Proces technologiczny

Proces technologiczny produkcji piwa obejmuje kilka podstawowych etapów:

• zacieranie
• filtracja zacieru
• gotowanie brzeczki
• fermentacja
• dojrzewanie piwa
• filtracja
• rozlew

Zacieranie

Przez proces zacierania rozumie się zmieszanie śruty z wodą o określonej temperaturze pozwalające w efekcie działania enzymów na przeprowadzenie substancji nierozpuszczalnych w wodzie w składniki rozpuszczalne. W browarnictwie głównym celem jest rozłożenie:

• skrobi z śrutowanego słodu do prostych cukrów dostępnych dla drożdży;
• białek na krótkie peptydy oraz aminokwasy;

Obecnie w browarach najczęściej stosuje się zacieranie infuzyjne. W tym przypadku całość zacieru jest podgrzewana i mieszana w jednym urządzeniu zwanym kadzią zacierną. W przeszłości stosowano kadzie zacierne z miedzi, ponieważ charakteryzuje się ona dobrą przewodnością cieplną. Obecnie jest ona zastępowana przez stal chromoniklową. Zaletami takiej kadzi jest obniżenie kosztów produkcji oraz możliwość zastosowania systemu mycia CIP. Urządzenie jest ogrzewane najczęściej za pomocą płaszcza grzejnego z wykorzystaniem gorącej pary wodnej pod ciśnieniem 2-3 bar i wyposażone jest w mieszadło mieszające zacier. Ważne jest aby dobrze zwymiarować prędkość mieszania i nie przekroczyć 2 m/s na obwodzie. Pozwala to uniknąć sił ścinających, które mogą powodować deformacje małych cząstek znajdujących się w zacierze, szczególnie w warstwie granicznej. Zwymiarowane mieszanie pozwala także uniknąć zbyt mocnego napowietrzania zacieru. Warto dodać, że kocioł zacierny wyposażony jest w przedzaciernik, jest to urządzenie gdzie śruta i woda są ze sobą dokładnie mieszane podczas dozowania. Pozwala to na uniknięcie strat w słodzie, pylenia oraz zbędnego napowietrzania.

Zacieranie odbywa się przez podgrzewanie i utrzymywanie określonej temperatury optymalnej dla określonego enzymu. W browarze stosuje się 3 przerwy temperaturowe:

• 45 - 50^oC przerwa białkowa i β-glukanowa – działanie enzymów proteolitycznych oraz endo-β-glukanazy; czas utrzymywania temp. 40 minut
• 62 – 65^oC przerwa wytwarzania maltozy – działanie β-amylazy; czas utrzymywania temp. 30 minut
• 70 – 75^oC przerwa scukrzania – działanie α-amylazy; czas utrzymywania temp. 10-20 minut

Pod koniec zacierania przeprowadza się próbę jodową z 0,02 n roztworem jodu (wodny roztwór jadu i jodku potasu). Wykorzystuje się tutaj barwną reakcję między skrobią i dekstrynami a jodem. Pierwiastek ten łatwo łączy się z helikalną strukturą amylozy tworząc cząstkę o nazwie klatratem, który daje zabarwienie granatowoczarne. Z amylopektyną natomiast jod daje zabarwienie niebieskofioletowe, a z dekstrynami graniczne od czerwonego do brązowego. Gdy 0,02 n roztwór jodu nie ulegnie odbarwieniu oznacza to, że proces rozpadu skrobi do cukrów prostych przebiegł pomyślnie.
Produktami rozkładu skrobi są:

Glukoza – cukier zafermentowujący
Maltoza – cukier głównej fermentacji
Maltotrioza – fermentowana przez wszystkie wysoko odfermentowujące drożdże, cukier pofermentacyjny
Dekstryny – nie są fermentowane

Filtracja zacieru

    W dalszej produkcji piwa istotne są tylko substancje, które przeszły do zacieru podczas zacierania. Wodny roztwór substancji ekstraktu nazywa się brzeczką. Istotą procesu filtracji jest rozdzielenie brzeczki od wysłodzin czyli wszystkich nie rozpuszczonych substancji zacieru. Proces filtracji można podzielić na 2 główne fazy:

• spływ przedniej brzeczki
• wymywanie wysłodzin, czyli wysładzanie

Filtracja zacieru odbywa się na kadziach filtracyjnych albo na filtrze zaciernym. Kadź zacierna jest bardziej rozpowszechniona w browarach, zbudowana jest ze stali chromoniklowej, na dnie posiada sito oraz jest izolowana ze wszystkich stron w celu uniknięcia start ciepła. Pierwszym etapem jest wypchnięciem powietrza spod dnia sitowego za pomocą gorącej wody. Następnie przepompowuje się zacier do kadzi filtracyjnej, od dołu, równomiernie rozmieszczając. Pozwoli to dobrze wyekstrahować pozostałości ekstraktu z wysłodzin. Gdy cały zacier zostanie przepompowany wysłodziny osadzają się, a brzeczka przednia zbiera się ponad nimi. Wysłodziny stanowią naturalną warstwę filtracyjną. Następnie spuszcza się część brzeczki, która jest mętna i zawraca. Gdy klarowność brzeczki następuje spływ przedniej brzeczki, której stężenie we wszystkich miejscach jest jednakowe. Spływ przedniej brzeczki prowadzi się do momentu pojawienia się wysłodzin w brzeczce. Wtedy zaczyna się etap wysładzania. Polega ona na ługowanie wysłodzin wodą o określonej temperaturze, najlepiej ok. 78 ^oC, ponieważ wtedy mogą zadziałać α-amylazy i kontynuować scukrzanie. Należy pilnować, aby woda, którą się wysładza nie miała zbyt niskiej temperatury, bo to może doprowadzić do podwyższenia lepkości roztworu. Proces wysładzania traw najczęściej aż w kotle zostanie osiągnięte odpowiednie stężenie brzeczki. Niskoprocentową brzeczkę, która spływa z filtra nazywa się cienkuszem. Osiąga on zazwyczaj ok. 0,5-1 % ekstraktu. Po spłynięciu cienkuszu następuje usunięcie młóta. Uzyskana brzeczka jest kierowana do kotła warzelnego.

Gotowanie brzeczki

Głównym celem gotowania brzeczki jest wyekstrahowanie substancji zawartych w chmielu – substancji goryczkowych oraz aromatycznych. W czasie tego procesu technologicznego zachodzą też inne zmiany, które mają istotne znaczenie: wytwarzanie i wytrącenie związków białkowo-garbnikowych, zmiana zawartości DMS, sterylizacją brzeczki, zniszczenie enzymów, odparowanie nadmiaru wody.
Gotowanie brzeczki przeprowadza się w kotle warzelnym ogrzewanym płaszczem parowym. Kiedyś urządzenia te były wykonywane z miedzi, miały kształt kuli. Obecnie stosuje się stal chromoniklową i wprowadzono warzelnie blokowe. Kotły mają kształt graniastosłupa, dolny posiada dno półcylindryczne. Do płaszcza grzejnego wprowadzona jest para o ciśnieniu 2-3 bar i temperaturze 134 – 144^oC. Brzeczka gotuje się w temperaturze wyższej niż 100^oC na różnych wysokościach. Jeżeli słup brzeczki wynosi 2 metry to na dnie panuje ciśnienie większe o 0,20 bara czyli daje ciśnienie pary 1,2 bara odpowiadając tym samym temperaturze 105^oC. Mieszanie odbywa się samoistnie poprzez powstające na dnie pęcherzyki pary. Brzeczka jest gotowana przez 60-70 minut. W tym czasie:

• goryczek chmielowa przechodzi do roztworu;
• wytrącają się białka koagulujące;
• usunięte zostaje DMS;

Obecnie w browarnictwie stosuje się granulat lub ekstrakt chmielowy, rezygnując z szyszek chmielowych. Pozwala to otrzymać jednorodny jakościowo produkt i w większym stopniu wykorzystać substancje goryczkowe. Do zalet granulatu czy ekstraktów można jeszcze zaliczyć łatwiejszy transport i magazynowanie oraz lepszą trwałość w porównaniu z szyszkami.
Pod koniec gotowania brzeczki browarnik przeprowadza kontrolę:

• Połysku brzeczki – przy pomocy szklanki pod źródłem światła sprawdza się klarowność i czy jest ognisty połysk
• Końcowego scukrzenia – przeprowadza się próbę jodową
• Ilości wybicia – mierzy się za pomocą laski mierniczej, dana wyjściowa do obliczenia akcyzy
• Zawartości ekstraktu – stosuje się areometr wyskalowany w stopniach Ballinga

Podczas gotowania garbniki pochodzące z chmielu, a także z słodu ulegają rozpuszczeniu. Pod wpływem temperatury następuje połączenie się białek i garbników oraz substancji białkowych i utlenionych garbników. Takie struktury są nierozpuszczalne i wytrącają się w postaci kłaczków osadu inaczej zwanego przełomem.

Rozpuszczanie i przemiana składników chmielu

Żywice chmielowe
Inaczej substancje goryczkowe, to jedne z ważniejszych składników chmielu. To one odpowiadają za goryczkę chmielową. α-kwasy są nie rozpuszczalne w zimnej brzeczce. Podczas gotowania dochodzi do izomeryzacji tych związków. Powstałe izo-α-kwasy rozpuszczają się w ciepłej wodzie. Istotnym faktem jest to, iż tej przemianie ulega jedynie 30% wszystkich α-kwasów, dlatego podczas dodawania chmielu należy to uwzględnić. Wydajność substancji gorczykowych – izohumulonów zależy od:

• natura izohumulonów - kohumulon daje najlepszą wydajność izohumulonów, odmiany chmielu o większej zawartości kohumulonu dają mocniejszą goryczkę
• czas gotowania – wraz ze wydłużaniem się czasu gotowania wzrasta wydajność izohumulonów
• intensyfikacja izomeracji – wyższa temperatura gotowania
• wartość pH – wyższa wartość pH sprzyja procesowi izomeryzacji, natomiast przy niższym goryczka odbierana jest jako bardziej wyrównana i przyjemniejsza
• stopień rozdrobnienia chmielu – rozdrobnienie zwiększa szybkość ekstrakcji

Olejki chmielowe

Są to głównie substancje eteryczne, w chmielu znajduje się aż około 250 lotnych komponentów. Wpływają one głównie na aromat chmielu a tym samym piwa. Do najważniejszych olejków chmielowych należy myrcen, β-kariofilen, β-farnezen.  Substancje te wraz z czasem gotowania ulegają ulotnieniu, zwiększają się straty olejków co jest niepożądane przy produkcji piwa. Aby tego uniknąć chmiele aromatyczne o większej zawartości olejków dodaje się do gotującej brzeczki dopiero 10-20 minut przed zakończeniem gotowania. Pozwala to na zminimalizowanie strat oraz zachowania chociaż części najlepszych substancji aromatycznych.

Po procesie gotowania brzeczka kierowana jest na whirlpool w celu oddzielenia osadów gorących od brzeczki. Jest to zamknięte, cylindryczne naczynie z płaskim dnem i 1% spadkiem do spływu. Dopływ brzeczki odbywa się stycznie, przez co wywołuje się w naczyniu wirowy ruch cieczy powodujący zbieranie się osadu gorącego na dnie naczynia w postaci stożka. W browarnictwie stosuje się też whirlpoolo-kotły. Wtedy brzeczka pozostaje w kotle.

Kolejnym etapem jest chłodzenie brzeczki, ponieważ drożdże mogą przeprowadzać fermentacje w określonych temperaturach. Chłodzenie odbywa się za pomocą płytowego wymiennika ciepła, gdzie osiąga się żądaną temperaturę. Podczas spadku temperatury brzeczki poniżej 60^oC wytrąca się zimny osad i tak wcześniej klarowna ciecz stała się mętna. Powodem tego są związki białkowo-garbnikowe, o średnicy ok. 0,5 μm, które w zimniejszym środowisku silnie wytrącają się, natomiast podczas podnoszenia temperatury ponownie rozpuszczają się. Zimny osad usuwa się za pomocą wirowania, flotacji brzeczki lub filtrowania.

Na tym etapie jest ważne napowietrzenie brzeczki, rozpuszczony tlen zostanie zużyty przez drożdże podczas ich początkowego wzrostu. Dąży się aby natlenić brzeczkę w ilości  8-9 mg O₂/l

Fermentacja

Do odpowiednio natlenionej brzeczki dodaje się odpowiedni szczep drożdży. Dawka drożdży powinna wynosić 0,6-1 litra gęstwy na hel brzeczki. Fermentacje przeprowadza się w otwartych kadziach fermentacyjnych lub tankofermentorach, zwanych inaczej unitankami. Te pierwsze często można spotkać w starczych lub mniejszych browarach. Podczas fermentacji w takich kadziach piwo ma bezpośredni kontakt z powietrzem, dlatego istnieje niebezpieczeństwo zakażenia piwa mikroorganizmami unoszącymi się w powietrzu. Pomieszczenia, w których przebiega fermentacja powinny być dobrze chłodzone oraz posiadać dobry system wentylacji ze względu na ilość powstającego CO₂
Podczas produkcji piwa w otwartych kadziach fermentacyjnych można wyróżnić kilka charakterystycznych etapów fermentacji burzliwej:

1. faza niskich krążków – pojawia się piana
2. faza wysokich krążków – piana staje się brązowa, widać na powierzchni piany lekkie osady
3. faza opadania krążków – piana opada, a piwo zaczyna się klarować

Obecnie, szczególnie w dużych browarach, stosuje się cylindryczno-stożkowe tanki. Zbudowane są ze stali nierdzewnej, od dołu zamknięte stożkiem odwróconym podstawą do góry. Pozwala to na łatwiejsze usuwanie drożdży po procesie fermentacji. W takich tankach wymagane jest aby po nalaniu brzeczki pozostawić 20-25% wolnej przestrzeni na pianę. Zbiorniki takie często posiadają instalację do chłodzenia, urządzenia do kontroli procesu oraz do kierowania warunkami procesu fermentacji.
Fermentacja w unitankach przebiega 5-7 dni, zależnie od zastosowanych temperatur. Przy zastosowaniu 8-9^oC proces przebiega dłużej, natomiast w 12-15^oC krócej. W pierwszym etapie drożdże wykorzystują na przyrost biomasy, występuje oddychanie tlenowe. Po wyczerpaniu tlenu drożdże zaczynają zdobywać energię na drodze fermentacji alkoholowej. Z jednej cząsteczki glukozy powstają 2 cząsteczki etanolu, 2 cząsteczki dwutlenku węgla, energia związana chemicznie w postaci ATP oraz ciepło (dlatego wymagane jest chłodzenie kadzi fermentacyjnych lub unitanków). Podczas fermentacji metabolizowane są takie cukry jak: glukoza, maltoza i maltotrioza, a także białka, lipidy. Warto też zwrócić uwagę na powstawanie ubocznych produktów fermentacji takich jak: dwuacetyl, alkohole wyższe, estry, aldehydy.
Pierwszy związek powstaje podczas burzliwej fermentacji i odpowiedzialny jest za pojawienie się aromatu masła w młodym piwie. Podczas dojrzewania piwa dwuacetyl jest redukowany do butanodiolu, którego próg wyczuwalności jest bardzo wysoki.
Alkohole wyższe, zwane inaczej fuzlami odpowiedzialne są zaliczane do elementów piwa gotowego. Powstają one z hydroksykwasów, ketokwasów, z cukrów a także z aminokwasów. W gotowym piwie nie powinno znaleźć się więcej fuzli niż 100 mg/l. Powyżej tej wartości wpływają negatywnie na smak piwa.
Estry są najważniejszym składnikiem aromatu gotowego piwa. Powstają one głównie przez estryfikację kwasów tłuszczowych oraz estryfikację alkoholi wyższych. Piwa górnej fermentacji zawierają ich do 80 mg na litr piwa, dolnej fermentacji natomiast do 60 mg na litr piwa. Zbyt duża ilość estrów czasami może negatywnie wpływać na piwo, powodując gorzko-owocowy smak, w niektórych rodzajach niepożądany.
Do najważniejszych aldehydów wytwarzanych podczas fermentacji zalicza się aldehyd octowy. Powstaje on podczas szlaku metabolicznego wytwarzania alkoholu, jako jeden z produktów pośrednich. Aldehyd octowy jest odpowiedzialny za „piwniczny” aromat młodego piwa, jednak podczas dojrzewania zawartość tego związku znacznie się zmniejsza.
Przez cały przebieg fermentacji zbierany jest dwutlenek węgla i magazynowany. W późniejszym etapie jest wykorzystywany do karbonizacji piwa.
Po skończonej fermentacji ze stożka unitanku spuszczane są drożdże, reszta młodego piwa wędruje do tanków leżakowych.

Dojrzewanie piwa – leżakowanie

Piwo znajdujące się w tankach leżakowych podlega dojrzewaniu. W tym czasie dochodzi do końcowego odfermentowania oraz nasyceniem dwutlenkiem węgla poprzez drożdże, które nadal znajdują się w młodym piwie. W czasie leżakowania dochodzi także do wytworzenia charakterystycznego aromatu smakowo-zapachowego. Istotne jest także wytrącanie się osadów białkowych oraz flokulacja drożdży. Sprzyja temu określony zakres temperatury, od 0 do +1^oC. Piwo leżakuje od 2-6 tygodni.
Ważne jest aby po zakończeniu leżakowania unikać kontaktu piwa z tlenem. Na wylocie z tanku leżakowego piwo zawiera 0,00-0,01 O­2 mg/l.


Tlen jest czynnikiem wywołującym wytwarzanie karbonyli starzenia lub ich prekursorów.
Karbonyle są produktami utlenienia alkoholi wyższych i posiadają grupę aldehydową:

• 2-metylopropanal
• 2-metylobutanal
• 3-metylobutanal
• fenyletanal

Związki te cechują się niskim progiem wyczuwania. Powodują one, że w piwie odczuwa się  słodkawo-słodowy aromat (posmak chleba)

Filtracja

Kolejnym etapem w produkcji piwa jest filtracja. Celem tego procesu jest usunięcie z piwa komórek drożdży i innych zawiesin aby otrzymany produkt był klarowny . Do filtracji w mniejszych lub starczych browarach stosuje się kartonowe filtry namułowe. Wadą tych urządzeń jest konieczność rozbierania i czyszczenia kartonów z ziemi okrzemkowej i osadów. W większych browarach stosuje się świecowy filtr namułowy. Są to cylindryczne, stojące zbiorniki ciśnieniowe o stożkowym dnie. Górnej części zbiornika znajduje się płyta wraz ze świecami filtracyjnymi. Na tych elementach osadzona zostaje ziemia okrzemkowa, która później pełni funkcję warstwy filtracyjnej. Na świece nakłada się 3 warstwy filtracyjnie, dwie przed właściwą filtracją i jedną podczas filtracji, aby utrzymać przepustowość namulenia po przestawieniu na filtrację przy niezmiennym przepływie objętościowym. Niezmienny przepływ objętościowy jest konieczny, ponieważ przy uderzeniach ciśnienia i nieregularnym wypływie wytworzone mostki warstwy zostaną przerwane.
Po filtrze świecowym piwo trafia na filtr PVPP, który zapewnia stabilność koloidalną piwa. Polega to na wiązaniu za pomocą wiązań wodorowych poliwinylopolipirolidonu (PVPP) z garbnikami, które mogą powodować zmętnienia.
Kolejnym etapem jest karbonizacja piwa, czyli wyrównywanie zawartości CO₂ w piwie. Często wykorzystuje się dwutlenek węgla powstały podczas burzliwej fermentacji.

Rozlew

Przed rozlewem piwo przechodzi przez proces pasteryzacji, która ma zapewnić trwałość mikrobiologiczną piwa. Najbardziej wydajną metodą jest pasteryzacja w przepływie z wykorzystaniem płytowego wymiennika ciepła, gdzie piwo po pasteryzacji służy do podgrzewania zimnego piwa, natomiast zimnie piwo przed pasteryzacją służy do ochłodzenia piwa po procesie termicznym. Taki system pozwala na oszczędność energii zużytej do pasteryzacji. Piwo zostaje podgrzane do 68-72oC i utrzymuje się przez 50 sekund. W starszych browarach piwo pasteryzuje się dopiero po rozlewie do butelek. Jest to metoda droga, ze względu na dużą ilość zużytej energii i wody. Podczas takiej pasteryzacji istnieje też możliwość, że butelki z piwem mogą pękać.
W browarze piwo może być rozlewane do kegów o pojemności 50 i 30 litrów, puszek o pojemności 5 litrów, puszek o poj. 0,5 litra oraz szklanych butelek o pojemnościach 0,66 , 0,5 i 0,33 litra. W niektórych browarach rozlew odbywa się także do butelek PET.
Przy zastosowaniu butelek szklanych zwrotnych istnieje konieczność dokładnego ich umycia. Służą do tego monobloki. Do mycia butelek służy roztwór ługu o stężeniu 0,8-2%




Przykładowy przebieg mycia szklanych, zwrotnych butelek o pojemności 0,5 litra oraz napiełniania


1. Kontrola przyjmowanych w browarze butelek zwrotnych

 Usuwanie tych, które są:

• niewłaściwego kształtu, wysokości i barwy;
• wyszczerbione;
• zamknięte i wymagają usunięcia kapsla;

2. Mycie

• opróżnianie z resztek
• moczenie wstępne I i II – w kąpielach - ogrzanie do 40^oC;
• spłukanie od wewnątrz natryskiem 40-50^oC;
• wstępna kąpiel ługowa 60^oC;
• główna kąpiel ługowa 80^oC czas: 6-8 minut;
• spłukiwanie ługu;
• kąpiel po ługu w 60^oC;
• natryski ciepłą wodą I o temp. 40^oC i natryski ciepłą wodą II wodą o
• temp. 25-30^oC;
• natryski zimną wodą o temp. 15-20^oC;
• natryski świeżą wodą o temp. 10-12^oC

3. Inspekcja umytych butelek na czystość i uszkodzenia

• badanie zewnętrzne bocznych ścian butelki
• kontrola dnia butelki
• kontrola stanu krawędzi szyjki
• wykrywanie resztek ługu
• kontrola wewnętrznych ścian butelki

4. Napełnianie i zamykanie butelek - napełnianie z krótką rurka odpowietrzającą

• Pierwsza ewakuacja
• Przemycie CO₂
• Druga ewakuacja
• Napełnianie butelki CO₂ pod ciśnieniem
• Napełnianie piwem
• Koniec napełniania
• Redukcja ciśnienia
• Kapslowanie

5. Kontrola napełnionych butelek – stopień napełnienia, kapslowania, możliwości zawartości powietrza w szyjce butelki
6. Etykietowanie

• Kontrola naklejenia etykiet

Po skończonym procesie rozlewu butelki bądź puszki pakowane są w opakowania zbiorcze a następnie umieszczane na europaletach. Po zabezpieczeniu folia są transportowane do magazynu.

---

Branża piwowarska
Sławomir Franaszek