Методы сбраживания осахаренного сусла (затора)
В дальнейшем, по мере повышения производительности спиртовых заводов, емкость бродильных и дрожжевых чанов увеличивалась, и одновременно возрастало отношение емкости бродильного чана к емкости заторного.
Описанный метод брожения, получивший название доливного, позволил значительно ускорить сбраживание, повысить производительность бродильной посуды и снизить нагрузку дрожжевого цеха.
Доливной способ сбраживания получил широкое распространение на всех спиртовых заводах, перерабатывающих крахмалистое cырье.
На отдельных спиртовых заводах (Поповский) все перерабатываемые за сутки заторы сливают в один бродильный чан.
Однако при этом способе заполнения бродильного чана долив свежих заторов производится в течение суток, т.е. не только в период взбраживания, но и в конце главного брожения. Это сопровождается ухудшением технологических показателей и снижением выходов спирта.
Практика работы заводов показывает, что наиболее целесообразно ограничивать время заполнения бродильного чана восьмью часами. А. П. Ситников [59] с целью снижения расхода сахара на питание дрожжей предложил сократить количество засевных дрожжей с 8 до 2—3%, однако это предложение себя не оправдало, поскольку применение его вызывало ослабление дрожжей и менее глубокое выбраживание сахаров.
Наиболее крупные спиртовые заводы, наоборот, увеличили производительность дрожжевых отделений. Так, например, Мариинский спиртовый завод при работе с 2,5% дрожжей имел неустойчивые и неудовлетворительные технологические показатели зрелой бражки. После того как были установлены два чана емкостью по 9% от объема бродильного чана, в которых проходило предварительное взбраживание, эти показатели стали нормальными.
Петровский спиртовый завод увеличил емкость дрожжанок - до 8%, а Ефремовский — до 6%. При этом технологические показатели бражки улучшились, и выходы спирта стали более стабильными.
По собранным нами данным, расход дрожжей в целом составлял 5—8% от объема бродильных чанов.
Следует, однако, указать, что и при повышенном до 8% количестве дрожжей период взбраживания не исключается. Поскольку размножение дрожжей происходит одновременно с наполнением чана, то время, требующееся для начала главного брожения, несколько сокращается, но затор в течение 6—8 часов после заполнения чана находится еще в стадии покоя.
А. А. Фукс [73] подробно проанализировал динамику процесса брожения для случая, когда в один бродильный чан сливалось 9 заторов при двухсуточном сроке брожения. При этом было установлено, что после прибавления последнего затора, поступившего в бродильный чан через 18 часов от начала его заполнения, главное брожение уже на 2/3 окончилось, и концентрация сухих веществ за этот период понизилась с 17 до 7—8°.
Поскольку до конца брожения еще оставалось 30 часов, этого времени было достаточно для того, чтобы брожение полностью закончилось и бражка перед сгонкой чана имела нормальные показатели.
Однако на заводах нередко последние заторы поступают в бродильные чаны с опозданием: через 22 часа от начала их заполнения, когда бражка уже имеет низкие показатели видимого отброда (3—4°). В этих условиях сахара, введенные с последними порциями затора, не сбраживаются полностью, в связи с чем предпочтительно чан оставить неполным, а новые заторы направить в следующий бродильный чан. При сливе большого количества заторов [11, 68] в один бродильный чан рекомендуется вести трехсуточное брожение, чтобы увеличить время, требующееся для более полного сбраживания сахара, внесенного с последними заторами.
На спиртовых заводах, перерабатывающих крахмалистое сырье, всегда имеется бродящая масса с деятельными дрожжами. Поэтому вполне естественно стремление использовать часть такой бражки в качестве задаточных дрожжей. Однако применение бродящего затора для возбуждения брожения вместо обычных дрожжей приводило к сильному закисанию бражек. Для устранения закисания Христоф предложил брать на дрожжи 1/3 — 1/8 часть объема бродящего затора из бродильного чана, где дрожжи вполне созрели, и прибавлять к отъему необходимые для дрожжей питательные вещества, а для подавления посторонних кислотообразующих микроорганизмов — серную кислоту. Отобранная бражка после выдержки в течение 2 часов для антисептического воздействия кислоты использовалась в качестве засевных дрожжей.
В СССР, по данным А. Клау и И. Унгера [23], 24 завода Средне-Волжского спиртотреста уже в 1930 году работали с уменьшенным количеством дрожжей, используя перелив бродящего сусла вместо задаваемых в чан дрожжей. Применение этого способа в условиях технической вооруженности того времени уже через несколько дней вызывало в свежеприготовленных заторах закисание, в результате чего приходилось часто пользоваться дрожжами, приготовляемыми обычным способом.
В 1952 году опыты по применению отъемов бродящей массы вместо дрожжей были проведены на Мироцком спиртовом заводе по предложению Я.К. Орловского. По этому предложению из бражки на стадии главного брожения отбирается часть ее (в количестве, соответствующем объему дрожжей — 5—8% от емкости бродильного чана), подкисляется серной кислотой, выдерживается определенное время для антисептирования и дображивания и затем спускается в бродильный чан, где разбавляется основным затором и сбраживается.
Все изложенные здесь методы применения отъемов бражки для замены дрожжей (обычных) выполняются периодически.
Спиртовые заводы, ранее перерабатывавшие патоку (т.е. мелассу) доливным методом, уже переведены на непрерывный метод брожения, в связи с чем представляется интересным рассмотреть изменения, которые претерпел доливной метод при переработке мелассы.
Поскольку патока (т.е. меласса) содержит большое количество несахаров, тормозящих размножение дрожжей, обычно применялось более сильное ее разбавление для сусла, идущего на приготовление дрожжей.
Наибольшей концентрацией паточного (мелассного) сусла, при которой развитие дрожжей происходит нормально, считалась концентрация 16—17°. В США концентрация паточного сусла 16° была принята как для размножения дрожжей, так и для сбраживания. При этом содержание спирта в зрелой бражке составляет не более 6—7% об., что приводит к излишнему расходу пара на перегонку таких бражек.
На наших спиртовых заводах, перерабатывающих мелассу, в 30-х годах на разбавленном сусле (16—17°) готовили только дрожжи в количестве 20—25% от общего объема бродильных чанов, а затем к ним доливалось более концентрированное (26—27°) сусло, в результате чего получалась бражка с содержанием спирта 8—9 % об.
Для сбраживания более концентрированных заторов применяют специальные расы дрожжей [98].
Ранее при переработке патоки (мелассы) применялись иногда и более сложные приемы, для которых являлось создание более благоприятных условий для размножения дрожжей. Так, например, в Германии в прежние годы получил распространение метод приготовления дрожжей с постепенным повышением концентрации паточного сусла, начиная от 10 до 16—17° и, наконец, 26—27°, причем каждая стадия протекала в отдельном бродильном чане. В России эта система была в свое время усложнена еще установкой чанов для приготовления дрожжей на солодовом сусле.
При отсталом состоянии техники, которая больше основывалась на традициях, чем на действительных требованиях технологии, применение метода «больших дрожжей», предложенного Е. А. Васильевым и Г. А. Мирошниченко [4], было прогрессивным.
Было доказано, что дрожжи можно с успехом размножать в больших объемах паточного сусла концентрацией 15° с добавлением минерального (азотистого и фосфорного) питания. Вначале объем дрожжей составлял 20 — 25% от объема бродильного чана, а затем был увеличен до 40% при одновременном понижении концентрации дрожжевого сусла до 12—13°. Это позволило сократить продолжительность брожения с 48 часов до 32 — 36 часов.
Дальнейшим усовершенствованием способа приготовления дрожжей на паточном сусле явилось применение энергичной аэрации воздухом в течение всего периода размножения дрожжей в дрожжанках. Более быстрое размножение дрожжей в условиях аэрации позволило повысить количество дрожжей до 50% от объема бродильного чана, что, в свою очередь, привело к сокращению срока брожения до 24 часов. Для увеличения содержания спирта в зрелой бражке концентрация приточного паточного сусла была повышена до 32° и введен непрерывный приток его с, таким расчетом, чтобы видимый отброд бродящей жидкости во время притока поддерживался на уровне 8°.
Доливной способ сбраживания, разработанный в 1939 г. Е. А. Васильевым и Г. А. Мирошниченко [5, 6] и сохранившийся на небольших паточных заводах до настоящего времени, характеризуется следующими особенностями: дрожжи готовят непрерывно-доливным способом на сусле концентрацией 11° с продуванием воздуха, объем дрожжей составляет 50—65% от объема бродильного чана. Содержимое дрожжанки вытесняется непрерывно притекающим суслом и сменяется 3—3,5 раза в сутки. При обычном же доливе сусло притекает периодически, отдельными порциями, через каждые 2 — 3 часа.
Брожение в бродильных чанах ведется доливным способом с доведением концентрации бражки при каждом доливе до 13°. Температура при брожении 30°, причем допускается повышение ее в конце брожения до 35—36°. Продолжительность брожения после прекращения долива составляет 8 часов, а весь оборот бродильного чана 12 — 13 часов.
В отличие от доливного способа сбраживания при непрерывно-доливном приток сусла в бродильный чан после задачи дрожжей идет непрерывно.
Из описания применявшихся способов сбраживания патоки видно, что сокращение срока сбраживания с 48 до 12 часов было достигнуто в основном за счет увеличения количества объема дрожжей с 10 до 65%.
Скорость превращения сахаров патоки в спирт в известных пределах, как известно, обратно пропорциональна количеству дрожжей. Поэтому повышение количества дрожжевых клеток в единице объема бражки приводило к резкому сокращению периода взбраживания и сокращению общей продолжительности брожения.
Таким образом, вместо специально приготовляемых дрожжей для брожения используется бражка, количество которой может быть увеличено до необходимого для засева объема, что и составляет основное преимущество данного способа.
Отрицательной стороной переливного метода сбраживания является возможность развития инфекции при повторных переливах бражки из одного чана в другой [7]. Быстрое закисание бражки и является главной причиной, препятствующей широкому применению данного приема, так как нарастание кислотности при брожении после 2—3 переливов достигает величины, что это отражается на выходах спирта [45, 8, 46, 71].
Даже в лабораторных условиях , когда применялся стерильный затор и солодовая вытяжка пропускалась через свечу Шамберле, также отмечалось закисание, хотя начиналось оно несколько позднее. При этом сахара не сбраживались полностью и выходы спирта снижались.
Для предотвращения закисания бражки можно было бы применить подкисление затора перед брожением до рН 4 или же ввести антисептик, но оба эти приема неприменимы при переработке крахмалистого сырья.
Переливной метод применяется во Франции при сбраживании свекловичных диффузионных соков, свеклосахарной патоки и яблочных сусел. Известно, что диффузионный сок подкисляется при этом серной кислотой до рН 2,5—3,5 или же обрабатывается фтористыми солями (5 грамм на 10 дкл сока). Продолжительность брожения вместо 24 часов при обычном методом сокращается до 14—16 часов.
Все варианты сбраживания диффузионных соков берут свое начало от способа, предложенного фирмой Гильом, Эгро и Гранже [70, 92] и осуществленного во Франции еще и 1903 г. Сущность способа состоит в том, что диффузионный сок непрерывно поступает в большой приемный чан, в котором сбраживается определенное количество сахара. Из этого чана бражка поступает в бродильные чаны-дображиватели, в которых процесс дображивания заканчивается периодическим способом.
В случае появления инфекции приток диффузионного сока переводится во второй чан, содержащий новые дрожжи и установленный рядом с первым. Первый же чан выключается из системы для периодического дображивания, после чего чан освобождают, промывают, дезинфицируют и держат в резерве для замены второго приемного чана в случае появления в нем инфекции.
Марине и др. [95] обобщили опыт работы заводов Франции по переработке диффузионных соков на спирт. Они приводят новые схемы установок для брожения, предусматривающие использование имеющихся на заводах бродильных чанов различых размеров. Описываемые ими новые схемы брожения характеризуются непрерывностью притока сусла и брожения.
Некоторые французские заводы проводят непрерывное брожение диффузионных соков в сочетании с возвратом дрожжей по методу Буано—Мель и обильным засевом дрожжевых клеток в первом бродильном чане1, другие используют для этой цели прессованные дрожжи. Имеются такие заводы, где размножение дрожжей идет непрерывно в бродильной батарее в процессе брожения. Непрерывное брожение ведется с применением антисептиков при повышенной кислотности среды.
По данным одного завода, использующего переливной метод, в первых четырех бродильных чанах, куда поступает сок, сбраживается 65% сахара, при выходе же из пятого бродильного чана — сбраживается 81% сахара, при выходе из шестого — сбраживается 94% сахара и при выходе из седьмого — 98%.
Авторы статьи считают, что после восьмого чана весь сахар превращается в спирт и дальнейшее увеличение количества чанов в батарее не требуется. Число дрожжевых клеток в бродящей массе при выходе ее из третьего бродильного чана составляет 400 млн. в 1 мл и остается неизменным во всех остальных чанах.