вдоль высококачественной трубы (или соответствующего прокатного профиля). Эта «полутруба» по спирали, виток к витку, наваривается на внешнюю поверхность танка. Ее холодоотдача достаточно велика, прочность — более, чем достаточна. По более современной (и экономичной) технологии на внешнюю поверхность танка лазерным лучом приваривается не полутруба, а штампованный профилированный лист. У спирально навитых рубашек внутренние каналы соединяются последовательно, у штампованных рубашек лазерной сварки — параллельно. Сверху рубашки охлаждения теплоизолируются.

Рубашки охлаждения охватывают танк «снаружи», поэтому величина охлаждающей поверхности напрямую зависит от диаметра танка. Чем меньше диаметр по отношению к высоте танка, тем меньше площадь рубашки. В то же время, чем больше диаметр танка, тем больше времени потребуется на отвод необходимого количества тепла. «Золотой середины», которая была бы признана всеми, тут не существует. Соотношение диаметра и высоты ЦКТ колеблется в диапазоне от 1:2 до 1:6, причем различные компании-производители с достойным восхищения упорством отстаивают свою точку зрения на этот вопрос. Скажу только, что по данным современных ученых-исследователей Х. И. Мангера и Г. Аннемюллера (Германия), наиболее заметным плюсом малого соотношения диаметра и высоты ЦКТ является усиление внутрижидкостных потоков, переносящих тепло (так называемых «конвекционных потоков»), что делает эффект охлаждения по всему объёму танка более гарантированным.

 В пользу большего соотношения говорит увеличение возможной площади для нанесения рубашек охлаждения, что повышает оборачиваемость танка. Кроме того, при большем соотношении снижается стоимость как самого танка, так и его транспортировки. К общеизвестным преимуществам рубашек охлаждения относится возможность применения индивидуального температурного режима (при этом используется более недорогое двухэтапное регулирование температуры). Среди недостатков, кроме ограниченной поверхности теплообмена, - относительно высокая стоимость рубашек охлаждения (на них приходится около 25-30% от общей стоимости ЦКТ).

Обычно цилиндрическая часть ЦКТ охлаждается двумя-тремя рубашками (вообще же их количество может колебаться от одной до пяти). Еще один охлаждающий сегмент приходится на конус (абсолютно необходимо для ЦКТЛ). Охлаждение, производимое с помощью отдельных рубашек, дает возможность точно выдерживать необходимый температурный режим и, одновременно, создавать интенсивную циркуляцию молодого пива внутри танка.

Согласно законам физики, теплая жидкость (в данном случае пиво) всегда стремиться подняться вверх. Поэтому во время брожения охлаждают верхнюю часть танка, отнимая тепло у наиболее теплого верхнего слоя пива. Охладившись, пиво «течет» вниз, а на смену ему поднимается более теплый слой напитка. В результате внутри танка возникают потоки пива стабильной направленности (конвенционные, то есть «переносящие тепло» потоки).

На стадии холодной (лагерной) выдержки общая температура пива снижается. В среднем, до -1 (стандарт «Plsensky Prazdroj a.s.») или -2°С (при более низкой температуре пиво начнет замерзать). При этом большое значение приобретает рубашка охлаждения, расположенная на конусе ЦКТ. Без нее охлаждение пива до необходимой температуры будет невозможным, так как на этой стадии более теплое пиво (с температурой около +2,5°С) начинает собираться внизу (именно при температуре в 2,5°С пиво, как жидкость, сжимается сильнее всего, то есть - становится наиболее плотным, тяжелым). При дальнейшем снижении температуры начинает наблюдаться эффект инверсии плотности пива, т.е. его плотность уменьшается (!) и более холодные слои жидкости начинают всплывать, что приводит к инверсии циркуляции в танке.

При относительно высокой температуре пива (+2,5°С), дрожжи в нем не замедлят свои жизнеобменные процессы, не «заснут». Но на стадии лагерной выдержки нужного количества питательных веществ в пиве для дрожжевых клеток уже не остается. В результате в клетках запускается механизм так называемого «саморастворения» — автолиза. Клетка, не получая питательных веществ извне, начинает «съедать сама себя» и разрушается. Содержимое таких разрушившихся клеток портит вкус и биологическую стойкость пива, повышает его рН. Охлаждение конуса значительно сокращает опасность запуска внутриклеточного автолиза.

Принимая во внимание все вышесказанное, дополнительное охлаждение конусной части ЦКТ становится насущной необходимостью.

Вообще же к охлаждению конуса предъявляются особые требования. Тут необходимо учитывать то, что «засыпающие» по окончании брожения дрожжевые клетки оседают именно на внутренней поверхности конуса.

Такому клеточному слою присущи хорошие теплоизоляционные свойства. Поэтому, если излишне снизить температуру охлаждающей рубашки, мы не столько добавочно снизим температуру пива в конусе, сколько заморозим нижний слой осевших на рубашку клеток. По этой причине обычную для охлаждающих участков температуру в -4°С для конуса повышают до 0°С.

ЦКТ без возможности индивидуального охлаждения

Обзор будет неполным, если не упомянуть ЦКТ, в конструкции которых не предусмотрена возможность индивидуального охлаждения. В данном случае подразумеваются танки, не присоединенные ни к одной из вышеперечисленных систем (орошение, внешний охладитель, рубашка охлаждения) и находящиеся в охлаждаемом помещении.

Использование подобного рода оборудования связано с некоторыми ограничениями. В частности, отвод тепла, возникающего при брожении, тут становится проблемой. Тем не менее, по словам немецких специалистов Х. И. Мангера и Г. Аннемюллера, подобное оборудование довольно широко используется многими пивоварнями Германии, варящими один-два сорта пива. Себестоимость такого танка существенно ниже, размеры — меньше. Также одним из доводов в пользу применения этого оборудования служит то, что дрожжевые клетки в подобном ЦКТ не подвергаются температурному шоку. Во время брожения не происходит образования веществ, негативно влияющих на качественные характеристики производимого пива (например, на его пенообразование).

При использовании неохлаждаемого индивидуально ЦКТ, дрожжи от пива отделяются при помощи стандартного сепаратора. По выходу из сепаратора пиво охлаждается до 1,5-2,3°С и перекачивается в лагерный, теплоизолированный ЦКТ, где оно созревает от 10 до 14 дней. По заверению немецких специалистов, при условии качественной теплоизоляции танка его содержимое за это время нагреется всего лишь в пределах 0,5-1,5 градуса. При необходимости пиво в лагерном танке охлаждается добавочно с помощью обычного теплообменника.