EA022601B1 - Способ и устройство для термической обработки квасного сусла - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к способу термической обработки квасного сусла или концентрата квасного сусла, а также к устройству, в частности устройству для осуществления указанного способа, согласно которому квасное сусло вводят в варочную емкость, находящуюся под избыточным давлением, и нагревают, причем в варочной емкости избыточного давления устанавливают такое избыточное давление, что квасное сусло не кипит в течение всего процесса.

Description

Изобретение относится к способу термической обработки квасного сусла, в частности концентрата квасного сусла, и устройству для осуществления этого способа.

Квас - это очень древний напиток, который традиционно приготовляют из хлеба, зерновых злаков, солода и сахара и к которому часто добавляют другие продукты растительного происхождения. Ферментация в большинстве случаев производится смешанной культурой дрожжей и молочно-кислых бактерий, так что получаемый напиток, содержащий двуокись углерода, имеет ощутимо кисловатый вкус и одновременно содержит незначительное количество алкоголя. Полезное для организма действие приписывается квасу уже на протяжении веков, и в России, Украине и других странах Восточной Европы он считается одним из национальных напитков. В последние годы наблюдается рост популярности этого традиционного продукта, главным образом в России и Украине.

Для получения слегка подгорелого аромата, напоминающего корку ржаного хлеба, квасное сусло, в частности концентрат квасного сусла, нередко подвергается многократной термической обработке. Это приводит к накоплению вкусоароматических компонентов, меланоидиновых продуктов и к дополнительному окрашиванию продукта.

Термическая обработка при этом производится в специальных аппаратах при температуре от 100 до 130°С и в большинстве случаев продолжается от 20 до 30 мин.

В настоящее время известны три общепринятых способа подобной термической обработки концентрата квасного сусла:

Первый традиционный способ.

В более старых выпарных системах, когда сусло для увеличения концентрации предварительно выпаривали путем сильного нагрева, иногда в схему аппарата включали последующий этап кипячения для дополнительной термической обработки концентрата. Однако в современных выпарных установках для уменьшения затрат энергии на выпаривание часто используют вакуумирование (или частичное вакуумирование), при этом температура продукта на последующих этапах выпаривания снижается. Поэтому в условиях современного и экономичного производства при выпаривании под вакуумом концентрат не может подвергаться кипячению.

Второй традиционный способ.

В этом случае концентрат, который в большинстве случаев заранее подготовлен в современных вакуум-аппаратах, сначала помещают в большие котлы для варки под давлением. Котлы в большинстве случаев оборудованы электрическим или паровым подогревом нагреваемого объема, а иногда и мешалкой. После заполнения котла крышку закрывают и концентрат нагревают при включенной мешалке. По завершении процесса кипячения котел разгерметизируют и горячий концентрат сливают вручную или откачивают. Однако этот процесс имеет существенные недостатки: котлы действуют по тому же принципу, что и варочный автоклав. Соответственно при нагревании часть жидкости (воды), содержащейся в продукте, испаряется, и образующиеся (водяные) пары увеличивают внутреннее давление в котле и, следовательно, температуру кипения продукта. Между тем, в результате испарения жидкости продукт может пригорать на внутренней стенке контейнера, в особенности, если содержание воды в продукте невелико, как в случае концентратов. Этот эффект зачастую дополнительно усиливается тем фактом, что изначальный перепад температур между зоной нагрева и продуктом весьма значителен, а теплоносители (электричество/пар) используются на постоянной мощности. Пригорание приводит к потерям продукта, а очистка контейнеров явно усложняется, и должна будет производиться чаще. Кроме того, могут образовываться нежелательные вещества, некоторые из которых даже вредны для здоровья (например, фурфурол, акриламид). Даже тогда, когда давление в котле сбрасывают, может происходить вскипание в зоне нагрева и/или на внутренних стенках емкости, что приведет к тем же последствиям.

Третий традиционный способ.

Для того чтобы предотвратить или уменьшить подгорание концентрата, был разработан третий способ кипячения концентрата. Для этого концентрат первоначально заливают в открытые котлы. После этого в продукт через форсунки, которые в большинстве случаев распределены от верха до дна котла, нагнетают горячий пар до тех пор, пока содержимое котла не закипит и не будет достигнута желаемая температура. Однако этот способ тоже связан с определенными недостатками. Например, точная дозировка содержания воды в готовом продукте практически невозможна, так как размер пузырьков пара, количество пузырьков и время их существования, а также физико-химический состав концентрата изменяются в ходе процесса и, следовательно, соотношение между привнесенной и испарившейся водой постоянно меняется. Более того, возникающая негомогенность жидкого продукта и локальные пики температур не позволяют точно контролировать вкусовые характеристики и образующиеся ингредиенты. Еще одним недостатком может служить удаление паром необходимых вкусоароматических компонентов. При отсутствии механизма вторичного использования энергии пара следует также ожидать высоких потерь энергии. И, наконец, здесь продукт тоже может пригорать на форсунках и/или стенках котла.

Исходя из этой ситуации, задача настоящего изобретения заключается в обеспечении способа и устройства для надежной и технологически воспроизводимой термической обработки квасного сусла, в частности концентрата квасного сусла, и уменьшение или устранение соответственно описанных выше недостатков традиционных способов.

- 1 022601

Согласно настоящему изобретению эта задача решена с помощью признаков пп. 1 и 9 формулы.

Для простоты ниже будет часто применяться термин квасное сусло, который, однако, также включает в себя концентрат квасного сусла (К\УС) и/или другие продукты, но преимущественно концентраты. Кроме того, конкретная емкость, в которой фактически происходят реакции и подогрев, упоминается как варочный аппарат или реактор, хотя продукт и не подвергается кипячению из-за высокого давления, а нагревание может быть проведено вне емкости.

Согласно предлагаемому способу термической обработки квасного сусла или концентрата квасного сусла соответственно путем увеличения давления и соответствующего сдвига фазового перехода воды, содержавшейся в продукте, из жидкого состояния в газообразное, квасное сусло (К\УС) может быть нагрето до высокой температуры без доведения квасного сусла (К\УС) до кипения. Таким образом, в идеале, не происходит вскипания на поверхности нагрева и стенках емкости, а значит, продукт не пригорает.

Соответственно снижаются производственные потери, и облегчается очистка оборудования. Более того, благодаря этому могут быть увеличены интервалы очистки (периодичность, с которой должна производиться очистка).

Кроме того, очевидно меньше образуется нежелательных продуктов реакции, вредных для здоровья, таких как фурфурол и/или акриламид.

В силу того, что из-за высокого давления из концентрата испаряется только очень немного воды, или она совсем не испаряется, сухое массовое содержание концентрата не меняется или меняется незначительно. Таким способом может быть изготовлен стандартизированный продукт, что важно как для продажи, так и для последующего замешивания концентрата.

Кроме того, предотвращение кипения уменьшает избыточное формирование пузырьков и снижает пенообразование продукта. Благодаря этому могут быть уменьшены габариты или высота емкости.

Количество энергии, которое должно быть израсходовано на достижение заданной температуры, уменьшается, поскольку отсутствуют затраты энергии на фазовый переход. Кроме того, никакая энергия и/или вкусоароматические вещества не выводятся из системы из-за парообразования и удаления паров.

Предлагаемый способ предоставляет возможность быстрого подогрева содержимого котла до чрезвычайно высоких температур, так что соответствующее время обработки может быть сокращено, что увеличивает общую эффективность производства, а также предоставляет возможность формирования и накопления дополнительных вкусоароматических компонентов.

Значение давления, которое должно устанавливаться для конкретной температуры или, например, максимальной температуры, приблизительно определяется кривой давления паров воды. В ходе этого процесса избыточное давление в контейнере и/или в общей системе регулируют таким образом, чтобы при выбранной температуре не происходило фазового перехода воды (см. фиг. 4).

Особенно эффективно, если продукт подвергают предварительному нагреву посредством одного или нескольких теплообменников и/или нагревательных приспособлений перед подачей в емкость избыточного давления (варочную емкость). При этом температура предварительного нагрева должна быть выбрана такой, чтобы перепад температур между предварительным нагревом и заданной температурой реакции (варки продукта) был как можно меньше (например, предварительный нагрев до 130°С; варка при 135°С), предпочтительно, однако, чтобы эти температуры совпадали (например, предварительный нагрев до 135°С и варка продукта или поддержание его горячим при температуре 135°С). Чтобы гарантировать, что продукт (вода) не будет кипеть во время процесса, будет полезно заранее увеличить общее давление в системе (то есть, например, в теплообменнике(-ах), нагревательном приспособлении(-ях) и/или в используемой варочной емкости и т.д.), так, чтобы нагревание, заполнение, последующая термическая обработка, и/или выпаривание, и/или охлаждение продукта проходили без кипения (см. фиг. 4). Предварительный подогрев облегчает термическую обработку в емкости, находящейся под давлением (варочной емкости), так как для достижения желаемой максимальной температуры нагрева в реакторе должен быть преодолен лишь незначительный перепад температур. Кроме того, такая установка позволяет отрегулировать температуру таким образом, чтобы дополнительное нагревание продукта в реакторе не требовалось (например, перегрев до 137°С потребует 20 мин выдержки для охлаждения, например, до 135°С). Кроме того, от нагревания вязкость высоковязкого концентрата уменьшается так, что облегчаются наполнение и перемешивание и/или циркуляция в замкнутой системе варочной емкости избыточного давления. Из-за более низкой вязкости можно сразу начать перемешивание и/или циркуляцию, что способствует лучшему предупреждению пригорания концентрата. Кроме того, предварительный нагрев может привести к более однородному температурному распределению продукта. Это улучшает желаемый ход реакции и может сократить потребность в перемешивании и/или усилия по циркуляции, или сделать их ненужными.

Хотя предварительный подогрев может также осуществляться с помощью первичной энергии, другим решающим преимуществом предварительного подогрева является процесс рационального вторичного использования энергоресурсов, предпочтительно отработанного тепла от другой части производства. Здесь, прежде всего, предлагается использование собственного тепла системы.

Например, в предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения отработанное тепло, которое может быть получено в процессе охлаждения термически обработанного концентрата, мо- 2 022601 жет быть использовано для предварительного нагрева следующей порции продукта. Если разница температур между уровнем предварительного нагрева и охлаждаемым готовым концентратом незначительна, переход энергии может быть особенно легко осуществлен между входом и выходом теплообменника. Это может увеличить общую эффективность производства за счет снижения потребления первичной энергии и отделения соответствующей настоящему изобретению установки от других этапов производства.

Преимущественно квасное сусло нагревают до температуры > 120°С, предпочтительно > 130°С, так как выяснилось, что многие из необходимых вкусовых компонентов формируются при температурах выше 130 или выше 140°С. При традиционных методах такие температуры могли быть получены только в нескольких зонах емкости, например, непосредственно в области подогрева или в пузырьках пара. Способ использования повышенного давления согласно настоящему изобретению, однако, позволяет нагревать все содержимое емкости до таких высоких температур, без тех проблем, которые могли возникнуть из-за пригорания. При этом нагрев концентрата может быть осуществлен перед и/или в самой емкости и в линиях рециркуляции.

Преимущественно продукт перемешивается и/или рециркулирует при избыточном давлении в соответствующей емкости под давлением (варочной емкости). В основном это имеет смысл, если продукт нагревается в реакторе и/или линии рециркуляции. Здесь, перемешивание или рециркуляция соответственно в основном служит для равномерного нагревания жидкости и приводит к гомогенизации ингредиентов. Кроме того, это должно предотвратить нежелательные реакции, такие как пригорание.

Кроме того, предпочтительно поддерживать установленное избыточное давление в варочной емкости при выпуске квасного сусла (КАС), чтобы кипение не происходило во время выпуска. Таким образом, даже во время слива можно избежать вскипания на горячих стенках емкости и в зонах нагрева.

Предпочтительно квасное сусло (КАС), выгруженное из емкости, находящейся под давлением (варочной емкости), охлаждают с помощью теплообменника (предпочтительно трубчатого или пластинчатого). Выгрузка может производиться насосом и/или при помощи избыточного давления, созданного в емкости. При этом температура охлаждения должна быть подобрана такой, чтобы дальнейшая перекачка охлажденного концентрата могла быть с успехом осуществлена с помощью центробежного насоса (см. фиг. 3). Если образующееся отработанное тепло должно быть дополнительно использовано для предварительного подогрева следующей порции концентрата квасного сусла (КАС), соответствующая разница температур между продуктом и охлаждающей или нагревающей средой соответственно, как в случае нагревания, предпочтительно должна использоваться таким образом, чтобы переход энергии осуществлялся наиболее простым возможным способом. Если в качестве теплоносителя для такого энергообмена используется вода, следует позаботиться, чтобы при этом не происходил фазовый переход. Соответственно избыточное давление в системе теплообмена также может быть отрегулировано. Это избыточное давление, однако, предпочтительно должно быть ниже, чем избыточное давление в содержащей продукт системе (так называемый положительный перепад давления), чтобы гарантировать сохранность продукта в случае протечки теплообменников. При желании, однако, в качестве теплоносителя при атмосферном давлении могут быть использованы другие, желательно безопасные для продуктов питания вещества, которые имеют фазовый переход при более высоких температурах (например, масло или глицерин). Использование и/или восстановление энергии отработанного тепла для нагревания и/или охлаждения продукта может повысить общую эффективность системы. Тем не менее, использование энергообмена не является абсолютно необходимым. Нагревание и/или охлаждение на входе и/или на выходе из реактора может проводиться дополнительно или исключительно с помощью первичной энергии (например, пара и/или холодной воды).

Регулирование избыточного давления в содержащей продукт системе может быть произведено, например, во время заполнения квасным суслом (КАС), путем перекрытия отводного газового трубопровода(-ов) и/или нагнетанием газа и/или водяного пара, причем у нагнетания пара имеется то преимущество, что система подвергается предварительному подогреву. У инертных газов, например азота или СО₂, в свою очередь, имеется то преимущество, что в продукт не поступает дополнительный кислород. Это может, в свою очередь, повлиять на результаты реакции в продукте. В принципе, по желанию такое же самое и/или другое избыточное давление можно использовать только в реакторе и/или во всех следующих частях установки, таких как, например, теплообменники. При этом избыточное давление может быть или создано процессами в системе (например, заполнением) и/или отрегулировано до, во время или после проведения основной реакции дополнительными процессами (например, нагнетанием водяного пара).

Если нагревание должно производиться внутри реакционной емкости и/или в линии рециркуляции, нагрев предпочтительно должен быть регулируемым по производительности, в частности, если необходимо преодолеть существенный перепад температур, чтобы достичь фактически необходимой температуры. При этом мощность нагревания квасного сусла (КАС) может быть увеличена путем увеличения температуры и/или времени, в течение которого должен использоваться пароподогрев. Путем увеличения мощности предварительного разогрева разница между температурой квасного сусла (КАС) в сосуде под давлением (варочной емкости) и температурой в зоне нагревания должна поддерживаться настолько

- 3 022601 низкой, насколько возможно. Это позволит использовать плавное нагревание в реакторной емкости. Для нагревания, например, может использоваться пароподогрев с так называемым плавающим, или динамическим, гибким паровым контролем. Если же предварительный разогрев продукта предпочтительно осуществлен таким образом, что перепад температур до нужной температуры очень мал или отсутствует, можно при желании обойтись без исполнительного контроля нагревания. Это может понизить стоимость такой установки.

Устройство для осуществления предлагаемого способа содержит емкость, находящуюся под избыточным давлением (варочную) емкость, и средства нагрева, которые расположены либо выше по потоку и/или в реакторе, или в линии рециркуляции реактора. Кроме того, система должна содержать регулятор давления замкнутого контура/разомкнутого контура и/или терморегулятор, который может быть предпочтительно настроен так, чтобы с помощью по меньшей мере одного исполнительного механизма внутри сосуда под давлением (варочной емкости) не допускать кипения продукта.

Теплообменник и/или устройство для подогрева преимущественно установлены на входе емкости избыточного давления (варочной емкости) или размещены в устройстве рециркуляции и служат для разогрева и/или поддержания в горячем состоянии концентрата квасного сусла (К\УС).

На выходе варочной емкости избыточного давления теплообменник преимущественно используется для охлаждения продукта, где отработанное тепло расположенного на выходе теплообменника может эффективно использоваться в качестве энергии подогрева теплообменника на входе. В принципе, из соображений целесообразности может использоваться тот же теплообменник(-и), в котором продукт ранее был нагрет. При желании, однако, специально для охлаждения могут быть обеспечены дополнительные устройства.

Целесообразно, чтобы варочная емкость избыточного давления была оборудована мешалкой с устойчивым к высокому давлению уплотнением и/или линией рециркуляции с соответствующим насосом. Предпочтительно средства нагрева, расположенные в реакторе (или средства нагрева, расположенные в линии рециркуляции) устроены так, что используют водяной пар в качестве теплоносителя с регулируемой тепловой мощностью, то есть температурой теплоносителя, которая может регулироваться путем изменения времени воздействия и/или собственно температуры. Предпочтительным является, например, размещение внутри емкости избыточного давления специальных датчиков для контроля давления и температуры. В качестве исполнительных механизмов для регулирования давления можно предпочтительно использовать клапаны, предоставляющие возможность точной регулировки избыточного давления.

Более того, клапаны должны гарантировать поддержание постоянного давления, например, когда продукт сливают. Кроме того, должен быть установлен хотя бы один газоотводный клапан, чтобы чрезмерное избыточное давление в случае необходимости можно было сбросить. Помимо этого газоотводный клапан можно использовать, если потребуется, чтобы создать во время заправки емкости первоначальное избыточное давление, оставив клапан закрытым до достижения необходимого избыточного давления.

Предлагаемое устройство, в частности, применяют для разогревания и/или поддержания в горячем состоянии жидкостей или жидких концентратов. Благодаря этому должны образоваться или обогатиться некоторые улучшающие продукт ингредиенты, такие как компоненты цвета и/или вкуса. Более того, соответствующим нагревом некоторых жидкостей и/или концентратов могут быть проведены стерилизация, удаление нежелательных компонентов, подавление активности катализаторов (например, ферментов) и/или химическое превращение некоторых ингредиентов. Предлагаемое устройство и способ, в частности, подходят для термической обработки концентратов напитков, но могут иметь и другие применения, такие как придание производимому продукту привкуса мяса, жженого сахара и/или карамели, варка сусла и стерилизация отдельных веществ.

Настоящее изобретение будет проиллюстрировано ниже более подробно со ссылкой на следующие чертежи. В принципе, варианты осуществления предназначены для иллюстрации изобретения, однако они никоим образом не должны восприниматься как ограничения.

На фиг. 1 схематически представлена конструкция варочной емкости избыточного давления согласно настоящему изобретению;

на фиг. 2 схематически представлено предлагаемое согласно настоящему изобретению устройство с расположенными на входе и на выходе теплообменниками;

фиг. 2А показывает операцию по заполнению устройства, схематически представленного на фиг. 2; фиг. 2В показывает термическую обработку в устройстве, схематически представленном на фиг. 2; фиг. 2С показывает операцию слива из устройства, схематически представленного на фиг. 2; фиг. 3 показывает зависимость вязкости концентрата квасного сусла от температуры;

на фиг. 4 приведена известная из термодинамики фазовая диаграмма воды, иллюстрирующая определение необходимого давления при требуемой температуре.

Фиг. 1 показывает предлагаемое согласно настоящему изобретению устройство. Устройство включает в себя варочную емкость избыточного давления 1. Варочная емкость избыточного давления, по существу, представляет собой цилиндрическую емкость высокого давления, выполненную из нержавеющей стали. Предпочтительно, чтобы емкость была оборудована теплоизоляцией. Из соображений рента- 4 022601 бельности процесса для получения вкуса и цвета квасного сусла преимущественно нагреванию подвергают концентрат из-за его меньшего объема и высокой концентрации ингредиентов. Варочная емкость избыточного давления 1 имеет вход/выход 5 с соответствующей линией, в которой при желании может быть размещен насос 10. В то время как в данном случае представлен только один вход/выход 5, вход и выход могли также быть раздельными. При этом наполнение можно также проводить, например, через линию рециркуляции и в верхней части емкости.

Кроме того, варочная емкость избыточного давления 1 может быть дополнительно оборудована мешалкой 2, которая приводится в движение двигателем 4 и на оси которой расположены предпочтительно несколько лопастей 13. Целесообразно, чтобы ось мешалки имела эксцентриковое расположение для лучшего перемешивания содержимого. Мешалка 2 включает в себя устойчивое к высокому давлению уплотнение 3, представляющее собой уплотнительное кольцо 3 с заслонками для линий налива и сброса воды (для промывки водой). Следовательно, высокое давление может быть использовано в варочной емкости избыточного давления 1. Мешалка предпочтительно может быть управляемой по частоте, для чего двигатель 4 может быть подключен к блоку управления 90. Вместо мешалки или в дополнение к мешалке гомогенизация и перемешивание может осуществляться исключительно и/или дополнительно способом рециркуляции. При рециркуляции целесообразно отбирать концентрат в более низкой точке на дне емкости и заливать его в верхнюю часть емкости. Соответственно в нашем примере клапаны 22 и 99 открыты для рециркуляции, в то время как клапаны 77 и 88 закрыты. Рециркуляции проводится, например, с помощью насоса 10 через линию рециркуляции и.

При необходимости, перед, во время и/или после технологического процесса и еще дополнительно, если потребуется, перед, во время и/или после технологического процесса можно, например, прибавлять к продукту добавки и/или проводить дополнительную термическую обработку продукта. Соответствующие устройства, арматура и приборы, такие как терморегуляторы, дозирующие, измерительные и/или исполнительные механизмы, могут быть размещены в различных местах и на схеме представлены как блоки (30).

Разогрев и/или предпочтительно поддержание в горячем состоянии предварительно подогретого продукта может быть осуществлено, например, в зоне нагрева 12 и/или дополнительно при помощи нагревательного устройства 66, которое может быть размещено в линии рециркуляции и. В нашем примере оба средства нагрева воплощены как паровые нагреватели. Поверхности теплообменника 12 предпочтительно расположены внутри емкости 1 и, таким образом, находятся в непосредственном контакте с продуктом. В данном варианте воплощения теплообменник предпочтительно имеет неровную поверхность и, в частности, имеет вид утолщений на стенках. Такой тип монтажа может улучшить теплообмен, поскольку емкости под давлением в некоторых зонах имеют толстые стены и, таким образом, теплоотдача будет усиливаться, или, наоборот, ухудшится, если нагревательное устройство прикреплено снаружи. Кроме того, благодаря гофрированной поверхности может быть обеспечено лучшее перемешивание и снижено загрязнение. Средства нагрева 66, которые в нашем примере размещены в линии рециркуляции и, предпочтительно реализованы в виде двойной трубки пароподогрева, трубчатого и/или пластинчатого теплообменника. Оба представленные здесь нагревательные устройства имеют линии 15 подачи теплоносителя (в данном случае водяного пара) и линии 16 сброса теплоносителя (конденсата). Генератор энергии (в данном случае парогенератор) схематически показан как 17. В данном варианте реализации средства нагрева дополнительно могут изменять тепловую мощность. Это означает, что тепловая мощность может быть увеличена, например, путем повышения температуры или давления теплоносителя, в данном случае водяного пара. Тепловую мощность можно регулировать, например, в зависимости от времени и/или от температуры продукта. Так, например, либо может быть задана фиксированная программа для тепловой мощности, либо может быть измерена температура с помощью датчика температуры 18, и тогда тепловая мощность, то есть температура пара, регулируется в зависимости от измеренной (желательно в толще продукта) температуры. Средства нагрева, то есть в данном случае парогенератор(-ы) предпочтительно также подключен(-ы) к блоку управления 90. Таким образом, допускается, чтобы, например, при нагревании продукта тепловая мощность могла быть увеличена так, чтобы разница температур ΔΤ между зоной нагревания и продуктом по возможности оставалась незначительной в течение всего технологического процесса. Такое плавающее или динамическое, гибкое управление паром позволит использовать плавное нагревание продукта. Для нагревания, например, может использоваться пароподогрев с так называемым плавающим или динамическим, гибким паровым контролем. Он, в частности, подходит для случая, когда предварительный разогрев продукта не проводился или был незначительным, и должен быть преодолен высокий перепад температур (ΔΤ) до заданной температуры. Нагревательные устройства постоянной мощности в большинстве случаев предпочтительнее, если после заполнения реактора должен быть произведен только небольшой дальнейший подогрев (малый ΔΤ).

Кроме того, варочная емкость избыточного давления в данном случае оборудована регулятором 9 давления замкнутого контура/разомкнутого контура, который может быть объединен с блоком управления 90. Регулятор 9 давления замкнутого контура/разомкнутого контура настроен так, чтобы с помощью по меньшей мере одного механизма автоматического управления внутри варочной емкости избыточного

- 5 022601 давления 1 поддерживать давление таким, чтобы подогреваемый продукт не закипел. Для создания избыточного давления, например, предусмотрена газопаропроводная магистраль с регулирующим клапаном 19. Магистраль соединена со средствами парообразования и/или подачи газа под давлением, например азота и/или СО₂. Открыванием клапана 19 давление внутри варочной емкости избыточного давления 1 может быть увеличено и/или откорректировано. Для регулирования давления может быть предусмотрен датчик 8 давления в варочной емкости 1, которая может также быть соединена с регулятором 9 давления замкнутого контура/разомкнутого контура. При этом в верхней части емкости 1 предпочтительно расположен предохранительный клапан 20 сброса давления, соединенный с отводным паровым трубопроводом магистралью 11. Позицией 23 обозначена дроссельная заслонка, а позицией 24 обозначен клапан сброса давления. В отводном трубопроводе 11 также предусмотрена вакуумная заслонка 25. При перекрытии отводного трубопровода 11 (в частности, путем закрытия контрольных клапанов 20 и 23), давление в емкости 1 может быть увеличено вследствие налива продукта для подогрева (и/или вследствие нагревания продукта). В нашем примере клапаном 20 также можно управлять через регулятор 9 давления замкнутого контура/разомкнутого контура. Кроме того, устройство может включать в себя приспособление для ввода данных (не показано), с помощью которого могут быть введены различные параметры технологического процесса, такие, например, как максимальная температура нагрева Т1, ΔΤ и т.д. Кроме того, например, в систему может быть введено соответствующее значение давления, которое настолько велико, что продукт в емкости 1 не закипит на максимальной скорректированной температуре Т1. Такое значение можно приближенно получить, например, из диаграммы водяного пара [см. фиг. 4]. Кроме того, можно ввести только соответствующие максимальные температуры, при которых соответствующие значения давления будут определяться блоком управления 90. С помощью дисперсионного сравнения можно, например, регулировать требуемое давление во время или до начала процесса нагрева.

Создание избыточного давления в емкости перед ее заполнением имеет то преимущество, что уже во входном теплообменнике и/или других нагревательных устройствах может быть установлена высокая температура (выше температуры кипения воды при атмосферном давлении), без кипячения и/или пригорания продукта. Поддержание повышенного давления и откачка под давлением емкости с паром имеет то преимущество, что емкость предварительно прогревается или остается нагретой, и воздух уже соответственно насыщен водой, так что отсутствует (или очень мало) испарение воды из продукта в ходе процесса. Инертные газы, такие как азот и СО₂, в свою очередь, имеют то преимущество, что продукт не подвергается дополнительному воздействию кислорода, который мог бы повлиять на продукт нежелательным образом.

Тем не менее, также возможно измерять температуру (например, датчиком температуры 18) и приводить давление в соответствие с измеренной температурой (например, с помощью клапанов 19 и 20).

На фиг. 2 схематически представлен предпочтительный вариант реализации настоящего изобретения, в котором для простоты нагрев и охлаждение продукта показаны в двух различных теплообменниках. Тем не менее, эти технологические процессы могут с успехом быть осуществлены только в одном теплообменнике. В данном случае режимы работы практически идентичны, так что это не будет обсуждаться более подробно. Кроме того, здесь для простоты не представлены насосы, арматура, измерительные и контрольные механизмы, а также устройства, регулирующие температуру теплообмена, и т.д. Как можно понять из чертежа, теплообменник 6, предпочтительно пластинчатый и/или трубчатый теплообменник, может быть подключен перед емкостью избыточного давления (варочной емкостью) 1. С помощью этого теплообменника, например, квасное сусло или соответственно концентрат квасного сусла (К\УС) предварительно нагревают. Для точной регулировки температуры и/или, например, дальнейшего нагревания другой пароподогрев 66 может быть расположен на выходе из теплообменника. Этот пароподогрев в предпочтительном варианте осуществления изобретения размещен в линии налива, которая может также быть использована в качестве линии рециркуляции. Кроме этого, на выходе емкости 1 дополнительно расположен еще один теплообменник 7, в котором, например, охлаждают квасное сусло или соответственно концентрат квасного сусла (К\УС). после термической обработки в емкости 1. Этот теплообменник также может быть выполнен как пластинчатый и/или трубчатый теплообменник. С целью повышения эффективности установки здесь оба теплообменника соединены друг с другом с помощью так называемой линии энергообмена. Предпочтительно в линии между теплообменниками 6 и 7 должен располагаться хотя бы один бак для теплоносителя. Если поставлена цель практически перекрыть энергообмен, этот бак должен быть либо конструктивно поделен на две отдельных и изолированных части, либо, как это представлено на чертеже, предпочтительно должны использоваться два отдельных и изолированных бака. Теплоноситель предпочтительно не должен претерпевать фазовый переход, так что в системе энергообмена дополнительно должно быть создано соответствующее избыточное давление (см. фиг. 4). Чтобы компенсировать потери энергии, которые вызваны, например, излучением тепла, предпочтительно по меньшей мере одно нагревательное и/или устройство управления температурой должно быть включено в энергообмен. Для простоты, однако, это не показано ни графически, ни описано более подробно в последующем тексте.

Энергообмен может снизить спрос на первичную энергию. Это, прежде всего, имеет смысл, когда для следующих этапов технологического процесса больше не потребуется горячая вода. Пара, который

- 6 022601 образуется при испарении концентрата, в большинстве случаев достаточно для покрытия потребностей производственных предприятий в горячей воде, поэтому использование предлагаемой установки на многих предприятиях имеет смысл, хотя и не является абсолютно необходимым.

На фиг. 2А схематически показана в упрощенном виде операция по заполнению установки, представленной на фиг. 2. Как видно из чертежа, предварительный нагрев концентрата (КЖС), например, от 65 до 130°С может быть осуществлен при помощи горячего теплоносителя нагревом продукта в теплообменнике 6, например, обратным током. В ходе этого процесса теплоноситель, который уже находился в предпочтительно изолированном баке X, охлаждается, например, от 132 до 67°С и при этом полностью перекачивается в изолированный бак Υ. Перед заполнением емкости продукт, имеющий температуру 130°С, предпочтительно нагревают с помощью насыщенного пара до заданной температуры, например 135°С, в следующем нагревательном устройстве 66, расположенном на выходе теплообменника. Затем загружаемую порцию продукта подают, по желанию сверху, в также находящуюся под давлением емкость 1. Для предотвращения кипения и пригорания продукта вся система, описываемая здесь, еще до заполнения должна со стороны подачи продукта находиться предпочтительно под таким избыточном давлением, чтобы не происходило фазового перехода воды, содержащейся в продукте [см. фиг. 4] (например, 3,5 бар). Это давление должно поддерживаться в течение всего хода процесса. Представленный энергообмен должен быть спроектирован под соответствующие перепады температур (и, конечно, с учетом количества теплоносителя, который должен быть регулируемым по температуре). Практически замкнутая система, какой она представлена на фиг. 2, предпочтительно требует почти идентичной разности температур (ΔΤ) между продуктом и теплоносителем в обоих теплообменниках 6 и 7. Если это не так, то теплоноситель должен быть либо больше подогрет, либо охлажден, или часть теплоносителя должна быть откачана и/или заменена. Кроме того, не следует забывать, что в такой системе всегда происходят потери тепла, которые должны быть соответствующим образом компенсированы. Как и в случае продукта, при таком простом энергообмене предпочтительно не должно происходить фазового перехода теплоносителя. Чтобы обеспечить это, может иметь смысл соответственно увеличить давление теплоносителя, чтобы не допустить его кипения. Тем не менее, это избыточное давление должно быть ниже, чем избыточное давление в содержащей продукт системе (так называемый положительный перепад давления), чтобы предотвратить попадание теплоносителя в продукт в случае протечки теплообменников. Поскольку с повышением давления в цепи теплопередачи проявляется тенденция к увеличению нагрузок на оборудование, то при желании можно выбрать другой теплоноситель, не подвергающийся фазовому переходу при таких температурах (например, масло или глицерин). Предпочтительно, однако, он должен быть безвредным для продуктов питания.

После заполнения [емкости] продуктом осуществляют непосредственно его термическую обработку, которая предпочтительно продолжается от 5 до 40 мин и должна производиться при таком избыточном давлении, чтобы продукт не начинал кипеть (например, 3,5 бар). В ходе этого процесса концентрат (КЖС), преимущественно предварительно разогретый, поддерживают при и/или нагревают до температуры, например, 135°С. Для этого емкость высокого давления 1 должна быть, по меньшей мере, теплоизолирована и предпочтительно оборудована примерно так, как это представлено на фиг. 1. При желании для нагрева продукта до нужной температуры могут быть использованы дополнительные средства нагрева, такие как нагревательный кожух и/или проточный теплообменник. Г омогенизации можно добиться, например, за счет рециркуляции продукта и/или при помощи мешалки. Процесс термической обработки представлен на фиг. 2В в упрощенном виде.

После завершения термической обработки концентрат из варочной емкости сливают, что схематически представлено на фиг. 2С. В ходе этой процедуры горячий концентрат (КЖС) охлаждается в расположенном на выходе теплообменнике 7, в нашем примере от 135 до 70°С. Для предотвращения кипения продукта в реакционной емкости постоянно поддерживается избыточное давление на уровне 3,5 бар, причем это избыточное давление может быть дополнительно использовано (отдельно или совместно с насосом) для слива концентрата из емкости. Для охлаждения концентрата теплоноситель перекачивают, например, обратным током из бака Υ в бак X, при этом теплоноситель нагревается в теплообменнике 7 от 67 до 132°С. После этого можно в том же порядке обрабатывать следующую порцию продукта.

Ниже соответствующий настоящему изобретению способ термической обработки квасного сусла, в данном случае концентрата квасного сусла (КЖС), будет проиллюстрирован более подробно со ссылками на чертежи от фиг. 1 до 2С. Концентрат квасного сусла, в частности, производится путем выпаривания ранее произведенного квасного сусла.

Квасное сусло производится известным способом из сырья, такого, например, как рожь, ячмень, пшеница, кукуруза, гречиха, гречневые продукты, рис, рисовые продукты, картофель, картофельные продукты и т.д. Сырье при желании сначала осоложивают и/или измельчают. Способ производства квасного сусла здесь, по существу, соответствует технологическому процессу пивоваренного завода при производстве пивного сусла. В частности, в процессе затирания сырье смешивают с водой. После этого квасное сусло отцеживают/фильтруют из затора, после чего квасное сусло при желании варят и затем концентрируют, как упоминалось выше, то есть выпаривают в частичном вакууме.

Концентрат квасного сусла, имеющий температуру, например, 40-90°С, вначале подают во входной

- 7 022601 теплообменник 6, в котором, в частности, его разогревают под давлением до температуры от 50 до 140°С, предпочтительно от 95 до 135°С. Благодаря нагреванию вязкость высоковязкого концентрата снижается. Разогретый концентрат затем закачивается, например, через линию рециркуляции и, и, при необходимости, с помощью насоса 10 (фиг. 1), в емкость 1 при открытом впускном клапане 99 (и закрытых клапанах 22 и 88) до достижения определенного уровня заполнения, при котором остающийся объем свободного пространства должен быть настолько малым, насколько это возможно. Для этого, например, в емкости 1 может быть установлен не показанный на схеме индикатор уровня. Уже во время нагревания и наполнения соответствующее избыточное давление в системе должно быть откорректировано, например, с помощью распределительного клапана 19, таким образом, чтобы вода, содержащаяся в продукте, не начинала кипеть. Во время заполнения концентратом ранее отрегулированное избыточное давление внутри емкости должно предпочтительно оставаться постоянным. Для этого после создания избыточного давления клапан 19 сначала закрывают. Увеличение избыточного давления, которое образуется в результате наполнения емкости, затем стравливают, например, через клапан 20. Еще одной возможностью наращивания давления перед термической обработкой продукта является прекращение газоотвода через все соответствующие клапаны до создания требуемого давления наполнением. Этот вариант, однако, не является предпочтительным, так как предварительный подогрев до температуры выше 100°С не может быть осуществлен без кипячения. Всеми клапанами, необходимыми для процесса, можно управлять, например, через регулятор 9 давления замкнутого контура/разомкнутого контура 9 или с помощью блока управления 90. Когда достаточное количество концентрата будет закачано в емкость 1, клапан 77 может быть закрыт, а клапан 22 открыт. Теперь содержимое емкости можно дополнительно перепускать через линию рециркуляции и. При этом продукт можно, например, поддерживать при заданной температуре или соответственно нагревать путем управления зоной нагрева и/или проточным теплообменником 66. Для этого линии подачи пара 15, соединенные с парогенератором 17, и линии 16 сброса пара, соответственно открывают или закрывают и/или соответственно регулируют соответствующее давление или температуру. Дополнительно здесь осуществляется динамический контроль пара. Это означает, что в данном случае тепловая мощность увеличивается при нагреве в зависимости от времени воздействия и/или в зависимости от измеряемой датчиком температуры 18 температуры содержимого в емкости 1. Таким образом, можно обеспечить, чтобы разница температур ΔΤ между концентратом квасного сусла (КАС) в емкости 1 и поверхностью нагревательного устройства 12 и/или 66, в частности, стала ниже 10°С. Поскольку концентрат преимущественно подогревается и поэтому его вязкость уменьшается, двигателем 4 мешалки 2 можно управлять, причем с самого начала, с помощью блока управления 90, так что содержимое в емкости 1 перемешивают в дополнение к рециркуляции и/или исключительно. Таким образом, может быть обеспечена гомогенизация продукта и/или его плавное нагревание до заданной температуры. Тем не менее, квасное сусло желательно не нагревать выше 165°С.

После образования желаемых красителей и/или ароматических веществ и/или после достижения продуктом такой стерильности, какая возможна, то есть по истечении заданного времени, в частности после 5-30 мин, концентрат из емкости 1 сливают. Для этого открывают клапан 22 в сливной линии 5, через которую слив может осуществляться по выбору с помощью центробежного насоса и/или установленного избыточного давления. Для этого клапан 99 соответственно закрыт, а клапан 88 открыт. Тем не менее, даже во время слива важно поддерживать избыточное давление в емкости 1, чтобы концентрат или вода, содержащаяся в продукте, не кипели или не пригорали на стенках емкости 1. Поэтому предпочтительно для содержимого емкости 1 осуществлять слив с помощью подачи под давлением газа и/или пара путем открывания клапана 19.

Горячий концентрат впоследствии охлаждают, например, до 40-70°С при помощи теплообменника 7 на выходе емкости 1 и отправляют на дополнительную обработку или соответственно на хранение. Как пояснялось выше, отработанное тепло, образующееся во время этого процесса, может при желании быть использовано для того, чтобы предварительно разогреть следующую порцию концентрата.

Вместо одного теплообменника, расположенного на входе в реактор, и другого теплообменника, расположенного на выходе из реактора, можно использовать только один теплообменник, в котором продукт сначала нагревают и после реакции охлаждают. Такой режим работы предоставляет, кроме экономических и экологических преимуществ, еще и то преимущество, что отложения, как правило, лучше удаляются изменением направления потока. Если используется только один теплообменник, необходимо обратить особое внимание, что нагревание, а также охлаждение всегда осуществляется одинаковым образом (то есть оба прямым или обратным током теплоносителя). Для того чтобы разность температур (ΔΤ) во время нагрева/охлаждения поддерживалась как можно меньшей, режим работы обратным током следует предпочесть прямоточному.

На фиг. 3 показана диаграмма, которая была получена опытным путем для концентрата квасного сусла. Здесь время отложено по оси X, а вязкость, скорость перемешивания и температура - по оси Υ. Диаграмма была получена при помощи так называемого вискозиметра вращения. Определенное количество концентрата заливают в аппарат и продукт перемешивают с постоянной скоростью. Вязкость продукта может быть рассчитана автоматически на основании известного сопротивления перемешиванию.

- 8 022601

При увеличении температуры продукта вязкость и, следовательно, сопротивление перемешиванию соответственно изменяется во времени. Представленной диаграммой можно воспользоваться, например, чтобы определить, какой должна быть температура продукта, чтобы его можно было качать центробежным насосом. Если производитель насосов заявляет, например, что его насосы работают без проблем только до 1500 мПс-с, температура продукта должна быть по меньшей мере 60°С или выше.

Фиг. 4 иллюстрирует фазовой переход воды. Видно, что фазовый переход чистой воды из жидкого состояния (вода) в газообразное (водяной пар) в атмосферных условиях (давление 1 бар) происходит при 100°С. При давлении около 2,7 бар этот фазовый переход происходит при температуре около 130°С. Однако, поскольку фазового перехода воды, содержащейся в продукте, в соответствии с настоящим изобретением не должно произойти, давление в системе должно быть выбрано таким, чтобы фазовый переход вовсе не мог произойти, например 3,2 бар.

Вместе с тем устройство, предлагаемое согласно настоящему изобретению, подходит не только для термической обработки концентрата квасного сусла (КАУС), но и для обработки других концентратов (напитков), которые обладают высокой вязкостью и/или легко подгорают. Устройство, в частности, также подходит для производства ароматизаторов и/или красителей в пищевой промышленности. Например, можно себе представить применение предлагаемого устройства для придания производимому продукту привкуса мяса, жженого сахара, карамели и т.д. Устройство также может быть использовано для стерилизации чувствительных продуктов, таких как сироп, в которых, например, могут содержаться термостойкие споры. Нагрев под высоким давления сусла и/или других полуфабрикатов или готовых продуктов также возможен с таким устройством. Например, пивное сусло может быть нагрето до такой степени, что оно очень быстро станет стерильным, хмель изомеризуется и ферменты инактивируются. После этой химической реакции нежелательные ароматические вещества из сусла могут быть затем выпарены, например, путем понижения давления ниже точки кипения или, при необходимости, также и при более низких температурах.

Claims (16)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   1. Способ термической обработки квасного сусла, в частности, в виде концентрата квасного сусла (К^С), отличающийся тем, что порцию продукта подают в емкость (1), находящуюся под избыточным давлением, и нагревают, причем указанное избыточное давление в емкости (1) регулируют посредством регулятора давления разомкнутого контура/замкнутого контура так, что нагретое квасное сусло не кипит, причем квасное сусло (КАУС) в целом нагревают до температуры > 130°С.
2. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что квасное сусло (КАУС) перед введением в емкость, находящуюся под избыточным давлением, предварительно подогревают предпочтительно до температуры от 95 до 140°С.
3. 3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что квасное сусло (К^С) в целом нагревают до температуры > 140°С.
4. 4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что в ходе нагревания квасное сусло перемешивают и/или обеспечивают циркуляцию квасного сусла.
5. 5. Способ по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что в процессе выпуска квасного сусла в емкости избыточного давления поддерживают избыточное давление.
6. 6. Способ по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что выпускаемое из емкости (1) избыточного давления квасное сусло охлаждают с помощью теплообменника.
7. 7. Способ по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что отработанное тепло, образующееся при охлаждении концентрата, используют для предварительного нагрева следующей(-их) порции(-ий) квасного сусла (К^С) или для нагрева на других участках производства.
8. 8. Способ по любому из пп.1-7, отличающийся тем, что регулировку избыточного давления при наливе квасного сусла (КАУС) осуществляют путем закрытия отводного газопровода (11) и/или нагнетанием газа и/или водяного пара.
9. 9. Способ по любому из пп.1-7, отличающийся тем, что мощность нагрева можно изменять, в частности мощность нагрева увеличивают во время нагревания квасного сусла в зависимости от температуры квасного сусла и/или от времени, при этом, в частности, используют пароподогрев.
10. 10. Способ по любому из пп.1-9, отличающийся тем, что тепловую мощность средств нагрева изменяют посредством использования пара в средствах нагрева в качестве теплоносителя, при этом мощность нагрева регулируют в зависимости от времени нагрева и/или от температуры содержимого.
11. 11. Устройство термической обработки квасного сусла для осуществления способа по любому из пп.1-10, отличающееся тем, что устройство содержит емкость избыточного давления (1); средства нагрева (6, 12 и/или 66) и регулятор (9) давления разомкнутого контура/замкнутого контура для регулирования избыточного давления в варочной емкости избыточного давления посредством по меньшей мере одного исполнительного механизма (19, 20) таким образом, что подогреваемое содержимое не кипит, причем средства нагре- 9 022601 ва включают расположенный выше по потоку теплообменник (6) для предварительного нагрева, размещенный перед емкостью (1) избыточного давления; и расположенный ниже по потоку другой теплообменник (7) для охлаждения, размещенный после емкости (1).
12. 12. Устройство по п. 11, отличающееся тем, что теплообменник (7), расположенный ниже по потоку, и теплообменник (6), расположенный выше по потоку, связаны между собой для использования отработанного тепла из теплообменника (7) в качестве тепловой энергии в теплообменнике (6).
13. 13. Устройство по п.11 или 12, отличающееся тем, что содержит мешалку (2, 4) с устойчивым к высокому давлению уплотнением (3).
14. 14. Устройство по любому из пп. 11-13, отличающееся тем, что содержит линию рециркуляции (и) с соответствующим насосом (10).
15. 15. Устройство по любому из пп.11-14, отличающееся тем, что в варочной емкости (1), находящейся под избыточным давлением, размещены датчик (8) давления и датчик (18) температуры.
16. 16. Устройство по любому из пп.11-15, отличающееся тем, что содержит в качестве исполнительного механизма клапан (19) для создания давления в варочной емкости (1) избыточного давления с помощью избыточного давления газа и/или пара и/или по меньшей мере один выпускной газовый клапан (20).