Установки для непрерывного брожения сусла

В последние годы в Советском Союзе проведены исследования по теории поточного брожения виноградного сусла и разработке аппаратурного оформления установок непрерывного сбраживания.

В настоящее время в СССР имеется пять типов установок для сбраживания сусла в потоке.

Установка, созданная коллективом виноделов Молдавии (рис. 30) - Л. А. Кошев, С. И. Циммерман и А. П. Опря [93], состоит из восьми вертикальных металлических цилиндрических емкостей с конусным дном, последовательно соединенных между собой патрубками. Подача сусла производится из нижней части одной емкости в верхнюю часть последующей. Емкость отдельных резервуаров от 700 до 2000 дал. Установка имеет водоструйное охлаждение. Подача осветленного сусла в установку осуществляется из специальной напорной емкости. Все бродильные резервуары устанавливаются на одном уровне. Устройство какого-либо уклона (ступенчатости) не требуется. Над резервуарами монтируется трубопровод для отвода CO₂, свободный конец которого подсоединяется к спиртоловушке. Нижний трубопровод для опорожнения резервуаров монтируется с небольшим уклоном в сторону движения жидкости.

Рис. 30. Схема батареи для брожения сусла в потоке: 1 - напорный резервуар, 2 - расходомер сусла, 3 - бродильный резервуар, 4 - сборник виноматериала, 5 - спиртоловушка, 6 - трубопровод для отвода CO₂, 7 - трубопровод для слива виноматериалов и осадков

Все коммуникации батареи выполняются из стеклянных труб с внутренним диаметром 60 мм.

Установка для непрерывного брожения сусла, созданная В. И. Ниловым, А. А. Преображенским, Д. М. Белобровым и Г. Г. Валуйко [118], монтируется из горизонтально расположенных металлических резервуаров любой емкости. Такое расположение резервуаров для бродильной непрерывной установки имеет следующее преимущество перед вертикальным. При брожении в вертикальных резервуарах движение бродящей жидкости и CO₂ совпадает и сусло и CO₂ движутся по оси резервуара вверх. При этом происходит бурное перемешивание всей бродящей массы и вероятность выноса из резервуара в следующий резервуар несброженного сусла увеличивается, так называемая величина проскока повышается. В горизонтальных бродильных резервуарах бродящая среда перемещается по горизонтали, а углекислота - по вертикали. Поэтому перемешивание в каждой части резервуара происходит отдельно и величина проскока снижается. Это теоретическое положение имеет чисто практический эффект. Число резервуаров в бродильной батарее горизонтального типа может быть снижено по сравнению с вертикальной. Так, при вертикальном расположении их должно быть не менее 5-6, а при горизонтальном (при достаточной длине резервуара) возможно проводить сбраживание насухо даже в одном резервуаре. Для этой цели наиболее приемлемы резервуары диаметром 1,5-2,5 м.

Резервуары устанавливаются на железобетонные опоры с уклоном 1:20 в сторону слива. Патрубки углекислотных трубопроводов должны монтироваться в самой верхней цилиндрической части резервуара с таким расчетом, чтобы место установки их было высшей точкой резервуара.

Переточные трубы, соединяющие соседние резервуары, должны быть прямыми и установлены строго горизонтально с целью исключения образования газовых пробок, которые могли бы препятствовать движению бродящего сусла.

Напорный патрубок суслового насоса рекомендуется принять 2″, а трубопроводы переточных труб и углекислотных коммуникаций - 4″.

На переточных трубах рекомендуется ставить запорные вентили.

Установка из горизонтальных металлических резервуаров для проведения брожения виноградного сусла в потоке снабжена системой водяного охлаждения (рис. 31).

Рис. 31. Схема горизонтальной установки для брожения сусла в потоке: 1 - насос для подачи сусла в установку, 2 - винопровод, 3 - бродильный резервуар установки, 4 - переточные трубы, 5 - кран, 6 - трубопровод для отвода CO₂, 7 - реле времени, включающее насос, 8 - напорный бак для охлаждающей воды, 9 - трубы для подачи воды на охлаждение, 10 - оросительные трубы для воды, 11 - водосборник, 12 - приемник для воды, 13 - насос для перекачки воды в напорный бак

В случае недостаточной эффективности охлаждения бродящей массы системой водяного охлаждения прибегают к использованию выносных теплообменников, в которых хладоносителями могут быть вода или рассол.

При достаточном количестве однородного сусла для получения одного типа виноматериала резервуары соединяются последовательно по четыре и более резервуаров. Пусковой период осуществляется последовательным заполнением резервуаров, начиная с первого и до последнего, из которого выходит готовый виноматериал.

В условиях недостаточного количества однородного сусла для получения одного типа виноматериала возникает необходимость полного сбраживания сусла в каждом резервуаре. Это требует более оперативного управления брожением в каждом отдельном резервуаре, поэтому связывающие коммуникации должны быть снабжены запорными устройствами. Установка снабжена дополнительным краном на переточной трубе (рис. 32), что позволит в случае необходимости подавать сусло в любой резервуар или спускать его в другой и производить мойку. При этом достигается возможность менять производительность установки от минимальной до максимальной путем последовательного включения в работу всех резервуаров.

Рис. 32. Схема установки из горизонтальных металлических резервуаров (украинская): 1 - насос подачи сусла, 2 - трубопровод, 3 - бродильный резервуар, 4 - переточные трубы, 5 - кран

Сусло после отстаивания подается в поточную бродильную установку дозирующим насосом нужной производительности. При отсутствии последнего можно использовать любой насос, который в зависимости от своей производительности и необходимой скорости подачи сусла включается автоматически через равные промежутки времени.

В подготовленную установку через кран подается разводка сильной пылевидной расы дрожжей вида Saccharomyces vini в количестве 5% от рабочей емкости установки и немедленно вслед за этим подключается подача сусла со скоростью, устанавливаемой виноделом в зависимости от типа виноматериала, который необходимо получить. Ориентировочно можно считать, что для получения ординарных столовых вин при выбраживании почти насухо наиболее подходит четырехсуточный цикл брожения, т. е. сусло должно поступать в количестве ¹/₄ части рабочего объема установки в сутки. При этом допустимая температура бродящего сусла может колебаться около 25°С (±3°).

Для получения марочных столовых вин и шампанских виноматериалов необходим шестисуточный цикл брожения, т. е. ежесуточная подача сусла должна быть не выше ¹/₆ от рабочей емкости установки, а температура бродящего сусла может колебаться около 18°С (±2°).

Для получения различных недобродов, идущих на приготовление крепленых вин, применяются двух-, четырехсуточные циклы брожения при температуре от 20 до 30°С, а для полусладких - трех-, четырехсуточные циклы брожения при температуре 20-25°С при соответствующих скоростях подачи сусла.

Температура брожения должна регулироваться различными способами в зависимости от наличия тех или иных устройств на винзаводе. Может применяться охлаждение с помощью выносного или стационарного теплообменника при использовании машинного холода. В некоторых случаях при диаметрах бродильных секций не более 1,5 м достаточно оросительное охлаждение водой. При этом бродильные секции для лучшего распределения воды покрываются капроновой сеткой.

Насухо выбраживаемые виноматериалы могут приниматься из бродильной установки непосредственно в резервуары для хранения. Для увеличения производительности установки рекомендуется получение недобродов с остаточным сахаром до 3%. В этом случае выходящий из установки виноматериал будет содержать достаточное количество жизнедеятельных дрожжевых клеток, которые обеспечат полное выбраживание сахара в резервуарах для хранения.

Украинская установка, созданная группой виноделов, - многосекционная. Поэтому в начале сезона виноделия, когда сборы небольшие, несколько секций может работать самостоятельно - как отдельные поточные бродильные установки. По мере увеличения сборов винограда число действующих секций в установке увеличивается и достигает максимума при наивысших сборах винограда.

На винзаводе совхоза "Виноградный" (Крымская область) работают четыре установки такого типа из пяти горизонтальных цистерн каждая общей производительностью более 20 тыс. дал/сутки (рис. 33). Качество виноматериалов, полученных на этих установках, было выше качества вина, полученного периодическим брожением в крупных резервуарах. Средняя температура брожения была 19-21°С.

Рис. 33. Общий вид горизонтальной поточной установки на винзаводе совхоза 'Виноградный' (Крым)

На Симферопольском головном винзаводе (Крымская область) успешно работают горизонтальные установки для непрерывного брожения виноградного сусла, состоящие каждая из 10 металлических резервуаров с покрытиями емкостью по 1500 дал, соединенных последовательно в батарею.

При монтаже установок весьма выгодно был использован рельеф местности. Сусло из цеха переработки подается насосами в отстойные емкости (металлические резервуары емкостью по 20 тыс. дал). После отстаивания сусло самотеком поступает в напорные резервуары: в первый, затем во второй, в третий и т. д. Из последнего резервуара виноматериал также самотеком поступает в винохранилище, которое расположено по уровню ниже бродильной батареи.

Над бродильными батареями проложены трубы для орошения резервуаров водой в случае необходимости регулирования температуры брожения.

Вода по бетонированным стокам собирается в конце бродильных батарей и насосом снова подается на орошение.

Производительность одной батареи 5 тыс. дал/сутки. Всего на заводе установлено шесть батарей. На одной из линий установлен спиртодозатор. Это позволяет вырабатывать на линии крепленые вина.

В Народной Республике Болгарии [60] изготовлена и испытана в производственных условиях установка для непрерывного брожения виноградного сусла горизонтального типа. Она состоит из пяти горизонтальных цилиндрических емкостей из напряженного железобетона. Три емкости имеют внутренний диаметр 120 см, длину 20 м, вместимость 2200 дал, а две емкости при диаметре 100 см имеют длину 20 и 15 м и вместимость соответственно 1600 и 1200 дал. Толщина стенок емкостей 9 см.

Емкости установлены на горизонтальных бетонных фундаментах с наклоном 0,5° и связаны между собой переливными трубами из пластмассы. Бродящее сусло переливается из верхней части предыдущей емкости в верхнюю часть последующей. Последняя, пятая, емкость служит в качестве накопительной. В ней установлено поплавковое реле, которое включает и выключает насос, откачивающий виноматериал из установки.

Для поддержания температурного режима предусмотрена система оросительного охлаждения водой у первых двух емкостей.

Схема установки показана на рис. 34. В установку входят также два железобетонных прямоугольных резервуара 1 для отстоя сусла и два резервуара бродильных 2. Подача бродящего сусла в установку производится насосом 12.

Рис. 34. Схема горизонтальной железобетонной установки для непрерывного брожения сусла (НРБ): 1 - железобетонные резервуары для отстоя сусла, 2 - железобетонные резервуары для разбраживания, 3 - спиртоловушка, 4 - бродильный резервуар из напряженного железобетона, 5 - подача воды для охлаждения, 6 - смотровое окно, 7 - пластмассовые трубы для перетока бродящего сусла, 8 - резервуар для дображивания, 9 - поплавковое реле, 10 - приемный резервуар готового вина, 11 - насос для откачки вина из приемного резервуара, 12 - насос для подачи бродящего сусла в установку

Температура брожения не поднималась выше 20-21°С. Виноматериал выбраживал насухо уже в четвертой емкости 8.

Производительность установки 3 тыс. дал/сутки, однако ее можно довести до 5 тыс. дал/сутки.

М. А. Герасимов и М. Г. Гилядов [54] предложили использовать установку (рис. 35) для сбраживания виноградного сусла в непрерывном потоке, представляющую собой цилиндрическую колонну, изготовленную из металла или железобетона, внутренняя поверхность которой покрыта лаком ВХЛ-4000 по грунту ХС-04 или другими покрытиями, используемыми в виноделии.

Рис. 35. Схема установки поточного брожения виноградного сусла (московская)

Бродильная колонна состоит из четырех бродильных секций, разделенных между собой конусными перегородками. Нижняя бродильная секция увеличена в диаметре и объем ее составляет 35-40% от объема установки.

Конусная перегородка сделана в форме усеченного конуса, каркас которой изготовлен из трубопроводов диаметром 2″ из нержавеющей стали.

Сусло в колонну подается центробежным насосом через теплообменник и обратный клапан. Специальный прибор включает насос через определенные интервалы (например, через каждые 5 мин). В начале сезона виноделия первая партия сусла заливается на брожение в бродильную колонну в количестве 60-70% от емкости бродильной установки. На вторые или третьи сутки в зависимости от накопления дрожжевой массы (около 100 млн. клеток на 1 мл) начинается подача сусла на брожение.

При производстве столовых и шампанских виноматериалов с целью интенсификации процесса брожения и эффективного использования бродильной установки в короткий период сезона виноделия в ней осуществляется только главное брожение до содержания остаточного сахара в виноматериале 3-4%.

Процесс дображивания виноматериала производится в технологических емкостях.

Оптимальная температура брожения в колонне при производстве столовых и шампанских виноматериалов от 20 до 22°С. Температура подаваемого на брожение сусла обычно на 4-5° ниже температуры брожения.

Установка для выбраживания виноградного сусла в потоке (рис. 36), предложенная Д. С. Гиашвили [56], состоит из 10-15 чанов, соединенных между собой трубопроводами. В качестве бродильных сосудов могут быть использованы деревянные чаны, буты, железобетонные резервуары или металлические цистерны емкостью от 500 до 1000 дал. При необходимости можно применять резервуары большей емкости. Каждый резервуар снабжается мерным стеклом и краном для спуска виноматериала.

Рис. 36. Схема установки поточного брожения виноградного сусла (грузинская): I, II, III - резервуары для размножения дрожжей, IV-VIII - резервуары для брожения, IX-XI - резервуары для проведения автолиза дрожжей и эгализации виноматериалов; 1 - подача сусла, 2-13 - переточные трубы, КК - трубопровод для отвода CO₂, 14 - насос

Для движения бродящего сусла в верхней части деревянных чанов монтируются штуцера диаметром 65 мм, а в нижней части - краны такого же диаметра. Верхние штуцера устанавливаются на таком уровне, чтобы над ними для предотвращения потерь при пенообразовании оставалось 15% общей емкости резервуара. Нижние краны устанавливаются на 10-15 см выше дна.

Соединение деревянных чанов осуществляется посредством резиновых или стеклянных труб. В начале и в конце батареи по три чана соединены горизонтальными трубами.

Для перевода пены из одного резервуара в другой и удаления углекислого газа верхние части резервуаров соединяются между собой трубопроводами. Батареи, составленные из железобетонных резервуаров, монтируются по такому же принципу.

Таким образом, батарея поточного брожения сусла состоит из трех частей. К первой части относятся резервуары I, II, III, в которых происходит десульфитация сусла, размножение дрожжей и их аккумуляция. Вторую часть образуют средние резервуары батареи (IV, V, VI и т. д.), соединенные наклонными трубопроводами. Это так называемые рабочие сосуды, в которых более сброженная фракция сусла из предыдущего сосуда непрерывно поступает в нижнюю часть последующего. В третью часть входят три последних резервуара, в которых происходит усиленный автолиз дрожжей, эгализация виноматериалов, а в случае необходимости можно производить и охлаждение виноматериалов до желаемой температуры.

Во II или III резервуар батареи перекачивается заранее приготовленная разводка чистой культуры дрожжей в количестве 5% от емкости батареи. Осветленное сусло насосом подается в I резервуар батареи через кран с клапаном и, достигая уровня переливной трубы, переливается во II резервуар, где смешивается с дрожжами.

При пятисуточном цикле брожения в батарею пропускают сусло с таким расчетом, чтобы каждые сутки оно заполняло 7б часть батареи. Температура постепенно увеличивается и в середине батареи достигает максимума, который для ординарных вин и коньячных виноматериалов не должен быть выше 28°С, а для марочных вин и шампанских виноматериалов - не выше 20°С. В середине батареи происходит бурное брожение. На пятые сутки батарея заполняется, температура постепенно уменьшается и в конце батареи не превышает 23-24°С. Сусло дображивает, остаточный сахар не превышает 1-2%. На шестые сутки из сливного крана последнего резервуара сливается первая партия сброженного, эгализированного виноматериала. После этого ежесуточно поступает сусло (¹/₅ часть емкости батареи) и получается виноматериал в таком же количестве.

После заполнения последних резервуаров виноматериал с помощью насоса периодически перекачивается в бочки, буты или другой вид тары, где продолжается тихое дображивание. Аналогично устанавливаются соответствующие режимы при четырехсуточном и шестисуточном цикле брожения.

Во всех резервуарах батареи ведется контроль над процессом брожения: 3-4 раза в сутки определяют сахаристость и температуру бродящего сусла. Время от времени производят микробиологические анализы.

В батарее предусмотрено брожение сусла как с автолизом дрожжей, так и без него.

Для достижения автолиза дрожжей необходимо следующее:

в третьей части батареи (резервуары IX, X, XI) закрыть наклонную трубу Р-Р и бродящее сусло пропускать через горизонтальные трубы О-О;

во второй части батареи (резервуары IV-VIII) концы наклонных переточных труб внутри сосудов поднять на 10-20 см выше дна. При этом вынос дрожжей уменьшается, чем достигается желаемая интенсивность процесса автолиза и накопление количества азотистых веществ в вине.

В резервуарах накапливаются клетки мертвых дрожжей и происходит автолиз, который продолжается и после выхода виноматериала из батареи в период тихого дображивания.

Когда брожение сусла хотят провести без автолиза дрожжей, тогда в третьей части батареи горизонтальную трубу закрывают и бродящее сусло движется по наклонным трубам, которые во всех сосудах доходят до дна. При этом дрожжи находятся во взвешенном состоянии и обеспечивается их больший вынос.

Если температура бродящего сусла в батарее отклоняется от нормальной, необходимо производить регулирование ее. Для этого к соответствующим сосудам присоединяются выносные теплообменники и через них циркулирует сусло. Вместо выносных теплообменников целесообразно в бродильные сосуды вмонтировать змеевики, как это предусмотрено в проектах железобетонных батарей.

В Росглаввино [73] создан вертикальный металлический бродильный аппарат непрерывного действия БА-1. Он предназначен для приготовления белых сухих виноматериалов в потоке непрерывным отъемно-доливным способом.

Установка (рис. 37) представляет собой батарею из шести основных бродильных металлических резервуаров емкостью 2 тыс. дал каждый и пяти верхних напорных бачков емкостью по 190 дал.

Рис. 37. Схема непрерывно действующей автоматической установки для сбраживания сусла БА-1

Сверху между собой бродильные резервуары соединены трубами для перетока бродящего сусла и углекислого газа из резервуара в резервуар, а снизу через трехходовые краны - стеклопроводом, служащим для заполнения установки суслом и для ее освобождения.

Промежуточные (переточные) баки установлены сверху между основными бродильными резервуарами и соединены с каждым предыдущим резервуаром трубой подъема сусла, а с последующим - трубой гидрозатвора. В последнем бродильном резервуаре установлена труба для отбора виноматериала. Первый резервуар снабжен поплавковым реле, которое включает и выключает питающий насос. На нем имеется клапан для выпуска излишков углекислого газа. Поплавковое реле автоматически управляет работой установки.

В отличие от других аппаратов бродящее сусло переливается из резервуара в резервуар последовательно под действием углекислого газа, образующегося при брожении.

Непрерывные циклы, состоящие из двух периодов - отъема и долива, осуществляются под действием углекислого газа. Продолжительность циклов при установившемся режиме одинакова.

Подача сусла постоянная и сахар на выходе меняется незначительно. Таким образом, углекислота, накапливающаяся в результате брожения, автоматически регулирует сахар на выходе.

Быстрый слив бродящего сусла из переточных бачков через трубы гидрозатвора в основные резервуары и отъем его с нижней части сосуда способствуют хорошему перемешиванию бродящей массы и хорошему контакту дрожжевой массы со сбраживаемой средой. Благодаря интенсивному перемешиванию повышена теплоотдача от бродящей жидкости к хладоносителю. Теплообменные рубашки на резервуарах и трубах для подъема сусла позволяют поддерживать соответствующие температуры.

Общий вид установок БА-1 представлен на рис. 38. В процессе испытаний установки БА-1 установлено следующее: исходное сусло поступало в аппарат с сахаристостью 17%; виноматериал на выходе имел среднюю сахаристость 2,71%.

Рис. 38. Общий вид двух установок БА-1 на винзаводе совхоза им. Ленина (Краснодарский край)

Минимальная температура брожения была 21°С, максимальная 28°С и средняя температура брожения 25°С.

Исходное сусло поступало на брожение со средним содержанием азота - 425,3 м/л; виноматериал на выходе имел азота 142,5 мг/л.

Дегустационная оценка опытного образца 7,8 балла. Дегустационная оценка контрольного образца (брожение в бочках) 7,6 балла.

Микроскопирование бродящего сусла в каждом бродильном резервуаре показало, что клетки винных дрожжей были в активном состоянии как в начале, так и в конце брожения. Почкующихся клеток было больше в первых трех резервуарах (от 14 до 58%), а в последних - от 10 до 26%. Мертвых дрожжевых клеток было очень мало, в основном в IV-V-VI резервуарах от 1 до 5,2%. С виноматериалом, выходящим из установки, выносилось большое количество живых, жизнедеятельных дрожжей - от 58 до 128 млн. клеток на 1 мл, причем почкующихся клеток было от 7,2 до 19%, что обеспечивало быстрое и полное дображивание остаточного сахара.

Описанные установки работоспособны и могут применяться в производстве в зависимости от имеющихся на заводе емкостей. В настоящее время на основе широких производственных испытаний всех установок и обобщения теории и практики непрерывного брожения виноградного сусла разрабатывается унифицированная установка для сбраживания сусла в потоке.