Каждый пивовар понимает, насколько важна здоровая дрожжевая культура, однако успех брожения редко зависит исключительно от дрожжей. На коммерческих пивоварнях эффективность брожения определяется целой системой технологических процессов, включающей насыщение сусла кислородом, геометрию бродильных чанов, схему охлаждения, стратегию розлива и управление технологическим процессом. Эти инженерные факторы влияют на то, как дрожжи растут, размножаются и, в конечном итоге, преобразуют сусло в готовое пиво.

В компании «Тяньтай» мы сотрудничаем с пивоварнями, находящимися на разных этапах развития — от новых крафтовых пивоварен-стартапов до расширяющихся коммерческих предприятий. Один вывод остается неизменным во всех проектах: многие проблемы с брожением, которые, на первый взгляд, вызваны дрожжами, на самом деле обусловлены конструкцией оборудования или настройками технологического процесса.

В этой технической серии из четырёх частей процесс ферментации рассматривается с инженерной точки зрения. Вместо того чтобы обсуждать рецептуры или стили пивоварения, мы сосредоточимся на том, как конструкция ферментаторов влияет на биологические показатели, и как пивоваренные заводы могут добиться большей стабильности качества за счёт совершенствования технологических процессов.

В этой первой статье мы рассмотрим взаимосвязь между засевом дрожжами, регулированием содержания кислорода и внутренней циркуляцией — тремя факторами, которые составляют основу любого успешного брожения.

Здоровое брожение начинается ещё до того, как оно начнётся

Многие пивоварни уделяют основное внимание температуре брожения после добавления дрожжей. На самом деле самые важные решения зачастую принимаются в последние минуты перед тем, как сусло поступает в бродильный чан.

На этом этапе дрожжи должны перейти из состояния покоя при хранении в состояние активно размножающейся популяции, способной быстро и стабильно завершить процесс брожения. Для этого дрожжам необходимы три основных условия:

• Достаточное количество клеток
• Достаточное количество растворенного кислорода
• Равномерное распределение по всему суслу

Недостаточные показатели в любой из этих областей могут повлиять на весь цикл ферментации.

Что касается сортов пива стандартной крепости, коммерческие пивоварни обычно стремятся к уровню закваски около 15 миллионов жизнеспособных клеток на миллилитр, хотя конкретные требования зависят от сорта пива, начальной плотности, температуры брожения и физиологического состояния самих дрожжей.

Поэтому дозу дрожжей следует рассматривать скорее как технологический параметр, а не как универсальное техническое требование. Недостаточная доза дрожжей часто усиливает стресс у дрожжей и удлиняет лаг-период, в то время как избыточная доза может подавлять рост дрожжей и снижать образование желательных эфиров брожения.

Поиск оптимального баланса по-прежнему остается одним из первых инженерных решений в процессе управления ферментацией.

Кислород: скорее контролируемое питательное вещество, чем ингредиент

В отличие от готового пива, свежее сусло выигрывает от тщательно контролируемого контакта с кислородом.

На начальном этапе роста пивные дрожжи потребляют кислород для синтеза стеролов и ненасыщенных жирных кислот, которые укрепляют клеточные мембраны. Эти соединения позволяют дрожжам выдерживать растущую концентрацию спирта в процессе брожения, сохраняя при этом эффективный транспорт питательных веществ.

Поскольку кислород быстро расходуется после засева дрожжей, его распределение по всему бродильному чану зачастую имеет большее значение, чем общее количество введенного кислорода.

Крупные коммерческие пивоваренные заводы, как правило, вводят кислород непосредственно перед ферментатором. Расположение точки дозирования дрожжей ниже по потоку от системы впрыска кислорода позволяет дрожжам попадать в полностью насыщенное кислородом сусло, избегая при этом ненужных механических нагрузок, создаваемых инжекторами Вентури или статическими смесителями.

Эта, казалось бы, незначительная деталь может повысить жизнеспособность дрожжей на самых ранних этапах брожения, особенно при варке пива с высокой плотностью сусла, когда правильное формирование мембраны приобретает всё большее значение.

Однако управление подачей кислорода усложняется, когда ферментатор заполняется в ходе нескольких циклов варки.

Некоторые пивоварни намеренно насыщают кислородом только первую порцию сусла, поступающую в бродильный чан, а последующие порции оставляют без насыщения. Такая практика может повысить стабильность вкусовых качеств за счет стимулирования образования необходимого количества диоксида серы в процессе брожения, однако она также увеличивает вероятность того, что в разных слоях внутри бродильного чана будут формироваться слегка различающиеся концентрации кислорода.

Без достаточного перемешивания эти колебания могут повлиять на раннюю активность дрожжей до того, как естественная циркуляция полностью наладится.

Почему важно равномерное распределение сусла

Многие пивовары полагают, что закачка сусла в бродильный чан с высокой скоростью автоматически обеспечивает полное перемешивание.

Динамика потоков внутри высоких цилиндроконических ферментеров показывает совсем другую картину.

Температура поступающего сусла, а также концентрация экстракта, содержание растворенного кислорода или плотность дрожжей могут незначительно отличаться от показателей сусла, уже находящегося в резервуаре. Даже при турбулентном наполнении эти различия не всегда устраняются сразу. Напротив, внутри резервуара могут временно образовываться локальные зоны с различными физическими характеристиками, пока естественная конвекция постепенно не перераспределит жидкость.

Хотя эти различия обычно исчезают в ходе активного брожения, их минимизация с самого начала помогает обеспечить более предсказуемое поведение процесса брожения.

Это объясняет, почему в современных ферментерах всё большее внимание уделяется конструкции впускного отверстия, а не просто увеличению скорости переноса.

Тщательно рассчитанное расположение впускных отверстий способствует формированию контролируемых потоков, которые обеспечивают равномерное распределение сусла по всей емкости, одновременно предотвращая чрезмерную турбулентность, которая может повредить клетки дрожжей или привести к нежелательному поступлению кислорода.

В компании «Тяньтай» бродильные чаны разрабатываются с учетом этого принципа. Гладкие санитарные поверхности, оптимизированное расположение впускных отверстий и технологические трубопроводы, обеспечивающие полный слив, помогают поддерживать равномерное распределение сусла и обеспечивают соблюдение гигиенических требований на протяжении многократных производственных циклов.

Вместо того чтобы рассматривать ферментатор как резервуар для хранения, при его проектировании основное внимание уделяется созданию контролируемой биологической среды, в которой дрожжи могут функционировать в стабильных и воспроизводимых условиях.

Внутренний оборот: скрытая система перемешивания внутри каждого ферментера

Как только начинается брожение, дрожжи сами по себе становятся движущей силой перемещения жидкости. Тепло, выделяющееся в процессе брожения, в сочетании с поднимающимися пузырьками углекислого газа и охлаждением гликоля вдоль стенок емкости, обеспечивает непрерывную циркуляцию по всему ферментеру.

В отличие от механических перемешивателей, используемых в других отраслях ферментационной промышленности, пивоваренные заводы почти полностью полагаются на эти естественные конвекционные потоки. Возникающая в результате циркуляция одновременно выполняет несколько важных функций.

Он обеспечивает равномерное распределение питательных веществ по всему бродильному суслу, выравнивает температуру во всей емкости, предотвращает локальное истощение дрожжей и поддерживает относительно однородную концентрацию растворенного углекислого газа.

Эти эффекты становятся всё более значимыми по мере увеличения объёма ферментера.

В емкости объемом в несколько сотен гектолитров высота жидкого столба может превышать десять метров. При отсутствии достаточной естественной циркуляции даже относительно небольшие перепады температуры могут привести к заметным колебаниям скорости брожения, что в конечном итоге повлияет на стабильность вкусовых качеств всей партии.

Стратегия охлаждения также влияет на интенсивность конвекции.

Независимые гликолевые рубашки, расположенные вдоль различных участков чана, позволяют пивоварам регулировать циркуляцию в зависимости от стадии брожения. На ранних этапах брожения более интенсивная циркуляция способствует поддержанию суспензии дрожжей и эффективному усвоению сахара. На более поздних этапах уменьшение конвекции способствует флокуляции дрожжей и подготавливает пиво к осветлению и сбору.

Современные охлаждающие рубашки перестали быть просто системой охлаждения и превратились в активный инструмент управления технологическим процессом.

Это одна из причин, по которой оборудование для брожения следует всегда рассматривать в контексте общего технологического процесса пивоваренного завода, а не как отдельный резервуар. Охлаждающая способность, пропорции емкостей, производительность варочного цеха и график производства — все эти факторы взаимодействуют друг с другом и определяют эффективность брожения.

В компании Tiantai эти взаимосвязи лежат в основе каждой разрабатываемой нами системы ферментации. Благодаря интеграции проектирования емкостей с требованиями пивоваренного процесса пивоварни могут обеспечить более стабильное протекание ферментации, более здоровую дрожжевую культуру и более высокую стабильность качества от партии к партии без увеличения сложности эксплуатации.

Взгляд в будущее

Первые часы брожения определяют условия, которые влияют на каждый этап производства пива. Здоровые дрожжи, эффективный контроль уровня кислорода и стабильная внутренняя циркуляция в совокупности создают условия, необходимые для надежного протекания брожения.

В Часть 2 В этой серии мы выйдем за рамки начальной стадии брожения и рассмотрим, как геометрия конуса, осаждение дрожжей и стратегия наполнения резервуара влияют на выход дрожжей, качество пива и долгосрочную эффективность производства.