СПОСОБ УСКОРЕНИЯ ПРОЦЕССОВ БРОЖЕНИЯ Российский патент 2021 года по МПК C12C11/09 C12C13/00 C12M1/40 

Изобретение относится к области биотехнологии, а именно к производству алкогольных напитков, прежде всего пива, и может быть использовано для ускорения процессов брожения и дображивания.

Общеизвестно, что производство пива проходит в несколько этапов. Основными являются: приготовление сусла, варка сусла, брожение, созревание, фильтрация и розлив пива. Все это занимает довольно длительный процесс с использованием энергетических, временных и людских ресурсов, что в конечном итоге отражается на себестоимости продукта.

Известно решение по патенту CA2147511 (опубл. 16.03.1995г.) способ получения щелока, который способствует выходу газообразного диоксида углерода, что в конечном итоге (как отмечает автор) ускоряет выработку спирта, ликера, вина и пива. Однако, если мы устраняем условия проникновения кислорода в сусло, то отпадает необходимость не только прокачки диоксида углерода в биореактор, но и применение щелока для вывода газообразного диоксида углерода из сусло. Даже в условиях применения диоксида углерода, а затем и щелока, автор не указывает, на какое время ускоряется процесс варки пива и как все это отражается на вкусовых качествах продукта.

Кроме того, авторами патента CA2147511 с целью производства пива путем непрерывного заваривания сусла, со ссылкой на другого автора (J. Inst. Brew., 84, 228 (1981) в качестве носителя предлагается использовать бусины хитозана, шарики альгиновой кислоты, гранулы каррагинана или гелевые шарики для иммобилизации дрожжевых клеток и отсыпка их на дно биореактора. Фактически подобная матрица на дне биореактора (как пробка) приводит к торможению потока сусла снизу вверх в биореакторе. Кроме того, все перечисленные материалы, предлагаемые автором, использовать в качестве носителя для иммобилизации дрожжевых клеток имеют значительно меньшую площадь поверхности по сравнению с крошками артикского туфа и не как не могут послужить основанием ускорения процессов брожения.

К недостаткам решения относятся:

- небольшой объем опытного биореактора;

- применяемые носители обладают существенно меньшей пористостью, а значит, сокращают площадь соприкосновения сусла и носителя с иммобилизованными дрожжевыми клетками;

- отсутствие возможности многократного использования применяемых носителей дрожжевых клеток;

- низкая эффективность применения предлагаемых автором носителей дрожжевых клеток с точки зрения сокращения времени готовности продукта;

- длительный срок ферментизации (500 часов).

По выбору типа носителя для иммобилизации дрожжевых клеток известна заявка на изобретение RU2011153546 (опубл. 10.08.2013), в которой в п.33 формулы указано, что материал носителя, на котором иммобилизован микроорганизм, выбран из костяного угля, полипропилена, стали, диатомовой земли, цеолита, керамики, специально разработанного термореактивного полимера, глиняного кирпича, бетона, вулканической породы, древесной щепы, полиэфирного волокна, стеклянных гранул, тефлона, полиэфирэфиркетона и полиэтилена.

Однако при этом авторы не указывают, какую именно вулканическую породу они могут использовать - эффузивную или интрузивную породу, которые по физико-механическому составу резко отличаются друг от друга.

Наиболее близким аналогом является патент RU2361908, опубл. 27.08.2004, на способ получения спиртных напитков, в котором стадию непрерывного брожения сусла, содержащего сбраживаемые сахара, проводят в газлифтном биореакторе с внутренней циркуляцией и ограниченной подачей кислорода с использованием иммобилизованных дрожжей, которые являются флоккулирующими дрожжами, причем претерпевший по меньшей мере частичное брожение продукт со стадии непрерывного брожения, включающий суспендированные дрожжи, подают на стадию выдержки партии после прекращения брожения для завершения процесса, где выдержку ведут в теплых условиях.

Рассматриваемый патент представляет собой как итоговый результат докторской диссертации на основе проведенных ими исследований по оценке всего технологического цикла производства спиртных напитков, в том числе пива. В первой части описания заявки на изобретение авторы приводят полный критический анализ передовых технологий производства спиртных напитков во всех развитых странах за последние годы.

По части разработки оптимального технологического цикла пивоварения авторы патента RU2361 908 предусматривают осуществление стадии непрерывного брожения сусла для получения пива, где процесс протекает в биореакторе с внутренней циркуляцией и ограниченной подачей кислорода с использованием иммобилизованных флоккулирующих дрожжей.

Основные отличительные признаки предлагаемого нами опытного образца биореактора от прототипа патента RU2361908:

- по техническому устройству биореактора;

- по выбору типа носителя для иммобилизации дрожжевых клеток;

- по продолжительности получения готового продукта;

- по продолжительности использования носителя при организации производства пива.

Известно также, что авторами патента RU2361908 на пилотном биореакторе было проведено испытание с применением трех типов носителей: гранул из каппа-каррагенинового геля, гранул из спекшегося стекла и гранул из диатомовой земли. По результатам испытаний с применением трех носителей ими установлено преимущество применения носителя для иммобилизации дрожжевых культур гранулы из диатомовой земли, поскольку она обладает хорошей теплоемкостью, механической прочностью и жесткостью.

Однако авторы рекомендуют в качестве носителя использовать не гранулы из диатомовой земли по причине дороговизны данного носителя, а гранулы из спекшегося стекла.

Как отмечают авторы, во всех случаях время нахождения жидкости в биореакторе составляло 24 ч, а выдержка продукта до его готовности протекает в течение 48 часов. Это почти 5 раз больше времени по сравнению с полученными результатами, которые достигаются в заявленном изобретении. Тем самым, в прототипе низкая эффективность применения предлагаемых носителей дрожжевых клеток с точки зрения сокращения времени готовности продукта.

Технической проблемой прототипа является также то, что не обеспечивается возможность многократного использования применяемых носителей дрожжевых клеток.

Также, технической проблемой является укладка носителя с иммобилизованными дрожжевыми клетками сплошным слоем у дна внутри биореактора. Такая компоновка носителя с иммобилизованными дрожжевыми клетками (как «пробка») существенно снижает скорость прохождения сусла снизу вверх. Это, в свою очередь, приводит к снижению скорости брожения.

Задачей изобретения является устранение недостатков прототипа.

Техническим результатом изобретения является:

- ускорение периодов созревания и готовности при организации производства спиртных напитков, в том числе и при пивоварении;

- многократное увеличение совокупной площади соприкосновения сусла с иммобилизованными дрожжевыми клетками;

- увеличение скорости прохода сусла снизу вверх через поэтажно установленные матрицы с иммобилизованными дрожжевыми клетками;

- ускорение темпа брожения;

- сокращение периода дображения;

- небольшой объем опытного биореактора;

- возможность многократного использования применяемых носителей дрожжевых клеток;

- снижение потребления электроэнергии на всем цикле производства спиртных напитков, в том числе и при пивоварении.

Изобретение поясняется чертежом.

На чертеже показано устройство биореактора на примере биореактора для приготовления пива.

На чертеже: 1 - емкость с суслом, 2 - насос перистальтический (регулирующий), 3 - биореактор, 4 - сито мелкоячеистое, 5 - сито крупноячеистое, 6 - рубашка, 7 - предохранительный клапан, 8 - вентиль, 9 - носитель иммобилизованными дрожжевыми клетками, 10 - стенка биореактора, 11 - вход биореактора.

Заявленный технический результат достигается за счет того, что заявлен способ ускорения процесса брожения при получении спиртных напитков, в котором стадию непрерывного брожения сусла, содержащего сбраживаемые сахара, проводят в вертикальном биореакторе с внутренней циркуляцией потока сусла снизу вверх, внешний кожух биореактора имеет рубашку, причем претерпевший по меньшей мере частичное брожение в биореакторе продукт за счет использования носителя с иммобилизованными дрожжевыми клетками, подают на стадию дображивания партии после прекращения брожения для завершения процесса, где выдержку ведут в теплых условиях, отличающийся тем, что рубашку внешнего кожуха реактора выполняют по всей высоте биореактора, основание биореактора выполняют плоской формы и с входом для подачи сусла, а внутри биореактора через определенное расстояние в зависимости от емкости биореактора располагают съемные сита из нержавеющего металла, которые устанавливают поэтажно с возможностью свободного пропуска потока сусла снизу вверх и которые одновременно используют как опору для разложенного поверх них носителя с иммобилизованными дрожжевыми клетками, причем толщина установленного носителя на нижнем этаже больше, чем на верхнем этаже, а в качестве носителя используют вулканическую породу.

Предпочтительно, что в качестве носителя использован артикский туф из осадков пепла.

Допустимо, что на корпусе рубашки выполнены патрубки для входа/выхода хладагента и пара.

Допустимо, что сита выполняют с отверстиями диаметром 1 – 1,5 мм.

Допустимо, что по центру верхней поверхности реактора располагается предохранительный клапан и вентиль для выпуска углекислого газа.

Допустимо, что на входе и выходе из биореактора устанавливают крупноячеистые сита, а внутри биореактора - сита с более мелкими ячейками.

Допустимо, что используют медные сита.

Осуществление изобретения

Заявленный способ может быть реализован с использованием биореактора, показанного на фиг. Из емкости с суслом 1 с использованием насоса регулирующего 2 сусло подается через нижний вход 11 биореактора 3 и проходит через несколько сит 5 и 4. На входе и выходе из биореактора 3 предпочтительно устанавливать крупноячеистые сита 5, например, медные сита с порами 8 мм. А внутри биореактора 3 межэтажные сита 4 могут быть с более мелкими ячейками, например, медные сита 5 мм.

Основание предлагаемого нами биореактора 3 имеет плоскую форму и только с одним входом для подачи сусла снизу вверх и без необходимости прокачки газа диоксида углерода. В конструкции опытного образца биореактора имеется рубашка 6 (желательно с промежутком не менее 8 см) вокруг всей высоты биореактора, через которую осуществляется равномерное изменение температуры жидкости (сусла) внутри биореактора. Рубашка 6 расположена по всей окружности и высоте биореактора между основной стенкой 10 биореактора 3.

На корпусе рубашки 6 могут быть выполнены патрубки для входа/выхода хладагента и пара, а на выходе из биореактора 3 - патрубок для выхода готового продукта, например, пива. При этом, на выходе по центру биореактора 3 может быть расположен предохранительный клапан 7 для выхода СО₂.

Все патрубки до насоса 2 и после, а также выходные патрубки могут содержать перекрывающие вентили 8.

Внутри биореактора 3 через определенное расстояние (в зависимости от емкости биореактора) располагаются съемные сита 4 и 5 из металла любой нержавейки.

Поэтажно установленные сита внутри биореактора свободно пропускают поток сусла снизу вверх и одновременно служат опорой для носителя с иммобилизованными дрожжевыми клетками.

Иммобилизованные дрожжевые клетки, установленные поэтажно (послойно с промежутками жидкости сусла) над ситами обеспечивают многократное увеличение площади контакта сусло с матрицей, следовательно, и темпа брожения в биореакторе.

Носитель 9 для иммобилизации дрожжевых клеток укладывают так, чтобы нижний слой был большей толщины, чем верхний. Например, на нижнее сито 5 укладывают носитель слоем 10-15 см (в зависимости от емкости биореактора), а каждый последующий слой накладывают на сито 4 следующего этажа меньше по высоте, поскольку в верхних слоях, с каждым новым слоем, для более сброженного сусла носителя требуется меньше.

Предпочтительно применение в качестве носителя артикского туфа из осадков пепла, поскольку данное вещество из осадков пепла обладает наибольшей пористостью из всех

известных носителей. Кроме того, носитель 9 из осадков пепла обеспечивает увеличение совокупной площади соприкосновения сусла с иммобилизованными дрожжевыми клетками. Применяемый носитель из осадков пепла имеет прочную макро- и микрорешетчатую структуру, которые обеспечивают не только эффективную работу носителя, но и сам носитель обладает долговечностью. Благодаря своим физико-механическим свойствам такой носитель позволяет подвергать промывке и многократно использовать его в течение 6 месяцев и более.

Артикский туф обладает не только хорошей теплоемкостью, механической прочностью и жесткостью, но и высокой пористостью, многократно превышающей все применяемые в мировой практике носители (щепки или опилки хвойного или лиственного дерева, гранулы из каппа–каррагенинового геля водорослей, гранулы из спекшегося стекла или из диатомовой земли и др.). Крошки артикского туфа, как носители дрожжевых клеток, обладают необходимыми физико-механическими свойствами для широкого, многократного и эффективного применения в пивоварении. При этом он значительно легче. Его объемный вес – около 1.000 кг/куб.м. (как твердое дерево); коэффициент пористости туфа высокий и достигает – 60–65%; прочность туфа (сопротивление к сжатию) – от 75,5 до 89,9 (кирпич 80–100). Кроме того, новый носитель обладает высокой жесткостью и устойчивостью к воздействию влаги и тепловой обработке. Все эти свойства носителя позволяют подвергнуть материал к очередной промывке и стерилизации для многократного и непрерывного его использования и перехода от традиционного периодического процесса брожения к процессу непрерывного производства спиртных напитков, в том числе пива.

В мировой практике применения носителей во всех случаях осуществляется укладкой сплошным слоем у дна внутри биореактора. Такая компоновка носителя с иммобилизованными дрожжевыми клетками (как «пробка») существенно снижает скорость прохождения сусла снизу вверх. Это, в свою очередь, приводит к снижению скорости брожения, что также является существенным недостатком рассматриваемого выше прототипа.

Проведенные нами опыты показали, что для ускорения процессов брожения необходимо увеличить площадь соприкосновения сусла с иммобилизованными дрожжевыми клетками. Задача была достигнута в результате разделения всей мощности носителя с иммобилизованными дрожжевыми клетками на отдельные слои, например, порядка 10-15 см (в зависимости от емкости биореактора) с последующим установлением их на съемные сита внутри биореактора и уменьшением толщины носителя с каждым следующим верхним ситом.

Проведенные опыты подтвердили, что подобное решение обеспечивает не только свободное прохождение сусла снизу вверх через все этажи сита внутри биореактора, но и сами сита служат как опора, удерживающие крошки носителей (матрицы) с иммобилизованными дрожжевыми клетками.

Преимуществом предлагаемой нами технологии является решение задачи выбора носителя с высоким коэффициентом пористости (Артианский туф) для комфортной иммобилизации необходимого количества дрожжевых клеток и поэтажная (послойная) компоновка носителя на съемных ситах с иммобилизованными дрожжевыми клетками внутри биореактора. Послойное расположение носителя с иммобилизованными дрожжевыми клетками на ситах обеспечивает свободное прохождение сусла, а это обеспечивает ускоренный темп дображивания и многократно сокращает период процесса готовности продукта.

Сущность процессуальной, технической и технологической части предлагаемого нами биореактора (фиг.) заключается в том, что иммобилизованные флоккулирующие дрожжевые клетки значительно активно функционируют будучи прикрепленными к носителю – гранулам вулканической породы, например, артикского туфа. В совокупности они представляют собой матрицы – носители дрожжевых клеток с максимальной пористостью. Подготовленные матрицы (носители с иммобилизованными клетками) устанавливают над всеми съемными ситами (перегородками) поэтажно внутри биореактора с целью ускоренного дображивания, а также для удобства замены носителя.

При запуске биореактора готовое сусло непрерывно протекает через колонну снизу вверх. Постепенно созревая, оно проходит через все установленные этажами сита. На завершающем этапе через верхнюю часть биореактора выходит продукт, готовый к фильтрации и потреблению. При такой технологии пивоварения время дображивания и период готовности продукта сокращается до 10-15 минут против наиболее близкого аналога (RU2361908), когда только «...выдержка продукта до его готовности протекает в течение 48 часов». Это почти 5 раз больше времени по сравнению с полученными нами результатами.

По продолжительности использования носителя при организации производства пива в отличие от применяемых в мировой практике носителей (щепки или опилки хвойного или лиственного дерева, гранулы из каппа-каррагенинового геля водорослей, гранулы из спекшегося стекла или из диатомовой земли и др.) крошки вулканической породы, как носители дрожжевых клеток, обладают необходимыми физико-механическими свойствами для широкого, многократного и эффективного применения в пивоварении. Это хорошая теплоемкость, механическая прочность.

Кроме того, новый носитель обладает высокой жесткостью и устойчивостью к воздействию влаги и тепловой обработке. Все эти свойства нового носителя позволяют подвергнуть материал к очередной промывке и стерилизации для многократного и непрерывного его использования и перехода от традиционного периодической замены матрицы для обеспечения процесса брожения, к процессу непрерывного (без замены носителя) производства спиртных напитков, в том числе пива в 6 и более месяцев.

Здесь уместно отметить, что период созревания пива с использованием традиционных технологий занимает от 504 до 2160 и более часов. При этом протекают многочисленные биохимические и физико-химические изменения, требующие постоянного внимания и контроля. Например, при полном производственном цикле пива, использование нового многофункционального биореактора позволит резко сократить количество традиционно применяемых емкостей для дображивания и созревания, а также насосов и других соединяющих трубок.

Биореактор обеспечивает непрерывный поток сусла снизу вверх, а созревание пива достигает (в среднем) не за 2412 часов при использовании традиционных технологий, а за 10 – 15 часов.

При запуске биореактора готовое сусло непрерывно протекает через колонну снизу вверх. Постоянно созревая, оно проходит через все установленные этажами сита снизу вверх (количество сит и толщина матрицы с иммобилизованными клетками зависит от емкости биореактора). При этом существенно ускоряются процессы дображивания и периода созревания пива, а также других спиртных напитков и биотоплива.

Сита предназначены для обеспечения непрерывного и свободного протока сусла снизу вверх, а также для удержания носителя с иммобилизованными клетками с целью увеличения площади соприкосновения с носителем. Сита могут быть изготовлены из любого металла (например, нержавейки). Параметры биореактора могут быть разными. Для промышленного производства диаметр реактора составляет 1,5 – 3,0 м, а его высота составляет 2,5 – 10 м.

За счет того, что толщина установленного носителя на нижнем этаже больше, чем на верхнем этаже, удается ускорить процесс прохождения сусла через сита в сравнении с одинаковой толщиной носителя на каждом этаже сита, или если бы общая совокупность высоты носителя на всех этажах была бы размещена одним слоем на дне, как в известных технологиях.

Колонна биореактора устанавливается вертикально и специально снабжена «рубашкой» для равномерного поддержания необходимой температуры (в отличие от традиционных методов, когда изменение температуры сусла осуществляется изнутри биореактора). Перед дображиванием основного брожения дрожжи отделяют от молодого пива сепарированием, затем отсепарированное пиво нагревают в пластинчатом теплообменнике до 70°С. В таких условиях дрожжи – предшественники диацетила – редуцируются в диацетил. При этом, в готовом пиве содержание диацетила снижается ниже порогового (30 смі/дмі) – до 0,05 смі/дмі, тем самым улучшаются вкусовые качества пива. Далее, перекачивая через «холодильник», жидкость охлаждают до определенной температуры. Дображивание продолжают при выбранной температуре в течение 2 – 3 часов. После этого готовое пиво охлаждают до 4°С и продолжают процесс фильтрации и розлив готового к потреблению продукта.

Сокращение времени процесса брожения, дображивания и созревания пиво по сравнению с традиционными методами от 28-30 дней до 10-15 часов. Это более чем 60 раз быстрее на примере пива сорта «Жигули».

Ускорение процессов дображивания и периода созревания продукта за счет того, что используемая вулканическая порода имеет прочную макро- и микрорешетчатую структуру, а иммобилизованные в эту матрицу дрожжевые клетки показывают свою эффективную работу.

Носитель из вулканической породы обладает долговечностью. Это позволяет подвергнуть многократной промывке и использовать его в течение 6 и более месяцев.

Благодаря вышеописанному процессу реализации изобретения обеспечивается: сокращение количества необходимого оборудования (дображиватели, насосы и т.д.); увеличение выхода конечной продукции на 10-20% (из 1 т мелассы 360 л против 300 л при традиционном брожении на примере производства спирта или этанола); низкая степень потери конечного продукта; снижение потребления электроэнергии в условиях сокращения

оборудования, многочисленного количества насосов, мешальных устройств, бродильных чанов и т. д. в среднем на 27% по сравнению с традиционными технологиями.

Сокращение количества необходимого оборудования за счет того, что новый биореактор одновременно выполняет функции нескольких бродильных чанов дображивания и легко может быть перенастроен для производства спирта, вина, кваса и биотоплива.

Предлагаемый биореактор, его устройство обеспечивает удаление диацетила и его предшественника – α-ацетолактата, тем самым улучшаются вкусовые качества пива.

Изменение температуры сусла осуществляется не изнутри самого реактора, а бесконтактно за счет того, что новый биореактор имеет «рубашку», через которую равномерно регулируется температурный режим всего содержимого биореактора.

Увеличение выхода конечной продукции (пива) на 10–20% за счет того, что по мере протока сусла снизу вверх по реактору оно проходит многоярусные матрицы с иммобилизованными клетками и на завершающем этапе не только очищает продукт без каких либо потерь, но и завершает процесс брожения.

Изобретение относится к пивоваренному производству. Способ брожения и дображивания пивного сусла включает проведение стадии брожения в вертикальном биореакторе с основанием плоской формы и внутренней циркуляцией потока сусла снизу вверх, при этом внешний кожух биореактора имеет рубашку, выполненную по всей высоте биореактора, а претерпевший, по меньшей мере, частичное брожение в биореакторе продукт подают на стадию дображивания, где выдержку ведут в теплых условиях, внутри биореактора располагают съемные сита, которые устанавливают поэтажно с возможностью свободного пропуска потока сусла снизу вверх и которые одновременно используют как опору для разложенного поверх них носителя с иммобилизованными дрожжевыми клетками, причем толщина установленного носителя на нижнем этаже больше, чем на верхнем, а в качестве носителя используют артикский туф из осадков пепла. Изобретение позволяет ускорить темп брожения, сократить период дображивания, многократно увеличить совокупную площадь соприкосновения сусла с дрожжами, увеличить скорость прохода сусла снизу вверх при небольшом объеме биореактора, многократно использовать применяемый носитель дрожжевых клеток. 5 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ брожения и дображивания пивного сусла, включающий проведение стадии брожения в вертикальном биореакторе с внутренней циркуляцией потока сусла снизу вверх, при этом внешний кожух биореактора имеет рубашку, а претерпевший, по меньшей мере, частичное брожение в биореакторе продукт за счет использования носителя с иммобилизованными дрожжевыми клетками, подают на стадию дображивания после прекращения брожения для завершения процесса, где выдержку ведут в теплых условиях, внутри биореактора располагают съемные сита, отличающийся тем, что рубашку внешнего кожуха реактора выполняют по всей высоте биореактора, основание биореактора выполняют плоской формы и с входом для подачи сусла, а внутри биореактора через определенное расстояние в зависимости от емкости биореактора располагают съемные сита из нержавеющего металла, которые устанавливают поэтажно с возможностью свободного пропуска потока сусла снизу вверх и которые одновременно используют как опору для разложенного поверх них носителя с иммобилизованными дрожжевыми клетками, причем толщина установленного носителя на нижнем этаже больше, чем на верхнем этаже, а в качестве носителя используют артикский туф из осадков пепла.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что на корпусе рубашки выполнены патрубки для входа/выхода хладагента и пара.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что сита выполняют с отверстиями диаметром 1-1,5 мм.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что по центру верхней поверхности реактора располагается предохранительный клапан и вентиль для выпуска углекислого газа.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что на входе и выходе из биореактора устанавливают крупноячеистые сита, а внутри биореактора - сита с более мелкими ячейками.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют медные сита.