Библиографическое описание:

Калакуток М. Н. Мембранные методы производства безалкогольного пива // Молодой ученый. — 2014. — №17. — С. 63-66.

Пиво относится к числу наиболее древних и наиболее сложных по составу алкогольных продуктов. Оно содержит значительное количество ценных в пищевом отношении компонентов. Но не надо забывать, что одним из компонентов пива является этиловый спирт, массовая доля которого может колебаться от 2 % до 11 %. В связи с этим пиво не может быть рекомендовано водителям, беременным женщинам, спортсменам и т. д. Альтернативой в данном случае может стать безалкогольное пиво, производству которого в настоящее время уделяется особое внимание. Однако в традиционных напитках брожения, каковым является пиво, алкоголь (этиловый спирт) играет важную роль в формировании аромата и вкуса. Поэтому при отсутствии алкоголя эти напитки утрачивают свой характер. В связи с этим изготовление безалкогольного пива уже давно является проблемой в пивоваренном производстве. Требования к органолептическим качествам здесь такие же, как и у классического пива, а содержание алкоголя должно быть снижено из законодательных и медицинских соображении.

Удаление спирта из пива возможно различными путями. Широко известные способы можно разделить на три группы:

-              мембранные методы;

-              термические методы;

-              прерывание брожения или недопущение образования спирта при брожении:

На производстве применяются все три группы методов, которые имеют свои преимущества и недостатки.

В мембранных методах разделения пиво прокачивается через очень тонкую мембрану из хлопковой целлюлозы или ацетилцеллюлозы и при этом удаляется спирт. В различных мембранных методах используются различные физические эффекты.

Обратный осмос.

Обратный осмос — это способ разделения растворов путем их фильтрования через полупроницаемые мембраны, пропускающие растворитель и задерживающие молекулы или ионы растворенных веществ. В основе метода разделения раствора обратным осмосом лежит явление самопроизвольного перехода растворителя через полупроницаемую мембрану в раствор.

При удалении спирта с помощью обратного осмоса, пиво (рис. 1) порциями или непрерывно прокачивается сквозь разделительный модуль. Вода и спирт проходят сквозь мембрану, против естественного осмотического давления (2). Напротив, все крупные молекулы — молекулы вкусовых и ароматических веществ — остаются в пиве. Поскольку вода непрерывно уходит, необходимо постоянно добавлять новую воду (3), которая должна быть обессоленной и деаэрированной. Благодаря добавлению воды содержание спирта неизменно уменьшается. Поскольку создание избыточного давления посредством насоса приводит к увеличению температуры жидкости, установка должна иметь охлаждение, чтобы температура пива не превысила 15°С.

Рис 1. Принцип обратного осмоса: 1- подача нефильтрата; 2 — мембрана; 3 — подача воды; 4 — безалкогольное пиво; 5- разбавленный спиртовой раствор

Установка обратного осмоса состоит из напорного танка (1), в котором хранится подлежащее обработке пиво.

Рис.2 Установка обратного осмоса: 1 — танк для исходного пива; 2 — насос высокого давления; 3 — циркуляционный насос; 4 — фильтрующие модули; 5 — добавление специально подготовленной воды; 6 — пермеат; 7 — клапан постоянного давления

С помощью насоса (2) давление увеличивают до 40 бар, а с помощью циркуляционного насоса (3) добиваются высокой скорости омывания, что препятствует забиванию мембран. Модули (4) — это наиболее крупногабаритная, самая важная и вместе с тем наиболее дорогостоящая часть установки. Чаще всего мембраны изготавливаются из ацетилцеллюлозы. Масса, потерянная с водно-спиртовым раствором (пермеат), заменяется на специально подготовленную воду (5), так как иначе в пиве повысилось бы содержание экстрактивных веществ. Циркуляция продолжается до тех пор, пока не будет достигнута желаемая степень снижения содержания спирта. Специальная подготовка воды включает в себя ее обессоливание и полную деаэрацию на дополнительной установке. Деаэрация необходима, чтобы не привнести в пиво столь нежелательный кислород.

Важнейшей операцией для нормального функционирования модуля является чистка мембран. Для сохранения заданной производительности с поверхности мембран должны быть удалены все отложения. Способ мойки и моющие средства зависят от типа мембран. Неправильная обработка приводит к изменению размера пор и тем самым к разрушению дорогостоящих мембран.

В процессе различают три фазы:

-        фаза концентрирования. При прохождении пива через модули образуется около 2,2 л пермеата на гл пива. При этом концентрация спирта и экстрактивных веществ возрастает. Определенная концентрация некоторых веществ, прежде всего b-глюканов, уменьшает проницаемость мембран, что ограничивает производительность установки на стадии концентрирования;

-        фаза диафильтрации. В данной фазе концентрированное пиво, взамен ушедшего фильтрата разбавляется обессоленной водой до тех пор, пока не будет достигнуто желаемое содержание спирта;

-        фаза восполнения. Концентрированное пиво разбавляется водой до первоначального объема, при этом содержание спирта падает ниже 0,5 %. Одновременно пиво насыщается СО2, поскольку из-за обратного осмоса и добавления воды в пиве почти не остается диоксида углерода [5].

Пиво после деалкоголизации методом обратного осмоса претерпевает изменения в своем химическом составе, так как при удалении спирта из пива вымываются также другие компоненты, имеющие размеры молекул близкие к воде и спирту. Более того, процесс обратного осмоса протекает под большим избыточным давлением, что приводит к увеличению температуры пива.

Диализ.

Тенденция к достижению равновесия по обе стороны мембраны является движущей силой процесса и в диализе. Процесс отличается от осмоса, но молекулы углеводов, спиртов и др. проникают через мембрану до достижения равновесия по обе стороны, без всякого воздействия давления и при низкой температуре. Это означает, что спирт из пива будет переходить в диализат до тех пор, пока с обеих сторон не будет достигнута одинаковая концентрация спирта. Если этанол из диализата удаляют, спирт будет диффундировать с одной стороны мембраны на другую до бесконечности, пытаясь восстановить равновесие. При проведении процесса в противотоке спирт исчезает из пива очень быстро.

Рис 3. Принцип диализа: 1 — направление потока обрабатываемого пива в полом волокне; 2 — направление потока диализата на внешней стороне

Обрабатываемое пиво течет справа налево. В этой точке в диализате содержится мало спирта, поэтому спирт перемещается сквозь мембрану из пива в диализат, чтобы выровнять концентрацию. Чем дальше пиво течет «налево», тем меньше в нем остается спирта, поскольку движущийся навстречу диализат содержит еще меньше спирта — при входе «слева» его в нем вообще нет. К концу пути почти все молекулы спирта из пива перейдут в диализат, который в противотоке омывает мембрану.

Теперь пиво почти не содержит спирта, который перешел в диализат и из которого этанол должен удаляться для дальнейшего использования.

По сравнению с обратным осмосом данный способ требует значительно больших затрат, однако пиво подвергается более щадящей обработке, поскольку удаление спирта происходит при низкой температуре. При диализе пиво нагревается всего лишь с 1 до 6°С. Пиво подается в систему под низким избыточным давлением — около 0,5 бар, которого, однако, достаточно, чтобы произошел массообмен.

Рис 4. Проведение диализа: 1, 2 — мембранные модули для диализа; 3 — ректификационная колона; 4 — насос; 5 — регулирование температуры; 6 — пластинчатый теплообменник

Центром установки для проведения являются мембранные модули (1,2). Мембранные модули чаще всего представляют из себя модули в виде полых волокон, сквозь микропористые мембраны которых в противотоке происходит массообмен (диффузия). Пиво после выхода из модуля охлаждается на пластинчатом теплообменнике (6) до 1°С и возвращается в напорный танк.

Диализат освобождается от спирта на ректификационной колонне (3), и через теплообменник (5) с помощью насоса (4) вновь поступает в модуль. Высказывание о том, что сквозь мембраны диффундирует только спирт, конечно, очень условно. В действительности пиво теряет при диализе большое количество легколетучих побочных продуктов брожения и СО2. Это связано с тем, что при обработке диализата отгоняется спирт, а с ним и значительная часть других летучих веществ, в особенности эфиров и высших спиртов. Эти вещества перемещаются при диализе из пива в диализат и навсегда теряются из пива. Снижение содержания некоторых эфиров может достигать 65 %. С другой стороны, конечно, и из диализата вещества могут переносится в пиво, это относится, например, к солям воды, которые при ректификации концентрируются в диализате и при диализе обогащают собой пиво (натрий, кальций, нитраты).

Все это свидетельствует о том, какое большое значение имеет непрерывное регулирование состава диализата и как сложно протекают процессы обмена. И во всех других способах удаления спирта никогда не происходит исчезновение одного лишь этанола, поскольку другие летучие вещества могут вести себя подобно спирту. Несмотря на это, диализ остается сегодня наиболее распространенным способом снижения содержания спирта.

Преимущество данного метода состоит в том, что деалкоголизованный продукт сохраняет первоначальное содержание CO2 при минимальных потерях других компонентов. По сравнению с методом дистилляции остаточное содержание высших спиртов и эфиров немного выше. Однако в случае использования обратного осмоса для деалкоголизации пива сохраняется несколько больше высших спиртов и эфиров, чем в пиве, полученном методом дистилляции. По экономическим соображениям при данных методах удаление спирта до его содержания более чем 0,5 % об. является нецелесообразным.

Физико-химические показатели безалкогольного пива, полученного методами диализа и обратного осмоса одновременно с удалением этанола пиво, разбавляется водой и теряется некоторая часть летучих компонентов, в особенности эфиров и высших спиртов. При этом потери эфиров могут достигать 65 %. Существует целый ряд способов позволяющих сохранить органолептические свойства пива, например только часть пива подвергается деалкоголизации, а затем это пиво смешивают с исходным продуктом. Чтобы избежать вымывания с несущей жидкостью алкоголя и других компонентов пива, фирма APVразработала диализные установки, где в качестве несущей жидкости используется такое же пиво, из которого необходимо удалить алкоголь. Небольшое избыточное давление со стороны пива препятствует переходу в него термически побочных продуктов, отвечающих за так называемый вареный вкус пива.

Известны российские и зарубежные патенты на изготовление безалкогольного пива с использованием диализных и осмотических мембран. Часто используются мембраны немецкого производства, которые в другой модульной конфигурации, используются также для очистки крови у людей с почечной недостаточностью. Этот щадящий способ, используемый в медицинских целях, успешно адаптирован к процессу удаления алкоголя из пива.

Литература:

1. Кунце В. Г. — Технология солода и пива. 2001г.

2. Тихомиров В. Г. — Технология пивоваренного и безалкогольного производств. 1999г.

3. Ермолаева Г. А., Колчева Р. А. — Технология и оборудование производства пива и безалкогольных напитков. 2000г.

4. Оганесян В. Г. — безалкогольное пиво и способы его получения.

5. Научная электронная библиотека — http://elibrary.ru

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle