В металлических резервуарах вместимостью 15—50 тыс. дал брожение виноградного сусла можно проводить поточно-доливным способом. Основой для разработки режимов брожения поточно-доливным способом является исследование энергетического и материального баланса процесса. Предполагается, что при этом способе брожения количество сахара, поступающего на брожение с суслом, должно быть равно количеству сброженного сахара на заданный период времени. В этих условиях процесс описывается системой уравнений:
(5) (6)
Рис. 4. Номограмма для определения объема доливаемого сусла в металлических резервуарах вместимостью 50 тыс. дал.
Рис. 5. Номограмма для определения степени охлаждения сусла, подаваемого на брожение в металлических резервуарах вместимостью 50 тыс. дал. Температура брожения 25°С.
Получается номограмма с переносными шкалами в двух сопряженных квадрантах. В первом квадранте номограммы изображены кривые зависимости температуры сусла, поступающего на брожение, от скорости сбраживания для заданной среднесуточной температуры воздуха, во втором квадранте — прямые заданной постоянной разности сахаристости поступающего на брожение и бродящего сусла. На рис. 5 стрелой 1 показан способ определения необходимой степени охлаждения сусла, подаваемого на брожение, в зависимости от скорости сбраживания, среднесуточной температуры воздуха, разности сахаристости поступающего на брожение и бродящего сусла. С помощью этой номограммы можно решить и обратную задачу. Например, сусло не охлаждается перед брожением и его температура равна 20°С или температура охлажденного сусла задана. Тогда, по номограмме, как показано стрелой 2, можно определить максимально допустимую скорость сбраживания, при которой температура брожения не превысит 25°С. Ошибка определений не превышает 2%.
Как правило, номограммами (рис. 4 и 5) необходимо пользоваться отдельно. Если температура сусла, поступающего на брожение, задана, то следует пользоваться обеими номограммами. Вначале определяют максимально допустимую скорость сбраживания по номограмме (рис. 5), затем по номограмме (рис. 4) —объем сусла, поступающего на брожение.
Номограммы составлены на основе расчетных данных, а также с использованием экспериментального материала. В частности, на номограммах приведена скорость сбраживания 0,5—3,0 г/(л-ч) сахара, обеспечивающая однородность температурного поля. Заданная температура брожения принята на 1—2°С ниже рекомендованной из расчета избежания перегрева бродящего сусла в центре резервуара выше рекомендуемых температур. Содержание сахара в бродящем сусле 10— 20 г/л для температуры брожения 25°С и 20—40 г/л — для температуры брожения 20°С. Паши исследования показали, что только такое содержание сахара в бродящем сусле обеспечивает относительно равномерную скорость сбраживания и таким образом максимально можно приблизить процесс к расчетному установившемуся и управляемому режиму.
Следует отметить, что в этом случае скорость сбраживания будет низкой и продолжительность брожения 15—20 дней.
Для белых столовых ординарных виноматериалов рекомендуется температура брожения 24—26°С (Валуйко, 1969), которую положили в основу режимов брожения без применения искусственного холода. Поддержание температуры брожения на уровне 24—26°С осуществляется дозированной подачей отстоенного сусла в бродильный резервуар через определенные периоды времени: в количестве 14—16% объема сусла, бродящего в резервуаре при сахаристости исходного сусла 140—160 г/л, и в количестве 10—12% при сахаристости исходного сусла 180—200 г/л. Для этих условий скорость сбраживания сахара не должна превышать 0,8—1,0 г/(л-ч) сахара (см. рис. 3). Кроме того, при такой скорости сбраживания температурное поле является однородным и нет необходимости в применении пеногасительных устройств. Очередную порцию отстоенного сусла можно подавать на брожение при содержании остаточного сахара в бродящем сусле 5—10 г/л.
Для режимов брожения с применением искусственного холода за основу приняли температуру брожения 18—20°С, рекомендуемую М. А. Герасимовым (1964), Г. Троостом (1971), Ж. Риберо-Гайоном и др. (1976), И. Франком и др. (1974) и другими авторами для приготовления качественных белых сухих виноматериалов в резервуарах малой и средней вместимости (табл. И). В этом случае скорость сбраживания и, следовательно, объем сусла, подаваемого па брожение, принимается в соответствии с производственной необходимостью. Таблица 11 составлена следующим образом. Скорость сбраживания принимается равной 1,5 г/(л-ч) для первой половины брожения, для второй половины брожения скорость сбраживания — равной до 1,0 г/(л-ч). Такая величина скорости сбраживания позволяет уменьшить напряженность зеркала ценообразования и сохранить величину коэффициента заполнения резервуара на уровне 0,75. В соответствии с этими условиями по номограмме (рис. 5) определяется степень охлаждения сусла, поступающего на брожение, и его количество (см. рис. 4) в процентах.
Таблица 11
Режимы брожения в металлических резервуарах вместимостью 15 — 50 тыс. дал с применением искусственного холода при температуре брожения 18 —20°С
Однако для белых сухих ординарных виноматериалов удобно подавать осветленное сусло на брожение при температуре отстаивания 10—12°С, рекомендуемой Г. Г. Валуйко (1969). В таблице 12 приведены режимы брожения для этих условий.
Рис. 6. График расхода холода при периодическом брожении в металлическом резервуаре вместимостью 50 тыс. дал.
Скорость сбраживания может возрастать до 1,5—2,5 г/(л-ч) сахара и ежечасный расход холода будет в 3—5 раз больше, чем при температуре 12—16°С. Несмотря на то, что общий расход холода при низких температурах брожения выше на 15—20%, уменьшение расхода холодав единицу времени в 3—5 раз позволяет снизить соответственно и мощность индивидуальных охладителей. Низкие скорости сбраживания 0,3—0,5 г/(л-ч) сахара позволяют увеличивать продолжительность брожения на 30 суток и более. В течение месяца после сезона виноделия среднесуточная температура воздуха, по данным многолетних наблюдений, в Молдавии может снизиться до 8—10°С. Такое снижение среднесуточной температуры воздуха, как видно из графика на рис. 6, позволяет свести к минимуму расход холода в последний период брожения.
В сверхкрупных металлических резервуарах следует ожидать при брожении сусла увеличения расхода холода на 1 дал сусла по сравнению с резервуарами вместимостью до 2 тыс. дал. Ниже приводятся данные по расчетному расходу холода (табл. 13) для резервуаров большой вместимости при различных температурах брожения.
Таблица 12
Режимы брожения в металлических резервуарах вместимостью 15 — 50 тыс. дал с применением искусственного холода при температуре брожения 24 — 26°С
Увеличение вместимости резервуара с 15 до 100 тыс. дал предполагает увеличение расхода холода на поддержание заданной температуры брожения в них на 12% при температуре 25°С и на 8% при 20°С. Для температуры брожения 15°С с увеличением вместимости бродильного резервуара расход холода несколько снижается. Это можно объяснить уменьшением потерь холода в окружающую среду в резервуарах вместимостью 100 тыс. дал, учитывая уменьшение теплообмена через их стенки, и тем, что среднесуточная температура воздуха выше заданной температуры брожения. Сравнивая с брожением в железобетонных резервуарах вместимости до 2 тыс. дал, можно отметить, что расход холода в металлических резервуарах вместимостью 15— 100 тыс. дал при одинаковой температуре брожения увеличивается в 1,5—2 раза.
С помощью данных по расходу холода (табл. 13) можно разработать режимы брожения сусла периодическим способом в резервуарах большой вместимости, производить расчет и подбор охладительных установок п разработать аппаратурно-технологические схемы производства белых сухих виноматериалов.
Ж. Риберо-Гайон с сотрудниками (1976) предложили сбраживать сусло в резервуарах вместимостью 2 тыс. дал периодическим способом без его охлаждения в период брожения, то есть при переменной температуре. Нами изучена возможность брожения при переменной температуре в металлических резервуарах вместимостью 15—50 тыс. дал.
Таблица 13
Расход холода при брожении в сверхкрупных металлических резервуарах при среднесуточной температуре воздуха 16°С
Процесс брожения периодическим способом при переменной температуре, согласно нашим данным, можно описать системой уравнений:
где С — количество сброженного сахара за период времени τ, г/л;
ДС — количество сброженного сахара за период времени Δτ, г/л;
Т — изменение температуры брожения за период времени τ, СС;
ΔТ — изменение температуры брожения за период времени Δτ, °C.
Решением системы уравнений (7) и (8) можно определить температуру брожения Т через промежуток времени τ, то есть:
(9)
Выражение
обозначим коэффициентом Тс, учитывающим увеличение температуры брожения сусла в °C при сбраживании 1 г/л сахара. По уравнению (9), зная коэффициент Тс и количество сахара в сусле, можно ориентировочно определить конечную температуру брожения.
Термические режимы брожения периодическим способом при переменной температуре можно разрабатывать по формуле (9). Коэффициент Тс, согласно нашим данным, для металлических резервуаров вместимостью 15—100 тыс. дал и скорости сбраживания 0,25—2,0 г/(л-ч) колеблется в пределах 0,016—0,139°С-л/г.
По формуле (9) рассчитаны ожидаемые конечные температуры брожения в сверхкрупных металлических резервуарах (табл. 14). Таблица 14 составлена следующим образом. Начальная температура брожения равна 12°С. Средняя температура брожения принимается равной 20—22°С и определяется как одна вторая суммы начальной и конечной температуры. Для среднесуточных температур воздуха, равных соответственно 16, 12 и 8°С, разность между средней температурой брожения и среднесуточной температурой воздуха будет соответственно равна 4, 8 и 12°С. Коэффициенты Тс рассчитаны для указанной средней скорости сбраживания. Однако для начального и конечного периодов брожения, в течение которых сбраживается примерно по 20 г/л сахара, скорость сбраживания принята равной 1/2 указанной в таблице средней скорости сбраживания.
Таблица 14
Ожидаемая конечная температура брожения при периодическом способе с переменной температурой
Начальная температура сусла для данного способа брожения должна быть возможно низкой. В то же время следует подбирать такую температуру сусла, при которой брожение начинается с достаточной скоростью. Как правило, при температуре сусла 12—16°С брожение начинается и протекает медленно, но с увеличением температуры в резервуаре за счет тепла, выделяющегося при брожении, средняя скорость сбраживания достигает величины 1,5—2 г/(л-ч) сахара.
В зависимости от условий протекания процесса по таблице 14 можно ориентировочно определить ожидаемую конечную температуру брожения. Имея в виду, что брожение при температуре более 26°С не рекомендуется проводить, по таблице 14 можно определить пределы применения данного способа. В большинстве случаев конечная температура брожения может превысить допустимый предел. Однако снижением начальной сахаристости бродильной смеси до 120— 140 г/л путем добавления разводки ЧКД или бродящего сусла с содержанием остаточного сахара 20—40 г/л в количестве 10—20% объема сусла можно расширить возможности применения брожения при переменной температуре для резервуаров вместимостью 50 и 100 тыс. дал. Введение разводки ЧКД в количестве 10— 20% объема сусла уменьшает производительность бродильного аппарата по сравнению с периодическим способом при постоянной температуре. Тем не менее производительность бродильных аппаратов с переменной температурой брожения периодическим способом выше, чем при поточно-доливном способе брожения.
Брожение при переменной температуре позволяет исключить циркуляцию бродящего сусла через охладитель. Отпадает также необходимость в. индивидуальных охладителях для бродильных резервуаров. Для брожения можно использовать резервуары для хранения виноматериалов, подавая в них сусло с температурой 12— 14°С. В резервуарах вместимостью 15—50 тыс. дал можно проводить брожение при переменной температуре. Этот способ является промежуточным между поточно-доливным и периодическим с постоянной температурой брожения и обладает преимуществами обоих.
