ИЗУЧЕНИЕ КИНЕТИКИ БРОЖЕНИЯ И ПЕРЕМЕЩЕНИЯ

УДК 663.25
ИЗУЧЕНИЕ КИНЕТИКИ БРОЖЕНИЯ И ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ДРОЖЖЕВЫХ
КЛЕТОК В АППАРАТАХ НЕПРЕРЫВНОЙ ШАМПАНИЗАЦИИ ВИНА
The study of the kinetics of fermentation and the move of yeast cells
in the apparatus of continuous champagne wine
Г. Б. Пищиков, доктор технических наук, профессор,
П. Г. Соловьев, И. А. Рухлов, магистранты
Уральского государственного аграрного университета
(Екатеринбург, ул. Карла Либкнехта, 42)
Рецензент: Л. А. Минухин, доктор технических наук, профессор,
заведующий кафедрой пищевой инженерии аграрного производства
Уральского государственного аграрного университета
Аннотация
Исследовано изменение кинетики процесса вторичного брожения вина в экспериментальной установке непрерывной шампанизации в зависимости от вида и конструкции применяемой контактной
сортирующей дрожжевые клетки насадки. Изучена динамика перемещения дрожжевых клеток в
предложенной установке. Получено экспериментальное подтверждение возможности сепарации
дрожжевых клеток по функциональным признакам и их целевого распределения по длине системы.
Ключевые слова: вторичное брожение, непрерывная шампанизация, дрожжевые клетки.
Summary
Investigated the kinetics of the process of secondary fermentation of wine in a pilot plant continuous
champagne depending on the type and construction used contact sorting yeast cells nozzles. The dynamics of
the movement of the yeast cells in the proposed installation. The obtained experimental confirmation of the
possibility of separation of yeast cells by functional features and target distribution over the length.
Keywords: secondary fermentation, continuous champagnization, yeast cells.
Интенсивность процессов подготовки виноматериалов к шампанизации и их вторичного
брожения зависит от условии контакта компонентов вина с дрожжевыми клетками и их
метаболитами.
Известно [1], что направленное использование иммобилизованных микроорганизмов
может явиться инструментом интенсификации и регулирования технологических процессов.
В основу использования иммобилизованных микроорганизмов положено представление о
том, что при этом их биологическая активность сохраняется гораздо больше, чем у интактных клеток. Это явление обусловлено улутчением условий транспорта питательных веществ к клетке и связанным с этим изменением клеточного метаболизма [2]. Стимулирующиее воздействие иммобилизации на жизнедеятельность дрожжей объясняется также повышением в зоне их пребывания концентрации биологически активных веществ,
выделяемых клетками в субстрат.
Мы исследовали влияние фактора использования иммобилизированных дрожжей в предложенной [3] эксперементальной промышленной установке на кинетику вторичного брожения и динамику перемещения дрожжевых клеток.
Данная установка состоит из последовательно включенных двух бродильных аппаратов и
двух биогенераторов.
Известно [4; 5], что процесс шампанизации достаточно близко описывается кинетическим
уравнением мономолекулярной реакции:
С  С0 e  kt ,
где C, С0 – концентрация сахара в момент времени t и начальная в исходной бродильной
смеси;
1 C
k  ln 0 – константа скорости, 1/ч.
t C
Величина k зависит от условий прведения процесса. Зная k, можно рассчитать время t,
необходимое для выбраживания заданного количества сахара.
При иследовании кинетики процесса брожения в отобраных пробах определяли
содержание сахара методом Бертрана. При этом изменяли объемный расход в сторону
уменьшения, начиная с G1  7 дал/ч, чему соответствует коэффициент потока k п =
0,00375. В связи с изменением скорости потока, в постоянных точках фактически анализировались пробы на разных стадиях процесса во времени от начала брожения.
Пробы для анализов отбирались в девяти точках:
 на входе смеси в установку;
 на расстоянии 1/3 высоты первого аппарата от входа;
 на расстоянии 2/3 высоты первого аппарата от входа;
 на входе во второй бродильный аппарат;
 на расстоянии 2/3 высоты второго бродильного аппарата;
 на входе в первый биогенератор;
 на высоте 1,2 м от нижнего днища первого биогенератора, перед перфоперегородкой;
 на выходе из первого биогенератора;
 на выходе из установки.
Отбор проб при переходе на новый режим проводили после полного оборота
шампанизируемого вина в установке в новом режиме. В тех случаях, когда на выходе
наблюдается недоброд ( G1  7 дал/ч, G2  6,3 дал/ч), пробы отбирали и анализировали в
трех повторах с периодичностью 5 суток. После выявления оптимального, по нашему мнению, режима ( G3  4,8 дал/ч) установка работала непрерывно, и контроль за процессом
осуществлялся 7 суток.
По результатам иследования построен график (Рис.1) зависимости изменения
концентрации сахара в шампанизируемом вине от времени С – t при различных расходах в
установке. При этом кривая 1 соответствет динамике сбраживания сахара при расходе G1 
7 дал/ч, кривые 2, 3 – соответственно при расходах G2  6,3 дал/ч и G3  4,8 дал/ч.
Из графика видно, что динамика брожения в безначадочной части установки во всех
случаях очень близка и лишь дефицит длительности процесса приводит к недоброду.
Некоторое небольшое отклонение кривых в зоне брожения, повидимому, обусловлено
несколько различным набором дрожжевых клеток по длине системы (по концентрации и
физиологическому состоянию).
Рис. 1. Зависимость изменения концентрации сахара в шампанизируемом вине от времени
Отличительной особенностью предложенного режима, по сравнению с имеющим место в
типовых установках, является значительное увеличение длительности процесса биогенерации в общем цикле шампанизации. Необходимое ускорение брожения при этом достигается
не форсированием его путем изменения физических условий (температуры, гидродинамики),
а повышением технологического КПД дрожжевых клеток.
Наиболее существенное изменение характера кривой брожения С-t при изменении объема
подачи бродильной смеси в установку имеет место в насадочной ее части. Причиной этого,
по всей вероятности, является увеличение разности скоростей шампанизируемого вина и
дрожжевых клеток при увеличении скорости потока в аппаратах. Из-за более быстрого
уменьшения концентрации дрожжевых клеток в насадочной части происходит заметное
затухание процесса брожения по высоте аппарата при больших расходах.
В результате изучения динамики брожения при различных объемах подачи бродильной
смеси получен оптимальный для данного типа установок кинетический режим процесса,
который мы считаем целесообразным рекомендовать при проектировании и эксплуатации
установок непрерывной шампанизации.
Параллельно было проведено исследование перемещения дрожевых клеток по длине
эксперементальной установки. Анализировались концентрация клеток в пробах и функционально-физиологическое состояние дрожжей.
Для реализации разработанного принципа моделирования процесса шампанизации
классическим способом, а именно распределения дрожжевых клеток по длине системы с учетом их физиологического состояния и функциональных признаков, было предложено осуществлять сепарацию дрожжевых клеток в гравитационном поле бродильных аппаратов и с
помощью насадки в биогенераторах. Для этого движение шампанизируемого вина в бродильных аппаратах осуществляли сверху вниз (традиционно было наоборот). При этом мы
надеялись использовать обнаруженное свойство дрожжевых клеток изменять свои седиментационные свойства в зависимости от физиологического состояния. Однако осталось неизвестным их поведение в бродящем вине и в специфических условиях шампанизации
(наличие градиента температур, изменение концентрации клеток, состава вина и др.).
Для исследований мы использовали промышленную экспериментальную установку.
Пробы смеси вино-дрожжи отбирались в следующих точках:
 на входе бродильной смеси в установку;
 на высоте 1,40 м от верхнего днища первого бродильного апарата;
 на входе во второй бродильный аппарат;
 на высоте 1,60 м от нижнего днища второго бродильного аппарата;
 на входе в первый биогенератор;
 на высоте 1,4 м (перед перфоперегородкой) от нижнего днища первого биогенератора;
 на выходе из первого биогенератора;
 на выходе из второго биогенератора;
Отобранные пробы анализировали с помощью микроскопа в гемацитометре Тома. При
этом определяли общее содержание дрожжевых клеток и их физиологическое состояние на
различных этапах процесса.
Пробы отбирались и анализировались через каждые 7 суток (время оборота каждого
бродильного аппарата с запасом 40 %) в течение месяца.
Концентрация дрожжевых клеток в шампанизируемом вине при прохождении жидкости
через слой насадки резко снижается. Уже на выходе из первого биогенератора (толщина слоя
насадки 2,40 м) концентрация клеток составляет 8-10 % от начальной, а на выходе из второго
биогенератора обнаружи-ваются лишь единичные мертвые клетки в центрифугате. При этом
на выходе из первого биогенератора клетки всегда преимущественно мертвые, а на выходе
из установки – только мертвые. Это говорит о возможности дальнейшего разделения клеток
по физиологическому состоянию, используя свойство насадки к избирательной адсорбции и
свойство дрожжевых клеток к различной степени адгезии в зависимости от физиологического состояния.
Таким образом, получено эксперименальное подтверждение возможности, в определенной
степени, сепарации дрожжевых клеток по функциональным признакам в гравитационном
поле и их целевого распределения по длине системы.
Библиографический список
1. Саришвили Н. Г., Рейблат Б. Б. Микробиологические основы технологии шампанизации вина. М. : Пищепромиздат, 2000. С. 197.
2. Westrin B., Axelsson A. Diffusion in gels containing immobilized cells : critical review //
Biotechnol. Bioend. 1991. № 38. P. 439–446.
3. Пищиков Г. Б. Научное обоснование и разработка технологий, процессов и аппаратов
шампанизации вина : дис. ... докт. техн. наук. М., 2002.
4. Минухин Л. А. Расчет сложных процессов тепло-и массообмена в аппаратах пищевой
промышлености. М. : Агропромиздат, 1986. 170 с.
5. Пищиков Г. Б., Саришвили Н. Г. Динамика процесса брожения при шампанизации
вина // Виноград и вино России. 1997. № 3. С. 24–26.