Размножение дрожжей в промышленных масштабах пивоваренного производства

1 июля 2026 10:00

// Аналитическое оборудование

В статье рассмотрен опыт применения кислородных датчиков OXYPro® WR при промышленном выращивании дрожжей в резервуаре объемом 340 гл. Авторы сравнивают результаты измерений с эталонными датчиками, демонстрируют возможности непрерывного мониторинга кислорода в жидкой и газовой фазах, а также показывают, как интеграция датчиков в систему управления технологическим процессом помогает поддерживать оптимальные условия культивирования и стабильное качество пива.

К. Краузе, К. Хубер

Измерение кислорода в газовой и жидкой фазах с помощью OXYPro® WR

В процессе размножения низового штамма пивоваренных дрожжей Saccharomyces pastorianus spp. carlsbergensis в резервуаре объемом 340 гл концентрация кислорода измерялась как в жидкой, так и в газовой фазе с использованием кислородного датчика OXYPro® от PreSens для мониторинга и управления интенсивностью аэрации. Полученные результаты сравнивались с показаниями эталонного датчика. В циркуляционной линии среднее расхождение между показаниями OXYPro® и эталонного датчика составило ±0,1 мг/л, тогда как измерения в выхлопном воздухе практически полностью совпадали.

При размножении S. pastorianus spp. carlsbergensis дрожжи культивируются в аэробных условиях с целью получения максимального количества биомассы при сохранении высокой жизнеспособности и физиологической активности клеток. После достижения необходимой концентрации клеток дрожжи хранятся до момента использования.

Основными задачами процесса являются:

обеспечение стабильного и воспроизводимого роста дрожжей высокого качества;
сохранение качества культуры до момента внесения в производственный процесс;
либо управление процессом таким образом, чтобы исключить необходимость хранения, сокращая или увеличивая продолжительность размножения в зависимости от производственного плана.

Основными регулируемыми параметрами являются температура, скорость и интенсивность аэрации, а также концентрация инокулята. Увеличение каждого из этих параметров позволяет сократить время процесса, однако одновременно может привести к снижению качества получаемой культуры.

На пивоваренных предприятиях датчики обычно устанавливаются непосредственно в технологическую линию через клапаны Varivent, что позволяет измерять параметры непосредственно в продукте. Широкодиапазонный кислородный датчик OXYPro® WR может использоваться совместно с адаптером Varivent, который крепится к датчику посредством резьбы PG 13.5. Такой адаптер обеспечивает простую и безопасную интеграцию датчика в клапан (рис. 1).

После установки OXYPro® подключается к центральной системе управления, что позволяет выполнять непрерывные поточные измерения концентрации кислорода. Кроме того, датчики выдерживают санитарную мойку CIP (Cleaning-in-Place), что является обязательным требованием для эксплуатации на пивоваренных предприятиях.

Для проведения эксперимента два датчика OXYPro® были установлены в различных точках технологического процесса: один измерял содержание кислорода в культуральной среде, второй — в выхлопном воздухе.

Рис. 1. Датчик OXYPro® с установленным адаптером Varivent и его интеграция в клапан Varivent на пивоваренном предприятии.

Материалы и методы

Штамм S. pastorianus spp. carlsbergensis выращивали в сусле в резервуаре объемом 340 гл при рабочем объеме 110 гл. Объем инокулята составлял 10 % (об./об.).

Во время процесса поддерживались следующие условия:

температура культуры — 12 °C;
линейная подача стерильного воздуха — 1,1 Нм³/ч;
заданная концентрация растворенного кислорода — 0,4 мг/л.

Датчик OXYPro® вместе с другими сенсорами был подключен к шкафу управления, который взаимодействовал с системой автоматизации ProLeit (ProLeiT AG, Германия) через интерфейс Profibus. Показания OXYPro® сравнивались с измерениями эталонных датчиков другого производителя.

Датчик OXYPro® WR был установлен в циркуляционной линии через клапан Varivent. Эталонный датчик также располагался в этой линии. Для измерений в газовой фазе OXYPro® размещался в воздухоотводящем канале, тогда как эталонный датчик устанавливался в куполе резервуара.

После завершения процесса все датчики подвергались санитарной обработке в условиях CIP с использованием следующих моющих растворов:

2 % NaOH;
активный хлор;
HNO₃ < 1 %;
надуксусная кислота;
при температуре не выше 50 °C.

Рис. 2. Схематическое изображение установки для размножения дрожжей с расположением установленных датчиков.

Результаты

На рисунке 3 представлены результаты измерения концентрации кислорода двумя датчиками OXYPro® WR и двумя эталонными датчиками во время процесса размножения дрожжей в резервуаре объемом 340 гл. Во время роста дрожжей концентрация растворенного кислорода поддерживалась на уровне 0,4 мг/л.

Через четыре дня процесс размножения был завершен, после чего началось охлаждение резервуара, а подача воздуха была прекращена. Это хорошо заметно по резкому снижению концентрации кислорода, зарегистрированному датчиками в циркуляционной линии.

На протяжении всего процесса датчики OXYPro® и эталонные датчики демонстрировали практически одинаковую динамику измерений. В жидкой фазе среднее различие между оптическим датчиком кислорода и эталонным датчиком составляло около 0,1 мг/л, что, вероятно, связано с различиями в процедурах калибровки двух измерительных систем.

В газовой фазе показания обоих датчиков практически полностью совпадали, несмотря на различное место их установки:

OXYPro® — в воздухоотводящем канале;
эталонный датчик — в верхней части резервуара.

После отключения аэрации резервуар был заполнен стерильным воздухом под избыточным давлением, что вызвало небольшое увеличение концентрации кислорода в выхлопном воздухе.

В этот момент содержание кислорода и CO₂ находилось в состоянии равновесия. По мере прекращения роста дрожжей и перехода к брожению образующийся углекислый газ повышал давление в резервуаре. Последующее постепенное стравливание давления вызывало временное снижение содержания кислорода в выхлопном воздухе и газовой фазе над культуральной средой. Именно этим объясняется характерная зубчатая форма кривых концентрации кислорода.

Было установлено, что датчик OXYPro® значительно лучше фиксирует кратковременные циклы вентиляции благодаря более высокому временному разрешению по сравнению с эталонным датчиком.

Рис. 3. Измерение концентрации кислорода во время процесса размножения дрожжей в резервуаре объемом 340 гл с использованием OXYPro® и эталонного кислородного датчика. Датчики, установленные в циркуляционной линии, показали среднее расхождение ±0,1 мг/л. После четырех дней аэрация была отключена. Измерения кислорода в воздухоотводящем канале (OXYPro®) и в куполе резервуара (эталонный датчик) продемонстрировали практически идентичные результаты.

Заключение

Широкодиапазонные кислородные датчики OXYPro® WR оптимально подходят для измерения концентрации кислорода в промышленных процессах пивоварения. Использование адаптера Varivent позволяет быстро и безопасно интегрировать датчики непосредственно в технологическое оборудование, а их устойчивость к процедурам санитарной мойки CIP обеспечивает надежную эксплуатацию в условиях производства. Проведенные исследования показали, что результаты измерений OXYPro® хорошо согласуются с показаниями эталонных датчиков.

Подключение датчиков к системе автоматизированного управления технологическим процессом обеспечивает непрерывный контроль процесса размножения дрожжей, способствует поддержанию стабильного качества культуры и, как следствие, помогает гарантировать постоянное качество выпускаемого пива.