cerveza

PRODUCCIÓN DE CERVEZA Capacidad de producción y tipo de proceso

El proceso que se va a desarrollar es un proceso discontinuo en el cual se piensa producir cerveza en lotes de dos metros cúbicos. Se prepararán tres lotes del producto por semana. La capacidad anual aproximada de la planta seria:

La cerveza que se va a producir es una cerveza AMERICAN PALE ALE, las cantidades de materias primas que se deben utilizar para producir un lote de dos metros cúbicos de esta cerveza se muestran a continuación: Cantidad adjuntos

de

malta

y

Los parámetros de esta cerveza son obtenidos de la guía BJCP del año 2008 y se muestran en la tabla OG

1045 – 1060

FG

1010 – 1015

AA

4.5 – 6.2%

SRM

5 – 14

IBUs

30 – 45

Como primera medida se determina la cantidad de granos totales. Para la elaboración de esta cerveza se necesita solamente malta base.

Donde GT son los granos totales, OG es la gravedad original y Q es la cantidad de cerveza a producir en litros, para este cálculo el valor de Q es de 2000 litros. Así, que los granos totales son:

La cantidad en Kg a utilizar de cada componente, en caso de que el tipo de cerveza a producir requiera de aditivos, se determina mediante la siguiente ecuación:

Donde G es el coeficiente de la malta, R es el rendimiento del equipo (recomendable 0.65 si no se conoce para luego ajustarlo al finalizar la producción) y P la cantidad en kg a usar de malta base. En la tabla 2 los coeficientes G para distintos tipos de malta. Malta base Malta tostada Malta caramelo Trigo Maíz Arroz Miel Azúcar de caña

35 25 33 36 37 37 30 46

– 37 – 30 – 35 – 39 – 39 – 35

Por lo tanto la cantidad de malta base a utilizar para la producción de un lote de producto de dos metros cúbicos es de 512.12 kg Cantidad lúpulo

de

El lúpulo es el encargado de darle a la cerveza el amargor y el aroma. La unidad de medición del amargor es el IBUs. La cerveza AMERICAN PALE ALE debe tener una cantidad aproximada de entre 30 y 45 IBUs de amargor. Esta cantidad se puede calcular mediante la siguiente ecuación:

En donde W (gr) son los gramos de lúpulo, Q la cantidad litros a producir, Cg el coeficiente de cálculo, IBU las unidades de amargor deseadas, U% el coeficiente del tiempo de hervor y AA el alpha-acid del lúpulo. Dependiendo del tiempo que va a estar en contacto el lúpulo en el hervido se toma el valor de U% de la siguiente tabla. 15 minutos

0.15

30 minutos

0.19

60 minutos

0.27

90 minutos

0.34

Para el coeficiente de cálculo se debe tener en cuenta la gravedad original: OG 1050

Cg 1 1+(OG1050)/200

Como el valor de OG es de 1050 el valor de Cg es de 1. Se utilizan cantidades diferentes de lúpulo para los tiempos de 60, 30 y 15 minutos respectivamente.

Cantidad levadura.

de

La cantidad de levadura que se debe inocular durante la fermentación ya esta predeterminada en la literatura para la levadura cervecera que se vende comercialmente, esta dosis recomendada es de 0.5 g por cada litro de mosto.

la cantidad en gramos de levadura que se debe utilizar durante la fermentación es:

Proceso Las etapas involucradas en el proceso de la producción de cerveza son los siguientes: Molienda •Maceración •Filtración •Preparación del inoculo •Hervido •Sedimentación •Fermentación •Maduración •Carbonatación •

Diseño detallado de los equipos mas importantes Los equipos más importantes y que fueron diseñados fueron: •

•

•

Tanque enchaquetado para el hervido del mosto Intercambiador de calor para la etapa de enfriamiento del mosto Fermentador

Tanque enchaquetado para el hervido del mosto El tanque de hervido es un equipo determinante en el proceso de producción de cerveza debido a que en esta etapa se concentra el mosto proveniente de la etapa de maceración para obtener una mayor concentración inicial de azucares en la fermentación. Además en esta etapa se adiciona la cantidad de lúpulo necesaria para darle

Tanque enchaquetado para el hervido del mosto

Para poder realizar el diseño de este equipo se tuvieron en cuenta las siguientes suposiciones: •

•

•

Proceso por lotes y en estado inestable fluido de servicio puro saturado cambiando de fase (fluido de servicio isotérmico) La temperatura es uniforme en

Tanque enchaquetado para el hervido del mosto Esquema de proceso

Tanque enchaquetado para el hervido del mosto Balance de energía

La acumulación de energía y la cantidad de calor suministrado por el sistema se pueden definir como:

Tanque enchaquetado para el hervido del mosto Reorganizando las ecuaciones anteriores se obtiene una ecuación diferencial que relaciona el cambio de la temperatura del sistema con el tiempo. Separando variables e integrando para resolver analíticamente la ecuación anterior se obtiene:

Tanque enchaquetado para el hervido del mosto El tanque se diseño en base a la ecuación que relaciona el cambio en la temperatura del mosto con el tiempo, esta ecuación se resolvió variando el tiempo hasta 3600 ● Tercer nivel segundos y a distintos ● Cuarto nivel valores de área de ● Quinto nivel transferencia de calor. Estas aéreas fueron calculados para tanques de 2.0, 2.2, 2.4, 2.6, 2.8, 3.0 metros cúbicos respectivamente.

Haga clic para modificar el estilo de texto de Segundo nivel

Intercambiador de calor para la etapa de enfriamiento del mosto

El enfriamiento eficiente del mosto después del hervido es una etapa importante del proceso debido a que garantiza que el mosto se encuentre a una temperatura ambiente a la hora de alimentarlo al tanque sedimentador para que sea más fácil decantar el lúpulo y por ende sea mas eficiente su posterior filtración. Además, si el mosto se enfría hasta una temperatura ambiente, las levaduras inoculadas en el proceso de fermentación van a crecer y a metabolizar el etanol necesario para obtener una cerveza con un grado de alcohol esperado

Intercambiador de calor para la etapa de enfriamiento del mosto Para poder realizar el diseño de este intercambiador se realizaron las siguientes suposiciones: •

•

El equipo a diseñar es un intercambiador de calor de doble tubo con 2 pasos por la coraza y 4 pasos por los tubos

Intercambiador de calor para la etapa de enfriamiento del mosto Esquema de proceso

Intercambiador de calor para la etapa de enfriamiento del mosto Balances de energía

Intercambiador de calor para la etapa de enfriamiento del mosto Utilizando los balances de energía se puede obtener una ecuación que relaciona la temperatura de salida del agua de enfriamiento a distintas relaciones de flujo

Intercambiador de calor para la etapa de enfriamiento del mosto Ecuación de diseño   Para poder involucrar la relación de alimentación de flujo con el área de transferencia de calor es necesario utilizar la ecuación de diseño de intercambiadores de calor e igualarla con el balance de energía del sistema.

Simulación de la Fermentación

Para la simulación se tomo en cuenta además de los comportamientos de producto y sustrato, el comportamiento de subproductos como diacetil y etil acetato, para la biomasa se tomo en cuenta células en estado de

Simulación de la Fermentación El sistema de ecuaciones clic para tomadas para la Haga simulación Segundo nivel del fermentador fue: ● Tercer nivel ●

Cuarto nivel ● Quinto nivel

modificar el estilo de texto d

Condiciones Para la simulación Haga clic para modificar el estilo de texto del Para la solución Segundo del nivel sistema de ecuaciones Tercer nivel Cuarto nivel se toma una relación de Quinto nivel biomasa para las células activas y para las células en latencia o se busca experimentalmente, en este caso se tomaron 58 % de células muertas, 48 de células en latencia y 2 % de células activas. Con esta condición inicial se resolvió las anteriores ecuaciones ●

●

●

Resultado de los Perfiles

Perfil Biomasa

Perfil de Etanol

5

70

Biomasa Suspendida Biomasa Activa

4.5

60

Concentración de etanol [g/L]

4

Concentración [g/L]

3.5 3 2.5 2 1.5

50

40

30

20

1 10 0.5 0

0

10

20

30

40

50 60 Tiempo [h]

70

80

90

0

100

0

20

40

Perfil de Sustrato

60 Teimpo [h]

80

100

120

Perfil de Diacetil

140

1 Concentración de Diacetil [ppm]

Concentración de Sustrato

120

100

80

60

40

0.6

0.4

0.2

20

0

0.8

0

50

100 Tiempo [h]

150

0

0

20

40

60 Tiempo [h]

80

100

120

Diseño y selección de bombas, compresores y Bombas sopladores centrifugas axiales. Construida en acero inoxidable. Caudal: de 2 a 5 000 m3/h o de 10 a 22 000 U.S GPM. Altura manométrica total: hasta 165 m o 540 pies. Presión máxima de servicio: hasta 20 bar.

Compresores Tipo pistón. Usos: Aire comprimido. Inyección de aire en la fermentación. Transporte del CO2 producido en la fermentación. Características técnicas: Construido en acero inoxidable. Potencia motor: 45 a 110 Kw.

Ventiladores Utilizados en las instalaciones de recepción de la malta y de la molienda para la extracción del polvo. Características técnicas: Construido en acero inoxidable. Flujo: 1998.9 m3/min Presión: hasta 20” c.a.

Uso, calidad y presión del vapor La fabricación de cerveza es un arte antiguo en el cual se prepara la cerveza a partir de la malta, el lúpulo, el agua y la levadura. Durante el proceso tienen lugar reacciones químicas complejas que acaban convirtiendo esas materias primas en cerveza. El vapor es esencial en este proceso para calentar, limpiar y pasteurizar.

La calidad del vapor es muy importante porque es este el que porta el calor necesario y que es transportado mediante tuberías. Se debe evitar que éste se condense antes de que llegue a los equipos que lo requieren.

La presión del vapor varia desentendiendo la magnitud del proceso, pero en la literatura se pueden encontrar datos de compañías cerveceras que operan entre 7 y 10 bar.

Calderas Las calderas industriales se construyen en un amplio campo de tamaños, presiones y temperaturas. Caldera ensamblada en taller: ●

Capacidad: 20.000 a 60.000 lb/h= (2,52 a 75, 6 kg/s)

●

Presión de vapor: 150 a 1000 psig = (1,03 a 6,9 MPa)

●

Temperatura del vapor saturado: 750ºF (399ºC)

Caldera levantada in situ: ●

Capacidad: 60.000 a 150.000 lb/h= (7,56 a 189, kg/s)

●

Presión de vapor: 150 a 1600 psig = (1,03 a 11, 03 MPa)

●

Temperatura del vapor saturado: 900ºF (482ºC)

Caldera de alta capacidad: ●

Capacidad: 150.000 a 300.000 lb/h= (18,9 a 378, kg/s)

●

Presión de vapor: 1000 a 1800 psig = (6,9 a 12, 41 MPa)

  Calderas piro-tubulares: Son aquellas donde toda la transferencia de calor se efectúa por el paso de los gases calientes de la combustión a través de tubos sumergidos en agua. El agua y el vapor están contenidos en una carcasa simple de forma cilíndrica. Características: ●

●

●

Se construyen en tamaños hasta unos 6 800 kg (15 000 lb) de vapor por hora (considerando un rendimiento nominal del 100%). La caldera de baja presión está limitada a 1.05 kg/cm2 (15 Ib/plg2) de presión de vapor (2.11 kg/cm2 en agua caliente (30 en Ib/plg2)) Caldera de vapor para generación de fuerza, puede operar a una presión de unos 17.6 kg/cm2 (250 Ib/plg2).

Capacidad:

Los Fluses

fluses pueden ir c para modificar el estilo de texto Los del patrón

nivel

nivel

o nivel nto nivel

dispuestos en hileras cales o en forma alternada de zigzag Los fluses son regularmente de 51 mm a 102 mm (2" a 4") de diámetro, y su selección depende de la pérdida de tiro y del tipo de combustible a usar. Frecuentemente se aumenta el diámetro en 25 mm (1") por cada 1.22