WYKŁADY Z TECHNOLOGII FERMENTACJI

Prowadzący: prof. Dziuba

WYKŁAD I

Biotechnologia - proces technologiczny z wykorzystaniem enzymów, komórek, drobnoustrojów, hodowli tkanek roślin lub zwierząt z zastosowaniem inżynierii procesowej, którego efektem jest otrzymanie bioproduktu.

Biotechnologia klasyczna zajmuje się produkcją wina, piwa, etanolu ( po destylacji przefermentowanych zacierów), produkcją drożdży piekarskich, paszowych, produkcją kwasu octowego, produkcją kwasu mlekowego.

Fermentacja - jest to „życie bez tlenu” proces, w którym ostatecznym akceptorem wodoru nie jest tlen ( jak w oddychaniu), ale jeden z pośrednich metabolitów produktu końcowego.

Produkty otrzymywane

fermentacja



oddychanie

wino, piwo, inne napoje biomasa drożdży

alkoholowe, kwas mlekowy piekarskich, paszowych

kwas mlekowy

Piwo -starożytny Egipt ( białe piwo dla wyższych klas, ciemne dla ludu)

Rozwój nauki o drożdżach:

• 1676 r - Antoni van Leenwenheck skonstruował pierwszy mikroskop i zaobserwował pod nim w fermentującym roztworze drożdże i nazwał je jako pierwszy.

• 1758 r - Linneusz szwedzki botanik podzielił świat na świat zwierząt i roślin a na pograniczu umieścił drożdże.

• 1810 r - Gay-Lussac napisał równanie fermentacji, które do dziś jest prawdziwe.

*na egzamin równanie stechiometryczne fermentacji skrobi glukozy, sacharozy, maltozy

• 1814 r - Kirchoff zrobił wodny wyciąg ze słodu i skleikowanej skrobi zaobserwował fermentacje i odkrył tym samym i nazwał enzymy.

• 1830 r - 1-sza systematyka drożdzy.

• 1825 r - Shwann pączkowanie opisał jako wegetatywna forma rozmnażania.

• 1836 r - Mayen Saccharomyces cerevisiae

• 1860 r - Pasteur badał proces fermentacji i opublikował ksiazke o roli tlenu w procesie fermentacji i wysnuł tezę, iż obecność tlenu go hamuje.

• 1866 r - workowce (Ascomycetes) i zaliczenie do nich S. cerevisiae i inna forma rozmnażania płciowa

• 1875 r - zastosowanie czystych kultur drożdży. Do tej pory produkowano wino spontanicznie do momentu aż Henzen pracujący w labolatorium brwaru Calsberga zaczął używać czystych kultur do produkcji *(definicja czystej kultury).

• 1880 r - przemysłowa produkcja drożdży piekarskich. Do tego momentu chleb wyrabiano na odpadowych drożdżach.

• 1907 r - Buchner niemiecki uczony dostał Nagrode Nobla. Sporzadził wodny roztwór drożdzy i dodał do roztworu cukru i zaobserwował przebieg fermentacji.

• 1918 r - przemyslowa produkcja glicerydu.

* podstawa do procesu jest fosforylacja za udowodnienie tego Crebs otrzymał Nagrode Nobla

• 1934 r - rozgraniczenie dwoch sposobów rozmnażania haplo- i diplofazy.

• 1943 r Lindegren podstawy genetyki drożdży - poznanie liczby chromosomów i dokładnej mapy genetycznej drożdży, co pozwoliło w późniejszych latach na testowanie leków na tych organizmach gdyż reaguja tak samo jak człowiek.

• 1944 r - wynalezienie mikroskopu elektrnowego.

Budowa komórki drożdży:

1. gruba i sztywna sciana komórkowa, 1 3

2 cienka workowata membrana cytoplazmatyczna,

3 jadro,

4 substancje zapasowe 2

5 retikulum endoplazmatyczne, 4

6 wakuola,

7 mitochondrium, 5 6

8 rybosomy,

9 cytoplazma.

10. blizna po pączkowaniu

7 9

10

Budowa ściany komórkowej:

Ściana komórkowa chroni przed nieporzadnaym działaniem środowiska.

*pączkowanie - ściana komórkowa się uwypukla w środku powstaje początek, po którym zostaje pączek. Nowy pączek powstaje w nowym miejscu 1 komórka Saccharomyces cerevisae 40 potomków. ( na egzamin pączkowanie, wygląd paczka)

Warstwa mannanowa 30%

Warstwa glukanowa 30%

Warstwa białkowa 7%

Membrana cytoplazmatyczna 8%

Inne określenia dotyczące komórki drożdży:

PLAZMID -fragment DNA lub RNA znajdujący się w cytoplazmie poza jadrem, niosący informacje genetyczną.

KILER - zdolność produkcji toksycznego białka działającego na inny gatunek lub rodzaj drożdży.

PROTOPLAST - komórka pozbawiona ściany komórkowej (zawsze przyjmuje kształt kuli)

Substancje zapasowe drożdzy i ich rola:

1. Trechaloza (budowa) - dwucukier glukoza α-1,2-glukoza działa jako czynnik antystresowy (termiczny, osmotyczny, etanolowy). Stres może wynikac z gwałtownej zmiany ciśnienia - osmotyczny; zmiany temperatury - termiczny. W takich przypadkach komórka wytważa trechaloze.

2. Glikogen - w warunkach beztlenowych pełni rolę prekursora steroli ( hormon wzrostu komórki)

Drożdże produkują etanol, aby uzyskać energie do życia. Etanol jest toksyczny dla komórki, bo dziala na wszystkie membrany lipidowe i niszczy je, a w warunkach tlenowych 2% etanolu obniża aktywność drożdzy.

Odpornośc na etanol to cecha osobnicza drożdży:

-winiarskie do 14% objętości ( wino napój fermentowany wyprodukowany z soku lub moszczu winogronowego)

-„sake” do 20% objętości (napój fermentowany)

-drożdże do produkcji etanolu 9-11% objetości

Cykl życiowy S. cerevisiae:

- haplofaza stan, w którym komórka posiada tylko 1 zestaw chromosomów (n),

- diplofaza stan, w którym komórka posiada podwójny zestaw chromosomów (2n), w ogóle maja 32 chromosomy.

Komórka przekształca się w worek powstają 4 zarodniki, 2 mają znak płciowy α, 2 znak a. jeśli do komórki dojdzie informacja to zarodniki uwalniają się do środowiska (1n). komórki łączą się tworzą zygotę, która odtworzy stan diploidalny (2n).

O tym, jaki komórka ma znak decyduje zdolność do reakcji z markerami haploidalnymi szczepami bedacymi testerami.

Zarodniki to forma przetrwalna danego gatunku w niekorzystnych warunkach. Zarodnikowanie zachodzi w odpowiednich warunkach:

- brak łatwo utylizowanego żródła węgla (glukozy) w środowisku, ale obecność innych żrodeł np. octan do produkcji energii,

- dostep tlenu,

- odpowiednia aktywność wody w środowisku.

Gdy zabraknie tlenu, wody i tego zrodła energii zarodniki nie przetrwają.

Cechy drożdży:

I wspólna:

- zdolność do wzrostu w optymalnej temperaturze 28-35C (piwowarstwo i winiarstwo inny zakres temperatury)

- optymalne pH 4,0-6,0 (możliwość wzrostu w ph 3,0-8,0)

- inokulum (drożdże nastawne,matka nastawna):

-o dobrym stopniu odżywienia

-czysta mikrobiologicznie

-z mała ilościa komórek nieaktywnych.

II specyficzne

Drożdże przeznaczone do róznych przemysłów różnią się cechami.

1. Gorzelnicze rasy powinny się cechowaćodpornośćią na:

• wysokie stężenie cukru około 12%

• wysokie stężenie etanolu (typowe 9%, ale pożądana odporność na wyższe nawet 20%)

• aktywność fermentacyjna przy pH 3,0 ( choć optimum 4,0-5,0)

• termotolerancja głównie drożdże funkcjonujące na surowcu skrobiowym T=35C.

2. piekarskie powinny charakteryzować się:

• szybka adaptacja do różnych środowisk o zróżnicowanej lepkości, zawartości cukru, tłuszczu w odróznieniu do typowego środowiska zycia drożdży.

• Wrodzona zdolnośc fermentacji maltozy. Typowy cukier w cieście to skrobia, ale drożdże nie posiadają enzymów amylolitycznych, dlatego maja do dyspozycji cukry proste a po ich wyczerpaniu muszą wytworzyć niekonstruktatywny enzym degradujacy maltozę α-glukozydazę. Dlatego w 1-szej fazie rozwoju ciasto rośnie aż do wykorzystania wszystkich cukrów prostych, potem przerwany jest wzrost aż do wytworzenia owego enzymu.

3. Piwowarskie powinny:

• wytwarzać produkty uboczne fermentacji zapewniajace zharmonizowany smak i zapach piwa,

• posiadac zdolność flokulacji, sedymentacji komórek o odpowiedniej ilości i w odpowiednim czasie procesu.

W czasie fermentacji głównej i dofermentowania flokulacja powinna przebiegać wolno a w trakcie leżakowania szybko. Drożdże nie powinny w trakcie procesu zmieniać cech morfologicznych, fizycznych, fizjologicznych.

4. Winiarskie trafiają do środowiska o dużym stężeniu cukru wymaga się od nich:

• dużej aktywności fermentacyjnej (wina fermentują długo wytwarzają etanol z dużej ilości cukru)

• tolerancji na wysokie stężenie cukru i etanolu,

• tolerancji na SO2

• szybka adaptacja do fizycznych i chemicznych warunków środowiska (różny skład moszczu)

• tworzenie ubocznych produktów fermentacji które tworzą bukiet smakowo zapachowy: małe ilości SO2, H2S, aldehyd octowy, lotne kwasy i wyższe alkohole, histaminy,

• w zależności od rodzaju win:

- wina musujace wymagaja drożdzy o silnej zdolności kłaczkowania,

- sherry drożdży tworzących okreslone cechy smakowe,

- wina słodkie wymagaja drożdży osmotolerancyjnych,

- szampan zdolności do fermentacji przy rosnącym ciśnieniu CO2.

WYKŁAD III

Otrzymywanie etanolu etapy:

1. Przygotowanie matki drożdżowej

2. Fermentacja

3. Destylacja

Drożdże odpadowe

wywar

Fermentacja destylacja

spirytus surowy

rektyfikacja odwadnianie

Wywar jest to produkt uboczny.

Wydajność teoretyczna procesu 92-94% uzależniona jest od pracy drożdży, intensywności, wykorzystania cukru.

Etanol jest dla drożdży niekorzystny - 8-10% etanolu powoduje spadek aktywności drożdży o 80%. Drożdże nie są w stanie wykorzystać całej ilości cukru.

Wydajność teoretyczna jest większa od wydajności praktycznej.

Wybrane aspekty fermentacji metanolowej

Skrót procesu fermentacji

sacharoza glukoza

(skrobia) glicerol (nielotny produkt uboczny)

kwas propionowy

( 2 jednostki)

aldehyd octowy (X2 lotny produkt uboczny)

etanol (X2) kwas octowy

(uboczny produkt lotny)

Wydajność to ilość gramów etanolu, jaka otrzymuje się z 1 grama substratu.

Drożdże wydają etanol po to żeby żyć żeby utworzyć biomasę. Część cukru zostaje nie odfermentowana przyczyna tego jest to, że etanol jest toksyczny przy stężeniu 8-11% (zawartość etanolu) drożdże tylko w 20% wykorzystują cukier i nie odfermentowują go całkowicie. Proces fermentacji trwa 2-3 dni pojęcie wydajności podaje efektywność produkcji.

Produktywność to ilość gramów etanolu otrzymana z jednostki objętości, fermentora w jednostce czasu.

Wpływ wartości pH na wybrane produkty fermentacji etanolu:

Związek pH=3,0 pH=7,6

Etanol 172,0 130,0

CO₂ 181,0 149,0

Kwas octowy 0,5 15,1

Kwas bursztynowy 0,5 0,7

Glicerol 6,2 32,0

Dwa ważne prawa dotyczące fermentacji:

I. Efekt Pasteura - tlen hamuje fermentacje.

II.Efekt Crabtrce:

stężenie cukru	dostęp tlenu
		brak	dostęp
niskie	F	B
wysokie	F	F+B

B - namnażanie biomasy

Zatem przy stężeniu >2% glukoza hamuje fermentacje, natomiast, gdy chcemy produkować biomasę musimy utrzymać niskie stężenie cukru

Wydajność teoretyczna procesu jest wielkością stałą, ale jest większa od teoretycznej, bo pewna część cukru ulegnie przemianie na produkcje nowych komórek.

Uboczne produkty fermentacji etanolowej

-octowy

-propylowy -octan etylu

-kapronowy -octan amylu

-kaprylowy -propanol

-kaprynowy -butanol

-2 metylopropanol -aldehyd

-fuzle octowy

-diacetyl

Surowce potrzebne do produkcji etanolu:

1. Cukrowe: zawierające cukry proste lub dwucukry, ulegają fermentacji obecności Sacharomyces cerevisae. Zazwyczaj są to zdolne do fermentacji odpady. Czasami te odpady wymagają korekty.

2. Skrobiowe: zawierają skrobie nie fermentowana przez S. cerevisae, wymagają przygotowania, kleikowania, hydrolizy przy użyciu enzymów

3. Celulozowe: zawierają hemicelulozę, celulozę nie ulegają fermentacji przy użyciu drożdży S. cerevisae, wymagają hydrolizy. Hydroliza bardzo złożona najbardziej skomplikowany proces przygotowywania surowców. Wymaga kompleksu 4 enzymów i wcześniejszego przygotowania: wydobycie celulozy jej hydrolizy, zagospodarowania pentoz.

MELAS

Melas ma bardzo zróżnicowany skład, który zależy od sposobu uprawy buraka cukrowego, nawożenia, warunków klimatycznych, przerobu buraka itp.

Wg PN melas dzieli się na I Iii klasą ( cukrownictwo).

Melas jest gromadzony w tzw., melaśnikach, które aby opróżnić należy podgrzać za pomocą pary.

Rodzaje melasu:

-melas z buraków cukrowych

-melas z trzciny cukrowej

Cechy fizyczne melasu:

• Ciężar właściwy 1,30-1,43kg/m³

• Sucha masa w Bx I kl. Nie mniej niż 75%

II kl nie mniej niż 73%

Ze względu na to melas może być długo przechowywany (od 1 do 2 kampani).

• Ph I kl 7,0-8,5

II kl 7,0-9,0

pH jest lekko alkaliczne dlatego :

-zbyt wysokie pH świadczy o przealkalizowaniu melasu

-zbyt niskie pH może być spowodowane inwersja sacharozy i prowadzi do rozwoju drobnoustrojów

• Buforowość jest zaletą malasu i polega na tym, że pewne ilości dodanego

kwasu nie zmienia pH .

1 dm³ wody (pH 7,0) + 1 cm³ 1nH₂SO₄=pH 3

1 dm³brzeczki melasowej (pH=7,0)+ 1 cm³ 1nH₂SO₄ = pH 6,6

Wysoka zawartość suchej masy to też zaleta melasu.

Cechy chemiczne melas:

	kl I	kl II
Zawartość sacharozy	46%	44%
Zawartość soli Ca i Mg*	>1,2	>2,0
Zawartość sub redukujących	1,0%	2,0%
Zawartość azotu ogółem **	1,6%	nn
Zawartość SO2	0,1%	nn
Zawartość kw lotnych ***	<1,4%	nn

* w przypadku drożdży piekarskich należy dodać jonów Mg

** Azot ogółem - betalaina (obojętna dla drożdży), białka, amidy, aminy. Drożdże korzystaja z azotu amonowego. Azotany i azotyny są toksyczne dla drożdży.

*** duża zawartość inwertu może świadczyć o złej jakości mikrobiologicznej. Jeżeli jest za dużo kwasów lotnych to przepuszczamy przez melas parę wodna.

Kwasy lotne: octowy 0,38-1,38% - b szkodliwy w brzeczce mnije, bo melas jest

Propionowy 0,01-0,33 rozcieńczony

Masłowy 0,04-0,85

Kapronowy do 0,10%

Walerianowy 0,01-0,11

Grupy substancji nienoramlizowanych występujących w melasie:

• Biostymulatory - biotyna mikrog/100g, kwas pantotenowy mg/100g -5,0, mezoinozytol mg/100g - 120

Drożdże nie są w stanie syntetyzować biotyny i dlatego musi być ona dostarczona do melasu. Kwas pantotenowy drożdże mogą wytwarzać same. Melas buraczany jest ubogi w biotynę.

Inne nieznormalizowane organiczne składniki melasu:

• koloidy:

Hemiceluloza, związki pektynowe (1,2-1,6) - doprowadzamy do pkt izoelektryxcznego gdy koloidy ulegają wytrąceniu. Roztwór z koloidami utrudnia kontakt drożdży z otoczeniem.

• związki barwne: związki karmelowe oklejają komórki drożdży i zmieniają barwę melasu, malanoidy - wbudowują się w ścianę komórkową drożdży i komórka nie może pobierać substratu ze środowiska.

-kompleksy fenoli z żelazem - barwa zielonkawa , nie są zbyt szkodliwe.

-kwasy lotne - octowy, propionowy, masłowy

Związki mineralne melasu

K₂O 66,0-73%

CaO 4,0-7,0%

Na₂O 9,0-16,0

MgO 0,6 - 6%

Fe₂O₃ 0,01 - 0,45%

P₂O₅ 0,2-0,8%

Żeby ruszył proces glikolizy, glukoza musi być fosforyzowana w 2 miejscach. W melasie jest za mało fosforu i dlatego trzeba go dodawać. Przygotowuje się wyciąg wodny superfosfatu, płyn, co się nie rozpuści.

Etanol można produkować z:

-surowców cukrowych tj. melas, serwatka, ługi posulfitowe, odpady z przemysłu

-surowce celulozowych - odpady po produkcji celulozy, drewno

Ważne cechy polskiego melasu:

-zawartość sacharozy 47-50(55)%

-zawartość inwertu około 0,5%

-zawartośc rafinozy 0,2% ( 2% w latach chłodnych i wilgotnych)

-azot ogółem 0,5-2,7% w tym betalaina 0,8-1,0%, białko 0,07%

-azotany 0,1%

-azotany 0,01%

Ługi posulfitowe jako surowiec cukrowy do produkcji etanolu - odpad z produkcji celulozy z drewna. Produkcja papieru 100mln ton/rok, ale zawierają glukozę i pentozny, kwas octowy, mrówkowy. BZT₅ 25000-50000ppm a po fermentacji obniżone do 90%.

Zakład w Kanadzie wykorzystuje ługi.

Ługi są pozbawione SO₂ po przepuszczeniu przez nie pary. Mamy 7 fermentorów, w 1 i2 dokonuje się 80% przemian heksoz w pozostałych następuje dofermentowanie. Z 7-ego fermentora zacier kierowany jest na wirówkę. Supernatant trafia do destylacji a biomasa jest zawracana i uzupełniana dodatkiem amoniaku lub mocznika.

ŁUGI

80% heksoz

amoniak mocznik biomasa wirówka

Destylacja

Produkcja etanolu

SYSTEMY FERMENTACJI

1) System fermentacji z komórkami wolnymi:

a) s.f.okresowy:

Najprostsza metoda fermentacji. Polega na tym, że naczynie fermentacyjne napełnione jest przygotowaną wg receptury brzeczką oraz przygotowanymi drożdżami. Utrzymuje się odpowiednia temperaturze dla drożdży przez 2-3 dni. Ale w trakcie procesu zmniejsza się stężenie substancji a wzrasta etanolu. Niska produktywność.

b)s.f. okresowy z zasilaniem:

Napełnia się pewną część reaktora, daje drożdże i dodaje się porcjami brzeczkę. Trochę większa produktywność, ale nadal jest efekt straty etanolu (jak w przypadku pierwszego typu).

c)s.f. wielokrotnie okresowa:

Drożdża są używane do kolejnych procesów przemywania i trafiają do środowiska bez etanolu. Można 2-3 powtórzeń, bo potem drożdże się wyczerpują

d)system ciągły jednozbiornikowy:

Reaktor jest napełniany brzeczką podajemy drożdże i po zafermentowaniu podaje się świeżą brzeczkę i odbiera przefermentowaną. Można równomiernie wykorzystać całość linii technologicznej w ten sposób, utrzymać stałe stężenie substratu, biomasy i produktu w czasie. Proces może trwać nawet 3 miesiące. Możemy odbierać tyle brzeczki ile narosło albo mniej. Szybkość wzrostu ogranicza proces.

D - szybkość rozmnażania (h^-1)= szybkość dodawania rozcieńczania / objętość reaktora

Wada tej metody - jeżeli w tej metodzie pojawi się zakażenie to bardzo trudno je usunąć oraz degradujący wpływ stężenia etanolu na komórki drożdży.

e)s.f. ciągły z zawracaniem:

Brzeczka po przefermentowaniu jest odbierana i odwirowywana. Drożdże są przemywane H₂SO₄. Brzeczka może (nie musi być) zawracana do fermentora.

f)s.f. ciągły wielozbiornikowy:

2-3 zbiorniki ustawione w kaskadzie a przepływ odbywa się siłami grawitacji. Do 1 zbiornika dostarczona jest świeża brzeczka a z ostatniego odbierana jest brzeczka. W każdym zbiorniku z każdego szeregu zachodzi proces jak w metodzie ciągłej. W pierwszym zbiorniku wysokie jest stężenie cukru niska zawartość etanolu w ostatnim sytuacja jest odwrotna. I to z ostatniego zbiornika bierze się brzeczkę o wysokiej zawartość etanolu a niskim stężeniu cukru do destylacji. Utrzymywane jest stałe stężenie biomasy, produktu i substratu tylko, że w każdym zbiorniku inne i dzięki temu w każdym zbiorniku drożdże mają inne stężenie etanolu.

g) s.f z usuwaniem etanolu w trakcie fermentacji (ekstrakcyjny, membranowy, próżniowy);

-przypadku metody ekstrakcyjnej etanol usuwa się rozpuszczalnikiem selektywnym dla etanolu, ale nie toksycznym dla drożdży.

-metoda membranowa jest mało skuteczna membrany zatykają się.

-metoda próżniowa - pod obniżonym ciśnieniem 60 hPa w temperaturze, w której brzeczka jest o krok od wrzenia a etanol jest lotny. Istotą metody jest duża lotność etanolu przy obniżonym ciśnieniu.

Dwa systemy do prowadzenia fermentacji pod obniżonym ciśnieniem to:

• Vacuferm - jest to system zamknięty dla komórek, dlatego można dodawać brzeczkę o wyższym stężeniu, etanol może zawierać do 30% objętości etanolu, a przy wysokosprawnych urządzeniach przy 92hPa otrzymuje się alkohol idealny. System składa się z fermentora połączonego z pompom i chłodnicy.

• Flashferm - działa normalny zbiornik tylko 1 mały działa przy obniżonym ciśnieniu. Brzeczka trafia do zbiornika ciśnieniowego, następuje odebranie etanolu, wody, CO₂, po czym nastepuje rozprężenie i chłodzenie etanol. Troszkę mniej efektywny system, etanol 20%-owy, system prawie zamknięty.

Efektywność procesu z wolnymi komórkami

system fermentacyjny	Q (g/dm^3*1/h)
prosty okresowy	1,8-2,5
wielokrotny okresowy z wirowaniem	3,0
wielokrotny okresowy z filtracją	6,4
prosta ciągła	7
ciągła z zwracaniem	28-32

2) Systemy fermentacyjne z komórkami unieruchomionymi.

Oczekiwania :

-zwiększone stężenie komórek bez podwyższenia lepkości podłoża,

-ochrona komórek przed szkodliwym wpływem środowiska: etanol, pH, inne czynniki,

Podstawowe metody unieruchamiania:

a)membranowa:

Reaktor współpracuje z modułem zawierającym membranę. Brzeczka przechodzi z fermentora do modułu, na membranie zatrzymują się drożdże a brzeczka trafia do destylacji. Membrany się zatykają.

b)absorpcyjna:

Na ciałach stałych tj. potłuczonym szkle, cegłach itp. tworzy się film na cząstce nośnika, komórki się namnażają. Gdy film sieje się za gruby można oderwać lub się same odczepiają ( w stanie równowagi tyle samo się przyczepia co odpada). Wada jest labilność układu, komórki mogą ulegać desorpcji.

c)unieruchomienie w żelu:

Stosuje się naturalne lub syntetyczne żele. Przykład: sole alginianu (alginian wapnia) - następuje wymiana jonów o mniej lub bardziej kulistym kształcie. Wada metody polega na tym, że alginian działa jak gąbka i zatrzymuje cukier i etanol i niektóre komórki mogą się znaleźć w środowisku o wysokim stężeniu etanolu. W tym systemie są duże opory dyfuzji, ze względu na „gąbczastość” zarówno produkt jak i substrat musi pokonać daleka i ciężką drogę zanim dotrze do wnętrza.

Przy metodach b i c należy wziąć pod uwagę odporność mechaniczna nośnika, bo na dolne warstwy działa ciężar górnej warstwy nośnika.

d)flokulacja spontaniczna lub wymuszona:

Aglomeraty ze względu na siły grawitacji nie mają skłonności do opuszczania fermentora. Można stosować czynnik łączący komórki np. aldehyd glutarowy z dwoma reaktywnymi grupami aldehydowymi na końcu, ale po przyłączeniu drożdże stają się mniej aktywne.

Systemy z unieruchomionymi komórkami są bardziej wydajne.

Zalety systemów z zamkniętymi komórkami:

• duża produkcyjność fermentora,

• długoterminowa stabilna produkcja,

• łatwość zwiększenia skali produkcji,

• zoptymalizowanie, wysokie stężenie biomasy w reaktorze,

• ekstremalnie wysoka szybkość rozcieńczania (D) 2h^-1 (w systemach z wolnymi komórkami 15h^-1

Wady systemów z zamkniętymi komórkami:

• ograniczenia w przenoszeniu masy (dodatkowa dyfuzja w żelu)

• wysokie stężenie etanolu pozostającego w żelu

• konieczność stosowania porowatych małych białek,

• gromadzenie się CO₂w matrycy - niekorzystny wpływ na drożdże rozkładanie matrycy.

Możliwość unieruchomienia komórek :

Laktoza (β-galaktozydaza) = glukoza + glukoza

Glukoza = 2etanol + 2 CO₂

I Suszone aktywne drożdże S. cerevisiae które są rehydrozywane a wodnym r/r β-galaktozydazy ten proces ułatwia aldehyd glutarowy. Po 2h w 25 C otrzymujemy zrehydratowane komórki drożdży pokryte enzymem

II r/r β-galaktozydazy traktujemy acetonem aby kuleczki połączyć uzywamy aldehyd glutarowy. Otrzymujemy zawiesiner komorek Z. .abilis, dodajemy r/r alginianu i otrzymujemy CaCl₂ - ziarna alginianu wraz z bakteriami.

2 TYPY GORZELNI:

-melasowe

-rolnicze.

W gorzelniach przemysłowych przygotowuje się brzeczkę melasową, rozcieńcza się, zakwasza do pH=5, dodatek soli mineralnych.. 20% melasu poddawana jest sterylizacji bo będzie potrzeby z dodatkiem soków. Pozostałej ilości nie sterylizujemy.

Surowiec w gorzelniach rolniczych: ziemniak, zboże, kukurydza

Otrzymywanie etanolu

v

Gorzelnia melasowa:

Inokulum (matka drożdżowa)

Brzeczka melasowa (20%)

Uzupełniona w jony amonowe i

fosforanowe ph=5,0

Gorzelnia rolnicza

Technologia tradycyjna

Rozdrobnienie surowca

Zimne zacieranie z preparatami enzymatycznymi

Fermentacja

α-amylaza - glukoza+maltoza+disacharydy T=70C pH min=4,5

β-amylaza - maltoza+disacharydy T=65C pH=4,6

TECHNOLOGIA TRADYCYJNA

Odpowietrzenie

Zasyp surowca

Doprowadzenie „pary górnej”

Odprowadzenie „pary dolnej”

Spust surowca zacieranie

10% mleczka słodowego + uparowana masa

Chłodzenie do 55C

Chłodzenie do 35C

Drożdże

Fermentacja

Matka drożdżowa

Skrobia : woda 1 : 4

Gorzelnia rolnicza - zacieranie na zimno (obecnie stosowane, nie stosuje się słodu, ale preparaty enzymatyczne)

Rozdrobnienie surowca Zimne zacieranie z preparatami enzymatycznymi (zawierają glukoamylazę, która rozkłada wiązania boczne) Fermentacja

α-amylaza - glukoza + maltoza + oligosacharydy T do 70C, pH, co najmniej 4,5

β-amylaza - maltoza + oligosacharydy T do 65C, pH ok. 4,6

WYKŁAD VII

Destylacja odpęd spirytusu.

Destylacja w gorzelni.

Aparat jednokolumnowy

1)kolumna zacierowa

2)kolumna spirytusowa

3)deflegmator

4)chłodnica

Zacier po

fermentacji

wywar 8-10%s.m. para Spirytus surowy (88-90%)

Deflegmator - wymiennik ciepła, jedna ciecz się ochładza jedna ogrzewa.

Aparat dwukolumnowy

Opary trafiają do deflegmatora musza być ochłodzone, przez zastosowanie zacieru.

Wywar 10-12% para

Oczyszczanie spirytusu

Azeotrop(mieszanina wody i etanolu) 97,2% obj etanolu, 2,8% obj wody - temperatura wrzenia 78,2C. im bardziej stężony etanol to współczynnik lotności jest mniejszy (trudno oddzielić etanol od wody)

Przed rektyfikacja można spirytus surowy rozcieńczyć do 50-60% etanolu.

Skład spirytusów surowych różnego pochodzenia:

Składnik	spir. melasowy	spir. ziemniaczany	spir. żytni
moc (% obj)	92-94	90-92	92-94
aldehydy ogółem	103-106	30-46	ok.30
metanol	0-0,005	0,2-0,3	0,05
alkohole fuzle
estry ogołem
kw ogółem

Najwięcej jest estrów powstających w spirytusie melasowym tak jak aldehydów. Na 1000 dm³ czystego etanolu powstało 1 dm³ aldehydu octowego i 5 dm³ fuzli.

Uzdatnianie spirytusu surowego:

1)rozcieńczenie

2)obróbka chemiczna

CH₃COOH+NaOH=CH₃COONa+H₂O

Lotny kwas

CH₃COOC₂H₅+NaOH=CH₃COONa+C₂H₅OH

Ester

Utlenianie estrów

Efekt uzdatniania chemicznego

Przed Po

Moc spirytusu 89,8 89,2

Zawartość kwasów 40 13,4

SYSTEMY REKTYFIKACJI - EGZAMIN !!!

1) Rektyfikacja okresowa

Spirytus poddawany jest do dolnej części kolumny, która jest podgrzewana. Najpierw odbierane są frakcje najbardziej lotne, najpóźniej fuzle.

Po opróżnieniu kolumny zasila się kolejna dawką etanolu.

1-kolumna rektyfikacyjna

2-deflegmator

3-chłodnica

spirytus woda frakcje

surowy odwarowa 1)przedgon

2)spirytus rektyfikowany

3)fuzle

1. Rektyfikacja ciągła

Spirytus (2,5 półka)

przedgon

para

epiurat fuzle (5,6 półka)

para

1 - kolumna epiuracyjna

2 - kolumna rektyfikacyjna

3 - deflegmator

4 - chłodnia

Dwie kolumny, każda posiada deflegmator i chłodnice. Pierwsza kolumna tzw. epiuracyjna, druga kolumna rektyfikacyjna.

Spirytus podawany jest cięgle do kolumny I. epiurat jest mniej lotny (woda, etanol)i przechodzi do 2 kolumny, substancje bardziej lotne u góry kolumny odbieramy. Najbardziej lotne składniki trafiają do deflegmatora i chłodnicy. W innym miejscu odbiera się fuzle i spirytus rektyfikowany.

Otrzymanie alkoholu bezwodnego:

Procesy konwencjonalne:

-destylacja etanolu znad środka higroskopijnego (octan sodu, octan potasu)

-procesy z dodatkiem trzeciego składnika mniej lub bardziej lotnego od etanolu. W przypadku substancji mniej lotnej (gliceryna) prowadzimy destylacje ekstrakcyjna, w przypadku bardziej lotnej (benzen, benzyna) destylacje azeotropową.

Destylacja ekstrakcyjna:

Etanol + woda do kolumny grzanej para. Lotne substancje gromadzą się bardziej lotne substancje gliceryna + woda do kolumny podgrzewanej i odzyskujemy potem glicerynę. Odbieramy 100% etanolu. Gliceryna krąży w obiegu zamkniętym.

etanol+H₂O

woda

Gliceryna+H₂O

gliceryna

Destylacja azeotropowa:

1- kolumna destylacji azeotropowej DA 100% etanolu

2 - kolumna odzysku benzenu OB. 49% etanolu 51% wody

3 - kolumna usunięcia wody UW woda

DA podgrzewana - najmniej lotny jest etanol, najbardziej lotna jest mieszanina benzenu i wody.

OB.-etanol najbardziej lotny - 22% etanolu, 4% wody, 74% benzenu.

UW - najmniej lotna jest woda.

22% etanol, 4% woda, 74% benzen

89% etanol, 11% woda

etanol + H₂O

(89%+11%)

woda

100% etanol 49% etanol

51% woda

Alternatywne metody destylacji etanolu

Typ rozdziału	Stężenie etanolu		Proces	energia (kJ/dm^3+)
		Przed			Po
Punkt azeotropowy	10	95	konwencjonalna destylacja	5000
całkowity	10	100	konwencjonalne odwodnienie	7650
całkowity	10	100	destylacja ekstrakcyjna	1000
całkowity	10	100	destylacja próżniowa	10000
częściowy	95	100	destylacja azeotropowa	2600
inny	5	10	destylacja membranowa	140

Najbardziej kosztowna jest metoda destylacji próżniowe.

WÓDKA

Wódka czysta woda+spirytus rektyfikowany

Surowce

Spirytus rektyfikowany Woda

czysta mikrobiologicznie, bezbarwna,

bez zapachu, miękka

Ze względu na różny stopień czystości wódki dzielą się na: zwykłe, wyborowe, luksusowe.

Ze względu na różne pochodzenie wyróżniamy wódki - ziemniaczane, zbożowe , owocowe (starka, śliwowica, whiskey, kirsz)

Wódki czyste produkuje się ze spirytusu i wody. Mieszanie filtracja na filtrach tkaninowych i żwirowych i rozlew to kolejny etapy produkcji.

Podział wódek gatunkowych:

Wytrawne zawartość ekstraktu 50 g/l

Półwytrawne od 51 do 120 g/l

Półsłodkie 121-220 g/l

Słodkie 221-230 g/l

Likiery powyżej 330 g/l

Kremy powyżej 400 g/l

Produkcja wódek owocowych:

Składniki: Spirytus rektyfikowany+woda+składniki zapachowo owocowe

Etapy: Przygotowanie półproduktów (soków, nalewy, destylatu) - mieszanie określonych składników - leżakowanie - rozlew

Surowce do produkcji wódek gatunkowych:

-owoce (morsy lub soki) - wiśnie, śliwki, morele, tarnina, dereń, maliny, jeżyny, orzechy, jarzębina, daktyle, jałowiec, figi, skórki owoców cytrusowych, rodzynki.

-suszone surowce roślinne -korzenie i kłącza (arniki, imbir), kory i drzew (kora cynamonowa), zioła (ziele bazylii, dziurawca, tymianku), kwiaty (bzu czarnego, lipy), nasiona (anyżek)

-cukier - buraczany, kryształ

-olejki eteryczne cytrynowy, mietowy, migdalowy, pomarańczowy, kminkowy

-naturalne barwniki organiczne - karmel, szafran, substancje barwiące z różnych części roślin.

-syntetyczne barwniki organiczne - żółcień cytrusowa, jajowa, kwas cytrynowy, winowy)

Polska wódka z tradycjami to STARKA. Jest to żytnia wódka, której początki sięgają ponad 500lat do tyłu. Pierwowzorem był wyciąg z soków dębu i napoju alkoholowego (leżakuje w stałej temp i wilgotności).

Niepolskie napoje z żyta to whisky i whiskEy.

Whisky - szkocka, kanadyjska zas whiskEy - irlandzka i amerykańska.

WhiskEy - I-szy zakład produkujący był w 1608 roku w Irlandii. Irlandia ½ zboża (jęczmienia) słodowana, 3 krotnie destylowana. Z 23 galonów zacieru otrzymuje się z 3 galony spirytusu. Leżakowanie trwa, co najmniej 5 lat. Brzeczki są po sherry. Typy irlandzkiej whiskey to Black Bush, Bailey, The Tyroconnel.

Whisky to produkt tylko ze szkockich surowców. Malt-słodowa z jęczmienia, Grain -zbożowa z jęczmienia i żyta.

Słód jest suszony przy pomocy torfu. Szkocka whisky jest produkowana w gorzelni z wody i słodu jęczmiennego z dodatkiem całych ziaren zboża. Stosowane są drożdże z rodziny S. cerevisiae zdolne do fermentowania maltotriozy i maltotetrozy. W procesie zacierania wykorzystuje się tylko enzymy słodu. Po dodaniu drożdży zachodzi fermentacja, nastepnie destylacja i dojrzewanie w leżakowniach w Szkocji dębowych beczkach (po produkcji sherry) o pojemności nie większej niż 700 litrów, nie krócej niż 3 lata. Rozcieńczenia do 40% obj. etanolu. W 1995 roku 50% światowej sprzedaży Johnie Walker zas 0,5% Malt Whisky.

Whisky amerykańska

Produkowana od 1620roku. W 1920 roku przezyła prohibicje. Produkowana jest na rynek krajowy - Corn 80% kukurydzy, Rye 51% żyta. Na rynek zagraniczny Burbon ( nie mniej niż 51% kukurydzy i dojrzewa w nowych dębowych beczkach, co najmniej 2 lata a czasem nawet 4-8 lat), Tennessee whiskey ( po destylacji spirytus jest filtrowany przez węgiel drzewny), dojrzewanie 4 - 6 lat.

Whisky kanadyjska

1-sza destylarnia powstała w 1769 roku. Podstawowym surowcem jest żyto. Black Velvet osobno otrzymuje i osobno leżakują się 2 destylaty kukurydziany i jęczmienia z żytem przez 5 lat.

Polska whisky

Ma moc 43^o szkockiej whisky oraz wyleżakowana surówka z żyta. Nazywała się Dark Whisky i była produkowana w Lubuskiej wytwórni wódek.

Sake:

Sake to nie jest wódka bo nie jest podawana destylacji to tez nie piwo bo fermentacje prowadzi się w zacierze a nie w brzeczce i nie stosuje się chmielu, to tez nie wino bo nie jest sporządzoną z winogron ani innych owoców.

Sake to fermentowany napój z ryżu. Produkcja sake:

1-wytworzenie ryżu koji, który stwarza możliwość rozwoju Aspergillus oryzae

2-wytworzenie motto (matki drożdżowej).

Surowiec do produkcji sake - ryż:

-polerowanie ryżu powoduje straty 25-30% masy i zawartości białka, tłuszczu, składników popielnych, (bo sake ma być bezbarwna)

-moczenie (1-20h, 25-30% wody)

-parowanie ziarna (atm. 0,5-1,0)

-schładzanie do 35C

Wytworzeni ryżu koji:

Uparowany ryż + zarodniki Aspergillus oryzae lub wysuszone resztki poprzedzającego koji. Temperatura 26-28C przez 80h.

Rola A.oryzae charakteryzują się szybkim wzrostem., Wytwarzaniem enzymow amylolitycznych i proteolitycznych, wytwarzanie i akumulacja związków zapachowych, ogranicza produkcje pirogronianu.

WYKŁAD VIII

Najważniejszy jest dobór drobnoustrojów - Aspergillus orysae to drożdże sake

Bakterie fermentacji mlekowej.

Wydajność działania drobnoustrojów ryżu:

Bakteria - Achromobacter, Flavobacterium, pseudomonas, bakterie mlekowe 10⁷ - 10⁸/g

Drożdże - Monasenula (po 10 dniach 10³), Candida, Pichia czysta kultura drożdży sake (10⁵-10⁶/kg)

Temp 15C.

Przygotowanie moto (matka Drożdżowa)

Łączy się partie (ziarna, ryżu uparowanego z ryżem koji) na początku jest dużo cukrów redukujących 26-28%, aminokwasów 0,5-8%, kwasów organicznych 0,3-0,4% oraz 200 dm³wody. Ważna jest regulacja temperatury. Proces rozpoczyna się w temperaturze 13-14C a po dodaniu wodu obniza się temp do 7-8C a nastepnie każdego dnia podnosi się co 0,5-1 C /dzień do 14-15C - 2,3 dzień 17-18C.

100kg ryżu uparowanego + 60kg ryżu koji +cukry redukujące + woda 200 dm³

Gotowe motto zawiera 12-15% etanolu, 0,45-0,65% aminokwasów oraz 0,9-1% kwasów organicznych.

Proces prowadzenia fermentacji zacieru określa się jako okresowy w zacieraniem.

Do zacieru dodaje się:

Uparowany ryż (kg)	Ryz koji (kg)	Woda (dm^3)
120	60	270

Po 1 dniu prowadzenie procesu dodaje się tzw. I dodatek

Uparowany ryż (kg)	Ryz koji (kg)	Woda (dm^3)
360	150	500

Po 1 dniu temperatura osiąga 13-14C a ilość drożdży ulega wzrostowi 10⁸/g

W trzecim dniu dodaje się II dodatek:

Uparowany ryż (kg)	Ryz koji (kg)	Woda (dm^3)
810	210	1230

Po 4 dniu dodatek III przy T=7-8C

Uparowany ryż (kg)	Ryz koji (kg)	Woda (dm^3)
1350	360	2329

I dodatek stosuje się wyłącznie wtedy, kiedy zacier jest zbyt mało i stanowi on - 225kg ryzu uparowanego, 286dm³ wody

Dalsza fermentacja zacieru:

7-8 dnia mamy już 3-4%etanolu, 0,06-0,07% kwasów organicznych

6-9dnia fermentacji T=13-14C a ilość drożdży 2,5*10⁸/g, tak temperatura utrzymuje się przez 5-7 kolejnych dni potem się obniża.

Po 20-25 dniach następuje koniec fermentacji - zawartość etanolu wynosi 17,5-19,5%.

Pod koniec procesu stosuje się dodatek etanolu w ilości około 230dm³/100kg niepolerowanego ryżu, aby zahamować proces fermentacji.

Ostatnie etapy produkcji sake to filtracja, „leżakowanie” przez 5-10 dni, filtracje na węglu aktywnym, pasteryzacja.

Skład sake: cukry-4,1%, kwasowość-115,2 (1cm³ 1n/100cm³), kwas glutaminowy-20,2mg/100cm³,kwasy ogółem-0,07%, etanol-15%.

POWSTAWANIE ZWIĄZKÓW UBOCZNYCH FERMENTACJI

Progi sensoryczne dla wybranych produktów ubocznych fermentacji alkoholowej to, czyli min ilość wykrywana w r/r wodnym. Związków ubocznych fermentacji alkoholowej jest ponad 400. Głównie przeprowadzano badania dla piwa, bo w etapach produkcji nie ma destylacji stąd też dane dla piwa.

Poniżej znajdują się przykłady i króciutkie charakterystyki niektórych produktów ubocznych fermentacji w produkcji piwa.

Etanol 10000ppm

Alkohole maja dużo niższy próg wyczuwalności (niektóre piwa zawierają ponad próg);

Β-fenyloetanol ma bardzo przyjemny różany zapach;

Kwas octowy 175 ppm, są piwa, które mają do 280. Zawartości kwasów są zazwyczaj niższe niż alkoholi wielocząsteczkowych;

Estry najwięcej jest octanu etylu i w piwach zawartość często przekracza próg wyczuwalności, dużo jest też octanu amylowego;

Grupa aldehydów i ketonów: znów piwa przekraczają próg wyczuwalności.

Diacetyl o zapachy świeżego masła ma bardzo niski próg 0,15 ppm;

Związki siarkowe są to nie powstające z glukozy produkty ale na skutek przemian jonów siarczanowych w brzeczce maja dosyć wysoki próg - w piwach zazwyczaj nie przekraczaj go.

W wielu przypadkach zawartość tych produktów przekraczała próg wyczuwalności czy to oznacza ze te piwa są zepsute??

Otóż nie do końca jest ogromna różnorodność piw na świecie i są one w różnoraki sposób produkowane. Np. w Belgi kraju szczególnie piwowarskim istnieją gatunki piwa w produkcji, których proces fermentacji jest spontanicznie prowadzony. (do brzeczki mogą wpadać zanieczyszczenia) przez drożdże Bretanomyces, które są odpowiedzialne za wysoka zawartość kwasów. Dopiero po ich obumarciu zaczynają działać S. cerevisiae.

Podsumowując:

I Lotne produkty uboczne -kwasy lotne, estry, wyższe alkohole, związki karbonylowe

-octowy

-propylowy -octan etylu

-kapronowy -octan amylu

-kaprylowy -propanol

-kaprynowy -butanol

-2 metylopropanol -aldehyd

-fuzle octowy

-diacetyl

II Nielotne produkty to kwas bursztynowy i glicerol.

1. ALKOHOLE WYŻSZE

Utylizacja cukrów

Glukoza kwas pirogronowy acetyloCoA kwas acetomlekowy kwas 2,3 dwuhydroksyizowalerianowy woda

Kwas 2-ketoizowalerianowy walina

Aldehyd izowalerianowy 2- metylopropanol

(α-acetomleczan produkt uboczny syntezy waliny z glukozy, który zawsze powstaje, gdy drożdże musza tworzyć, walinę).

Drożdże maja liste rankingową aminokwasów, które, w jakiej kolejności pobierają ze środowiska:

Grupa A - kwas glutaminowy, glutamina, lizyna, seryna, kwas asparaginowy, asparagina

Grupa B - walina, histydyna, lecytyna, metionina,

Grupa C - prolina (nie wszystkie rasy drożdży piwowarskich ja asymilują)

Walina jest pobierana w drugiej kolejności, dlatego muszą ją syntetyzować.

Wpływ warunków fermentacji na tworzenie się, alkoholi wyższych.

	Parametr	Oddziaływanie	Efekt	Uwagi
****	Temperatura	Wzrost	Wzrost	W górnej fermentacji większa jest obecność alkoholi, ponadto mają one większą aktywność metaboliczną
****	Ciśnienie	Wzrost	Spadek	Wzrost ciśnienia spowalnia metabolizm a zatem i produkcje alkoholi
****	Mieszanie	Wzrost	Wzrost	Intensywne mieszania to stworzenie możliwości wzrostu ilości tlenu, a przemiany metaboliczne w tlenowym środowisku przebiegają intensywniej
***	Rasa drożdży	-	-	Wszystkie S. cerevisiae tworzą alkohole, ale w różnych proporcjach. Wybór odpowiedniej rasy decyduje o tym, jakie będą produkty i ich ilość.
***	Fermentacja	-	-	Czy dolna czy górna czy piwowarska w tankach cylindrokonicznych
***	Aminokwasy	Wzrost	Spadek	Im więcej ich jest tym mniej trzeba syntetyzować.
**	Węglowodany	Wzrost	Wzrost	Mało cukrów = niska aktywność drożdży
*	Ilość dodanych drożdży	Wzrost	Spadek	Bo komórki współzawodniczą o składniki w brzeczce, dlatego im więcej komórek tym bardziej są osłabione
*	Leżakowanie
*	Natlenienie brzeczki
*	Zacieranie
*	Słód

Zawartość (ppm)	Piwo dolnej fermentacji	Piwo górnej fermentacji
Wyższe alkohole	72-102	160-202
Β-fenyloetanol	14-28	56-60
Estry octanowe	16-24	26-45

2. KWASY

Kwasy nie mają listy rankingowej. Komórki drożdży posiadają zdolność do syntetyzowania i pobierania z otoczenia kwasów tłuszczowych. Znacznie chętniej pobierają te, długołańcuchowe bo do nich maja duże powinowactwo.

Kwasy jako składnik aromatu piwa

Niezbędne dla komórek

Kwasy nasycone kwasy nienasycone

budowność komórek Synteza

O₂

Odporność na etanol

Synteza lub ze środowiska

Kapronowy C₆,

Kaprylowy C₈,

kapronowy C₁₀

3. ESTRY

Trzeba mieć świadomość tego, że estry powstają syntetyzowane wewnątrz komórki i ich synteza jest połączona z synteza kwasów tłuszczowych. Kwas jest aktywowany przez połączenie z CoA.

Kwas - CoA+wyższy alkohol = ester

Najwięcej tworzy się octanu etylu i octanu amylu są to dominujące estry w piwie. Wraz z wydłużeniem łańcucha estrów zmienia się zapach z owocowych po zapach toaletowego mydła.

Bardzo dużo estrów powstaje w tzw metodzie HG.

Jest to fermentacja w brzeczkach o podwyższonej zawartości ekstraktu 16 - 18 Blg i w takiej metodzie albo się stosuje większy dodatek słodu lub syropów glukozowych czy maltozowych, które zwiększają zawartość ekstraktu. Podaje się ja fermentacji potem leżakowaniu i dopiero potem się rozcieńcza do około 10Blg. Wzrost produkcji estrów w tej metodzie i nawet rozcieńczeniu do tych 10% i tak takie piwo jest przesterowane.

4. KWASY KARBONYLOWE

Drożdże tworzą bardzo dużo tego typu związków (około 200 różnych).

Reakcje chemiczne tworzenia zachodzą już przy obróbce termicznej surowca, polimeryzacja, destylacja, chmielenie i dojrzewanie w beczkach drewnianych.

Aldehyd to pośrednik tworzenia alkoholi. Zatem najwięcej powstaje aldehydu octowego. Wzrost długości łańcucha to zmiana zapachu od papierowego po gorzki. Na początku fermentacji jest wydalany aldehyd do środowiska. Gdy drożdże są długo aktywne pobierają część aldehydu z powrotem do leżakowania i przerabiają na alkohol.

5. ZWIĄZKI KETONOWE

Szczególnie tworzą się dwuketony.

Dwuacetyl (diacetyl) - to dwuketon, który ma 4 atomy węgla i grupę karbonylową. Charakteryzuje się bardzo niskim progiem wyczuwalności 0,15 ppm.

Komorka do wnętrza pobiera albo cukry albo aminokwasy i potrzebuje sobie syntetyzować walinę i z tych surowców produkuje α-acetokwas mleczny. Cześć tego kwasu jest zużywana do syntezy waliny, a reszta jest wydalana na zewnątrz komórki. Komórka α-mleczanu jest bardzo aktywna i przechodzi inwersję (bez udziału drożdży) do diacetylu. W trakcie leżakowania diacetyl pobierany jest przez komórkę i przechodzi w acetonie (zapach stęchłego masła) o progu wyczuwalności 0,3 mg/l. Diacetyl o progu wyczuwalności 0,15 ppm został przemieniony do acetonu o progu wyczuwalności 2 razy większym, dlatego jest to korzystna przemiana. Ponieważ same drożdże nie posiadają enzymu dekarboksylozy kwasu α-acetomleowego, dlatego proces ten przebiega poza komórką.

Podsumowując najlepszy sposób na pozbycie się diacetylu jest leżakowanie drożdży, ale pod warunkiem, że drożdże są wtedy jeszcze aktywne. Jeżeli nie są - stosuje się inne metody usuwania diacetylu tj.:

• Podniesienie T fermentacji nawet do 15 C, ale to także powoduje zmiane cech organoleptycznych piwa

• Manipulacja pH, gdy pH spada to czas, którym α-acetomleczan się wydzieli do środowiska się skraca (a jest to najdłuższy etap całego procesu)

• Można tez dodać do brzeczki dekarboksylazy kwasy α-acetonomlecznego, no ale to jest ingerencja obcej substancji w skład piwa

• Leżakowanie w fermentatorze z unieruchomionymi komórkami. Piwo po fermentacji jest uderzeniowo ogrzewane do 90 C aby przyspieszyć wydzielanie i konwersje α-acetylomleczanu. Potem błyskawicznie wychładza się i podane na reaktor kolumnowy. Komórki tu nie zdążą przefermentować cukrów nieprzefermrntowanych, bo maja bardzo krótki czas kontaktu z brzeczką. Leżakowanie trwa wtedy 2-4 h.

• Stosowanie drożdży modyfikowanych genetycznie. Zamyka się drożdżom zdolność do tworzenia Waliny. W tej metodzie Walina musi być dodawana do brzeczki.

Drożdże przemieniają też związki siarkowe. Siarka (VI) przechodzi w siarkę (IV) a potem na siarczki, ale to nie są produkty uboczne. Siarczki są potrzebne do syntetyzowania aminokwasów. Wydziela się H₂S ale fermentacja biegnie aktywnie, wydziela się lotny CO₂ i ulatnia się razem z siarczkami.

W trakcie procesu powstaje także DMS (dimetylosiarczek) za jego powstanie odpowiada proces technologiczny. W jęczmieniu znajdują się prekursory, które w trakcie operacji termicznych przechodzą w DMS. Dawniej winą za powstanie DMS obarczano drożdże dziś wiadomo, że to nie ich wina.

INNI PRODUCENCI ALKOHOLU.

Drobnoustroje zdolne do produkcji etanolu (inne niż S. cerevisiae)

(to informacje dodane na koniec wykładów i niestety niekompletne bo pani prof. bardzo się spieszyła)

1. bakterie

a) mezofile:

Clostridium spp - 1,7 M et/M glukozy

Clostridium sporagenes - więcej niż 2M et.

Zymomonas mobilis - 1,9M et/M glukozy

Leuconostoc mesenteroides - 1,1M et/M glukozy

Sterptococcus lactis - 1 M et./ M glu

b) termofilne:

Thernoanaerobacter ethanoliens (78 C) - 1,94 M et/M glukozy

Bacillus stearothermofilus (78 C) - 1,0M et/M glukozy

C. thermohysulfulicum (78 C) - 1,6 Met/1M glukozy

Zalety stosowania drobnoustrojów termofilnych to między innymi:

-spdek lepkości środowiska i wzrost rozpuszczalności substratów

-lepsza możliwość stosowania systemu Vacuferm

-małe koszty chłodzenia

-sterylność środowiska może być niższa niż normalnie

Możliwość stosowania tych drobnoustrojów jest bardzo obiecująca, ale zawierają one w podłożu niekorzystne związki. Na przykład bakterie Areomonas produkują etanol, ale prawie tyle samo 1,2-butylodiomu, a także wodór. Zatem skład zacieru jest bardzie skomplikowany niż przy S. cerevisiae.

Naukowcy najbardziej zwracają uwagę na Zymomonas mobilis ZM4 (jako najlepsze)

Te bakterie nie posiadają zdolności fermentacji sacharozy. Są próby ich mutowania. Jedyna przewag nad S. cerevisiae to większa szybkość wzrostu i mniejsze zużycie cukru, czyli przyrost biomasy. Ale te bakterie maja szczególne wymagania - w trakcie fermentacji pH=6.

Z. mobilis jest wybitnie beztlenowe nawet przygotowanie inokulum musi być beztlenowe. Komórki są małe wykorzystują mniej cukru do namnażania, więc do fermentacji zostaje więcej.

W procesach naukowych takie są rozwiązania dla Z. mobilis:

I przykład

Stężenie glukozy 15%

98% konwersja glukozy

Q = 56,5g/dm³/ produktywna

Brzeczka przefermentowana

II przykład

nośnik - karagenian

stężenie etanolu

KI - 70 g/dm³ max

KII - 90 g/dm³ max

196g/dm³ D=0,4 h^-1

D = 0,67 h^-1

Systemy ciagłe. Układ był stabilny tylko przez 32 dni, bo potem tak się namnaża biomasa, że brzeczka nie mogła przepływać.

III przykład - fermentor poziomy z membrana, wewnątrz, która ogranicza miejsce gdzie mają być te unieruchomione komórki.

CO₂

P T=30 C

pH=5,0-5,2

nośnik - alginian wapnia

brak problemu z odprowadzeniem CO₂

Q = 51 g/dm³

Stabilna praca przez 5 dni.

Porównanie efektów fermentacji S. cerevisiae, S. avarum, Z. mobili

przebiegającej na reaktorze kolumnowym ø=25cm, h=115cm z nośnikiem a postaci alginianu ø=4-5mm.

Efektywność

Rodzaj	Efektywność	Czas	Żywotność (%żywych komórek)
						8dni	12 dni	16 dni
S.cerevisiae	5 g et/100 g	9 dni	30	-	3
S.avarum	4,5 g et/100 g	8 dni	-	10	-
Z. mobilis	4,7 g et/100 g	4 dni	-	12	-

Inne drobnoustroje fermentujące

• Fusarium oxysporum - potrafią fermentować ksylozę.

Ulepszenie drobnoustrojów:

Cele i metody ulepszania drobnoustrojów przemysłowych:

• Podniesienie stężenia pożądanych produktu w skutek spadku powstania innych związków.

• Nadanie zdolności wywarzania związków przydatnych przemysłowo dotąd nie produkowanych przez te drobnoustroje.

• Poszerzenie zdolności fermentowania różnych źródeł węgla (skrobia, celuloza, ksyloza) niefermentowanych przez S. cerevisiae.

Metody:

Adaptacja - tylko, że jest to cecha fenotypowa, więc za każdym razem od nowa trzeba adaptować.

Mutacja - to niebezpieczna zabawa w ciemno. DNA uszkodzone się może kiedyś naprawić i powstanie taka cecha jak nam nie potrzebna. Dlatego konieczna jest selekcja ras drożdży i wciąż jest trudności ze stabilizacja mutacji.

Rekombinacja DNA

Chyba przykłady:

1) Poprawa osmofilności dla S. cerevisiae przez fuzja S.cerevisiaeATCC7754 z S.melis T453.

2) nadawanie zdolności syntezy enzymów proteolitycznych, co jest opłacalne finansowo, bo wtedy trzeba mniej enzymu zakupić.

S. cerevisiae + S. distaticus

DEXI/DEXI/DEX2/DEX2

Gdy chcemy połączyć szczepy z różnych rodzajów wtedy można stosować hybrydyzację osmotyczna np.:

S. cerevisiae BC 16e X S. occidentalis 641/56

Dobra aktywność ferm. produkcja enz. proteolitycznych

Produkt stabilnie produkuje enzymy

Jednakże komórki drożdży bronią się przed wniknięciem obcego DNA dlatego się niszczy ścianę komórkową i otrzymuje się protoplasty. Protoplast nie musi być w podniesionym ciśnieniu, żeby nie uległ dezintegracji. Protoplast jest łatwo odbudować poprzez podanie no na agar.majac protoplasty S. cerevisiae i innych szczepów zmuszamy je do kontaktu fizycznego poddając działaniu czynnika aglutynującego. Potem powstają pary i mogą przenikać cytoplazmy ich zawartości. Potem z tej mieszaniny się robi posiew na podłoże odpowiednie gdzie się odbudowuje ściana korkowa.

(Tutaj pani pokazała bardzo skomplikowany schemat mutowania S. cerevisiae ale nie jestem w stanie go przerysować).

ZAGOSPODAROWANIE WYWARÓW

Ilość wytworzonych wywarów to 12dm³/1litr spirytusu.

Skład wywarów w zależności od pochodzenia

	Ziemniaczany	Żytni	Melasowy
s.m.	5,7	7,3	7,8-12,0
Popiół	0,7	0,4	20,0
Substancje bezazotowe	2,2	2,8	3,6
Tłuszcz	0,1	0,4	0,0
Białko	1,6	1,6	1,0
Pentozy	0,5	0,5	0,1

Utylizacja wywaru rolniczego:

-stosowanie jako pasza dla bydła

-wykorzystywanie jako czynnik cieplny ( ta metoda wymaga inwestycji)

Bogate gorzelnie susza wywar i tworzą z nich prykiety tak, aby łatwo było go składować.

Wywar melasowy nie może być stosowany jako pasza, bo stosunek białka strawnego do w. skrobiowej wynosi 1:12,3. Ponadto posiada zbyt dużo potasu, co powoduje choroby bydła.

Przy wysokiej temp. wywaru może występować samozapłon, piec-kocioł do wytworzenia pary. (substancje organiczne przechodzą w pare, a nieorganiczne stapiaja się i powstaja kryształy)

Metodą zagospodarowania wywaru melasowego jest produkcja drożdży paszowych. W produkcji ważny etap to dobór odpowiednich drobnoustrojów. Dobrze drożdże to Candida utylis są obecnie liderem.

Przyswajalność składników wywaru melasowego przez drożdże Candida utylis:

Składnik	Wykorzystanie
Kwasy lotne	100%
Glicerol	66%
Azot białkowy	90%
Inne sub. org	40%

Cechy wykazujące przydatność drożdży Candida utylis (w porównaniu z Sacharomyces cerevisae)

-zdolność skutecznej utylizacji

-możliwość korzystania z różnych źródeł węgla

-uniwersalność

-nie są biotyno zależne

-wykazują bardziej tlenowy metabolizm

-są bardziej odporne na składniki toksyczne.

Drożdże paszowe

to nieaktywne komórki drobnoustrojów różnych rodzajów stanowiące uzupełnienie pasz w białko, witaminy i składniki mineralne.

Do produkcji drożdży paszowych wykorzystuje się:

• serwatkę (Sacharomyces lactis, Kluveromyces),

• ługi posulfitowe (Candida utylis)

• i inne odpady.

Wybrane metody procesu ( na przykładzie Candida utylis)

przechowywania

Cukier węglowodany zapasowe

glikoliza

Pirogronian - - - - etanol

Tylko gdy słabe jest napowietrzanie nieaktywne inokulum

CO₂, H₂O

Max pobór tlenu 250cm³ / s.m.

Dla procesu ciągłego

Produkcja drożdży paszowych na wywarze melasowym.

I propagator wywar 10kg melasu

(500dm3) wywar : woda 1kg superfosfatu

2 : 1 0,15hg H₂SO₄ pH=4,6

8-10h

Duży propagator (200dm³)

1500dm³ wywar ,30kg melasu,5kg

Superfosfatu, 0,5kg (NH₄SO₂),100kg

Melasu

Kadź zarodowa (30tys dm3) drożdże zarodowe 300kg D12

Główna kadź (300m³)

Wirowanie

Termoliza

Suszenie

(wyparka walcowa)

energowydajny

Cukier glikoliza węglowodany zapasowe

Pirogronian fermentacja Etanol

(niska wydajność)

(oddychanie, mała szybkość, niska wydajność)

CO₂, H₂O

Max pobranie tlenu 100-150zm³/g s.m

Pragniemy aby drożdże miały dużo trehalozy , która chroni je przed stresami

(po wyprodukowaniu trafiają do środowiska o wysokim ciśnieniu osmotycznym - ciasto co jest źródłem stresu), ale nie da się tego osiągnąć w metodzie ciągłej. Dlatego stosuje się metodę okresową z zasilaniem, bo możemy manewrować dodatkami ( możemy dodawać mniej lub więcej azotu oraz zatrzymać w odpowiednim etapie proces).

Drożdże piekarskie

to aktywne komórki drobnoustrojów mające zdolność do szybkiego przystosowania się do warunków środowiska oraz wykazujące w tych środowiskach duża aktywność.

Norma dla drożdży piekarskich

Drożdże trafiają do laboratorium gdzie bada się zgodność z obowiązującą norma.

1) cechy fizyczne barwa - kremowa (odcien szary)

smak - swoisty bez posmaków gorzkich

zapach - swoisty bez zapachów obcych

konsystencja - ścisła

zawiesina wodna - jednolita

2) cechy chemiczne s.m. - nie mniej niż 27%

zawartość metali - mg/kg nie więcej niż

arsen - 0,5

ołów - 1,0

miedż - 30

cynk - 100

cyna - 50

3) cechy biotechnologiczne siła pędna czas podnoszenia ciasta (min) nie więcej niż:

I pęd - 60

II pęd - 35

Suma I, II, III pędu 120;

trwałość termostatowa (35 C) nie mniej niż 96h.

Istnieje zależność między składem drożdży, a zdolnością do utrzymania tej aktywności.

Po znalezieniu się w czasie spoczynkowym drożdże zaczynają wyczerpywać swoje zapasy węglanowe - aktywność na stałym poziomie - gdy te zapasy się wyczerpią to aktywność drożdży się obniża. W trakcie spoczynku drożdże uwalniają także enzymy proteolityczne i następuje proces autolizy.

Zatem w zależności od tego ile drożdże nagromadza zapasów węglowodanowych tyle będą trwałe.

Z równania biomasy drożdży:

0,5 sacharozy+0,57NH₄+2,51O₂+0,02P₂O₅=C_…….+2,68CO₂+H₂O wynika, że z

1kg melasu (M₄₁₈) powstaje 0,95 D₂₇

1g O₂ powstaje 1g D₁₀₀ (D₁₀₀ to drożdże zawierające 100% etanolu)

Surowce do produkcji drożdży piekarskich to:

-melas

-biotyna - melas polaktozowy, ekstrakt słodowy lub drożdżowy, wyciąg z kiełków słodowych lub żytnich.

-woda - dobrej jakości woda pitna

-powietrze - wolne od zanieczyszczeń sterylne, dla niektórych systemów napowietrzania sprężone

Produkcja drożdży piekarskich.

Metoda	Wydajność 100kg/zboża
		Drożdże (kg)	Etanol (cm^3)
Duńska	6	25
Powietrzna	32	15
Powietrzna z rozcieńczeniem	40	10
Metoda „O”	85-100	0-1

Zapotrzebowanie na pierwiastki mineralne (mg/kgD₁₀₀)

Potas - 5000

Magnez - 500

Sód - 250

Cynk - 50

Mangan - 5

Miedź - 2

Kobalt - 1

Biotyna - 0,25ppmD₂₇

Melas buraczany zwiera tylko 0,013ppm biotyny.

Schemat produkcji drożdży piekarskich:

Przygotowanie mleczka drożdżowego

Fermentacja (kadź)

Separacja

Magazyn mleczka drożdżowego

Odwadnianie

Prasowanie i pakowanie

Magazynowanie

Produkcja drożdży

Na brzeczkach rozcieńczonych Na brzeczkach stężonych

gdy na koniec procesu gdy na koniec procesu

melas : wody wynosi 1:12 lub 1:15 melas : woda wynosi 1:5

barbotażowy system napowietrzania

tzw. Bełkotka

Bełkotka to układ rur na dnie naczynia z otworami, z których wydostają się stężone pęcherzyki powietrza.

Proces produkcji czysta kultura - drożdże handlowe.

Laboratorium: I,II,III stadia - drożdże z podłoża przekazywane na coraz to większe podłożę.

Brzeczka melasowa od 8-10% wagowych, pH=4,8 - 5,2, temperatura 30C, czas 20h.

Rozcieńczona brzeczka melasowa mały propagator (100dm³)

I drożdże z laboratorium około 20h okresowo badana fermentacja

Duży propagator

Niewielki napowietrzanie

Prowadzenie generacja A/B

80m³/h Ciągły dopływ brzeczki

napowietrzanie

Sole mineralne, biotyna

Efekty końcowe : etanol 3,5-3,8%

Prowadzenie generacji I

Dozowanie

Brzeczki melasowej

Generacja B

Napowietrzanie

Od 1500m³/h do separacja przechowywanie 4C

4500m³/h mleczko drożdżowe generacja II

Prowadzenie generacji II

Dozowanie brzeczki

Generacja I

mleczko drożdżowe

napowietrzanie

5500m³/h

separacja

Wirowanie, przemywanie

Mleczko drożdżowe 14-16%D_?

Prowadzenie generacji III

Dozowanie brzeczki

Generacja II

Napowietrzanie sole min biotyna

2500-5000m³/h

separator

efekt końcowy 5%-gęstośc brzeczki D₂₇=4500-4800kg

Parametry procesu:

generacja	Czas hodowli	Uzysk drożdży	Ilośc po (m^3/h)	Stężenie koncowe etanolu%
DP	14	280	30-120	2,5-3,0
I	18	2200	750-1500	0,05-0,08
II	16-18	11500	1500-2400	0,05
III	16-18	1300	1500-2400	Max 0,05

Hodowla na brzeczkach stężonych.

Początkowo proces przebiega tak jak w brzeczkach rozcieńczonych

Dalsze różniące się etapy:

generacja II

brzeczka jest automatycznie dozowana

stosuje się napowietrzane 1500m³/h

mleczko drożdżowe (2100kg D₂₇)

generacja III

(3-4 godziny ręcze dozowanie

etanol 0,05%)

18 godzin powietrze 2400m³/h

10 -12t melasu

Dozowanie brzeczki

WYKŁAD IX

Systemy napowietrzania w drożdżowni:

Systemy te poprawiają sposób napowietrzania, bo pęcherzyki powietrza są małe a mieszadła wydłużaj kontakt tlenu z wodą.

- system Vogelbuscha - obroty wirnika 115/min. wirnik specjalnie skonstruowany. Wirnik obraca się do rury podawane jest powietrze sprężone, które jest rozpylane.

- system Fringsa - obroty turbiny 1000-1500 obr/min. turbina z duża prędkością obrotów obraca się i zasysa powietrze.

Przy zastosowaniu tych dwóch systemów można pracować na brzeczkach stężonych.

Parametr	Wirnik	Turbina
Zużycie melasu (kg/kg drożdży)	1,05-1,0	1,0-1,1
Ilość drożdży zarodowych (%)	20,0	20,0-20,05
Zużycie powietrza (m^3/kg drożdży)	4,5-5,0	2,0
Wydajność (%)	90-95	95-100
Czas trwania III generacji (h)	16	13
Rozcieńczenie końcowe melasu	1:5	1:5,5

Separacja drożdży

Brzeczka po hodowli zawiera nieprzyswajalne składniki malasu, resztę cukru, alkohole, kwasy organiczne, kwasy tłuszczowe, drobnoustroje inne. Dlatego alezy szybko odzdzielic

Szybkie oddzielenie drożdży od brzeczki:

Wirowanie 4500-6000 obr/min, 80 m³/h, 140 g D₂₇/dm³

Przemycie 660 D₂₇ g/dm³

Przechowywanie w chłodzie 4C, 10 dni

Odwonienie i prasowanie drożdży:

Na obrotowym filtrze próżniowym

2-3 obr/min 250g D₂₇/godz

Powierzchnia filtracyjna 8 m² podwyższenie s.m. drożdży (1-2% NaCl) Cytoryza

Skraplanie woda NaCl

Filtr próżniowy ot niezabudowany bęben podłączony do pompy próżniowej. Warstwę filtracyjna moczy się w mleczku obraca się bedel próżnia wyciąga wodę a specjalny nóż zdrapuje podsuszoną biomasę)

Formowanie i pakowanie drożdży:

Nóż zgarniała płaty, które podaje się na homogenizer, który wyrobi jednolita masę nadajaca się do formowania i pakowania. Pakuje się przy pomocy automatycznej pakowaczki 3600 kostek ½ kg/h

Produkcja drożdży suszonych.

Aby przedłużyć trwałość drożdży produkuje się drożdże suszone (trwałość około 2 lata)

Należy tak suszyć, aby było jak najwięcej trehalozy, bo suszenie to dla drożdży stres. Wyprodukowane drożdże maja 7-8% trehalozy ale jeśli chcemy suszyć musza mieć więcej niż 15%. Siła pędna takich drożdży nie powinna być większa niż 50 min.

Fazy suszenia:

I faza - 45-50C odparowanie wody wewnątrzkomórkowej (50-55%)

II faza - 25-40C odparowanie reszty zewnątrzkomórkowej (do 16%)

III faza - 30C (wilgotnośc powyżej 30%) - odparowanie chemicznie związanej wody wewnątrzkomórkowej

Takie drożdże pakuje się pod próżnią.

WYKŁAD II

ZAGADNIENIA PIWOWARSTWA

Prowadzący: Foszczyńska Barbara

Produkcja piwa

Piwo - napój alkoholowy powstały w wyniku fermentacji wodnego wyciągu ze skleikowanego jęczmienia i chmielu.(słodu?)

Produkty uboczne i główne uzupełniają skład.

Produkcja piwa na świecie:

Ogółem na całym świecie w 2003 roku - 1479 mln hl (1hl=100l), z czego:

Europa 35%

Ameryka 32%

Azja 27%

Afryka 4,55

Australia/Oceania 1,5%

Najwięksi producenci piwa :

USA,Chiny

Niemcy

Brazylia

Wielka Brytania

Japonia

Największe koncerny piwa na świecie i udział w światowej gospodarce:

Anheuser- Bush USA 10,9%

Interbrew Belgia 6,7%

Heineken Holandia 5,0%

Amber Brazylia 3,9%

South african Brewerie RBA 3,7%

Miller USA 3,7%

Carlsberg A/S Dania 3,1%

Scottish Newcastle -W.B 2,5%

Asashi Japonia 2,4%

Kirin Japonia 2,2%

Spożycie piwa w UE (litr/mieszkańca):

Czechy 158

Irlandia 125

Niemcy 122

Austria 107

Luksemburg 101

Dania 99

Belgia 98

Wielka Brytania 97

Słowacja 88

Holandia 81

Polska 64 (zmiana od lat 80-tych gdy Państwowe zaczęły być wykupywane przez koncerny zagraniczne)

Produkcja piwa w Polsce w 2003roku ok. 27 mln hl - 3 grupy piwowarskie

Grupa ywiec (Heineken) Żywiec, EB, Leżajsk 32%

Kompania Piwowarska (SAB Miller) Lech, Tyskie, Dojlidy - 30%

Carlsberg, Okocim(grupa Carlsberg), Okocim, Bosman, Kasztelanka Sierpc - 14%

W Polsce jest 67 browarów:

• >1 mln hl/rok - 7 browarów Poznań (2-3 mln hl.rok), Żywoiec, Tyskie

• 100 tys do 1 mln hl/rok - 24 browary

• <100 tys hl/ rok - 36 browarów ( w tym 2 mnibrowary i 5 browarów zamkniętych w 2004 roku)

Wielkie rodziny piwa:

Fermentacja górna: Saccharomyces cerevisiae w całej objętości brzeczki mogą fermentować na górze i w wyższej temperaturze fermentacji 15-25C, fermentacja dynamiczna, krótsza około 3 dni, dużo bocznych produktów fermentacji, mniejsza piana.

• Ales :

- pale - metne mało alkoholu

- milot - łagodne, mała goryczka

- parter

- baryle wine

- stout - gorzkie, ciemne bardziej mętne piwo

• Altbier

• Specjalne

-trapistów - produkowane przez mnichów ze starego jęczmienia, słód jasny, potrójna fermentacja, wyraźny bukiet, moc 7-8%, trwałe piwo

- klasztorne czerwone

-piwo o przedłużonym okresie leżakowania

-pszeniczne: białe, Weizen (pszeniczne udział b. Mlekowych), Weise (białe słód pszenny zamiast jęczmiennego jęczmiennego 90%, udział b mlekowych)

Fermentacja dolna: 8-10C dłużej zachodzi dużo piany powstaje ale bardziej klarowna

• Lager:

- pils, Dortmunder, słodowe

• Wiedeńskie, Marcowe,

• Monachijskie, Bock

Fermentacja spontaniczna: fermentacja drobnoustrojów samoistnie zasiedlających brzeczkę, fermentacja z leżakowaniem od 1 - 3 lat, charakterystyczny bukiet, dużo produktów ubocznych, minimum 3 grupy bakterii.

• Lambic - na północ od Brukseli - swoisty mikroklimat

• Gueuze

• Kriek - z owocami wiśni.

Klasyfikacja piwa wg PN-A-79098

Typy zawartość alkoholu etylowego %objętościowe

Piwo jasne o barwie do 25 jedn EBC do 1,2% bezalkoholowe >1,2% alkoholowe

Piwo ciemne o barwie >25 jedn EBC

Piwo jasne:

Zawartość ekstraktu brzeczki podstawowej 5-22,0% wagowych

Zawartość alkoholu etylowego 1,6-8,4% objętościowych

Piwo ciemne:

Zawartość ekstraktu brzeczki podstawowej 7-22% wagowych

Zawartość alkoholu etylowego 2,5-9,5% objętościowych

SCHEMAT PRODUKCJI PIWA

Słód -źródło enzymów

Śrutowanie

Woda Zacieranie temp optimum dla enzymów (rozkład białek skroni mieszanie brzeczki)

filtracja młóto

brzeczka

chmiel (szyszki przep chmielu) Gotowanie temp wrzenia

ekstrakcja skł chmielu smak goryczki

osady klarowanie

chłodzenie

drożdże fermentacja drożdże

odzyski drożdży

leżakowanie

filtracja

pasteryzacja

rozlew

Surowce: podstawowe surowce do produkcji piwa:

- jęczmień słód 12,0%

- woda 82,68%

- chmiel 0,12%

- pozostałe 5,20%

- drożdże

Jęczmień browarniczy jare, dwurzędowe, oplewione (plewa na stałe z ziarnami związana)

jęczmień dwurzędowy -duże brzuchate symetryczne ziarna o dużej zawartości skrobi oraz odpowiedniej do celów piwowarskich ilości białka, z cienka pofałdowana plewka - mniejszy udział łuski- mniej garbników i ciał gorzkich, ziarno na ogół bardzo jednorodne. Odmiany dwurzędowego jęczmienia są zwykle wysiewane na wiosnę (jare) zawierają mniej białka niż ozime. Główni producenci jęczmienia: Kanada, USA, Francja, wielka Brytania.

Polska odmiana: Rudzik, Orlik, Mobek, Pola,.

Zagraniczne odmiany: Alexis, Krona, Maresi.

Jęczmień sześciorzędowy - ziarenka mniejsze.

Ziarno jęczmienia przekrój:

- część zarodkowa oddzielona od części z bielmem warstwą komórek cienkościennych (dużo białka)

- część bielmowa podzielona cienkościennymi komórkami dużo skrobi mało białka,

- warstwa aleuronowa 3 warstwy grubości,

- okrywa owocowa i nasienna,

- łuska z celulozy.

Podstawowy skład chemiczny ziarna jęczmienia browarnego:

Skrobia 60-65%

Cukry 2%

Białko ogółem 9-12%

Hemicelulozy 8-12% (węglowodany nieskrobiowe)

Celuloza 4-5%

Lipidy 2%

Sole mineralne 2-3%

Woda 13-15%

Witaminy i garbniki

Skrobia o ziarnach dużych 20-30μm i małych 3-5 μm kuliste lub owalne gałeczki otoczone białkami oraz związkami lipidowymi i fosfolipidowymi -matryca utrudniająca upłynnienie skrobi.

Amyloza zawiera do 200-400reszt glukozowych cząsteczek, stanowi 20-25% masy ziaren skrobi i wypełnia jej wnętrze, rozpuszcza w gorącej wodzie nie tworzy kleiku.

Amylopektyna zawiera do 6000 reszt glukozowych, 75-80% masy ziarna stanowi, tworzą powłokę zewnętrzną a ziarna skrobi, nie rozpuszcza się w wodzie, na gorąco kleikuje,.

Reszta cukrów sacharoza, fruktoza, glukoza.

Celuloza występuje w plewkach -łusce ziarna, stanowią długie nierozgałęzione łańcuchy reszt glukozowych powiązanych w pozycji 1,4 beta, wielocukier całkowicie nierozpuszczalny w wodzie, nie ulegają hydrolizie przez enzymy słodu, nie ma wpływu na jakość piwa.

Hemicelulozy są to głównie β-glukany i pentozany tworzą mechanicznie odporny szkielet ścian komórkowych

- ściany komórkowe bielmo

70-75% β-glukanów

20-25% pentozanów

ok. 5% białek oraz małych ilości glukomannanu i innych węglowodanów.

β-glukany to długie łańcuchy cząsteczek glukozy połączonych wiązaniem 1,3 oraz 1,4 β, łańcuchy tworza gęstą siatkę przetkana wielocząsteczkowymi białkami. Porozpuszczaniu cząsteczki β-glukanu łączą się mostkami wodorowymi i tworzą konglomeraty (miscele fredzliste) pod wpływem różnych czynników może dochodzić do tworzenia żelu (utrudnione procesy filtracji w browarze)

Pentozany to długie łańcuchy reszt ksylozy powiązanych w niektórych miejscach połączone są reszty arabinozy.

Białka jęczmienia jako źródła:

- niskocząsteczkowych związków azotowych głównie aminokwasów - właściwy rozwój zarodka w cząsteczce kiełków ziarna

- aminokwasów - najwyższe źródło azotu, z którego drożdże budują nowe komórki w czasie fermentacji brzeczki

- pięknej stabilnej piany w gotowym piwie,

- pełny smak piwa.

Białka stanowią około 92% związków azotowych jęczmienia. Masa cząsteczkowa około 20000 do 300000.

Ilość substancji azotowych w jęczmieniu

100

94 6

słód komórki

zacieranie 65C

40 54

rozpuści się nie rozpuści się (młoto)

0,8

aminokwasy (0,3 prolina nieprzyswajalna przez drożdże)

Produkty rozkładu białek podczas słodowania i zacierania:

- rozpuszczalne w wodzie (przechodzą do brzeczki) niewytrącające się podczas gotowania

• Wielkocząsteczkowe produkty rozkładu (protezy i peptony) wpływają korzystnie na cienistość, biorą udział w powstaniu zmętnień koloidowych

• Niskocząsteczkowe produkty rozkładu (aminokwasy, peptydy)

- niezbędne źródło azotu dla drożdży.

Tłuszcze - NKT mogą powodować niekorzystne smak piwa.

Związki mineralne:

- w połączeniach organicznych: fosforany (ATP, koenzym) w wyniku hydrolizy uwalniane cenne źródło fosforu dla drożdży.

Witaminy w jęczmieniu to wit. E i B w znacznej ilości niszczona w procesach termicznych.

Enzymy:

- z grupy hydrolaz w jęczmieniu są mało aktywne enzymatycznie dlatego słodowanie, bo wtedy synteza obecnych enzymów.

Podstawowe wymagania stawiane ziarnom jęczmienia browarnego:

• Zawartość białka w suchej masie 9,5-11,5% s.m.,

• Energia kiełkowania >95% średniej jakości, 98% bardzo dobrej jakości,

• Wyrównanie >85-90%

• Wilgotność < 15%

• Zanieczyszczenia ogółem <3%

• Ziarno dobrze wykształcone (krótkie, baryłkowate, o wysokiej skrobiowości i ekstraktywności) o swoistym zapachu, cienkiej łusce delikatnej nieporażonej szkodnikami, jednolitej odmiany.

Chmiel:

Ten składnik nadaje piwu specyficznego lekkiego goryczkowatego smaku i pozwala uzyskać piękną i stabilną pianę. Wykazuje działanie antyseptyczne. Jest to roślina dwupienna posiadająca tylko żeńskie kwiatostan w postaci szyszki. Zrywana jest w okresie dojrzałości technologicznej. Na listkach szyszki ziarenko lubuliny najcenniejszy składnik chmielu, żółty lepki proszek, gorzkie skł żywice.

Skład szyszek chmielu:

-żywice chmielowe 18,5% s.s goryczka

-olejki chmielowe 0,5% aromat

-polifenole (garbniki) 3,5%

-białko 20%

-związki mineralne 8,0%

Żywice ogółem dzieli się na

-miękkie rozpuszczalne w heksanie najważniejsze, są to:

-α-kwasy -

-β-kwasy

-twarde - nierozpuszczalne w heksanie

Substancje goryczkowe α-kwasy są nierozpuszczalne w wodzie α-kwasy w czasie gotowania ulegają przekształceniu w rozpuszczalne Izo-α-kwasy -goryczka piwa. Β-kwasy słabo rozpuszczalne w brzeczce ulegają w czasie gotowania różnym przemianom między innymi utlenieniu dając związki o różnym stopniu goryczki czyli odpowiadają za szlachetność goryczki.

Olejki chmielowe zawarte są głównie w listkach okrywających i szypułkach charakteryzują się ściągającym smakiem.(Około 85% ogólnej ilości to odpowiednia zawartość)

Garbniki:

Są zawarte w listkach i szypułkach chmielu. Charakteryzują się ściągającym smakiem. W czasie gotowania brzeczki z chmielu tworzą z białkami kompleksy ulegające wytrąceniu. Utleniają się do czerwonobrunatnych związków, tworzą ze związkami Fe połączenia o ciemnej barwie.

Do chmielenia żywa się chmielu w postaci:

1) Wysuszonych, sprasowanych szyszek chmielowych,

2) Preparatów chmielowych:

3) Granulatów (typ 90, typ 45, zizomeryzowane)

4) Ekstraktów ( ekstrakcja przy użyciu etanolu i dwutlenku węgla)

Polskie odmiany:

-aromatyczny

-goryczkowy.

WYKŁAD IV

Proces słodowania.

Woda około 95% piwa

1. Woda do użytku technicznego (para)

2. Woda technologiczna:

-produkcja piwa (sporządzanie zacieru, propagacja drożdży itp.)

-mycie zbiorników, urządzeń, przewodów,

-mycie butelek 4-10 hl wody/hl piwa

Z punktu widzenia piwowarskiego:

-jony chemicznie nieczynne (NaCl, KCl, Na₂SO₄, K₂SO₄) nie wchodzą w reakcje ze składnikami słodu, niezmienionej postaci przechodzą do piwa,

-jonu chemicznie czynne (Ca⁺², Mg⁺²,CO₃^-2+HCO₃^-) podczas zacierania wchodzą w reakcje z rozpuszczalnymi składnikami słody, powodując zmianę pH.

Wartość pH ma duży wpływ na:

-przebieg reakcji enzymatycznych w czasie zacierania (aktywność enzymów)

-stopień wykorzystania substancji goryczkowych chmielu,

-rozwój drobnoustrojów.

Wartość pH możliwie niska (5,2-5,5)

Chemicznie aktywne jony to

Jony obniżające pH Jony podwyższające pH

Ca⁺²,Mg⁺² CO₃^-2, HCO₃^-

Twardość niewęglanowa Twardość węglanowa

Twardość ogólna

Twardość ogólna wody [n] stopnie niemieckie

1n = 10 mg CaO w litrze wody

Miękka woda do - 7stopni n

Średnia twardość wody - 1,5-2,2 stopni n

Dość twarda woda - 2,2-3,7stopni n

Bardzo twarda woda - >21,3 stopni n

Uogólniając:

-woda o dużym stężeniu soli, głównie węglanów daje piwa ciemne o pełnym, słodkawym smaku.

-woda zawierająca dużą ilość jonów Ca daje mocne piwa, pełne, jasne piwa typu, Ale.

-woda o stosunkowo niskim stężeniu soli daje jasne piwo, pilzneńskie, lagery.

Zatem woda do produkcji piwa musi spełniać wymogi wody pitnej pod względem cech:

-sensorycznych - bezbarwna, bez zmętnień, bez zapachu,

-fizjologicznych - standard międzynarodowy,

-mikrobiologicznych - brak drobnoustrojów chorobotwórczych,

Surowce niesłodowane 10-20%

Surowce węglowodanowe nie podlegają słodowaniu, udział 10-20%. Na ogół są tańsze niż słód a nie wpływają na technologie. Są to jęczmień niesłodowany, ryż (85-90% skrobi w s.s). kukurydza pozbawiona zarodków (67-80%v węglowodanów), cukier lub syrop cukrowy, syrop glukozowy i maltozowy.

Proces słodowania ma na celu wytworzenie niezbędnych enzymów w procesie zacierania oraz wywołanie określonych zmian w strukturze bielma umożliwiających wydobycie składników ekstraktu.

Schemat procesu słodowania:

woda, powietrze woda, powietrze gorące powietrze

Jęczmień - moczenie ziarna kiełkowanie ziarna suszenie słodu - słód

Czyszczenie jęczmienia:

W celu usunięcia zanieczyszczeń nieużytecznych oraz usunięcie domieszek (połówki ziaren, chwastów) i posortowanie jęczmienia.

Najważniejsze urządzenia czyszczące to wialnie, przesiewacze, aspiratory, urządzenia magnetyczne, odkamieniacze, trymery, cyklony, sortowniki płaskie lub cylindryczne.

Moczenie jęczmienia

Ma na celu pobudzenie czynności ziarna przez rozpoczęcie przemian biochemicznych i strukturalnych i zapoczątkowanie kiełkowania oraz wyługowanie z łuski substancji garbnikowych.

Schematy zamaczalnika:

-cylindryczne

-z płaskim dnem

-ślimakowe

-bębnowe

przelew

Powietrze

Wpustka wody i

Usuwanie CO₂

Wypust jęczmienia

Proces moczenia można prowadzić systemem powietrzno-wodnym z wyraźnym skróceniem czasu moczenia wodnego do 20%. Temp wody 15-18C, czas moczenia 48-82 godz, stopień namoczenia:

-słód jasny (typ pilzneński) - 42-44%

-słód ciemny (typ monachijski) - 44-47%.

Tlen dostarczany z powietrzem umożliwia zachodzenie tlenowego oddychania.

Szybkość wchłaniania się wody zależy od temperatury otoczenia, temperatury wody, wielkości ziarna, odmiany jęczmienia, roku zbioru.

Przykładowy cykl moczenia:

Pod woda	Bez wody
6h ( w tym 2h mycie)	21h
3h	18h
3h	21h

W sumie 72h wilgotność 44-45%

W trakcie moczenia wodnego z napowietrzaniem ziarna sprężonym powietrze, co 1 godzina przez 5 minut czasem, co kilkanaście minut)

Dobre namoczenie gwarantuje zaoczkowanie. Sposoby i systemy kiełkowania ( nie trzeba na egz): kiełkowanie na klepisku - okresowa met., postniki bębnowe - półciągła, postniki w formie kadzi - półciągła, cylindrycznej - ciągła

Typowe urządzenia do słodownia skrzyniowe (typu salaolina). Schemat skrzyni:

Wylot powietrza

Wlot powietrza

wózek - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

Warstwa ziarna Komora z dyszami

Warunki kiełkowania ziarna: czas 5-7 dni, temperatura 12-20C, kontrolowane napowietrzanie.

Aby ograniczyć straty substancji zapasowych należy prowadzić proces w możliwe krótkim czasie, w niskiej temperaturze oraz dostarczać jedynie niezbędna ilość powietrza.

W skiełkowanym ziarnie zachodzą następujące przemiany:

-fizjologiczne - oddychanie, wzrost kiełków liścieniowych i korzonków

-biochemiczne - synteza, aktywacja enzymów rozkład substancji zapasowych.

WYKŁAD V

Gdy ziarno kiełkuje zarodek staje się aktywny, działają hormony roślinne i one zapoczątkowują syntezę enzymów. Zarodek wytwarza kwas giberelinowy i jego pochodne. Kwas dostaje się do warstwy aleuronowej, w której pobudza tworzenie się enzymów celulolitycznych, proteolitycznych, amylolitycznych i innych. Jest wiec zarodek źródłem hormonów, które oddziałują na powstawanie enzymów w warstwie aleuronowej.

I synteza - glukonaza

II synteza - α-amylaza - aktywowane w warstwie aleuronowej

III synteza enzymy proteolityczne

Β-amylaza aktywowana w bielmie.

Β-glukonaza rozkłada ścianę komórkowa bielma

Endopeptydazy rozkładają białka na oligopeptydy.

• Enz amylolityczne - α iβ-amylaza

• Enz cytalityczne - β-glukanazy

• Enz proteolityczne - proteazy

• Enz rozkładające tłuszcz - lipazy

• Enz rozkładające estry kw fosforowy - fosfatazy

Przemiany zachodzące w słodzie: rozkład hemiceluloz-β-glukan, częściowy rozkład skrobi, przemiany substancji białkowych, biodegradacja estrów fosforanowych.

Suszenie słodu

Proces prowadzi się w celu utrwalenia słodu (wilg 5%), nadania charakterystycznego smaku i zapachu oraz wytworzenie związków barwnych.

Słód jasny - temp słodu wzrasta wolno od 20-30C do 80-85C, czas całego cyklu 24h.

Słód ciemny - temperatura wzrasta od 20-30C do 105C a czas całego cyklu wynosi 48h.

Suszarnie mogą być - jednosiatkowe, dwusiatkowe, trójsiatkowe, suszenie w skrzyni słodowniczej

----------------------------------------------

Fazy suszenia:

A faza więdnięcia - faza wody na słodzie wilg <20% temp <50C

B faza podgrzewania - Temp powoli rośnie do temp dosuszania, zawartość wody obniża się do ok. 5%

C faza dosuszania (prażenie) Temp stała czas 3-5godz

Cele i zasady suszenia słodu jęczmiennego:

• Zachowanie max aktywności enzymów poprzez obniżanie wilgotności słodu poniżej 20% w tem nieprzekraczającej 45-50C

• Zachowanie jasnej barwy słodu (unikanie tworzenia się związków barwnych-melanoidów)

• Wytworzenie charakterystycznego aromatu

Przy ciemnym słodzie:

- cykl 2x24 godz - po 24 godz wilgotność słodu obniżona do ok. 20%, przy temp 50ºC i ograniczonym dostępie powietrza. W czasie cyklu zachodzi hydroliza węglowodanów i białek i otrzymujemy związki barwne i aromatyczne.

- dodatkowe prażenie słodu w temp 105ºC przez 5 godz.

Produkty na słody specjalne np. karmelowy są poddawane ostrej obróbce.

Końcowa obróbka słodu:

- wychładzanie (np. przetłaczanie zimnego powietrza)

- podkiełkowanie (odkiełkownica do słodu)

- magazynowanie (zbiorniki komorowe)

- polerowanie (polerownik+ aspirator)

Ze 100kg jęczmienia otrzymuje się ok. 80kg słodu, ubytek stanowi woda i ubytki w trakcie oczyszczania.

Poprzednie procesy prowadzone były w słodowni. Dziś słodownie stanowią odrębne zakłady, browary kupują od nich słód.

Procesy zachodzące w browarze. W warzelni znajdują się:

- śrutownik

- kadź zacierna

- kocioł zacierny

- kadź filtracyjna

- kocioł warzelny

- kadź osadowa

- wymiennik ciepła

2. Śrutowanie słodu - odbywa się w śrutownikach 2,4,6-cio walcowych. Śrutuje się na sucho lub z kondycjonowaniem. Część bielmowa ziarna powinna być dobrze rozdrobniona - do postaci grysiku, a łuska minimalnie rozdrobniona, bo pełni funkcje warstwy filtracyjnej zacieru. Na sucho słód jest gnieciony w dwóch walcach. Z kondycjonowaniem łuska jest nawilżona, do 0,5% aby była bardziej elastyczna, mniej podatna na uszkodzenia mechaniczne. Kondycjonuje się parą wodną lub ogrzaną wodą.

3. Zacieranie - śruta słodowa poddawana jest procesowi zacierania po zmieszaniu z wodą. Zacieranie ma na celu rozkład skrobi do cukrów prostych i dekstryn, oraz ekstrakcje składników rozpuszczalnych.

Zachodzące procesy enzymatyczne to:

1. rozkład skrobi (najważniejsza)

2. rozkład substancji białkowych

3. rozkład β-glukanu

4. przemiany kwasów tłuszczowych

5. rozkład związków fosforowych

ad.1

Rozkład skrobi to: kleikowanie, upłynnienie, scukrzenie. Enzymy działające na skrobię to α- i β-amylaza, które działają na skrobię w odpowiedniej temp. powodują one skleikowanie, pęcznienie i pękanie kuleczek skrobi w wodnym roztworze. (optymalna temp kleikowania jęczmienia to 60ºC). Upłynnienie skrobi związane jest z aktywnością α-amylazy. Efektem procesu jest zmniejszenie lepkości skrobi.

Optymalne warunki działania enzymów:

	α-amylaza	β-amylaza
temp optymalna	72-75	60-65
temp inaktywacji	80	70
pH	5,6-5,8	5,4-5,5

Wpływ temp i czasu na rozkład skrobi:

- przerwa maltozowa w 62-65ºC

- przerwa docukrzania 72-75ºC

- zakończenie zacierania 76-78ºC

Przerwa to inaczej długie zacieranie. Długie zacieranie w temp 62-65ºC dotyczy piwa o wyższym ostatecznym odfermentowaniu, natomiast długie zacieranie w temp 72-75ºC daje piwo bogate w dekstryny z niskim ostatecznym odfermentowaniem.

Produkty rozkładu skrobi:

- dekstryny - 31%, nie są fermentowane

- maltotrioza - 11%, rozkładana w czasie leżakowania

- maltoza - 44%, główny cukier fermentowany

- glukoza - 9%, cukier zafermetowujący

W słodzie są również inne cukry: fruktoza 2%, sacharoza 3%, ale pochodzą one ze słodu a nie ze skrobi.

Ad. 2.

Rozkład substancji białkowych

Działają głównie enzymy endopeptydazy w temp 45-50ºC i pH 5,2-5,3. w 45-50ºC powstaje więcej niskocząsteczkowych substancji białkowych (aminokwasy, peptydy) a w 60-70ºC więcej wysokocząsteczkowych substancji białkowych.

Aminokwasy stanowią źródło azotu dla drożdży powinno być minimalnie 200mg/l brzeczki. Gdy jest za mało azotu, (czyli duzo białek):

-zmniejsza się tempo namazania drożdży,

-opóźnia się fermentacja i dojrzewanie

-młode piwo nabiera niepożądanych cech w bukiecie.

Z drugiej strony zbyt długa przerwa białkowa (za mało białek) daje złą pianę. - obniżona stabilność koloidalna piwa.

Ad.3

Rozkład β-glikanu powoduje endobetaglukonaza, która działa w temperaturze - 45-50C i przy pH-5,4. Pewne formy β-glukanu tzw.micele frędzliste mogą powodować:

-zwiększenie lepkości zacieru i brzeczki,

-pogorszenie klarowności brzeczki,

-osłabienie drożdży,

-pogorszenie jakości piwa.

Optymalizacja pH zacierania polega na obniżeniu pH zacieru z 5,7-5,9 do korzystnego 5,1-5,2 poprzez dodatek kwasu mlekowego, solnego, siarkowego, fosforowego.

Technologie zacierania:

Zacieranie polega na zmieszaniu w odpowiednich proporcjach śrutę z woda w przewidzianej temperaturze.

Piwo jasne - 3-4hl nalewu/100kg zasypu

Piwo ciemne - 3-3,5hl nalewu/100kg zasypu

Na 1hl piwa około 17kg słodu

Metody zacierania:

-infuzyjna - polegająca na tym, że cały zacier jest stopniowo ogrzewany do odpowiedniej temperatury gdzie stosowane są przerwy na działanie???

Proces trwa około 1,5-2h i jest obecnie częściej stosowany jako mniej energochłonny.

• Pierwsza przerwa białkowa - od 0-40C optimum działania enz proteolitycznych

• Druga przerwa na działanie β-amylazy - 50-80C

• Trzecia przerwa docukrzanie - działanie α-amylazy temp 90-100C

• Czwarta przerwa scukrzanie zacieru.

-dekokcyjna - w pewnym czasie zagrzewania 1/3 zacieru do kotła gdzie poddaje się warzeniu, po czym dodaje się do zacieru znów. Może być 1,2 lub 3 warowy sposób dekokcyjny zależnie od tego ile razy się odbiera te partie. W metodzie jednowarowej przez zagotowanie gęstej części zacieru działamy na skrobie, która jest bardzo skleikowana. W rzadszej części zacieru, (która została w kadzi) są enzymy, dlatego nie poddajemy jej warzeniu. Czas trwania procesu, około 3h.

Warka to jedna porcja zacieru przeznaczonego do rozcieńczenia

1-12 warek na dobę

Filtracja

Brzeczka wysłodziny(młóto)

Kadź filtracyjna - zacier pompowany jest do kadzi filtracyjnej gdzie pozostaje na 30 minut, w tym czasie następuje sedymentacja cząstek zacieru (grube cząstki, wysłodziny, białka i drobne cząstki, brzeczka). Po tym czasie warstwa filtracyjna ma grubość 50-60cm. Zaczynamy ściągać brzęczkę przednią. Brzeczka klarowna kierowana jest do kotła warzelnego. W wysłodzinach znajduje się jeszcze sporo ekstraktu. Następuje wysładzanie - 3-krotne nalewy wody. Wody wysładzające łączone są z brzeczką przednia w kotle warzelnym.

Filtr 75-78C - łatwiej oddzielić brzeczkę, końcowe, docukrzanie skrobi.

Po dobrej filtracji otrzymujemy 0,3-0,4% ekstraktu.

Chmielenie brzeczki

Gotowanie brzeczki z dodatkiem kilku dawek preparatów chmielowych w celu przejścia goryczkowych i aromatycznych składników chmielu do piwa oraz wytracenie substancji białkowych. α-kwasy przechodzą w formę Izo-α-kwasów i to one są odpowiedzialne za goryczkę piwa. (2 porcje chmielu 70%chmielu na początku około 15 minut przed końcem)

Procesy zachodzące przy gotowaniu brzeczki:

-rozpuszczenie i przemiana składników chmielu

-wytworzenie i wytrącenie związków białkowo-garbnikowych - bardzo ważne na egzaminie trzeba poszerzyć wiadomości

-odparowanie wody - odparowywuje się głównie wodę dodana w trakcie pracy z wysładzaniem

-sterylizacja brzeczki

-zniszczenie enzymów, które już nie są potrzebne, bo skład brzeczki już nie powinna się zmieniać

-wzrost zabarwienia brzeczki

-zakwaszenie brzeczki

Wytrącenie związków białkowo-garbnikowych

Połączenie garbników i białek połączenie produktów rozkładu białek i garbników

Wytrącenie w wysokich temperaturach wytracenie w temperaturze <70C

Kłaczki gorącego osadu (chłodzenie brzeczki)

Tzw. przełom brzeczki osady „zimne”

Usuwanie „goracego osadu ”zazwyczaj w kadzi osadowej Whirpool (cylindrycznej bez wewnętrznych elementów). Brzeczka wpompowana jest postycznej, co gwarantuje ruch wirowy cieczy. Na środku w postaci stożka zbiera się „osad gorący”. „Zimny osad” usuwany jest w trakcie chłodzenia.

Chłodzenie: klarowanie i napowietrzanie brzeczki

-schłodzenie brzeczki do 5-7C na płytowym wymienniku ciepła

-wytworzenie i usunięcie „zimnego osadu” filtracja, flotacja, sedymentacja, wirowanie

-intensywne napowietrzanie brzeczki 8-9mg/l brzeczki - JEDYNY ETAP GDZIE DODAJEMY TLEN W BROWARZE

Dodaje się sterylne powietrze w postaci drobnych pęcherzyków, które mieszają się z brzeczka w burzliwym przepływie.

WYKŁAD VI

Fermentacja i dojrzewaniem piwa

Musimy mieć brzeczkę słodową i zaczepia się ja drożdżami.

W trakcie fermentacji komórka drożdży znajduje się w brzeczce słodowej. Jest ona bardzo dobra dla drożdży, bo zawiera węgiel - maltozę, azot - aminokwasy, witaminy z gr. B i sole mineralne. Jest odpowiednia ilość, O2 bo 8-10 mg/cm³. Dzięki temu drożdże prowadzą fermentacje najpierw w warunkach tlenowych a potem w beztlenowych.

I etap:

Pączkowanie - jak jest tlen

II etap:

Fermentacja - młode piwo. Powstaje etanol i CO₂ oraz szereg związków smakowo zapachowych decydujących o organoleptyce piwa.

Związki zapachowe - to takie, które charakterystyczne są dla młodego piwa, aby podczas leżakowania zamienić je na właściwy bukiet piwa. Związki charakterystyczne dla młodego piwa to - dwuacetyl - nadaje piwu maślany zapach i jest miernikiem jego dojrzałości(piwa).

Występują tam jeszcze związki siarkowe, alkohole wyższe i estry odpowiedzialne za właściwy bukiet piwa.

W czasie fermentacji zachodzą zmiany w składzie chemicznym związków białkowych. Obniża się pH, bo wytwarzają się kwasy organiczne, barwa piwa się rozjaśnia, wytracają się połączenia garbnikowe(a także żywice chmielowe).

• rozpuszcza się CO₂ i jego nadmiar trzeba usuwać. Klarowanie piwa odbywa się w trakcie łączenia białek.

DROŻDŻE FERMENTACYJNE - muszą spełniać wymagania jakościowe, stosuje się wyselekcjonowane szczepy. Namnaża się je z czystej kultury. Muszą się cechować

• dobrą żywotnością - udział komórek martwych nie więcej niż 3%

• dla dolnych fermentacji dobra zdolność flokulacji, żeby tworzyły się kłaczki, żeby można je łatwo oddzielić po zakończeniu fermentacji.

• drożdże absolutnie czyste bez zakażeń

• gęstwa drożdżowa musi mieć gęstą konsystencję

DROŻDŻE NASTAWNE -

• z czystej kultury szczepu (propagacja - namnażanie drożdży) zaszczepiamy brzeczkę.

• zebrane drożdże z fermentacji poprzedniej można przygotować odpowiednio i wykorzystać(najlepsze są środkowe)

20-30 mln komórek/ml brzeczki

0,6 do 1 l gęstwy drożdżowej/1hl brzeczki

drożdże dodaje się do płynącej brzeczki wraz z napowietrzaniem sterylnym powietrzem.

FERMENTACJA: (klasyczna)

• główna w kadziach fermentacyjnych (kadzie otwarte) rzadko się już spotyka

• 
  wtórna w tankach leżakowych ciśnieniowych (lub w tankach zamkniętych)

3

3. Zbiornik dający możliwość fermentacji głównej i wtórnej w tym samym zbiorniku. W tankach cylindryczno-stożkowych zachodzi i fermentacja i dojrzewanie.

STADIA FERMENTACJI

Lp.	Nazwa	Czas trwania	Charakterystyczne objawy
1	Zafermentowanie	2 dni	1 dnia nic nie widać, potem pojawia się cienka warstewka drobnych banieczek białej piany i to jest początek fermentacji
2	Niskie krążki	2 dni	Piana wyższa barwy śmietany z brunatnymi plamami
3	Wysokie krążki	3 dni	Piana wysoka z wyraźnymi krążkami(krążki jakby zrobione ręcznie)też z brunatnymi plamami, najbardziej burzliwy etap fermentacji.
4	Opadające krążki	1 dzień	Barwa piany brunatna, stopniowo brunatna
5	Żywiczna piana tzw. „deka”	2 dni	Cienka, poprzerywana, brudno brunatna warstwa piany

Na podstawie obserwacji w tankach otwartych możemy ocenić, na jakim etapie jest fermentacja.

Przebieg fermentacji dolnej:

Początkowa temp. Fermentacji - 7-9°C aż do 15°C w stadium wysokich krążków. Podwyższenie temp. jest spowodowane wytwarzaniem energii cieplnej przez komórki drożdży.

Naczynia fermentacyjne chłodzą brzeczkę, aby temperatura nie podniosła się za dużo.

Zawartość ekstraktu w brzeczce w czasie fermentacji obniża się z 12% ekstraktu wyjściowego zmniejsza się do 2,5%.

pH obniża się w skutek tworzenia związków o charakterze kwaśnym oraz produktów ubocznych np. estrów.

Czas około 10 dni.

Piwa fermentacji górnej nie produkuje się dużo w Polsce jedynie piwo belgijskie Palm.

Fermentacja górna trwa 3-4 dni, bo prowadzona jest w wyższych temperaturach od 15 - 25°C w burzliwej fazie. Tworzy się tu więcej produktów ubocznych, które nadają bardziej estrowy owocowy smak.

Stopień odfermentowania piwa

A-odfermentowane

B-ekstrakt ulegający

fermentacji

C-ekstrakt nieulegający

fermentacji

Brzeczka młode piwo gotowe piwo możliwy stopień odfermentowania

Wsk.cukro- 37% 2,5% 2,2%

mierza 12%

Leżakowanie piwa - trwa od 10-12 dni lub dzień krócej, co zależy od ilości ekstraktu.

Młode piwo ściągane jest do leżakowni, najczęściej w piwnicach, gdzie musi być 0-1°C. Piwo leżakuje w tankach. Na skutek cichej wtórnej fermentacji jeszcze wytrąca się CO₂. znajduje się tam jeszcze 10⁶komórek drożdży/l, co powoduje tą fermentację. Niska temperatura powoduje rozpuszczenie, CO₂ w piwie-, przez co fermentuje się maltoza i maltotrioza. Następuje klarowanie piwa, ustalenie barwy, harmonizacja smaku, biologiczna stabilizacja.

W leżakowni tanki ciśnieniowe są zamknięte cała piwnica jest chłodzona. Przez pierwsze 2-3 dni zawór czopujacy jest otwarty by usunąć niekorzystne zw. siarki. Potem tanki się zamyka i prowadzi leżakowanie przez 2-4 tyg. w 0-1°C- dla piwa jasnego, dla ciemnego 5-6 miesięcy.(głównie piwo porter)

Piwo jest odpowiednie do picia, gdy ma właściwą ilość dwuacetylu > niż 0,15mg/l. Nie możemy wyczuwać dwuacetylu (maślanego posmaku).

TANKI CYLINDRYCZNO - STOŻKOWE

• wolno stojące o pojemności 2000-5000hl brzeczki lub piwa, ze stali kwasoodpornej - stoją na zewnątrz.

ZALETY:

• mała możliwość infekcji z powietrza

• odporne na korozje

• wymagają małej powierzchni

• automatyczne mycie CIP

• łatwy zbiór drożdży

• dobre mieszanie zawartości

• urządzenia kontrolno-pomiarowe

Napełnianie tanków TCS - jest kłopot z jego napełnianiem. Brzeczka jest nietrwała, łatwo ją zainfekować w ciągu dnia musi być napełniany kolejnymi warstwami brzeczki.

Stożkowa część jest ważna, bo tam gromadzą się drożdże i jest odpowiedni kąt żeby je zbierać. W trakcie napełniania takiego tanku brzeczkę się zaszczepia

Przebieg fermentacji głównej w TCS

Początkowo tradycyjnie w temp. 8-9°C (7 dni). Można ją przyspieszyć podnosząc temp. lub zwiększyć dawkę drożdży. Podniesienie do 12-16°C fermentacja trwa 4-5 dni powstaje więcej dwuacetylu i alkoholi wyższych drożdżowy posmak. Pod koniec następuje chłodzenie części stożkowej TCS i odbiór drożdży (chłodzenie sterowane sa komputerowo)

DOJRZEWANIE PIWA W TCS

Dojrzewanie ma na celu redukcje dwuacetylu < 0,15mg/l wtedy jest dojrzałe.

Redukcja dwuacetylu przez drożdże lub przez zwiększenie temp.

• T 8,5°C ok. 10 dni

• T 15°C ok. 4-6 dni

• T 20°C ok. 2-3 dni

LEŻAKOWANIE PIWA W TCS

Ma na celu ustabilizowanie cech smakowo zapachowych w piwie, osiągnięcie pożądanej pienistości, osiągnięcie trwałości koloidalnej. Następnie piwo wychładza się stopniowo w ciągu 2 dni do -0,1- -1°C co najmniej 7 dni.

Czas fermentacji w TCS (przeciętnie)

• fermentacja główna - 7 dni

• dojrzewanie 3 dni

• leżakowanie 7 dni

Obróbka końcowa piwa -

• piwo trzeba przefiltrować

• stabilizacja koloidalna - różnymi preparatami

• pasteryzacja w przepływie

14 - 15 JP dla piwa np. 68°C 644s

Składniki piwa

Woda 95%

CO₂ 0,4- 0,5%

Ok. 400 skł.

Lotne Nielotne

Etanol - 2,5 - 6,5% węglowodany nielotne - 2,2-3,5%

Alk.wyzsze - 100-200mg/l glicerol - 1,5mg/l

Estry - 25-40 mg/l lipidy - 0,5 mg/l

Kwasy - 15 mg/l polifenole - 80-160 mg/l

Aldehydy - 45 mg/l żywice chmielowe - 30-40 mg/l

Ketony - 3 mg/l zw. azotowe - 300-400

Dwuacetyl - 0,1-0,2 mg/l wit.z gr.B

Kaloryczność piwa 1200-1600kJ

16

6-7%

Brzeczki

Czysta kultura

18-20%.

brzeczki

Brzeczka

5%

F1

F2

F7

A=9,8

C=2,2

A=8,3

B=1,3

C=2,2

A=9,5

B=0,3

C=2,2

A=9,8

C=2,2

1

2

4

3

2

1

1

2

3

4

1

2

3

nastaw

Zw karbonylowe

Alkohole wyższe

Estry

Kwasy lotne

GLUKOZAwasy lotne

Destylacja

Fermentacja

Drożdże odpadowe

Spirytus surowy

Rektyfikacja

Odwodnienie

Wywar

Zagospodarowanie wywaru

4

3

1

4

3

2

kondensator

1

2

etanol

kondensator

DA

OB

UW

K

Zw karbonylowe

Alkohole wyższe

Estry

Kwasy lotne

GLUKOZAwasy lotne

S

pH=6

II

I

S

s

P

---