III. Bilanţ de materiale
În secţia de fermentare se lucrează tot anul exceptând perioada de remont de 14 zile care se alege la sfârşitul anului atunci când se apropie sărbătorile. Se mai scad şi zilele de sărbători legale care sunt în numărul de 7. Se lucrează 5 zile pe săptămână în 2 schimburi de câte 8 ore. Numărul total de ore la sfârşit de săptămână este de 104. Se ştie că producţia anuală de bere este de 250.000 hl/an, prin urmare într-o zi lucrătoare vom obţine: 250.000 hl : 240 zile = 1041 U/zi bere îmbuteliată Bilanţul de materiale se va calcula pornind de la îmbuteliere pentru a obţine în final cantitatea de must de bere ce intră la fermentare. a). Bilanţ global pentru condiţionare şi îmbuteliere
L1 = L+P1 L1 = cantitatea de bere brută, hl; L= cantitatea de bere finită, hl; P1=pierderi
la
condiţionare
şi
îmbuteliere
(0,5%
îmbuteliere
+
0,6%pasteurizare+0,4filtrare)=1,5% P1 =
1,5 100
L1=L+
×
1,5 100
L1 ×
L1
(100-1,5) x L1 = 100 x L
L1
=
100 ×1041 98,5
L1= 1056,85 hl/ şarjă b). Bilanţ pentru operaţia de fermentare:
L2 = L1+P1 L1 = cantitatea de bere brută, hl; L2= cantitatea de must primitiv, hl; P1=pierderi globale la fementare (1,2% fermentare primară+ 0,6% fermentare secundară)=1,8%
13
P2 =
1,8 100
L2 = L1+
×
L2
1,8 100
×
L2
(100-1,8) x L2 = 100 x L1 100 ×1056,85
L2 =
=1076,22
98, 2
hl/ şarjă
c). Bilanţ pentru operaţia de limpezire la rece M3 = M2+T+P2 M3 = cantitatea de must nelimpezit, răcit, kg M2 = cantitatea de must primitiv, kg T = cantitatea de trub depusă, kg P3 = pierderi la limpezire, kg P3 = 3% ρ must primitive este: ρ la 20ºC = 1,0483 x 102 kg Se face corecţia la temperatura: ρ la 6ºC = ρ la 20ºC - 0,00069 x (6-20) ρ la 6ºC = 1,03864 x 102 kg/hl Cantitatea de must primitive este: M2 = L2 x ρ M2 = 1076,22 x 1,03864 x 102 M2 = 111780,51 kg/şarjă P3 =
0,3
×
100
M3
Prin procedeul de separare a trubului la rece în tancul de însămânţare se elimină 40% din cantitatea de trub. T= T=
40 100
40 100
M3
×
0,3
×
100
12
T=
×
M 3
10000
M3 = M2 +
x M3
12 10000
×
M3
+
0,3 100
M3
10000 x M3 = 10000 x M2 + 12 x M3 + 0,3 x 100 x M3 14
(10000-12-30) x M3 = 10000 x M2 9958 x M3 = 10000 x M2 9958 x M3 = 10000 x 111780,51 M3 = 112251,96 kg/şarjă 0,3 3
P= T=
×
M 3
100
40 100
×
= 336,75 kg/şarjă
0,3
100
x M3 = 134,70 kg/şarjă
Bilanţ de materiale pentru fiecare etapă a fermentării mustului de bere
M2 + D = M5 + M1CO2 + P5 M2 = cantitatea de must primitiv, kg; D = cantitatea de drojdie, kg; M5 = cantitatea de must angajat, kg; M1CO2 = cantitatea de CO2 ce se elimină; P5 = pierderi datorate de drojdii de celule moarte; P5 = 0,6% Cantitatea de drojdie adăugată de 0,5 l/hl must. D=0,5L2 x ρ 8 ºC D = 0,5 x 1076,22x 1,0453 D = 562,48 kg ρ 8ºC = densitatate drojdiei la 8ºC ρ 8ºC =1,0453 kg/l P5 = P5 =
0,6 100
×
0,6 100
M2
×
111780,51
P5 = 670,68 kg CO2 se formează în urma reacţiei de fermentare şi respiraţie, iar în timpul angajării realizează o amorsare a fermentaţiei. G.F.=10% G.F.= gradul de fermentare G.F. real = 8,1% 15
Extractul de must primitiv este: Ep(100 − G.F .real)
e1=
100
Ep = extract de must primitiv Ep = 12% e1=
12(100 − 8,1) 100
=
11,02
Cantitatea de extract consumat la angajare este: E1 = E1 =
Ep
−
el ×
100
M2
12 −11,02 100
×
M2
E1 = 0,0098 x 111780,51 E1 = 1095,44 kg Din această cantitate 5% se consumă reacţia de respiraţie: Er = Er =
5 100 5 100
×
E1
1095,44 = 54,77
×
kg
Pentru simplificare se consideră că extractul consumat e alcătuit doar din maltoză. Ecuaţia reacţiei de respiraţie este: C12H22 + H2O 2C6H12O6 + 12O212O2 + 12H2O 342…………………………………….12 x 44 Er………………………………………M1; 1CO2 M1;1CO2 = M1;1CO2 =
Er
12 × 44
×
342 54,77 ×12 ×44 342
M1;1CO2 = 84,56 kg Cantitatea de extract consumat prin fermentare este 95%: 95 f
E= Ef =
100 × E
1
95 100
1095,44
×
Ef = 1040,66 kg 16
Ecuaţia reacţiei de fermentare: C12H22O11 + H2O2C6H12O64C2H5OH + 4 CO2 342…………………………4 x 46………………..4 x 44 Ef………………………….M1……………………M1;2CO2 Ef 1;2CO2
M
=
M1;2CO2 =
×
4 × 44
342
1040,66 ×4 ×44 342
M1;2CO2 = 535,54 kg Cantitatea de alcool etilic format este: M1 = M1 =
Ef
×
4 × 46
342
1040,66 ×4 ×46 342
M1 = 559,88 kg Cantitatea totală de CO2 format la angajare este: M1CO2 = M1;1CO2 + M1;2CO2 M1CO2 = 84,56 + 535,54 M1CO2 = 620,1 kg M5 = M2 + D - M1CO2 - P5 M5 = 111780,51 + 562,48 – 620,1 – 670,68 M5 = 111052,21 kg b). Bilanţul de materiale pentru operaţia de fermentare primară
M5 = M6 + D1 + M2CO2 + P6 – P’ M5 = cantitatea de must angajat, kg M6 = cantitatea de bere tânără, kg D1 = cantitatea de drojdie recoltată, kg M2CO2 = cantitatea de CO2 degajată, kg P6 = pierderi pe pereţii tancului, conducte, datorită spumei, a apei de spălare, kg P’ = cantitatea de masă umedă antrenată de CO2, kg Berea tânără este caracterizată de un grad de fermentare: G.F.= 68% G.F. real = 68 x 0,81 = 55,08 % 17
Extractul berii tinere este: e2 = e2 =
Ep(100 − G.F .real) 100 12(100 − 55,08) 100
=5,39
Extractul consumat de fementaţia primară este: e −e E2= 1 2 × M 5 100
E2=
11,02 −5,39 100
111052,51
×
E2 = 6252,25 kg Din această cantitate 4% se consumă la repiraţie. Er =
4 100
×
E2
4
Er =
100
×
6252,25
Er = 250,09 kg Ecuaţia procesului de respiraţie este: C12H22O11 + H2O2C6H12O6 + 12O2 + 12H2O 342…………………………………………….12 x 44 Er………………………………………………M2;1CO2 M2;1CO2 = M2;1CO2 =
Er
12 × 44
×
342 250,09 ×12 ×44 342
M2;1CO2 = 386,10 kg Cantitate de extract de fermentare este: Ef = Ef =
96 100 96 100
×
×
Er
250,09
Ef = 240,08 kg Ecuaţia reacţiei de fermentare este: C12H22O11 + H2O2C6H12O64C2H5OH + 4 CO2 342………………………….4 x 46…………….4 x 44 Ef……………………………M2……………….M2;2CO2 18
M2;2CO2 = M2;2CO2 =
Ef
×
4 × 44
342
240,08 ×4 × 44 342
M2;2CO2 = 123,54 kg Cantitatea totală de CO2 este: M2CO2 = M2;1CO2 + M2; 2CO2 M2CO2 = 386,10 + 123,54 M2CO2 = 509,64 kg Masa de bere se saturează cu 0,2%. Cantitatea de CO2 reţinută este: M2 = M2 =
0,2
×
100
0,2 100
M5
×
111052,21
M2 = 222,10 kg Cantitate de CO2 captată de staţia de CO2 este: MCO2 = M2CO2 –M2 MCO2 = 509,64 – 222,10 MCO2 = 287,54 kg Cantitatea de alcool din berea brută este: M2 = M2 =
Ef
×
4 × 46
342 ×
240,08 4 342
×
46
M2 = 129,16 kg Malcool = M2 + M1 Malcool = 129,16 + 559,88 Malcool = 689,04 kg Procentul de alcool din berea tânără este: M5………………………Malcool 100……………………..% A% = A% =
M alcool ×100 M5 689,04 ×100 111052 , 21
19
A% = 0,620 Berea tânără se asimilează cu o soluţie apă-alcool cu o concentraţie 0,643. Fracţia molară a alcoolului etilic este: A% M alcool
Xa =
A% M alcool
Xa =
Xa =
−
100 A% M apa
0,620 46 0,620 100 − 0,620 +
46
Xa =
+
18
0,01347 0,01347 + 5,5211 0,01347 5,5345
Xa = 0,002433 Fracţia molară a apei este: 1 - Xa = Xb Xb = 1- 0,002433 Xb = 0,9975 Temperatura medie de saturaţie este de: T = 6ºC Presiune de saturaţie a apei este la 6ºC Pb = 0,05345 x 104 N/m2 Presiunea de saturaţie a alcoolului: Pa = 0,21964 x 104 N/m2 Presiunea de saturaţie a amestecului: Ps = Pa Xa + Pb Xb Ps = 5,343 + 533,16 Ps = 538,50 kg Se aplică legea lui Raoult asupra amestecului: Psa =YaPs = PaXa Ya =
Pa X a Ps
20
Ya =
5,343 538,50
Ya = 0,0099 Psb =YbPs = PbXa Yb =
Pb X b Ps
Yb =
533,16 538,50
Yb = 0,99 Masa moleculară a vaporilor este: Mv = Ya Ma + Yb Mb Mv = Ya x 46+ Yb x 18 Mv = 0,0099 x 46+ 0,99 x 18 Mv = 0,4554+ 17,82 Mv = 18,27 Se consideră că CO2 se degajă la o presiune de P = 9,8 x 10 4 N/m2 Conţinutul de umezeală este: Xs = Xs =
Mv
×
M CO 2 18,27
×
46
Ps P − Ps 538,50 9,8 ×10
4
−
538,50
Xs = 0,39 x 0,0055 Xs = 0,00215 Masa umedă antrenată de CO2 este: P’ = Xs x M2CO2 P’ = 0,00215 x 509,64 P’ = 1,095 kg Pierderile la fermentare sunt: P6 = P6 =
0,6 100
0,6 100
×
M5
111052,21
×
P6 = 666,31 kg Cantitatea de drojdie recoltată este: D1 = 4 x D 21
D1 = 4 x 562,48 D1 = 2249,92 kg Cantitatea de bere tânără rezultată este: M6 = M5 – D1 – M2CO2 – P6 – P’ M6 = 111052,21 – 2249,92 – 509,64 – 666,31 – 1,095 M6 = 107625,24 kg a). Bilanţul de materiale pentru operaţia de fermentare secundară:
M6 = M7 – D2 – M3CO2 – P7 – P’’ M6 = cantitatea de bere tânără, kg M7 = cantitatea de bere brută, kg M3CO2 = cantitatea de CO2 degajată, kg D2 = cantitatea de drojdie recoltată, kg P’’ = masa umedă antrenată de CO2, kg P7 = pierderi 0,6%, kg D2 = 0,75 x D D2 = 0,75 x 562,48 D2 = 421,86 kg Gradul de fermentare este: G.F.=80% G.F. real = 64,8 Extractul de bere brută este: Ep(100 − G.F .real) 3
e=
100
Ep = 12% e3 =
12(100 − 64,8) 100
e3 = 4,224
Cantitatea extractului consumat este: (e
E3 = E3 =
−
2
e )
100
3
×
M6
(5,39 − 4,224) 100
×
107625,24 22
E3 = 1254,91 Din aceasta 4% se consumă pentru consumul drojdiei: Er = Er =
4 100
×
E3
4 ×1254,91 100
Er = 50,19 Ecuaţia procesului de respiraţie: C12H22O11 + H2O2C6H12O6 + 12O212CO2 + H2O 342…………………………………..12 x 44 Er…………………………………….M3;1CO2 M3;1CO2 = M3;1CO2 =
Er
12 × 44
×
342 50,19 ×12 × 44 342
M3;1CO2 = 77,48 kg Extractul consumat la fermentare este: Ef = Ef =
96 100
96 100
×
E3
1254,91
×
Ef = 1204,71 C12H22O11 + H2O2C6H12O64C2H5OH + 4 CO2 342………………………….4 x 46…………….4 x 44 Ef……………………………………………….M3;2CO2 M3;2CO2 = M3;2CO2 =
Ef
×
4 × 44
342
1204,71 ×4 ×44 342
M3;2CO2 = 619,96 kg Cantitatea de CO2 format este: M3 = M3;1CO2 + M3;2CO2 M3 = 77,48 + 619,96 M3= 697,44 kg 23
În masa de bere se reţine CO 2 până la saturarea berii, care în condiţiile de temperatură şi suprapresiune pentru fermentarea în TCC este de 0,5% însă în proces 0,2% s-a reţinut la fermentarea primară. Cantitatea de CO2 reţinută este: 0,5
×
M
2CO2
6 = 100 0,5 × 107625,24 M2CO2 = 100
M
M2CO2 = 538,12 kg Cantitatea de CO2 eliminată din tanc este: M3CO2 = M1CO2 - M2CO2 M3CO2 =620,1- 509,64 M3CO2 = 110,46 kg Se aplică legea lui Raoult: Psa = Ya x Ps = Pb x Xb Ya = Ya =
Xa
×
Pa
Ps 0,002433×0,21964 ×10
4
538,50
Ya = 0,009 Psb = Yb x Ps = Pb x Xb Yb =
Xb
×
Pb
Ps
Yb =
0,9975 ×0,05345 ×10 4 538,50
Yb = 0,990 Masa moleculară a vaporilor: Mv = YaMalcool +Mapă Mv = 0,009 x 46 + 0,990 x 18 Mv = 0,414 + 17,82 Mv = 18,234 Presiunea la care se degajă CO 2: P = 9,8 x 104 N/m2 Conţinutul de umezeală antrenat: 24
Xs = Xs =
Mv
×
M CO2
18,234 44
Ps P − Ps
×
538,50 9,8 ×10
4
−
538,50
538, 49
Xs = 0,414 x
97461,5
Xs = 0,00228 Masa de umezeală antrenată: P’’ = Xs x M3CO2 P’’ = 0,00228 x 110,46 P’’ = 0,251 Pierderile sunt: P7 = P7 =
0,6
×
100
0,6 100
M6
×
107625,24
P7 = 645,75 kg Cantitatea de brută este: M7 = M6 – D2 – M3CO2 – P7 – P’’ M7 = 107625,24- 421,86 – 110,46 – 645,75 - 0,251 M7 = 106446,91 kg Randamentul reacţiei de fermentare este: η= η= η=
cp ct
100
×
M7 M5
×100
106446 ,91 111052 , 21
100
×
η = 95,85 %
25