10.3. Шампанизация вина в аппаратах большой вместимости с насадками для задержки дрожжей

Строительство заводов по производству 20 и 50 млн. бутылок игристых вин в год потребовало применения аппаратов большой вместимости. На рис. 32 приведены принципиальные схемы резервуаров различной вместимости. При этом одновременно ставилась задача совершенствования технологии и интенсификации биохимических и физико-химических процессов при шампанизации. Было предложено осуществлять шампанизацию в одноемкостном однокамерном аппарате, заполненном насадками [А. с. 582279 (СССР).-Б. И., 1977, № 44]. Применение насадки способствует увеличению поверхности контакта фаз, обусловливает проведение шампанизации в условиях повышенной концентрации в среде дрожжевых клеток, интенсифицирует процессы. Скорость вторичного брожения и другие процессы формирования качественных особенностей шампанского во многом зависят от способности вина смачивать поверхности наполнителей и наличия центров кавитационной десорбции СO₂ [60]. Наличие насадки, задерживающей дрожжевые клетки, способствует ускорению брожения, накоплению дрожжей и их автолизу, осветлению шампанизированного вина. Производственные испытания этого способа, получившего название "шампанизация вина в условиях сверхвысокой концентрации дрожжей", были начаты в 1973 г. на Московском заводе шампанских вин совместно с Отраслевой научно-исследовательской лабораторией технологии игристых вин. В этом аппарате совмещаются процесс вторичного брожения и обогащения вина биологически активными веществами дрожжей ("биогенерации"). В дальнейшем были предложены усовершенствованные технологические схемы шампанизации вина в аппаратах с насадками [А. с. 730805 (СССР).-Б. И., 1978, № 8; А. с. 687116 (СССР).-Б. И., 1979, № 35; А. с. 700542 (СССР).-Б. И., 1979, № 44].

Рис. 32. Аппараты для шампанизации вина различной конструкции и вместимости (в м³): 1 - 5; 2 - 8; 3 - 25; 4 - 50; 5 - 100

Результаты исследований показали [96, 101], что сбраживание сахара в установке с насадками заканчивается на 9-е сут, тогда как в типовой батарее - на 17-е сутки; в выходящем из установки шампанизированном вине дрожжевые клетки обнаруживаются лишь после центрифугирования (табл. 23). Отмечается также быстрое восстановление альдегидов, диацетила, большее накопление ферментов, улучшение пенистых и игристых свойств. Учитывая, что образующийся при вторичном брожении диоксид углерода растворяется главным образом непосредственно в зоне активных дрожжей [60], насадка с иммобилизованными дрожжевыми клетками способствует накоплению связанных форм СО₂. Задержка дрожжей и их автолиз вызывает улучшение биохимических и физико-химических показателей и повышение качества игристых вин. Газохроматографический анализ показал (табл. 24), что при повышенной концентрации дрожжей в вине накапливается меньше ацетальдегида, пропионового альдегида, этилацетата, высших спиртов, больше терпеноидов и высококипящих сложных эфиров, в частности синтезируется этиллинолеат, который, по мнению А. К. Родопуло, обусловливает "подсолнечный" тон в выдержанном шампанском.

Таблица 23

^*(После центрифугирования 10 мл вина.)

Таблица 24

Проверка различных видов насадки показала, что все виды насадок положительно влияют на процесс вторичного брожения, однако адгезия клеток на природных сорбентах, в частности буковых и дубовых роликах (стружке), выше. Более полно сахар выбраживает в аппаратах, заполненных насадкой на 75 и 100% [101]. Повышенная концентрация дрожжевых клеток в резервуарах с насадками дает возможность осуществлять вторичное брожение при пониженной температуре. Оптимальной является температура 10 °С, при которой получаются вина с более тонким и гармоничным букетом и вкусом. При повышенной температуре протекают глубокие восстановительные процессы, в вине появляется сероводородный тон, особенно при частых остановках потока вина [96].

Как показали исследования [15а], дрожжевые клетки в резервуаре с насадкой размещаются неравномерно. Так, на высоте 0,5 м концентрация дрожжей снижается в 6-10 раз по сравнению с начальной и составляет 0,5 млн./мл, на высоте 2 м обнаруживается 0,25 млн./мл, на высоте 3,5-4 м - единичные клетки. В результате такого явления не обеспечивается полное выбраживание сахара, на выходе из аппарата в течение 4 лет эксплуатации средняя сахаристость шампанизированного вина составила 6,7 г/л, иногда снижаясь до 2,5-4 г/л. Игристое вино, получаемое в одноемкостном аппарате с насадкой, отличается прозрачностью, мягким вкусом, недостаточной насыщенностью, отсутствием тонов, характерных для шампанского. В дрожжевых осадках, отобранных из зоны насадки, содержалось 14-20 г/л сахара, что является доказательством наличия в аппарате застойных зон, оказывающих отрицательное влияние на качество и благоприятных для развития инфицирующей микрофлоры.

Указанное свидетельствует о необходимости совершенствования аппаратурного оформления процесса вторичного брожения в резервуарах с насадками. Использование для непрерывной шампанизации резервуаров, применяемых при периодическом способе, и насадок, распространенных в химической промышленности, на определенном этапе было обоснованным. Вместе с тем целесообразно разработать аппараты такой конструкции, которые бы удовлетворяли требованиям непрерывного метода.

Недавно был предложен аппарат [77], представляющий собой герметичный резервуар, внутри которого расположены 3 перфорированные перегородки: в нижней, центральной и верхней частях; между перегородками размещена насадка; кроме того, в зонах ввода бродильной смеси и отвода шампанизируемого вина установлены мешалки. Это необходимо для обеспечения полного вытеснения шампанизируемого вина из аппарата, т. е. создания "поршневого потока", с целью равномерного распределения поступающей в аппарат смеси по его поперечному сечению, а также создания и стабилизации потока, близкого к поршневому, по всей длине аппарата.

В принципе, согласно законам гидродинамики в резервуаре, имеющем стенки, поршневое течение вязкой жидкости даже в ламинарном режиме невозможно из-за возникающих касательных напряжений у стенок и молекулярной диффузии. Речь, таким образом, может идти о создании такой конструкции, которая бы позволила обеспечить режим, близкий к идеальному вытеснению. Согласно результатам исследований [77] для этой цели в аппаратах должны быть установлены продольно и поперечно секционирующие перегородки, устройства для равномерного распределения бродильной смеси и шампанизируемого вина на входе и исключения застойных зон на выходе. Кроме того, должны быть исключены рубашки для охлаждения, так как конвекционные токи, образующиеся даже при "мягком" режиме охлаждения, (при перепаде температуры 3 °С) вызывают перемешивание жидкости в аппарате и таким образом исключают возможность поршневого потока. Наличие насадки хотя и способствует улучшению гидродинамики процесса, полностью не ликвидирует застойные зоны, так как неравномерность потока в аппаратах остается значительной. Вот почему необходимы устройства для распределения потока перед насадкой, которая должна быть не ниже начала цилиндрической части аппарата.

Было показано также, что при прохождении жидкости через слой насадки толщиной 2,6-3,1 м наступает явление каналообразования. В связи1 с этим высота слоя насадки должна быть не более 3 м. В аппаратах большой вместимости для предупреждения образования стержневых струй необходимо устанавливать специальные устройства через каждые 3 м слоя насадки. Учитывая, что дрожжевые клетки в шампанизируемом вине осаждаются со скоростью менее 2,2 см/ч, средняя скорость вина, исключающая накопление осадков в нижней части, при потоке снизу вверх должна быть не менее 2,5 см/ч. Однако в аппаратах вместимостью 550 дал средняя линейная скорость движения равна 0,79 см/ч, в аппаратах вместимостью 2500 дал-1,35 см/ч, в аппаратах вместимостью 5000 дал-1,51 см/ч. При наличии насадки указанные величины еще ниже. По этой причине дрожжевые клетки оседают на дно аппарата, при продолжительной эксплуатации слой дрожжей все более увеличивается и уплотняется. Таким образом, конструирование аппаратов для непрерывной шампанизации - достаточно сложная проблема.

Для полного сбраживания сахара, исключения "проскока" непревращенных компонентов бродильной смеси, моделирования условий бутылочной шампанизации при непрерывном способе было предложено проводить шампанизацию в спаренных установках [96]. По мнению Н. Г. Саришвили, наиболее целесообразно шампанизацию проводить в двух последовательно соединенных аппаратах, в первый из которых бродильная смесь подается сверху. Это создает условия для однонаправленного потока двухфазной системы вино - дрожжи. В нижней части аппарата устанавливается насадка, на которой задерживаются молодые дрожжи; угнетенные клетки отделяются от насадки и с потоком вина перетекают во второй аппарат с насадкой. Продолжительность контакта вина с автолизуемыми дрожжами во втором аппарате увеличена в 4 раза за счет сокращения сроков вторичного брожения в 1,7 раза. Наличие не менее 650 млн./мл автолизуемых дрожжей во втором аппарате и контакт с ними вина в течение 8 сут дали возможность смоделировать условия 3-го периода бутылочной шампанизации, интенсифицировать биохимические процессы после вторичного брожения.

Установка состоит из двух аппаратов для шампанизации (первый заполнен насадкой высотой слоя 0,7-1,0 м, второй - на 60-70% высоты), теплообменного аппарата для охлаждения шампанизированного вина, термос-резервуаров с насадками для выдержки охлажденного шампанизированного вина, приемного аппарата для выдержки резерва готовых игристых вин и подачи их на розлив, фильтра. Бродильную смесь, содержащую 3-5 млн./мл дрожжевых клеток, подают в верхнюю зону 1-го аппарата, шампанизируемое вино из нижней части 1-го аппарата, содержащее не более 6 г/л сахара, поступает в нижнюю часть 2-го аппарата, в котором происходит обогащение биологически активными веществами дрожжей и формирование качественных особенностей шампанского. Процесс шампанизации, при котором сбраживается не менее 18 г/л сахара, проводится при температуре не выше 12 °С, температура регулируется путем охлаждения в выносном теплообменнике поступающей бродильной смеси. Шампанизированное вино из 2-го аппарата через теплообменник-охладитель направляется в термос-резервуары для обработки холодом при температуре минус 3-4 °С и выдержки не менее 24 ч, затем - в приемные резервуары, где в него дозируется экспедиционный ликер. Вино с ликером выдерживают не менее 6 ч и направляют на розлив с предварительной фильтрацией (при необходимости).

С. А. Брусиловский [15а] считает, что более целесообразно использовать спаренную установку, в которой 1-й аппарат не содержит насадки и служит для вторичного брожения, а 2-й заполнен насадкой и используется для задержки клеток, их автолиза, обогащения вина компонентами дрожжей и интенсификации ферментативных процессов - биогенерации. По его мнению, процессы вторичного брожения и биогенерации нельзя совмещать, так как они требуют различных, частично взаимоисключающих условий. При вторичном брожении в вине содержится сахар, а биогенерация возможна при полном отсутствии сахара в шампанизируемом вине. Направление потока в 1-м аппарате сверху вниз вызывает ускоренное осаждение дрожжевых клеток, так как движение вина с дрожжами и дрожжевых клеток под действием силы тяжести совпадают. На выходе из 1-го аппарата с насадкой в вине содержится 6-8 г/л сахара, тогда как при использовании 1-го аппарата без насадки и подаче вина снизу вверх содержание сахара в вине составляет 3-5 г/л. Вместе с тем и в этом варианте заметно неполное выбраживание, что связано с явлениями "проскока". Сравнение двух спаренных установок, в одной из которых 1-й аппарат был без насадки, а другой с 5% насадки, показало [71], что различий в кинетике вторичного брожения в аппарате без насадки и в аппарате, заполненном насадкой, не наблюдается. В шампанизируемом вине, прошедшем зону насадки, больше угнетенных клеток, ниже концентрация альдегидов и выше - аминного азота, чем в вине из аппарата без насадки.

Условия для полного вытеснения жидкости, исключения "проскоков" и "застойных зон" созданы в установке [77], состоящей из двух аппаратов (рис. 33). 1-й бродильный аппарат представляет собой вертикальный цилиндрический резервуар 2 с патрубком 12 для ввода бродильной смеси, патрубком 1 для отвода шампанизируемого вина, перфорированными перегородками 5 и 10, разделяющими резервуар на 3 секции (входную 11, выходную 4 и основную 9), мешалками 3 и 13, системами отбойных пластин 8, ограничивающими зоны перемешивания. В основной секции 1-го аппарата установлена продольно-секционирующая насадка 7 в виде коаксиальных цилиндров, образованных эластичной пленкой, закрепленной на складном каркасе 6. Конструкция 2-го аппарата, служащего для задержки дрожжей (биогенерации), аналогична. В отличие от 1-го бродильного аппарата в основной секции 2-го аппарата вместо пленочной применяется неупорядоченная элементная насадка 15 с перфорированными перегородками 14, исключающими стержневые струи.

Рис. 33. Спаренная установка для непрерывной шампанизации вина

Совершенствование аппаратуры и технологии непрерывной шампанизации продолжается, ведутся поиски оптимальных технологических режимов, разрабатываются новые конструкции аппаратов и новые технологические приемы, позволяющие приблизить качество игристых вин, получаемых непрерывным способом, к качеству бутылочного шампанского.

На рис. 34 приведена аппаратурно-технологическая схема [101], принятая на многих заводах. Купаж шампанских виноматериалов непрерывно насосом 1 подают в резервуар с насадками (ферментатор) 2. Дрожжевую разводку готовят в аппарате 16 и направляют в активатор 19. В активаторе поддерживается избыточное давление, равное давлению в аппаратах 10 для шампанизации, и происходит адаптация дрожжей к условиям шампанизации. Одновременно они концентрируются и охлаждаются до температуры 8-10 °С. Полученную дрожжевую разводку разделяют на два потока, один из которых подают в бродильную смесь, а другой - в шампанизируемое вино. Культуральную жидкость, содержащую 2-3 млн./мл клеток дрожжей, из активатора 19 вводят в резервуар 2, в котором происходит биологическая ассимиляция кислорода при температуре 10-12 °С. Купаж с дрожжами, выходящий из резервуара 2, охлаждают до минус 2-3 °С и выдерживают до 48 ч в аппарате 4 с насадкой для повышения стойкости к кристаллическим помутнениям. Далее купаж нагревают до 55-60 °С, выдерживают до 24 ч, вводят в него резервуарный ликер, охлаждают до 6-7 °С и после фильтрации насосом-дозатором перекачивают на шампанизацию в спаренную установку, состоящую из двух аппаратов 10. В 1-м аппарате происходит вторичное брожение, во 2-м - задержка дрожжей и формирование качественных особенностей шампанского (биогенерация). Минимальная продолжительность процесса шампанизации в спаренной установке 17 сут, коэффициент потока 0,00245. Шампанизированное вино поступает далее в батарею резервуаров 11 для выдержки, после чего охлаждается до минус 3-4 °С, выдерживается 24 ч в аппаратах 21, дозируется экспедиционным ликером до требуемых кондиций и хранится в приемных аппаратах 22 перед розливом.

Рис. 34. Аппаратурно-технологическая схема производства шампанского в условиях повышенной концентрации дрожжей: 1, 9, 18 - дозирующие насосы; 2 - ферментатор; 4, 21 - резервуары для обработки холодом; 3, 7, 20 - теплообменники-охладители; 5 - теплообменник-подогреватель; 6 - резервуар для обработки теплом; 8, 15 - фильтры; 10 - аппарат для вторичного брожения и биогенерации; 11 - резервуары для выдержки; 12, 14 - резервуары для ликеров резервуарного и экспедиционного; 13 - дозирующий агрегат; 16 - аппарат для приготовления дрожжевой разводки; 17 - эоздущный фильтр; 19 - активатор; 22 - приемный резервуар

Применение описанного способа позволяет интенсифицировать процессы формирования типичных качеств игристых вин, сократить капитальные затраты, увеличить съем продукции с единицы производственной площади, дает значительный экономический эффект.