Технологические расчеты в бродильных производствах

2

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Иркутский государственный технический университет

Е.А. Привалова

ТЕХНОЛОГИЯ ОТРАСЛИ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ

В БРОДИЛЬНЫХ ПРОИЗВОДСТВАХ

Учебное пособие для студентов специальности 260204

Технология бродильных производств и виноделие

Издательство

Иркутского государственного технического университета

2007

Рецензент: канд. техн. наук, доцент ИрГТУ Губанов Н.Д.

Привалова Е.А. Технология отрасли. Технологические расчеты в бро-дильных производствах: Учеб. пособие. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2007.- 72 с.

В пособии рассмотрены основные приемы и методы технологических расчетов в бродильных производствах, приведены необходимые формулы и справочные материалы, рассмотрены примеры решения задач. Пособие предназначено для практических занятий студентов специальности 260204 «Технология бродильных производств и виноделие», а также для самосто-ятельной работы студентов.

Печатается по решению редакционно-издательского совета ИрГТУ.

© Е.А. Привалова, 2007

© Иркутский государственный

технический университет, 2007

1. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА КАЧЕСТВА СЫРЬЯ

1.1. Ячмень

Ячмень является основным сырьем для производства пивоваренного солода. Согласно ГОСТ 5060-86, по качественным показателям пивоваренный ячмень подразделяется на два класса (см. таблицу 1).

Таблица 1. Требования к ячменю для производства пива по ГОСТ 5060-86

Показатель	Класс ячменя
	первый	второй
Органолептические показатели
Цвет	Светло-желтый или желтый	Светло-желтый, желтый или серовато-желтый
Запах	Свойственный нормальному зерну ячменя (без затхлого, солодового, плесневелого запахов)
Состояние	Здоровый, не греющийся
Физико-химические показатели
Влажность, %, не более	15	15,5
Белок, %, не более	12,0	12,0
Сорная примесь, %, не более	1,0	2,0
-в том числе вредная примесь*	0,2	0,2
Зерновая примесь, %, не более	2,0	5,0
Мелкие зерна, %, не более	5,0	7,0
Крупность, %, не менее	85,0	60,0
Зараженность вредите-лями хлебных запасов	Не допускается, кроме зараженности клещом не выше 1 степени
Физиологические показатели
Способность прораста-ния, %, не менее	95,0	90,0
Жизнеспособность, %, не менее	95,0	95,0

*в числе вредной примеси гелиотроп опушенноплодный и триходесма седая не допускаются.

Кроме показателей, приведенных в таблице 1, для оценки качества ячменя применяются следующие показатели.

Натура. Натурой называется масса 1 дм³ зерна, выраженная в граммах. Натура пивоваренных ячменей колеблется от 600 до 750 г/дм³. Для технологических расчетов может использоваться и другое выражение натуры, например, кг/м³; т/м³.

Выравненность ячменя характеризуют наибольшим суммарным остат-ком на двух соседних ситах. Ячмень высокого качества должен содержать более 85% зерен, остающихся на ситах с отверстиями шириной 2,8 и 2,5 мм.

Экстрактивность -- это количество веществ, которые при затирании способны раствориться и перейти в сусло. Чем выше экстрактивность ячменя, тем меньше расход зернопродуктов на получение сусла. У хороших пивоваренных ячменей экстрактивность составляет 76-82% на сухое вещество.

Абсолютная масса -- это масса 1000 зерен ячменя. По значению этого показателя ячмени можно разделить на легкие (абсолютная масса 37-40 г), среднего веса (41-44 г) и тяжелые (свыше 45 г). Как правило, тяжелые ячмени обладают более высокой экстрактивностью.

Пленчатость -- это содержание цветочных пленок (оболочек). У разных сортов ячменя пленчатость составляет 8-17% на сухое вещество. Для пивоварения рекомендуется использовать ячмень с пленчатостью не выше 9%, так как в процессе затирания из оболочек выщелачиваются горькие и красящие вещества, негативно влияющие на органолептические показатели пива.

Мучнистость. Этот показатель характеризует состояние эндосперма зерна. Зерна могут быть мучнистые, стекловидные и полустекловидные. Ячмень, содержащий повышенное количество стекловидных зерен, имеет, как правило, более высокое содержание белка, трудно перерабатывается и дает солод пониженного качества. Мучнистых зерен в ячмене должно быть не менее 80%.

Водочувствительность характеризует снижение способности к про-растанию даже при небольшом избытке воды и выражается разницей между количеством проросших зерен при оптимальном и избыточном количестве воды. При замачивании водочувствительных ячменей следует корректировать технологию замачивания. По водочувствительности ячмени делятся на три группы: маловодочувствительные (не более 25%), водочувствительные (26-45%) и обладающие значительной водочувствительностью (свыше 45%).

Способность к водопоглощению оценивается по количеству поглощенной влаги через 72 ч замачивания. Чем выше способность к водопоглощению, тем меньшее время требуется для достижения необходимой степени замачивания. Если в течение указанного времени ячмень поглотил менее 45% воды, его способность к водопоглощению оценивается как неудовлетворительная. При количестве поглощенной воды 45-47,5% способность к водопоглощению считается удовлетворительной, 47,6-50% -- хорошей и более 50% -- очень хорошей.

Соотношение между экст-рактивностью и содержа-нием белка определяет общую спо-собность ячменя к солодораще-нию. Численные значения по-казателя приведены в таблице 2.

Для приготовления пива кроме ячменного солода ис-пользуют также несоложеный молотый ячмень, кукурузную и рисовую крупку, пшеницу, соевую муку, солодовые экстракты. Зерновое сырье частично может быть заменено сахаром или глюкозно-мальтозными сиропами.

1.1.1. Основные расчетные формулы

Так как зерно поступает на предприятие партиями, при его приемке определяют средневзвешенные показатели влажности и сорности по формулам

; , (1)

где УМ_i - сумма масс всех поступивших партий зерна; УП_iw - сумма произ-ведений массы i-той партии зерна на влажность этой партии; УП_iс - сумма произ-ведений массы i-той партии зерна на сорность этой партии (соответствующие произведения вычисляют по формулам, приведенным ниже).

; , (2)

где М_i - масса i-той партии зерна в применяемых единицах массы; W_i и С_i - соответственно влажность и сорность i-той партии зерна, %.

В процессе длительного хранения зерна на складе может произойти убыль или увеличение его массы вследствие снижения или увеличения влажности и сорности. Поэтому при направлении зерна в производство, а также для учета потерь определяют массу зерна после хранения по формуле

, (3)

где М₁ - масса зерна после хранения, т; М - исходная масса зерна, т; x - убыль или увеличение массы зерна после хранения, доли единицы.

Убыль массы зерна вследствие снижения его влажности и сорности можно рассчитать по формуле

, (4)

где W и С - соответственно влажность и сорность зерна до хранения, доли единицы; W₁ и С₁ - то же после хранения, доли единицы.

Если убыль массы, вычисленная по вышеприведенной формуле, имеет отрицательное значение, то имеет место увеличение массы зерна.

Определить объем (л), занимаемый зерном, зерновой или сорной примесью, можно по формуле

, (5)

где М - масса зерна или примеси, кг; с - объемная масса зерна или примеси, кг/м³ (для разных продуктов и отходов солодовенного производства определяется по приложению 1).

1.1.2. Задания и задачи

1. Охарактеризовать качест-во двух различных партий ячменя на основании резуль-татов его лабораторного ана-лиза (см. данные таблицы). Дать заключение о пригод-ности данных партий ячменя к солодоращению, предска-зать возможные технологи-ческие проблемы на стадии солодоращения.

2. Определить массу и объем сорной и зерновой примеси, которая образуется при очистке и сортировании двух партий ячменя, описанных в задании 1, если масса обеих партий составляет 3000 т.

3. Определить средневзвешенную влажность и сорность зерна, если на склад поступили следующие партии зерна (см. таблицу).

№ партии	Мi, кг	Wi %	Ci, %	№ партии	Мi, кг	Wi %	Ci, %
1	40500	14,0	0,5	4	18000	14,2	1,2
2	25000	13,5	1,0	5	10000	15,2	1,3
3	18000	14,5	0,8	6	38200	15,9	1,8

4. Определить убыль массы зерна и массу зерна после хранения, если исходная масса (М), влажность и сорность зерна (W, C), а также влажность и сорность его после хранения (W₁, C₁) приведены в таблице.

№ партии	М, т	W, %	С, %	W1, %	С1, %
1	280	14,0	1,1	13,5	0,9
2	120	14,2	2,0	15,0	1,8

5. Какова будет масса ячменя после сушки и первичной очистки, если зерно поступило на элеватор с начальной влажностью 19% и сорностью 2,5%, а конечная его влажность составляет 12%? При первичной очистке удаляется 50% сорной примеси. Начальная масса партии зерна составляла 2000 т.

1.2. Хмель

Требования к прессованному сульфитированному хмелю, предназначенному для использования в пивоваренной промышленности, устанавливает ГОСТ 21947-76. Требования, устанавливаемые ГОСТом, могут быть базисные и ограничительные (см. таблицу 3).

Кроме прессованного цельношишкового хмеля в пивоварении используют различные хмелевые препараты -- молотый брикетированный и гранули-рованный хмель, хмелевые экстракты и эссенции. Эти продукты вырабатывают для сохранения ценных компонентов хмеля и повышения степени использования горьких веществ.

1.2.1. Основные расчетные формулы

Норма внесения прессованного шишкового хмеля исходя из горечи сусла в г/дал горячего сусла рассчитывается по формуле

, (6)

где Г_с -- величина горечи сусла, г/дал; б -- содержание б-кислот в прессованном хмеле %, W -- влажность прессованного хмеля, %.

Норма внесения гранулированного хмеля в г/дал горячего сусла определяется по формуле

, (7)

где 0,9 -- коэффициент снижения нормы расхода гранулированного хмеля за счет повышения степени использования горьких веществ.

Таблица 3. Требования к хмелю по ГОСТ 21947-76

Показатель	Требования
	базисные	оганичительные
Органолептические показатели
Цвет	От светло-желто-зеле-ного до золотисто-зеле-ного, допускаются покрас-невшие кончики лепестков	Зеленый, желтовато-зеле-ный, зеленовато-желтый, желтый с коричневыми пятнами, бурый
Запах	Хмелевой, чистый, не допускается прелый, затхлый сырный, дымный и др.
Внешний вид	Шишки должны быть одинаковые по размеру, закрытые; не допускается хмель, пораженный плесенью, сельско-хозяйственными вредителями и болезнями, содержащий посторонние (нехмелевые) примеси.
Физико-химические показатели
Влажность, %, не более	13	11-13
Содержание примесей, %, не более
-для хмеля машинного сбора	--	10
-для хмеля ручного сбора	--	5
Зольность, % на АСВ*, не более	--	14
Содержание семян, %, не более	--	4
Содержание сернистого ангидри-да (SO2), % на АСВ, не более	--	0,5
Содержание -кислоты, % на АСВ	3,5	не менее 2,5

*АСВ - абсолютно сухое вещество

Если охмеление сусла производится с использованием хмелевых экстрактов, то норму внесения хмелевого экстракта в г/дал горячего сусла определяют по формуле

, (8)

где Г_с -- норма горечи сусла, г/дал; n -- доля хмелевого экстракта в общем количестве хмелепродуктов (не выше 50%); б -- содержание б-кислот в экстракте, %; 0,8 -- коэффициент снижения норм расхода за счет более полного использования горьких веществ.

1.2.2. Задания и задачи

1. Охарактеризовать качество двух различных партий прессованного хмеля машинного сбора на основании результатов его лабораторного анализа (см. данные таблицы, размещенной на следующей странице). Дать заключение о возможности использования его в процессе охмеления сусла.

2. Норма задачи хмеля с содержанием б-кислот 3,5% составляет 22 г/дал горя-чего сусла. Определить норму задачи хмеля партии 1 и 2 (см. задание 1) в соот-

Показатели	№ партии
	1	2
Цвет	Золотисто-зеленый	Зеленовато-желтый
Запах	Хмелевой, чистый	Хмелевой, с легким затх-лым оттенком
Внешний вид	Шишки целые, закрытые, при-мерно одинаковой величины
Влажность, %	12,0	13,8
Содержание примесей, %	1,2	8,0
Зольность, % на АСВ	5,5	9,0
Содержание SO2, % на АСВ	--	0,5
Содержание б-кислоты, % на АСВ	4,2	2,0

ветствии с содержанием б-кислот.

3. Для охмеления сусла использовали сорт хмеля «Шпальт» с содержанием б-кислот 4,6% в коли-честве 32 г/дал. Сколько хмеля сорта «Теттнанг» с содержанием б-кислот 3,5% потребуется для охмеления 500 гл этого же сусла?

4. Горечь сусла составляет 1,49 г/дал. Сколько потребуется внести прессованного хмеля сорта «Каскад» с содержанием б-кислот 6% и влажностью 11% для охмеления 350 дал сусла?

5. Как изменится расход прессованного хмеля в условиях задачи 4, если 30% его будет заменено гранулированным хмелем с содержанием б-кислот 3,5% и влажностью 6,5%?

6. Горечь сусла составляет 1,24 г/дал. Сколько СО₂-экстракта с содержанием б-кислот 12% необходимо внести на 1 дал сусла, если прессованный хмель заменяется экстрактом на 20%?

1.3. Вода

В пивоваренном и солодовенном производстве вода также является сырьем. Она используется для мойки, замачивания и увлажнения ячменя, на приготовление затора и выщелачивание пивной дробины, на мойку оборудования и тары и т.д. От качества воды зависит ход технологического процесса и показатели готового солода и пива.

Источники водоснабжения пивоваренных заводов могут быть подземные (артезианские, грунтовые) и поверхностные (речные, озерные). Вода, используемая в пивоваренном и солодовенном производстве, должна соответствовать требованиям, предъявляемым к питьевой воде (СанПиН 2.1.4.1074-01).

Технологические требования к воде по содержанию различных ионов, оказывающих влияние на технологический процесс и качество готового продукта, могут быть более строгими, чем требования санитарные. Содержащиеся в воде ионы могут:

1) изменять рН среды (сдвигать кислотно-щелочное равновесие в кислую или щелочную сторону), это ионы Ca ²⁺, Mg ²⁺, ОН-, НСО₃-;

2) воздействовать на дрожжи (K⁺, Zn²⁺, Fe ²⁺, Fe ³⁺, Cu²⁺, NO₂-, Cl- и др.);

3) действовать в качестве катализатора брожения (Ca ²⁺, Mg ²⁺);

4) вызывать изменение вкуса и цвета готового пива (Ca ²⁺, Mg ²⁺, Na⁺, Fe ²⁺, Fe³⁺, НСО₃-, SO₄^2-, и др.);

5) вызывать помутнения пива (Fe ²⁺, Fe ³⁺, Cu²⁺, SiO₃ ^2-).

1.3.1. Основные расчетные формулы и справочные материалы

Оценить качество воды и определить ее пригодность к использованию в пивоваренном производстве можно по следующим показателям.

Жесткость. Растворенные в воде соли кальция и магния характеризуют ее жесткость. Жесткость воды выражается в мг-экв/л или ммоль/л. 1 мг-экв жесткости соответствует содержанию 20,04 мг Са²⁺ и 12,16 мг Mg²⁺ в 1 л воды. 1 ммоль жесткости соответствует содержанию 40,08 мг Са²⁺ и 24,31 мг Mg²⁺ в 1 л воды. Классификация воды по жесткости приведена в таблице 4.

Таблица 4. Типы воды в соответствии с жесткостью

Тип воды	Жесткость, мг-экв/л	Жесткость, ммоль/л
Очень мягкая	До 1,5	До 0,75
Мягкая	1,5-3	0,75-1,5
Средней жесткости	3-4,5	1,5-2,25
Довольно жесткая	4,5-6	2,25-3
Жесткая	6-10	3-5
Очень жесткая	Свыше 10	Свыше 5

Для приготовления светлых сортов пива используют в основном мягкую воду с карбонатной жесткостью 0,8 мг-экв/л и некарбонатной 0,4-0,8 мг-экв/л. Для темного пива жесткость воды может быть выше: карбонатная 3-4,8 мг-экв/л, некарбонатная -- незначительная.

Щелочность. Способность воды связывать кислоты характеризуется величиной щелочности, т. е. количеством в воде ионов ОН-, СО₃^2-, НСО₃- и некоторых других анионов слабых кислот. Щелочность выражают в мг-экв/л.

Для оценки качества воды по щелочности необходимо знать содержание в воде ионов Ca²⁺, НСО₃-, СО₃^2-, ОН-. При одновременном их присутствии в заторе его рН устанавливается в зависимости от их количественного соотношения. Это соотношение называется показатель пригодности воды по щелочности (П_щ).

Показатель пригодности находится из соотношения

, (9)

где G_Сa -- содержание в воде ионов кальция, мг-экв/л; Щ₀ -- общая щелочность, мг-экв/л.

Вода, имеющая П_щ 1, повышает рН затора, а имеющая П_щ 1 -- понижает. При значениях П_щ близких к единице, вода считается пригодной для технологических целей.

Остаточная щелочность. Поскольку ионы Са²⁺ и Mg²⁺ способны компенсировать отрицательное воздействие углекислых солей, в воде для пивоварения важно учитывать не общее количество карбонатов, а то их количество, которое остается в свободном состоянии после частичной компенсации ионами кальция и магния. Это количество называется остаточной щелочностью и определяется по формуле

, (10)

где G_Mg -- содержание в воде ионов магния, мг-экв/л; остальные обозначения те же, что и в формуле (9).

Для светлых сортов пива используют воду с остаточной щелочностью не более 0,54 мг-экв/л.

Отношение ионов Са²⁺/Mg²⁺. В пивоварении обращают внимание не только на общее содержание ионов кальция и магния в воде, но и на их отношение. При этом предпочтение отдается ионам Са²⁺, а ионы Mg²⁺ могут содержаться в минимальных количествах или даже полностью отсутствовать. Отношение концентрации ионов кальция и магния в воде рассчитывается в мг-экв/л. Предельное значение отношения 1:1. Оптимальное -- 4:1. При значениях отношения Са²⁺/Mg²⁺ ниже предельного пиво может иметь неприятный вкус.

Содержание ионов, оказывающих влияние на технологический процесс и органолептические показатели пива. Дополнительные требования по ионному составу воды установлены технологической инструкцией по водоподготовке для производства пива и безалкогольных напитков (ТИ 10-5031536-73-90).

Таблица 5. Требования к качеству воды в пивоварении

Показатель	Значение	Показатель	Значение
рН	6,0-6,5	Магний, мг/л	следы
Окисляемость, мг О2/л	2	Марганец, мг/л	0,1
Щелочность, мг-экв/л	0,5-1,5	Медь, мг/л	0,5
Общая жесткость, мг-экв/л	2-4	Цинк, мг/л	5,0
Катионы:		Анионы:
Алюминий, мг/л	0,5	Нитраты, мг/л	10
Железо (суммарно), мг/л	0,1	Нитриты, мг/л	0
Кальций, мг-экв/л	2-4	Сульфаты, мг/л	100-150
Кремний, мг/л	2	Хлориды, мг/л	100-150

1.3.2. Задания и задачи

1. Вода содержит 150 мг/л ионов кальция и 40 мг/л ионов магния. Рассчитать ее кальциевую и магниевую жесткость в мг-экв/л и ммоль/л. Определить общую жесткость воды и отнести воду к определенному типу по жесткости.

2. Общая жесткость воды составляет 5,2 мг-экв/л, содержание ионов магния в ней 20 мг/л, а общая щелочность 3,4 мг-экв/л. К какому типу жесткости относится данная вода? Рассчитать пригодность воды по щелочности. Для приготовления каких сортов пива эту воду можно использовать без предварительной водоподготовки?

3. Вода содержит 50 мг/л ионов кальция и 10 мг/л ионов магния, а общая щелочность ее составляет 4 мг-экв/л. Какое влияние эта вода будет оказывать на вкусовые качества пива? К какому типу жесткости относится данная вода?

1.3.3. Пример

Вода содержит 280 мг/л ионов кальция и имеет общую щелочность 17,5 мг-экв/л. Сколько мл соляной кислоты концентрацией 37% и плотностью 1,19 г/см³ нужно добавить к 1 м³ такой воды, чтобы довести показатель пригодности по щелочности до единицы?

Решение. Кальциевая жесткость воды составляет

мг-экв/л.

Пригодность по щелочности вычислим по формуле (9).

.

Превышение щелочности над содержанием ионов кальция составляет

17,5 - 13,97=3,53 мг-экв/л.

Для того чтобы довести показатель пригодности воды по щелочности до единицы, необходимо избыток щелочности нейтрализовать кислотой. Поскольку вещества реагируют в эквивалентных количествах, для связывания щелочности требуется

3,53•36,5=128,845 мг соляной кислоты,

где 36,5 -- эквивалент соляной кислоты.

Товарная соляная кислота содержит 37% НСl, то есть потребуется

мг кислоты.

Требуемый объем кислоты на нейтрализацию избыточной щелочности в 1 л воды составит

мл, т.е. 292 мл на 1 м³.

1.4. Контрольные задания и задачи

1. Определить средневзвешенную влажность и сорность зерна, если на склад поступили следующие партии зерна:

Масса партии, кг	Вариант
	Wi %	Ci, %	Wi %	Ci, %	Wi %	Ci, %	Wi %	Ci, %
	1	2	3	4
4000	14,0	0,5	15,0	1,2	14,8	0,8	13,2	1,0
2000	13,5	1,0	14,0	1,0	14,0	0,7	14,2	0,5
1500	14,5	0,8	14,5	1,5	15,0	0,5	14,8	0,8
1800	14,2	1,2	15,3	1,7	13,7	1,0	14,5	1,2
	5	6	7	8
1000	14,8	0,8	13,2	1,0	15,0	1,0	14,5	0,5
4500	14,0	0,7	14,2	0,5	13,7	0,8	14,2	0,7
1500	15,0	0,5	14,8	0,8	14,2	0,5	14,4	1,0
2000	13,7	1,0	14,5	1,2	14,0	1,1	13,7	0,9
2000	13,5	1,5	14,0	1,3	14,7	0,6	15,6	2,0
	9	10	11	12
3000	14,5	0,2	14,0	1,0	14,0	0,5	15,0	1,2
3500	15,0	0,4	14,2	1,2	13,5	1,0	14,0	1,0
2500	15,2	1,0	14,7	1,4	14,5	0,8	14,5	1,5
4000	13,9	0,5	14,9	0,8	14,2	1,2	15,3	1,7
	13	14	15	16
1700	15,0	1,0	14,8	0,8	13,2	1,0	15,0	0,9
1200	13,7	0,8	14,0	0,7	14,2	0,5	14,5	0,8
2100	14,2	0,5	15,0	0,5	14,8	0,8	14,2	1,0
1500	14,0	1,1	13,7	1,0	14,5	1,2	15,1	1,1
1500	14,7	0,6	13,5	1,5	14,0	1,3	14,8	1,2
	17	18	19	20
10000	15	0,4	14,0	1,0	14,5	0,5	14,6	0,7
15000	14,5	0,5	14,2	1,2	14,2	0,7	14,8	0,9
8500	14,8	0,9	14,7	1,4	14,4	1,0	14,2	0,5
7000	15,5	1,2	14,9	0,8	13,7	0,9	15	1,0

2. Определить убыль массы зерна и массу зерна после хранения, если исходная масса (М), влажность и сорность зерна (W, С), а также влажность и сорность его после хранения (W₁, С₁) приведены в таблице.

М, кг	Вариант
	1-4	1	2	3	4
	W, %	С, %	W1, %	С1, %	W1, %	С1, %	W1, %	С1, %	W1, %	С1, %
200	14,2	1,0	13,5	0,8	14,0	1,5	13,0	0,4	14,6	0,6
	5-8	5	6	7	8
450	15,5	0,6	15,7	0,8	13,2	0,5	13,7	0,4	15,0	1,0
	9-12	9	10	11	12
600	17,0	1,2	13,1	1,0	14,0	0,5	12,5	1,5	14,5	0,9
	13-16	13	14	15	16
750	14,0	2,0	12,0	1,5	14,7	0,5	13,5	1,2	12,7	1,0
	17-20	17	18	19	20
1550	15,0	1,7	14,3	1,5	13,5	1,0	14,0	1,3	15,2	0,9

3. Известна общая щелочность воды и содержание в ней ионов Ca²⁺ и Mg²⁺ (см. таблицу).

1) Рассчитать кальциевую и магниевую жесткость воды в мг-экв/л и ммоль/л.

2) Рассчитать общую жесткость в мг-экв/л и ммоль/л; отнести воду к определенному типу жесткости.

3) Рассчитать показатель пригодности воды по щелочности и сделать вывод о влиянии данного типа воды на рН затора.

4) Рассчитать отношение ионов Ca²⁺/Mg²⁺ и сделать вывод о влиянии воды на вкусовые качества пива.

5) Для производства каких сортов пива можно использовать эту воду без предварительной водоподготовки?

Вариант	Содержание, мг/л	Що, мг-экв/л	Вариант	Содержание, мг/л	Що, мг-экв/л
	Ca2+	Mg2+			Ca2+	Mg2+
1	225	40	8	11	150	40	2
2	120	5	4	12	100	20	1
3	120	25	8	13	30	25	5
4	90	5	5	14	215	50	7
5	75	18	6	15	150	60	10
6	7	2	0,5	16	50	10	12
7	200	60	5,5	17	45	45	3,5
8	16	3	0,8	18	60	45	4,7
9	40	20	17,5	19	57	17	2,9
10	60	30	14	20	48	23,5	2,2

4. Вода имеет следующие показатели (см. таблицу). Рассчитать объем кислоты, который нужно внести для исправления щелочности воды (в мл на 1 м³).

Вариант	Показатели качества воды	Показатели кислоты, применяемой для исправления щелочности
	Содержание Са2+, мг/л	Що, мг-экв/л	название	концентрация, %	плотность, г/см3
1	150	10	соляная	37	1,19
2	200	12
3	265	17
4	180	10
5	257	14
6	130	7
7	165	10	молочная	40	1,1
8	230	12
9	320	17,5
10	180	10
11	270	14
12	117	7
13	150	10	серная	98	1,8
14	200	12
15	280	17,5
16	180	10
17	250	14
18	120	7
19	50	3,2
20	120	7,5



2. ТЕХНОЛОГИЯ СОЛОДОВЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА

Основными стадиями производства пивоваренного солода являются: вторичная очистка и сортирование ячменя, замачивание, проращивание зерна, сушка свежепроросшего солода, удаление ростков и выдерживание сухого солода.

2.1. Технологические расчеты на стадии замачивания

Цель замачивания состоит в удалении пыли и легких сорных примесей, дезинфекции зерна и активизации жизненных процессов в зерне. Замачивание осуществляется одним из следующих способов: воздушно-водяное, оросительное, воздушно-оросительное, замачивание в непрерывном токе воды и воздуха, замачивание с продолжительными воздушными паузами и перезамачивание.

2.1.1. Основные расчетные формулы и справочные материалы

Приблизительный объем замочного чана можно установить из условия, что на 1 т замачиваемого ячменя требуется 2,2-2,4 м³ объема аппарата. Более точно объем замочного аппарата можно определить по формуле

, (11)

где G -- масса одновременно замачиваемого ячменя, кг; с -- насыпная плот-ность зерна, кг/м³; 1,5 -- коэффициент, учитывающий увеличение объема ячменя к концу замачивания на 40-50% и необходимый запас вместимости аппарата (5-10%) во избежание выброса зерна и воды при мойке и перекачи-вании зерна.

По приложению 2 подбирают подходящий замочной аппарат и определяют его геометрические размеры. Если вместимость одного аппарата недостаточна, принимают к установке несколько замочных аппаратов. При этом в каждом порядке аппаратов предусматривают 1 запасной аппарат.

Примерный расход воды и сжатого воздуха на замачивание находят, пользуясь приложениями 3 и 4, в зависимости от способа замачивания. Расход воздуха определяют при нормальном давлении (0,1 МПа). Пересчет объема сжатого воздуха рабочего давления на объем при нормальных условиях ведут по формуле

, (12)

где V_р -- объем потребляемого сжатого воздуха при рабочем давлении, м³; с_р и с_н -- плотность воздуха соответственно при рабочем и нормальном давлении, кг/м³; ф -- продолжительность операции, ч.

2.1.2. Задания и задачи

1. Рассчитать и подобрать замочной чан для одновремного замачивания 7 т ячменя в сутки. Определить примерный расход воды на замачивание. Зама-чивание воздушно-водяное, трехсуточное. Средняя натура перерабатываемого ячменя 650 кг/м³.

2. В условиях задачи 1 рассчитать примерный расход воды на замачивание зерна при воздушно-оросительном замачивании и при замачивании в непрерывном токе воды и воздуха.

3. График проведения воздушно-водяного замачивания приведен в таблице. Определить примерный расход воздуха на проведение замачивания. Расчет провести при нормальном давлении на 1 т замачива-емого зерна.

4. На мойку 24 т ячменя за-трачено 120 м³ сжатого воз-духа давлением 0,15 МПа. Пересчитать этот объем на объем при нормальном давлении и сравнить с нор-мативным. Продолжитель-ность продувки зерна во вре-мя мойки составила 20 мин.

5. Замочное отделение для трехсуточного воздушно-водяного замачивания ячме-ня оборудовано 4 замочны-ми чанами емкостью 30 м³. Определить суточный рас-ход воды в отделении.

6. Замачивание ячменя проводится по графику, приведенному в таблице. Как изменится расход свежей воды на замачивание, если на первичную мойку зерна использовать замочную воду, сливаемую из аппаратов после водяного замачивания?

2.2. Определение расхода воздуха на проветривание зерна

Проращивают ячмень в ящичных солодовнях типа «передвижная грядка», барабанных солодовнях, непрерывных и статических солодорастильных установках. Обязательным условием солодоращения является подвод к прорастающему зерну необходимого количества кондиционированного воздуха и отвод диоксида углерода, образующегося при дыхании зерна. Кроме того, зерно необходимо периодически ворошить во избежание слеживания и срастания корешков.

2.2.1. Основные расчетные формулы и справочные материалы

Для определения количества кондиционированного воздуха, который необходимо подать в солодовню, составляют тепловой баланс солодовни (см. таблицу 6).

Таблица 6. Тепловой баланс солодовни

Приход тепла	Расход тепла
Тепло, вносимое в аппарат с замочен-ным зерном, кДж Q1=Мзя cзя t1	Тепло, выносимое из аппарата с соло-дом, кДж Q5=Мпс cпс t2
Тепло, выделяемое при проращивании зерна, кДж Q2=q Мпд	Тепло, выносимое из аппарата отрабо-тавшим воздухом, кДж Q6=LIо
Теплота самого аппарата при загрузке, кДж Q3= Ма cа t1	Теплота самого аппарата при выгрузке, кДж Q7=Ма cа t2
Тепло, вносимое в аппарат с воздухом, кДж Q4=LIк	Потери тепла в окружающую среду, кДж Q8=Ft

В таблице приняты следующие обозначения:

М_зя и М_пс -- масса замоченного ячменя и свежепроросшего солода, кг;

t₁ и t₂ -- температура зерна при загрузке и солода при выгрузке, С;

с_зя и с_пс -- удельная теплоемкость зерна и солода, кДж/(кгК);

q -- удельное количество теплоты, выделяемой при проращивании зерна на 1 кг потерь сухих веществ, кДж; при приближенных расчетах q=17982 кДж/кг; для точных расчетов количества выделяемой теплоты используют формулу профессора И.Я. Веселова

,

где a, b, c -- количество ячменя, солода и ростков, кг; q_a, q_b, q_c -- теплота сго-рания ячменя, солода и ростков; для некоторого определенного сорта ячменя эти величины соответственно составляют 17848, 17940 и 18422 кДж/кг;

М_пд -- потери сухих веществ на дыхание при проращивании, кг;

М_а -- масса частей аппарата (барабана или ящика), нагреваемых при солодо-ращении, кг;

С_а -- удельная теплоемкость материала аппарата, кДж/(кгК);

I_к и I_о -- энтальпия кондиционированного и отработавшего воздуха, кДж/кг;

L -- расход воздуха на проветривание солода, кг;

-- коэффициент теплоотдачи от поверхности солода в окружающую среду (или от поверхности барабана для барабанных солодовен), 25,12 Вт/(м²чК).

F -- площадь поверхности барабана или открытой поверхности солода в ящиках, м²;

t -- разность температур солода и воздуха в помещении солодовни, С;

--продолжительность проращивания солода, ч.

Итак, уравнение теплового баланса пневматической солодовни будет иметь вид

Q₁+Q₂+Q₃+LI_к=Q₅+LI_о+Q₇+Q₈.

Так как теплота аппарата при разгрузке Q₇ мало отличается от теплоты его при загрузке Q₃, исключим эти составляющие и решим уравнение относительно L. В результате получим

. (13)

2.2.2. Пример

Рассчитать примерный расход воздуха на проветривание 16 т ячменя в солодовне с передвижной грядкой при следующих условиях: влажность исходного (очищенного) ячменя 13,5%, влажность замоченного ячменя 45%, влажность свежепроросшего солода 44%, температура замоченного ячменя 12°С, конечная температура свежепроросшего солода 15°С, средняя темпе-ратура солода 16°С, температура воздуха в солодовне 14°С, высота слоя замоченного зерна 0,6 м, продолжительность проращивания солода 8 суток. Параметры кондиционированного и отработанного воздуха приведены в таблице 7.

Таблица 7. Параметры кондиционированного и отработанного воздуха

Параметры	Воздух
	кондиционированный	отработанный
Температура, °С	12	16
Влажность, %	98	84

Решение. Массу сухих веществ сортированного ячменя можно рассчитать по формуле

, (14)

где М_я -- масса сортированного ячменя, кг; W_я -- масса воды, содержащейся в ячмене, кг.

При влажности сортированного ячменя 13,5% масса сухих веществ в нем составит

кг.

Суммарные потери сухих веществ при замачивании (П_з) складываются из потерь на сплав (1%) и на выщелачивание (0,6%), т.е. составляют 1,6%. Поэтому масса сухих веществ в ячмене после замачивания

кг. (15)

Масса замоченного ячменя

кг, (16)

где W_зя -- влажность замоченного ячменя, %.

Потери сухих веществ на дыхание (П_д) при проращивании составляют 5,7%, поэтому масса потерь на дыхание будет

кг. (17)

Отсюда масса сухих веществ свежепроросшего солода

кг, (18)

а масса свежепроросшего солода при влажности его 44%

кг. (19)

Для расчета тепла, вносимого в солодовню с замоченным зерном, необходимо определить удельную теплоемкость зерна. Удельную теплоемкость всякого влажного продукта можно определить как средневзвешенную величину удельных теплоемкостей сухих веществ данного продукта и воды по формуле

, (20)

где с^СВ и с_в -- удельная теплоемкость сухих веществ и воды соответственно, кДж/(кг•К); Х -- массовая доля сухих веществ во влажном продукте.

Удельная теплоемкость сухих веществ зерна или солода для ячменя, овса, проса и ржи составляет 1,423 кДж/(кг•К), для пшеницы 1,51 кДж/(кг•К). Удельная теплоемкость воды составляет 4,19 кДж/(кг•К). Подставив все необходимые значения в формулу (20), найдем

кДж/(кг•К).

Тепло, вносимое в солодовню с замоченным зерном

кДж.

Аналогично рассчитаем удельную теплоемкость свежепроросшего солода и тепло, выносимое из солодовни со свежепроросшим солодом:

кДж/(кг•К);

кДж.

Тепло, выделяющееся при проращивании солода, составляет

кДж.

Потери тепла в окружающую среду происходят преимущественно с открытой поверхности солода. Площадь открытой поверхности солода можно принять примерно равной площади сит солодовни. Замоченный ячмень будет иметь объем

м³,

где 660 -- объемная масса замоченного ячменя, кг/м³ (см. приложение 1).

Высота слоя замоченного зерна по условию составляет 0,6 м, следова-тельно, замоченный ячмень будет занимать площадь F=37,5/0,6=62,5 м². Отсюда потери тепла в окружающую среду составят

кДж.

Энтальпию кондиционированного и отработанного воздуха можно определить по формуле

, (21)

где с_взд -- удельная теплоемкость абсолютно сухого воздуха (1,005 кДж/(кг•К)); с_п -- удельная теплоемкость водяного пара (1,88 кДж/(кг•К)); t -- температура воздуха, °С; x -- влагосодержание влажного воздуха, кг/кг (определяется по диаграмме I-x или по приложению 5); r -- теплота испарения воды при 0°С (2500 кДж/кг); ц -- относительная влажность воздуха, доли единицы.

Подставив соответствующие значения для кондиционированного и отработанного воздуха, получим:

I_к= 1,00512 + 1,88120,00890,98 + 25000,00890,98 = 34,06 кДж/кг;

I_о= 1,00516 + 1,88160,011590,84 + 25000,011590,84 = 40,71 кДж/кг.

Все вычисленные значения подставляем в выражение (13)

кг.

Объемный расход воздуха за весь период солодоращения составит

м³,

где 1,239 -- плотность воздуха при нормальном давлении и температуре 12єС, кг/м³.

При восьмисуточном проращивании проветривание солода проводится в течение 6,5 суток, т.е. удельный часовой расход воздуха на проветривание составит

м³/ч.

2.3. Определение показателей работы солодовни

При производстве солода неизбежны технологические потери. Из-за больших изменений, которые претерпевает объем и масса зерна в процессе переработки на солод, потери сухих веществ сложно учитывать. Обычно потери при солодоращении вычисляют по разности между массой сортированного ячменя, поступающего на замачивание, и массой готового выдержанного солода. Эти потери можно условно разделить на истинные и кажущиеся. Кажущиеся потери возникают из-за разницы во влажности ячменя и готового солода. Истинные потери -- это потери на сплав, выщелачивание, дыхание и образование ростков.

Количество потерь зависит от сорта вырабатываемого солода, качества исходного зерна, режима замачивания и проращивания.

2.3.1. Расчетные формулы и справочные материалы

Суммарные потери при солодоращении

, (21)

где М_я и М_вс -- масса сортированного ячменя и выдержанного солода соответственно, кг.

Истинные потери определяют продуктовым расчетом или учитывая сухие вещества сортированного ячменя и готового солода:

. (22)

Потери можно также определить как разницу между 100% и выходом солода на сухое вещество (В^СВ), который рассчитывается по формуле

, (23)

где W_я и W_вс -- соответственно влажность сортированного ячменя и готового выдержанного солода, %.

Оценить качество работы солодовни можно, сравнивая плановый выход солода с фактическим, рассчитанным по уравнению (23). Плановый выход солода определяется по формуле

, (24)

где В^СВ_баз -- базисный выход солода на сухое вещество, принятый при круп-ности ячменя 60%, массовой доле белковых веществ в ячмене 11,0% на сухое вещество и продолжительности проращивания 7 суток (87,6%); ДС_к -- уточне-ние на качество сортированного ячменя, %; ДС_п -- уточнение на продолжи-тельность солодоращения, %. Поправки ДС_к и ДС_п определяют по таблицам 8 и 9.

Таблица 8. Уточнения базисного выхода солода на качество

сортированного ячменя

Содержание белка, %СВ	Ск (%) при крупности ячменя, %
	40-50	51-59	60-64	65-70	71-85	86-90
9,0-10,5	-0,4	-0,1	+0,1	+0,3	+0,5	+0,6
10,6-11,4	-0,5	-0,2	0	+0,2	+0,4	+0,5
11,5-12,0	-0,6	-0,3	-0,1	+0,1	+0,3	+0,4
12,1-13,5	-0,7	-0,4	-0,2	-0,1	+0,1	+0,2

Таблица 9. Уточнения базисного выхода солода на

продолжительность проращивания

Сп (%) при продолжительности проращивания, сут
5	6	7	8
+1,5	+1	0	-0,8

2.3.2. Пример

Определить общие, ка-жущиеся и истинные потери при солодора-щении, если за отчетный период было переработано 5000 кг ячменя влажностью 14,2% и крупностью 65% и получено 3900 кг готового солода влажностью 5%. Содержание белка в исходном ячмене составляло 11,6%. Солодоращение восьмисуточное.

Решение. Общие потери определяем по формуле (21)

кг.

Истинные потери находим как разницу между массой сухих веществ сортированного ячменя и готового солода

кг.

Таким образом, кажущиеся потери составляют

кг.

Выход солода на сухое вещество за отчетный период найдем по формуле (23)

%,

тогда потери сухих веществ составят %.

Плановый выход солода установим по формуле (24) с учетом поправок, найденных по таблицам 8 и 9:

%.

Сравнение планового и фактического выходов солода дает возможность установить, что за отчетный период солодовней произведено солода меньше на 0,54%.

2.4. Контрольные задания и задачи

1. Определить выход свежепроросшего солода из сортированного ячменя при следующих исходных данных:

Параметр	Вариант
	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Wя, %	14	14,5	15	15,5	14,8	10	12	12,5	14,2	10,5
Wзя, %	43	45	46	47	48
Wпс, %	42	43	44	44,5	45
Мя, т	20	25	28
	11	12	13	14	15	16	17	18	19	20
Wя, %	11	11,5	13	13,5	13,8	16	14	13,5	14,7	13
Wзя, %	43	45	44	45	43
Wпс, %	42	43	42	43	42
Мя, т	28	35	18

2. Определить примерный расход воздуха на проветривание зерна в солодовне с передвижной грядкой в условиях задачи 1. Дополнительные данные для расчета приведены в таблице.

Параметры	Вариант
	1-5	6-10	11-15	16-20
Параметры кондиционированного воздуха
Температура, С	12
Влажность, %	98	99
Объемная масса, кг/м3	1,23
Параметры отработанного воздуха
Температура, С	16	17
Влажность, %	85	82
Температура замоченного ячменя, С	12	11	13	14
Конечная температура солода, С	15	16
Средняя температура солода, С	16	17
Температура воздуха в солодовне, С	14	16
Высота слоя замоченного зерна, м	0,5	0,6	0,7	0,8
Продолжительность проращивания, сут	8

3. Определить общие, кажущиеся и истинные потери при солодоращении по данным, приведенным в таблице. Оценить качество работы солодовни.

Вар.	Исходный ячмень	Готовый солод	Продолжи-тель-ность солодора-щения, сут
	Мя, кг	Wя, %	Крупность, %	Белок, % СВ	Мвс, кг	Wвс, %
1	2000	14,2	60	11	1600	4,8	8
2		15	63	11,4		5	7
3		13,2	56	12,1		4,5	7
4		14	66	9,5		4	7
5	4500	14,5	68	10	3500	4,3	7
6		14,8	71	10,5		4,5	8
7		15	54	9		5	8
8		14,5	66	11,7		5,2	8
9	8000	14,1	68	12	6120	4,5	6
10		13,5	75	12,5		5	6
11		13,2	58	11,8		5,3	6
12		14,3	60	11,5		5,5	5
13	5600	14	67	12,2	4200	6	5
14		14,5	59	12,3		4,9	6
15		13,9	69	9,8		5,1	7
16		14,5	65	10,1		5,7	7
17	12 000	14,4	72	9,7	9500	5,2	8
18		14,1	70	10,4		4,8	8
19		13,5	71	12		5,8	7
20		14	77	11,2		6	7

3. ТЕХНОЛОГИЯ ПИВОВАРЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА

3.1. Технологические расчеты на стадии затирания

Смесь зернопродуктов с водой называется затором, масса зернопродуктов, загружаемая в заторный аппарат, -- засыпью, количество воды, расходуемое на приготовление затора -- наливом. Отношение массы засыпи к общему количеству воды, используемой на затирание, называют гидромодулем. Практически гидромодуль составляет от 1:3,5 до 1:4.

Затирание производится настойным или отварочным способом. Иногда используют специальные способы затирания. Их применяют с целью увеличения выхода экстрактивных веществ, понижения конечной степени сбраживания или улучшения качества пива.

3.1.1. Основные расчетные формулы и справочные материалы

Рецептуры засыпей некоторых сортов пива приведены в приложении 6. Объем воды (в л на 100 кг зернопродуктов), необходимой для приготовления затора, можно определить по формуле

, (25)

где Е -- экстрактивность лабораторного сусла, %; В -- желаемая концентрация первого сусла, %.

Начальную температуру затора, устанавливающуюся после смешивания солода и воды, вычисляют по уравнению теплового баланса

, (26)

где Q_с, Q_в и Q_з -- соответственно теплота солода (зернопродуктов), воды и затора, кДж.

Уравнение (26) можно переписать в виде

и выразить из него температуру затора:

, (27)

где М_с, М_в и М_з -- соответственно масса солода (зернопродуктов), воды и затора, кг; t_с, t_в и t_з -- соответственно температура солода, воды и затора, °С; с_с, с_в, с_з -- соответственно удельная теплоемкость солода, воды и затора, кДж/(кг•К).

Удельную теплоемкость солода, несоложеных зернопродуктов и затора можно вычислить по уравнению (20).

Расход пара известных параметров (температуры, давления) на приготовление затора можно также определить, пользуясь уравнениями теплового баланса. Например, количество тепла, требуемое для нагрева заторной массы до некоторой температуры, можно определить по формуле

, (28)

где t₁ и t₂ -- соответственно начальная и конечная температуры затора, °С.

Если греющий пар только конденсируется, то количество тепла, которое он отдает заторной массе, равно

, (29)

где G -- расход пара, кг; r -- удельная теплота парообразования, кДж/кг.

В том случае, если конденсат охлаждается, количество тепла, передаваемое заторной массе, будет

, (30)

где с_к -- удельная теплоемкость конденсата при средней температуре между температурой насыщенного пара и конечной температурой конденсата, кДж/(кг•К); t_п -- температура насыщенного пара, °С; t_кк -- конечная температура конденсата, °С.

В случае приготовления затора отварочным способом объем отварки (V_отв) определяется по формуле

, (31)

где t₁ -- температура фазы затирания, на которую планируется перевести затор после возврата отварки, °С; t₀ -- температура основной части затора, °С; V_з -- объем затора, дал (гл).

3.1.2. Примеры

Пример 1. Рассчитать объем воды, необходимый для приготовления затора для Рижского пива, если единовременная засыпь составляет 3000 кг, экстрактив-ность лабораторного сусла 72%, а желаемая плотность первого сусла 15%. Какую начальную температуру будет иметь затор, если солод на затирание поступает с температурой 12°С и смешивается с водой, имеющей температуру 56°С?

Решение. По приложению 6 находим, что засыпь для Рижского пива состоит из 100% светлого ячменного солода. По формуле (25) определяем объем воды в л на каждые 100 кг солода

.

Далее с помощью пропорции рассчитываем полный объем налива (V_н)

л.

Удельную теплоемкость солода, имеющего влажность 5% (см. приложение 1), определяем по формуле (20)

кДж/(кг•К).

Для определения теплоемкости затора уравнение (20) запишем в виде