3. Вакуумное брожение

Вы спросите — зачем делать вакуумное брожение, когда брага прекрасно бродит под гидрозатвором?  Зачем тратиться на дополнительное оборудование и всё усложнять? Отвечу на основании своего опыта — самый ароматный и вкусный дистиллят, пригодный как для настаивания, так и для употребления «белым», получается при вакуумном брожении + вак. дистилляции (ВБД) в один прогон. Вы можете мне не верить, но прочитайте этот текст до конца или поищите в интернете публикации отечественных и зарубежных винокуров. 

Процесс брожения под вакуумом по сути ничем не отличается от брожения при атмосферном давлении. Но есть существенные преимущества. Рассмотрим процесс брожения при пониженном давлении (в вакууме).

Известно, что в анаэробных условиях дрожжевая клетка получает энергию для размножения и роста путем превращения глюкозы в этиловый спирт.

При брожении дрожжи выделяют продукты брожения (метаболиты) в виде  углекислого газа и спирта (основные продукты брожения).

Этиловый спирт является сильнейшим фактором осмотического давления и при накоплении в процессе брожения приводит постепенно к энергетическому прекращению биосинтеза спирта, угнетению, прекращению роста и в конце концов гибели дрожжевых клеток. Подавление жизнедеятельности и гибель дрожжей проявляется при содержании спирта в браге 6-8 % об.  Метаболиты угнетают дрожжи, что приводит к снижению и остановки брожения (процесс ингибируется). 

В вакууме углекислый газ выводится из бродильной емкости, поэтому дрожжам легче перерабатывать сусло. При накоплении спирта в браге более 5% процесс брожения начинает замедляться. Если из бродильной емкости удалять спиртовые пары, то скорость брожения не будет снижаться пока дрожжи не переработают сусло. При этом в браге значительно меньше образуются вторичные продукты брожения (глицерин, уксусный альдегид, уксусную, янтарную, лимонную, пировиноградную кислоты, 2,3-бутиленгликоль, ацетоин, эфиры) и побочные продукты брожения — высшие спирты (пропиловый, бутиловый, амиловый, изопропиловый, изоамиловый, изобутиловый и др.).

Высшие спирты вступают в реакцию этерификации с летучими кислотами с образованием сложных эфиров. При взаимодействии спиртов с альдегидами или при конденсации альдегидов образуются простые эфиры (ацетали).

Количество и соотношение вторичных и побочных продуктов брожения определяет вкус и аромат готовых напитков. Влияние каждого индивидуального вещества на органолептические показатели дистиллята зависит от его вкусовой и ароматической характеристики, концентрации, присутствия других компонентов, усиливающих или нейтрализующих вкус и аромат.

Замечено, что при атмосферном брожении, часто, готовая брага имеет удушливый аромат с неприятными нотками. Это говорит о превышении пороговой концентрации вторичных  побочных продуктов брожения, ухудшающих вкус и аромат дистиллята после перегонки.

Замечено, что при вакуумном брожении вторичных и побочных продуктов брожения образуется значительно меньше, чем при атмосферном брожении.

Процесс вакуумного брожения протекает интенсивно, небольшими циклами (см.рисунок 1.1) и похож на «дыхание».

Рисунок 1.1. Кривые температур пара при вакуумном брожении с отделением паров спирта (экспериментальные данные POLE).

Д.В. Арсеньев, А.А. Ежков (НПО «Экология», Москва) экспериментально определили зависимость скорости накопления спирта в вакууме (рисунок 1.2).

Очевидно, что процесс вакуумного брожения нелинейный, сопровождается циклами с характерными периодами минимума и максимума. Возможно это связано с накоплением «критической массы» дрожжей, которые периодически массово размножаются и гибнут.  

Д.В. Арсеньев, А.А. Ежков (НПО «Экология», Москва)  по результатам своих исследований отмечают,  что протекание брожения в условиях вакуума характеризуется целым рядом отличительных особенностей, делающими эту технологию весьма привлекательной, особенно для получения высококачественного спирта:
• В условиях вакуума дистилляция спирта происходит непосредственно в  бродильном чане при температуре брожения, и он отводится из жидкой фазы сразу по мере его образования. Таким образом, брожение протекает практически при нулевой концентрации спирта в бражке.
• Скорость образования спирта (следовательно, и производительность оборудования) повышается в 2-3 раза.
• Жизнеспособность дрожжей и их активность сохраняется на первоначальном уровне, на протяжении всего цикла брожения.
• Выход спирта на тонну крахмала сохраняется в пределах не ниже установленных норм. При этом, накопление биомассы дрожжей увеличивается в раза.
• Гидромодуль замеса становится возможным увеличить до уровня 1:1.
• В бродильном чане, при работе с такими гидромодулями, посторонняя микрофлора практически отсутствует. Отсутствуют примеси, характерные для загрязняющей микрофлоры, например изопропанол.
• На выходе из бродильного чана концентрация спиртового дистиллята составляет 35 %, что дает возможность направить его непосредственно на эпюрацию, исключив из состава установки ректификации бражную колонну.
• В конце цикла брожения, за счет испарения воды содержание сухих веществ в жидкой фазе бродильного чана возрастает до 26-30%. Такая сметанообразная, сохраняющая текучесть, жидкость, содержащая 32-36% сырого протеина (в пересчете на а.с.в.), по существу, является сконцентрированной бардой, готовой для окончательной сушки. (Авторы предлагают использовать барду на корм скоту. прим. POLE)

Аппаратура  и режимы ВБ и ВБД

Вакуумное брожение (ВБ). 

Есть свежее фруктовое сырье и желание получить вкусный, питейный дистиллят? Значит, нужна ароматная брага!  «Продвинутый» винокур подумает  — и что, у меня тоже получается ароматная брага? И по своему будет прав, но у вакуумного брожения есть определенные преимущества, которых не видно при первом рассмотрении:

• «вакуумная» брага более крепкая, за счет более высокой переработки сусла  дрожжами;
• в «вакуумной»браге существенно меньше нежелательных примесей (уксусный альдегид; уксусная, янтарная, лимонная и т.п. кислоты;  пропиловый, бутиловый, амиловый, изопропиловый, изоамиловый, изобутиловый спирты; сложных и простых эфиров);
• «вакуумная» брага дегазирована и, частично, без голов, что значительно снижает время  последующей вакуумной дистилляции.

Все перечисленные преимущества существенны для получения ароматного дистиллята, поэтому стоит рассмотреть технологии ВБ.

Упрощенная схема установки вакуумного брожения (ВБ) представлена на рисунке 1.3.

В основном, установка ВБ (рис. 1.3) состоит из бродильной емкости (куб), конденсатора паров, сборника голов, вакуумной линии и вакуумного насоса. Основное требование к кубу — выдерживать вакуум. Рекомендуется использовать цилиндрические емкости с эллиптическими днищем и крышкой (к примеру пивная кега из нержавеющей стали). Не рекомендуется использовать стеклянные бутыли из соображений безопасности.

Температура брожения выбирается винокуром исходя из характеристик исходного сырья и рекомендаций по применению чистой культуры дрожжей (ЧКД). В основном, выбирается температура  около 25С. При такой температуре вакуум в установке примерно -50кРа позволяет удалять львиную долю углекислого газа.
Основное требование к вакуумному насосу — обеспечивать, при брожении, откачку из куба углекислого газа до определенного вакуума.  

В качестве вакуумной линии можно использовать напорные или напорно-всасывающие ПВХ шланги (рукава) с внутренним диаметром 6-10 мм.

В результате вакуумного брожения получается ароматная, дегазированная брага с высоким содержанием спирта для последующей дистилляции.

Вакуумное брожение + вакуумная дистилляция (ВБД). 

Согласитесь, что заманчиво получить ароматный дистиллят сразу после брожения?  Думаете, что это не реально? Да вы просто не пробовали!

Примерная схема установки ВБД представлена на рисунке 1.4.

В основных элементах, установка ВБД (рис. 1.4) состоит из бродильной емкости (куб), приемной емкости для дистиллята, вакуумных линий паров и дистиллята, конденсатора и вакуумного насоса. 

Главное требование к вакуумному насосу — обеспечивать откачку углекислого газа до вакуума -98 кРа в процессе брожения, чтобы проводить отбор дистиллята. Чтобы подобрать насос, необходимо рассчитать количество выделяемого дрожжами углекислого газа. 

Проведем расчеты по определению данных для выбора вакуумного насоса для ВБД исходя из пиковой скорости образования спирта — 3,7 дм3/час по экспериментальным данным Д.В. Арсеньева и А.А. Ежкова, полученным при сбраживании зернового сырья под вакуумом с общим количеством условного крахмала — 109,3 кг. После вычислений по уравнению брожения получается скорость образования СО2 — 23,7л/мин (по максимальной скорости газовыделения). 
Если исходить из средней скорости скорости накопления спирта (по данным тех же Д.В. Арсеньева и А.А. Ежкова) — 2,5дм3/час, то при расчетной скорости газовыделения СО, скорость откачки вак.насоса должна быть не менее 16л/мин.  

Это данные при загрузке в куб браги с экв. содержанием 100 кг сахара.  Расчет на 10 кг сахара — 2л/мин. К примеру, такую скорость должен давать вакуумный насос при проведении ВБД по параметрам вакуума — 98кПа и температуры 33-34С.

Важно учитывать, что  зависимости скорости откачки вакуума от давления — нелинейны, поэтому все расчеты имеют приблизительный характер. Поэтому при подборе вак.насоса следует ориентироваться в описаниях на графики давления и скорости вакуумирования.

Режим ВБ можно проводить при температурах 18-25С, режим ВД требует проведения процесса при температуре ниже 38С и вакууме -92кПа и ниже.

Сначала заводится брага под вакуумом -50кПа. Примерно через 1 — 1,5 суток при набраживании около  6% спирта откачивают давление до — 96кРа (температура в кубе 30С) и включают отбор дистиллята. Отбор ведут до момента, когда в браге будет примерно 3% (96,6кПа при 30С в кубе) — отбор дистиллята прекращают. В кубе опять наступает брожение, которое поддерживают при определенном вакууме -50кРа.

Через определенное время брага снова набраживает спирт до 6%. Снова включают вакуумный насос и при -96кРа начинают отбор дистиллята. Так несколько раз по циклу до тех пор, пока дрожжи не перестанут вырабатывать углекислый газ и спирт.

В конце брожения проводят отбор дистиллята до конца, чтобы в кубе не оставалось спирта. В целом весь процесс ВБД занимает 3-4 суток.

Из полученного ВБД дистиллята отделяют головы и получают сбалансированный 38-40% продукт, пригодный для употребления или настаивания на щепе (в бочке и пр.).

Сложный и длительный процесс ВБД невозможно провести без использования автоматических средств управления, обеспечивающих: контроль и поддержание температуры в кубе, конденсаторе и в приемной емкости; контроля вакуума и отработку циклов включения/выключения вакуумного насоса; контроля окончания процесса и выключение установки; аварийного отключения.

Если у винокура нет аппаратуры для полной автоматизации установки ВБД, то можно проводить процесс в периодическом режиме: брожение — ночью, отбор дистиллята — днем.

Проблемные ситуации, возможные причины и решения 

Установка не выходит на режим отбора дистиллята. Вакуумный насос не справляется и не достигается определенное значение вакуума. 

1. Утечки в установке (микро отверстия). Проверить аппаратуру и соединения на натекание. При обнаружении устранить.
2. Скорость откачки (быстрота действия) вакуумного насоса не достаточна, чтобы удалять газы брожения из установки на определенном значении вакуума (уставке). Снизить уставку и поднять температуру в кубе, либо заменить насос на более производительный.
3. Пары дистиллята попадают в вакуумный насос и насос не справляется. Увеличить расход охлаждающей жидкости в конденсаторе паров или заменить конденсатор.

Режим вакуумного дображивания

Всем известно, что если сахара положить больше или дрожжи низкоспиртуозные (к примеру хлебопекарные), то будет недоброд. Дрожжи начнут засыпать от спирта. Жалко выливать такую брагу. Хочется выжать весь сахар.

Как делаю, на примере ВД прямотком для отбора спирта-сырца в целях последующей ректификации и получения спирта 96%.

Ставлю брагу под гидрозатвор и жду когда набродит больше 6% объемных по спирту. Если не торопясь, то 5-7 дней, когда гидрозатвор уже понемногу булькает или совсем перестал. Ставлю брагу на ВД прямотоком при температуре до 30С в парах (обычно 26С при -95-96кПа). Отгоняю спирт-сырец до 5-7% в струе. Оставляю установку под вакуумом. Нагрев куба на 30С.

Если в барде есть сахар, то дрожжи активируются, что видно на росте остаточного давления в кубе. Грубо — оставил установку при — 95кПа, утром уже 0кПа (установка герметичная — вакуум держит). Далее можно откачать опять до -50 или 80 кПа. А можно не откачивать. Скорость брожения заметно  не меняется. 

Лениво жду пару дней, когда брага отбродит. По датчику давления в кубе +0,5 кПа это величина открытия обратного клапана. Углекислый газ поддавливает.

Через пару дней начинаю второй цикл ВД прямотоком. По вакуумному спиртометру видно, что брага добродила оставшийся сахар. Отбираю спирт-сырец, а полностью отработанную барду сливаю. Хотя дрожжи живые и можно добавить сахарного сиропа и опять запустить на брожение или ВБ с последующей ВД.