ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ

ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ
ХАРАКТЕРИСТИК ВТОРИЧНОГО БРОЖЕНИЯ
Рейтблат Б.Б., Жирова В.В., Магомедов Н.М.
Германия, фирма RTA
Московский государственный университет технологий и управления
имени К.Г. Разумовского
Аннотация: Экспериментальные данные показали, что рекомендуемые геометрические
параметры аппарата, способствуют увеличению линейной скорости потока. Его
конструктивные особенности (конусообразное днище и наличие перфорированной
решетки в нижней зоне аппарата) исключают объемы застойных зон в нижней части
аппарата, улучшают структуру потока, обеспечивают равномерность распределения
дрожжевых клеток по массе виноматериала в процессе вторичного брожения, а также и на
метаболический процесс формирования вина.
Ключевые
слова:
вино,
шампанизация,
резервуар,
вторичное
брожение,
гидродинамические характеристики.
Abstract: Experimental data showed that the geometric parameters of the machine
recommended, contribute to increase the linear flow velocity. Its structural features (presence of
a tapered bottom and a perforated grid in the lower band unit) eliminate dead zones in the
volume of the lower part of the apparatus, improves the flow pattern, provides uniform
distribution of the yeast cell mass in the secondary raw wine fermentation, but also on the
metabolic process of forming a fault.
Keywords: Wein, champagnization, the reservoir, the secondary fermentation, hydrodynamic
characteristics.
Введение и постановка задачи
Одной
из
важнейших
проблем
винодельческих
предприятий
производящих игристые вина в условиях рыночной экономики, является
конкурентоспособность,
стабильность,
высокое
качество
выпускаемой
винодельческой продукции и снижение ее себестоимости на основе
интенсификации производственных процессов и снижения энергозатрат.
Для решения этой проблемы большое значение имеет эффективное
использование существующих технологий производства игристых вин на
1
базе глубокого и всестороннего изучения процесса вторичного брожения,
совершенствование традиционных и разработка новых прогрессивных
технологий и технических решений.
Важным источником регулирования и интенсификации технологических
процессов при производстве игристых вин является поддержание в бродящей
среде физиологически активных дрожжевых клеток и их концентрация.
Одними из многих факторов, влияющих на процесс вторичного
брожения и метаболический процесс формирования вина, являются:
оптимизация потока, равномерность распределения дрожжевых клеток по
массе шампанизируемого виноматериала, исключения их оседания в
бродильных аппаратах и образование застойных зон. Наличие указанных
факторов во многом зависит от гидродинамических характеристик процесса
непрерывного вторичного брожения
и конструктивных особенностей
бродильных аппаратов.
Гидродинамические
характеристики
установок
для
вторичного
брожения вина в предлагаемых аппаратах проводили в одноемкостной
системе и спаренной установке. В качестве сравнения использовали
аппараты вместимостью 50 м3 с диаметром 3,2 м и высотой 7,4 м. Расчеты
проводили при одном и том же, предусмотренным технологической
инструкцией
коэффициенте
потока
0,00245,
соответствующим
продолжительности процесса шампанизации 17 суток.
Расчет гидродинамических характеристик установок для вторичного
брожения вина, укомплектованные из одного аппарата, выпускаемые
промышленностью (50 м3 , D 3,2 м , Н 7,4 м) и усовершенствованного
аппарата (47 м3; D 2,2 м3, Н 11 м3), а также установок, укомплектованных из
этих аппаратов, проводили по известным формулам [1].
Из данных, приведенных в таблице 1 видно, что при практически
одинаковой объемной скорости потока, как в промышленной установке, так и
в экспериментальной линейные скорости перемещения игристого вина
2
отличаются заметно. Так в одноемкостном аппарате вместимостью 50 м3 с
внутренним диаметром 3,2 м линейная скорость составляет 3,4
10-6 м/с, а в
аппарате новой конструкции, при практически одинаковой вместимости, но
диаметром 2,2 м почти в 2 раза выше 6,7 10-6 м/с. Подобная картина
наблюдается и в спаренных установках. В установке, состоящей из 2-х
промышленных аппаратов вместимостью 50 м3 линейная скорость составляет
всего 7,6 10-6 м/с, в то время как в усовершенствованной установке 15,2 106
м/с, т.е. почти в 2 раза выше.
Анализируя величины линейных скоростей, полученные в установках
скомплектованных из
аппаратов,
имеющих практически
одинаковую
вместимость 47 – 50 м3, но значительно отличающиеся по высоте 7,4 – 11,0 м
и диаметру 3,2 – 2,2 м можно отметить прямую зависимость линейной
скорости потока от диаметра. Чем меньше диаметр аппарата, тем выше
линейная скорость потока.
Таблица 1
- Влияние конструктивных особенностей бродильных
аппаратов на их гидродинамические характеристики.
Характеристики
Внутренний
диаметр
2
аппарата, м
Площадь
поперечного
2
сечения, м
Объемная скорость потока,
м3/с×10-6
Линейная скорость потока
м/с×10-6
Число Re в аппарате
Скорость разбавления, 1/час.
Установки для вторичного брожения
Одноемкостный
Спаренный аппарат
аппарат
вместимостью *
вместимостью
50 м3
47 м3
90 м3
84,6 м3
контроль
опыт
контроль
опыт
3,2
2,2
3,2
2,2
8,04
3,8
8,04
3,8
34,0
32,8
61,2
57,6
4,2
8,6
7,6
15,2
6,7
0,0024
9,5
0,0025
12,2
0,0024
16,7
0,0024
3
*0,8 - второй аппарат установки заполнен насадкой. Коэффициент,
учитывающий уменьшение объема аппарата.
Повышенные значения линейной скорости в опытных установках имеют
большое значение, т.к. способствуют усилению интенсивности смыва
дрожжевых клеток, оседающих на внутренней поверхности аппарата и,
кроме того, влияют на степень взмучивания дрожжевых клеток осевших в
нижней части бродильного аппарата. Из литературных данных известно, что
седиментация дрожжевых клеток в значительной степени зависит от
диаметра аппарата и варьируют от 3,4 до 9,010-6 м/с [5]. Сопоставляя
скорости оседания дрожжевых клеток и линейной скорости перемещения
потока
игристого
вина
можно
заключить,
что
в
установках,
скомплектованных из промышленных аппаратов имеющих линейную
скорость потока 3,4 м/с 10-6 м/с, - 7,6 м/с  10-6, ниже или равна скорости
оседания дрожжевых клеток. Указанное способствует значительному
оседанию дрожжевых клеток и выводу их из процесса вторичного брожения,
что
неоднократно
отмечалось
сотрудниками
предприятий.
Наиболее
благоприятные условия созданы в установках скомплектованных из новых
аппаратов, в которых скорость перемещения виноматериала в процессе
вторичного брожения равна 15,2 м/с  10-6, что в 2-5 раз выше скорости
оседания дрожжей, что позволяет поддерживать дрожжевые клетки во
взвешенном состоянии.
Число Re, характеризующее гидродинамический режим движения
потока в промышленных и опытных установках показывает, что движение в
них характеризует ламинарным движением вина.
Значение числа Re в спаренной установке, состоящей из аппаратов
новой конструкции, составляет 16,7 хотя и выше, чем в промышленной
установке 12,2, но, тем не менее, значительно меньше критического
значения.
4
Скорость разбавления в исследуемых промышленных и опытных
установках, зависящая от скорости потока и вместимости аппарата
практически одинакова.
Таким образом, проведенные гидродинамические расчеты показали, что
предлагаемая
установка
для
вторичного
брожения
виноматериала,
скомплектованная из аппаратов, имеющих более чем в 2-3 раза по сравнению
с аппаратами, нашедших использование в промышленности для проведения
вторичного брожения, соотношение диаметра аппарата к высоте, имеют ряд
преимуществ, а именно при ламинарном течении жидкости в установках
новой
конструкции
и
неизменном
коэффициенте
скорости
потока
обеспечивается:
- увеличение линейной скорости потока в 2-3 раза;
- поддержание поступающих на вторичное брожение дрожжевых клеток,
во взмученном состоянии;
- смыв дрожжевых клеток оседающих на внутренней поверхности
резервуара;
- увеличение степени взмучивания дрожжевых клеток, осевших в
нижней части аппарата, что имеет место при вынужденных остановках
потока;
- увеличение соотношения высоты к диаметру аппарата приводит к
снижению
вероятности
образования
застойных
и
байпастных
зон,
продольного перемешивания и осаждения дрожжевых клеток в аппарате
новой конструкции.
Изучению структуры потока в различных установках непрерывного
сбраживания сред уделялось достаточное внимание [1]. Авторы показали,
что на равномерность распределения потока жидкости по периметру
аппарата значительное влияние оказывает линейная скорость потока
жидкости. С увеличением линейной скорости, поток жидкости ускоряется в
центральной части аппарата, в пристеночных частях образуются застойные
5
зоны. Для ликвидации этого явления предложено несколько вариантов
комплектования установок [1,2]. Необходимо отметить, что все они
достаточно громоздки, тяжелы и требуют значительного количества металла.
Для равномерного распределения потока жидкости нами предложено
введение в нижних зонах испытуемых бродильных аппаратов на высоте 1 м
от нижнего днища перфорированной решетки. Кроме того, для ликвидации
застойных зон в нижней зоне аппаратов смонтирован конус.
О равномерности поступления потока виноматериала в процессе
вторичного брожения по периметру бродильного аппарата судили по степени
распределения
пробоотборники
дрожжевых
в
клеток.
центральной
Для
и
отбора
проб
периферической
установлены
зонах,
над
перфорированной решеткой и на выходе из первого бродильного аппарата на
высоте 10 м.
Микробиологический контроль игристого вина проводили ежедневно в
течение 6 дней, определяли количественный состав дрожжевой массы и ее
физиологическое состояние. Результаты исследований, представленные в
таблице 2 показывают, что бродильная смесь поступает на вторичное
брожение со средней концентрацией дрожжевой массы 4,9 млн/см3.
Физиологическое состояние хорошее: 18,5 % почкующихся клеток; 73,5 %
без почек и 8,0 % - угнетенных клеток.
В связи с тем, что линейная скорость поступления бродильной смеси
поступающей в аппарат в предлагаемой установке, по сравнению с типовой
бродильной установкой, достаточно высока 7,6 10-6 м/с, в нижней зоне
аппарата происходит достаточно энергичное взмучивание бродильной смеси
содержащей дрожжевую массу в связи, с чем она равномерно по
поперечному сечению входит в аппарат через перфорированную решетку.
Как показали проведенные исследования (таблица 2), в образце, отобранном
над решеткой в центральной зоне концентрация дрожжевых клеток
практически равна концентрации дрожжевых клеток в бродильной смеси. В
6
периферийной зоне она так же достаточно высока и составляет 4,4 млн/см3,
т.е. на 0,4 млн/см3 ниже, чем в центральной зоне аппарата.
На выходе из бродильного аппарата (пробоотборники установлены на
высоте 10 м от нижнего днища), общее количество дрожжевых клеток в
центральной зоне составляет 4,2 млн/см3, что всего на 0,7 млн/см3, чем в
бродильной смеси, что видимо связано со значительной линейной скоростью
потока игристого вина, которая выше скорости оседания дрожжевых клеток
размером 5-8 мкм. По данным И.Ф. Гюрова седиментация клеток такого
размера составляет 4,0-4,4 м/с  10-6 [3,4 ].
В периферийной зоне концентрация дрожжевой массы составляет 2,9
млн.кл./см3. Указанное видимо, связано с тем, что имеет место вытягивание
струи бродящего виноматериала в верхний патрубок аппарата, что несколько
нарушает распределение дрожжевых клеток по периметру аппарата.
Тем не менее, из полученных данных достаточно ясно, что введение в
нижней зоне первого бродильного аппарата конуса и на высоте 1 м от
7
Таблица 2 - Микробиологическая характеристика виноматериала в процессе брожения в усовершенствованном
бродильном аппарате*
Наименование
исследуемых
образцов
1. Бродильная смесь
на входе аппарата
2. Шампанизированное вино над
решеткой
3. Шампанизированное вино на
выходе из
бродильного
аппарата
Концентрация
дрожжевых клеток,
млн/см3
В центральной
зоне
аппарата
В
периферической зоне
аппарата
4,9
Физиологическое состояние дрожжевых клеток, %
Почкующихся
Живые
Угнетенные
В
центральной
зоне
аппарата
В периферической зоне
аппарата
В
центральной
зоне
аппарата
В периферической зоне
аппарата
В
центральной
зоне аппарата
В периферической зоне
аппарата
-
18,5
-
73,5
-
8,0
-
4,8
4,4
33
27
57
47
10
26
4,2
2,9
11
9
35
30
54
61
*В таблице приведены средние значения показатели анализов, проведенных в течение 6 дней.
8
нижнего днища перфорированного кольца способствовало выравниванию
потока бродящего виноматериала по периметру аппарата, при этом как
показали предыдущие исследования [1], центральные слои потока тормозятся
более интенсивно, чем периферийные. Увеличение линейной скорости
потока шампанизированного вина при принятом в промышленности
неизменном коэффициенте потока 0,00245 обеспечивало
поддержание дрожжевых клеток во взвешенном состоянии, и их достаточно
высокую концентрацию в виноматериале в процессе вторичного брожения
при поступлении во второй бродильный аппарат установки.
Выводы
Таким образом, приведенные экспериментальные данные показали, что
рекомендуемые
геометрические
параметры
аппарата,
способствуют
увеличению линейной скорости потока. Его конструктивные особенности
(конусообразное днище и наличие перфорированной решетки в нижней зоне
аппарата) исключают объемы застойных зон в нижней части аппарата,
улучшают структуру потока, обеспечивают равномерность распределения
дрожжевых клеток по массе виноматериала в процессе вторичного брожения,
а также и на метаболический процесс формирования вина.
Литература
1. Саришвили Н.Г., Рейтблат Б.Б., Микробиологические основы
технологии шампанизации вин. - М.: «Пищепромиздат», 2000. -364 с.
2. Жирова В.В., Магомедов Н.М. Изучение физиологического
состояния дрожжей
при различных скоростях потоков в процессе
шампанизации Сб. материалов Международного научно-образовательного
Форума «Основы государственной политики в области создания продуктов
здорового
питания:
технологические
аспекты».
-М.;
МГУТУГосударственная Дума. -2010 с.30-33.
3. Авакянц С.П., Гюров И.Ф. Дисперсно-морфологическое
распределение дрожжевых клеток.// Виноделие и виноградарство, 2003. - №1.
- С. 19-21.
4. Авакянц С.П., Гюров И.Ф Седиментация дрожжевых клеток при
шампанизации. // Виноделие и виноградарство, 2003. - №5. -С. 30-32.
9