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Stirring Stuff搅拌充分发挥锥形发酵罐优势
作者:英国诺丁汉大学 CHRIS BOULTON    来源:Ringer
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组合称, 过滤器, 乳化罐, 混料缸, 冷热缸, ...
锥形发酵罐的密闭式设计与不锈钢结构保证了发酵罐卫生等级极高,可用于各质量等级的啤酒生产,至少从理论上说,由于锥形发酵罐表面积与容积比非常大,可外接冷却套管实现极高的传热效率。二氧化碳也很容易进行回收,润湿损失较低,且锥形设计也利于酵母回收与分离。由于锥形发酵罐部署于罐区内,所占空间较小,便于采用普通的投料、接种、酵母回收和排料系统。

上述诸多优势在握,困扰何患之有?我可以毫不夸张地说,如果读者对上述诸多优势进行认真了解,就能得出一个结论,那就是要解决与实际工艺要求相关的问题,广泛利用这些优势条件正是最佳的工程解决方案。

在商业化啤酒酿造业中,锥形发酵罐一直都是首选发酵罐。特别是在规划新建啤酒厂时,安装此类发酵罐更是必不可少之选。其因在于锥形设计具有诸多优势。

除提供无菌含氧麦汁,适宜的接种比和高效冷却系统保持所需温度外,很少会有设计参数关注实际发酵工艺的,特别是各种控制酵母细胞新陈代谢的触发机制。当然,啤酒厂商可能会说,发酵就是一个采用酵母为催化剂将麦汁转化为嫩啤酒的过程;然而,必须牢记的是,从酵母这个角度看,嫩啤酒无非就是用剩的培养基而已!

我将在本文中证明,如果我们更加关注酵母细胞在发酵过程中的反应情况,就能实现远超目前所能达到的一致性。这种一致性的提高体现在发酵周期、酵母生长幅度以及啤酒分析等各个方面。此外,还能够确保收获酵母的高存活率,缩短发酵周期,并提高啤酒产量。只要注重发酵罐的管理,特别是在初期填料过程中注重这一点,是可以实现上述部分目标的;要实现其他目标,则需要对发酵罐设计进行一定修正。对于后一点,我认为现在正是对目前锥形设计进行认真研究的最佳时机。或许也是我们展开讨论,研究如何开发下一代发酵罐,以更好地满足现代工业需求的一次良机。

在过往论文中我曾探讨过管理超大型发酵罐所带来的一些可能未考虑到的结果。最主要的是,如果进料时间延长,用户必须决定应于何时接种和充氧;此外,还有一种与人们直觉相反的情况,即热对流和二氧化碳的生成会极大地降低混合效率,从而造成发酵罐中物料长时间处于不均匀状态。

从研究中得出一个令人无法回避的结论,那就是必须在大型发酵罐中进行机械搅拌。对于具体方法,我将在这里进行介绍,并探讨高效搅拌对发酵性能具有何种影响。

混合与发酵适配

在生物技术领域,很少啤酒厂认同发酵罐需要配备机械搅拌器。或许这在发酵麦汁进行目测时说得通,认为自然混合效果已经很好;确实,发酵(fermentation)这个词就源自拉丁语的fevere,即煮沸一词。与之相关的是需要使酵母形成罐底酵母,方可从嫩啤酒中将之分离。无论出于何种原因,除非针对通用罐作业进行设计,否则绝大部分发酵罐都不倾向于使用机械搅拌器。由于必须对冷却套管进行钻孔,因此对叶轮进行改造花费甚巨。一种替代性方法就是采用泵循环系统(图1)。

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这一方法成本相对低廉,可适用于现有发酵罐。可采用现有的CIP系统,将顶部入口加以延伸,以便当发酵罐满罐后管口可以浸没在发酵液中,这样就可以解决一般障碍,易于实现高效清洁。另外在发酵后期,为了避免产生过多泡盖,可将回送口位置设于靠近锥型部分处。在后一种方法中,循环回路也作为就地清洁回路的一部分。

泵送速度可根据具体发酵罐进行调节。该系统的一个关键之处是采用了专门为C I P设计的旋转搅拌头。在此所述的试验中,循环系统与搅拌头由丹麦阿法拉伐公司(阿法拉伐集团下属子公司)设计与安装 。一些人认为剪切力会对酵母细胞造成破坏, 但这款搅拌头可使发酵罐中物料实现高效混合而不会产生过大的剪切力。

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搅拌对发酵性能造成的影响

以往报告描述了酵母细胞在锥型发酵罐中进行发酵时的扩散情况研究方法。研究中采用了Aber Instruments公司出品的一组生物探头,对探头进行防水密封处理后,沿发酵罐的中心纵轴悬浮于不同深度。采用罐内叶轮型搅拌器对发酵罐内物料进行搅拌的试验结果如图2所示。

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数据显示,在发酵罐中物料进行强制性搅拌期间(0-85小时),从活酵母数方面看,各处完全一致。只要一停下搅拌,酵母就能非常快地形成罐底酵母。我们用此说明啤酒厂应如何采用这一方法,并采取前瞻性方法控制酵母扩散。这样一来,可比原来更准确地控制酵母回收时间,从而使酵母处于条件相对恶劣的锥底的时间缩至最短。

可以预见,对酵母絮凝进行更好的控制可提高收获酵母的存活率,而实际情况也确实如此(表1)。我们可以看到,平均而言,从经搅拌的发酵液中回收的酵母略大于未经搅拌的发酵液。前者的回收酵母存活率比后者平均高出7%。

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发酵周期影响

在众多啤酒厂中,发酵就是一个确定整个酿造工艺速度的过程。从资本支出和收益成本方面看,缩短发酵周期是非常有利的:表2数据所示为5座不同啤酒厂采用泵循环系统后对发酵周期形成的影响 。

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我们可以看到,每座啤酒厂与强制性搅拌应用相关的发酵周期都得以大幅缩短。由于各啤酒厂发酵罐的几何结构、麦汁浓度、类型以及酵母品种各不相同,因此这一发现意义重大。

更快速地进行发酵对很多啤酒厂非常具有吸引力,但绝不是毫无例外;然而,每家啤酒厂都在希望供应性能尽可能稳定的产品。除在生产计划方面具备诸多优势外,均一的发酵能带来均一的酵母生长,最重要的是,可带来质量稳定的啤酒。图3所示数据可确证应用强制性搅拌后可大幅减小发酵周期的波动。

发酵效率

应用强制性搅拌程序后,可加快发酵过程,这说明在常规非搅拌控制过程中,有很多条件受到限制,使酵母细胞无法与外部营养物质形成有效接触。此外,不良混合可能会对被动运输机制造成不良影响。因此,只有在具有浓度梯度的情况下,代谢产物方可进出酵母细胞,可以想见,低液体流速和/或低效酵母细胞扩散会对此过程造成阻碍。

值得注意的是,所有用于这些试验中的啤酒均为实际类型产品。有意思的是如果搅拌对酵母培养造成较大影响,那么一定会发生风味代谢物质种类及含量的变化。很显然,情况并非如此。从另一方面说,预计不良混合或早熟形态的沉降酵母会影响到发酵过程的结束。换句话说,很多风味代谢产物的组成与麦汁中的游离氨基氮等成分的同化相关,这一现象发生的时间为发酵中前期。发酵过程结束时,酵母生长也明显停止了;尽管如此,酵母细胞仍然会吸收残糖,并产生出乙醇。

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这一实际情况似乎可通过经搅拌和未搅拌乙醇发酵产量和残糖对比得以确证(图4)。

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从搅拌发酵过程中可看到发酵周期稳定性的提高(图3),这一点从残糖浓度中也同样有所反映(图4a)。另外,还可看到在搅拌发酵情况下,外观浓度较非搅拌控制低,而与之相随的是乙醇产量有所增加(图4b)。平均而言,搅拌发酵乙醇产量比现有采用非搅拌控制方式高出2.8%。很显然,产量与稳定性的提高为很多啤酒厂节约了安装搅拌系统的成本,使回报期得以缩短。

发酵罐冷却

大型发酵罐采用冷却套管进行速冷并不是特别有效;作业区实际上为整个发酵发酵周期的一个重要部分,其主因在于发酵结束时,二氧化碳释放率以及液体流速都很低,因此造成啤酒酒体与冷却套管之间的对流换热不足。可以预见,应用搅拌方式可提高换热效率。采用泵循环系统确证了这一假设。在非搅拌控制方式发酵过程中,啤酒温度需要25小时的时间(图5)才能从16oC降至4oC。同一台发酵罐安装泵循环系统后,其冷却时间缩短到了13.5小时。

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发酵罐设计

我希望通过本文及以往论文论证,能够对读者具有足够说服力,证明强制性搅拌是必不可少的。实现这一目的的方法有很多种,而其中泵循环系统尤具吸引力,原因在于泵循环系统易于安装到现有发酵罐上。更重要的是,循环回路还具有其它用途。可以将其集成到新型发酵罐设计中,更好地满足当今对高重力、大容量发酵的需求(图6)。

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当然,图6所示设计并不适用于所有用途;我希望能够抛砖引玉。泵循环系统除了能够提供均一发酵条件,还能消除由于使用不同容量和不同高径比发酵罐而形成的影响。

尽管通过搅拌提高了换热效率,但如果发酵罐为前酵专用,那么放弃使用冷却夹套,转用换热器是合乎情理的选择。使用后者可在前酵过程以及工艺结束阶段的速冷过程中大幅提高调温效率。结果显示在发酵过程中适当时机停止泵送,就可以生产酵母,供酵母收获之用,因此上述方法是可行的。

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为减小酵母压力,沉降酵母必须尽快排出,进入酵母储罐前用板换冷却。当然,如果酵母需要在较短时间内(<12小时)重新添加,那么可以不用急着进行冷却麦汁与酵母发酵罐底部送入大罐中,前期接种麦汁将进行循环,确保发酵时酵母具有良好的分布。使用环路方式也有利于后充氧。控制酵母充氧时间,非常有助于调节啤酒酯类含量。

当然,也可能有另外一种意见认为,常用的在线充氧系统并不一定能够实现精确的麦汁充氧控制,其理由在于管道长度,发酵罐填料口各不相同。对此,如能在投料中或投料后直接向发酵罐中添加部分或全部氧将是极为有利的。当然必须确保酵母获得最大的吸氧量,同时防止麦汁发生氧化。在一罐法生产中,环路方式更可作为添加稳定剂和澄清剂的高效方法。

总之,锥形发酵罐被普遍认为属于现代容器设计的巅峰之作。当然,其实际应用历史已近百年(Nathan, L.(1930年)《酿造学会志》,36, 544-550页)。

除材质由铝转为不锈钢外,锥形发酵罐自问世以来其设计变化并不大。或许现在改革正当其时。

鸣谢
本文参考了在汉堡举办的最近一届EBC大会文献,阿法拉伐公司的Mikkel Nordqvist博士为文献合著者。大部分试验的设计者和实施者均为Mikkel,作者在文中引用了大量试验成果,谨此向Mikkel致谢。(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (11/18/2010)
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