В.П. Передерий, к.т.н., с.н.с. отдела экономики, интеллектуальной собственности и маркетинга,
В.А. Виноградов, д.т.н., начальник отдела технологического оборудования,
В.П. Антипов, начальник отдела экономики, интеллектуальной собственности и маркетинга
Национальный институт винограда и вина «Магарач»,
К.Ф. Феодосиди, инженер-технолог
ЗАО ЗМВК «Коктебель»
РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ ПРИ СБРАЖИВАНИИ ВИНОГРАДНОГО СУСЛА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ БЕЛЫХ СТОЛОВЫХ ВИН
Представлены результаты расчётно-аналитических исследований по энергетической оценке технологических схем сбраживания виноградного сусла для получения белых столовых вин.
The results are reported of analytical-calculated studies concerned with the evaluation of process flowsheets of grape must fermentation for white table wine production from the standpoint of energy consumption.
Ключевые слова: ресурсосбережение, энергосбережение, виноградное сусло, брожение, холод, белые столовые вина.
Технологические процессы в виноделии для получения высококачественной продукции, связанные с обработкой холодом или теплом, как правило, являются энергоёмкими процессами. Важнейшей технологической операцией первичного виноделия, от эффективного проведения которой зависит качество будущего продукта - вина, является брожение.
Технологическая инструкция по производству белых столовых вин предусматривает проведение брожения виноградного сусла при температуре (14- 18)°С, но не более 26°С [1]. Температура брожения виноградного сусла регулируется с помощью выносных трубчатых охладителей различных типов; охладителей находящихся в бродильных резервуарах; орошением резервуаров водой, а также с помощью воды или других охладителей, циркулирующих через охладительные рубашки резервуаров [2].
Целью работы является анализ и обоснование наиболее эффективных с точки зрения ресурсосбережения и получения высокого качества продукции технологических схем сбраживания виноградного сусла для получения белых столовых вин.
В качестве источников информации использовались сводные данные винодельческих предприятий Украины с 1997 по 2009 гг., данные статистических сборников, нормативные и отчётные материалы по расходу энергоресурсов. Для всех рассматриваемых технологических схем производства виноматериалов устанавливались балльные экспертные оценки качества виноматериалов (У.Б.) по десятибалльной системе. Одновременно с данными о качестве получаемой продукции учитывался расход энергоресурсов, который обеспечивал качество виноматериалов. При этом принималось во внимание, что расход холода и электроэнергии зависит также и от температуры окружающего воздуха, при которой производится брожение виноградного сусла.
На практике брожение сусла по белому способу осуществляется по нескольким технологическим схемам: периодическое брожение в резервуарах, доливной периодический способ брожения, брожение поточно-доливным способом в крупных резервуарах без применения холода, брожение поточно- доливным способом с предварительным охлаждением исходного сусла, брожение непрерывным способом. Каждый из данных способов брожения имеет с позиций энергосбережения свои определенные положительные и отрицательные стороны.
I. Брожение в резервуарах (периодическое). Характеризуется следующими особенностями. При брожении сусла, когда тару заполняют на 80%, значительная часть тепла теряется через стенки бродильных резервуаров и уносится с диоксидом углерода. Размеры потерь тепла зависят от площади поверхности, от коэффициента теплопроводности материала, из которого изготовлен резервуар, вместимости резервуара, от температуры окружающего воздуха, от интенсивности брожения и других факторов [3]. Потери тепла при брожении тем больше, чем больше отношение поверхности резервуара к его вместимости; чем медленнее брожение; чем тоньше стенки сосудов и больше теплопроводность материала.
Если проследить динамику температуры брожения в различной таре, находящейся при температуре окружающего воздуха 13°С, то в деревянном буте вместимостью 60 дал температура брожения сусла будет находиться на уровне 22°С, а в крупном железобетонном резервуаре и в резервуаре вместимостью 900 дал температура брожения будет повышаться до 33,3°С, в связи с чем необходимо проводить охлаждение бродящего сусла. Для поддержания режима брожения на уровне (14-18)°С необходимо затратить холода в 3 раза больше, чем при температуре (25-28)°С.
Для производства виноматериалов для белых сухих, игристых вин и хереса оптимальной температурой брожения является температура (14-18)°С, а допустимой - не более 22°С. Если для получения белых столовых ординарных вин брожение допускается проводить при температуре до 26°С (такую температуру брожения можно обеспечить, проводя охлаждение бродящего сусла водой), то при выработке виноматериалов для игристых вин уже дополнительно требуется холод для поддержания температуры брожения в пределах допустимой.
В ходе проведенных исследований установлено, что средняя энергоемкость периодического способа брожения в резервуарах по электроэнергии составляет 74,9 кВт.ч/тыс. дал и по холоду 1,59 Гкал/ тыс. дал.
Следующими возможными способами проведения брожения являются доливные способы, применяемые при отсутствии охлаждения бродящей среды.
- Доливной метод брожения (периодический). При анализе энергоёмкости данного способа брожения учитывается тот факт, что добавляемое в бродящую массу сусло, особенно ранних утренних сборов винограда, имеет, как правило, температуру не выше 20°С, а обычно и ниже. Поэтому, если температура при брожении поднялась, например, до 26°С, то при заполнении резервуаров холодным суслом с температурой (16-20)°С температура бродящей массы снижается на (4-6)°С. При этом спиртуозность бродящего сусла будет постепенно возрастать, вследствие чего интенсивность брожения, а, следовательно, и скорость повышения температуры будет падать.
В металлических эмалированных цистернах брожение доливным методом может быть проведено с большим успехом без применения холода, так как потери тепла через металл будут более значительны. Энергоемкость данного способа по электроэнергии составляет в среднем 5 кВт.ч/дал.
- Брожение поточно-доливным способом в крупных резервуарах без применения холода. В этом случае брожение необходимо проводить со скоростью сбраживания сахара не более 0,7 г/(дм3-ч). При этом постоянная температура брожения сусла устанавливается для среднесуточной температуры воздуха (6-8)°С при остаточной массовой концентрации сахара на выходе в бродящей среде (3-5) г/ 100 см3, а для среднесуточной температуры воздуха более 10°С - при (0-2) г/100 см3. Средняя энергоемкость данного способа по электроэнергии так же низкая - 5 кВт.ч/дал.
Рис.1. Энергетическая оценка технологических процессов брожения виноградного сусла по белому способу, е - удельный расход электроэнергии, q - удельный расход холода, р - потери продукта, m - удельная материалоёмкость, У.Б. - условный балл качества продукции.
- Поточно-доливной способ брожения с предварительным охлаждением исходного сусла. Этот способ, разработанный институтом «Магарач», обеспечивает проведение процесса в резервуарах очень большой вместимости при оптимальной температуре. Способ брожения основан на регулировании температуры брожения путем подачи в бродильный резервуар исходного сусла, предварительно охлажденного до определенной температуры (10-12)°С. Энергоемкость данного способа брожения выше, чем у предыдущего способа, т.к. помимо расхода электроэнергии - 5 кВт.ч/дал требует дополнительного расхода холода - 0,095 Гкал/тыс. дал.
Преимущество доливных методов брожения сусла перед периодическим сводится к уменьшению продолжительности непроизводительных периодов (начало забраживания и затухание бродильного процесса), к понижению максимального уровня температуры брожения вследствие доливок, к исключению необходимости применения холода при брожении в крупных резервуарах.
- Непрерывный способ брожения. Этот способ брожения осуществляется на предприятиях, имеющих бродильные установки типа БА-1 и ВБУ-4Н [2]. При его проведении температура брожения сусла поддерживается на уровне (18-20)°С, но не более 22°С с остаточной массовой концентрацией сахаров на выходе (2-3) г/100 см3. Дображивание сусла осуществляется в отдельных резервуарах.
Брожение сусла в потоке позволяет повысить производительность установки на 30-40%, улучшить качество виноматериалов, т.к. в свою очередь позволяет регулировать параметры процесса и улавливать ценные летучие компоненты сусла, уносимые с диоксидом углерода. Качество виноматериалов, полученных путем непрерывного сбраживания на установках, считается самым высоким.
Данные по качеству сброженного сусла и энергетическая характеристика технологических процессов брожения сусла по белому способу обобщены и приведены на рис. 1. Разница в расходе холода при периодических и непрерывных процессах брожения сусла обосновывается неодинаковыми затратами на поддержание температуры в резервуарах и разными сроками выдержки при различных режимах. Расход электроэнергии при доливных методах значительно ниже, когда условия позволяют проводить процесс без применения холода. На рис.1 приведены также данные по потерям сырья при различных методах сбраживания сусла и показатели металлоемкости по каждому варианту брожения. Так, потери при проведении периодического метода брожения составляют в бочках - 3,8%; в железобетонных резервуарах - 3,0%; в металлических резервуарах - 2,8%, при непрерывном процессе брожения потери приняты равными 1,93% [4].
Очевидно, исходя из анализа процессов брожения сусла по-белому (по расходу энергоресурсов и качеству получаемого продукта) для получения белых ординарных вин можно рекомендовать использовать «доливной» способ брожения, который не требует расхода холода при минимальном расходе электроэнергии. При этом не требуется оснащения винзавода каким-либо новым технологическим оборудованием. А экономия при этом составит: холода - 1,56 Гкал/тыс.дал и электроэнергии на производство холода - 502 кВт.ч/тыс.дал.
Анализ энергозатрат при различных способах брожения сусла позволил обобщить данные и построить диаграмму потерь холода в зависимости от температуры брожения, количества суток брожения и температуры окружающего воздуха (рис.2).
Установлено, что расход холода при брожении сусла зависит от общего времени процесса брожения, при котором происходят большие потери холода в окружающую среду. Они составляют в среднем 0,708 Гкал/тыс.дал - при периодическом процессе брожения с длительностью процесса до 15 суток и при температуре брожения 14°С. Температура окружающей среды при этом берется по среднему значению за сезон. По сравнению с холодом, идущим на сбраживание сахара, содержащегося в сусле, величина потерь холода в среднем в 2 раза выше и составляет треть от его общего расхода (1,56 Гкал/ тыс.дал) на весь период брожения. Такой способ брожения применяется на ЗАО ЗМВК «Коктебель».
При непрерывном процессе брожения, когда период брожения составляет 30 суток и более при температуре (14-18)°С потери холода в окружающую среду составляют от 0,87 до 1,42 Гкал/тыс.дал, а общий расход на весь период брожения достигает до 3,63 Гкал/тыс.дал при температуре брожения 14°С. Данный способ брожения сусла применяется на винзаводах совхозов-заводов «Бурлюк» и им. С. Перовской.
АФ «Золотая Балка» применяет доливной способ брожения сусла, который обеспечивает необходимое качество получаемых виноматериалов. Расход холода при данном способе брожения, где используется холодная вода для охлаждения бродильных резервуаров, составляют всего 0,39 Гкал/тыс.дал.
На рис. 3 приведена диаграмма определения расхода электроэнергии на тыс.дал. по заводам в зависимости от используемого хладагента и способа брожения. Так, например, в совхозе-заводе «Бурлюк» при проведении непрерывного способа брожения сусла расход холода составляет 3508 ккал/тыс. дал, а расход электроэнергии при использовании аммиака в качестве хладоагента - 1705 кВт.ч/тыс. дал.
В ЗАО ЗМВК «Коктебель» в настоящее время применяется периодический способ брожения сусла с холодом, требующий (с учётом осветления) 1768 тыс.ккал/тыс. дал, на что расходуется 569 кВт.ч/тыс.дал электроэнергии. Ранее при этом же способе брожения и осветлении расход электроэнергии составлял 679 кВт.ч/тыс.дал. Это объясняется тем, что в настоящее время вместо холодильного агента - аммиака используется более экологически чистый - фреон Р-35 [5]. Это позволяет сократить расход электроэнергии на производство холода в 1,4 раза.
Полученные результаты в дальнейшем могут быть использованы при разработке обобщённой экономико-математической модели по определению удельного расхода энергозатрат в первичном виноделии на всех стадиях технологического процесса производства белых сухих виноматериалов с целью их минимизации.
Рис. 3. Диаграмма определения расхода электроэнергии по винзаводам в зависимости от используемого холодильного агента и способов брожения сусла: 1 - непрерывный способ брожения, с-з «Бурлюк», аммиак; 2 - периодический способ брожения, ЗАО ЗМВК «Коктебель», аммиак; 3 - периодический способ брожения, ЗАО ЗМВК «Коктебель», фреон Р-35; 4 - доливной способ брожения с орошением резервуаров, с-з «Золотая Балка».
