1
CUPRINS 1. MEMORIU TEHNIC ………………….......……….……………...............................5 2. TEMA DE CERCETARE : CERCETĂRI PRIVIND INFLUENŢA CONDIŢIILOR DE FERMENTARE ASUPRA CALITĂŢII BERII – PRODUS FINIT.......…....7 3. TEHNOLOGIA DE FERMENTARE A MUSTULUI DE BE…………......................15 3.1 Proprietăţile produsului finit de la fermentare –berea brută………...................15 3.1.1. Compoziţia berii obţinute de la fermentare...............................................15 3.1.2. Calitatea berii.............................................................................................16 3.1.2.1. Indicii fizici ai berii..............................................................................16 3.1.2.2. Indicatorii senzoriali ai berii................................................................17 3.1.3.Producători de bere …………………………………………...………….........19 3.2. Variante tehnologice de fermentare……………………………........................19 3.2.1. Procedeul clasic de fermentare..................................................................20 3.2.1.1. Fermentarea primară..........................................................................20 3.2.1. 2. Recuperarea drojdiilor de la fermentaţia primară..............................24 3.2.1. 3. Fermentarea secundară....................................................................25 3.2.2. Fermentarea continuă a berii…………………………………………..…......28 3.2.3. Procedee de fermentare continuă..............................................................28 3.2.3.1. Procedeul Kugala ..............................................................................28 3.2.3.2. Procedeul Coutts................................................................................28 3.2.3. 3. Fermentare continuă- procedeul Schalk...........................................29 3.2.3.4. Fermentare continuă- în cascadă.......................................................29 3.2.3.5. Fermentare continuă- sistemul A.P.V.................................................29 3.2.3.6. Fermentare continuă- procedeul Denscikov.......................................29 3.2.3.7. Procedeul Labatt................................................................................30 3.2.3.8. Fermentarea berii în reactoare cilindro-conice...................................30 3.2.4. Produse secundare volatile rezultate din procesul tehnologic de obţinere a berii brute.....................................................................................30 3.2.5. Factorii care intervin în procesul de fermentare........................................34 3.3 . Alegerea schemei tehnologice ……………………………………….................38 3.4. Descrierea procesului de fermentare în tancuri cilindro-conice....................39 3.4.1. Caracteristicile materiilor prime şi auxiliare...........................................39 3.4.1.1. Materii prime.................................................................................39 3.4.1.1.1. Mustul de bere ....................................................................39 3.4.1.1.2. Drojdia de bere.....................................................................41 3.4.1.2. Materii auxiliare...........................................................................45 3.4.1.2.1. Apa.......................................................................................45 3.4.1.2.2. Materiale dezinfectante........................................................46 3.4.1.2.3. Materiale pentru igienizare ..................................................46 3.4.2. Operaţii tehnologice de pregătire a mustului de bere pentru fermentare.....................................................................................................47 4.2.1. Separarea trubului la cald.....................................................................47 3.4.2.2. Răcirea mustului.....................................................................47 3.4.2.3. Separarea trubului la rece.......................................................48 3.4.2.4. Aerarea mustului....................................................................49 3.4.2.5. Fermentarea berii în reactoare cilindro-conice.......................49 3.4.3. Stabilirea regimului tehnologic………………………..…………...…......52 2
3.4.4. Bilanţuri de materiale şi caloric…………………………..………………......53 3.4.4.1. Bilanţul de materiale...............................................................................53 3.4.4.2. . Bilanţul caloric..........................................................................62 3.4.5. Bilanţurile reale ( de masă şi termice ale instalaţiei) - diagrame Sankey..........................................................................................75 4. ALEGEREA ŞI DIMENSIONAREA UTILAJELOR…………………..………….......82 4..1 Tancul cilindro-conic……………………………………….......................….......82 4.2. Schimbătorul de căldură cu plăci…………………………………………...........88 4.3. Vană pentru drojdie............. ………………………………………….........….....98 4.4 Alte utilaje .....................................................................................................100 4.4.1. Staţia de culturi pure...........................................................................100 4.4. 2. Para de drojdie...................................................................................102 4.4.3. Calcularea numărului de vase de fermentare......................................103 4.4.4. Necesarul de conducte.......................................................................104 4.4.5. Staţia de curăţire..................................................................................105 4.4.6. Mijloace de transport...........................................................................105 4.5. Caracteristici dimensionale pentru diferite utilaje............................................105 5 UTILITĂŢI FOLOSITE ÎN PROCESUL DE FERMENTARE-MATURARE..........108 5.1. Apa în secţiile fabricii de bere ................................................................108 5.2. Aerul tehnologic. Necesarul de aer tehnologic.......................................109 5.3. Energia electrică.....................................................................................110 5.4. Frigul ......................................................................................................111 6. PRODUSE SECUNDARE, POSIBILITĂŢI DE VALORIFICARE, RECICLARE, DEPOLUARE A MEDIULUI………………………………….…………………....….....112 6.1. Drojdia de la fermentaţia primară..........................................................112 6.2. Dioxidul de carbon..................................................................................113 7. SCHEMA DE CONTROL PE FAZE DE FABRICAŢIE. POSIBILITĂŢI DE REGLARE, AUTOMATIZARE A PROCESULUI TEHNOLOGIC DE FERMENTARE........................................................................................................115 8. AMPLASAMENT ŞI PLAN GENERAL ................................................................120 9. NORME DE PROTECŢIA MUNCII ŞI PSI............................................................122 9.1. Măsuri de protecţia muncii în secţia de fermentare a berii.....................122 9.2. Organizarea pazei contra incendiilor......................................................124 10. INDICATORI ECONOMICI..................................................................................125 10.1. Estimarea valorii clădirii şi a activelor secţiei de fermentarematurare.........................................................................................................125 10.2. Stabilirea necesarul de materii prime, materiale, combustibil, energie...........................................................................................................126 10.3. Stabilirea necesarului forţei de muncă..................................................128 10.4. Calculul fondului de investiţii ...............................................................129 10.5 Calculul amortizării mijloacelor fixe........................................................130 10.6. Cheltuieli generale ale secţiei..............................................................130 10.7. Stabilirea costului unitar al berii produs finit.........................................131 BIBLIOGRAFIE…………………………………………………………………………....132 3
1. MEMORIU JUSTIFICATIV Prin fermentarea mustului de bere se urmăreşte transformarea în mare parte a zaharurilor fermentescibile în alcool şi dioxid de carbon. În condiţii obişnuite ale fabricaţiei berii - procedeul clasic- prin fermentare submersă sau inferioară, se folosesc tulpini de drojdii din genul Saccharomyces carlsbergensis, procesul se poate împărţi în două faze şi anume : fermentarea primară (principală) , timp de 6 –10 zile la temperaturi de 6-10 0C şi fermentarea secundară, denumită şi maturare, la temperaturi de 0-3 0C timp de până la 3 luni în funcţie de tipul de bere obţinut. În cadrul procedeului clasic, fermentarea primară are loc în recipiente deschise sau închise, din beton, lemn, aluminiu, material plastic sau oţel inoxidabil, numite linuri, respectiv tancuri. La fermentarea secundară se folosesc tancuri , construite din acelaşi material ca şi tancul de fermentare primară. Din considerente economice, sub aspectul costului de investiţii şi de exploatare, precum şi a duratei de execuţie-montaj, au apărut recipientele de mare capacitate destinate fie pentru fermentarea primară, fie pentru fermentarea secundară, fie pentru ambele scopuri. Ele pot fi amplasate în încăperi sau direct sub cerul liber, şi au formă cilindrică , orizontală sau verticală; cilindro-conică , verticală sau sferică. În lucrarea „ Fermentarea mustului de bere ” obţinerea berii se realizează folosind procedeul de fermentare în tancuri cilindro-conice, prin care se realizează o accelerare a fermentaţiei şi maturării berii în condiţiile păstrării calităţii berii finite. În comparaţie cu alte recipiente acestea pun probleme constructive mai pretenţioase cu privire la realizarea fundului conic şi a susţinerii, dar prezintă avantaje tehnologice considerabile în ceea ce priveşte posibilitatea evacuării uşoare a drojdiei şi o răcire exterioară comodă cu tuburi inelare sau manta dublă. Se utilizează pentru procese tehnologice clasice sau rapide de fermentare şi maturare, sau combinat. Calculele tehnico-economice au demonstrat că tancurile cilindro-conice sunt mai eficiente, chiar şi în cazul aplicării de procedee clasice, cu transvazarea berii tinere în tancuri clasice pentru maturare. Deci , independent de tehnologia aplicată se recomandă dotarea cu astfel de recipiente a fabricilor de bere. Obiectivul de bază al noii tehnologii reprezintă asigurarea fermentării şi maturării berii în acelaşi recipient, la o durată totală a procesului de 14 zile. Pentru asigurarea parametrilor optimi fermentarea se efectuează la presiuni 0,5-0,9 bar şi o temperatură de 14 0C. În majoritatea cazurilor , pentru fermentarea primară tancurile se umplu în proporţie de 80% faţă de volumul total. Pentru însămânţare s-a folosit o doză de drojdie de 1 l suspensie groasă / hl must de bere. Fermentarea primară are loc practic la o temperatură constantă de 14 0C. După 5-6 zile se ajunge la gradul de fermentare dorit, dar pentru favorizarea formării diacetilului se procedează la răcirea berii abia după 2 zile. Drojdia se elimină printr-un ştuţ situat la baza fundului conic, după terminarea fermentării primare şi răcirea berii, când are loc sedimentarea acesteia. În continuare se menţine temperatura de 20C, când pe parcursul a 6 zile are loc maturarea berii. În urma cercetărilor efectuate s-a ajuns la concluzia că pentru berea de fermentare inferioară se realizează, în tancuri cilindro-cinice verticale de mare capacitate, economii de substanţe amare de 5-10% în comparaţie cu tehnologiile similare cu instalaţii clasice. Lucrarea „ Fermentarea mustului de bere ” este structurată pe 10 capitole. În capitolul 3 se prezintă tehnologia de fermentare a mustului de bere, principalele caracteristici ale produsului finit, ale materiei prime şi a materialelor auxiliare. Aici este prezentat atât procedeul clasic de fermentare a mustului de bere cât şi procedeele de 4
fermentare şi maturare accelerată a berii : procedeul Kugala, procedeul Coutts, fermentare continuă- procedeul Schalk, fermentare continuă- în cascadă, fermentare continuă- sistemul A.P.V., fermentare continuă- procedeul Denscikov, procedeul Labatt şi procedeul de fermentare a berii în reactoare cilindro-conice. Dintre acestea accentul cel mai mare s-a pus pe ultimul- fermentarea berii în reactoare cilindro-conice. De asemenea, tot în acest capitol se stabileşte regimul tehnologic al secţiei de fermentare şi se calculează bilanţurile de materiale şi cel termic pentru procesul de fermentare pe zile şi în ansamblu. Capitolul 4 este destinat dimensionării de utilaje. Astfel, s-a dimensionat tancul cilindro-conic – utilajul principal al procesului de fermentare-maturare, schimbătorul de căldură cu plăci – folosit pentru răcirea mustului de bere la temperatura de însămânţare şi vana de drojdie- folosită pentru păstrarea drojdiei recuperate de la fermentare. Tot aici mai sunt prezentate caracteristicile de gabarit pentru diferite utilaje şi instalaţii care fac parte din secţia pregătire a mustului de bere pentru fermentare (separatorul Rotapool, tancul de flotaţie). Capitolul 5 prezintă necesarul de utilităţi folosite în secţia de fermentare a mustului, capitolul 6 arată principalele produse secundare rezultate din procesul de fermentare şi posibilităţi de valorificare a acestora. Capitolul 7 reprezintă schema de control pe faze de fabricaţie, cu evidenţierea principalelor analize care sunt obligatorii de efectuat pentru cunoaşterea şi corectarea parametrilor cu obţinerea unui produs finit de calitate corespunzătoare. Capitolul 8 prezintă modul de amplasare a utilajelor pe niveluri şi a tancurilor cilindro-conice, iar în capitolul 9 sunt specificate principalele măsuri de protecţie muncii şi PSI. În capitolul 10 s-a realizat calculul economic prin care, în final, s-a stabilit costul unui litru de bere. Justificarea necesităţii şi oportunităţii realizării producţiei porneşte de la impactul pe care îl are berea asupra populaţiei prin caracteristicile sale de calitate, cererea pe piaţă fiind, în comparaţie cu alte băuturi alcoolice, semnificativă.
5
2. CERCETĂRI PRIVIND INFLUENŢA CONDIŢIILOR DE FERMENTARE ASUPRA CALITĂŢII BERII – PRODUS FINIT Prin fermentarea mustului de bere se urmăreşte transformarea glucidelor fermentescibile în alcool etilic şi CO 2 cu ajutorul complexului enzimatic al drojdiei de bere. Industrial, procesul are loc în două etape: fermentarea primară, tumultoasă sau principală, rezultând aşa-zisa bere tânără şi în continuare, fermentarea secundară lentă sau maturarea. Modificările ce au loc în decursul fermentării şi maturării depind de următorii factori: ▪ temperatura în timpul fermentaţiei; ▪ pH-ul mustului ; ▪ extractul mustului; ▪ durata fermentării în cele două etape – fermentarea primară şi fermentarea secundară; ▪ prezenţa oxigenului; ▪ presiunea mediului de fermentare; ▪ caracteristicile tulpinii şi doza de drojdie utilizată; ▪ compoziţia mustului de bere. În literatura de specialitate este prezentat modul în care aceşti factori pot influenţa procesul de fermentare. Desfăşurarea procesului de fermentare şi maturare se urmăreşte prin determinarea periodică a gradului de fermentare, a temperaturii berii şi conţinutului în dioxid de carbon şi acestea în mod normal trebuie să corespundă unei anumite diagrame stabilită pentru fiecare tip de bere. Spre sfârşitul perioadei de maturare se verifică, de asemenea, culoarea, limpiditatea, pH- ul şi alte însuşiri organoleptice, în vederea unor eventuale corecturi. Rezultatul fermentării se apreciază prin : • conţinutul in dioxid de carbon, • scăderea extractului real, • gradul de limpezire al berii. Lucrarea continuă cercetările întreprinse până în prezent privind influenţa condiţiilor de fermentare asupra calităţii berii – produs finit în condiţii de laborator.. Astfel, într-o lucrare anterioară s-a arătat că, doza optimă de drojdie ce poate fi utilizată la fermentarea mustului de bere, în condiţii de laborator, este de 0,6 ml drojdie /100 ml must de bere. S-a precizat, de asemenea, că mărirea acesteia peste valoarea de 0,6 la musturi cu compoziţie normală, creşte preţul de cost al produsului finit, fără a se obţine un produs superior din punct de vedere calitativ. În această etapă s-au urmărit la fermentarea în condiţii de laborator, a influenţei compoziţiei mustului de bere, prin conţinutul în extract, al temperaturii de fermentare şi al pH-ului mustului asupra conţinutului în dioxid de carbon al berii – produs finit. Dioxidul de carbon constituie o componentă a berii şi el îmbunătăţeşte gustul, favorizează formarea spumei şi asigură conservabilitatea berii. Conţinutul în extract al mustului şi temperatura reprezintă factori importanţi care influenţează procesul de fermentare şi conţinutul în CO 2. Al treilea factor care a fost luat în studiu l-a reprezentat pH-ul mustului de bere. 6
MATERIALE ŞI METODE În experimentări s-a folosit must de bere obţinut în laborator prin metoda KONGRESS, din malţ blond care a prezentat iniţial următorii indici fizico-chimici: ▪ durata de zaharificare 20 minute; ▪ durata de filtrare 45 minute; ▪ culoare 0,20 ml I2 0,1 n; ▪ diferenţa de randament între măcinişul fin şi grosier 2,5; ▪ pH-ul 5,6. Pentru fermentare s-a utilizat o tulpină de drojdie Saccharomyces carlsbergensis, tulpină folosită industrial la fermentarea mustului de bere la S.C. “Bere Lichior Mărgineni” S.A., în doză de 0,6 ml drojdie /100 ml must de bere. În experimentări s-au utilizat următoarele metode: conţinutul în extract – metoda densimetrică, cu ajutorul zaharometrului Balling; pH-ul mustului de bere – cu ajutorul unui pH - metru de laborator; conţinutul în CO2 – metoda STAS. Pentru optimizarea condiţiilor de fermentare s-a utilizat un program factorial de tip 33. REZULTATE ŞI DISCUŢII
Mustul de bere obţinut în condiţii de laborator a fost însămânţat cu o doză de drojdie de 0,6 ml drojdie /100 ml must de bere şi a fost supus fermentării în condiţiile impuse de programul factorial adoptat, în recipiente închise (sticle de bere), timp de 20 de zile. În prima etapă a cercetării s-a aplicat un program de modelare cu trei variabile independente pentru a stabili regimul de fermentare în vederea optimizării cantităţii de dioxid de carbon în berea – produs finit. Factorii luaţi în considerare şi nivelul de variaţie a acestora sunt prezentaţi în tabelul 1. Tabelul 1. Limitele de concentraţie şi codificarea condiţiilor de fermentare a mustului de bere Nivel de variaţie Variabila independentă Cod Δx -1 0 +1 Conţinut în extract, în x1 8,5 9,5 10,5 1 0 Bllg Temperatura, în 0C x2 8,5 9 9,5 0,5 pH-ul x3 5,2 5,4 5,6 0,2 Efectul acestor factori asupra conţinutului de CO 2 al berii – produs finit este descris de o ecuaţie polinomială de forma: 2 y = a0 + a1x1 + a2x2 + a3x3 + a12x1x2 + a13x1x3 + a23x2x3 + a123x1x2x3 +a11x 12 + a22x 2 2 + a33x 3
unde: x1, x2, x3 - variabilele procesului; y – conţinutul în dioxid de carbon , în g /100 cm 3. 7
Matricea experimentală care permite calcularea coeficienţilor este prezentată în tabelul 2. Tabelul 2. X1 valoare adimens.
Nr. crt.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27
Matricea experimentală X2 X
X1
X2
valoare reală
valoare adimens.
valoa re reală
X3
3
valoare adimens.
valoare reală
Conţinut în CO2 [g/100 cm3]
-1 8,5 -1 8,5 -1 5,2 0,25 -1 8,5 -1 8,5 0 5,4 0,28 -1 8,5 -1 8,5 +1 5,6 0,26 -1 8,5 0 9 -1 5,2 0,26 -1 8,5 0 9 0 5,4 0,22 -1 8,5 0 9 +1 5,6 0,24 -1 8,5 +1 9,5 -1 5,2 0,29 -1 8,5 +1 9,5 0 5,4 0,28 -1 8,5 +1 9,5 +1 5,6 0,25 0 9,5 -1 8,5 -1 5,2 0,39 0 9,5 -1 8,5 0 5,4 0,44 0 9,5 -1 8,5 +1 5,6 0,42 0 9,5 0 9 -1 5,2 0,35 0 9,5 0 9 0 5,4 0,30 0 9,5 0 9 +1 5,6 0,36 0 9,5 +1 9,5 -1 5,2 0,32 0 9,5 +1 9,5 0 5,4 0,30 0 9,5 +1 9,5 +1 5,6 0,29 0 9,5 -1 8,5 -1 5,2 0,40 +1 10,5 -1 8,5 0 5,4 0,45 +1 10,5 -1 8,5 +1 5,6 0,48 +1 10,5 0 9 -1 5,2 0,41 +1 10,5 0 9 0 5,4 0,42 +1 10,5 0 9 +1 5,6 0,38 +1 10,5 +1 9,5 -1 5,2 0,35 +1 10,5 +1 9,5 0 5,4 0,37 +1 10,5 +1 9,5 +1 5,6 0,39 S-au determinat coeficienţii modelului liniar pentru experimentul factorial de tip
3 3. Tabelul 3. a0
a1
Valoarea coeficienţilor modelului matematic a2 a3 a12 a13 a23 a123 a11
0,34
0,07
-0,02
0,005
-0,02
0,01
-0,01
-0,005
-0,02
a22
a33
0,02
0,001
În final ecuaţia polinomială de gradul doi a avut forma: y = 0,34 + 0,07x1 - 0,02 x2 + 0,005 x3 –0,02 x1x2 + 0,01 x1x3 – 0,01 x2x3 – 0,005 x1x2x3 –0,02 x 12 + 0,02 x 22 + 0,001 x 32 8
S-a verificat apoi modelul matematic elaborat, pentru a determina rolul coeficienţilor şi dacă unii dintre ei pot fi eliminaţi. S-a considerat că toţi coeficienţii pot fi determinaţi cu aceeaşi precizie definită prin relaţia: S = ε /N0,5, unde: N – numărul de experimente (în cazul de faţă 27). Pentru verificare am realizat încă trei experimente în punctele de coordonate (0, 0, 0) şi am obţinut: y01 = 0,29 y02 = 0,34 y03 = 0,39 Valoarea medie a lui y0 = 0,34 Eroarea medie pătratică obţinută din observaţiile la punctul central este : ε 2 = 0,005. ε = 0,07 Rădăcina pătratului erorii medii este: = 0,05, iar precizia determinării : S = ε /N-0,5 = 0,013 Semnificaţia coeficienţilor a fost testată folosindu-se testul t-student pentru toţi coeficienţii determinaţi: t i = l ai l / S Tabelul 4. ti
Valoarea coeficienţilor după efectuarea testului t-student t0 t1 t2 t3 t12 t13 t23 t123 t11 t22 26,15 5,38 1,54 0,4 1,54 0,8 0,8 0,4 1,54 1,54
t33 0,07
Din rezultatele testului t-student se observă că putem să eliminăm coeficientul x3 , x1x2x3 şi x 32 deoarece valoarea lor este neglijabilă faţă de ceilalţi coeficienţi, toate efectele individuale şi de interacţiune trebuie să fie luate în considerare în studiul acestui proces. Modelul elaborat are forma finală: y = 0,34 + 0,07x1 - 0,02 x2 + 0,005 x3 –0,02 x1x2 + 0,01 x1x3 – 0,01 x2x3 – 0,005 x1x2x3 –0,02 x 12 + 0,02 x 22 Optimizarea modelului elaborat s-a realizat prin metoda anulării derivatelor: δy/δx1: 0,07 – 0,02 x2 + 0,01 x3 – 0,04 x1= 0 δy/δx2 : 0,03 - 0,02 x1 - 0,01 x3 + 0,04 x2 = 0 δy/δx3 : 0,01 x1 – 0,01 x2 = 0 9
Se rezolvă sistemul liniar şi se obţin următoarele soluţii : • • • •
x1 = 1; x2 = 1; x3 = -1 X3 = 1.
Determinarea valorilor reale optime Ştiind domeniile de variaţie ale variabilelor x 1 , x2 şi x3 obţinem valorile reale ale punctului optim folosim relaţiile : x1 = Δx1*X1 + xmediu x2 = Δx2*X2 + xmediu x3 = Δx3*X3 + xmediu Calcul x1 =1 x 1 + 9,5 = 10,5 x2 =0,5 x 1 + 9 = 9,5 x3 = 0,2 x (- 1) + 5,4 = 5,2 Valorile reale optime sunt : x1 = 10,5 x2 = 9,5 x3 = 5,2 Conţinutul de dioxid de carbon pentru coordonatele optime calculate va fi de: yopt. = 0,48 g /100 cm3 bere În fig. 1, 2 şi 3 sunt reprezentate grafic funcţiile de răspuns în spaţiu tridimensional, ce ne permite să vizualizăm valoarea maximă determinată. Din analiza celor trei reprezentări grafice se pot trage următoarele concluzii: 2 2 deoarece coeficienţii termenilor x1 şi x 2 au semne opuse, suprafaţa de răspuns are formă de şa. Suprafaţa prezintă în raport cu x 1 un maxim şi un minim în raport cu x2. efectul combinat al celor 2 variabile nu prezintă o influenţă semnificativă asupra conţinutului în CO2 al berii; se observă influenţa favorabilă a conţinutului în extract şi acţiunea nefavorabilă a temperaturii de fermentare; cu creşterea temperaturii de fermentare conţinutul în CO2 al berii scade în condiţiile unui anumit conţinut în extract. efectul combinat al conţinutului în extract şi al pH-ului mustului de bere are influenţă favorabilă asupra conţinutului de CO2, iar interacţiunea factorilor temperatură şi pH este nefavorabilă.
Fig. 1. Efectul combinat al conţinutului în extract şi al temperaturii de fermentare asupra cantităţii de CO2 din bere – produs finit 10
Fig. 2. Influenţa conţinutului în extract şi al pH-ului mustului de bere asupra conţinutului în CO2 al berii
Fig. 3. Efectul combinat al temperaturii de fermentare şi al pH-ului mustului de bere asupra conţinutului în CO2 din bere – produs finit 11
CONCLUZII
1. Cunoaşterea condiţiilor optime de fermentare la fabricarea berii este deosebit de importantă, calitatea produsului finit fiind influenţată hotărâtor de modul cum sunt asigurate şi respectate aceste condiţii. 2. Cercetările au arătat că, la fermentarea mustului de bere în condiţii de laborator o influenţă semnificativă o prezintă concentraţia în extract a mustului de bere şi temperatura de fermentare asupra conţinutului în dioxid de carbon al berii – produs finit. Dioxidul de carbon constituie o componentă a berii şi el îmbunătăţeşte gustul, favorizează formarea spumei şi asigură conservabilitatea berii. 3. Aplicarea modelului de optimizare de tip factorial pentru a stabili corelaţia dintre conţinutul în dioxid de carbon al berii – produs finit şi condiţiile în care are loc fermentarea, a permis stabilirea unor valori optime pentru conţinutul în extract al mustului de bere, pentru temperatura de fermentare şi pH-ul mustului de bere. 4. Cele mai bune rezultate s-au obţinut când fermentarea, realizat în următoarele condiţii: • conţinutul în extract al mustului de bere • temperatura de fermentare • pH-ul mustului de laborator
12
în condiţii de laborator, s-a 10,5 0Bllg; 9,5 0C; 5,2.
3. TEHNOLOGIA DE FERMENTARE A MUSTULUI DE BERE 3.1 Proprietăţile produsului finit de la fermentare- berea brută Berea este o băutură alcoolică nedistilată , spumantă saturată natural cu dioxid de carbon , cu gust şi aromă caracteristice. Din punct de vedere chimic berea este un sistem coloidal. Berea brută , după terminarea fermentării secundare , poate fi imediat desfăcută la halbă sau pahar sub formă de bere nefiltrată , sau poate fi filtrată în vederea îmbutelierii în butoi dau la sticle , sau desfacerii directe la pahar sau la halbă ca bere filtrată. Berea brută obţinută în urma procesului de fermentare are proprietăţile beriiprodus finit , cu deosebirea că aceasta din urmă este limpede deoarece, prin filtrare au fost eliminate substanţele care se aflau în stare de suspensie şi care la bere brută produceau tulbureala berii.
3.1.1 Compoziţia berii obţinute de la fermentare Compoziţia berii obţinute de la fermentare este determinată de însuşirile materiilor prime sau de procesul tehnologic , dar şi de tipul de bere ce se doreşte să se obţină . Deoarece este vorba de un proces de fermentare alcoolică , berea se va caracteriza prin conţinutul de alcool etilic , care poate ajunge până la 6%. Aceasta depinde de concentraţia mustului primitiv şi de gradul de fermentare avut în vedere. Deoarece nu are loc o fermentare completă , rămâne în bere un conţinut de extract nefermentat ce poate ajunge până la 5%. În bere se găseşte în special apă , al cărei conţinut poate ajunge până la 92%. În urma procesului de fermentaţie rezultă în afară de alcool şi de produse secundare volatile şi nevolatile. Ca subprodus nevolatil , în proporţia cea mai mare se găseşte glicerina, în cantităţi de până la 1,6 g/ l bere Din subprodusele volatile se întâlnesc: • alcooli superiori 50-150 mg /l bere; • acizi organici volatili (acidul acetic) 120- 200 mg /l; • esteri 20-70 mg / l; • aldehide până la 10 mg / l. Tabelul 3.1. Extractul de bere Componenta % Hidraţi de carbon 80-85 Substanţe azotoase 6-9 Glicerina 3-5 Substanţe minerale 3-4 Substanţe amare , tanante şi 2-3 colorante Acizi organici 0,7-1 13
Ca produse secundare ale procesului de fermentare (de metabolism ale drojdiei) se pot considera vitaminele B 1 , B2, B3 ,B6 , nicotinamida şi acidul pantotenic Tabelul 3.2. Parametrii de bază ai berii obţinute înainte de filtrare Caracteristica Conţinutul de celule de drojdie 105 celule / ml Conţinutul de germeni străini Lipsa drojdiilor sălbatice şi a cocilor Temperatura 2-30C Conţinutul de CO2 4,5-5,3 g/l pH 4,2-4,45 mg/l Oxigen Sub 0,2 mg/l Dicetone vicinale şi precursorii acestora Max 0,2 mg/l Aldehide Max 10 mg/l Alcooli superiori Max 80 mg/l Esteri Max 20 mg/l
3.1.2 Calitatea berii Calitatea berii poate fi apreciată atât prin teste organoleptice , cât şi prin teste fizico-chimice. Analizele fizico-chimice datorită progresului înregistrat sub aspectul reproductibilităţii , al sensibilităţii şi rapidităţii metodelor, servesc mai mult pentru controlul în diversele faze ale procesului tehnologic , iar pentru evaluarea însuşirilor produsului finit ele trebuie completate cu metodele organoleptice. 3.1.2.1. Indicii fizici ai berii Dintre indicii fizici care caracterizează berea se cunosc : vâscozitatea berii la temperatura de 15 0 C variază între 1,5 –2,2 cP , fiind influenţată de conţinutul în dextrine , substanţe proteice macromoleculare , cât şi de substanţele gumoase . tensiunea superficială a berii este determinată de conţinutul în alcool , de proteine , glucani , de glicerina şi de cantitatea de substanţe amare din hamei , dar nu depinde de concentraţia extractului din mustul primitiv. pH-ul berii este cuprins între 4,3 –4,6 , o valoare mică favorizează stabilitatea şi gustul berii , iar valorile mari indică o desfăşurare necorespunzătoare a procesului de fierbere sau utilizarea unei ape de o compoziţie necorespunzătoare. potenţialul de oxido-reducere redat prin valoarea rH , este un indicator al conţinutului de oxigen .Se urmăreşte obţinerea unor valori mici până la 10 , care să influenţeze pozitiv stabilitatea berii. În condiţiile înglobării unor cantităţi excesive de oxigen valorile rH-ului pot creşte până la 20. Oxigenul dizolvat în bere se manifestă negative asupra proprietăţilor şi stabilităţii organoleptice.
14
3.1.2.2. Indicatorii senzoriali ai berii Dintre însuşirile berii care pot fi apreciate organoleptic precum şi fizico-chimic se cunosc : Spuma berii Berea se deosebeşte de celelalte băuturi carbogazoase şi prin capacitatea de a forma o spumă cu o oarecare persistenţă . Capacitatea de spumare şi stabilitatea spumei sunt însuşiri calitative importante . • Volumul spumei depinde de conţinutul în dioxid de carbon şi de cantitatea de substanţe cu acţiune tensioactivă. • Persistenţa spumei depinde de gradul de dispersie a substanţelor coloidale din bere. Persistenţa spumei este favorizată de răşinile amare din hamei şi de substanţele cu azot , complexe , dar este diminuată de prezenţa grăsimilor şi de doza de alcooli superiori. Berea trebuie să facă spumă multă şi persistentă , să fie limpede şi strălucitoare , păstrându-şi aceste calităţi un timp cât mai îndelungat. Culoarea berii Culoarea este un indicator important , impus de tipul de bere ce trebuie obţinut şi care reflectă cel mai bine respectarea operaţiilor tehnologice , precum şi influenţa materiilor prime şi a materialelor adăugate . Pentru o bere blondă cu un conţinut în extract de 12 %, bere finită va avea o culoare de 9,2 unităţi EBC. Gustul şi aroma berii O bere de calitate trebuie să aibă un gust şi miros caracteristic de malţ şi hamei , un caracter de prospeţime şi efect răcoritor datorită acizilor organici , a fosfaţilor şi a dioxidului de carbon. Gustul trebuie să fie curat şi plăcut , fără gusturi străine , îmbinând armonios gusturile dulce , amar , acid-aromat , caracteristic fiecărui tip de bere. Plinătatea sau prima senzaţie Plinătatea se percepe împreună cu aroma berii şi este dependentă de concentraţia mustului primitiv , degradarea proteică din timpul malţificării, de modul cum a decurs procesul de fermentare şi de mărimea particulelor coloidale . Perlarea Perlarea este impresia senzorială percepută odată cu degajarea bulelor de dioxid de carbon. Ultima senzaţie sau gustul final Gustul final este determinat de amăreala conferită de produsele de hamei utilizate .în cazul sortimentelor de bere blondă , amăreala iese în evidenţă ca ultimă senzaţie . Valoarea nutritivă a berii Indiferent de tipul acesteia , la o concentraţie a mustului primitiv de 12% este de aproximativ 450 kcal / l. Dioxidul de carbon din bere conferă un efect răcoritor şi de stimulare a digestiei.
15
Tabelul 3.3. Berea blondă proprietăţi organoleptice Caracteristici Aspect lichid limpede , cu luciu caracteristic , fără sedimente sau impurităţi , spumă albă şi perlaj de dioxid de carbon . Culoare galben-pai până la galben Miros caracteristic fiecărui tip , plăcut , fără miros străin (de mucegai , de acru ), cu aromă de hamei şi malţ . Gust caracteristic fiecărui tip , amărui , plăcut , care atestă prezenţa dioxidului de carbon , fără gust străin . Spumă albă , densă , cu grosime de 30 – 40 mm, persistentă timp de 3 minute , însoţită de perlaj constant . Compoziţia chimică a berii blonde obţinută prin fermentarea unui must de malţ de 12% extract iniţial este următoarea: Tabelul 3.4. Caracteristici de calitate pentru berea blondă 12% Conţinutul de alcool 3,7% Extract real 4,64 – 4,91% Conţinutul de proteine 3,00 mg/l Aminoacizi totali liberi 32 mg/l Conţinutul de potasiu 487 mg/l Conţinutul de sodiu 76 mg/l Conţinutul de fosfor 164 mg/ l Conţinutul de mangan 0,25 mg/l Conţinutul de zinc 0,15 mg/l Conţinutul de tiamină 42 µg /l Conţinutul de riboflavină 417 µg /l Conţinutul de piridoxină 515 µg /l Conţinutul de acid pantotenic 1500 µg /l Conţinutul de niancină 2933 µg /l Conţinutul de biotină 5 µg /l Conţinutul de polifenoli 112 µg /l Conţinutul de antocianogeni 28 µg /l Conţinutul de dioxid de carbon 0,35 – 0,4 g/ 100 ml Conţinutul de diacetil 0,02 mg /litru Conţinutul de 2,3 pentandionă 0,01 mg/litru Valoare amară 19 unităţi B.E./ litru Grad final de fermentare 85 – 62% În practică se consideră că gustul şi aroma berii sunt determinate de : concentraţia iniţială a mustului de malţ; calitatea malţului; doza şi soiul de hamei folosit; drojdia folosită pentru fermentare. Gusturile străine sunt datorate în special : trubului (sediment proteic); culturii de drojdie; 16
calităţii materiei prime; dificultăţile întâmpinate în desfăşurarea procesului tehnologic şi lipsa de igienă. Pentru aprecierea gustului sunt luate în consideraţie următoarele: plinătatea gustului; perlarea bulelor de dioxid de carbon; persistenţa şi fineţea gustului amar.
3.1.3. Producători de bere În România, berea nu este o băutură naţională , tradiţia este însă veche . Cei mai importanţi producători de bere din ţara noastră sunt : Brau Union România S.A. South African Breweries International (SAB) Compania de Distribuţie Naţional S.A. ( face parte din concernul Interbrew ) United Romanian Breweries Bereprod S:R.L. ( TUBORG) Aurora S.A. Braşov Compania ciprioto-americană NICORENI (deţine fabricile Bere-lichior S.A. Bacău şi Edelberg S.A. Târgu Jiu ). Tabelul 3.5. Cei mai importanţi producători de bere Nr. Crt 1
Producători Brau Union
2 3
SAB
4 5 6 7 8 9 10
Tuborg Aurora Braşov Fulger Bucureşti Bere-lichior Bacău Bermas Sv. Zimbru Iaşi Martens Galaţi
Interbrew
Mărci Ciuc, Gambrinus, Golden Brau, Haţegana, Harghita, Kaiser, Schlossgold, Silva. Timişoreana, Keller, Ursus, Pilsner Urquell, Bergenbier ,Caraiman,. Hopfen Konig, Noroc, Stella Artois, Efes. Carlsberg, Skol, Tuborg Aurora, Ciucaş Fulbier Edelberg,Mărgineni Bucovina Blitz, Zimbru Driver, Damburger, MaDonna
3.2 Variante tehnologice de fermentare Mustul de bere răcit reprezintă un semifabricat pentru procesul de fermentare şi în acelaşi timp substratul pentru activitatea drojdiei de bere ca agent al fermentaţiei alcoolice . Fermentarea în industria berii este utilizată pentru transformarea mustului de malţ în bere , respectiv pentru transformarea glucidelor fermentescibile din must 17
(maltoză) în alcool etilic şi dioxid de carbon ca produse principale cât şi o serie de produse secundare de fermentaţie care contribuie la gustul şi aroma berii. Fermentarea mustului se realizează în două faze : fermentarea principală (primară ) fermentarea secundară ( finală). Mersul fermentaţiei primară se consideră normal dacă la o temperatură de însămânţare de 5-7 0C, o temperatură de fermentare maximă de 8-90C, în 6-7 zile se ajunge la un extract fermentescibil remanent de 1%, pentru musturi cu e p = 11-12,5%. La un extract primitiv de 13% trebuie adăugat încă o zi la numărul zilelor de fermentare. Fermentarea primară anormală poate avea mai multe cauze : o cantitate prea mică de zaharuri fermentescibile, conţinutul de azot alfa aminic prea mic, absenţa Zn şi O2 , prezenţa trubului în mustul însămânţat, abateri de la pH –ul normal, drojdie necorespunzătoare etc. Practica de fermentare a arătat că 90% din deficienţele se datorează în principal carenţei mustului în Zn, O2 şi azot alfa aminic.
3.2.1. Procedeul clasic de fermentare 3.2.1.1. Fermentarea primară În timpul fermentării primare are loc transformarea celei mai mari părţi a extractului fermentescibil în alcool etilic şi dioxid de carbon, cu ajutorul complexului enzimatic al drojdiei de bere, formând berea tânără . Aşa cum s-a mai arătat , în funcţie de specia de cultură de drojdie folosită şi de temperatura de lucru, se poate distinge : fermentarea primară de suprafaţă (superioară) obţinută cu culturi de Sacchromyces cerevisiae la temperaturi de 15 –25 0C timp de 4-6 zile, stratul de drojdie menţinându-se la suprafaţă în timpul procesului; fermentarea primară inferioară (submersă) realizată la temperaturi de 5-10 0 C timp de 6-10 zile, cu culturi de Saccharomyces carlsbergensis , care tind să se depună pe fund la sfârşitul procesului prin fenomenul de floculare . Delimitările de temperaturi şi durate între aceste două tipuri de fermentări nu sunt absolute , există procedee de fermentare inferioară la temperaturi mult mai ridicate şi de scurtă durată, precum şi culturi de drojdii pulverulente care nu floculează . Prin compoziţia sa, mustul de bere este un mediu de cultură ideal pentru diferite microorganisme dăunătoare berii. De aceea se impune o curăţire şi dezinfectare a vaselor, utilajelor şi încăperilor unde are loc procesul de fermentare. Mustul de malţ hameiat, răcit la 6-8 0C , cu pH de 5,4-5,6 este însămânţat cu o cantitate de lapte de drojdie de 1l/hl must, respectiv cu 1-3 milioane celule /ml pentru ca drojdia să se poată înmulţi în must trebuie ca acesta să conţină 6 mg oxigen dizolvat / litru. Fermentarea primară are loc timp de maximum 8 zile. Pentru creştere, drojdiile au nevoie de zaharuri, aminoacizi, săruri minerale, vitamine, acizi graşi nesaturaţi, steroli şi oxigen. În afară de oxigen şi unele săruri, malţul şi nemalţificatele furnizează toţi nutrienţii necesari. Fenomenul de bază al fermentării îl constituie transformarea glucidelor fermentescibile din must în alcool etilic şi dioxid de carbon, după ecuaţia : 18
C6 H 12 O6 → 2 C 2H5 – OH +2 CO2 + 22,4 kcal
Aer steril
Drojdie –cultură pură de laborator
Must fierbinte
Separare trub la cald
trub grosier
Răcire must
Multiplicare în laborator Separare trub la rece
Multiplicare în staţia de culturi pure
trub fin
Must limpede
Fermentare primară
drojdie CO2
Berea tânãrã Fermentarea secundară
drojdie CO2
BEREA BRUTĂ
Fig .3.1. Schema tehnologică a procesului de fermentare clasicã a mustului de bere În realitate, transformarea nu este cantitativă deoarece aproape: 2% din cantitatea de glucoză rezultată din descompunerea hidraţilor de carbon complecşi se consumă în cadrul celulelor de drojdie; 19
3% ajung în produsele secundare de fermentare ( glicerină, acetaldehidă, acizi organici şi alcooli superiori) ; 95% din cantitatea de glucoză este folosită pentru fermentare. Dintre factorii care influenţează fermentarea primară : compoziţia chimică a mustului; drojdia utilizată ; condiţii de fermentare; durata şi temperatura de fermentare; aerarea ; dimensiunile şi forma vasului. Compoziţia chimică a mustului determină într-o anumită măsură formarea produselor secundare volatile de fermentare . Creşterea temperaturii duce la reducerea duratei de fermentare primară aproximativ la jumătate, de exemplu 220 ore la 8,5 0C, la 110 ore la 12 0C, la 50 ore la 16 0C etc. O aerare puternică la începutul procesului de fermentare primară este indispensabilă. Oxigenul determină creşterea numărului de celule de drojdie şi este consumat pentru oxidarea componenţilor din must şi a produselor de fermentare. Pe măsură progresării procesului de fermentare , necesarul de oxigen descreşte treptat. Caracteristicile, dozele şi modul de administrare ale culturilor de drojdii sunt determinante pentru desfăşurarea procesului de fermentare şi pentru calitatea berii . Viteza de fermentare poate creşte în cazul măririi dozei de drojdie . Astfel, în timp ce la o doză de 0,5 l suspensie groasă de drojdie /hl must durata normală de fermentare primară este de 9 zile, la 1 l/ hl ea poate fi redusă la 7 zile, iar la 2 l / hl la 45 zile. Trebuie avut în vedere un aspect, astfel la doze mari de drojdie viteza de înmulţire este mărită, dar randamentul este mai mic, pericolul de infecţie mai mare, cantitatea de diacetil generată este mult crescută şi berea prezintă un gust de drojdie. O creştere dozei de drojdie până la 2 l /hl nu se influenţează însuşirile organoleptice ale berii. La fermentare au loc şi alte reacţii care conduc la modificări ale calităţii berii : modificarea compuşilor cu azot; scăderea pH-ului; modificarea potenţialului redox; diminuarea culorii berii; precipitarea substanţelor amare şi a polifenolilor; dizolvarea dioxidului de carbon în bere. Fermentarea primară se desfăşoară sub controlul riguros al temperaturii şi începe prin pregătirea mustului în vederea însămânţării cu drojdie, pregătire care constă în aerarea mustului răcit şi limpezit. În timpul fermentaţiei primare se deosebesc patru faze distincte: faza iniţială (la 15-20 de ore după însămânţare) , durează 2-3 zile, este caracterizată de apariţia la suprafaţa mustului a unei spume albe , în această fază drojdia se dezvoltă intens iar extractul scade cu 0,1-0,2 % zilnic; faza crestelor joase durează 2-3 zile, este însoţită de degajare intensă de dioxid de carbon, se formează o spumă groasă, cu o formă frumoasă a crestelor, extractul scade cu 0,5,-1% zilnic; faza crestelor înalte durează 3-4 zile, este caracterizată printr-o fermentaţie intensă, crestele capătă o culoare brună cu nuanţă cenuşie-murdară, extractul scade cu 1 – 20
1,5 % zilnic, dezvoltarea drojdiei este frânată semnificativ(epuizarea oxigenului din mediu şi începerea floculării ), la sfârşitul fazei gradul de fermentare pentru berea blondă trebuie să fie de 40-45%; faza finală este însoţită de scăderea treptată a spumei, depunerea drojdiei sub formă de strat compact şi limpezirea berii în circa 2 zile. Fermentarea primară se consideră terminată când extractul mustului scade cu 0,1-0,2% zilnic. La sfârşitul fermentării primare berea tânără se acoperă cu un strat de spumă uniformă. În timpul fermentării primare se face un control permanent al aspectului mustului în fermentaţie, a temperaturii şi scăderii extractului, astfel controlul temperaturii se efectuează de 2 ori pe zi, dimineaţa şi seara, iar a extractului o singură dată pe zi. Aceste date se trec în fişa anexată la fiecare vas de fermentare în care se mai înscrie : sortimentul de bere, numărul fierberilor din care provine mustul, cantitatea de must cât şi evoluţia impusă a temperaturii în timpul fermentaţiei primare . În funcţie de extractul primitiv al mustului şi de extractul aparent, la sfârşitul fermentării se calculează gradul de fermentare primară, care trebuie să fie cu 10-12% mai scăzut decât gradul final de fermentare stabilit în laborator, care pentru berea blondă este: gradul de fermentare primară 70-75% gradul final de fermentare 80-83%. Fermentarea primară trebuie astfel condusă până la atingerea gradului de fermentare primară corespunzător. Secţia de fermentare primară este amplasată sub nivelul instalaţiei de răcire a mustului şi la un nivel superior secţiei de fermentare secundară. Pereţii secţiei de fermentare se faianţează sau se vopsesc pe o înălţime de 1,5 – 2 m de la podea. Pardoseala secţiei de fermentare se construieşte din beton asfaltat sau beton mozaicat , antiacidă , trebuie să aibă o înclinaţie pentru scurgerea şi colectarea apelor de spălare. Vasele utilizate pentru fermentare pot fi constituite din lemn , oţel (carbon sau inoxidabil ) , aluminiu sau beton armat , putând avea formă tronconică , cilindrică sau paralelipipedică . Capacitatea vaselor de fermentare poate fi de 25 –300 hl , în ultimul timp s-au construit vase de fermentare metalice sau din beton armat de 700-1400 hl. Vasele de fermentare au înălţimi de până la 2 m , la partea inferioară având un orificiu la 10-15 cm de fund pentru evacuarea berii , iar pe fundul vasului un orificiu pentru evacuarea drojdiei depuse şi a apelor de spălare din vas. Vasele sunt aşezate pe postamente de oţel , piatră zidită sau beton , având o uşoară înclinare spre orificiile de evacuare a berii şi de scoatere a drojdiei. Pivniţa de fermentare primară cu vase de lemn dispuse în rânduri pe un postament de beton , între rândurile de vase se găseşte un canal pentru evacuarea apelor de spălare. Pivniţa de fermentare primară cu vase din beton , deschise , alimentate cu ajutorul unor conducte de alimentare cu must . Accesul în vase pentru igienizare se face prin intermediul scărilor. Fermentarea primară are loc în linuri deschise sau în vase de fermentare amplasate în încăperi speciale (pivniţe de fermentare), de asemenea se mai poate realiza şi în tancuri cilindrice, tancuri cilindro–conice, tancuri sfero-conice, având capacităţi până la 5000 hl, sau chiar mai mult.
21
Cu ajutorul tancurilor cilindro-conice se poate lucra după procedeul Uni-tanc, de fermentare primară şi secundară în acelaşi tanc, după ce la sfârşitul fermentaţiei primare se evacuează drojdia depusă la baza tancului. Pivniţa de fermentare primară trebuie să fie bine izolată şi răcită la o temperatură de 5-7 0C. În cazul folosirii vaselor deschise de fermentare sunt prevăzute ventilatoare pentru evacuarea dioxidului de carbon degajat. În timpul fermentării primare se dezvoltă o cantitate de dioxid de carbon de aproximativ 50% din glucidele care fermentează. O parte din dioxidul de carbon se elimină la începutul fermentării odată cu aerul din vas, altă parte rămâne dizolvată în mediu, iar o anumită cantitate se degajă. În condiţii bune de captare la 1 hl de bere cu extract iniţial de 12% poate fi recuperat aproximativ 2,8 kg de dioxid de carbon. Răcirea mustului în fermentaţie trebuie să se realizeze cu atenţie, îndepărtându-se numai căldura degajată din procesul de fermentaţie. Pentru răcire se utilizează de obicei apă răcită la 0,5 –1 0C. 3.2.1. 2. Recuperarea drojdiilor de la fermentaţia primară Recuperarea drojdiilor de la fermentaţia primară se realizează în mod diferit, în funcţie de tipul de fermentaţie :superioară sau inferioară. În cazul fermentaţiei superioare drojdiile se vor acumula la suprafaţa berii, în ultima fază a fermentaţiei primare, sub forma unui strat compact care se va recolta înainte ca drojdia să cadă din nou în bere. Recoltarea drojdiilor se poate face o singură dată sau de 2-3 ori, în funcţie de tipul de drojdie folosit şi de tipul de drojdie depus. În cazul linurilor de fermentare deschise, recoltarea drojdiilor se poate face manual, dar există un risc ridicat de infectare a acestora, la fermentatoarele închise recoltarea se face mecanic cu ajutorul : pâlniei („paraşutei”) – drojdia se depozitează la 0-2 ºC, dar nu este indicat să fie folosită la o nouă însămânţare; prin sucţiune –drojdia este colectată într-un tanc pentru păstrarea drojdiei, prevăzut cu serpentină pentru răcire, agitator, termometru, robinet pentru luare de probe, cameră de evacuare. Poate fi folosită la însămânţarea unei noi partide de must. Încăperea în care se depozitează drojdiile trebuie să aibă pardoseala din gresie antiacidă, cu drenaj bun, iar pereţii placaţi în faianţă până la tavan. Camera trebuie să fie prevăzută cu instalaţie pentru sterilizarea apei şi pentru condiţionarea aerului (inclusiv filtru de aer), în cameră trebuie să se realizeze o suprapresiune pentru a preveni intrarea contaminanţilor externi. Prin cameră nu trebuie să treacă conducte de NH3 deoarece eventuale scăpări de NH3 produc autoliza drojdiilor (distrugerea lor). În cazul drojdiilor de fermentaţie inferioară , ele se acumulează la fundul fermentatorului (de regulă cilindro–conic), şi se recoltează numai după ce berea din fermentator a fost trecută la fermentaţia secundară. Recoltarea drojdiei din fermentatorul cilindro-conic se face prin gravitaţie şi este condusă tot în tancurile de păstrare din camerele răcite , ca şi în cazul precedent, putând fi utilizate pentru reînsămânţarea unei noi partide de must. În cazul tancurilor orizontale recuperarea drojdiilor se face prin gravitaţie sau prin centrifugarea porţiunii de la fundul tancului, ultima fiind mai avantajoasă. Recoltarea drojdiilor se face de 2-3 ori, sau chiar de mai multe ori atât în cazul tancurilor clasice cât şi al tancurilor cilindro-conice . 22
La folosirea fermentatoarelor deschise (linuri de fermentare), drojdia acumulată la fundul linului se stratifică în 3 straturi: stratul inferior, care este îndepărtat deoarece conţine mult trub şi celule de drojdii moarte; stratul de mijloc, care conţine drojdii foarte active şi care este folosit pentru reînsămânţare, deoarece drojdiile au caracteristici optime de atenuare şi floculare; stratul superior, care nu se foloseşte pentru reînsămânţare, deoarece conţine drojdii tinere nedezvoltate, bacterii şi trub fin. Drojdiile recuperate pot fi folosite pentru reînsămânţare sau în alte scopuri. Dacă drojdiile recuperate se utilizează pentru reînsămânţare, acestea, după separarea berii antrenate prin spălare şi sitare, pot fi folosite în intervalul de 2-3 ore fără a fi răcite. Înainte de folosire ele sunt activate prin aerare. În intervalul de păstrare (2-3 ore), drojdiile se păstrează sub apă sterilă, sub bere etc. Pentru păstrarea mai îndelungată, drojdia colectată, spălată şi sitată, se păstrează în soluţie de zaharoză 10%, sau se lasă să fermenteze un must normal la temperatura de 2-3ºC, sau se menţine sub bere la 0ºC. Drojdiile recuperate pot fi folosite pentru reînsămânţări cel mult 8-10 generaţii, după care însămânţarea se face cu o cultură nouă Surplusul de drojdie recuperată poate fi folosit în următoarele scopuri: ca furaj sub formă de cremă, ca material de start la obţinerea unor hidrolizate, obţinerea de extracte, obţinerea de concentrate vitaminice, obţinerea aromatizanţilor, obţinerea invertazei, pentru obţinerea de melasă etc. 3.2.1. 3. Fermentarea secundară Berea tânără rezultată de la fermentarea primară, are un gust pronunţat de drojdie, o amăreală înţepătoare, un buchet de crud în care se percep mercaptanii cu miros neplăcut. De asemenea, aspectul este tulbure, stabilitatea redusă şi în consecinţă berea nu poate fi dată în consum ca atare. De aceea, ea este supusă fermentării lente în continuare la temperaturi scăzute pentru descompunerea încă a unei părţi cât mai mari din extractul fermentescibil rămas după fermentarea primară. Procesul se numeşte fermentarea secundară, iar după unii autori maturare. În timpul fermentării secundare au loc următoarele transformări : continuarea fermentării extractului fermentescibil din berea tânără; saturarea berii în dioxid de carbon; limpezirea berii; maturarea berii . Fermentarea secundară a berii se realizează în două faze mai importante: prima fază fermentarea are loc cu vasul deschis, timp de 24 ore de la trecerea berii tinere la fermentarea secundară; a doua fază are loc în aceleaşi vase, dar închise . După închidere vasele de fermentare secundară se cuplează la dispozitivele de siguranţă, care menţin o anumită presiune a dioxidului de carbon în vas. Tabelul 3.6. Conţinutul de dioxid de carbon dizolvat Cantitatea de dioxid de carbon dizolvat, % 23
Berea tânără Berea finită
0,2 0,35-0,4
Din tabelul 3.6. se observă că în timpul fermentării secundare trebuie să se acumuleze în mediu o cantitatea de 0,15-0,2 % dioxid de carbon dizolvat, în timpul procesului având loc saturarea berii în dioxid de carbon. O caracteristică a fermentării secundare este creşterea conţinutului de dioxid de carbon din bere, deoarece procesul de fermentare are loc în recipiente închise, prevăzute cu dispozitive de reglare a presiunii, aşa-zisele Spund-aparate. Acestea reglează presiunea din recipient, eliminând dioxidul de carbon în exces. Conţinutul de dioxid de carbon din bere după fermentarea secundară normală, este de cca 0,4%. El este influenţat de temperatura şi presiunea din recipient. Cu cât temperatura este mai scăzută, cu atât creşte acest conţinut. Astfel la o suprapresiune de 0,3 Kgf/cm 2 şi temperatura de -1ºC, conţinutul de dioxid de carbon ajunge la 4,2 g/l bere. Dacă temperatura este de +3ºC, în condiţii identice, conţinutul se reduce la 3,45 g/l. În schimb, dacă suprapresiunea este de 0,6 Kgf/cm 2, atunci la -1ºC berea se poate satura cu 5,2 g CO2/l. Legarea dioxidului de carbon din bere are importanţă atât asupra stabilităţii spumei, cât şi a gustului prin nuanţa de perlare. Dioxidul de carbon din bere stimulează secreţia în traiectul digestiv şi excită nervii olfactivi. O bere cu capacitate slabă de spumare este considerată de calitate inferioară şi are o stabilitate redusă, deoarece dioxidul de carbon elimină aerul din contact cu berea şi inhibă astfel dezvoltarea unor microorganisme aerobe dăunătoare. Există procese tehnologice de fermentare secundară în care se urmăreşte creşterea artificială a conţinutului de dioxid de carbon printr-o impregnare. Se foloseşte, de obicei CO2 rezultat la fermentarea primară, purificat prin reţinerea compuşilor volatili cu gust şi miros plăcut. Impregnarea are loc după terminarea maturării, înainte de îmbuteliere şi la temperaturi cât mai scăzute. Dozele folosite sunt de cca 0,15 Kg CO 2 /hl bere. În timpul fermentării secundare au loc şi limpezirea berii ca urmare a scăderii temperaturii şi agitării , având loc sedimentarea drojdiei şi a coloizilor de protein -polifenoli. . Procesul are o influenţă directă asupra gustului berii, a stabilităţii fizicochimice şi persistenţei spumei. În urma reacţiilor chimice ce au loc scade conţinutul de substanţe volatile care dă buchetul de tânăr, respectiv a mercaptanilor, bioxidului de sulf, acetdldehidei, tirozolul, a dicetonelor vicinale. De asemenea se semnalează o creşterea conţinutului unor alcooli superiori (propilic, izobutanul), a esterilor (principalii componenţi ai aromei, cu până 100% ). În decursul procesului de maturare are loc o limpezire naturală a berii. Efectul depinde de intensitatea procesului de fermentare secundară, de temperatura berii, de natura şi mărimea particulelor aflate în suspensie, de înălţimea stratului de bere cât şi de durata de maturare. Îmbunătăţirea însuşirilor organoleptice ale berii poate avea loc numai în prezenţa drojdiei. Dacă se îndepărtează drojdia complet după terminarea fermentării primare, se obţine o bere ”goală şi uscată”, cu gust fad, chiar dacă se procedează la o maturare de lungă durată. Se urmăreşte ca diferenţa între gradul de fermentare de la fermentarea primară şi gradul final de fermentare să fie de maxim 15% la berea blondă. Dacă diferenţa este prea mică atunci fermentarea decurge prea încet şi nu are loc maturarea 24
corespunzătoare, la fel şi atunci când diferenţa este prea mare apar consecinţe calitative nefavorabile. Diferenţa dintre gradul final de fermentare şi cel rezultat după fermentarea secundară trebuie să fie, la berea blondă, de 2-5%. Cu cât aceasta este mai mică, cu atât stabilitatea berii este mai bună. Fermentarea secundară are loc în vase închise sub presiune, în încăperi cu o temperatură cuprinsă între –2 C şi +3 C, denumite şi pivniţe de fermentare. Secţia de fermentarea secundară este amplasată la un nivel inferior secţiei de fermentarea primară, berea tânără fiind transportată la fermentarea secundară prin cădere liberă. Pivniţele de depozitare se amplasează astăzi sub pivniţa de fermentarea primară şi în apropiere de secţia de filtrare-umplere, astfel încât berea să aibă un traseu cât mai scurt. La noi în ţară se folosesc cel mai mult pentru fermentarea secundară tancuri metalice (aluminiu, oţel emailat, oţel inoxidabil) şi mai puţin tancurile din beton. Desfăşurarea procesului de fermentarea secundară şi maturare se urmăreşte prin determinarea periodică a gradului de fermentare, a temperaturii berii şi a conţinutului de dioxid de carbon. În timpul fermentării secundare mai este necesară şi determinarea gradului de fermentare, la început săptămânal şi apoi mai rar, urmărindu-se obţinerea unui grad de fermentare corespunzător tipului de bere produs. La circa jumătatea din perioada fermentării secundare este necesar să se facă şi o degustare a berii, apreciindu-se culoarea, limpiditatea, pH-ul, gustul şi spumarea, astfel încât, dacă este cazul să se mai poată face corecţiile necesare. Durata fermentării secundare depinde de tipul de bere şi concentraţia ei în extract, prezentată în tabelul 6. Tragerea berii la filtrare trebuie să se facă de asemenea în condiţii speciale, pentru a se evita pierderile de dioxid de carbon şi accesul oxigenului. Din vasul de fermentare berea este trecută la o lanternă de cupajare la care se pot lega două sau mai multe tancuri cu acelaşi sortiment de bere şi astfel se poate obţine o calitate mai uniformă a berii care merge la filtrare.
Tipul de bere Blondă
Tabelul 3.7. Durata de fermentarea berii blonde în ţara noastră Categoria Sortimentul (conc. Durata totală a mustului primitiv ) fermentării (zile) Slab alcoolică 6,5 21 Obişnuită 12 42 Specială 12 70 12,5 42
Sedimentul rămas în vasele de fermentare, format în cea mai mare parte din drojdii şi proteine precipitate, este separat de bere cu ajutorul unui filtru presă şi apoi valorificat la furajarea animalelor. Berea recuperată este pasteurizată şi adăugată în cantităţi mici în bere. După golirea completă, vasele se spală şi se dezinfectează, pregătindu-se pentru un nou ciclu de fermentare secundară . În funcţie de extractul primitiv al mustului şi de extractul aparent, la sfârşitul fermentării se calculează gradul de fermentare primară, care pentru berea blondă este: gradul de fermentare primară 70-75% 25
gradul final de fermentare 80-83%.
3.2.2. Fermentarea continuă a berii Încă de la sfârşitul secolului XX Delbruck vorbeşte de posibilitatea unei fermentări rapide şi continue a mustului de malţ , care să se efectueze prin adăugarea unei cantităţi de drojdie de 5-20 ori mai mare decât doza normală (0,5 l/ hl ), la o temperatură de 30 0C. La un adaos de 10 l/hl şi la temperatura de 30 0C., Delbruck a reuşit fermentarea în timp de 4 ore a unui must de malţ cu un extract iniţial de 13,6 % până la un extract aparent final de 5,4 %.
3.2.3. Procedee de fermentare continuă Prin analiza factorilor care influenţează procesul de fermentare s-au adus o serie de îmbunătăţiri metodelor şi utilajelor clasice de fermentare , prin care se realizează o accelerare a fermentaţiei şi maturării berii în condiţiile păstrării calităţii berii finite . Cercetările efectuate până în prezent au lămurit toate problemele privind fermentarea continuă a mustului de bere , cum ar fi : mecanismul de multiplicare a drojdiilor în timpul procesului şi valorificarea ulterioară a acesteia , însuşirile organoleptice ale berii, măsuri igienico- sanitare . Dintre procedeele de fermentare accelerată a berii se pot enumera : procedeul KUGALA , procedeul COUTTS , procedeul de fermentarea continuă SCHALK , procedeul de fermentarea continuă în cascadă , fermentarea continuă după sistemul APV, fermentarea continuă după procedeul DENSCIKOV , procedeul de fermentarea LABATT , procedeul de fermentare a berii în reactoare cilindro-conice. 3.2.3.1. PROCEDEUL KUGALA Conform acestuia fermentarea se desfăşoară într-un singur vas a cărui înălţime este de 10 m , are la bază principiul stratificării mustuluii în timpul fermentării ca urmare a unei densităţi diferite . Vasul de fermentare este împărţit în 3 compartimente : răcire , fermentare şi depozitare . La suprafaţa exterioară , vasul de fermentare se răceşte prin intermediul unui sistem de conducte. În partea de jos vasului se introduce dioxid de carbon pentru saturarea berii şi menţinerea drojdiei în suspensie pentru o mai bună fermentare . 3.2.3.2. PROCEDEUL COUTTS Specific acestui procedeu este faptul că mustul este eliberat de trub şi este însămânţat în mod continuu cu drojdie în timpul trecerii printr-un vas de fermentare închis . Cantitatea de drojdie este de 10 ori mai mare decât în cazul procedeului static (5 l lapte de drojdie în los de 0,5 l /hl must ) . 26
Operaţia de fermentare totală şi de maturare a berii durează aproximativ 18 ore. Vasul de fermentare poate fi de formă dreptunghiulară sau cilindrică şi este prevăzut în interior cu agitator care se roteşte în interiorul unui difuzor al cărui diametru este de 1/6 din diametrul vasului de fermentare . 3.2.3.3. FERMENTAREA CONTINUÃ – PROCEDEUL SCHALK Reduce durata de fermentare prin mărirea cantităţii de drojdie la însămânţare şi prin crearea unor condiţii prielnice de înmulţire a acesteia. Fermentarea are loc într-o baterie de vase de 1700 hl. Mustul se însămânţează în primul vas de de fermentare , cu o cantitate de drojdie de 20 l /hl must . în momentul în care s-a atins stadiul de spumare maximă , jumătate din conţinutul primului vas este introdus în vasul al doilea de fermentare şi ambele vase sunt umplute cu must proaspăt , fără însă a se mai însămânţa cu drojdie . În momentul în care cele două vase ating nivelul maxim de spumare , jumătate din conţinutul celui de –al doilea este trecut în în vasul următor (al treilea), ambele vase (al doilea şi al treilea ) fiin umplute cu must proaspăt. Operaţia se repetă până când are loc umplerea tuturor vaselor din baterie . după fiecare însămânţare şi completare cu must proaspăt , vasele sunt lăsate să fermenteze discontinuu până la terminarea procesului de fermentare . 3.2.3.4. FERMENTAREA CONTINUÃ – ÎN CASCADÃ Fermentarea se realizează în 4 faze de fermentare , fiecărei faze îi corespunde un vas de fermentare . Mustul de bere steril este introdus în partea inferioară a primului vas de fermentare , se adaugă o cantitate de drojdie de 0,25 kg/hl must şi apoi se declanşează procesul de multiplicare a drojdiei. Durata de fermentare este de 10 zile. Din primul vas de fermentare mustul iese prin partea superioară şi este trecut la faza a doua de fermentare activă , apoi mustul este trecut la faza a treia şi a patra în care berea se răceşte şi se limpezeşte. Dioxidul de carbon format în timpul fermentării este captat din vasele de fermentare în care se realizează faza a doua şi a treia. 3.2.3.5. FERMENTAREA CONTINUÃ – SISTEMUL APV. Procedeul de fermentare se desfăşoară în 5 tancuri de fermentare primară şi 4 tancuri de fermentare secundară şi depozitare. Mustul intră în fiecare tanc de fermentare primară pe la partea inferioară şi iese pe la partea superioară , fiind colectat într-o conductă comună. În tancurile de fermentare secundară şi de depozitare , mustul intră pe la partea superioară a primului tanc , iese pe la partea inferioară a lui şi intră pe la partea superioară a următorul tanc. Din ultimul tanc berea trece printr-un răcitor , iar de aici într-un vas de formă conică pentru depunerea drojdiei. În cazul acestor instalaţii , consumul de energie electrică şi combustibil se reduce cu 50% comparativ cu instalaţiile care funcţionează după procedeul discontinuu. 3.2.3.6. FERMENTAREA CONTINUÃ – PROCEDEUL DENSCIKOV Comparativ cu o instalaţie de fermentare periodică , instalaţiile de fermentare continuă după acest procedeu reduce durata de fermentare de 3,5 ori , iar suprafaţa necesară de peste 10 ori. Instalaţia constă dintr-o baterie de vase legate în serie , respectiv : două generatoare mici de drojdie (pentru cultură pură sau purificată ), un 27
generator mare de drojdie , vas de must pentru alimentarea bateriei de fermentare , vasele de fermentare şi tancul complementar unde se realizează şi o răcire a berii. Dimensiunile tancurilor de fermentare sunt : diametrul de 2,2 m iar lungimea de 5,9 m . Vasele de fermentare se prevăd cu agitatoare cu palete , cu dispozitive de menţinere constantă a presiunii şi dispozitive de barbotare a dioxidului de carbon. 3.2.3.7. PROCEDEUL LABATT În primul stadiu de fermentare se face o multiplicare a drojdiei într-un generator , în condiţii aerobe controlate , mustul hameiat intrând continuu în generatorul de drojdie de unde iese tot continuu şi intră în instalaţia de fermentare propriu –zisă. 3.2.3.8. FERMENTAREA BERII ÎN REACTOARE CILINDRO-CONICE Este , în prezent, cel mai avantajos procedeu de fermentare a berii . Instalaţiile de acest tip sunt termoizolante , ocupă un spaţiu minim şi pot fi aşezate în afara încăperilor , în spaţii deschise . O astfel de instalaţie constă dintr-un vas vertical executat din oţel inoxidabil , de formă cilindrică , cu fundul conic , dotat cu manta de răcire , care conţine un dispozitiv de spălare interioară cu supapă de siguranţă , traductoare pentru controlul temperaturii şi a nivelului maxim de lichid . Instalaţia mai conţine armături pentru alimentarea cu agent termic , pentru evacuarea agentului termic , pentru introducerea mustului şi a drojdiei şi pentru evacuarea berii , a dioxidului de carbon şi a apelor de spălare şi a dzinfectantului , un debimetru , un hidroîncălzitor şi un orificiu pentru luarea probelor.. Instalaţiile de fermentare cilindro–conice pot realiza diferite sortimente de bere , iar în timpul procesului de fermentare , fazele de fermentare primară şi secundară se suprapun. Practic , procesul tehnologic în această instalaţie se desfăşoară astfel: mustul de bere răcit la 10 0C., cu un conţinut de 3-5 g O /100 l , este introdus în instalaţia de fermentare cilindro-conică în 2-3 reprize; după introducerea primei părţi de must , se adaugă drojdie de bere în doză de 0,4-0,50 l /100 l must; în continuare , vasul se umple cu must în proporţie de 85% din volumul total ; procesul de fermentare începe la 10 0C., iar în primele două zile temperatura creşte până la 140C. ; fermentarea este terminată la aceeaşi temperatură , după 5-6 zile de inoculare când extractul scade de la 11-12 % la 2,2-2,6 %; după terminarea fermentaţiei, temperatura se coboară până la circa 2 0C., când drojdia se depune intens în decurs de două zile , iar în instalaţie se menţine o suprapresiune de 0,4-0,5 bar; procesul de fermentare secundară a berii se desfăşoară în continuare timp de 5-6 zile , la temperatura de 2 0C., după îndepărtarea din partea conică a drojdiei depuse; în final , berea răcită la 0 0C este filtrată şi trimisă la secţia de îmbuteliere.
3.2.4. Produse secundare volatile rezultate din procesul tehnologic de obţinere a berii brute 28
La fermentarea primară şi secundară se formează o serie de produşi secundari, care au o influenţă deosebită asupra calităţii berii. La formarea produşilor secundari participă 3% din glucidele fermentescibile, 95% sunt utilizate pentru producţia de alcool etilic, iar restul de 2% se folosesc pentru formare de noi celule de drojdii. Produşii formaţi pot avea influenţă pozitivă (esterii) şi negativă (carbonilii şi produşii cu sulf). În general, la fermentarea primară se formează în principal diacetil, aldehide şi compuşi cu sulf care conferă berii tinere o aromă (gust şi miros) de bere imatură, neechilibrată. Se mai formează şi alcooli superiori şi esteri, dar aceştia se concentrează mai mult la fermentaţia secundară/maturare şi ei contribuie la aroma definitivă a berii, în condiţiile în care se găsesc în concentraţii adecvate. 1. Formarea de alcooli superiori Alcoolii superiori sunt compuşi de aromă care caracterizează berea finită. Alcoolii superiori (uleiul de fuzel) sunt produşi de către drojdii din: aminoacizii prezenţi în must, care sunt transformaţi de drojdie în alcooli superiori prin dezaminare, decarboxilare şi reducere; din produşii intermediari, cum ar fi hidroxi- şi cetoacizii; din glucide pe calea acetatului. În timpul fermentării primare se formează aproximativ 80% din totalul alcoolilor superiori. La fermentaţia secundară şi maturare, nivelul de alcooli superiori creşte relativ puţin. Deoarece alcoolii superiori formaţi nu pot fi îndepărtaţi prin măsurile tehnologice normale, este necesar să existe un control al fermentaţiei în vederea obţinerii unei anumite concentraţii de alcooli superiori. Factorii care favorizează formarea unei cantităţi mai mari de alcooli superiori sunt: creşterea temperaturii de fermentare; agitarea berii tinere prin agitare, pompare; aerarea intensivă a mustului însămânţat; însămânţare cu drojdii la temperaturi mai mari de 8ºC; creşterea concentraţiei mustului peste 13ºP. Formarea alcoolilor superiori este diminuată când: doza de drojdie este mărită; temperatura de însămânţare este prea scăzută; fermentaţia are loc la temperaturi scăzute; accesul oxigenului după însămânţare cu drojdie nu este realizat; nivelul de aminoacizi din must nu este corespunzător. La concentraţii de alcooli superiori în bere mai mare de 100 mg/l se afectează aroma, gustul şi mirosul berii, acceptabilitatea acesteia fiind mult diminuată. Berea de fermentaţie inferioară conţine 60 – 90 mg/l alcooli superiori. 2. Formarea de esteri
29
Esterii sunt unii din cei mai importanţi compuşi care determină aroma berii, însă un conţinut ridicat de esteri conferă berii un conţinut amar neplăcut, un gust de fructe. Esterii se formează în timpul fermentării prin esterificarea acizilor graşi cu alcool etilic şi în mai mică măsură cu alcooli superiori. Concentraţia în alcooli superiori creşte, în principal, în faza de fermentare viguroasă a fermentării primare, iar concentraţia esterilor în berea maturată este dependentă de fermentaţia secundară, când nivelul de esteri se dublează, dacă fermentaţia secundară este mai lungă. Conţinutul de esteri depinde de densitatea iniţială a mustului şi de tipul de bere fabricat. Berea de fermentaţie superioară conţine până la 80 mg/l esteri, iar cea de fermentaţie inferioară până la 60 mg/l. Din cei aproape de 60 de esteri decelaţi, mai importanţi pentru aroma berii sunt următorii: acetatul de etil; acetatul de izoamil; acetatul de izobutil; fenilacetatul; etilcaproatul; etilcaprilatul. Formarea esterilor este strâns corelată cu: aportul de oxigen necesar drojdiilor, care afectează sinteza acizilor graşi, precum şi respiraţia şi fermentaţia, având în vedere că drojdiile au nevoie de acizi graşi nesaturaţi care au un rol important în structura membranei. Acizii graşi nesaturaţi pot proveni din must sau sunt sintetizaţi de drojdie din acizii graşi saturaţi. Atâta timp cât are loc sinteza de lipide şi acizi graşi, formarea de esteri este inhibată. Producţia de esteri este favorizată prin: creşterea concentraţiei mustului peste 13ºP; creşterea atenuării limită; restricţionarea aerării mustului; temperatura de fermentare scăzută; creşterea agitării berii în timpul fermentării şi maturării. Producţia de esteri este diminuată prin: utilizarea unui must cu concentraţie mai redusă; scăderea atenuării limită; creşterea gradului de aerare a mustului; folosirea unei temperaturi mai ridicate de fermentare; creşterea presiunii în timpul fermentării. 3. Formarea de dicetone vicinale Dintre dicetonele vicinale, o importanţă deosebită prezintă diacetilul şi 2,3 pentadiona, care pot conferi berii un gust dulceag, de unt. Formarea dicetonelor vicinale are loc în două stadii şi anume un stadiu enzimatic în care drojdia formează α-acetolactat, care este excretat în must. Acetolactatul se formează dinacetil CoA şi acid piruvic, enzima acetohidroxid sintetaza acţionând asupra acetil CoA. α-acetolactatul excretat în mustul în fermentaţie nu influenţează aroma. 30
În al doilea stadiu di acetolactat se formează dicetone vicinale, respectiv diacetil, reacţia implicând decarboxilarea neenzimatică a α-acetolactatului, fiind necesară prezenţa oxigenului dizolvat. Primul stadiu este influenţat de: suşa de drojdie; doza de însămânţare cu drojdie a mustului (doze mai mari favorizează formarea de acetohidroxiacizi). Cel de-al doilea stadiu, când are loc decarboxilarea oxidativă a acetohidroxiacizilor cu formare de dicetone vicinale, reacţie care se desfăşoară lent în mustul de fermentaţie, independent de prezenţa drojdiei, este influenţat de: scăderea pH-ului (la pH=4,2–4,4 are loc o conversie rapidă a acetohidroxiacizilor în dicetone vicinale, conversie care este încetinită la creşterea pH-ului); creşterea temperaturii (creşterea conversiei se măreşte cu mărirea temperaturii de fermentare); aportul de oxigen (aportul de oxigen favorizează conversia rapidă a precursorilor în dicetone vicinale). Formarea dicetonelor vicinale este mai abundentă în faza de dezvoltare exponenţială a drojdiilor, respectiv în aerobioză. În anaerobioză (fermentaţie alcoolică), drojdiile produc cantităţi mai reduse de diacetil după 24 – 48 de ore de la introducerea drojdiilor. Dicetonele vicinale din mustul în fermentare (berea tânără) poate fi preluat de drojdie, unde este redus la produşi cu prag de sensibilitate mai mare (acetonă şi respectiv 2,3 pentadiol) În timpul fermentaţiei, adsorbţia de diacetil, din mustul în fermentare, este constantă în timpul fermentaţiei primare şi scade progresiv în timpul fermentaţiei secundare. Nu există diferenţe majore între diferite suşe de drojdie în ceea ce priveşte adsorbţia de diacetil din must în fermentare şi creşte odată cu creşterea temperaturii. Monitorizarea fermentaţiei este obligatorie deoarece dicetonele vicinale reprezintă un criteriu important în judecarea stadiului de maturare a berii, conversia acetohidroxiacizilor din must în dicetone vicinale trebuie să fie rapidă şi aceasta poate fi influenţată prin fermentaţie rapidă la temperaturi mai ridicate, evitarea oxigenării după însămânţarea mustului cu drojdie de bere. 4. Formarea de compuşi carbonilici În cazul berii interesează în special acetaldehida, care este un produs intermediar normal al fermentaţiei alcoolice. Acetaldehida este excretată de drojdie în berea tânără în primele trei zile de fermentaţie primară şi este responsabilă pentru mirosul berii tinere (miros de crud, de must). Pe parcursul fermentaţiei, acetaldehida adsorbită de drojdie şi mirosul de bere tânără scad progresiv. În berea tânără, nivelul de acetaldehidă este de 20 – 40 mg/l, iar în berea finită de 8 – 10 mg/l. Nivelul de acetaldehidă creşte în următoarele cazuri: fermentaţie rapidă; creşterea temperaturii în timpul fermentaţiei; 31
creşterea dozei de drojdie; aplicarea presiunii în timpul fermentaţiei primare; aerare slabă a mustului; infectarea mustului cu drojdii sălbatice şi bacterii. Îndepărtarea acetaldehidei formate este favorizată de: fermentarea secundară şi maturarea viguroasă; maturarea la temperaturi mai mari; aerarea suficienta a mustului; creşterea concentraţiei de drojdie la fermentaţia secundară şi maturare. 5. Formarea compuşilor cu sulf Produşii cu sulf rezultă din metabolismul drojdiilor. Se formează H 2S, mercaptani şi alţi compuşi care, dacă depăşesc pragul de sensibilitate, imprimă berii gust de nematurat, de bere tânără. H2S se produce în timpul fermentaţiei din aminoacizi cu sulf. În caz de deficienţă în factori de creştere, drojdiile produc cantităţi mai mari de H 2S. Având în vedere că H2S este volatil, el este eliminat la fermentaţia primară şi secundară prin antrenare de către bulele de CO2. Cantitatea eliminată creşte prin creşterea temperaturii şi cu creşterea înălţimii de lichid. Un alt produs cu sulf este dimetilsulfura (DMS), care este foarte volatilă. În bere nu trebuie să se găsească cantităţi mai mari de DMS, al cărui prag de sensibilitate este de 50 – 60 mg DMS/l. La fermentare nivelul de DMS creşte, dacă temperatura de fermentare este mai mare sau dacă berea este depozitată la temperatură mai ridicată. 6. Formarea de acizi organici Acizii organici prezenţi în bere sunt sintetizaţi de drojdie din aminoacizii prezenţi în bere, drojdia foloseşte din aminoacizi gruparea NH 2 pentru sinteza proteinelor celulare, iar acidul organic rezultat este excretat în bere. Substanţele menţionate, ca produşi secundari, la concentraţii sub pragul de sensibilitate contribuie foarte mult la plinătatea gustului berii, la aroma berii şi stabilitatea acesteia, la însuşirile spumei. Dacă concentraţia unora dintre substanţele menţionate depăşeşte pragul de sensibilitate, ele influenţează negativ calitatea senzorială a berii, în special gustul şi mirosul.
3.2.5. Factorii care intervin în procesul de fermentare TEMPERATURA Prin creşterea temperaturii cu câte 4ºC, începând de la 8ºC, se reduce durata de fermentare primară aproximativ la jumătate, respectiv de la 220 h la 8,5ºC, la 110 h la 12ºC, la 50 h la 16ºC şi la 33 h la 20ºC. Temperatura unui lichid influenţează direct solubilitatea oxigenului De asemenea, pH-ul berii scade la temperaturi ridicate şi culoarea se deschide. 32
Ca un inconvenient al fermentării la temperaturi prea ridicate apare conţinutul mărit de produse secundare de fermentaţie, în special de alcooli superiori. Conţinutul de acetaldehidă creşte până la un moment dat, scăzând apoi la temperaturi mai ridicate. Cu cât temperatura de fermentare este mai ridicată, cu atât concentraţia maximă de acetaldehidă apare mai devreme. Esterii formaţi în timpul fermentării, rămân practic constanţi până la temperatura de 16ºC, conţinutul variind între 15 şi 30 mg/l. Abia la 20ºC apare o creştere mai importantă a conţinutului, în special a acetatului de etil, care reprezintă cca 50% din cantitatea totală de esteri. Dintre alcoolii alifatici superiori rezultaţi în urma metabolismului drojdiei la fermentarea berii, n-propanolul, deşi prezent la temperaturi ridicate de fermentare în cantităţi de peste 10 mg /l, nu este perceput organoleptic. În schimb, izobutanolul, produs în condiţii normale în cantităţi de 5-9 mg/ l, se percepe la mărirea temperaturii de fermentare cu consecinţe negative asupra aromei berii. O situaţie asemănătoare se regăseşte la alcoolul izoamilic prezent în cantităţi de până la 65 mg/ l. La temperaturi ridicate de fermentare apare un conţinut mărit de dicetone vicinale, dar şi o viteză crescută de descompunere a acestora. De asemenea, temperatura este în funcţie de felul fermentaţiei (inferioară sau superioară ) şi, deci ,de tipul de drojdie. O temperatură de fermentare peste valorile indicate pentru fiecare tip de fermentare va determina: • modificarea calităţii în rău a berii : amăreală, stabilitatea spumei, • creşterea nivelului de esteri şi alcooli de fuzel, • reducerea filtrabilităţii berii, • micşorarea duratei de păstrare a berii, • creşterea cantităţii de dicetone vicinale şi descompunerea rapidă a acestora. Unele inconveniente calitative ale fermentării primare la temperaturi crescute pot fi înlăturate in parte prin: • efectuarea procesului sub presiune mărită, când scade viteza de fermentare, • micşorarea pH-ului şi reducerea tendinţei de formare de alcooli superiori şi esteri. Cu excepţia acetaldehidei, subprodusele de fermentare scad paralel cu presiunea. AERAREA O aerare puternică la începutul procesului de fermentare primară este indispensabilă. Creşterea numărului de celule de drojdii în mustul în curs de fermentare este direct legată de conţinutul de oxigen din mediu la începutul operaţiei. Acest oxigen este consumat pentru oxidarea componenţilor mustului şi a produselor de fermentare, de adsorbţia prin metabolismul drojdiei, de desorbţie prin scăderea presiunii şi mărirea temperaturii. Pe măsura progresării procesului de fermentare, necesarul de oxigen descreşte treptat. Practic, rezultatele cele mai bune se obţin la un conţinut iniţial în oxigen de minim 5 mg/l, ceea ce corespunde cu un grad de saturaţie cu oxigen de cca 60% al mustului la începutul fermentării. Aerarea stimulează şi scăderea pH-ului în decursul procesului de fermentare, ea fiind mai puternică în primele trei zile. 33
POTENŢIALUL DE OXIDOREDUCERE O influenţă similară asupra desfăşurării procesului de fermentare o are potenţialul de oxidoreducere al mustului. Acesta se reduce în decursul procesului de fermentare de la valori de 20-26 la 8-12. Cu cât potenţialul de oxidoreducere este în final mai mic, cu atât calitatea berii este mai bună. La valori ridicate ale acestuia se închide culoarea berii, se înrăutăţeşte gustul şi berea devine mai sensibilă faţă de tendinţa de tulburare. Legat de acest fenomen se recomandă ca aerarea mustului să nu se efectueze prea târziu, respectiv în stadiul formării crestelor joase, fiindcă în aceste condiţii apar defecte de gust şi generare excesivă de diacetil. Cu cât condiţiile de fermentare sunt mai bune, cu atât potenţialul de oxidoreducere scade mai bine în primele zile de fermentare. În acelaşi timp, valoarea ITT scade de la cca 250 din must, la cca 70 în berea tânără, ceea ce influenţează pozitiv stabilitatea gustului şi compoziţia chimică a berii. pH – ul Concentraţia ionilor de hidrogen creşte în decursul fermentării primare inferioare normale de la un pH de 5,2 - 5,7 la 4,35 – 4,65. Scăderea pH-ului este explicată prin asimilarea de amoniac din aminoacizi la înmulţirea drojdiei, prin formarea de acizi organici ficşi şi volatili, precum şi prin deplasarea efectului tampon al mediului spre zona mai acidă, deşi în tot decursul acestui timp pH-ul celulei de drojdie rămâne practic constant, cu valori în jur de 6. Se preferă o scădere înceată, dar permanentă a pH-ului, influenţându-se astfel şi procesele de floculare. Scăderea pH-ului poate fi influenţată artificial prin mărirea temperaturii, a dozei de drojdie introducerea în cantităţi sporite de aer, sau prin agitare. SUBSTANŢELE AZOTOASE În decursul fermentării se constată o scădere a conţinutului total de azot de circa 300 mg / l, compuşii cu azot suferind în decursul procesului modificări datorită asimilării lor de către drojdii pentru formare de de celule noi, cantitatea depinzând de rasa şi doza de drojdie folosită, precum şi de procesul tehnologic aplicat în decursul fermentării. Concentraţia de azot α-aminic la un must cu 12% extract trebuie să fie de 220-250 mg / l. Azotul α-aminic determină sinteza valinei, care la rândul ei influenţează formarea diacetilulu înn decursul fermentării primare. Astfel cantităţi insuficiente de valină duc la generarea excesivă de diacetil. În cazul scăderii conţinutului de azot α-aminic cu 10% apare o încetinire importantă a vitezei de fermentare primare. Prin autoliza drojdiei, generată de temperaturi prea ridicate de fermentare, sau de un contact îndelungat cu berea , creşte conţinutul de azot din bere datorită descompunerii proteinelor din drojdie sub acţiunea enzimelor proteolitice. Rezultatul este apariţia unui gust neplăcut de drojdie şi tendinţa de tulburare a berii. INFLUENŢA TRUBULUI ASUPRA FERMENTĂRII 34
Eliminarea trubului din must este indispensabilă deoarece prezenţa lui conduce la conferirea unei consistenţe unsuroase a drojdiei, influenţând negativ procesul de floculare, cu consecinţa obţinerii unei beri tinere, cu gust de trub, culoare închisă şi însuşiri nesatisfăcătoare de spumare. Rolul trubului la rece în desfăşurarea procesului de fermentare este controversat. Unii autori consideră că trubul la rece poate fi eliminat total, fără inconveniente, în timp ce alţii recomandă doar o reducere parţială considerând că un conţinut rezidual de 70-100 mg trub rece/ l este indispensabil pentru asigurarea condiţiilor normale de fermentare, influenţând favorabil şi însuşirile senzoriale ale produsului obţinut. Cu creşterea conţinutului de trub rece din must se înrăutăţeşte filtrabilitatea berii. Pentru procedeele de fermentare rapidă se recomandă ca acest conţinut să fie sun 40 mg / l, iar unii autori indică eliminarea lui totală. VÂSCOZITATEA MUSTULUI Vâscozitatea mustului influenţează în principal operaţia de filtrare a berii. Pentru obţinerea unei beri cu o filtrabilitate bună este necesar ca vâscozitatea mustului să fie de maxim 1,6 cP. În cazul depăşirii unei vâscozităţi de 1,78 cP, în afară de greutăţi la filtrare apar dereglări în procesul tehnologic şi mărirea duratei de sedimentare a drojdiei cu câteva zile. Pentru prevenirea acestui inconvenient se recomandă utilizarea în astfel de cazuri a unor preparate enzimetice cu conţinut de β- glucanază. SUBSTANŢELE AMARE ŞI POLIFENOLII În decursul procesului de fermentare, în urma micşorării pH-ului, are loc o schimbare a stării coloidale a substanţelor amare şi a polifenolilor (substanţelor tanante) de la o stare stabilă într-una nestabilă, în apropierea punctului izoelectric. Aceasta conduce la o precipitare parţială a lor. Pe de o parte substanţele amare sunt antrenate de bulele de dioxid de carbon şi aduse spre suprafaţă, fiind reţinute în creste, iar pe de altă parte se absorb la suprafaţa celulelor de drojdie. Intensitatea de reducere a conţinutului de substanţe amare şi a polifenolilor depinde de temperatura de fermentare şi de factorii care pot contribui încă la intensificarea procesului. În medie se produc pierderi de 20-30%. La fermentarea inferioară în recipiente mari de până la 5000 hl, pierderile în substanţe amare sunt de 15%, în condiţiile unei agitări atente a primului strat de creste prin recircularea mustului. INFLUENŢA DROJDIEI ASUPRA FERMENTĂRII Caracteristicile , dozele şi modul de administrare ale culturilor de drojdii sunt determinante pentru desfăşurarea procesului de fermentare şi pentru calitatea berii. Comportarea mult diferenţiată a tulpinelor izolate, conduce la necesitatea luării în consecinţă pentru fiecare caz concret a utilizării tulpinelor celor mai adecvate, în funcţie de dotarea tehnică a fabricii, de sortul de bere urmărit a se obţine şi de alţi factori. Cu privire la puritatea culturilor, se cere în special lipsa termobacteriilor şi a drojdiilor sălbatice. 35
Viteza de fermentare poate creşte în cazul măririi dozei de drojdie. Astfel, în timp ce la o doză de 0,5 l suspensie groasă de drojdie / hl must durata normală de fermentare primară este de 9 zile, la 1 l / hl es poate fi redusă la 7 zile, iar la 2 l / hl la 4-5 zile. Cu cât creşte doza de drojdie are loc scăderea capacităţii de înmulţire, astfel pentru o doză de 0,5 l / hl are loc înmulţirea cantităţii de drojdie, în urma procesului de fermentare primară inferioară, de circa 4 ori. Dacă doza creşte la 2 l /hl capacitatea de înmulţire scade la 1,5 ori. Alţi autori consideră că capacitatea de înmulţire a drojdiei este aceeaşi, nedepinzând de concentraţia iniţială. Înmulţirea drojdiilor depinde în mare măsură de prezenţa oxigenului dizolvat în mustul de bere.
3.3. Alegerea variantei optime de fermentare În industria berii , vasele de fermentare poartă denumirea de linuri, dacă lucrează la presiune barometrică , şi de tancuri , dacă lucrează sub presiune . Linurile de fermentare pot fi deschise sau închise . La linurile deschise există pericolul acumulării de CO2 în atmosfera din incintă de fermentare , astfel concentraţia CO2 trebuie să fie ≤ 0, 5 % , ceea ce implică o bună ventilaţie . concentraţii mai mari de CO2 în atmosfera respirabilă sunt dăunătoare organismului uman. La fermentatoarele închise nu există pericolul acumulării de CO 2 în atmosfera din incintă , nici atunci când sistemul de recuperare a CO2 s-a defectat caz în care tancurile sunt puse sub presiune atmosferică. Tancurile de fermentare sunt recipiente închise sub presiune pentru fermentarea primară , pentru fermentarea secundară , respectiv pentru ambele fermentaţii în cazul tancurilor cilindro-conice de mare capacitate . Ca formă tancurile pot fi :cilindrice orizontale , rectangulare , cilindro-conice mici, cilindro-conice mari , cilindrice cu fund înclinat (Asahi) , cilindrice cu fund uşor înclinat spre centru (Unitanc ) . În funcţie de mărime , ele pot fi amplasate în interiorul unor încăperi sau sub cerul liber . Tancurile Asahi , unitanc şi cilindro-conice mari cu capacitate mai mare de 1000 hl şi înălţimi mai mari de 6 m , se amplasează în exterior , sub cerul liber , pe când tancurile orizontale sau verticale , de capacitate mică , mai mică de 1000 hl , se amplasează în incintă. Pentru realizarea unei fermentări cât mai adecvate a mustului de bere am ales să utilizez la fermentare tancurile cilindro-conice . Motivele pentru care am ales acest tip de fermentator sunt : investiţii şi costuri de exploatare mai reduse ; reducerea pierderilor de bere datorită drenajului foarte bun şi o eliminare bună a drojdiei; viteză mai mare şi flexibilitatea operaţiei de fermentare ; îmbunătăţirea substanţială a calităţii berii ; utilizarea mai bună a fermentatorului ; colectarea uşoară a CO2 - ului; spălarea eficientă a tancului ; manipularea uşoară şi igienică a drojdiilor ; folosirea mai eficientă a substanţelor amare; retenţie mai bună a spumei în bere ; 36
realizarea unei fermentări sub presiune , fermentatoare închise , deci nu există pericolul acumulării de CO2 in incinta de fermentare pot fi folosite atât pentru fermentarea primară cât şi pentru fermentarea secundară , respectiv pentru ambele fermentaţii (combitanc). lipsa armăturilor interioare, răcire efectuându-se cu manta .
Aer steril
Drojdie –cultură pură de laborator
Must fierbinte
Separare trub la cald
trub grosier
Răcire must
Multiplicare în laborator Separare trub la rece
trub fin
Must limpede
Multiplicare în staţia de culturi pure
Fermentare -maturare
Bere maturatã
Fig .3.2. Schema tehnologică a procesului de fermentare- maturare a mustului de bere în tancuri cilindro-conic
37
3.4 Descrierea procesului de fermentare în tancuri cilindro-conice 3.4.1 Caracteristicile materiilor prime şi auxiliare 3.4.1.1. Materii prime
3.4.1.1.1. Mustul de bere Mustul fiert cu hamei utilizat ca mediu de fermentare este bogat în nutrienţi, deoarece conţine un spectru larg de zaharuri asimilabile, de aminoacizi şi alte substanţe azotoase simple, substanţe minerale (incluzând calciu, magneziu, sodiu, potasiu, fier, zinc, cupru, mangan, cloruri, sulfaţi, carbonaţi, fosfaţi), vitamine cum ar fi biotina, acidul pantotenic, inozitolul, tiamina, piridoxina, acidul nicotinic, etc. Pentru creştere drojdiile au nevoie de zaharuri, aminoacizi, săruri minerale, vitamine, acizi graşi nesaturaţi, steroli şi oxigen. În afară de oxigen şi unele săruri, malţul şi nemalţificatele furnizează toţi nutrienţi necesari, zaharurile producând energie pentru producţie şi biosinteză, aminoacizii fiind folosiţi pentru biosinteză (în special proteine), sărurile şi vitaminele având roluri metabolice importante. Sinteza membranei celulare depinde de nivelul de acizi graşi nesaturaţi. Dintre constituenţii mustului menţionaţi anterior un rol deosebit îl au: zaharurile fermentescibile; compuşii cu azot asimilabili şi, în particular, aminoacizii, purinele şi pirimidinele, vitaminele; nivelul ionilor de Zn 2+, fermentaţia fiind accelerată la nivel de 0,2 mg Zn/l must. Niveluri mai mari de Zn 2+ promovează autoliza şi devin toxici atunci când şi nivelul de Mn< 0,01 mg/l. Tabelul 3.13. Compoziţia substanţei uscate a mustului de bere Conţinut Componentul [g/l] Fructoză 2,1 Glucoză 9,1 Zaharoză 2,3 Maltoză 52,4 Maltotrioză 12,8 Zaharuri nefermentescibile 23,9 Azot total (ca azot) 0,8 Azot aminoacidic (ca azot) 0,30 Aminoacizi totali 1,65 Compuşi fenolici 0,25 Α- izoacizi 0,030 Ioni de calciu 0,065 Compoziţia mustului este influenţată de temperatura de plămădire. Temperaturile de plămădire mai scăzute conduc la musturi mai fermentescibile, cu o mai bună atenuare. Prezenţa în must a particulelor în suspensie influenţează fermentaţia în sensul favorizării dezvoltării drojdiilor, dar şi al formării alcoolilor de fuzel şi glicerinei. 38
Prezenţa particulelor în suspensie, mai ales cele din trubul la cald, influenţează negativ procesul de floculare şi favorizează autoliza. Berea tânără obţinută are un gust de trub, culoare mai închisă şi însuşiri de spumare mai reduse. Particulele din trubul la rece într-o proporţie redusă se consideră că au influenţă pozitivă în ceea ce priveşte fermentarea şi însuşirile senzoriale ale berii finite. În cantităţi mai mari, particulele din trubul la rece îngreunează filtrabilitatea berii. Ph-ul mustului hameiat este favorabil dezvoltării drojdiilor (5,2-2,7), iar scăderea lui în timpul fermentaţiei până la valori de 4,35-4,65, scădere explicată prin consumul aminoacizilor, formarea de acizi organici ficşi şi volatili, precum şi prin deplasarea efectului tampon al mediului spre zona mai acidă, nu influenţează ph-ul celulei de drojdie, care rămâne la 6,0. Scăderea Ph –ului poate fi influenţată artificial prin creşterea temperaturii de fermentare, creşterea cantităţii de drojdie si a nivelului de aerare, respectiv prin agitarea mustului în fermentare. Compoziţia mustului influenţează atât viteza de fermentare, gradul de fermentare, cât şi cantitatea de biomasă produsă şi în final calitatea berii. Tabelul 3.14. Compuşii de aromă din must Concentraţia Pragul de Impresia de Produsul în bere sensibilitate aromă [mg/l] [mg/l] 1-Propanol 9 2 – 50 Etanol 2-Metilpropanol 1 8 15 – 175 2-Metilpropanol 11 10 – 65 De iarbă, amar 3-Metilbutanol 1 36 30 – 70 De iarbă, amar 2-Pentiletanol 15 50 – 75 Trandafir Etilacetat 17 30 – 92 Fructe Izoamilacetat 2 2 – 2,3 Fructe, banane Diacetil 0,1 0,1 De unt, dulceag Pentadionă 0,1 1,0 Acetoină 30 3,0 Dulceag, neplăcut Acetaldehidă 8 25 – 50 Acid, înţepător Dimetilsulfură Vegetale, mucegăit 0,1 0,1 – 0,15 (DMS) Piruvat 60 Acid, sărat D + L – Lactat 60 Acid lactic Citrat 165 Acid citric Malat 85 Acid malic Gluconat 35 Acetat 90 Oţet Pentru realizarea indicilor de bază ai berii, obţinute înainte de filtrare (tabelul 3.11), mustul de însămânţare trebuie să îndeplinească o serie de condiţii, prezentate în tabelul următor : Tabelul 3.15. Indicii mustului de însămânţare Caracteristica Temperatura de alimentare 6-8 0C Conţinutul de oxigen 4-6 mg/l Conţinutul de trub 200 mg/l 39
Azot total solubil Azot α - aminic Vâscozitate Grad final aparent de fermentare Germeni
70-80 mg/100ml Sub 18 mg/100ml Sub 1,7 cP Peste 75% Sub 100/ml
3.4.1.1.2. Drojdia de bere Drojdia pentru însămânţare este pregătită anterior, obţinându-se pornind de la o singură celulă şi ajungând până la cantitatea necesară însămânţării unui lin de fermentare, trecând prin două faze: faza de laborator faza din secţia de culturi pure a fabricii Faza de laborator Culturile în laborator au drept obiectiv izolarea de celule individuale dintr-o populaţie de drojdie care s-a comportat bine, recoltarea efectuându-se di crestele fermentaţiei primare. Izolarea de celule se efectuează în medii nutritive cu substrat lichid sau solid, folosind de cele mai multe ori metodele Linder, Hansen sau Koch. Culturile izolate se păstrează de preferinţă în laborator, în mediu de zaharoză 10% la întuneric şi la temperaturi de maxim 10 oC, condiţii în care are loc numai o slabă dezvoltare. Uneori această metodă de păstrare nu este satisfăcătoare, coloniile dezvoltându-se încet până la epuizarea mediului nutritiv, iar celulele îşi schimbă însuşirile. Folosind ca mediu de păstrare un amestec de must şi agar se obţin rezultate mai bune, deşi şi în această situaţie la păstrare în eprubete înclinate timp de 6 luni rata de supravieţuire este doar de circa 6%. Înainte de multiplicarea , în vederea utilizării în fabrică ca drojdii cuib, trebuie efectuată o înmulţire în laborator şi o verificare tehnologico-biologică. Înmulţirea se realizează în trepte, folosind pentru prima fază un balon de 1 l , în care se realizează fermentarea pe must de malţ de 10-12 0Bllg la temperatura de 15 oC, după apariţia fermentării tumultoase conţinutul este trecut într-un balon de sticlă de 5 l care este completat cu must steril şi se continuă fermentarea la 14-15 oC. Se folosesc de preferinţă recipiente conice cu tuburi laterale în formă de S cu filtru de vată, cu ştuţ de inoculare, numite vase Carlsberg. În aceste recipiente se urmăreşte viteza de înmulţire, formarea şi descompunerea crestelor, capacitatea de sedimentare, culoarea şi consistenţa depunerii. O tulpină corespunzătoare trebuie să prezinte după 36 h pe fund o colonie vizibilă de celule de drojdie. Formarea crestelor durează 2-3 zile. După alte 3 zile proba trebuie să fie limpede, sedimentul uniform, consistent şi neted şi culoarea galben-deschisă. Prin răsturnare se poate elimina berea fără antrenarea sedimentului. De asemenea se verifică puritatea biologică la microscop, urmărindu-se în special prezenţa de bacterii, drojdii sălbatice şi pediococi.
40
Dacă cultura în recipientul de 5 l corespunde cerinţelor tehnologice şi biologice, ea este înmulţită mai departe la temperaturi puţin mai scăzute într-un recipient de 50 l şi apoi predată staţiei de culturi a fabricii de bere. În partea desenată a lucrării este prezentat schematic prepararea culturii de drojdie de laborator – planşa nr. 7. Faza din secţia de culturi pure a fabricii Staţia de culturi pure este destinată obţinerii, plecând de la cultura pură de laborator, a unei cantităţi suficiente de drojdie pentru însămânţarea mustului utilizat întro zi. Staţiile de culturi pure din ţara noastră se compun dintr-un recipient de sterilizare a mustului şi câte două vase de prefermentare şi de fermentare. Fiind recipiente sub presiune ele sunt prevăzute cu ventile de siguranţă cât şi cu dispozitive de prevenire a vidului în momentul răcirii şi a golirii. De la o fazo de înmulţire a drojdiei la următoarea capacităţile recipientelor cresc de 5-15 ori. Durata unei şarje este de circa 9 zile, ea corespunde pentru însămânţarea a 2000 hl must. În partea desenată a lucrării este prezentat schematic instalaţia românească de producere a culturii de drojdie pentru producţie – planşa nr. 8. Clasificarea drojdiei de bere Drojdia utilizată este aleasă în funcţie de comportarea ei biochimică şi fizică ce determină mersul fermentaţiei. Trebuie aleasă acea drojdie care produce o bere cu aromă dorită (gust şi miros), cu o stabilitate a aromei, o bere cu o anumită strălucire (luciu), într-un timp acceptabil şi într-un anumit echipament disponibil, în care se realizează fermentarea şi fără pierderi mari de bere în timpul procesării. Condiţia drojdiei în momentul adăugării în must va depinde de modul de obţinere a culturii şi de păstrarea acesteia până la folosire. În legătură cu tipul de drojdie folosit la fermentare , ele sunt în general drojdii de fermentaţie superioară (Saccharomyces cerevisiae), care în timpul fermentării floculează şi se ridică la suprafaţa mediului, putând fi recoltate ; drojdii de fermentaţie inferioară ( Saccharomyces carlsbergensis) , care în timpul fermentaţiei floculează şi sedimentează la fundul vasului de fermentare. Drojdiile de fermentaţie superioară ( Sacchromyces cerevisiae) se folosesc numai la fabricarea unor tipuri speciale de beri de fermentaţie superioară ca de exemplu berile spumante din grâu. Drojdiile de fermentaţie superioară formează asociaţii de celule care se desfac abia la terminarea fermentaţiei, fermentează numai 1/3 din rafinoză, ele fiind lipsite de activitate melibiazică, au capacitate respiratorie mult mai mare decât drojdiile de fermentaţie inferioară şi sporulează mai uşor . Fermentează la temperaturi mai ridicate de 15-25 0C într-un timp mai scurt până la gradul final de fermentare, ridicându-se în mare parte în cursul fermentaţiei intense în stratul de spumă. Drojdiile de fermentaţie superioară se folosesc în special la fabricarea spirtului şi a drojdiei de panificaţie. Cantitatea de biomasă obţinută este de până la 6 ori inoculul iniţial. Pentru fermentarea mustului de bere se folosesc în majoritatea ţărilor, inclusiv în ţara noastră, drojdii de fermentaţie inferioară (Saccharomyces carlsbergensis). Drojdiile de fermentaţie inferioară nu formează asociaţii de celule, au o capacitate redusă de formare a sporilor, au capacitate respiratorie mai scăzută,ceea ce determină o cantitate scăzută de biomasă(de 3-4 ori inoculul iniţial), fermentează de obicei rafinoza în întregime, deoarece pe lângă capacitatea invertazică au şi capacitate 41
melibiazică, temperatura optimă de fermentare este mai scăzută de 5-15 0C. În timpul fermentaţiei ele rămân în suspensie în substrat, iar spre sfârşitul fermentaţiei se depun pe fundul linului de fermentare. Caractere specifice drojdiei de bere – flocularea drojdiei Flocularea este definită ca „o agregare sau aglutinare reversibilă a celulelor de drojdie”. Astfel celulelor de drojdie care au floculat se depun la fundul vasului de fermenatre când drojdia este de fermentaţie inferioară sau se ridică în stratul de spumă când drojdia este de fermentaţie superioară . Din acest punct de vedere deosebim două tipuri de drojdii: drojdii floculante şi drojdii pulverulente. Pentru fermentarea inferioară sunt de preferat drojdiile floculante , deşi viteza de fermentare este mai redusă decât la utilizarea drojdiilor pulverulente , care asigură un contact mai mare cu mustul , având o putere de fermentare mare. Capacitatea de floculare este o însuşire genetică a celulei de drojdie. Există însă, o serie de factori tehnologici care favorizează flocularea prea timpurie a drojdiei dintre care se pot menţiona: un conţinut mai scăzut al mustului în zaharuri şi aminoacizi aerarea insuficientă /supra aerarea mustului înainte de fermentare folosirea unei doze prea scăzute de drojdie la fermentare; prezenţa cationilor bivalenţi, în special Cu 2+; caracterul şi starea fiziologică a drojdiei. Flocularea drojdiei nu trebuie să fie prea timpurie, nici prea târzie; în primul caz se obţine un grad prea scăzut de fermentare şi trece un număr insuficient de celule de drojdie de la fermentarea primară la cea secundară, iar în al doilea caz numărul de celule care trece este prea mare şi apar dificultăţile menţionate la limpezire şi filtrare. Drojdiile de bere pierd uneori caracterul floculant şi capătă caracter pulverulent , fenomenul fiind accentuat cu creşterea numărului de reînsămânţari a drojdiei în must proaspăt. Un fenomen invers de transformare a drojdiilor pulverulente în drojdii floculante este observat extrem de rar. Însuşirile drojdiei Drojdiile de fermentaţie inferioară se pot deosebi între ele atât prin însuşirile de fermentare cât şi aroma formată în produs , de aceea este necesar să se folosească la însămânţare culturi pure de drojdie . Toate celelalte drojdii, în afara celor de cultură, sunt cuprinse de obicei sub denumirea de drojdii sălbatice şi sunt nedorite, deoarece produc tulburări ale gustului Alegerea sursei de drojdie trebuie făcută cu aceeaşi grijă cu care se aleg celelalte materii prime, deoarece prin însuşirile sale de fermentare drojdia influenţează culoarea, spuma, plinătatea, amăreala şi aroma berii. Drojdia aleasă : trebuie să fie viguroasă, să se multiplice intens, să realizeze un grad ridicat de fermentare, chiar şi la temperaturi mai scăzute, să fie curate , deci lipsite de trub, să aibă gust şi miros normal să nu fie bătrâne sau degenerate, 42
să producă o decolorare suficientă a mustului, să aibă o anumită rezistenţă faţă de microorganismele străine, să prezinte o capacitate adecvată de floculare la sfârşitul procesului de fermentare primară; iar produsele de aromă pe care le formează în cursul fermentaţiei să se afle între limitele normale. Drojdia utilizată nu trebuie să conţină un procent de peste 5 –10% de celule moarte, ceea ce denotă o stare fiziologică proastă a acesteia. De asemenea, nu trebuie să conţină proteine coagulate şi răşini de hamei, care se depun pe membrana celulară şi îngreunează schimbul de substanţe al celulei. În afară de aceasta, impurităţile menţionate micşorează din materialul activ şi constituie mediul de cultură pentru microorganismele străine. În timpul fermentaţiei, drojdia formează o serie de produse secundare de fermentaţie: alcooli superiori, esteri, aldehide etc care, deşi se află în mod normal fiecare sub pragul de percepere senzorială, prin acţiunea lor cumulativă, rezultă o anumită nuanţă de aromă a berii. Din acest motiv se recomandă ca suşa de drojdie ce urmează a fi introdusă în producţie să fie supusă unei probe de fermentare în condiţii asemănătoare cu cele de producţie, degustându-se berea obţinută. Drojdia de bere, Saccharomyces carlsbergensis, utilizată ca starter al fermentaţiei, poate proveni din culturi pure de laborator sau prin recuperarea celulelor dezvoltate la o şarjă precedentă de fermentare. Cantitatea de drojdie necesară pentru fermentare se poate obţine prin cultivare în staţia de culturi pure a fabricii, plecându-se de la o anumită suşă de drojdie sau, atunci când fabrica nu dispune de o staţie de culturi pure, se poate procura de la alte fabrici de bere fără probleme biologice. Principalii factori care influenţează performanţele fermentative lae drojdiilor şi calitatea berii sunt : compoziţia mustului de bere; condiţiile de aerare ale culturii de drojdie; temperatura de fermentare; dimensiunile şi geometri vasului de fermentare.
3.4.1.2. Materii auxiliare 3.4.1.2.1. Apa Apa este utilizată în cadrul secţiei de fermentare pentru menţinerea condiţiilor de igienă pentru spălarea utilajelor şi încăperilor tehnologice dar şi ca agent de răcire, pentru menţinerea unei temperaturi optime necesare fermentării primare. Apa folosită în operaţii fără transfer de căldură, îndeosebi la spălarea utilajelor, fără tratare cu dezinfectanţi, trebuie să aibă un grad de puritate microbiologică ridicat . Apa de răcire, care are o pondere mare la fermentarea mustului de bere nu trebuie să îndeplinească condiţiile unei ape potabile, dar trebuie să îndeplinească următoarele condiţii: să aibă o temperatură cât mai scăzută să aibă o duritatea cât mai scăzută să prezinte un conţinut redus de suspensii (50 – 100 mg/ l) conţinutul de substanţe organice să fie max. 15 mg /l trebuie evitată contaminarea cu microorganisme 43
să nu prezinte germeni patogeni să nu prezinte gust şi miros străin valorile de pH trebuie să se încadreze în limitele de echilibru conform standardelor, pH =6,8 – 8,6 Cu cât temperatura apei de răcire este mai scăzută cu atât este necesar un consum mai mic de apă. Ca surse de apă se poate utiliza apa de suprafaţă (lacuri, râuri), apa subterană extrasă din puţuri proprii dar şi din reţeaua urbană care respectă condiţiile impuse. Apa cu duritate mare depune piatră pe suprafeţele de schimb de căldură, micşorând astfel coeficientul de transfer de căldură, ceea ce necesită mărirea debitului de apă. În secţia de fermentare a mustului apa este folosită pentru spălarea utilajelor şi a încăperilor –deci se impun condiţiile unei ape potabile – dar şi la răcirea mustului de bere în schimbător de căldură. Tabelul 3.16. Necesarul de apă Etapa procesului tehnologic Consum de apă, l apă/ l bere Răcirea mustului 2-3 Spălarea tancurilor de fermentare 3-5 Instalaţii de răcire 10-15 3.4.1.2.2. Materiale dezinfectante Sunt implicate în marea majoritate a proceselor din industria alimentară. Materiale dezinfectante sunt: a). clorul şi compuşii clorului care se prezintă sub formă de clor lichid, rezultat din comprimarea clorului gazos, hipocloriţi (săruri ale acidului hipocloros sau hidroxizii alcalini) cum sunt clorura de var, hipocloritul de Ca şi Na, cloramine, etc. b). sărurile de amoniu cuaternar, dintre care cea mai cunoscută este bromura de etil piridiniu (Bromocet). Materiile dezinfectante se cer sã respecte anumite condiţii : să nu fie toxice în dozele folosite; să nu prezinte pericol de manipulare; să nu modifice gustul şi mirosul produselor; să nu corodeze utilajele; să aibă o mare eficacitate în distrugerea microorganismelor. 3.4.1.2.3. Materiale pentru igienizare Sunt destinate asigurării curăţirii suprafeţelor de producţie, depozitare şi auxiliare, echipamentelor, personalului, etc. Se apelează la numeroase materiale pentru igienizare, care au funcţii de: dizolvanţi (apă) dezintegratori ai unor impurităţi (detergenţi, baze, acizi) a reduce aderenţa impurităţilor de suprafeţele pe care sunt prinse. Cele mai utilizate materiale pentru igienizare sunt: hidroxidul de Na (soda caustică), se foloseşte sub formă de soluţie 3% pentru curăţirea şi dezinfectarea vaselor metalice şi a conductelor (cu excepţia celor din 44
aluminiu); sub formă de soluţie 0,5 – 2%, se foloseşte pentru curăţirea şi dezinfectarea furtunelor de cauciuc; carbonatul de sodiu anhidru (soda calcinată) se foloseşte sub formă de soluţie 5 -10% pentru curăţirea şi dezinfectarea furtunelor de cauciuc; varul este un antiseptic ieftin şi se foloseşte pentru curăţirea şi dezinfectarea pardoselelor; cloramina se foloseşte sub formă de soluţie 0,5 – 1% pentru curăţirea şi dezinfectarea vaselor şi a conductelor metalice inclusiv cele de aluminiu, a furtunelor de cauciuc; clorura de var, sub formă de soluţie 3,5 g/l se foloseşte pentru curăţirea şi dezinfectarea pardoselilor; formaldehida se foloseşte în soluţie 0,5% pentru curăţirea şi dezinfectarea furtunelor de cauciuc, a vaselor şi conductelor metalice şi pentru dezinfectări generale; almocidul alcalin se foloseşte sub formă de soluţie pentru curăţirea şi dezinfectarea vaselor şi conductelor metalice; sulful, se foloseşte pentru dezinfectarea încăperilor (prin ardere în cantitate de 2,0 – 2,5 g sulf la 1 hl capacitate); almocidul acid este cel mai important detergent şi dezinfectant pentru recipientele de aluminiu. Ajută la îndepărtarea pietrei de bere de pe vasul respectiv.
3.4.2. Operaţii tehnologice de pregătire a mustului de bere pentru fermentare Operaţiile ce trebuie efectuate pentru obţinerea mustului de bere ce urmează a fi însămânţat şi apoi fermentat, pornind de la mustul fiert cu hamei sunt sintetizate în cele ce urmează : 3.4.2.1. Separarea trubului la cald Mustul fiert cu hamei conţine în suspensie borhotul de hamei şi precipitatele formate în timpul fierberii mustului , trubul la cald sau trubul grosier. Trubul la cald are particule de 30-40 µm şi se formează în cantitate de 40-80 g s.u. / hl must sau 200- 400 g trub umed /hl must. Trubul la cald se poate separa prin sedimentare, filtrare sau separare hidrodinamică , cel mai folosit este următorul utilaj: Rotapool-ul (separarea hidrodinamică în Whirlpool) Este un vas cilindric închis, aşezat vertical , cu fundul plat sau uşor înclinat în care se introduce tangenţial mustul fierbinte printr-o conductă situată la circa 1/3 din înălţimea cazanului datorită modului de alimentare mustul capătă o mişcare de rotaţie,. Forţele care determină separarea trubului sunt forţa centrifugă şi forţele de frecare a lichidului de pereţii şi fundul vasului, care orientează particulele de trub sub forma unui con şi se depun la fundul cazanului, deasupra căruia mustul rămâne limpede. După un repaus de 20 – 60 min. se poate evacua mustul limpede de deasupra care este trimis la răcire, iar apoi se poate elimina trubul cu ajutorul apei. Apa de spălare, folosită în cantitate de 1,5-2% faţă de volumul mustului fiert, se introduce pe la 45
partea superioară şi se distribuie printr-un dispozitiv de spălare. Amestecul din trub şi apă este trimis la filtrarea plămezii, după scurgerea primului must. Aparatul este simplu din punct de vedere constructiv şi uşor de exploatat şi întreţinut, însă există o serie de cauze ce pot duce la o separare defectuoasă a trubului atât datorită unor deficienţe constructive cât şi a unor cauze exterioare. Pierderile în must cu trubul sunt de 0,3-0,5% faţă de cantitatea de must fiert. Folosirea acestui procedeu de separare a trubului la cald în Rotapool prezintă dezavantajul menţinerii mustului fiert cu hamei un timp mai îndelungat la temperaturi ceva mai scăzute decât temperatura de fierbere (90 – 96 oC), prin care se intensifică culoarea mustului şi formarea de substanţe cu efect negativ asupra gustului berii. Pentru a se evita aceste fenomene nedorite se recomandă menţinerea unei atmosfere de gaz inert în Rotapool, sau montarea pe separatorul de conuri de hamei şi Rotapool a unui răcitor prin destindere, în care să se realizeze micşorarea temperaturii mustului la 60 – 70oC. În partea desenată a lucrării utilajul este prezentat schematic – planşa nr. 5. Separatoarele centrifugele 3.4.2.2. Răcirea mustului Răcirea mustului este o operaţie tehnologică care se efectuează cu scopul : reducerii temperaturii mustului până la temperatura la care se va realiza însămânţarea mustului de bere cu drojdie pentru fermentare formarea trubului la rece, trub ce se formează din complexele proteine –polifenoli care precipită la răcirea mustului. Pentru răcire se pot utiliza : linuri de răcire, răcitoare deschise, răcitoare plane, răcitoare tubulare închise, răcitoare ţeavă în ţeavă, răcitoare cu plăci în sistem închis. Cele mai larg răspândite sunt răcitoarele cu plăci, care permit o răcire rapidă a mustului, evitându-se infecţiile cu microorganisme. Răcitoarele cu plăci Sunt formate din pachete de plăci ştanţate din tablă de oţel inoxidabil cu grosimea de cca. 1 mm de formă dreptunghiulară, prevăzute cu orificii pentru introducerea şi ieşirea mustului şi a apei de răcire. Utilajul este împărţit în două zone: în prima zonă formată dintr-un număr mai mare de plăci se face răcirea mustului cu apă potabilă până la o temperatură de 20 – 25 oC. în cea de-a doua zonă (mai mică) se răceşte în continuare mustul până la temperatura de însămânţare cu drojdie de 5-12 oC, folosind ca agent de răcire apa răcită la 0,5 -1oC. Aceste răcitoare sunt cele mai utilizate deoarece prezintă următoarele avantaje : suprafaţa ocupată de aparat este mică ; transferul de căldură este foarte bun şi pierderile de presiune sunt mici; sunt uşor de curăţat ; durata de trecere a mustului prin răcitor este foarte scurtă; nu există pericolul contaminării mustului cu microorganisme. 3.4.2.3. Separarea trubului la rece 46
Trubul la rece este format din particule mult mai fine , cu dimensiuni de 0,5-1 µ şi cu o masă specifică mai scăzută ca cea a trubului la cald, ceea ce face ca separarea completă a trubului la rece să nu fie posibilă în practică. Conţinutul mustului în trubul la rece variază între 150-300 mg s.u ./l must, reprezentând cam 1/3 din cantitatea de trub la cald. Tancul de flotaţie Se bazează pe antrenarea particulelor care formează trubul la rece cu ajutorul aerului steril insuflat în must în cantitate mare. Bulele de aer se ridică la suprafaţa mustului antrenând cu ele trubul la rece sub forma unui strat de spumă, care după câteva ore se colorează în brun. Prin acest procedeu se realizează concomitent şi o foarte bună aerare a mustului. Durata de flotaţie este de 4-8 ore şi se îndepărtează 60-65% din trubul la rece. Procedeul prezintă ca avantaje costul de investiţie redus, manopera mai redusă şi că nu se folosesc aditivi de filtrare. În partea desenată a lucrării este prezentat schematic tancul de flotaţie – planşa nr. 6. Centrifugele Filtrul cu kiselgur 3.4.2.4. Aerarea mustului Procedeele închise de limpezire şi răcire a mustului împiedică în cea mai mare parte contactul mustului cu aerul, evitându-se astfel fenomenele de oxidare care duc la închiderea culorii şi la transformări nedorite ale componentelor din must. În vederea asigurării mersului normal al fermentaţiei este necesară aerarea mustului, răcit şi limpezit în prealabil, până la un conţinut optim de oxigen de 4-6 mg /litru. Această valoare nu se poate atinge fără folosirea unor dispozitive speciale prin care să se insufle aer steril în must în cantitate de 3 – 10 l aer /hl must de bere . Aerarea este necesară pentru : • Multiplicarea drojdiei (dezvoltarea ca biomasă); • sinteza ergosterolilor; • sinteza acizilor graşi nesaturaţi. Ergosterolii şi acizii graşi nesaturaţi sunt necesari deoarece intră în structura membranei celulei de drojdie. Dacă lipseşte oxigenul din must concentraţia de steroli din celulele de drojdie scade, la fel şi conţinutul de acizi graşi nesaturaţi scade, deci drojdia nu se mai dezvoltă, deci ergosterolul pe lângă rolul de substanţă de rezervă dar şi factor de supravieţuire când drojdia intră in anaerobioză. Aerarea se realizează cu tub Venturi montat în linia de răcire a mustului după ieşirea acestuia din răcitor. O aerare nesatisfăcătoare conduce la: fermentaţie iniţială defectuoasă; prelungirea cu până la 3 zile şi chiar mai mult a duratei de fermentare; dezvoltarea insuficientă a drojdiilor care nu transformă, deci, suficient extract; fermentaţie secundară defectuoasă; calitate necorespunzătoare a berii. 47
3.4.2.5. Fermentarea berii în reactoare cilindro–conice Mustul astfel pregătit poate fi trecut la fermentarea care se realizează în tancuri cilindro-conice (planşa nr. 3 din partea desenată a lucrării). Instalaţiile de fermentare cilindro–conice pot realiza diferite sortimente de bere , iar în timpul procesului de fermentare , fazele de fermentare primară şi secundară se suprapun. Se utilizează pentru procese tehnologice clasice sau rapide de fermentare primară şi maturarea, sau combinate. Mustul fierbinte, fiert cu hamei, este supus înainte de a fi trecut la fermentarea în tancuri cilindri-conice , unor operaţii pregătitoare: separarea trubului la cald, răcirea şi separarea trubului la rece. Practic , procesul tehnologic, după realizarea operaţiilor pregătitoare, se desfăşoară astfel: mustul de bere răcit la 10 0C, cu un conţinut de 3-4 g O2 /100 l , este introdus în instalaţia de fermentare cilindro–conică în 2-3 reprize; după introducerea primei părţi de must , se adaugă drojdie de bere în doză de 0,4-0,50 l/100 l must; în continuare , vasul se umple cu must în proporţie de 85% din volumul total ; procesul de fermentare începe la 10 0C, iar în primele două zile temperatura creşte până la 140C; fermentarea este terminată la aceeaşi temperatură , după 5-6 zile de inoculare când extractul scade de la 11-12 % la 2,2-2,6 %; după terminarea fermentaţiei temperatura se coboară până la circa 2 0C, când drojdia se depune intens în decurs de două zile , iar în instalaţie se menţine o suprapresiune de 0,4-0,5 bar; procesul de fermentare secundară a berii se desfăşoară în continuare timp de 5-6 zile , la temperatura de 2 0C, după îndepărtarea din partea conică a drojdiei depuse; în final , berea răcită la 0 0C este filtrată şi trimisă la secţia de îmbuteliere. Drojdia se elimină prin fund, după terminarea fermentării primare. În final, berea este introdusă în tancuri de stabilizare, unde se procedează şi la impregnarea cu CO 2 recuperat de la fermentarea primară, până când conţinutul acesteia ajunge până la circa 0,5%. În momentul trecerii la fermentarea secundară. Tancurile pot fi completate până la un grad de 95%, dar se poate lucra şi ca atare. Operaţiunile de eliminare a drojdiei şi de curăţire-dezinfecţie durează maxim 2-3 ore. Pierderile de bere sunt în total de 0,5%. Desfăşurarea procesului de fermentare Desfăşurarea procesului de fermentare şi maturare într-un ciclu de 14 zile la fabricaţia de bere blondă, plecând de la un must cu un conţinut în extract de 12% şi realizând un grad de fermentare de maxim 80%, respectiv un conţinut final în extract de 2% este prezentatã în tabelul 9. Din tabelul 10. se poate deduce desfăşurarea procesului tehnologic. Astfel , fermentarea principală are loc la temperatura de 14 ºC timp de 5 zile la presiunea de 1,1-1,3 bar până la realizarea unui extract aparent de 2%, respectiv extract real 3,88%. 48
De obicei, după 24 h de la terminarea răcirii se poate elimina drojdia depusă în partea conică printr-o simplă golire prin ştuţul inferior, pe baza apăsării coloanei de lichid asupra părţii conice a fermentatorului în care s-a depus drojdia. Desfăşurarea procesului de maturare se controlează pe baza variaţiei conţinutului de dicetone vicinale cât şi a precursorilor acestora. După reducerea conţinutului lor până la valoarea prescrisă, se consideră maturarea terminată şi se răceşte conţinutul fermentatorului la temperatura de golire. Golirea fermentatorului se realizează cu filtrarea concomitentă a berii. La procedeele de maturizare accelerată ( în tancuri cilindro-conice şi altele ) excreţia, în comparaţie cu procedeul clasic, este pronunţată şi se măsoară în esterul etilic al acidului decanic, folosit ca indicator al maturizării rapide. Concentraţia în esterul etilic al acidului decanic determină gustul de drojdie la berii. Valoarea normală a concentraţiei esterul etilic al acidului decanic este în acest caz 0,03-0,04 mg/l. Pentru a marca sfârşitul maturării berii se mai folosesc: CHA - concentraţia alcooli superiori CAld – concentraţia aldehide CVDL – concentraţia dicetone vicinale Valorile normale acestor concentraţii se găsesc în tabelul 3.10. Regimul de temperatură şi presiune la începutul fazei de fermentare primară are o influenţă hotărâtoare asupra conţinutului de alcooli superiori ai produsului finit. Tabelul 3.10. Variaţia parametrilor de bază ai procesului de fermentare maturare în reactoare cilindro-conice verticale în decursul unei şarje de 14 zile Temperatur Extract Extract Presiune Conc. drojdie Subproduse ZIUA a aparent real bar 106 celule/ ml fermentare T (ºC) e a% er% 0 10 12 12 1
12
10,5
10,78
1,1- 1,3
3
2
14
7,7
8,51
1,1- 1,3
50
3
14
4,21
5,67
1,1- 1,3
80
4
14
3
4,69
1,1- 1,3
5
14
2,3
4,13
CAld ≤10
6
14
2
3,88
CVDL ≤0,25
7
2
2
3,88
8
2
2
3,88
9
2
2
3,88
10
2
2
3,88
11
2
2
3,88
12
2
2
3,88
13
0
2
3,88
≤ 0,9
49
CHA ≤ 400
14
-1
2
<2
3,88
Tabelul 3.11. Parametrii de bază ai berii obţinute înainte de filtrare Conţinutul de celule de drojdie 105 celule/ml Conţinutul de germeni străini Lipsa drojdiilor sălbatice şi a cocilor Temperatura 2ºC Conţinutul de CO 2 4,5-5,3 g/l pH 4,2-4,45 Oxigen Sub 0,2 mg/l Dicetone vicinale şi precursorii acestora Max. 0,2 mg/l Aldehide Max. 10 mg/l Alcooli superiori Max. 80 mg/l Esteri Max. 20 mg/l Pentru realizarea indicilor de mai sus, mustul de însămânţare trebuie să îndeplinească condiţiile din tabelul 3.12. Tabelul 3.12. Parametrii mustului de însămânţare Temperatura la alimentare 6-10ºC Conţinutul de oxigen 4-6 mg/l Conţinutul de trub 200 mg/l N total solubil 70-80 mg /100 ml Sub 18 mg/ 100 ml N α- aminic Vâscozitate Sub 1,7 cP Grad final aparent de fermentare Peste 75% Germeni Sub 100 /ml Izohumulone 22 mg/ l Doza optimă de drojdie este de 1 l suspensie grosieră /hl must, corespunzătoare cu 30 x 105 celule /ml. În asemenea condiţii, înmulţirea drojdiei în decursul procesului de fermentare este de 2-4 ori mai mare faţă de cantitatea însămânţată. Printr-o mărire a dozei de drojdie se poate realiza o scurtare a duratei procesului de fermentare, dar se pun cerinţe tehnologice şi igienice mai severe. În condiţii normale , concentraţia de drojdie în berea finită, înainte de filtrare, este de 2 x 10 6 celule /ml .
3.4.3. Stabilirea regimului tehnologic Producţia este neuniformă, desfacerea are loc astfel : Trimestrul I şi IV Trimestru II şi III
15% 35%
Se calculează numărul de zile lucrătoare într-un trimestru: N =[(31+30+31)/7]x6 = 78 zile 50
Sortimentele de bere obţinută: - bere blondă 12 %; Volumul de bere ce trebuie realizat într-un trimestru de vârf (35%) : •
Capacitatea anuală =200000 hl /an
•
Capacitatea în trimestrul de vârf = 200.000 x 35/100 =70000 hl / 78 zile
•
Capacitatea zilnică = 70000/78 =897,435 hl / zi
Ţinând cont de pierderile totale 10%( de la separarea trubului la cald până la îmbutelierea produsului finit) vom avea: •
Volumul de must folosit zilnic: Vmust = 897,435 + 897,435 ⋅10% = 987,1785 hl /zi = 987,2 hl /zi = 98720 l / zi Vmust - volumul de must ce se introduce în rotapool
•
Densitate must 12% = 1408,38 kg/ m3 = 1,048 kg /l
•
Mmust= 98720 ⋅1,048 = 103496 kg/ zi unde Mmust = must după fierberea cu hamei , kg /zi Fermentarea are loc într-o singură şarjă pe zi, deci cantitatea de must ce intrã în
proces este de : Mmust = 103496 kg /şarjă/zi
3.4.4. Calculul de bilanţuri de materiale şi termic 3.4.4.1. Calculul bilanţului de materiale 1. Separare trub la cald (în Rotapool) Pierderi în must: 0,3 – 0,5% faţă de cantitatea de must fiert cu hamei. Pierderi în trub: 40-80 g s.u. /hl must Pierderi prin apa autoevaporată 0,2% Calculul pirderilor Pm = 0,4% x103496= 414 kg / şarjă Pt = 70g s.u. /hl must 1 hl must....................70 g s.u. 987,2 hl must............ Pt Pt =69,1 kg / şarjă 51
Pa = 0,2% x 103496 = 206,9 kg / şarjă Ecuaţia de bilanţ are următoarea formă : M1 = M2 + Pm+Pt + Pa unde: M1 = cantitatea de must 12% ce intră în Rotapool, kg / şarjă M2 = cantitatea de must 12 % ce iese din Rotapool kg / şarjă Pm = pierderi în must, kg / şarjă Pt = pierderi în trub, kg / şarjă Pa = pierderi în apa autoevaporată, kg / şarjă
M2= M1 - Pm - Pt – Pa M2=103469– 414 - 69,1 – 206,9 M2 = 102779 kg / şarjă 2. Răcire – Răcitorul cu plăci Pierderi prin aderenţă Pad = 0,1-0,2 % din masa de must Calculul pirderilor Pad = 0,15% x 102779 = 154,2 kg / şarjă Ecuaţia de bilanţ are următoarea formă : M3 = M2 - Pad
unde : M2 = cantitatea de must 12 % ce iese din Rotapool kg / şarjă M3 = mustul răcit, kg / şarjă Pad= pierderi prin aderenţă
M3 = M2 - Pad M3 =102779 –154,2 M3 = 102624,8 kg / şarjă 3. Separare trub la rece Pierderi în extract faţă de must Pe = 0,3% Pierderi în trub Pt = 15-30g s.u. /hl Calculul pirderilor Pe= 0,3% x 102979,94= 3089,94 kg/şarjă Pt = 20g s.u. /hl 52
1 hl must....................20 g s.u. 981,1 2 hl must............ Pt Pt = 19,62 kg / şarjă Ecuaţia de bilanţ are următoarea formă :
M4 = M3 – Pex - Pt unde: M3 = mustul răcit, kg / şarjă M4 = must după separare trub la rece (must primitiv), kg / şarjă Pex = pierderi în extract faţă de must, kg /şarjă Pt = pierderi în trub , kg / şarjă
M4= 102624,8 – 307,9 – 19,62 M4= 102297,28 kg / şarjă 4. Fermentarea primară Ecuaţia de bilanţ are următoarea formă : M4 +Dji = Bm + Djrec + CO2 [r+f+ d] + P unde: M4 =cantitatea de must primitiv ce intră la fermentare, kg / şarjă Dji = cantitatea de drojdie iniţială folosită la însămânţare, 0,5- 1l / hl must Bm = bere maturatã, produs finit nefiltrat, kg / şarjă P = pierderi de apă şi alcool antrenate de CO 2, câte 2% din fiecare, kg / şarjă Djrec = drojdia recuperată după fermentarea primară = (2 ÷ 4) ⋅ Dji CO2 – cantitatea de dioxid de carbon degajată la fermentare, din : r- respiraţie f- fermentaţie d- produse secundare. Calculul cantătăţii iniţiale de drojdiei
Dji = ddj x ρdj Dji = cantitatea de drojdie iniţială folosită la însămânţare, 0,5- 1l /hl must, numărul de celule de drojdie variind de la 15 – 30 x 10 6 celule /ml must ddj - doza de drojdie ρdj - densitatea drojdie, ρdj = 1,037 kg / l lapte de drojdie Dji = 1⋅ 1,037 = 1,037 kg drojdie/ l must 1hl must ............................ 1,037 kg drojdie 978 hl must......................... Dji Dji = 978 x 1,307 53
Dji = 1014, 2 kg drojdie /şarjă Calculul cantătăţii finale de drojdiei Dj rec = (2 ÷ 4) ⋅ Dji Djrec = drojdia recuperată după fermentarea primară Dji = cantitatea de drojdie iniţială folosită la însămânţare, 0,5- 1l / hl must Dj rec = 3 ⋅ Dji Djrec = 3 ⋅1014,2 = 3042,6 kg / şarjă Calculul extractului real şi a cantităţii de zahăr consumată Date iniţiale : Mustul primitiv ea = 12% La sfârşitul fermentării ea = 2% Gradul de fermentare aparent poate ajunge la 85% iar cel real la 70%. Pentru a calcula cantitatea de zahăr, care se consumă prin fermentarea mustului de bere trebuie calculat extractul real al mustului. Extractul real al mustului de bere se calculează folosind ecuaţia lui Balling, care este : ep =
er − ea + er q
unde: e p – extractul mustului primitiv, % masice ea - extractul aparent al mustului în fermentaţie sau al berii, % masice er - extractul real al mustului sau al berii, % masice. q- coeficientul de atenuare, este funcţie de extractul mustului primitiv şi se găseşte în tabele speciale. Pentru e p = 12% coeficientul q = 0,232 iar formula anterioară devine : er =
2,784 + ea (%) 1,232
În figura următoare este redată diagrama de fermentare pentru fermentarea sub presiune, care a fost completată cu curba variaţiei extractului aparent .
54
Fig. 3.3. Diagrama de fermentare Calculul extractului real în funcţie de extractul aparent pentru fiecare zi a procesului de fermentare. Se face folosind următoarea formulă : er =
2,784 + ea (%) 1,232
Astfel pentru zilele în care are loc scăderea extractului mustului se calculează extractul real : 2,784 +12 = 12% 1,232 2,784 +10,5 er = = 10,78% 1,232
er =
er =
2,784 + 7,7 = 8,51% 1,232
er =
2,784 + 4,2 = 5,67% 1,232 2,784 + 3
er = 1,232
= 4,69%
er =
2,784 + 2,3 = 4,13% 1,232
er =
2,784 + 2 = 3,88 % 1,232
55
Tabelul 3. 17 Scăderea extractului pentru bere blondă 12% ZIUA
T (ºC) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
e a% 10 12 14 14 14 14 14 2 2 2 2 2 2 0 -1
er% 12 10,5 7,7 4,2 3 2,3 2 2 2 2 2 2 2 2 2
12 10,78 8,51 5,67 4,69 4,13 3,88 3,88 3,88 3,88 3,88 3,88 3,88 3,88 3,88
Gradul de fermentare aparent Gfap =
e p − ea ep
x100 =
12 − 2 x10 0 = 83,3% 12
Gradul de fermentare real GF r =
e p − er ep
x100 =
12 − 3,88 x100 = 67,66% 12
Verificăm raportul GF r/ Gfap = 67,66 / 83,3 = 0,812 Acest factor a fost stabilit de Balling, care l-a găsit, 0,81 . Zaharurile consumate pe întreaga durată de fermentare se calculează cu următoarea formulă Zc = (ep - er ) xM 4 =
12 − 3,88 x102297,28 = 8306,54 100
Calculul CO2:
100 g glucid metabolizat: o 95 g pentru fermentare o 3 g pentru respiraţie o 2 g pentru substanţe secundare Ecuaţia simplificată a fermentaţiei alcoolice este : 56
C12 H 22 O11 + H2O → 4 C 2H5 – OH + 4 CO2 + 2x 25,4 kcal 342 g maltoză 4x46 g alcool + 4x44 g CO2 + 212,85 Kj 1 kg maltoză determină : o 0,538 kg alcool o 0,515 kg CO2 o qf = 622,37 Kj Ecuaţia simplificată a respiraţiei este: C12 H 22 O11 + 12 O 2 → 12 CO2 + 11 H2O +2x408,6 kcal 342 g maltoză 12x44 g CO2 + 11x18 g H2O + 3424 Kj 1 kg maltoză determină : o 1,54 kg CO2 o 0,58 kg H2O o qr = 10011,7 Kj OBSERVAŢIE : Cantitate de căldură degajată la fermentarea q f = 622,37 Kj / kg maltoză şi la respiraţie qr = 10011,7 Kj/ kg maltoză, reprezintă energia eliberată sub formă de căldură, care încălzeşte masa de must aflată în fermentaţie şi care a rezultat din diferenţa dintre energia totală eliberată şi cea care rămâne la dispoziţia drojdiilor pentru asigurarea activităţii vitale (în special pentru a se înmulţi). Cantitatea de CO2 care se formează în procesul de fermentare –maturare este aflată cu următoarea formulă : M CO2 total = ( 0,515x0,95 + 1,54x0,03) x Zc M CO2 total = 0,536 x Zc M CO2 total = 0,536 x 8306,54 M CO2 total = 4452,3 kg / şarjă Cantitatea de CO2 degajată , ţinând cont că berea fermentată conţine 5,2 g dioxid de carbon / l. M CO2 = M CO2 total - M CO2 diz 1 l must .................... 5,2 g CO2 97800 l must............ M CO2 diz M CO2 diz =5,2 x 97800 = 508,56 kg CO2 /şarjă M CO2 =4452,3 – 508,56 M CO2 = 3943,74 kg CO2 /şarjă Pierderile de la fermentare pierderi în apă şi alcool antrenate de CO2 , Pa= 2% pierderi de fermentare , Pf = 3% Calculul pierderilor 57
Pa= 2% x 102297,28 = 78,87 kg / şarjă Pf = 3% x 102297,28 =3068, 9 kg / şarjă Totalul pierderilor P = Pa + Pf =78,87+ 3068, 9= 3147,77 kg /şarjă Cantitatea de bere finită rezultată după terminarea procesului de fermentarematurare Bm = M4 + Dji – Djrec – CO2 - P Bm = 102297,28 + 1014,2 –3042,6 – 3943,74 – 3147,77 Bm = 93177,37 kg / şarjă Bilanţul de materiale în primele 6 zile de fermentare Ecuaţii folosite sunt : Mi = mf + M CO2 mf = Mi - M CO2 Zc = (ep - er ) xMi M CO2 = 0,536 x Zc unde: Mi – cantitatea de must iniţială , kg/ şarjă
mf - cantitatea de must finală , kg / şarjă
M CO2 - cantitatea de dioxid de carbon , kg / şarjă
Zc – cantitatea de zahăr consumat pe zi, kg / şarjă
ep – extractul primitiv al mustului , %
er - extractul real al mustului, %
Pentru realizarea calculelor valorile pentru modificarea extractului zilnic se iau din tabelul 3.18. Tabelul 3.18. Modificarea extractului în primele 6 zile de fermentaţie Ziua er%
0 12
1 10,78
2 8,51
3 5,67
4 4,69
5 4,13
6 3,88
Pe modelul matematic al bilanţului de materiale întocmit pe întreaga duratã de fermentare se determinã şi bilanţul de materiale pentru fiecare zi de fermentare pentru primele 6 zile, după care temperatura şi extractul rămân constante. Tabelul 3.19. Bilanţul de materiale pentru primele 6 zile de fermentare Ziua
Mi
Zc
M CO2
mf
1
102297,28
1248
668,94
101628,34
58
2
101628,34
3546,83
1901,1
99727,24
3
99727,24
6312,73
3383,62
96343,62
4
96343,62
7042,72
3774,89
92568,73
5
92568,73
7285,16
3904,85
88663,88
6
88663,88
7199,5
3858,94
84804,94
Calculul bilanţului zilnic Date iniţiale : Mi =102297,28 kg / şarjă ep = 12% Ziua 1 Zc = 1248 kg / şarjă M CO2 =668,94 kg / şarjă Mf = 101628,34 kg/ şarjă Ziua 2 Zc = 3546,83 kg / şarjă M CO2 =1901,1 kg / şarjă Mf = 99727,24 kg / şarjă Ziua 3 Zc = 6312,73 kg / şarjă M CO2 =3383,62 kg / şarjă Mf = 96343,62 kg / şarjă Ziua 4 Zc = 7042,72 kg / şarjă M CO2 =3774,89 kg / şarjă Mf = 92568,73 kg / şarjă Ziua 5 Zc = 7285,16 kg / şarjă M CO2 =3904,85 kg / şarjă 59
Mf = 88663,88 kg / şarjă Ziua 6 Zc = 7199,5 kg / şarjă M CO2 =3858,94 kg / şarjă Mf = 84804,94 kg / şarjă Din ziua a 6-a extractul rămâne constant până la terminarea procesului de fermentare-maturare de aceea calculul bilanţului se face doar pentru primele 6 zile . OBSERVAŢIE : În calculul cantităţii de dioxid de carbon nu s-a ţinut cont de dioxidul de carbon dizolvat în bere şi nici pierderile de apă şi alcool prin antrenare, eroarea de calcul fiind mică. Tabelul 3. 20. Bilanţul de materiale pentru primele 6 zile de fermentare Ziua
Mi
Zc
M CO2
mf
1
102297,28
1248
668,94
101628,34
2
101628,34
3546,83
1901,1
99727,24
3
99727,24
6312,73
3383,62
96343,62
4
96343,62
7042,72
3774,89
92568,73
5
92568,73
7285,16
3904,85
88663,88
6
88663,88
7199,5
3858,94
84804,94
3.4.4.2. . Bilanţul termic Avem bilanţ termic la : •
răcirea mustului de bere
•
fermentare- maturare. 1. Răcirea mustului de bere Utilaj : schimbător de căldură cu plăci , cu 2 zone – tip Tehnofrig (T-10000) Răcirea mustului se face astfel : A. în zona I o apa potabilă intră cu temperatura 14 ºC şi iese la aproximativ 50ºC o mustul de bere intră cu temperatura 85 ºC şi se răceşte până la 23ºC 60
B. în zona II o apa răcită intră cu temperatura 1 ºC şi iese la aproximativ 6ºC o mustul de bere cu temperatura 23 ºC se răceşte până la 10ºC. T2 = 23ºC T1 = 85 ºC
T3 = 10 ºC
T af = 48,6 ºC T ri = 1 ºC
T ai = 14 ºC
T rf = 6 ºC
Legenda -
Must bere - Apă potabilă
-
Apă răcită Fig . 3.4. Schema schimbătorului de căldură cu plăci
Productivitatea răcitorului : M=
102779 = 4282,45 kg / h aproximativ 4300 kg / h must ce este introdus în 24
schimbătorul de căldură cu plăci pentru a fi răcit. Considerăm că raportul între cantitatea de apă potabilă folosită pentru răcire în zona I şi cantitatea de must supusă răcirii este 1,5. Wa = 1,5 M
Raportul apă răcită pe must ce se răceşte este recomandat să se respecte cel puţin valoarea de 2,3, pentru a realiza o răcire bună. Wa = 1,5 M
Wr = 2,3 M
Wa = 1,5 M = 1,5 x 4300 = 6450 kg/h apă potabilă
61
Calculul temperaturii finale a apei potabile Ecuaţia de bilanţ caloric pentru zona I este : M mCm (T1 - T2) = Wa Ca (Taf - Tai) + Q p unde:
M m - cantitatea de must ce intră în schimbătorul de căldură cu plăci, kg / h
Cm - capacitatea termică masică pentru must la temperatura medie , j/ kg k
T1 – temperatura iniţială a mustului ,ºC
T2-– temperatura finală a mustului, ºC
Wa - cantitatea de apă ce se foloseşte la răcirea mustului , kg / h
Ca - capacitatea termică masică pentru apă la temperatura medie, j / kg k
Taf – temperatura finală apei potabile ,ºC
Tai – temperatura iniţială a apei potabile ,ºC
Q p – pierderile de căldură , se neglijează deci Q
p
=0
Cm = 3500 j/kg k la T =54 ºC Ca = 4180 j/kg k la T = 30ºC Temperatura finală a apei după realizarea răcirii este : Taf = Tai + Taf = 14 +
M m × C m × ( T1 − T2 Wa × C a
)
4300 × 3500 × ( 85 − 23 6450 × 4180
)
Taf = 48,6 ºC Bilanţul caloric pentru zona II Ecuaţia de bilanţ termic pentru zona II este : M mCm (T2 – T3) = Wr Cr (Trf - Tri) + Q p unde :
M m - cantitatea de must ce intră în schimbătorul de căldură cu plăci, kg/h
Cm - capacitatea termică masică pentru must la temperatura medie , j/kg k
T2 – temperatura iniţială a mustului, ºC
T3-– temperatura finală a mustului, ºC
Wr - cantitatea de apă răcită ce se foloseşte la răcirea mustului , kg/h
Cr - capacitatea termică masică pentru apă la temperatura medie, j/kg k 62
Trf – temperatura finală apei răcite ,ºC
Tri – temperatura iniţială a apei răcite ,ºC
Q p – pierderile de căldură , se neglijează deci Q
p
=0
Cm = 3736 j/kg k la T =16,5 ºC Ca = 4209 j/kg k la T = 3,5ºC Wr = Wr =
M × C m × ( T2 − T3
(
C r × Trf − Tri
)
)
4300 × 3736 × ( 23 −10 4209 × ( 6 −1 )
)
Wr =9923,6 kg/h Tabelul 3.21. Caracteristicile plăcii Tehnofrig T-10000 Lungimea Lăţimea Grosimea Aria suprafeţei de transfer Distanţa dintre plăci Aria secţiunii de curgere Diametrul echivalent Grosimea plăcii de capăt Grosimea plăcii intermediare
L l δp A0 δc S0 dech δ pc δpi
1530 mm 410 mm 1 mm 0,5 m 2 3 mm 175 x 10 –5 m 2 9,5 mm 110 mm 72 mm
Se observă că raportul apă răcită pe must ce se răceşte este
Wr 9923,6 = = 2,3 4300 M
deci se respectă această valoare care se impune pentru a realiza o răcire eficintă a mustului de bere ce trece prin zona a II-a a schimbătorului de căldură. 2. Bilanţul caloric pentru fermentare- maturare Utilajul : tanc cilindro-conic cu manta Procedeul : fermentarea accelerată , sub presiune. Durata totală a procesului : 14 zile Ecuaţia bilanţului caloric este: Q m+ Q R = Q b+Q co2+Qp +Qrăcire unde :
Q m - cantitatea de căldură intrată cu mustul de bere, kj / şarjă 63
Q R- cantitatea de căldură degajată prin reacţie, kj / şarjă
Q b- cantitatea de căldură ieşită cu berea fermentată, kj / şarjă
Q co2- cantitatea de căldură ieşită cu dioxidul de carbon şi cu pierderile prin antrenare , kj / şarjă
Qp - cantitatea de căldură pierdută prin radiaţie, kj / şarjă
Qrăcire - cantitatea de căldură ce trebuie extrasă prin răcire, kj / şarjă Cantitatea de căldură intrată cu mustul de bere
Q m = M i x C i x ti unde:
Q m - cantitatea de căldură intrată cu mustul de bere, kj / şarjă
M i - cantitatea de must care intrã la fermentare, kg / şarjă
Ci – capacitatea termică masică a mustului , j / kg k
ti - temperatura iniţialã a mustului, ºC
Ci = 3,78 kj / kg k Calcul Q m = 102297,28 x 3,78 x 10 Q m = 3866,84 x 103 kj / şarjă Cantitatea de căldură degajată prin reacţie Q R = Zf x q f+ Zrx qr Zf = 0,95 x Zc Zr = 0,03 x Zc unde:
Q R- cantitatea de căldură degajată prin reacţie, kj / şarjă
Zf – cantitatea de zahăr consumată pentru fermentare kg/ şarjă
q f - cantitatea de căldură degajată prin fermentare, kj / şarjă
Zr– cantitatea de zahăr consumată pentru respiraţie, kg / şarjă
qr - cantitatea de căldură degajată prin respiraţie, kj / şarjă
Zc - cantitatea de zahăr consumată pe tot procesul, kg /şarjă 64
Q R = 0,95 x 8306,54 x 622,378 + 0,03x 8306,54 x 10011,7 Q R =7406 ,13 x 103 kj / şarjă Cantitatea de căldură ieşită cu mustul fermentat Q b = M f x C f x tf unde:
Q b- cantitatea de căldură ieşită cu berea fermentată, kj / şarjă
M f - cantitatea de must care iese de la fermentare, kg / şarjă
Cf – capacitatea termică masică a mustului , j / kg k
tf - temperatura iniţialã a mustului, ºC
Cf = 3810 j / kg k la t = -1ºC Calcul Q b = 93177,37 x 3,81 x (-1) Q b = - 355 x 103 kj / şarjă Cantitatea de căldură ieşită cu dioxidul de carbon şi cu pierderile prin antrenare Q co2 = (M co2 +P) x C co2 x t co2 unde:
Q co2- cantitatea de căldură ieşită cu dioxidul de carbon şi cu pierderile prin antrenare , kj / şarjă
M co2 +P – cantitatea de dioxid de carbon, kg / şarjă
C co2 - capacitatea termică masică a dioxidului de carbon, j / kg k
t co2 - temperatura la care are loc formarea dioxidului de carbon Calcul Q co2 = (3943,74 +3147,77) x 0,9 x 14 Q co2 = 89,35 x 103 kj / şarjă Cantitatea de căldură pierdută prin radiaţie
65
Pierderile prin radiaţie şi convecţie în mediul înconjurător se aproximează ca fiind 0,1% din cantitatea de căldură degajată prin reacţie (tancul este izolat cu un strat de poliuretan expandat cu grosimea de 100 –150 mm). Qp= 0,001 x Q R unde:
Qp - cantitatea de căldură pierdută prin radiaţie, kj / şarjă
Q R- cantitatea de căldură degajată prin reacţie, kj / şarjă
Qp= 0,001 x 7406 ,13 Qp= 7,4 x 103 kj / şarjă Cantitatea de căldură ce trebuie extrasă prin răcire Qrăcire = Q m+ Q R - Q b - Q co2 - Qp unde:
Qrăcire - cantitatea de căldură ce trebuie extrasă prin răcire, kj / şarjă
Q m - cantitatea de căldură intrată cu mustul de bere, kj / şarjă
Q R- cantitatea de căldură degajată prin reacţie, kj / şarjă
Q b- cantitatea de căldură ieşită cu berea fermentată, kj / şarjă
Q co2- cantitatea de căldură ieşită cu dioxidul de carbon şi cu pierderile prin antrenare , kj / şarjă
Qp - cantitatea de căldură pierdută prin radiaţie, kj / şarjă Calcul Qrăcire =(3866,84 + 7406,13 - 355 - 89,35 - 7,4) x 103 Qrăcire = 11531,22 x 103 kj / şarjă
Această cantitate de căldură nu este extrasă în mod uniform în cele 14 zile de fermentare- maturare ci conform cu evoluţia temperaturii şi a extractului, aşa cum rezultă din diagrama de fermentare (fig.3.5 )
66
Fig .3.5. Diagrama de fermentare Pe modelul matematic al bilanţului caloric întocmit pe întreaga duratã de fermentare se determinã şi bilanţul pentru fiecare zi de fermentare. De asemenea, avem nevoie şi de următoarele tabele care ne vor fi de folos la realizarea bilanţului. Tabelul 3.22. ZIUA 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
Scăderea extractului pentru bere blondă 12% T (ºC) e a% er% 10 12 12 12 10,5 10,78 14 7,7 8,51 14 4,2 5,67 14 3 4,69 14 2,3 4,13 2 2 3,88 2 2 3,88 2 2 3,88 2 2 3,88 2 2 3,88 2 2 3,88 2 2 3,88 0 2 3,88 -1 2 3,88
Formule folosite pentru realizarea calculului bilanţului termic pe fiecare zi de fermentare-maturare : Q m = M i x C i x ti Q R = 0,95 x Zc x q f+ 0,03 x Zc x qr 67
Q b = M f x C f x tf Q co2 = (M co2 +P) x C co2 x t co2 Qp= 0,001 x Q R Qrăcire = Q m+ Q R - Q b - Q co2 - Qp Tabelul 3.23. Ziua
Bilanţul de materiale pentru primele 6 zile de fermentare Mi Zc M CO2
mf
1
102297,28
1248
668,94
101628,34
2
101628,34
3546,83
1901,1
99727,24
3
99727,24
6312,73
3383,62
96343,62
4
96343,62
7042,72
3774,89
92568,73
5
92568,73
7285,16
3904,85
88663,88
6
88663,88
7199,5
3858,94
84804,94
Calculul bilanţului termic Date iniţiale : Capacitatea termică masică pentru must la diferite temperaturi: C = 3780 j / kg k la T =0-14 ºC C = 3810 j / kg k la t = -1ºC Capacitatea termică masică pentru dioxid de carbon la diferite temperaturi: C co2 = 820 j / kg k la T= 12 ºC C co2 = 900 j / kg k la T= 14 ºC Ziua 1 Q m = 102297,28 x 3,78 x 10 = 3866,84 x 103 kj / şarjă Q R = 0,95 x 1284 x622,37 + 0,03 x 1248 x 10011,7 = 1112,72 x 10 3 kj / şarjă Q b = 101628,34 x 3,78 x 12 = 4660,33 x 103 kj / şarjă Q co2 = 668,94 x 0,82 x 12 = 6,6 x 103 kj / şarjă Qp= 0,001 x 1112,72 x 103 = 1,11 x 103 kj / şarjă Qrăcire = (3866,84+1112,72-4660,33-6,6-1,11) x 10 3 = 311,52 x 103 kj / şarjă Ziua 2 Q m = 4660,33 x 103 kj / şarjă 68
Q R = 0,95 x 3546,83 x622,37 + 0,03 x 3546,83 x 10011,7 = 3162,36 x 10 3 kj / şarjă Q b = 99727,24 x 3,78 x 14 = 5277,56 x 103 kj / şarjă Q co2 = 1901,1 x 0,9 x 14 = 24 x 103 kj / şarjă Qp= 0,001 x 3162,36 x 103 = 3,16 x 103 kj / şarjă Qrăcire = (4660,33+3126,36-5277,56-24-3,16) x 10 3 = 2517,97 x 103 kj / şarjă Ziua 3 Q m = 5277,56 x 103 kj / şarjă Q R = 0,95 x 6312,73 x 622,37 + 0,03 x 6312,73 x 10011,7 = 5628,44 x 10 3 kj / şarjă Q b = 96343,62 x 3,78 x 14 = 5098,5 x 103 kj / şarjă Q co2 = 3383,62 x 0,9 x 14 = 24 x 103 kj / şarjă Qp= 0,001 x 5628,44 x 103 = 5,63 x 103 kj / şarjă Qrăcire = (5277,56+5628,44-5098,5-42,63-5,63) x 10 3 = 5759,24 x 103 kj / şarjă Ziua 4 Q m = 5098,5 x 103 kj / şarjă Q R = 0,95 x 7042,72 x 622,37 + 0,03 x 7042,72 x 10011,7 = 6279,3 x 10 3 kj / şarjă Q b = 92568,73 x 3,78 x 14 = 4898,74 x 103 kj / şarjă Q co2 = 3774,89 x 0,9 x 14 = 47,56 x 103 kj / şarjă Qp= 0,001 x 6279,3 x 103 = 6,3 x 103 kj / şarjă Qrăcire = ( 5098,5+6279,3-4898,74-47,56-6,3) x 10 3 = 6425,2 x 103 kj / şarjă Ziua 5 Q m = 4898,74 x 103 kj / şarjă Q R = 0,95 x 7285,16 x 622,37 + 0,03 x 7285,16
x 10011,7 = 6495,46 x 10 3 kj /
şarjă Q b = 88663,88 x 3,78 x 14 =4692,1 x 103 kj / şarjă Q co2 = 3904,85 x 0,9 x 14 = 49,2 x 103 kj / şarjă Qp= 0,001 x 6495,46
x 103 = 6,5 x 103 kj / şarjă
Qrăcire = ( 4898,74+6495,46-4692,1-49,2-6,5) x 10 3 = 6646,4 x 103 kj / şarjă 69
Ziua 6 Q m = 4692,1 x 103 kj / şarjă Q R = 0,95 x 7199,5 x 622,37 + 0,03 x 7199,5 x 10011,7 = 6419,1 x 10 3 kj / şarjă Q b = 84804,94 x 3,78 x 14 = 4487,87 x 103 kj / şarjă Q co2 = 3858,94 x 0,9 x 14 = 48,62 x 103 kj / şarjă Qp= 0,001 x 6419,1 x 103 = 6,42 x 103 kj / şarjă Qrăcire = (4692,1+6419,1-4487,87-48,62-6,42) x 10 3 = 6568,29 x 103 kj / şarjă Ziua 7 Q m = 4487,87 x 103 kj / şarjă Q R = Q co2 = Qp= 0 Q b = 84804,94 x 3,78 x 2 = 644,52 x 103 kj / şarjă Qrăcire = (4487,87-644,52) x 103 =3843,35 x 103 kj / şarjă Zilele 8, 9, 10, 11 şi 12 Q m = Q b = 84804,94 x 3,78 x 2 = 644,52x 103 kj / şarjă Ziua 13 Q m = 644,52 x 103 kj / şarjă Q R = Q co2 = Qp= 0 Q b = 84804,94 x 3,78 x 0 = 0 Qrăcire = Q m = 644,52 x 103 kj / şarjă Ziua 14 Q m = 644,52x 103 kj / şarjă Q R = Q co2 = Qp= 0 Q b = 84804,94 x 3,81 x (-1) = - 323,1 x 103 kj / şarjă Qrăcire = (644,52 + 323,1) x 103 =967,62 x 103 kj / şarjă Cea mai mare cantitatea de căldură trebuie să se extragă în ziua a 5-a, respectiv a 5-a, când cantitatea de căldură ce trebuie extrasă din must este Qrăcire =6646,4 x 103 kj / şarjă , după cum se observă şi din tabelul următor . Tabelul 3.24. 70
Bilanţul caloric pentru cele 14 zile de fermentare – maturare, în x 10 3 kj/ şarjă ZIUA Qm QR Qb Q co2 Qp Qrăcire 1 3866,84 1112,72 4660,33 6,6 1,11 311,52 2 4660,33 3162,36 5277,56 24 3,16 2517,97 3 5277,56 5628,44 5098,5 42,63 5,63 5759,24 4 5098,5 6279,3 4898,74 47,56 6,3 6425,2 5 4898,74 6495,46 4692,1 49,2 6,5 6646,4 6 4692,1 6419,1 4487,87 48,62 6,42 6568,29 7 4487,87 644,52 3843,35 8 644,52 644,52 9 644,52 644,52 10 644,52 644,52 11 644,52 644,52 12 644,52 644,52 13 644,52 0 644,52 14 644,52 - 323,1 967,62 Debitul de agent de răcire poate varia pe parcursul fermentării şi de asemenea durata de răcire este diferită de la o zi la alta. Debitul de agent de răcire este maxim în ziua a 5-a, considerând o durată de răcire de 15 ore/zi , vom avea : Qrãcire = Wag x Cag X (tagf – tagi ) j/h τ rãcire unde: •
Qrăcire - cantitatea de căldură ce trebuie extrasă prin răcire, kj / şarjă
•
τrăcire - durată de răcire, ore
•
Wag – cantitatea de agent de răcire folosită , kg / h
•
tagi – temperatura iniţială a propilenglicolului, -5 0C
•
tagf– temperatura finală a propilenglicolului, 00C
•
Cag –capacitatea termică masică a propilenglicol la temperatura medie de 2,5 0
C
Date iniţiale : Qrăcire = 6646,4 x 103 kj / şarjă τrăcire - 15 ore tagi = -50C tagf = 0 0C Cag = 3700 kj / kg k Wag=
Qrãcire τ rãcire xC ag x(t agf − t agi )
71
Wag=
6646,4 x1000 = 23951 kg / h 15 x3,7 x (0 + 5)
Calculul duratei zilnice de răcire la fermentare - maturare Formulă folosită: În condiţiile păstrării debitului de agent de răcire constant se calculează durata zilnică de răcire a tancului de fermentare pentru păstrarea temperaturii impuse de tehnologie. Qrãcire
τrăcire = W xC x(t − t ) ag ag agf agi unde •
Qrăcire - cantitatea de căldură ce trebuie extrasă prin răcire, kj / şarjă (tabelul 24)
•
τrăcire - durată de răcire, ore
•
Wag – cantitatea de agent de răcire folosită , 23951 kg / h
•
tagi – temperatura iniţială a propilenglicolului, - 5 0C
•
tagf– temperatura finală a propilenglicolului, 0 0C
•
Cag –capacitatea termică masică a propilenglicol la temperatura medie de 2,5 0 C • Cag = 3700 j / kg k
Ziua 1 τrăcire =
311,50 x1000 = 0,7 h = 42 min. 23951x3,7 x(0 + 5)
Ziua 2 τrăcire =
2517,97 x1000 = 5,68 h = 341 min. 23951x3,7 x(0 + 5)
Ziua 3 τrăcire =
5759,24 x1000 = 13 h = 780 min. 23951x3,7 x(0 + 5)
72
Ziua 4 τrăcire =
6425,2 x1000 =14,5 h = 870 min. 23951x3,7 x(0 + 5)
Ziua 5 τrăcire =
6646,4 x1000 = 15 h = 900 min. 23951x3,7 x(0 + 5)
Ziua 6 τrăcire =
6568,29 x1000 = 14,8 h = 888 min. 23951x3,7 x(0 + 5)
Ziua 7 τrăcire =
3843,35 x1000 = 8,7 h = 522 min. 23951x3,7 x(0 + 5)
Ziua 13 τrăcire =
644,52 x1000 = 1,45 h =87 min. 23951x3,7 x(0 + 5)
Ziua 14 τrăcire =
323,10 x1000 = 0,73 h = 44 min. 23951x3,7 x(0 + 5)
După cum s-a observat extragerea căldurii din tancul de fermentare nu are loc toată într-o singură zi, ci eşalonat pe toate zilele de fermentare, mai puţin de maturare, în funcţie de creşterea temperaturii şi consumul extractului din must. Valorile calculate anterior sunt prezentate în tabelul următor.
Tabelul 3.25. Durata de răcire a tancului în timpul procesului de fermentare-maturare ZIUA Qrăcire Durata , ore 1 311,52 0,7 2 2517,97 5,68 3 5759,24 13 4 6425,2 14,5 73
5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
6646,4 6568,29 3843,35 644,52 967,62
15 14,8 8,67 1,45 0,73
3.4.5. Bilanţurile reale de masă şi termice ale instalaţiei - diagrame Sankey Diagrame Sankey pentru bilanţurile reale de masă 1. Separarea trubului la cald 103469 kg / şarjă must 12%
ROTAPOOL Pm= 414 kg / şarjă Pt= 69,1 kg / şarjă Pa= 206,9 kg / şarjă 102779 kg / şarjă must 12%
2. Răcirea mustului de bere
102779 kg / şarjă must 12% 6450 kg apă potabilă /şarjă 9890 kg apă răcită /şarjă
SCHIMBĂTOR CU PLĂCI
6450 kg apă potabilă / şarjă 9890 kg apă răcită / şarjă
Pad =154,2 kg / şarjă 102624,8 kg / şarjă must 12% 74
3. Separarea mustuliu la rece
102624,8 kg / şarjă must 12%
58740 l aer / şarjă
TANCUL DE FLOTAŢIE
58740 l aer / şarjă
Pt = 19,62 kg / şarjă Pex = 307,9 kg / şarjă 102297,28 kg / şarjă must 12%
4. Fermenatrea –maturarea în tancuri cilindro-conice 102297,28 kg / şarjă must 12%
1014,2 kg / şarjă drojdie
FERMENTAREMATURARE
Djrec = 3042,6 kg droj. /şarjă CO2 = 3943,74 kg /şarjă 75
P= 3147,77kg / şarjă 93177,37 kg bere / şarjă
Diagrame Sankey pentru bilanţul termic real
1. Separarea trubului la cald 103469 kg / şarjă must 12%, 85 0C
ROTAPOOL Pm= 414 kg / şarjă, 85 0C Pt =69,1 kg / şarjă 85 0C 102779 kg / şarjă must 12%, 85 0C
Pa =206,9 kg / şarjă, 85 0C
2. Răcirea mustului de bere
102779 kg / şarjă must 12%, 85 0C 6450 kg apă potabilă/şarjă 140C 9890 kg apă răcită /şarjă , 1 0C
6450 kg apă potabilă/şarjă, 48,6 0C SCHIMBĂTO R CU PLĂCI
9890 kg apă răcită /şarjă 60C
Pad =154,2 kg /şarjă, 40 0C 76
102624,8 kg / şarjă must 12%, 10 0C
3. Separarea mustuliu la rece
102624,8 kg / şarjă must 12%, 10 0C
58740 l aer / şarjă
TANCUL DE FLOTAŢIE
58740 l aer / şarjă
Pt = 19,62 kg / şarjă, 10 0C Pex = 307,9 kg /şarjă, 10 0C 102297,28 kg / şarjă must 12%, 10 0C
4. Fermenatrea –maturarea în tancuri cilindro-conice 102297,28 kg / şarjă must 12%, 10 0C
23951 kg /h propilenglicol - 5 0C
1014,2 kg / şarjă drojdie
FERMENTAREMATURARE
23951 kg /h propilenglicol 0 0C Djrec = 3042,6 kg droj. /şarjă, 2
0
77
C
CO2 = 3943,74 kg /şarjă, 14 0C P= 3147,77kg /şarjă, 14 0C 93177,37 kg bere /şarjă, - 1 0C Legendă UTILAJ CE REALIZEAZĂ OPERAŢIA MUST DE BERE INTRAT ÎN UTILAJ MUST DE BERE IESIT DIN UTILAJ PIERDERI ÎN TIMPUL PROCESULUI APĂ RĂCITĂ APĂ POTABILĂ DROJDIE RECUPERATĂ DROJDIE PENTRU ÎNSĂMÂNŢARE DIOXID DE CARBON RECUPERAT PROPILENGLICOL **La realizarea acestor diagrame s-au folosit valorile obţinute din calculul de bilanţ de masă şi termic din subcapitolul anterior.
78
Tabelul 3.26. TABEL CENTRALIZATOR- BILANŢ DE MATERIALE PENTRU BEREA BLONDĂ 12% Nr. Crt.
Materiale intrate Denumirea materiei
Debit Kg/şarjă
Nr. Crt
1.
A). Separare trub la cald Must fiert în Rotapool M1
103469
1. 2. 3. 4.
Total materiale intrate B). Răcire 1. Must după separare trub la cald M2 Total materiale intrate 1
C). Separare trub la rece Must răcit M3
Total materiale intrate
103469 102779 102779 102624,8 102624,8
Materiale ieşite Denumirea materiei
DEBIT Kg/şarjă
A Separare trub la cald Must după separare trub la cald M2 Pierderi în must Pm Pierderi în trub Pt Pierderi în apa autoevaporată Pa
102779 414 69,1 206,9
Total materiale ieşite B). Răcire 1. Must răcit M3 2. Pierderi prin aderenţă Pad Total materiale ieşite C). Separare trub la rece 1. Must primitiv M4 2 Pierderi în extract Pe 3. Trub la rece Total materiale ieşite
79
103469 102624,8 154,2 102779 102297,28 307,9 19,62 102624,8
1 2
D). Fermentareamaturare Must primitiv M4 Drojdie intrată Dji
Total materiale intrate
D). Fermentarea -maturare Bere tânără Bm Drojdie recuperată Djrec CO2 [(r+f)-d] Pierderi P1
102624,8 1014,2
1 2 3 4
103311,48
Total materiale ieşite
80
93177,37 3042,6 3943,74 3147,77 103311,48
4. ALEGEREA ŞI DIMENSIONAREA UTILAJELOR 4.1 Tancul cilindro-conic - utilaj folosit la fermentare Tancurile de fermentare sunt recipiente închise sub presiune pentru fermentarea primară , pentru fermentarea secundară , respectiv pentru ambele fermentaţii în cazul tancurilor cilindro-conice de mare capacitate . Ca formă tancurile pot fi : • cilindro-conice mici- cu capacitate de până la 1000 hl; • cilindro-conice mari - cu capacitate mai mare de 1000 hl, ajungând până la 12000 hl. În funcţie de mărime, ele pot fi amplasate în interiorul unor încăperi, cele mici, sau sub cerul liber, cele de capacitate mare . Recipientele cele mai mici amplasate în încăperi au înălţimi de circa 6 m, diametrul de 2,5 m şi o capacitate de 200 hl. Există şi tancuri de 1600 hl cu înălţimi de 16 m amplasate în încăperi. Unitancurile sunt construite pentru diferite capacităţi, înălţimea lor fiind de 3-4 ori mai mare decât diametrul. Tabelul 4.1. Dimensiunile tancurilor cilindro-conice în funcţie de capacitate Capacitate, hl Diametru exterior, mm Înălţime, mm 5500 6000 27000 2500 4200 22500 1250 4000 11708 200-1600 2000-4000 5000-15000 950 4200 16500 463 3000 8500 200 2500 Max 6000 Unghiul de înclinaţie a părţii conice este de 60- 75 0, iar capacul este elipsoidal. Susţinerea se realizează cu un suport inelar (ce poate fi din beton), ce prelungeşte partea cilindrică sau cu ajutorul unor picioare, în număr de până la 18, care sunt slab oblice. instalaţia poate fi aşezată în poziţie independentă sau în baterii. Tancurile cilindro-conice (planşa nr. 2 din partea desenată a proiectului ) sunt echipate cu : • dispozitive de umplere şi golire; • valve de siguranţă (supape); • aparatură (instrumente) de control; • echipament CIP pentru igienizare. Dispozitivele de umplere şi golire sunt : • conductele de alimentare; • conducta de evacuare drojdie; • conducta de evacuare bere; • conducta de alimentare / evacuare soluţii CIP.
81
Fitingăria de conectare, robinetele, coturile trebuie să asigure o etanşeitate perfectă, pentru a nu permite accesul oxigenului (respectiv a aerului care poate să şi contamineze berea cu microorganisme). Valvele de siguranţă, montate la partea superioară a tancului, sunt : • valva (regulator) pentru evacuare exces de presiune reglată la 1,8 bar; • valva pentru vacuum (regulator) pentru deschidere la 0,99 bar. Aparatura de control este formată din : • termometru ; • indicator de nivel; • manometru; • dispozitiv de reglare a nivelului maxim şi minim care este foarte important în a menţine cât mai constant volumul (înălţimea ) lichidului şi , respectiv al spaţiului liber; • dispozitiv de luat probe în vederea analizelor de laborator. Umplerea şi golirea se efectuează prin partea conică printr-un singur robinet. Toate tancurile posedă dispozitive pentru evacuarea dioxidului de carbon pe partea superioară şi ventile de siguranţă faţă de suprapresiune sau vid. În majoritatea cazurilor, pentru fermentarea primară tancurile se umplu în proporţie de 85% faţă de volumul total Tancul este izolat la exterior, pentru menţinerea temperaturii berii , cu poliuretan expandat în strat de 100-150 mm grosime, protejat de o manta din tablă ondulată zincată sau aluminiu. Răcirea se realizează în tanc, acesta fiind prevăzut cu manta de răcire la exterior, mantaua fiind formată din două sectoare de răcire, dintre care unul în partea conică şi unul în partea cilindrică. Berea din tancul cilindro-conic poate fi răcită şi în exteriorul tancului prin preluarea ei din partea cilindrică a tancului cilindro-conic, trimiterea ei la un schimbătoare de căldură cu plăci (amplasate alături de fermentator) , reintroduce berii în TCC se face fie la 3-4 m sub nivelul suprafeţei berii din TCC. Fie pe la partea inferioară a conului pentru a menţine drojdia mai bine în suspensie în faza de fermentare tumultoasă (planşa nr. 11 din partea desenată). Se ştie că la fermentarea primară se dezvoltă temperaturi mai mari faţă de fermentarea secundară. Astfel la fermentarea primară, temperatura berii în straturile superioare este mai ridicată decât în cele inferioare, dar datorită curenţilor de convecţie creaţi de degajarea CO2, temperatura se uniformizează rapid. Această uniformizare este mai lentă la fermentarea secundară şi la maturare. Curăţirea şi dezinfecţia fermentatoarelor are loc prin pulverizare sub presiune a diferiţi agenţi de spălare. Succesiunea procesului de curăţire-dezinfecţie, constă în spălarea cu apă rece prin recirculare, apoi cu soluţie de hidroxid de sodiu 2% la 70 0C, apoi spălare cu apă rece, urmată de soluţie de acid azotic 2%, apă rece şi dezinfectare cu acid peracetic 0,01%.
Dimensionare Tancul cilindro–conic (Ziemann) cu capacitatea de 1250 hl este utilizat pentru fermentarea berii sub presiune, după diagrama din fig. 3.3. Tancul cilindro–conic : • Capacitatea tancului 1250 hl = 125 m3 82
• • • •
Diametrul de 4000 mm Înălţimea totală de 11708 mm ϕ - coeficientul de umplere ϕ = 80% α - unghiul de la vârful conului α = 75 0 .
hc
V1
V2
Ht
D
Hc
V3 hf
Fig.4.1. Schema tancului cilindro-conic
Calculul de dimensionare a tancului cilindro-conic Volumul total al tancului cilindro-conic Se calculează cu formula: Vt = V 1 + V 2 + V 3 unde : Vt - volumul total al tancului cilindro-conic, m3 , V1 - volumul capacului elipsoidal , m 3 83
V2 - volumul părţii cilindrice , m3 V3 - volumul fundului conic, m3 . Volumul capacului elipsoidal 1 4π D 2 x xhc V1 = x
2
3
•
4
hc - înălţimea capacului elipsoidal
hc =
D 4 = =1 m. 4 4
Deci : V1 =
1 4π 4 2 x x x1 2 3 4
V 1 = 10,59 m3
Volumul fundului conic
V3=
π
x
3
D2 xh f 4
•
hf – înălţimea fundului conic, se calculează funcţie de unghiul de la vârful conului, care se recomandă între 60-75 0. D 2
hf =
tg
2
4 4 2 2 hf = = = 2,606 m. 75 tg 37,5 tg 2
Deci : V3=
α
π 3
x
42 x 2,606 4
V3=10,91 m3
Volumul părţii cilindrice
Determinăm mai întâi înălţimea părţii cilindrice: Hc = Ht –hc - hf unde: Hc - înălţimea părţii cilindrice, m Ht - înălţimea totală a tancului cilindro-conic, m 84
hc - înălţimea capacului elipsoidal, m hf – înălţimea fundului conic, m Hc = 11,708 – 1 - 2,606 Hc = 8,102 m Volumul părţii cilindrice se determină cu următoarea formulă: D2 xH c 4 42 x8,102 V2 = πx 4
V2 = πx
V2 = 101,76 m3
Volumul total al tancului cilindro-conic
Vt = V 1 + V 2 + V 3 Vt = 10,59 + 101,76 + 10,91 Vt = 123,26 m3 În continuare lucrăm cu această capacitate pentru a determina volumul util al tancului: V u = 123,26 x 0,8 = 98,61 m3 = 986,1 hl Masa de must ce intră la fermentare : M 4 = 102297,28 kg/ şarjă ρ = 1,0499 kg/ l Volumul de must ce intră la fermentare este : V=
102297,28 = 974,35 1,0499
Se observă că volumul util al tancului este mai mare decât volumul de must ce intră în mod normal la fermentare, deci pentru realizarea procesului de fermentarematurare, în această secţie, se poate folosi un tanc cilindro-conic care are dimensiunile egale cu cele din tabelul următor. Serpentina de răcire montată pe partea exterioară a părţii cilindrice este împărţită în trei zone prevăzute cu racorduri de intrare a agentului de răcire şi racorduri de evacuare a agentului de răcire. Ea are profil semicircular şi este dispusă orizontal. Fundul tronconic are şi el o zonă de răcire formată din 4 canale cu secţiune triunghiulară.
Tabelul 4.2. Dimensiunile de gabarit ale tancului cilindro-conic în urma dimensionării 85
1250 hl = 125 m3 123,26 m3 986,1 hl = 98,61 m3 V 1 = 10,59 m3 V2 = 101,76 m3 V3=10,91 m3 D=4m Ht =11,708 m Hc = 8,102 m hf = 2,606 m. hc=1 m. α = 75 0 ϕ = 80%
Capacitate Volumul total determinat Volumul util Volumul capacului elipsoidal Volumul părţii cilindrice Volumul fundului conic Diametrul Înălţimea totală Înălţimea părţii cilindrice Înălţimea fundului conic Înălţimea capacului elipsoidal Unghiul de la vârful conului Coeficientul de umplere
Aria suprafeţei de schimb de căldură se calculează pentru ziua a 5-a : A= Q răcire =
Qrãcire Kx∆t med 6646,4 x10 6 = 123081,4 W 15 x3600
Se adoptă o valoare pentru K = 130 W / m2k. T, 0C 140C 2 0C 0
0 C -50C timpul, secunde Fig.4.2. Diagrama termică a răcirii Diferenţa de temperatură este ∆tM = 14°-0 °=14°C ∆tm = 2°+5°= 7°C Temperatura medie a apei este ∆t med =
14 + 7 = 10,5 Ο C 2
Calculul ariei A =
123081,4 = 90,17 m 2 130 X 10,5
86
Aria suprafeţei de schimb de căldură trebuie să fie mai mică decât aria laterală a părţii cilindrice a tancului cilindro-conic. Alat = π x D x Hc Alat = 3,14 x 4 x 8,102 Alat = 101,76 m2 Aria suprafeţei de schimb de căldură reprezintă 88,6% din aria laterală a părţii cilindrice. 90,17 X 100 = 88,6% 101,76
Aria suprafeţei de schimb de căldură raportată la must este : 90,17
A / M = 986,1 = 0,09 m2 / hl = 9 m2 /100 hl Pentru răcirea indirectă cu propilenglicol se recomandă o suprafaţă a elementelor de răcire a tancurilor cilindro-conice de 9 – 9,2 m 2 /100 hl.
4.2. Schimbătorul de căldură cu plăci Se ştie că răcirea are loc într-un schimbător de căldură cu două zone, mustul fierbinte se răceşte mai întâi cu apă de la reţea în prima zonă de răcire, apoi cu apă răcită cu gheaţă în zona a doua, până la temperatura de însămânţare cu drojdie. Date iniţiale
MUST M m - masa de must supusă răcirii ≅ 4300 kg/h T1 – temperatura iniţială a mustului , 85 ºC T2 – temperatura finală a mustului, 23ºC T3-– temperatura finală a mustului, 10ºC Tabelul 4.3.
Caracteristici termofizice ale mustului de bere la temperatura medie Zona T, ºC Cp , j/kg k ρ, kg/m3 λ, W/m∗k η, mPa∗s I 54 1030 0,58 3500 0,7 II 16,5 1045 0,55 3700 2,4
APĂ POTABILĂ
Wa - cantitatea de apă ce se foloseşte la răcirea mustului , 6450 kg /h 87
Taf – temperatura finală apei potabile , 14ºC
Tai – temperatura iniţială a apei potabile , 48,5ºC APĂ RĂCITĂ Wr - cantitatea de apă răcită ce se foloseşte la răcirea mustului , 9925 kg / h
Tri – temperatura iniţială a apei răcite , 1ºC
Trf – temperatura finală apei răcite , 6ºC Tabelul 4.4.
Zona I II
Caracteristici termofizice ale apei la temperatura medie T, ºC Cp , j/kg k η, mPa∗s Pr ρ, kg/m3 λ, W/m∗k 31,3 989,6 0,618 4180 0,797 5,39 3,5 999,8 0,575 4209 1,6 11.73
Temperatura medie a mustului în zona I este ∆t med =
85 + 23 = 54 Ο C 2
Temperatura medie a mustului în zona II este ∆t med =
10 + 23 = 16,5 Ο C 2
Temperatura medie a apei în zona I este ∆t med =
48,6 +14 = 31,3 Ο C 2
Temperatura medie a mustului în zona II este ∆t med =
1+6 = 3,5 Ο C 2
Aria suprafeţei de schimb de căldură pentru zona I
A=
Qrãcire Kx∆t med
Q răcire = M m x C m x (T1 - T2 ) Q răcire =
4300 x3500 x(85 − 23) = 260000 W/s 3600
T, 0C
88
850C 230C 48,6 0C 140C aria, m2 Fig.4.3. Diagrama termică a răcirii pentru zona I Diferenţa de temperatură este ∆tM= 85-23 = 36,4°C ∆tm= 23-14 = 9°C ∆t M 36,4 = >2 ∆t m 9
Temperatura medie mustului este
∆t M − ∆t m ∆t ∆tmed = ln M ∆t m 3,4 −9
∆tmed = ln 4,04 = 19,71 0C
Calculul coeficientului global de transfer de căldură pentru zona I
1 K= 1 + δ + 1 α1 λ α 2
unde: • • • •
α1 – coeficientul parţial de transfer de căldură convectiv pentru mustul de bere, W /m2∗k α2 - coeficientul parţial de transfer de căldură convectiv pentru apa de răcire, W /m2∗k λ - conductibilitatea plăcii din OL inox , 14,7 W/m∗k; ∂ - grosimea plăcii, 0,001 m. Tabelul 4.5. Lungimea Lăţimea Grosimea
Caracteristicile plăcii Tehnofrig T-10000 L 1530 mm l 410 mm 1 mm δp 89
Aria suprafeţei de transfer Distanţa dintre plăci Aria secţiunii de curgere Diametrul echivalent Grosimea plăcii de capăt Grosimea plăcii intermediare
0,5 m 2 3 mm 175 x 10 –5 m 2 9,5 mm 110 mm 72 mm
A0 δc S0 dech δ pc δpi
Ecuaţia criterială este : Nu = 0,0645 x Re Pr Pr p
0,78
x Pr
0,46
x
Pr Pr p
0 , 25
0 , 25
=
1,05 pentru încălzire 0,95 pentru răcire.
Calculul lui α 1 w ⋅ d ech ⋅ ρ η C p ×η
Re = Pr =
λ
α1 × d ech λ Viteza optimă pentru trecerea mustului prin schimbătorul de căldură este cuprinsă între 0,2-0,8 m/s. Am ales w= 0,3 m/s. Din ecuaţia continuităţii debitului se calculează m 1 numărul de canale pentru o singură trecere: Nu =
M
ρ ×3600
= m1 x w x S0
M
4300
m1= ρ × 3600 × w × S = 1030 × 3600 × 0,3 ×175 x10 −5 0 m1 = 2,2 considerăm 2 canale . Recalculăm viteza reală a mustului în schimbătorul de căldură :
Wr =
M 4300 = ρ × 3600 × m1 × S 0 1030 × 3600 × 2 ×175 x10 −5
Wr =0,33 m/s. Calculăm 90
Re = Pr =
0,33 ⋅ 9,5 x10 −3 ⋅1030 = 4612,93 0,7 x10 −3
3500 ×0,7 x10 −3 = 4,22 0,58
Nu = 0,0645 x Re0,78 x Pr0,46 x 0,95 Pr Pr p
0 , 25
=
0,95 pentru că mustul se răceşte
Nu = 0,0645 x 4612,930,78 x 4,220,46 x 0,95 Nu =85,67
α1 × d ech se determină α1 – coeficientul parţial λ de transfer de căldură convectiv pentru mustul de bere, W /m2∗k Din criteriul de similitudine Nu =
α1 =
Nuxλ 85,67 ×0,58 = d ech 9,5 x10 −3
α 1 = 5230,4 W /m2∗k Calculul lui α 2 Determinăm numărul de canale prin care curge apa: m2 Wa = = 1,5 m1 M m2 = 1,5 m1 = 1,5 x 2 = 3 canale Viteza de curgere a apei între plăci: M
6450
W = ρ × 3600 × m × S = 989,6 ×3600 × 3 ×175 x10 −5 2 0 W =0,34 m/s. Calculăm Re =
0,34 ⋅ 9,5 x10 −3 ⋅ 989,6 = 4010,55 0,797 x10 −3
Pr =11,73 Nu = 0,0645 x Re0,78 x Pr0,46 x 0,95 Pr Pr p
0 , 25
=
1,05 pentru că apa se încălzeşte
Nu = 0,0645 x 4010,550,78 x 11,730,46 x 1,05 91
Nu =92,79
α1 × d ech se determină α2 - coeficientul parţial λ de transfer de căldură convectiv pentru apa de răcire, W /m2∗k Din criteriul de similitudine Nu =
α2 =
Nuxλ 92,79 ×0,621 = d ech 9,5 x10 −3
α 2 = 6065,53 W /m2∗k Calculăm 1 1 1 1 0 , 001 1 1 1 δ 1 K= = = + + + + 5230,4 14,7 6065,53 0,000498 α1 λ α 2
K= 2392,34 W /m2∗k Calculăm aria de transfer termic : Qrãcire Kx∆t med AI = 5,51 m2
AI =
260000
= 19,71x 2392,34
Aria suprafeţei de schimb de căldură pentru zona II
A=
Qrãcire Kx∆t med
Q răcire = M m x C m x (T1 - T2 ) Q răcire =
4300 x3700 x (23 −10) = 57452,774 W/s 3600
T, 0C 230C 100C 0
6 C 10C aria, m2
92
Fig.4.4. Diagrama termică a răcirii pentru zona I Diferenţa de temperatură este ∆tM= 23-6 = 17 °C ∆tm= 10-1 = 9°C ∆t M 17 = <2 ∆t m 9 Temperatura medie mustului este ∆t med =
17 + 9 = 13 Ο C 2
Calculul coeficientului global de transfer de căldură pentru zona II
1 1 δ 1 K= + + α1 λ α 2
unde: • • • •
α1 – coeficientul parţial de transfer de căldură convectiv pentru mustul de bere, W /m2∗k α2 - coeficientul parţial de transfer de căldură convectiv pentru apa răcită, W /m2∗k λ - conductibilitatea plăcii din OL inox , 14,7 W/m∗k; ∂ - grosimea plăcii, 0,001 m. Ecuaţia criterială este : Nu = 0,0645 x Re Pr Pr p
0,78
x Pr
0,46
x
Pr Pr p
0 , 25
0 , 25
=
1,05 pentru încălzire 0,95 pentru răcire.
Calculul lui α 1 w ⋅ d ech ⋅ ρ η C p ×η
Re = Pr =
Nu =
λ
α1 × d ech λ 93
Se adoptă acelaşi număr de canale ca pentru zona I, deci m 1= 2 şi se calculează viteza de curgere a mustului prin canale. M 4300 = ρ × 3600 × m1 × S 0 1045 × 3600 × 2 ×175 x10 −5
Wr =
Wr =0,32 m/s. Calculăm Re = Pr =
0,32 ⋅ 9,5 x10 −3 ⋅1045 = 1323,66 2,4 x10 −3
3700 ×2,4 x10 −3 = 16,14 0,55
Nu = 0,0645 x Re0,78 x Pr0,46 x 0,95 Pr Pr p
0 , 25
=
0,95 pentru că mustul se răceşte
Nu = 0,0645 x 1323,660,78 x 16,140,46 x 0,95 Nu =59,96
α1 × d ech se determină α1 – coeficientul parţial λ de transfer de căldură convectiv pentru mustul de bere, W /m2∗k Din criteriul de similitudine Nu =
Nuxλ 59,96 ×0,55 α1 = d = 9,5 x10 −3 ech α 1 = 3471,36 W /m2∗k
Calculul lui α 2 Determinăm numărul de canale prin care curge apa: m2 Wa = = 2,3 m1 M m2 = 2,3 x m1 = 2,3 x 2 = 5 canale Viteza de curgere a apei între plăci:
W =
M 6450 = ρ × 3600 × m2 × S 0 999,8 × 3600 ×5 ×175 x10 −5
W =0,31m/s. Calculăm 94
Re =
0,31 ⋅ 9,5 x10 −3 ⋅ 999,8 = 1840,25 1,6 x10 −3
Pr =11.37 Nu = 0,0645 x Re0,78 x Pr0,46 x 0,95 Pr Pr p
0 , 25
=
1,05 pentru că apa răcită se încălzeşte
Nu = 0,0645 x 1840,25 0,78 x 11,730,46 x 1,05 Nu =74 α × d ech Din criteriul de similitudine Nu = 1 se determină α2 - coeficientul parţial λ de transfer de căldură convectiv pentru apa de răcire, W /m2∗k
α2 =
Nuxλ 74 ×0,575 = d ech 9,5 x10 −3
α 2 = 4478,95 W /m2∗k Calculăm 1 1 1 1 0 , 001 1 1 1 δ 1 K= = = + + + + 3471,36 14,7 4478,95 0,0005792 α1 λ α 2
K= 1726,52 W /m2∗k Calculăm aria de transfer termic : Qrãcire Kx∆t med AII = 2,6 m2
AII =
57452,774
= 13 x1726,52
Întrucât în calcul nu s-a ţinut cont de pierderile de căldură, de depunerile pe suprafaţa de schimb şi nici de coeficientul de utilizare a suprafeţei, se majorează aria suprafeţei determinată teoretic cu 10-20%. A I real = AI x 1,5 = 5,51 x 1,5 = 8,26 m2 A II real = AII x 1,5 = 2,6 x 1,5 = 3,9 m2 Dimensionarea schimbătorului de căldură cu plăci: Numărul de plăci de lucru A
N= A 0 95
NI=
AIreal 8,26 = 0,5 = 17 plăci A0
N II =
AIIreal 3,9 = 0,5 = 8 plăci A0
Aranjarea plăcilor pe zone se face ţinând cont de : numărul de canale pentru o singură trecere, m de numărul de treceri, z. Condiţii : m1 x z1= m2 x z2 m = m1 x z1 + m2 x z2 = N+1 unde: m= numărul totale de canale din zonă. Zona I m1 =2 z1= 6 m2= 3 z2= 4 m I= 2 x 6 + 3 x 4 = 24 canale N I = m I - 1 = 24-1 = 23 plăci. Se va majora numărul de plăci la 23. Zona I m1 =2 z1= 5 m2= 5 z2= 2 m I = 2 x 5 + 5 x 2 = 20 canale N I = m I - 1 = 20-1 = 19 plăci. Se va majora numărul de plăci la 19. Lungimea activă a schimbătorului de căldură Lungimea activă a schimbătorului de căldură se calculează cu următoarea formulă: L =2xδ pc + δpi + N x δ p + m x δ c L =2x 0,11 + 0,072+ (23+19) x 0,001 + (24+20) x 0,003 L = 0,466 m≅ 0,5 m
4.3. Vană pentru drojdie 96
Este utilizată în industria berii pentru spălarea, dezinfecţia şi depozitarea drojdiei. Vanele de drojdie sunt confecţionate din oţel inoxidabil sau din aluminiu şi sunt prevăzute cu manta de răcire. Vanele se pot înclina, prin rotire in jurul unui ax, pentru îndepărtarea apei de deasupra drojdiei. Schimbarea apei nu trebuie să se facă prea des, pentru a se evita pierderea de substanţe în ape (în special substanţe azotoase) care duc la slăbirea activităţii drojdiei. Cu cât temperatura de păstrare este mai scăzută cu atât drojdia rămâne mai viguroasă. Durata de păstrare a drojdiei sub apă nu trebuie să depăşească 4 – 5 zile. Drojdia poate fi păstrată 1 – 2 zile şi sub bere tânără prin care se micşorează pierderile în substanţe azotoase. Unele tipuri de vane de drojdie sunt prevăzute cu capac pentru a se reduce pericolul de infecţie. Capacitatea unei vane de drojdie trebuie să corespundă la cca 3% din capacitatea unui lin de fermentare, iar întreaga sală a vanelor de drojdie să satisfacă necesarul pentru cel puţin două zile de fermentare. Datorită faptului că mustul de bere prezintă o anumită încărcătură microbiană şi că la fermentare nu se lucrează în condiţii absolut pure, are loc cu timpul infectarea culturii pure de drojdie. Cele mai frecvente infecţii sunt cele cu bacterii lactice sub formă de pediococi şi lactobacili. Pentru distrugerea bacteriilor de infecţie se face o dezinfectare a drojdiei cu acid sulfuric sau fosforic la un pH egal 2,2, cunoscându-se faptul că drojdia de cultură este rezistentă la pH-uri scăzute, la care bacteriile sunt distruse. Caracteristici dimensionale ale vanei de drojdie :
Vvană = 3% × Vlin Vt = Vcil + Vcalotă sferică Vcil =3,14 × R2 × h1 h2 = R h1 = 3R Vtotal =5 × 3,14 × R3
h1
D
h2
Fig.4.5. Vana de drojdie •
Volumul vanei de drojdie 97
H
Vvană = 3% × 1250= 37,5 hl = 3,75 m3 •
Determinăm R a vanei
Vtotal =5 × 3,14 × R3 3,75 =5 × 3,14 × R3 R=
3
3,75 15,7
=
3
0,2388
R = 0,62 m . •
Calculul înălţimii h1 h1 = 3R h1 = 3 × 0,62 h1= 1,86 m
•
Calculul înălţimii h2 h2 = R = 0,62 m .
•
Calculul diametrului D şi a înălţimii H D = 2 x 0,62= 1,24 m H = 4 x 0,62 = 2,48 m
•
Calculu volumului total al vanei de drojdie Vt = Vcil + Vcalotă sferică Vci l= 3,14 x R2 × h1 Vcalotă =2 × 3,14 × R2 × h2 Vcil =3,14 × 0,62 2 × 1,86 = 2,245 m3 Vcalotă =2 × 3,14 × 0,622 x 0,62 = 1,5 m3 Vt = 2,245 + 1,5 = 3,745 m3
Se observă că volumul vanei de drojdie obţinut teoretic în urma dimensionării este cu puţin mai mic decât cel necesar. Deci vana de drojdie va avea dimensiunile de gabarit prezentate în tabelul următor. Tabelul 4.6. Dimensiunile de gabarit ale vanei de drojdie în urma dimensionării Capacitate 37,5 hl = 3,75m3 Volumul total determinat 3,745 m3 Volumul cilindrului Vcil =2,245 m3 Volumul calotei Vcalotă= 1,5 m3 Raza R = 0,62 m Diametrul D = 1,24 m Înălţimea totală H = 2,48 m 98
Înălţimea h1 Înălţimea h2 •
h1= 1,86 m h2 = 0,62 m
Calculul numărului de vane: Dj rec =drojdia recuperată Djrec =3042,6 kg /şarjă
Densitatea = 1100 Kg / m3 Deci Vdj = volumul de drojdie recuperată Vdj = Dm/ densitate = 3042,6 /1100 Vdj = 2,766 m3 n = nr. de vane n = Vdj /Vvană = 2,766/ 3,75 = 0,74 Se adoptă nr. de vane n = 1 vane/zi şi totodată se asigură şi necesarul de drojdie pentru cel puţin două zile de fermentare.
4.4. Alte utilaje 4.4.1. Staţia de culturi pure Staţia de culturi pure este destinată obţinerii, plecând de la cultura pură de laborator, a unei cantităţi suficiente de drojdie pentru însămânţarea mustului utilizat întro zi. Staţia este alcătuită din următoarele părţi componente: Un sterilizator – destinat sterilizării mustului în vederea obţinerii şi multiplicării drojdiei, are manta dublă şi fund conic şi o capacitate de 650 l ; două prefermentatoare (recipiente de incubare) cu capacitatea de 360 l, unde are loc fermentaţia timp de 3 zile la 7 - 8ºC; fermentatorul care are capacitatea de 4000 l, şi cu manta dublă pentru răcire şi fund conic, în el se continuă fermentarea timp de 3 zile la temperatura de 7 9ºC; 5 lanterne care sunt destinate urmăririi indicatorilor organoleptici ai mustului şi plămezii de drojdie. O astfel de staţie de culturi pure este prezentată în fig. ........din anexă. Recipientele se construiesc din cupru sau oţel inoxidabil. Ele au formă cilindrică verticală, uneori cu fundul conic. Tipurile noi prezintă la exterior manta prin care se realizează sterilizarea sau încălzire conţinutului, după caz. Transvazarea dintr-un recipient în altul se efectuează de cele mai multe ori pe principiul montejusului cu aer steril. Staţiile de culturi pure din ţara noastră se compun dintr-un recipient de sterilizare a mustului, două vase de prefermentare şi unul de fermentare. Fiind recipiente sub presiune ele sunt prevăzute cu ventile de siguranţă cât şi cu dispozitive de prevenire a vidului în momentul răcirii şi a golirii. De la o fazo de înmulţire a drojdiei la următoarea capacităţile recipientelor cresc de 5-15 ori. 99
Transvazarea dintr-un recipient în altul se realizează pe principiu montejus-ului cu aer steril. Astfel se deschide ventilul de la partea inferioară a recipientului şi cel de aer, creându-se o pernă de gaz care împinge mustul în recipientul următor, şi astfel se asigură condiţiile necesare de sterilitate. Tabelul 4.7. Caracteristici dimensionale pentru sterilizator Capacitate totală 650 l Diametrul 900 mm Înălţimea 1200 mm Înălţime mantaua 800 mm Conductă de alimentare DN 35 mm Conductă de evacuare DN 20 mm Tabelul 4.8. Caracteristici dimensionale ale recipientului pentru multiplicare Capacitate totală 360 l Diametru interior 650 mm Înălţimea 2000 mm Înălţimea părţii cilindrice 900 mm Tabelul 4.9. Caracteristici dimensionale ale recipientului pentru multiplicare Capacitate totală 4000 l Diametru interior 1700 mm Înălţimea 3000 mm Înălţime manta 1500 mm Exploatare şi întreţinere : Cultura de drojdie din vasul Carlsberg se însămînţează pe must sterilizat şi răcit, aflat în unul din cele două vase de 3 hl, unde are loc fermentarea timp de 3 zile la temperatura de 7 - 8ºC. Se trece apoi o mică parte din cultură, în cel de-al doilea vas de multiplicare de 3 hl, iar restul serveşte pentru însămânţarea în prefermentator, care conţine 30 hl must sterilizat şi răcit. În prefermentator se continuă multiplicarea drojdiei timp de 3 zile la 7 - 9ºC, obţinându-se o cantitate mai mare de culturi de drojdie care se introduce în linul de fermentare peste cantitatea respectivă de must răcit. Pentru trecerea culturii de drojdie dintr-un vas în altul, se decantează berea de deasupra stratului de drojdie şi apoi se trece în stratul următor. Pentru evitarea infecţiei cu microorganisme străine, înainte de introducerea mustului în sterilizator, linul se curăţă, se spală şi apoi se sterilizează prin aburire timp de 5 min. După închiderea ventilului de abur, se deschide imediat ventilul de aer, introducem aer steril în aparat pentru a se evita formarea vidului. Se introduce apoi mustul printr-o conductă specială şi se fierbe uşor timp de o oră, prin barbotare de abur cu ventile închise pentru sterilizare. Se răceşte apoi cu ajutorul aerului steril sub presiune, în unul din cele două vase de multiplicare, sterilizate în prealabil în acelaşi mod. Caracteristici tehnice : Capacitatea: 30 hl cultură pură de drojdie. În partea desenată a lucrării este prezentat românească de producere a culturii de drojdie pentru producţie – planşa nr.8. schematic instalaţia 100
4.4. 2. Para de drojdie Para de drojdie este folosită pentru însămânţarea mustului de drojdie. Para de drojdie este un vas din cupru cositorit sau din oţel inoxidabil, care are un suport mobil cu ajutorul căruia se poate deplasa un capac care închide ermetic vasul, conducte pentru aer comprimat şi racorduri pentru introducerea aerului, respectiv de evacuare a drojdiei. Dimensionare Volumul util al parei de drojdie este identic cu jumătate din volumul total al vanei de drojdie. Vpară = 1/2 × Vvană x 100/85 V u = 1/2 × 3,75 x 100/85 = 1,875 m3 Cantitatea de drojdie ce trebuie să fie însămânţată pe zi. Dji = 1014, 2 kg drojdie /şarjă ρdj - densitatea drojdie, ρdj = 1037 kg / m3 lapte de drojdie Volumul de drojdie este de V = 1014,2 / 1037 = 0,98 m3 Para se va calcula pentru volum de 1 m3 , deoarece dintr-o vană de drojdie se poate însămânţa cel puţin trei şarje. V u =1 m3 Vpară = V u x 100/85 =1,17 m3 D
H'
H '' H
H '''
Fig.6. Para de drojdie Pentru dimensionare impunem: H′ = H″ /3 H″′ = 1,7 H″ D = 1,34 H″ 101
H″ = D /1,3 H″′ =1,7 D /1,3 Calculul volumului parei de drojdie Se pleacă de la formula din care determinăm diametrul parei: Vt = 0,948 × D3 1,1 7= 0,948 × D3 D3 = 1,17/0,948 =1,189 m3 D = 3 1,189 D = 1,06 m Calculăm înălţimile : H″ = 1,06/1,3 =0,81 m H′ = 1,/3 m = 0,35 m H″′ = 1,7 × 0,81 =1,37 m H = 2,53 m
4.4.3. Calcularea numărului de vase de fermentare Capacitatea lunară = Capacitatea zilnică × Nr. zile lucrătoare Capacitatea lunară = 897,435 × 26 = 23333,31 hl /lună Densitatea mustului fiert cu hamei cu 12% extract este 1048,38 Kg /m 3 M= 24462,175 Kg /şarjă must primitiv 12% M = 897,435 hl/ şarjă 897,435+18% × 897,435 = 1058,97 hl Capacitatea geometrică a linului = 1250 hl = 125 m3 Coeficientul de rulaj ( CR): CR = nr. de zile lucrătoare dintr-o lună/ nr. de zile de fermentare: CR = 30/14 = 2,14 Capacitatea utilă = Capacitatea lunară /CR CU = 23333,31/2,14 = 10903,415 hl Capacitatea geometrică = Capacitatea utilă + 18% Capacitatea utilă CG = 10903,415 +18%
× 10903,415
= 12866.029 hl
Nr. de tancuri = CG/ capacitatea unui tanc = 12866.029 /1250 Nr. de tancuri = 10,29 tancuri Totuşi în practică se folosesc 13+5 = 18 tancuri pentru fermentare ( 5 tancuri pentru igienizare) şi încă 2 tancuri din care unul este pentru depozitarea berii finite pe o perioadă de cel mult 24 h în timp ce celălalt este spălat, dezinfectat şi sterilizat. 102
Deci în total vom avea 20 de tancuri cilindro-conice.
4.4.4. Necesarul de conducte Se calculează diametrul conductelor pornind de la ecuaţia de debit: Qv = W d=
× secţiunea = W × 3,14 × d2/4 , →
dSTAS
4 xQv 3,14 xW
W- viteza lichidului m/s, este stabilită după modul de transport al lichidelor gravitaţional sau cu pompe. Sunt două situaţii: a) Qv = V/t unde: t = timpul de încărcare – descărcare → se impune, s V = volumul util, m3 b) Qv = Qm / (dens × 3600) , m3/ s dacă Qm → Kg/h Conductă transport must fierbinte d = d STAS =52 x 4 mm Conducta transport must după separare trub la cald d = d STAS =40 x 4 mm Conductă pentru transport apă de la reţea d = d STAS = 50 x 4 mm Conductă pentru transport apă răcită d = d STAS = 60 x 4 mm Conductă pentru transport must răcit d = d STAS = 40 x 4 mm Conductă evacuare apă d = d STAS =50 x 4mm Conductă evacuare apă răcită d = d STAS = 60x4 mm Conductă aer steril d = d STAS = 60 x 4 mm când W = 10m/s Conductă transport must limpezit d = d STAS = 60 × 4 mm Conductă transport bere brută d =d STAS = 24 × 4 mm
4.4.5. Staţia de curăţire Staţia de curăţire este echipată cu 3 recipiente pentru soluţiile de spălare, de câte 12 m3 , deservite de pompe de 20 m3 / h şi de o pompă de şpriţuire cu apă de 70 m3 / h la 60 mm coloană de apă. 103
Există posibilitatea realizării automate a procesului de spălare –dezinfecţie fără demontare de instalaţii.
4.4.6. Mijloace de transport • Pentru materialele solide : şnec, bandă transportoare, elevatoare • Pentru lichide: pompe Acestea se aleg funcţie de : • destinaţie :cu vâscozitate mică – centrifugă cu vâscozitate mare – cu şnec. • funcţie de debit şi înălţimea totală de ridicare: pompele. Pompele se aleg funcţie de debitul vehiculat şi de înălţimea manometrică la care trebuie să pompeze. De aceea pentru a alege o pompă trebuie să se calculeze înălţimea manometrică şi să se cunoască debitul vehiculat. Calculul se face pentru o singură pompă: cea aflată în situaţia cea mai dezavantajoasă.
4.5. Caracteristici dimensionale pentru diferite utilaje Rotapool În ţara noastră se construiesc recipiente de formă cilindrică cu următoarele dimensiuni. Pe capac se găsesc montate un coş de evacuare a vaporilor precum şi două duze de pulverizare apă fierbinte şi apă rece. Lateral, recipientul este prevăzut cu un racord pentru luare de probe, o gură de vizitate şi un indicator de nivel. Pe fundul recipientului se găseşte un racord pentru evacuarea trubului şi altul pentru evacuarea mustului limpezit. La o înălţime de 360 mm faţă de fundul recipientului se găseşte un racord de evacuare suplimentară de must. Pe peretele lateral la o înălţime de 800 mm faţă de fund se află racordul înclinat la 30 0 faţă de peretele vasului pentru alimentarea tangenţială cu must, în vederea conferirii mişcării de rotaţie. Tabelul 4.10. Caracteristici dimensionale pentru Rotapool Capacitate totală 105 m3 Capacitate utilă 99 m3 Diametru interior 6000 mm Înălţimea 4000 mm Înălţime parte cilindrică 3000 mm Înălţime parte conică 1000 mm Înclinaţie fund Fără sau 1% Spălarea se realizează cu soluţie de hidroxid de sodiu 2% după fiecare fierbere, pentru păstrarea suprafeţei lucioase (pentru evitarea formării vârtejurilor). În partea desenată a lucrării este prezentat schematic rotapool-ul – planşa nr.5. Tancul de flotaţie 104
Tancurile de flotaţie sunt de tip metalic, cilindric, cu capac şi fund conic terminat la centru cu un ştuţ ce serveşte pentru alimentarea şi pentru evacuarea mustului. Înălţimea totală a stratului de must nu trebuie să depăşească 3 m, iar cea liberă, deasupra suprafeţei lichidului, de maxim 40% din cea a recipientului. Tabelul 4.11. Caracteristici dimensionale pentru tancul de flotaţie Capacitate totală 103 m3 Capacitate utilă 98,2 m3 Diametrul 7000 mm Înălţimea 5000 mm Înălţime maximă must 3000 mm Înălţime liberă, deasupra mustului 1000-1500 mm În partea desenată a lucrării este prezentat schematic tancul de flotaţie – planşa nr.6. Schimbătorul de căldură cu plăci În secţia proiectată am ales să folosesc un schimbătorul de căldură cu plăci, cu două zone de răcire. Acesta prezintă următoarele dimensiuni de gabarit 2040 x 850 x 1965 mm. Prezintă avantajul realizării unui coeficient ridicat de transfer de căldură într-un spaţiu restrâns, fără contact al mustului cu aerul, cu posibilitatea automatizării procesului. După 6-8 săptămâni de funcţionare este necesară o demontare şi curăţire. Există şi sisteme de curăţire în contracurent cu apă rece, detergenţi, apă caldă şi acizi, fără demontare. Dimensiuni de gabarit : 2040 x 850 x 850 mm. Staţia de prelucrarea a drojdiei recuperate Berea obţinută din recuperarea drojdiei este folosită pentru reînsămânţarea mustului de bere introdus în tancurile de fermentare, ea nu poate fi introdusă în tancul de depozitare pentru 24 ore a berii produs finit. Din vasul în care se găseşte depozitată drojdia recuperată poate fi folosită în mai multe feluri. Astfel, ea este folosită pentru o nouă însămânţare (maxim de 10 ori ) sau este procesată prin: • filtrare cu filtru rotativ sub vid, când se obţine drojdia filtrată; • presare când se obţine drojdia presată; • uscare pe valţuri, când se obţine drojdia uscată. În partea desenată a lucrării- planşa nr.9 - este prezentată linia Alfa-Laval pentru recuperarea drojdiei şi a berii antrenate de drojdie.
105
5. UTILITĂŢI FOLOSITE ÎN PROCESUL DE FERMENTARE-MATURARE 5.1. Apa în secţiile fabricii de bere În secţia de fermentare a mustului de bere apa este folosită în cantităţi mari atât ca apă tehnologică la prelucrarea biomasei de drojdie, spălarea utilajelor, cât şi ca apă de răcire a tancului de fermentare, în schimbătorul de căldură cu plăci şi în la răcirea fermentatoarelor din staţia de culturi pure. Apa tehnologică trebuie să îndeplinească condiţiile unei ape potabile. Apa folosită în operaţii fără transfer de căldură, îndeosebi la spălări, sau fără tratare cu dezinfectanţi trebuie să aibă un grad mare de puritate microbiologică. Conţinutul mare de săruri din apă influenţează negativ înmulţirea drojdiei. Apa folosită la prelucrarea drojdiei recuperate, în urma procesului de fermentare, nu trebuie să conţină amoniac, hidrogen sulfurat, conţinutul în oxid de calciu şi oxid de magneziu nu trebuie să depăşească 180-200 mg/ l, iar conţinutul de substanţe organice să fie sub 40-50 mg/l. 106
Apa este supusă şi unui control microbiologic pentru stabilirea conţinutului în germeni dăunătări fermentaţiei : bacterii lactice, drojdii sălbatice, bacterii coliforme etc.În tabelul 5.1 sunt prezentaţi indicatori de calitate a apei pentru prelucrarea drojdiei obţinute de la fermentare. Tabelul 5.1. Indicatori de calitate ai apei folosite la prelucrarea drojdiei Indicatori de calitate Unităţi de măsură Valoarea Reziduu fix mg/ l 500 Substanţe organice mg/ l 40-50 Oxigen mg/ l 50 Oxizi de Ca şi Mg mg/ l 180 Cloruri mg/ l 20-30 Sulfaţi mg/ l 5-15 Amoniu mg/ l absent Hidrogen sulfurat mg/ l absent În ceea ce priveşte apa de răcire, care ocupă o pondere foarte mare în consumul de apă în fabricile de drojdie, aceasta nu trebuie să îndeplinească condiţiile apei potabile. Se cere însă să aibă o temperatură şi o duritate cât mai scăzută. Cu cât temperatura apei de răcire este mai scăzută cu atât este necesar un consum mai mic de apă. Apa cu duritate mare depune piatră pe suprafeţele de schimb de căldură şi micşorează coeficientul de transfer termic de căldură, ceea ce necesită mărirea debitului de apă. . Ca surse de apă se poate utiliza apa de suprafaţă (lacuri, râuri), apa subterană extrasă din puţuri proprii dar şi din reţeaua urbană care respectă condiţiile impuse De obicei, apa necesară industriei alimentare provine de la uzinele de apă, care asigură apă potabilă. Acolo, unde nu este posibil acest lucru, trebuie folosită apă subterană, fie de suprafaţă, care însă, trebuie verificată din punct de vedere sanitar şi tratată înainte de utilizare. La spălarea drojdiei se foloseşte o cantitate însemnată de apă , de asemenea apa se mai foloseşte pentru obţinerea aburului folosit la sterilizare. Apa de răcire, care are o pondere mare la fermentarea mustului de bere nu trebuie să îndeplinească condiţiile unei ape potabile, dar trebuie să îndeplinească următoarele condiţii: să aibă o temperatură cât mai scăzută să aibă o duritatea cât mai scăzută să prezinte un conţinut redus de suspensii (50 – 100 mg /l) conţinutul de substanţe organice să fie max. 15 mg/ l trebuie evitată contaminarea cu microorganisme să nu prezinte germeni patogeni să nu prezinte gust şi miros străin valorile de pH trebuie să se încadreze în limitele de echilibru conform standardelor, pH =6,8 – 8,6 . Tabelul 5.2. Necesarul de apă Etapa procesului tehnologic Consum de apă, l apă/ l bere Răcirea mustului 2-3 Spălarea tancurilor de fermentare 3-5 Instalaţii de răcire 10-15 107
Necesarul de apă tehnologică La realizarea răcirii mustului de bere în schimbătorul de căldură cu plăci se foloseşte 6450 kg /h apă potabilă 9890 kg /h apă răcită . Pentru spălarea tancurilor de fermentare se foloseşte o cantitate de 4l apă/ l bere: Se obţine aproximativ 975 hl de bere /zi. Consumul de apă la spălarea tancului de fermentare va fi de 3900 hl apă/ tanc.
5.2. Aerul tehnologic. Necesarul de aer tehnologic În secţiile de fermentare aerul este folosit în primul rând pentru asigurarea necesarului de oxigen mustului şi al drojdiei în cursul multiplicării drojdiei de însămâţare în staţia de culturi pure . Pentru obţinerea aerului comprimat se folosesc compresoare, suflante de aer, turbosuflante. Această fabrică are în dotare două turbosuflante. Ele trebuie să fie dimensionate încât să poată acoperi necesarul de aer în orele de vârf de consum. Aerul este aspirat din zone cu aer mai curat şi trecut mai întâi printr-un filtru grosier, după care este sterilizat prin trecerea printr-un filtru cu vată şi ulei bactericid. În cazul în care se nu poate purifica întreaga cantitate de aer, este necesar ca cel puţin aerul folosit în culturi pure să fie steril. Asigurarea necesităţii drojdiilor cu oxigenul din aer reprezintă o etapă de consum energetic mare în cadrul procesului de pregătire a suspensiei de drojdie pentru însămânţare care se reflectă, în final asupra avantajelor economice în producţia de bere. De asemenea, asigurarea mustului cu oxigenul din aer, înainte de începerea procesului de fermentaţie este o condiţie importantă pentru o bună fermentare. Prizele de aer trebuie să fie montate la o înălţime de cca. 20 m faţă de nivelul solului, iar aerul, înainte de a fi introdus în mediul de multiplicare a drojdiilor, trebuie să fie trecut prin filtre speciale. Necesarul de aer tehnologic Aerul tehnologic mai este folosit şi în procesul de separare a trubului la rece, când cantitatea de aer insuflat în must variază între 20-50 l / hl must. Am considerat o cantitate de 40 l aer/ hl must : 40 x 979 hl must= 39160 l aer / şarjă. Consumul de aer la această operaţie este de 19580 – 48950 l aer/ şarjă.
108
Pentru aerarea mustului de bere înainte de însămânţare se folosesc cantităţi diferite de aer în funcţie de cantitatea de oxigen care se află deja în must. Limitele cantităţii de aer ce se poate insufla în must sunt cuprinse între 3-10 l aer/ hl must. În cazul de faţă vom considera o valoare medie de 6,5 l / hl must : 6,5 x 975 hl must = 6337,5 l aer/ şarjă de must. Consumul de aer care poate avea loc la aerare este cuprins între 2925 – 9750 l aer/ şarjă.
5.3. Energia electrică Consumul specific de energie electrică creşte cu mărimea gradului de automatizare. La fabricile de bere consumul specific de energie electrică variază între 8,5 –11 kWh /hl, aproximativ 50% se consumă pentru producerea frigului. Consumul de energie electrică este : Pentru producerea frigului ............................................................3 kWh/ hl bere. Pentru producerea aerului.............................................................0,3 kWh/hl bere. Pentru recuperarea şi comprimarea dioxidului de carbon.............0,2 kWh /hl bere. Pentru producerea de aer..............................................................0,5-0,8 kWh /hl bere. Pentru scopuri netehnologice, inclusiv iluminat...........................2,5-5 kWh /hl bere. Pentru curăţire...............................................................................0,2 –0,3 kWh/hl bere. Consumul specific de energie electrică scade cu 50% la unităţile cu o capacitate de 500000 hl/ an, faţă de cele de 100000 hl / an. În ţara noastră consumul specific de energie electrică la fabricile de bere este în mediu de 4,57 kWh/hl bere, fără secţie de îmbuteliere şi fără consumatorii netehnologici. Necesarul de curent electric • Capacitatea anuală este de 200000 hl bere. • Producerea frigului = 3 kWh x 200000 hl bere.= 600 000 kWh/ an. • Producerea aerului= 0,3 x 200000 = 60 000 kWh/ an. • Recuperarea şi comprimarea dioxidului de carbon =0,2 x 200000 = 40000 kWh/ an. • Producerea de aer = 0,65 x 200000 = 130000 kWh/ an. • Scopuri netehnologice, inclusiv iluminat = 3 x 200000= 600000 kWh/ an. • Pentru curăţire 0,25 x 200000 = 50000 kWh/ an. • Necesarul de curent electric = 940 000 kWh/ an Se observă că avem un consum de 4,7 kWh/ hl bere.
5.4. Frigul
109
Component tehnologic indispensabil în fabricarea berii se obţine industrial în instalaţii frigorifice ce absorb căldura de la un mediu cu temperaturi mai scăzute şi o trimit unui mediu cu temperaturi mai ridicate pe baza unui ciclu termodinamic închis (amoniac, freoni, clorură de metil etc.) Transportul „ frigului artificial” la locul de consum se face prin intermediul agenţilor secundari de răcire (soluţie de NaCl, CaCl 2 , alcool). Unităţile producătoare de bere sunt mari consumatori de frig, ceea ce contribuie la creşterea considerabilă a consumului de energie. Consumul specific de frig al secţiilor de bere : Necesarul de frig
Răcirea mustului necesarul de frig a fost calculat conform cu bilanţul termic : Q I = 22307,4 x 103 kj / şarjă Q II =4943,67 x 103 kj / şarjă
Recuperare drojdii necesarul de frig a fost calculat conform cu bilanţul termic Q dj = 26,77 x 103 kj / şarjă. Total fermentare-maturare necesarul de frig a fost calculat conform cu bilanţul termic : Qrăcire = 11531,22 x 103 kj / şarjă
Deci totalul de frig este de 38809,06 x 103 kj / şarjă, necesarul de frig a fost calculat conform cu bilanţul termic şi nu s-a luat în calcul consumul de frig pentru răcirea spaţiului de depozitare a drojdiei şi pentru celelalte încăperi în care răcirea este necesară.
6. PRODUSE SECUNDARE, POSIBILITĂŢI DE VALORIFICARE, RECICLARE, DEPOLUARE A MEDIULUI 6.1. Drojdia de la fermentaţia primară Recuperarea drojdiilor de la fermentaţia primară se realizează în mod diferit, în funcţie de tipul de fermentaţie :superioară sau inferioară. În cazul fermentaţiei superioare drojdiile se vor acumula la suprafaţa berii, în ultima fază a fermentaţiei primare, sub forma unui strat compact care se va recolta înainte ca drojdia să cadă din nou în bere. Recoltarea drojdiilor se poate face o singură dată sau de 2-3 ori, în funcţie de tipul de drojdie folosit şi de tipul de drojdie depus. În cazul linurilor de fermentare deschise, recoltarea drojdiilor se poate face manual, dar există un risc ridicat de infectare a acestora, la fermentatoarele închise recoltarea se face mecanic cu ajutorul : 110
pâlniei („paraşutei”) – drojdia se depozitează la 0-2 ºC, dar nu este indicat să fie folosită la o nouă însămânţare; prin sucţiune –drojdia este colectată într-un tanc pentru păstrarea drojdiei, prevăzut cu serpentină pentru răcire, agitator, termometru, robinet pentru luare de probe, cameră de evacuare. Poate fi folosită la însămânţarea unei noi partide de must. Încăperea în care se depozitează drojdiile trebuie să aibă pardoseala din gresie antiacidă, cu drenaj bun, iar pereţii placaţi în faianţă până la tavan. Camera trebuie să fie prevăzută cu instalaţie pentru sterilizarea apei şi pentru condiţionarea aerului (inclusiv filtru de aer), în cameră trebuie să se realizeze o suprapresiune pentru a preveni intrarea contaminanţilor externi. Prin cameră nu trebuie să treacă conducte de NH3 deoarece eventuale scăpări de NH3 produc autoliza drojdiilor (distrugerea lor). În cazul drojdiilor de fermentaţie inferioară , ele se acumulează la fundul fermentatorului (de regulă cilindro–conic), şi se recoltează numai după ce berea din fermentator a fost trecută la fermentaţia secundară. La folosirea fermentatoarelor deschise (linuri de fermentare), drojdia acumulată la fundul linului se stratifică în 3 straturi: stratul inferior, care este îndepărtat deoarece conţine mult trub şi celule de drojdii moarte; stratul de mijloc, care conţine drojdii foarte active şi care este folosit pentru reînsămânţare, deoarece drojdiile au caracteristici optime de atenuare şi floculare; stratul superior, care nu se foloseşte pentru reînsămânţare, deoarece conţine drojdii tinere nedezvoltate, bacterii şi trub fin. În cazul tancurilor orizontale recuperarea drojdiilor se face prin gravitaţie sau prin centrifugarea porţiunii de la fundul tancului, ultima fiind mai avantajoasă. Recoltarea drojdiei din tancul cilindro-conic se face, fie după terminarea fermentaţiei primare , fie la sfârşitul procesului de fermentare-maturare, prin gravitaţie şi este condusă tot în tancurile de păstrare din camerele răcite , ca şi în cazul precedent, putând fi utilizate pentru reînsămânţarea unei noi partide de must. Recoltarea drojdiilor se face în cantitate de 2-3 ori, sau chiar de mai multe ori, atât în cazul tancurilor clasice cât şi al tancurilor cilindro-conice . În planşa nr. 9. din partea desenată a lucrării este prezentată schematic linia Alfa -Laval pentru recuperarea drojdiei şi a berii antrenate de drojdie. Totodată sunt prezentate şi modurile de prelucrare a excesului de drojdie. Drojdiile recuperate pot fi folosite pentru reînsămânţare sau în alte scopuri. Dacă drojdiile recuperate se utilizează pentru reînsămânţare, acestea, după separarea berii antrenate prin spălare şi sitare, pot fi folosite în intervalul de 2-3 ore fără a fi răcite. Înainte de folosire ele sunt activate prin aerare. În intervalul de păstrare (2-3 ore), drojdiile se păstrează sub apă sterilă, sub bere etc. Pentru păstrarea mai îndelungată, drojdia colectată, spălată şi sitată, se păstrează în soluţie de zaharoză 10%, sau se lasă să fermenteze un must normal la temperatura de 2-3ºC, sau se menţine sub bere la 0ºC. Drojdiile recuperate pot fi folosite pentru reînsămânţări cel mult 8-10 generaţii, deoarece degenerează, înrăutăţindu-şi însuşirile, după care fiind necesară înlocuirea ei cu noi culturi. Aceasta se realizează treptat, efectuându-se înmulţirea culturilor în prima etapă în laborator şi apoi în staţia de culturi pure a fabricii. Surplusul de drojdie recuperată poate fi folosit în următoarele scopuri: • ca furaj sub formă de cremă, 111
• • • • • • • •
utilizare în alimentaţia umană sun formă de extracte proteice, în medicină având acţiuni curative şi fortifiante, ca material de start la obţinerea unor hidrolizate, obţinerea de extracte, obţinerea de concentrate vitaminice, obţinerea aromatizanţilor, obţinerea invertazei, pentru obţinerea de melasă etc.
Cantitatea de drojdie obţinută în urma procesului de fermentare-maturare este, conform bilanţului de materiale întocmit, de : Dj rec = (2 ÷ 4) ⋅ Dji Djrec = drojdia recuperată după fermentarea primară Dji = cantitatea de drojdie iniţială folosită la însămânţare, 0,5- 1l /hl must Dj rec = 3 ⋅ Dji Djrec = 3 ⋅1014,2 = 3042,6 kg /şarjă Se observă că drojdia rezultată din procesul de fermentare depăşeşte necesarul pentru o nouă şarjă de 3 ori. Dozele necesare pentru refolosire sunt de circa 1 l suspensie groasă de drojdie / hl must. Drojdia destinată reutilizării trebuie purificată prin cernere cu site vibratoare din ţesături de materiale inoxidabile cu ochiuri de 0,4-0,5 mm, spălată cu apă rece de 450C pentru eliminarea impurităţilor mecanice şi păstrată în recipiente răcite până la reutilizare. Excedentul de drojdie se valorifică prin presare şi uscare pe valţuri la temperaturi de 200 0C, încălzirea valţurilor se face cu abur. Uscarea pe valţuri un procedeu de conservare a drojdiei. Drojdia astfel obţinută este utilizată în scopuri furajere. Drojdia destinată produselor farmaceutice şi pentru scopuri alimentare este uscată în instalaţii ce funcţionează pe principiul pulverizării.
6.2. Dioxidul de carbon În timpul fermentării mustului de bere se degajă CO 2 , care antrenează şi cantităţi mici de alcool, produse secundare de fermentaţie cât şi apă din must . Cantitatea recuperabilă de CO2 depinde de materia primă folosită (mustul de bere), procesul tehnologic aplicat şi mărimea tancurilor de fermentare. Astfel, la fermentarea mustului de bere în tancuri cilindro-conice se obţine 3943,74 kg CO 2 /şarjă. Dioxidul de carbon poate fi prelucrat în următoarele moduri : • Prin purificare, comprimare şi eventual lichefiere pentru fabricarea băuturilor răcoritoare carbogazoase şi în alte industrii. • Pentru fabricarea carbonatului de calciu sau a carbonatului de amoniu. • Utilizat, în secţia de fermentare, ca mediu de presiune pentru transvazarea berii în recipientele de alimentare , de îmbuteliere, la formarea contrapresiunii şi pentru impregnarea berii.
112
Practic, fabricile moderne consumă circa ¼ din bioxidul de carbon recuperat în cadrul unităţii, iar restul se comercializează, ceea ce reprezintă circa 1 kg CO 2 / hl bere. În primele 24 ore ale fermentării primare are loc o degajare lentă de dioxid de carbon amestecat cu cantităţi mari de aer şi de subproduse ale procesului de fermentare ce au un miros neplăcut. În consecinţă, nu este indicată recuperarea acestuia. Dintre instalaţiile folosite pentru purificarea şi comprimarea CO 2 se citează cele de tipul CB, Linde, Mitsubishi şi Nuovo Pignone. Dioxidul de carbon lichid trebuie să aibă o puritate de minimum 98%, să conţină maximum 0,1% apă, să nu conţină urme de ulei şi alte gaze şi să nu prezinte mirosuri străine. El se livrează în butelii speciale din oţel cu capacitate de încărcare de 10 şi 20 kg, rezistente la presiune ridicată până la 100 at. Dioxidul de carbon se mai foloseşte şi în industria cărnii pentru asomarea porcilor, la fabricarea gheţii carbonice ( prin evaporarea dioxidului de carbon lichid în aparate speciale, când are loc o răcire puternică şi solidificarea la temperatura de -78,9 0 C), care se utilizează la transportul alimentelor cu perisabilitate ridicată, în industria metalurgică la turnarea metalelor, în industria constructoare de maşini la sudura în atmosferă de CO2 , în medicină, în cercetare etc. Carbonatul de calciu se obţine folosind ca materie primă varul şi CO 2 –ul rezultat de la fermentare. Carbonatul de amoniu se obţine în urma reacţiei dintre CO 2 şi NH3. Acesta se foloseşte ca adaos la furajarea animalelor, în cazul hranei sărace în proteine, având un coeficient ridicat de asimilare de circa 80%. Cantitatea de CO2 degajată, calculată prin bilanţul de materiale teoretic din capitolul 3 , ţinând cont că berea fermentată conţine 5,2 g CO 2 / l. M CO2 = M CO2 total - M CO2 diz 1 l must .................... 5,2 g CO2 97800 l must............ M CO2 diz M CO2 diz =5,2 x 97800 = 508,56 kg CO2 /şarjă M CO2 =4452,3 – 508,56 M CO2 = 3943,74 kg CO2 /şarjă În partea desenată a lucrării este prezentat schematic instalaţia pentru recuperarea dioxidului de carbon şi staţia de comprimare a acestuia – planşa nr. 10.
113
7. SCHEMA DE CONTROL PE FAZE DE FABRICAŢIE. POSIBILITĂŢI DE REGLARE, AUTOMATIZARE A PROCESULUI TEHNOLOGIC DE FERMENTARE FAZA PROCESU-LUI TEHNOLOGIC
PARAMETRII DE CALITATE VERIFICAŢI
PERIODICITATE
METODE DE CONTROL
APARATURA FOLOSITĂ
CINE EXECUTĂ CONTROLUL
MOD DE MARCARE, DOCUMENT ÎNTOCMIT
Recepţia calitativă a materiei prime şi auxiliare 1.Must de bere 12%
aspect, culoare, miros, gust ; vâscozitate conţinutul de trub La fiecare azot total solubil şarjă azot α- aminic polifenoli şi substanţe amare glucide nefermentescibile zahăr invertit; aminoacizi totali; ioni de Ca conţinutul de O2 temperatura extractul primitiv
Fişă de control
cf. STAS
114
refractometru 1 ing. chimist 1 laborant polarimetru hârtie de pH 1 microbiolog analiză chimică microscop
2. Tulpinile de drojdie
3. Substanţe nutritive
analize microbiologice aspect microscopic, drojdii moarte, drojdii străine puritate conţinut în azot conţinut în P2O5 umiditate
La lot
La lot
fiecare cf. STAS
fiecare cf. STAS
analiză chimică examen microscop
1 laborant
analiză chimică
1 laborant
Fişă de control
Fişă de control
Control pe faze de fabricaţie 1. Separarea trubului la cald
Temperatura Claritate
La şarjă
2. Răcirea mustului de bere
Claritate Temperatură
La şarjă
Temperatură Claritate
La şarjă
Temperatură Concentraţia de oxigen pH debit aer control microscop
La şarjă
3. Separarea trubului la rece 4. Aerarea mustului
fiecare cf. instrucţiuni Examen tehnolog vizual Termometru fiecare cf. instrucţiuni Examen tehnolog vizual Termometru fiecare cf. instrucţiuni Examen tehnolog vizual Termometru fiecare cf. instrucţiuni tehnolog termometru hârtie pH
115
1 laborant Fişă de control 1 laborant Fişă de control 1 laborant Fişă de control 1 laborant
Fişă de control
5.Laboratorul pentru culturi
6. Staţia de culturi pure
7. Drojdia de însămânţare
ic Izolarea de celule de drojdie individuale. Păstrarea celulelor izolat. Înmulţirea culturii. Verificarea tehnologicobiologică.
Puritatea drojdiei şi controlul mersului multiplicării
Fiecare tanc
Fiecare cultură
Evidenţa numărului de generaţii Control microscopic
Fiecare tanc
Determinare procentului de celule moarte
Fiecare tanc
Fiecare tanc
c.f. instrucţiuni tehnologice, biologice
c.f. instrucţiuni tehnologice, biologice
c.f. instrucţiuni tehnologice, biologice c.f instrucţiuni tehnologice, biologice c.f instrucţiunilor biologice 116
Microscop Vase Carlsberg Eprubete Termometru
Microbiolog
Registru laborator
Sterilizator . Prefermentat or. Fermentator Lanternă pentru luare de probe. Termometru Microscop . Microscop
Microbiolog
Registru laborator
Maistru şi microbiolog
Fişă tehnologică
Microscop
Maistru şi microbiolog
Registru laborator
Microscop
Microbiolog
Registru laborator
8. Fermentarea primară
Determinarea capacităţii de respiraţie a drojdiei
Un tanc pe săptămână
Microscop
Microbiolog
Registru laborator
Temperatura
De două ori pe zi pe tanc c.f instrucţiuni ( dimineaţa şi tehnologice seara )
Termometru
Maistru şi CTC-ist
Fişă tehnologică
Extract Aspectul mustului
Zilnic pe tanc
c.f instrucţiuni tehnologice
Zaharometru
Maistru şi CTC-ist
Fişa tehnologică
În ultimele 4 zile ale procesului: Alcooli superiori. Dicetone vicinale.
Instrucţiuni tehnologice
Zaharometru
CTC-ist şi un laborant
Fişă tehnologică
Instrucţiuni tehnologice
Analiză organoleptic ă Analiză chimică
CTC-ist şi un laborant
Fişă tehnologică
Grad de maturare
9. Maturarea berii
c.f instrucţiunilor biologice
Conţinutul în CO2 Temperatura Culoare Limpiditate Gust Spumare pH-ul Grad final de fermentare
În ultimele 4 zile ale procesului, pentru a realiza eventuale corecţii.
117
Control produs finit – bere blondă 12%
9. Bere maturată nefiltrată
10. Bere filtrată
Conţinutul de celule de drojdie. Turbulenţa Vâscozitate Analize organoleptice. Conţinutul de celule de drojdie. Conţinutul de oxigen. Turbulenţa Analize organoleptice.
După terminarea procesului de maturare.
cf. instrucţiuni tehnolog
Analiză chimică. Microscop
CTC-ist şi un laborant
Fişă tehnologică
După terminarea procesului de filtrare.
cf. instrucţiuni tehnolog
Analiză chimică. Microscop
CTC-ist şi un laborant
Fişă tehnologică
118
8. AMPLASAMENT ŞI PLAN GENERAL Fabrica este amplasată în localitatea Bacău. Clădirea prezintă 4 nivele : demisol, parter, etajul 1 şi 2 . La demisol se găseşte amplasată camera de prelucrare şi depozitare a drojdiei recuperate din procesul tehnologic, aici are loc totodată recuperarea mustului antrenat de drojdii, iar pe partea opusă se găsesc amplasate vestiarele, sala de mese, grupurile sociale şi duşurile pentru femei , respectiv pentru bărbaţi. La parter este amplasată sala de separare a trubului (la cald şi la rece) şi răcire a mustului, de aici mustul este transportat la tancurile cilindro-conice situate în afara secţiei. Tot aici pe partea opusă a sălii de separare a trubului este sala de filtrare şi îmbuteliere a berii, după ce a fost, în prealabil, depozitată timp de 24 ore într- unul din cele două tancuri speciale. La etajul 1, deasupra sălii de răcire, se găseşte laboratorul pentru culturi şi staţia de culturi pure. Pe partea opusă este o sală în care se găsesc bateria de curăţire, filtrul de uscare de la secţia de comprimare a dioxidului de carbon, precum şi dispozitivele de regenerare a filtrelor. La etajul 2 este amplasată sala în care are loc recuperarea instalaţia pentru recuperarea şi comprimarea dioxidului de carbon, care se continuă la etajul 1. Pe partea opusă este amplasată secţia pentru prepararea soluţiilor de spălare a utilajelor. În cadrul sălilor de producţie , din interiorul clădirii, se respectă următoarele reguli de amplasare : între utilaje/ instalaţii şi perete se lasă o distanţă de 1,5 m; între utilaje sau instalaţii se lasă o distanţă de 1m; holul este de 1 m. Caracteristici ale pereţilor clădirii : • planşeul 25 cm • zidul 40 cm • pardoseala 50 cm. Structura plafonului, pentru ultimul etaj, este formată din mai multe straturi, dispuse în următoarea ordine de la exterior spre interiorul clădirii: strat de uzură, placă de beton armat, strat de tencuială, strat de izolaţie, plasă de rabiţi strat de tencuială. Structura peretelui este formată din următoarele straturi : strat de tencuială, placă de beton armat, strat de izolaţie, plasă de rabiţi strat de tencuială. Pardoseala la parter are următoarele straturi ordinea de sus în jos este : strat de uzură, placă de beton armat, strat de izolaţie, plasă de sârmă de oţel, placă de beton armat, strat de balast şi strat de pământ compact. Recipientele pentru fermentare –maturare sunt amplasate sub cerul liber deoarece capacitatea tancului de fermentare este 1250 hl, diametrul de 4 m şi înălţimea de 11,804 m. Tancurile de fermentare sunt susţinute cu suport inelar ce prelungeşte partea cilindrică. Tancurile sunt dispuse faţă în faţă, pe 4 rânduri, câte 5 tancuri pe rând. Între rânduri se lasă un culoar de deservire, cu o lăţime de maxim 1,5 m, iar între rândul de tancuri şi celelalte construcţii (gard de protecţie) se lasă o distanţă cuprinsă între 119
1 – 2 m. Pe culoarul dintre tancuri, care nu este acoperit, se montează pompele folosite pentru alimentarea / evacuarea materiilor prime şi auxiliare lichide sau în stare de soluţii, suspensie etc., armăturile şi conductele de transport, conductele pentru curăţiredezinfecţie -sterilizare. Planul de amplasare este prezentat în partea desenată a proiectului – planşa nr.4.
120
9. NORME DE PROTECŢIA MUNCII ŞI PSI 9.1. Măsuri de protecţia muncii în secţia de fermentare a berii Protecţia muncitorilor contra pericolelor ce există în secţiile fabricilor de producere a berii trebuie să fie o preocupare permanentă a organelor competente, în ţara noastră protecţia muncii fiind o problemă de stat. În acest scop se iau o serie de măsuri de prevenire a accidentelor ca de exemplu: Legarea la pământ a motoarelor electrice şi utilajelor pe care aceste le deservesc; Afişarea de instrucţiuni la toate utilajele şi instalaţiile privind deservirea acestora; afişarea de panouri sugestive; asigurarea organelor în mişcare cu apărători şi dispozitive de protecţie; revizuirea cu regularitate a utilajelor la termenele prescrise; asigurarea condiţiilor de microclimat în sălile de fabricaţie şi controlul permanent al parametrilor specifici fiecărui loc de muncă; instruirea periodică a tuturor muncitorilor; folosirea obligatorie a echipamentului de protecţie şi de lucru stabilit prin norme. În secţia de fermentare , datorită naturii procesului tehnologic, este necesar să se asigure condiţiile de protecţie contra infecţiilor şi să se respecte riguros normativele şi instrucţiunile de igienă. Astfel, utilajele, instalaţiile şi încăperile se vor menţine în perfectă curăţenie, respectându-se în acelaşi timp şi normelor de igienă personală pentru personalul de deservire. În ceea ce priveşte recipientele şi instalaţiile care ajung în contact cu materiile prime şi produsul finit, acestea se vor supune operaţiilor de spălare şi dezinfectare cu apă, formalină, clorură de var şi detergenţi precum şi sterilizarea cu abur . În cursul exploatării, vor fi respectate toate normele sanitare pentru produsele alimentare, normele şi normativele în vigoare privind protecţia muncii, prevenirea şi stingerea incendiilor precum şi instrucţiunile de protecţia muncii din cărţile tehnice ale utilajelor. Recoltarea probelor de materie din mijloacele de transport sau din locurile de depozitare se face numai de către personal cu atribuţii în acest scop, instruit special şi dotat cu echipament individual de protecţie adecvat. În locurile de muncă cu pericol de explozii şi incendii se vor afişa indicatoare de avertizare sau interdicţie în ceea ce priveşte utilizarea surselor cu foc deschis. Înainte de începerea lucrărilor de curăţire, spălare şi sterilizare a cazanelor de fierbere se vor lua măsuri de scoatere din funcţiune a agitatoarelor de omogenizare a amestecului şi blocarea alimentării cu abur şi apă a cazanelor. Se va verifica în permanenţă funcţionalitatea instalaţiilor de captare a dioxidului de carbon din spaţiile de fermentare a berii. La folosirea soluţiilor necesare pentru spălarea şi sterilizarea tancului de fermentare a mustului de bere se va verifica funcţionalitatea instalaţiilor de ventilaţie precum şi dotarea şi utilizarea de către lucrători a echipamentului de protecţie corespunzător. La instalaţiile sub presiune(de exemplu: recuperatoare de căldură, conducte de abur, armături şi baterii de încălzire, sterilizatoare) este interzisă orice intervenţie când acestea sunt sub presiune . 121
Zilnic se va verifica funcţionalitatea instalaţiilor de ventilare în spaţiile în care sunt amplasate instalaţiile de fermentare a mustului precum şi în încăperile în care au loc operaţiile de smolire a tancurilor şi linurilor de bere. Operaţiile de smolire( mamutizare) a tancurilor şi linurilor de bere se vor face numai pe baza unui program de lucru în care să se stabilească procedeele şi metodele nepericuloase de lucru, asigurându-se coordonarea şi supravegherea permanentă şi competentă. Ori de câte ori se constată neetanşeităţi la linurile şi tancurile de bere sau deteriorări de conducte şi furtunuri se opreşte lucrul luându-se măsurile corespunzătoare de remediere. Accesul în linuri, după golirea berii şi respectiv a drojdiei este permis numai după ce s-a constatat lipsa dioxidului de carbon, asigurându-se supraveghere competentă. Protecţia muncii în staţia de culturi pure Instalaţia este prevăzută cu agitatoare şi conducte de aer steril, de aceea trebuie avut grijă la punerea în funcţiune al acestora. Trebuie avut grijă să se lucreze cu abur sub presiune corespunzătoare pentru a se asigura sterilizarea. Nu este permisă funcţionarea decât cu aer steril şi cu o cantitate suficientă de oxigen necesară multiplicării. Măsurile de protecţie a muncii la fermentare Datorită degajării bioxidului de carbon, care în proporţii de 7 – 10% poate avea acţiune mortală, în secţia de fermentare primară şi secundară trebuie să se ia măsuri speciale de protecţie a muncii dintre care se pot menţiona următoarele: Pentru îndepărtarea bioxidului de carbon degajat , încăperile destinate fermentaţiei trebuie să aibă o ventilaţie naturală şi mecanică; Curăţirea şi spălarea linurilor şi tancurilor se va face numai după ce au fost bine aerisite (prin ventilaţie forţată), pentru a se îndepărta bioxidul de carbon; Coborârea muncitorilor în linuri şi tancuri se va face numai cu mască şi tub flexibil, cu aducţie de aer din exterior, cu centură şi frânghie de siguranţă, ţinută în exterior de 1 – 2 muncitori instruiţi, numai după ce se va constata lipsa dioxidului de carbon prin proba cu flacără; Pentru coborârea în linuri se vor folosi numai scări speciale, asigurate cu ghidare la partea superioară, care vor fi prinse de marginea linului; Pentru iluminarea interioară a tancurilor se vor folosi numai lămpi portative cu transformatori de 12 – 24 volţi şi prevăzute cu grile metalice de protecţie; Instalaţiile electrice din secţiile de fermentare trebuie să fie executate conform normativului, pentru instalaţiile electrice până la 1000 volţi, pentru încăperi cu umiditate mai mare şi degajări de gaze; În timpul operaţiei de izolare şi reparare a tancurilor de bere cu răşini epoxidice, produse inflamabile şi toxice, se vor lua măsuri speciale de protecţie prin utilizarea instalaţiilor de ventilaţie şi dotarea cu echipament de protecţie corespunzător; La folosirea detergenţilor şi dezinfectanţilor trebuie să se ţină seama de măsurile de protecţie deja menţionate. În afara regulilor generale de protecţie a muncii care trebuie respectate, pentru prevenirea accidentelor sunt necesare următoarele măsuri:
122
ventilarea naturală şi artificială de aşa natură, încât să îndepărteze umiditatea excesivă din aer şi prezenţa cantităţilor mici de vapori toxici care s-ar putea degaja. Pentru a se pune la dispoziţia consumatorilor alimente lipsite de nocivitate şi cu valoare nutritivă superioară, viitori lucrători în industria alimentară trebuie să cunoască şi să aplice toate măsurile de igienă, spălare şi dezinfecţie a spaţiilor tehnologice, utilajelor, ambalajelor, cât şi de igiena personalului din industria alimentară, depinde valoarea igienico sanitară a alimentelor. Amplasarea întreprinderii trebuie făcută la distanţă de artera principală de circulaţie şi de orice unitate industrială poluantă. În jurul ei trebuie creată o zonă de protecţie prin amenajarea de spaţii verzi. Ventilaţia, care urmăreşte crearea unui microclimat corespunzător necesităţilor tehnologice pe cale naturală, artificială sau mixt
9.2. Organizarea pazei contra incendiilor Pe lângă măsurile de protecţia muncii luate, pentru a asigura integritatea şi sănătatea muncitorilor, se mai iau şi o serie de măsuri de prevenire şi combatere a incendiilor, care pot provoca pagube materiale considerabile. Obligativitatea organizării pazei contra incendiilor este stabilită prin lege, fiecare întreprindere având sarcina de a aplica instrucţiunile în vigoare de prevenirea izbucnirii şi dezvoltării incendiilor în timpul exploatării construcţiilor, instalaţiilor şi depozitelor. Paza contra incendiilor este structurată astfel: comisia tehnică P.C.I. formaţia de P.C.I. echipe P.C.I. organizate la locul de muncă. În practică, stingerea incendiilor se realizează prin: folosirea unui jet continuu de apă, folosirea nisipului, folosirea stingătoarelor manuale cu spumă chimică, , cu praf şi CO 2 , cu CO2 etc. Ţinând cont de pericolul mare pe care il constituie incendiile, fiecare muncitor este dator ca la locul de muncă să respecte cu stricteţe regulile regimului general de prevenire a incendiilor pe timpul lucrului, să nu lase la plecare vreo defecţiune care să poată provoca incendiu, să semnalizeze înlocuitorului său eventuale pericole, iar la nevoie să ştie cum să acţioneze cu mijloacele aflate la îndemână pentru stingerea oricărui început de incendiu.
10. INDICATORI ECONOMICI 123
10.1. Estimarea valorii clădirii şi a activelor secţiei de fermentare - maturare Se are în vedere: ►suprafaţa construită (clădirea, secţia) ►utilaje care necesită montaj ►utilaje fără montaj ► se are în vedere valoarea de intrare (inventar) pentru utilaje Utilajele se amplasează odată cu construcţia clădirii. •
Valoarea suprafeţei construite
Preţul pe m2 suprafaţa (investiţia pentru clădire) = 5.500.000 lei
Nr. crt.
Tabelul 10.1. Dimensiunile spaţiilor de producţie Suprafaţa construită Destinaţia spaţiului m2
1
Sală răcire şi separare trub grosier
200
2
Laborator pentru drojdii
60
3
Staţia de culturi pure
95
4.
Staţia de captate şi procesare a CO2
180
5
Birouri, holuri, depozite, grupuri sociale
3465
Total 4000 m2 Valoare suprafaţă construită este: 4000 x 5500000 = 22 000 000 000 lei Mai trebuie ţinut cont de suprafaţa cu tancuri de fermentare 650 m2 unde preţul este de 4 000 000 lei / m2 , putem spune că preţul platformei cu tancurile de fermentare este de : 650 x 5000000 = 3 250 000 000 lei Valoare suprafaţă totală: 22 000 000 000 +3 250 000 000 = 25 250 000 000 lei
•
Valoare utilaje 124
Tabelul 10.2. Utilaje care necesită montaj Necesar Nr. Crt
Preţ de fabricaţie sau de producţie
Masă tone
Denumirea utilajului U.M.
Nr. buc
Unit
Tot.
Firma furnizoar e
Unitar (X 1000 lei)
Total (X 1000 lei)
1.
Rotapool
Buc.
1
4,5
4,5
12500
12500
F.P.U.C.M. (Bucuresti)
2.
Tanc flotaţie
Buc.
1
4
4
11260
11260
F.P.U.C.M. (Bucuresti)
Buc.
1
3,5
3,5
16596
16596
Tehnofrig Cluj
Buc
20
54
971,4 6
110889
2217784
IMC. Constanţa
Buc.
5
0,65
3,25
17190
85950
Tehnoutilaj Odorhei
Răcitor cu plăci Tanc de fermentare
3 4
Răcitor de aer
5
Total 2 344 086 000
Tabelul 10.3. Utilaje care nu necesită montaj Nr crt
Nece sar
Denumire a utilajului
UM
1 2
Utilaj laborator Mobilier, vestiar, birouri
Masă (tone)
Nr. buc
Unit
Tot.
Preţ de fabricaţie (X 1000 lei) Unitar Total
Firma furnizoare
Bc
-
-
8,7
155000
155000
IMF: Bucureşti
Bc.
-
-
2,87
87000
87000
11 Iunie Galaţi
Total 242 000 000
10.2. Stabilirea necesarului anual de materii prime, materiale şi utilităţi Secţia lucrează în regim continuu – toate lunile anului. Zile calendaristice: 365 zile Zile nelucrătoare (zile de duminică, sărbătorile legale, zile pentru revizie): 84 zile. Zile lucrătoare: 365 –84= 281 zile lucrătoare Programul de producţie medie este de 711,74 hl /zi . 125
Programul de producţie anual este: 711,74 ּ281 = 200.000 hl/an Producţia pe trimestrul de vârf ( 35%)= 897,43 hl/ zi pentru trimestrul II şi III Tabelul 10.4. Trim.
Luna
I
Ianuarie Februarie Martie
Total I Aprilie Mai Iunie
II Total II
Iulie August Septembrie
III Total III
Octombrie Noiembrie Decembrie
IV Total IV TOTAL
Program de producţie Nr. de zile Producţia UM lucrătoare Zilnică Totală hl 25 495 12375 Rezervat pentru revizie tehnică hl 26 495 12870 51 990 25245 hl 25 897,435 22435,875 hl 25 897,435 22435,875 hl 26 897,435 23333,31 76 2692,305 68205,06 hl 26 897,435 23333,31 hl 26 897,435 23333,31 hl 26 897,435 23333,31 78 2692,305 69999,93 hl 26 495 12870 hl 26 495 12870 hl 24 495 11880 74 1485 37620 hl 281 711,74 200.000
Tabelul 10.5. Necesarul de materii prime Nr. crt 1 2
Denumire materie primă
Consum total anual
Must de bere
220 000 hl
Drojdie
95000 Kg
Preţ de achiziţie Unitar lei 7000
Total 1 540 000
8500
807 500
(X1000 lei)
Total ( X 1000 lei) 2 347 500
Tabelul 10.6. 126
Necesarul de materiale, combustibil, energie Nr. crt
Denumire material
Preţ de achiziţie
Consum total anual
1
Energie electrică
1 800 000 kW
Unitar lei 4000
2
Apă de răcire
16 340 000 m3
7000
114 380 000
3
Apă tehnologică
112400 m3
9000
1 011 600
Total (X 1000 lei)
Total (X 1000 lei)
7 200 000
122 591 600
10.3 Stabilirea necesarului de forţă de muncă Tabelul 10.7. Etapa tehnologică ,Recepţie materie primă Separare trub şi răcire Fermentare maturare Laborator
Personal direct productiv Necesar Retribuţie Sporuri personal lunară 3 3 500 000 560 000 3
3 500 000
560 000
6 4 000 000 800 000 3 4 000 000 800 000 Total (x 1000 lei) 810 000
Retribuţie anuală (X 1000 lei)
146 160 146.60 345 600 172 800
Tabelul 10.8. Etapa tehnologică Electrician Mecanic Curăţenie
Personal de întreţinere Necesar Retribuţie Sporuri personal lunară 3 3 200 000 640 000 3 3 000 000 600 000 3 2 800 000 560 000 Total (X 1000 lei) 388 800
Retribuţie anuală 146 160 000 129 600 000 120 960 000
Tabelul 10.9. Personal TESA Etapa tehnologică
Necesar
Retribuţie 127
Sporuri
Retribuţie anuală
Şef secţie Maistru Contabil
(X 1000 lei)
personal lunară 3 5 000 000 900 000 3 4 000 000 720 000 2 3 800 000 702 000 Total ( x 1000 lei) 351 168
212 400 169 920 110448
Regimul de lucru al fabricii se realizează în trei schimburi a 13 muncitori/schimb. Fondul de salarii este: 810 720 000 + 388 800 000 + 351 168 000 = 1 550 688 000 lei
10.4. Calculul fondului de investiţie Se fac notaţiile PA1 - preţul de achiziţie a utilajelor ce necesită montaj PA2 - preţul de achiziţie a utilajelor ce nu necesită montaj PA - preţul de achiziţie a utilajelor CT –costul de transport, este 5% din PA CM – costul de montaj , este 10% din PA VI – valoare investiţie PA1 = 2 344 086 000 lei PA2 =242 000 000 lei PA = PA1 +PA2 = 2 344 086 000 + 242 000 000 = 2 586 086 000 lei CT = 5%ּ2 586 086 000 = 129 304 300 lei CM = 10%ּ2 586 086 000 = 258 608 600 lei VI = PA + CT + CM = 2586086000 + 129304300 + 258608600 VI= 2 973 998 900 lei Tabelul 10.10. Fondul de investiţii Destinaţia fondului Valoare clădire Valoarea preţului de achiziţie a utilajelor ce necesită montaj TOTAL FONDURI FIXE Valoarea preţului de achiziţie a utilajelor ce nu necesită montaj Costul de transport Costul de montaj TOTAL FONDURI DE INVESTIŢII
Lei 25 250 000 000 2 344 086 000 27 594 086 000 242 000 000 129 304 300 258 608 600 1 001217 200
10.5. Calculul amortizării mijloacelor fixe
128
Calculul amortizării mijloacelor fixe se face astfel: Valoarea amortizării /an =
VMF DS
unde: VMF- valoare mijloace fixe DS- durată de serviciu Tabelul 10.11. Destinaţia
Valoare (X 1000 lei)
Construcţii Maşini şi utilaje Alte mijloace fixe
25 250 000 2 344 086 242 000
Valoarea amortizării Durata Valoarea de amortizării /an serviciu 50 505 000 000 20 102.832.662 5 48 400 000
Valoarea amortizării / lună 42 083334 117 204 300 4 033 334
Total cheltuieli de amortizare 670 604 300
10.6. Cheltuieli generale ale secţiei Tabelul 10.12. Cheltuieli generale ale secţiei de fermentare- maturare Destinaţia Valoarea Materii prime 2 347 500 000 Utilităţi 122 591 600 000 Amortizare 670 604 300 Total cheltuieli materiale 125 609 704 300 Fond salarii 1 550 688 000 CAS(35%) 542 740 800 Fond ajutor de şomaj 15 506 800 Fond protecţie socială (5%) 72 882 340 Fond sănătate(7%) 108 548 160 Pensii(5%) 77 534 400 Fond risc(2%) 31 013 760 Total cheltuieli muncă vie 2 298 914 240 Total costuri 127 908 618 540
10.7. Calculul costului unitar al berii produsului finit 129
Tabelul 10.13. Costul berii- produs finit Destinaţie Valoare producţie Lei /litru Total cheltuieli materiale 125 609 704 300 6280 Total cheltuieli muncă vie 2 298 914 240 115 Cost de producţie 127 908 618 540 6395 Cheltuieli generale de 805 035 000 40 administraţie Cost complet 128 713 653 540 6435 Profit brut (10% din cost complet) 12871365354 644 Preţ vânzare 141 585 018 894 7079 TVA (19%) 26 901 153 590 1345 Preţ vânzare + TVA 168 486 172 484 8424
130
BIBLIOGRAFIE 1. Amarfi, R. 2001- Examene. Operaţii unitare în industria alimentară, vol.I, Editura Pax aura Mundi, Galaţi. 2. Anghel , I., et. al. 1989 – Biologia şi tehnologia drojdiilor, vol. I, Editura Tehnică, Bucureşti 3. Bahrim,G.,1999 – Microbiologie tehnicã, Editura Evrika, Brãila 4. Banu , C., et. al., 1993 – Progrese tehnice, tehnologice şi ştiinţifice în industria alimentarã, vol. II, Editura Tehnică, Bucureşti 5. Banu , C., et. al. 1998 – Manualul inginerului de industrie alimentarã, vol.I, Editura Tehnică, Bucureşti 6. Banu , C., et. al., 1999– Manualul inginerului de industrie alimentarã, vol.II, Editura Tehnică, Bucureşti 7. Banu , C., et. al., 2000 – Biotehnologii în industria alimentarã, Editura Tehnică, Bucureşti 8. Banu , C., et. al., - Aditivi şi ingrediente pentru industria alimentarã, Editura Tehnică, Bucureşti 9. Banu , C., et. al., 2000 - Tratat de ştiinţa şi tehnologia malţului şi a berii, vol I, Editura AGIR, Bucureşti 10. Banu, C. 2001- Tratat de ştiinţa şi tehnologia malţului şi a berii, vol II, Editura AGIR, Bucureşti 11. Berzescu, P. et. al. 1981– Tehnologia berii şi a malţului, Editura Ceres, Bucureşti. 12. Berzescu, P. ş. a. 1985– Utilaje şi instalaţii în industria berii şi a malţului, Editura Ceres, Bucureşti. 13. Cojocaru , C., 1972 – Tehnologia fabricării malţului şi a berii, Editura Didactică şi Pedagogică, Bucureşti. 14. Cojocaru , C., 1969 – Procedee tehnologice de industrie fermentativă, Editura Tehnică, Bucureşti 15. Dabija, A., 2000 – Biotehnologii de fabricare industrială a drojdiei cu activitate enzimatică superioară , Teză de doctorat , Universitatea din Galaţi 16. Dabija, A., 2001 – Drojdia de panificaţie. Utilizări – perspective, Editura Tehnică – INFO, Chişinău 17. Dabija, A., 2002 – Tehnologii şi utilaje în industria alimentarã fermentativă, Editura Alma Mater, Bacău 18. Dan , V., 1999 – Controlul microbiologic al produselor alimentare, Universitatea Galaţi 19. Dan , V., et. al., 1995 – Memorator drojdii, Universitatea din Galaţi 20. Dan , V., 2001 – Microbiologia alimentelor , Editura Alma , Galaţi 21. Dan , V., 1991 – Controlul microbilogic al produselor alimentare, Universitatea din Galaţi 22. Dumitrescu, H., et. al. 1997- Controlul fizico-chimic al alimentelor, Editura Medicală, Bucureşti. 23. Ioancea ,L., et. al., 1986 – Maşini şi utilaje în industria alimentarã, Editura Ceres, Bucureşti 24. Hopulele , T., 1980 – Tehnologia berii , spirtului şi a drojdiei, vol. III, Universitatea din Galaţi 25. Ioancea, L., 1986- Maşini, utilaje şi instalaţii în industria alimentară, Editura Ceres, Bucureşti. 26. Jâşcanu , V., 1986 – Operaţii şi utilaje în industria alimentarã, , Universitatea din Galaţi 131
27. Macovei, V. A., 2001 – Calcule de operaţii şi utilaje pentru procesarea termică şi biochimică în biotehnologie, Editura Alma, Galaţi. 28. Macovei, V. A., 2000 –Culegere de caracteristici termofizice pentru biotehnologie şi industria alimentară, Editura Alma, Galaţi. 29. Pavlov, C.F., et. al., 1981 – Procese şi aparate în ingineria chimică, Bucureşti 30. Răşenescu, I. 1971 – Operaţii şi utilaje în industria alimentară, vol.I. Editura Tehnică, Bucureşti 31. Răşenescu, I. 1972 – Operaţii şi utilaje în industria alimentară, vol.II. Editura Tehnică, Bucureşti 32. Răşenescu, I. 1984 – fenomene de transfer. Editura Didactică şi Pedagogică, Bucureşti. 33. Rusanescu, N., Theiss, F., 1991- Breviar- date şi formule pentru industria berii, Editura Mirton, Timişoara 34. Stroia, I., Biriş,S., 1995- Utilaje pentru industria alimentară fermentativă, Universitatea Politehnică Bucureşti 35. Stroia, I., et. al. 1998 - Utilaje pentru industria malţului, Editura Cison, Bucureşti
132
