W przemyśle fermentacyjnym podstawowym procesem technologicznym jest fermentacja. To dzięki niej otrzymujemy różnorodne produkty spożywcze.

Do prowadzenia fermentacji stosuje się drobnoustroje, np. bakterie, drożdże i pleśnie, oraz enzymy, które one wytwarzają. Wykorzystywane są jedynie czyste kultury drobnoustrojów, czyli wyselekcjonowane, rozmnożone w laboratorium z jednej komórki, mające odpowiednie cechy drobnoustroje. Jest to konieczne do prawidłowego przebiegu procesu fermentacji.

Piwowarstwo

Produkcja słodu

Słód to skiełkowane ziarno zboża. W piwowarstwie używa się przeważnie słodu jęczmiennego, ale także słodu pszenicznego. To podstawowy surowiec w produkcji piwa, który produkowany jest w słodowni. Może to być dział browaru albo oddzielny zakład produkcyjny.

Etapy procesu produkcji słodu jęczmiennego

Rodzaje słodu jęczmiennego i ich zastosowanie

Produkcja piwa

RTW3XTJU2s4RB1

Grafika przedstawia uproszczony schemat procesu technologicznego w produkcji piwa. Pierwszy etap to połączenie gorącej wody ze słodem w kadzi zaciernej. Tak otrzymany zacier ogrzewany jest stopniowo w kotle zaciernym i wówczas uaktywniają się enzymy pochodzące ze słodu. Następnie w kadzi filtracyjnej lub w filtrze zacierowym odbywa się filtracja zacieru. Kolejny etap odbywa się w kotle warzelnym – jego celem jest przejście do brzeczki rozpuszczalnych składników chmielu, które nadają piwu zapach i barwę oraz poprawiają jego smak. Podczas procesu chmielenia wytwarza się osad, który należy usunąć. Następnie należy ochłodzić brzeczki i usunąć osad. Po zaszczepieniu brzeczki drożdżami rozpoczyna się proces fermentacji w kadziach fermentacyjnych lub w tankofermentorach (wielkich zbiornikach). Czas fermentacji zależy od rodzaju produkowanego piwa i zawartości ekstraktu w brzeczce. Brzeczka zmienia się w młode piwo. Podczas tego etapu produkcji ekstrakt brzeczki jest odfermentowywany, zmniejsza się jego stężenie, a zwiększa zawartość alkoholu. Piwo znad osadów drożdżowych ściąga się do leżakowni. Po leżakowaniu piwo poddaje się filtracji, czyli usuwa się zawiesinę z płynu by był klarowny. Przefiltrowane piwo należy rozlać w odpowiednich warunkach do butelek, puszek, beczek lub kegów.

Piwo to napój alkoholowy, którego podstawowymi składnikami są: słód, chmiel i woda, a także drożdże. W dużym uproszczeniu proces produkcji tego napoju obejmuje wytworzenie brzeczki piwnej ze słodu, poddanie brzeczki fermentacji z udziałem drożdży, leżakowanie młodego piwa, filtracji produktu, jego rozlewu i pasteryzacji.

Brzeczka powstaje w warzelni browaru. Na ten proces składa się:

• śrutowanie słodu: Rozdrabnia się go w śrutowniku, co umożliwia lepsze wymycie składników słodu przez wodę i uzyskanie wysokiej wydajności ekstraktu.

• zacieranie: Śruta słodowa mieszana jest z odpowiednią ilością wody (w stosunku około 1:4) w kadzi zaciernej. Tak otrzymany zacier ogrzewany jest stopniowo w kotle zaciernym i wówczas uaktywniają się enzymy pochodzące ze słodu (powodują m.in. rozkład skrobi i białek). Cukry fermentujące powstałe podczas zacierania są pożywką dla drożdży, które będą wykorzystane podczas fermentacji brzeczki.

• filtrowanie zacieru: W kadzi filtracyjnej lub w filtrze zacierowym odbywa się filtracja zacieru. Ma to na celu oddzielenia płynnej brzeczki od nierozpuszczonych substancji. Na tym etapie powstają wysłodziny (młót), które są produktem ubocznym i można je wykorzystać do produkcji pasz dla krów.

Następne etapy procesu to:

• warzenie brzeczki (chmielenie): Proces ten odbywa się w kotle warzelnym, a jego celem jest przejście do brzeczki rozpuszczalnych składników chmielu, które nadają piwu zapach i barwę oraz poprawiają jego smak. Mają też działanie antyseptyczne. Chmiel dodawany do brzeczki może mieć postać szyszek chmielowych lub chmielu prasowanego, ale w nowoczesnych technologiach wykorzystuje się ekstrakty i koncentraty chmielowe. Podczas warzenia następuje zniszczenie enzymów i wyjałowienie brzeczki przed zaszczepieniem drożdżami. Powstaje też osad, który jest usuwany. Jeśli do produkcji piwa użyto szyszek lub chmielu prasowanego, powstały roztwór należy poddać odchmielaniu.

• odchmielanie (ewentualnie): Zabieg ten wykonuje się, aby usunąć nierozpuszczalne w brzeczce części chmielu. Powstają wówczas chmieliny – produkt uboczny.

• chłodzenie brzeczki: Ten etap to przygotowanie półproduktu do fermentacji. Następuje też usunięcie osadów (głównie związków garbnikowo‑białkowych) w kadziach osadowych i dalsze chłodzenie brzeczki w płytowych wymiennikach ciepła.

Kolejne etapy produkcji piwa są następujące:

• fermentacja: Po zaszczepieniu brzeczki drożdżami rozpoczyna się proces fermentacji w kadziach fermentacyjnych lub w tankofermentorach (wielkich zbiornikach). Do fermentacji używa się drożdży dolnej fermentacji, które po zakończeniu procesu opadają na dno zbiornika, z gatunku Saccharomyces uvarum. Drożdże mogą być dodawane w postaci tzw. gęstwy drożdżowej, czyli osadów drożdżowych z poprzedniego cyklu fermentacji, lub w postaci wstępnie namnożonej czystej kultury drożdży wyhodowanej w laboratorium. Można również użyć łącznie i gęstwy i drożdży czystej kultury. Fermentacja piw dolnej fermentacji najlepiej przebiega w niskich temperaturach około 5°C. Czas fermentacji zależy od rodzaju produkowanego piwa i zawartości ekstraktu w brzeczce.
  Na początku procesu tworzy się dwutlenek węgla (COIndeks dolny 2₂) i piana, której ilość stopniowo się zwiększa. Brzeczka zmienia się w młode piwo. Podczas tego etapu produkcji ekstrakt brzeczki jest odfermentowywany, zmniejsza się jego stężenie, a zwiększa zawartość alkoholu. Piwo znad osadów drożdżowych ściąga się do leżakowni. leżakowanie piwa: Proces odbywa się tankach przeważnie w temperaturze 0–2°C. Czas leżakowania piwa zależy od jego rodzaju (piwa lekkie około 1 miesiąca, piwa mocne powyżej 3 miesięcy, piwa typu porter nawet pół roku). Na tym etapie piwo nasyca się dwutlenkiem węgla i się klaruje, tzn. usuwane są przez COIndeks dolny 2₂ składniki lotne, następuje wzbogacenie smaku i zapachu piwa oraz niewielki wzrost stężenia alkoholu.

• filtracja piwa: Usuwane są zawiesiny, które nie opadły podczas leżakowania, i komórki drożdży zawieszonych w piwie. Poprawia to klarowność piwa, zapobiega jego zmętnieniu i przedłuża trwałość. Proces ten można powtarzać kilka razy.

• rozlew piwa: Podczas rozlewania piwa do butelek, puszek, beczek lub kegów należy zadbać o to, aby nie było dostępu tlenu, a proces odbywał się w warunkach aseptycznych i przy zachowaniu zasad higieny produkcji. Ciśnienie napełniarek powinno być zbliżone do ciśnienia atmosferycznego.

• pasteryzacja piwa: Proces ten może odbywać się w dwojaki sposób:
  – pasteryzacja przepływowa (przed rozlewem piwa);
  – pasteryzacja w opakowaniach.

Piwo w magazynie przechowuje się w temperaturze około 5°C.

Produkcja win

Wino powstaje w procesie fermentacji nastawu otrzymanego z moszczu. Winem określa się napoje fermentowane z moszczu z winogron i są to wina gronowe. Produkty fermentacji z moszczu innych owoców nazywamy winami owocowymi.

Krok I: produkty potrzebne do produkcji wina

Umyte, oczyszczone i posortowane owoce poddaje się tłoczeniu i w ten sposób otrzymuje się moszcz. Aby tłoczenie było łatwiejsze, można owoce rozdrobnić lub ugnieść. Dodaje się też preparat pektynolityczny, który neutralizuje pektyny, co ułatwia wydobycie m.in. soku, flawonoidów i barwników. W obróbce owoców jagodowych można zastosować wstępną fermentację w celu uzyskania lepszej barwy i zapachu, a powstały w ten sposób alkohol etylowy działa konserwująco. Ze 100 kg owoców otrzymuje się średnio 85 l moszczu. Można go konserwować dwutlenkiem siarki lub zagęszczać. Produktem ubocznym przy produkcji moszczu są wytłoki, które wykorzystane są jako pasze lub do otrzymywania pektyny.

Do sporządzenia nastawu potrzebne są:

• moszcz,

• cukier (do ok. 300 g/l nastawu),

• woda (rozpuszczalnik dla cukru i pożywki oraz regulator temperatury; odpowiednia temp. to 15–18°C, w czasie fermentacji do 23–25°C, najbardziej odpowiednia dla drożdży winiarskich),

• matka drożdżowa (w ilości 2–5%),

• pożywka dla drożdży (zazwyczaj zawierająca fosforan amonu),

• środek konserwujący (zazwyczaj dwutlenek siarki – 30–150 mg/l, zabezpiecza nastaw przed rozwojem niepożądanych drobnoustrojów, a głównie drożdży dzikich).

Do produkcji win owocowych, zwłaszcza słodkich i o dużej mocy, potrzebny jest cukier. Znając zawartość cukru w owocach i ich kwasowość, możemy wyliczyć ilość cukru potrzebną do przygotowania nastawu. Jeżeli to duża ilość, należy dodawać cukier porcjami – część przy sporządzaniu nastawu, resztę podczas jego fermentacji. Zbyt duża ilość cukru powoduje zahamowanie rozwoju drożdży (stężenie ponad 20%). Cukier podaje się w postaci syropu wodno‑cukrowego.

Krok II: etapy fermentacji nastawu

Proces fermentacji zachodzi w tankach, czyli zbiornikach fermentacyjnych.

Fermentacja trwa od czterech do ośmiu tygodni. Wina wytrawne potrzebują krótszego okresu fermentacji, a wina słodkie dłuższego. Na czas fermentacji wpływa też gatunek drożdży, a proces można wydłużyć dodając w jego trakcie cukier.

Krok III: obciąg młodego wina

Kolejnym krokiem w produkcji wina jest obciąg młodego wina. Należy go przeprowadzać ostrożnie, aby nie ściągać z winem osadów z dna zbiorników fermentacyjnych. Wino ściągamy, stosując zasysanie pompą lub lewarowanie (wykorzystanie różnicy poziomów cieczy).

W celu utrzymania odpowiedniej słodkości młode wino poddaje się pasteryzacji. Zostaje wówczas zatrzymana fermentacja, drożdże giną, a w winie pozostaje nieodfermentowany cukier.

Krok IV: leżakowanie

Podczas tego etapu produkcji tworzy się bukiet wina. Leżakowanie umożliwia też klarowania się wina. Należy wówczas utrzymywać odpowiednią temperaturę od 5–18°C (niższe temperatury dla win wytrawnych i półsłodkich, wyższe – dla win słodkich). W przypadku trudności w uzyskaniu klarownego płynu dodaje się środki klarujące lub stosuje filtrowanie.

W celu poprawy cech wina stosuje się kupażowanie, czyli miesza się ze sobą różne partie wina o wzajemnie uzupełniających się cechach.

Krok V: rozlew wina

Rozlew win może odbywać się:

• na zimno w warunkach sterylnych,

• na gorąco (w temperaturze podwyższonej do 45–55°C),

• sposobem kombinowanym (rozlew gorąco‑zimny).

Gorzelnictwo

W przemyśle gorzelniczym produkuje się spirytus surowy (surówkę), spirytus rektyfikowany, wódki i denaturat, wykorzystując do tego surowce zawierające cukier.

Produkcja surówki spirytusowej

Spirytusy spożywcze produkuje się z ziemniaków lub zboża, ponieważ jest w nich obecna skrobia. Zostaje ona poddana hydrolizie i w ten sposób uzyskuje się cukry, które ulegają fermentacji za sprawą drożdży. W ten sposób powstaje alkohol etylowy będący podstawowym składnikiem spirytusu surowego i rektyfikowanego.

Oto kolejne kroki procesu produkcji surówki z ziemniaków:

1. Ziemniaki są myte i poddane parowaniu w celu częściowej hydrolizy.

2. Aby przeprowadzić pełną hydrolizę skrobi dodaje się do nich świeży słód, który otrzymuje się ze skiełkowanego jęczmienia. W ten sposób powstaje zacier. Zacieranie odbywa się w kadzi i trwa ok. 2 godzin.

3. Po etapie zacierania do powstałego zacieru dodaje się matkę drożdżową. Następuje fermentacja i powstaje alkohol etylowy. W trakcie tego procesu powstają też m.in. inne alkohole. Fermentacja trwa ok. 70 godzin.

4. Następnym krokiem jest destylacja przeprowadzana w temperaturze 30°C, w wyniku której powstaje surówka spirytusowa.

5. Produktem ubocznym po odpędzeniu spirytusu z surówki jest wywar. Można go wykorzystać np. do produkcji drożdży paszowych.

Produkcja spirytusu

Prosta destylacja nie wystarcza, by otrzymać czysty alkohol etylowy. Z tego powodu surówkę poddaje się procesowi rektyfikacji. Polega ona na rozdzieleniu mieszaniny cieczy na poszczególne składowe w drodze wielokrotnego odparowywania i skraplania w kolumnie rektyfikacyjnej.

Surówka rozdzielona zostaje na alkohol etylowy, wodę i produkty uboczne fermentacji.

Etapy produkcji wódek czystych:

1. uzdatnianie wody;

2. rozcieńczanie spirytusu uzdatnioną wodą;

3. oczyszczanie (sączenie przez węgiel drzewny i filtracja);

4. wyrównywanie mocy wódki;

5. rozlew.

Etapy produkcji wódek gatunkowych:

1. przygotowanie surowców: spirytusu, wody, dodatków (np. destylatów owocowych, nalewek, soków itp.);

2. zestawianie wódek – połączenie surowców zgodnie z recepturą;

3. leżakowanie – dojrzewanie wódek;

4. filtracja;

5. rozlew.

Drożdżarstwo

Drożdże to jednokomórkowe mikroorganizmy należące do królestwa grzybów. Drożdże piekarskie są z gatunku Saccharomyces cerevisiae, z którego pochodzą też drożdże górnej fermentacji, drożdże winiarskie i gorzelnicze.

Drożdże piekarskie wykorzystuje się jako:

• środek spulchniający (drożdże piekarskie prasowane lub suszone),

• dodatek wzbogacający wartość odżywczą pieczywa i innych wyrobów (drożdże nieaktywne – martwe komórki drożdży),

• składnik pasz (drożdże nieaktywne).

Podstawą produkcji drożdzy piekarskich jest głównie melasa ze względu na dużą zawartość cukru. Produkowane są drożdże prasowane, suche i płynne.

Etapy produkcji drożdzy piekarskich prasowanych są następujące:

1. rozcieńczanie melasy gorącą wodą (w stosunku 1:2 lub 1:3) w celu otrzymania brzeczki melasowej,

2. zakwaszanie brzeczki kwasem siarkowym,

3. ogrzewanie – pod wpływem wysokiej temperatury następuje sterylizacja brzeczki melasowej,

4. klarowanie – oddzielenia osadów i zawiesin wytrąconych po dodaniu kwasu i ogrzewaniu, np. w wirówkach,

5. dodanie pożywki – do wzrostu komórek drożdży potrzebne są azot i fosfor, dlatego w procesie produkcji stosuje się roztwór siarczanu amonu oraz wyciąg z superfosfatu,

6. zaszczepianie drożdżami czystej kultury wyhodowanymi w laboratorium,

7. fermentacja (prowadzenie hodowli) – proces ten odbywa się w kadzi fermentacyjnej; trwa kilkanaście godzin w temperaturze ok. 25°C; w tym czasie do kadzi doprowadzane jest czyste mikrobiotycznie powietrze (napowietrzanie); zabieg ten powoduje szybkie rozmnażanie się drożdży: drożdże prowadzą wtedy oddychanie (wydziela się dwutlenek węgla) i intensywnie zwiększają swoją masę,

8. odwirowanie w wirówkach z wykorzystaniem wody głębinowej; jako produkt uboczny powstaje odciek,

9. prasowanie za pomocą pras filtracyjnych lub filtrów próżniowych, aż do uzyskania ok. 25% suchej masy; jako produkt uboczny powstaje odciek,

10. formowanie,

11. pakowanie.

Przemysł octowy

Znany powszechnie ocet to 5–10% roztwór kwasu octowego. Kwas ten powstaje w procesie fermentacji octowej etanolu, czyli w procesie fermentacji alkoholowej, w której udział biorą bakterie octowe Acetobacter. Nie jest to typowy proces fermentacji, ponieważ zachodzi w warunkach tlenowych.

Do produkcji kwasu octowego używa się alkoholu etylowego (spirytus, najlepiej ziemniaczany, ale także wino i sfermentowane soki), wody (do rozcieńczania spirytusu), pożywki dla bakterii (sole mineralne, ekstrakt słodowy).

Kwas octowy można produkować na trzy sposoby:

• metodą powierzchniową – najstarsza i najwolniejsza metoda; odbywa się na drodze samorzutnego zafermentowania wina w płaskich otwartych kadziach; do produkcji na skalę przemysłową używa się beczek z otworami wentylacyjnymi, które mają zapewnić dobre napowietrzenie; beczki wypełniane są w 1/3 winem z dodatkiem octu winnego i zaszczepiane odpowiednimi kulturami bakterii; powstaje ocet winny o posmaku wina i stężeniu kwasu octowego do 8%;

• metodą ociekową – w generatorze znajduje się porowaty materiał nośny o dużej powierzchni i chłonności (np. wióry bukowe); bakterie są unieruchomione na materiale; od góry na materiał nośny podaje się odpowiednio przygotowany zacier, który spływając, utleniany jest przez bakterie do kwasu octowego;

• metodą wgłębną – obecnie stosowana, nowoczesna, wydajna i szybka metoda produkcji z wykorzystaniem fermentorów ze stali kwasoodpornej; umożliwia to stałą kontrolę procesu produkcyjnego, który odbywa się przy napowietrzaniu drobnymi pęcherzykami powietrza.

W przemyśle spożywczym kwas octowy wykorzystywany jest przy produkcji m.in. serów, nabiału, konserw, marynat, sosów, a także do oczyszczania instalacji.

Miejsce na notatki