行業(yè)應(yīng)用 | 動態(tài)酵母擴(kuò)培協(xié)議的在線監(jiān)測

APPLICATION REPORT | Fermentation & Maturation

在釀造計劃不斷變化、停工和延遲的生產(chǎn)環(huán)境中，酵母的持續(xù)擴(kuò)培是一項(xiàng)挑戰(zhàn)?；谟嫊r器運(yùn)行的擴(kuò)培協(xié)議不靈活。它需要額外的外部實(shí)驗(yàn)室樣本和勞動力來糾正或調(diào)整擴(kuò)培協(xié)議。一種解決方案是使用在線傳感器，該傳感器提供準(zhǔn)確可靠的數(shù)據(jù)，以根據(jù)規(guī)范控制和運(yùn)行進(jìn)行擴(kuò)培。波士頓啤酒公司（BBC）采用 “Pitch & Pull” 方法擴(kuò)培各種酵母菌株，即擴(kuò)培物在多次投遞后不會進(jìn)行 CIP，直到切換到另一種菌株。在這種情況下，在試用了多個傳感器后，波士頓啤酒公司成功測試了安東帕的傳感器，該傳感器符合所有預(yù)期，并決定在波士頓啤酒公司的所有地點(diǎn)安裝這些傳感器。

波士頓啤酒公司（BBC）在所有啤酒廠運(yùn)營著一個先進(jìn)的擴(kuò)培系統(tǒng)，該系統(tǒng)于2013年至2016年間安裝。擴(kuò)培系統(tǒng)由Esau&Hueber（Schrobenhausen，GER）提供，以解決波士頓啤酒公司酵母管理的復(fù)雜性，它使用6種以上的標(biāo)準(zhǔn)和特殊酵母菌株。

擴(kuò)培空間占發(fā)酵罐全體積的10-15%，這意味著一個擴(kuò)培器提供了足夠的空間，可以為每個發(fā)酵罐投2-3批麥汁。無需延遲 Drauflassen 程序，可以連續(xù)添加麥汁，不會延遲。

波士頓啤酒公司采用了所謂的 “Pitch & Pull” 擴(kuò)培方法。進(jìn)入發(fā)酵罐的第一批麥汁以相應(yīng)的體積（發(fā)酵罐滿體積的 10-15%）投遞，而且還在擴(kuò)培器中留下10%的酵母擴(kuò)培體積。在第二次釀造，填充發(fā)酵罐的過程中，再次用新鮮的麥芽汁補(bǔ)充以繼續(xù)擴(kuò)培。根據(jù)酵母菌株和釀造節(jié)奏/需求，這種 “Pitch & Pull” 方法可以重復(fù)14-16次。由于系統(tǒng)的衛(wèi)生設(shè)計以及重新灌裝后的高活性酵母，到目前為止還沒有觀察到啤酒生物變質(zhì)的污染。

這種 “Pitch & Pull” 方法具有多種優(yōu)點(diǎn)：

• 每個擴(kuò)培器每周可能多達(dá)6個完整的發(fā)酵器投遞（總共4個擴(kuò)培器=每周多達(dá)24個完整的擴(kuò)培器投遞）

• 酵母處于生長期（無滯后期），類似于 “Drauflassen”

• 高活性酵母在初始階段抑制任何潛在的啤酒破壞物

• 更少的勞動力（自動化和從實(shí)驗(yàn)室到小型的酵母培養(yǎng)）

• 由于在沒有CIPs 的情況下持續(xù)擴(kuò)培，大幅減少了堿液、酸液和消毒劑的使用

該系統(tǒng)根據(jù)保存的協(xié)議按菌株和所需的擴(kuò)培持續(xù)時間運(yùn)行。如上圖所示，具有三個階段的協(xié)議包含各種參數(shù)，如溫度、時間、泵速和其他參數(shù)，并賦予釀酒師能夠靈活地根據(jù)細(xì)胞計數(shù)和提取物來調(diào)整參數(shù)。還有其他參數(shù)保持不變，如空氣流速和背壓。

各種酵母菌株的擴(kuò)培方案是利用供應(yīng)物的輸入以及包括提取物、細(xì)胞計數(shù)/活力、pH 和其他因素在內(nèi)的多個概況制定的。這些協(xié)議為受控環(huán)境中的一致擴(kuò)培奠定了可靠的基礎(chǔ)。然而，重要的是要認(rèn)識到，生產(chǎn)環(huán)境差異很大，其特點(diǎn)是頻繁的時間表變化、釀造廠/麥芽汁延遲、不可預(yù)見的停機(jī)時間、麥芽汁成分和溫度的變化、不同的灌裝量、節(jié)假日等。

為了適應(yīng)這些動態(tài)條件，釀造人員經(jīng)常發(fā)現(xiàn)自己增加了實(shí)驗(yàn)室樣本或檢查的數(shù)量。這允許釀造人員調(diào)整協(xié)議并解決遇到的特定變化。然而，這種方法將擴(kuò)培控制轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€勞動密集型的過程，涉及釀酒人員和實(shí)驗(yàn)室人員。

為了尋找一種能夠使靜態(tài)協(xié)議適應(yīng)各種外部因素的解決方案，波士頓啤酒公司探索了不需要額外勞動力的選擇。達(dá)成的共識是，儲罐或在線傳感器的實(shí)施可以為實(shí)現(xiàn)能夠有效應(yīng)對不斷變化的條件的動態(tài)協(xié)議提供潛在手段。

在波士頓啤酒公司考慮的各種方法中，最有前途的是利用在線提取物測量。這種方法比通過濁度測定的細(xì)胞計數(shù)更可取，因?yàn)楹笳呖赡軙憩F(xiàn)出受麥芽汁質(zhì)量（如冷松露遺留）和由于漂浮作用而導(dǎo)致槽中缺乏均勻性等因素影響的顯著變化。

此外，“Pitch & Pull” 方法的起始細(xì)胞計數(shù)可能不同，這進(jìn)一步增加了可變性。

對提取物數(shù)據(jù)的依賴提供了擴(kuò)培器當(dāng)前狀態(tài)的可靠說明，特別是在使用一致的麥芽汁質(zhì)量時，特別是相對于原始重力，但需要額外考慮，以確定將這些提取值納入方案的最佳方法。

例如，對于 12°P 和15°P 的麥芽汁，10.0%的提取物值是不同的。15°P 的麥芽汁具有顯著更高的細(xì)胞計數(shù)，這是由于原始重力和當(dāng)前提取物之間的提取物差異更大。捕捉這種差異的最佳方法是使用真實(shí)發(fā)酵度（RDF），使用真實(shí)提取物（RE）用這個簡單的公式表示：

DF (%) = ( 在擴(kuò)培器滿時 RE ? 當(dāng)前 RE ) ÷ 在擴(kuò)培器滿時 RE

如上圖所示，實(shí)現(xiàn) RDF 顯著提高了與實(shí)驗(yàn)室測量的相關(guān)性。因此，為了增強(qiáng)擴(kuò)培協(xié)議的動態(tài)特性，“Hours” 參數(shù)已被基于在線提取物傳感器實(shí)時數(shù)據(jù)的 RDF 參數(shù)所取代。這種調(diào)整使得能夠?qū)U(kuò)培過程進(jìn)行更精確和適應(yīng)性更強(qiáng)的控制。

在使用的12個月里，只有一次提取物讀數(shù)偏離了預(yù)期結(jié)果。在6周的 “Pitch & Pull” 方法后，折射儀棱鏡上覆蓋著殘留物，導(dǎo)致穩(wěn)定的假的偏高提取物讀數(shù)。安東帕建議在傳感器的另一側(cè)使用導(dǎo)流板。通過這種方式，液體被導(dǎo)向傳感器，確保棱鏡的連續(xù)機(jī)械“清潔”，并防止任何涂層的積聚。從那時起，沒有觀察到任何偏差，波士頓啤酒公司決定為剩余的擴(kuò)培器配備安東帕的在線提取物監(jiān)控器。目前，波士頓啤酒公司正在對不同菌株的各種協(xié)議進(jìn)行微調(diào)，以便在所有擴(kuò)培器都配備了提取監(jiān)測器后，將協(xié)議落實(shí)到位。

下一步微調(diào)擴(kuò)培協(xié)議是充氣制度，目標(biāo)如下：

• 確保每個階段都有足夠的氧氣供應(yīng)，以支持酵母增加生物量和麥角甾醇的形成，麥角甾醇對細(xì)胞壁的發(fā)育至關(guān)重要

• 通過消除擴(kuò)培器中的二氧化碳來創(chuàng)造一個有氧環(huán)境，以減少酵母的毒性應(yīng)激

波士頓啤酒公司提出了兩個問題：

• 我們是否可以通過在線氧含量測量來控制充氣，并且需要達(dá)到一定的氧含量才能高效擴(kuò)培？

• 還是通過嘗試實(shí)現(xiàn)盡可能低的 CO₂ 含量，CO₂ 含量是一個更可靠的值？

為此，安東帕的光學(xué)溶解 CO₂ 傳感器和光學(xué)溶氧傳感器已添加到已安裝的提取物傳感器旁邊的再循環(huán)管線中。

Carbo 6300 是一款基于衰減全反射（ATR）原理的免維護(hù)和EHEDG 認(rèn)證的溶解 CO₂ 傳感器，而 Oxy 5100 是一種基于熒光相移原理的在線 EHEDG 驗(yàn)證的氧傳感器。為了防止殘留層，如前所述，在 Carbo 6300 和 Oxy 5100 傳感器的對面安裝了導(dǎo)流板。

上圖顯示了在10天的擴(kuò)培時間框架內(nèi)，通過3次 “Pitch & Pull”活動，各自的二氧化碳水平，而目前關(guān)于氧含量結(jié)果的發(fā)現(xiàn)仍然沒有結(jié)論。波士頓啤酒公司和安東帕都在積極探索將氧含量測量納入擴(kuò)培協(xié)議的方法中。

CO₂ 值一致地表明存在三個不同的 "Pitch & Pull" 循環(huán)，初始擴(kuò)培發(fā)生在潛伏期之后。在每次擴(kuò)培過程中，由于充滿了麥芽汁，CO₂ 水平最初很低。然后濃度增加，直到達(dá)到最大值。在達(dá)到最大值后，由于階段3中較低的酵母活性、較強(qiáng)的充氣和較低的溫度，CO₂ 水平降低。

從這些剖面中獲得的見解有助于將擴(kuò)培器中的 CO₂ 濃度降至更低，并有助于優(yōu)化充氣協(xié)議。

安東帕的 L-Rix 5100 提取物監(jiān)測儀在波士頓啤酒公司的擴(kuò)培系統(tǒng)中進(jìn)行了成功的測試，顯示了實(shí)驗(yàn)室中在線提取物測量和外部測量提取物之間的強(qiáng)相關(guān)性。它證明了可靠性和穩(wěn)健性，能夠在不清洗儲罐的情況下長時間使用，并能適應(yīng)多種擴(kuò)培。

波士頓啤酒公司正在使用基于監(jiān)測儀提供的提取物值計算的 RDF 從靜態(tài)擴(kuò)培協(xié)議過渡到動態(tài)協(xié)議。RDF 在 “Pitch & Pull”機(jī)制中特別有價值，可以預(yù)測最小細(xì)胞計數(shù)并自適應(yīng)地控制擴(kuò)培，以一致地實(shí)現(xiàn)目標(biāo)細(xì)胞計數(shù)。

使用來自安東帕的溶解氧和溶解 CO₂ 傳感器進(jìn)行測試。雖然目前溶解氧的結(jié)果仍不確定，但監(jiān)測 CO₂ 顯示出不同的模式，使其適合于優(yōu)化充氣協(xié)議。

接下來，波士頓啤酒公司將利用提取物和二氧化碳傳感器的數(shù)據(jù)來微調(diào)酵母協(xié)議。通過實(shí)施更一致、更有效的擴(kuò)培，包括每周增加投遞次數(shù)，波士頓啤酒公司的目標(biāo)是在投遞次數(shù)和發(fā)酵時間上實(shí)現(xiàn)更大的一致性。

產(chǎn)品簡介

• 全量程型號的精度為 ±0.1°Brix

• 免維護(hù)，EHEDG 認(rèn)證

• 標(biāo)準(zhǔn)和客戶特定的濃度公式

• 可選HMI、各種模擬/數(shù)字和現(xiàn)場總線接口

• USB 通過免費(fèi) Pico 3000 軟件配置