UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA CARRERA DE INGENIERÍA QUÍMICA
PLANTA PILOTO PARA CERVEZA ARTESANAL TRABAJO DE GRADO PARA LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO QUÍMICO
APROBACIÓN DE TUTOR
En mi calidad de Tutor del Trabajo de Grado titulado: “PLANTA PILOTO PARA CERVEZA ARTESANAL”, me permito certificar que la misma es original y ha sido desarrollada por el Señor CARLOS EDUARDO YÁNEZ TORRES, bajo mi dirección y conforme a todas las observaciones realizadas, considero que el trabajo reúne los requisitos necesarios. En la ciudad de Quito, a los 30 días del mes de enero de 2014
__________________________ _______________________ ___ Ing. Jorge Medina C. TUTOR.
APROBACIÓN DE TUTOR
En mi calidad de Tutor del Trabajo de Grado titulado: “PLANTA PILOTO PARA CERVEZA ARTESANAL”, me permito certificar que la misma es original y ha sido desarrollada por el Señor CARLOS EDUARDO YÁNEZ TORRES, bajo mi dirección y conforme a todas las observaciones realizadas, considero que el trabajo reúne los requisitos necesarios. En la ciudad de Quito, a los 30 días del mes de enero de 2014
__________________________ _______________________ ___ Ing. Jorge Medina C. TUTOR.
AUTORIZACIÓN DE LA AUTORÍA INTELECTUAL
Yo, CARLOS EDUARDO YÁNEZ TORRES en calidad de autor del trabajo de grado realizado sobre PLANTA PILOTO PARA CERVEZA ARTESANAL, por la presente autoriza a la UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR, hacer uso de todos los contenidos que me pertenecen o de parte de los que contiene esta obra, con fines estrictamente académicos o de investigación. Los derechos que como autor me corresponden, con excepción de la presente autorización, seguirán vigentes a mi favor, de conformidad con lo establecido en los artículos 5, 6, 8, 19 y demás pertinentes de la Ley L ey de Propiedad Intelectual y su Reglamento. En la ciudad de Quito, a los 12 días del mes de mayo de 2015.
AGRADECIMIENTO
Agradezco a todas las personas que de una u otra forma estuvieron conmigo, porque cada una aportó en forma desinteresada; y es por ello que a todos y cada uno de ustedes les dedico todo el esfuerzo en estas páginas plasmado. Agradezco a Jorge Medina, Ingeniero Químico, ilustre profesor de la Facultad de Ingeniería Química, por haber orientado y dirigido el presente trabajo. Deseo manifestar mi gratitud a mis profesores, de ustedes me llevo sus mejores enseñanzas y consejos. A los amigos y compañeros, por haber compartido este largo recorrido que es apenas un escalón en nuestras vidas. Gracias a mi amada familia, a mi hermana Patricia por ser mi impulso y ejemplo, por su cariño
CONTENIDO
pág.
LISTA DE TABLAS ........................................................................................................
x
LISTA DE FIGURAS .......................................................................................................
xii
LISTA DE GRÁFICOS ....................................................................................................
xiii
RESUMEN.......................................................................................................................
xiv
ABSTRACT .....................................................................................................................
xv
INTRODUCCIÓN ............................................................................................................
1
1. CERVEZA ARTESANAL ............................................................................................
2
1.1.Definición. ..................................................................................................................
2
2.5.8. Maduración..............................................................................................................
10
2.6. Operación de la Planta. ...............................................................................................
10
2.6.1. Paila de maceración (F-110). ...................................................................................
10
2.6.2. Cuba de lavado (H-120). ..........................................................................................
12
2.6.3. Bomba centrifuga (P-130). .......................................................................................
12
2.6.4. Tanque fermentador (F-210). ...................................................................................
13
2.6.5. Filtro (H-220). .........................................................................................................
14
2.6.6. Recipiente de almacenamiento (F-310). ....................................................................
14
2.7. Evaluación de las modificaciones. ..............................................................................
14
2.7.1. Modificaciones en la paila de maceración (F-110). ..................................................
15
2.7.2. Modificaciones en la cuba de lavado (H-120). ..........................................................
15
2.7.3. Modificaciones en el tanque fermentador (F-120). ....................................................
16
2.7.4. Modificaciones en el filtro (H-220). ..........................................................................
16
3. ESTUDIO EXPERIMENTAL.......................................................................................
17
3.1. Equipos. .....................................................................................................................
17
3.2. Materiales. .................................................................................................................
17
6. CONCLUSIONES .........................................................................................................
37
7. RECOMENDACIONES ................................................................................................
39
CITAS BIBLIOGRÁFCAS ...............................................................................................
40
BIBLIOGRAFÍA ..............................................................................................................
41
ANEXOS..........................................................................................................................
43
LISTA DE TABLAS
pág.
Tabla 1.Código de letras para identificación de equipos.....................................................
5
Tabla 2.Identificación de equipos principales ....................................................................
5
Tabla 3. Servicio de las tuberías a emplear en la Planta Piloto. ..........................................
6
Tabla 4.Identificación de materiales de tuberías.................................................................
6
Tabla 5.Identificación de instrumentos para la Planta Piloto ..............................................
7
Tabla 6. Datos de la etapa de maceración. .........................................................................
19
Tabla 7. Datos de la etapa de filtración. .............................................................................
19
Tabla 8. Datos experimentales de la etapa de lavado. .........................................................
19
Tabla 9. Densidad objetivo de la mezcla de mostos. ..........................................................
20
Tabla 30. Balance de masa de la etapa de maduración .......................................................
32
Tabla 31. Resultados obtenidos de la operación maceración en el recipiente F-110. ...........
32
Tabla 32. Resultados obtenidos de la operación de cocción del mosto, recipiente F-110 ....
32
Tabla 33. Resultados obtenidos de la operación de fermentación en el recipiente F-210. ....
33
Tabla 34. Especificación de la bomba P-130 .....................................................................
33
Tabla 35. Resultados de las pruebas organolépticas. Grupo 1.............................................
34
Tabla 36. Resultados de las pruebas organolépticas. Grupo 2.............................................
34
Tabla 37. Resultados de las pruebas organolépticas. Grupo 3.............................................
34
Tabla 38. Resultados de las pruebas organolépticas. Grupo 4.............................................
34
Tabla 39. Resultados de las pruebas organolépticas. Grupo 5.............................................
35
Tabla 40. Resultados globales de las pruebas organolépticas. ............................................
35
LISTA DE FIGURAS
pág.
Figura 1. Diagrama de flujo del proceso de elaboración de cerveza....................................
8
Figura 2. Paila de maceración (F-110) ...............................................................................
10
Figura 3. Cuba de lavado (H-120) .....................................................................................
12
Figura 4. Tanque fermentador (F-210)...............................................................................
13
Figura 5. Filtro (H-220).....................................................................................................
14
Figura 6. Diagrama de la operación de maceración ............................................................
21
Figura 7. Diagrama de la operación de filtrado I ................................................................
22
Figura 8. Diagrama de la operación de lavado. ..................................................................
22
Figura 9. Diagrama de la operación de mezclado ...............................................................
23
LISTA DE GRÁFICOS
pág.
Gráfico 1. Área de contacto vs. Consumo de vapor. (A vs. W)...........................................
27
Gráfico 2. Área de contacto vs. Coeficiente total de transferencia de calor.(A vs. U)..........
27
Gráfico 3. Coeficiente total de transferencia de calor vs. Consumo de vapor. (U vs. W). ....
28
PLANTA PILOTO PARA CERVEZA ARTESANAL
RESUMEN
Readecuación de la planta piloto de la Facultad de Ingeniería Química para elaborar cerveza artesanal tipo ALE. Se realizó el diagnóstico del estado actual de la planta y se determinaron las condiciones requeridas para operar. Se procedió a realizar los trabajos de readecuación utilizando soldadura especializada e incorporando accesorios calificados para el manejo de productos alimenticios. Experimentalmente, utilizando materia prima convencional: malta, agua, lúpulo, levadura; se procedió a la elaboración de cerveza artesanal mediante las operaciones de: maceración, una
PILOT PLANT FOR CRAFT BEER
ABSTRACT
Upgrading of Pilot Plant to craft ALE beer to the Chemistry Engineering Faculty.
It was done the diagnostic of the present state of the plant and the required conditions were determined needs to work the plant. It was done a process of upgrading using specialized welding and adding qualified accessories to manage food products.
Experimentally, conventional raw material: malt, water, loupe, yeast, with these ingredients the craft beer was elaborated by macerating, a first filtration, grains washed, wort mixing, wort
INTRODUCCIÓN
La cerveza, bebida altamente propagada alrededor del mundo, en la actualidad experimenta un cambio interesante en cuanto a su evolución, si bien es cierto esta bebida se ha preparado de manera artesanal durante siglos, comercialmente empieza a existir la demanda por parte de los consumidores que esperan encontrar variedad para su bebida favorita. La Facultad de Ingeniería Química de la Universidad Central del Ecuador dentro de sus instalaciones cuenta con la Planta Piloto para Investigar la Tecnología Cervecera, elaborada como parte del trabajo para la obtención del título de Ingeniero Químico, cuyos autores son: Manuel Rodríguez y Rodrigo Domínguez; dicha planta, con el paso del tiempo y la falta de mantenimiento perdió operatividad. Para que cumpla nuevamente el objetivo para el cual fue creada, se vio la necesidad de realizar una repotenciación de los equipos de la planta y definir el proceso enfocando el producto a esta nueva tendencia de la cerveza artesanal.
1. CERVEZA ARTESANAL
1.1. Definición. En el mercado mundial se ha vuelto común encontrar una gran variedad de cervezas, en parte, esta diversificación se agradece a la creciente producción de cervezas artesanales, que principalmente destacan por la amplia gama de aromas, gustos, colores y contenido alcohólico, esto es logrado variando principalmente el tipo de malta a usar o también la proporción de granos a usar, ya q es muy común emplear trigo solo o en mezcla con malta para la elaboración de cerveza, además de incorporar aditivos a la preparación, estos consisten en: frutas, plantas, raíces, especias, jarabes, melazas, entre varios otros. Este tipo de cervezas pueden ser elaboradas en forma casera con equipos más o menos rudimentarios para consumo y degustación personal de quien las elabora.
1.3. Planta piloto. Consiste en una planta de proceso a escala reducida con el propósito de investigar un proceso físico o químico en específico, analizando las variables que lo afectan y determinando las que permiten una operación óptima, de esta manera determinar si este es técnica y económicamente factible, la construcción o montaje de una planta a mayor escala. La característica principal de este tipo de plantas es su flexibilidad ya que para motivos de ensayos e investigación es necesario que variables como: presión, temperatura, entre otras; se puedan manejar en rangos amplios de esta manera determinar los valores óptimos de producción de un producto.
2. REINGENIERÍA
2.1. Reingeniería de procesos. La reingeniería de procesos es el rediseño y la re concepción de los procesos, de manera formal se dice que “es la revisión fundamental y el rediseño radical de procesos para alcanzar mejoras espectaculares en medidas críticas y actuales de rendimiento”. [2] Para realizar una reingeniería es común iniciar en “hoja en blanco”, esto quiere decir que todos los aspectos involucrados en el proceso se rediseñan desde cero, esta metodología se destaca por la libertad en generar ideas pero manteniendo los objetivos básicos del proyecto. Por otra parte, se puede hacer restricciones aprovechando en mayor o menor medida los componentes del proceso ya existentes.
Por lo mencionado anteriormente, la reingeniería se centra en proveer a la planta piloto de los elemento necesarios para que entre en operación en condiciones de higiene, protegiendo el producto que se elabora con los materiales indicados para este propósito, además de que los equipos incluyan las facilidades de control y operación. Producto de esta etapa son los planos de especificación de cada equipo, así como el modelo gráfico de la planta, también, se describe el proceso que se desarrolla y la operación de la misma. A esto hay que incluir el empleo de un sistema de codificación de los elementos presentes en la planta, como son: equipos, válvulas, tuberías
2.4. Nomenclatura empleada.
2.4.1 . Sistema de identificación de equipos. La numeración de equipos se realiza de acuerdo al sistema descrito por Gael D. Ulrich en su libro Diseño y Economía de los Procesos de
Continuación Tabla 2. Equipo
Código
Cuba de lavado
H-120
Filtro
H-220
Bomba centrífuga
P-130
Tanque fermentador
F-210
Recipiente de almacenamiento
F-310
Agitador eléctrico
M-111
2.4.2. Sistema de identificación de líneas. Para la identificación de líneas se emplea el siguiente esquema: X1-N1"-X2X3-N2N3N4 Dónde: X1
Representa el servicio de la tubería.
X2X3
Indica el material.
N1
Diámetro nominal.
X1X2 N1N2N3 Dónde: X1
Variable asociada al instrumento.
X2
Función del instrumento.
N1N2N3
Número consecutivo de acuerdo a la designación de zonas y equipos.
Tabla 5. Identificación de instrumentos para la planta piloto Código PI-111 TI-111 TI-211
Instrumento Indicador de presión vapor de calentamiento Indicador de temperatura Paila de Maceración F-110 Indicador de temperatura Tanque de Fermentación F-210
Figura 1. Diagrama de flujo del proceso de elaboración de cerveza
2.5.1. Maceración. Es el término que recibe el proceso de extracción sólido-líquido cuando se habla de productos de consumo como alimentos o bebidas. El objetivo de esta operación es extraer compuestos solubles presentes en los granos de malta, principalmente azucares fermentables. Esta operación se realiza en caliente para iniciar un proceso enzimático para
La solución obtenida es incorporada al producto de etapa de maceración para corregir su concentración.
2.5.4. Cocción. En esta operación es donde principalmente se elimina los microorganismos que pudiera estar presentes en el extracto y de esta forma esterilizarlo, además de detener el proceso enzimático iniciado en la maceración.
En esta etapa se realiza en el recipiente F-110, donde se alimenta el extracto corregido su concentración y se adiciona el lúpulo que aportará con sabor y aroma al producto elaborado. Cuando el tiempo necesario haya transcurrido el producto permanecerá en el recipiente para la operación de enfriamiento. El vapor requerido es alimentando por la línea V-1”-AN-111, hacia la chaqueta del recipiente. Los vapores condensados son dirigidos al drenaje por la línea D-1/2”-AG-113.
2.5.5. Enfriamiento. Al no poderse inocular la levadura a temperaturas más altas que 35 °C, y para evitar que cualquier otro microorganismo entre en el producto de la cocción, el recipiente
2.5.7. Filtrado II. Esta operación se separa la biomasa formada por la propagación de levaduras del producto que luego de la fermentación contiene un porcentaje de etanol. La carga proveniente del recipiente F-210, pasa por el medio filtrante el cual es recolectado en el F-310 o en un recipiente opcional adecuado para este tipo de producto.
2.5.8. Maduración. Es una segunda fermentación donde las levaduras remanentes aumentan el contenido alcohólico y proveen al producto del anhídrido carbónico característico. Además en esta etapa el producto es clarificado y es preparado para el envasado final y consumo posterior. Esta operación se la realiza en el recipiente F-310 o directamente en los envases designados para el consumo, la condición es que el producto conserve el gas que produce y que no ingrese aire del exterior. Una vez culminada esta etapa del proceso se requiere llevar el producto a refrigeración para que adquiera una temperatura adecuada para el consumo terminando así su elaboración.
Este recipiente se lo emplea para las funciones que se mencionan a continuación en las diferentes etapas del proceso:
Calentamiento para la mezcla granos agua en la etapa de maceración.
Calentamiento de agua para la operación de lavado de granos.
Enfriamiento del mosto preparado previo a la fermentación.
Para calentamiento con vapor se alinea el arreglo de válvulas de la línea V-1”-AN-111, para que este ingrese a la chaqueta del recipiente se coloca la válvula de bola en posición abierta. El control de temperatura se realiza mediante la manipulación de la válvula de aguja presente en el arreglo y el seguimiento de presión y temperatura se realiza mediante los instrumentos PI-111 y TI-111 respectivamente. Para dirigir los condensados hacia el drenaje se cuenta con la tubería D-1/2”-AG-114. En la función de enfriamiento, inicialmente la válvula de bola de media pulgada (1/2 in) de la línea de vapor debe encontrarse cerrada y la válvula de bola de la tubería de drenaje de estar en
2.6.2. Cuba de lavado (H-120).
Figura 3. Cuba de lavado (H-120) Este elemento de la planta es propiamente un filtro que gracias a su placa perforada sirve como
2.6.4. Tanque fermentador (F-210).
Figura 4. Tanque fermentador (F-210)
2.6.5. Filtro (H-220).
Figura 5. Filtro (H-220)
2.7.1. Modificaciones en la paila de maceración (F-110).
a)
Descarga del recipiente. En la paila de maceración es en donde se maneja inicialmente la materia prima, agua y los granos de malta. Para que estos puedan ser descargados y pasar por gravedad a la Cuba de Lavado (H-120), la Paila de Maceración cuenta con nueva boquilla en acero inoxidable AISI 304 de una pulgada (1 in) y válvula de bola de acero inoxidable AISI 316 del mismo diámetro nominal. Lo que permite comodidad en la operación al regular el flujo y también una buena velocidad de descarga del recipiente.
b)
Toma muestras. Para realizar un seguimiento adecuado del proceso de maceración se dispone de un nuevo toma muestras, ubicado lateralmente en el recipiente, en una boquilla de media pulgada (1/2 in), válvula de bola de acero inoxidable AISI 316 del mismo diámetro nominal y un arreglo que reduce el diámetro nominal a un cuarto de pulgada (1/4 in) para el despacho de la muestra.
c)
Indicador de temperatura. La Paila de Maceración actualmente cuenta con un nuevo
2.7.3. Modificaciones en el Tanque Fermentador (F-120). a)
Descarga del recipiente. Se instaló una nueva boquilla en acero inoxidable AISI 403 provisto de una válvula de bola en acero inoxidable AISI 316 con diámetro nominal de tres cuartos de pulgada (4/3 in).
b)
Toma muestras. Para realizar un seguimiento adecuado del proceso de fermentación se dispone de un nuevo toma muestras, ubicado lateralmente en el recipiente, en una boquilla de media pulgada (1/2 in), válvula de bola de acero inoxidable AISI 316 del mismo diámetro nominal y un arreglo q reduce el diámetro nominal a un cuarto de pulgada (1/4 in) para el despacho de la muestra.
c)
Indicador de temperatura. El Tanque Fermentador actualmente cuenta con un nuevo termopozo y boquilla de media pulgada (1/2 in) donde se ubica el termómetro marca WINTERS. Lo que permite controlar adecuadamente el proceso de fermentación.
d)
Aislamiento térmico y cubierta del Tanque. Para que el tanque se encuentre aislado térmicamente, cuenta con una capa de veinte milímetros (20 mm) de lana de vidrio y
3. ESTUDIO EXPERIMENTAL
3.1. Equipos.
Planta Piloto para la Elaboración de Cerveza: o
Paila de maceración (M-111).
o
Cuba de lavado (H-120).
o
Bomba centrífuga (P-130).
o
Tanque fermentador (F-210).
o
Filtro (H-220).
Caldero.
Tubería y accesorios para líneas de vapor, agua y drenaje.
3.2. Materiales.
Azúcar.
3.4. Limpieza. a)
Para la limpieza de la Planta para Elaboración de Cerveza es necesario recircular por esta soluciones diluidas de: hidróxido de sodio (NaOH) y ácido nítrico (HNO3) ambas al 1% en peso.
b)
En el primer ciclo de limpieza se emplean 20 litros de solución de hidróxido de sodio (NaOH), alimentar a la cuba de lavado (H-120) para aprovechar la conexión a la bomba centrifuga (P-130) y de esta forma recircular el fluido de manera que pueda llegar a todos los equipos de la planta.
c)
Para el siguiente ciclo de limpieza se emplean 20 litros de solución al 1% de ácido nítrico. De igual manera, se proceder a circular por todos los equipos de la planta limpiando principalmente las superficies que tienen contacto con los productos elaborados.
d)
Haciendo uso de un hidrómetro para fijar la densidad de los dos mostos obtenidos y determinar las cantidades de estos para obtener un mosto con la densidad necesaria de acuerdo a la receta de cerveza que se elabora.
e)
El mosto con su densidad corregida de acuerdo a la receta, llevar a cocción en la paila de maceración (F-110) por un período de 60 minutos y agregar lúpulo. Concluido el tiempo enfriar el mosto ahora llamado cerveza verde rápidamente hasta los 20°C.
f)
Una vez alcanzada la temperatura agregar al mosto la levadura y almacenar en el tanque fermentador (F-210) para iniciar esta etapa del proceso.
g)
Transcurrida una semana se elimina la levadura formada en el fondo y se continuar la fermentación durante una semana más.
h)
Concluido el periodo de fermentación separar en el Filtro (H-220) la levadura formada y envasar la cerveza para madurarla durante 15 días.
Tabla 9. Densidad objetivo de la mezcla de mostos. Descripción
Valor
Densidad Objetivo
1030 kg/m3
Tabla 10. Datos experimentales etapa de cocción. Descripción
Valor
Mosto antes de cocción
11,7 L
Densidad de mosto antes de la cocción
1030 kg/m3
Mosto luego de la cocción
9,2 L
Densidad de mosto luego de la cocción
1104,6 kg/m
Presión atmosférica
542 mmHg
Presión de vapor
1018,8 mmHg
Tabla 11. Datos experimentales etapa de fermentación y maduración. Descripción
Valor
4. CÁLCULOS Y RESULTADOS.
4.1. Maceración.
Figura 6. Diagrama de la operación de maceración
=
(1)
× × − = ×
(2)
15 × 4,183° × (70−15)° = × 2280,58
(3)
Tabla 12. Vapor requerido para el calentamiento del agua.
4.2. Filtrado I.
Figura 7. Diagrama de la operación de filtrado I Tabla 14. Balance de masa de la etapa de filtrado I Componente
Entrada, kg
Salida, kg
Mosto y granos
18
-
Mosto I
-
7,82
Torta
-
10,18
Continuación Tabla 15. Componente
Entrada, kg
Salida, kg
Total
25,18
25,18
4.4. Mezclado.
Figura 9. Diagrama de la operación de mezclado Para el caso particular presentado, la densidad del mosto deseado es de 1030kg/m3. Por lo tanto, para determinar el volumen empleado de cada uno de los mostos obtenidos en las etapas de
Entonces, = 0,64 → = 4,2
Tabla 16. Densidad del mosto obtenido de la mezcla de mosto I y mosto II Densidad, kg/m3 Volumen, L 1030 De acuerdo a la siguiente figura:
11,7
4.5. Cocción.
Figura 11. Diagrama de la operación de cocción. En esta etapa de la elaboración de la cerveza, el mosto es concentrado por evaporación y así prepararlo para la etapa de fermentación. El balance de materia aplicado a la cocción del mosto es el siguiente:
Tabla 18. Balance de materia aplicado al proceso de cocción Descripción Mosto (F)
TOTAL, kg x Sacarosa Sacarosa, kg Agua, kg 12,05
0,0796
0,96
11,09
Tabla 19. Datos para el cálculo de consumo de vapor. Variable Unidades
Valor
PE
mmHg
542
tE
°C
90,86
λE
kcal/kg
544,57
E
kg/h
1,91
tF
°C
18
CpF
kcal/kg °C
0,95
F
kg/h
12,05
Pw
mmHg
1018,57
tw
°C
109,65
λw
kcal/kg
532,71
S
kg/h
10,14
De esta forma, requerimiento de vapor es de:
Tabla 20. Requerimiento de vapor
Para poder evaluar el comportamiento del recipiente F-110 se realizan los cálculos para los casos de 25, 50, 75, 100% de la capacidad del tanque en función a su altura de nivel.
Tabla 22. Análisis por capacidad del recipiente F-110 Capacidad A, m2 F, kg/h W, kg/h U, kcal/m2 h °C
16,00 14,00 12,00 h/ 10,00 g W
,
k
8,00 6,00
25%
0,20
10,71
3,13
443,35
50%
0,34
24,06
7,03
585,87
75%
0,48
37,41
10,92
645,26
100%
0,62
50,76
14,82
677,82
16,00 14,00 12,00 10,00 h/ g k
8,00 , W
6,00 4,00 y = 0,0002x2 - 0,2268x + 55,736 R² = 0,9961
2,00 0,00 400,00
450,00
500,00
550,00
600,00
650,00
700,00
U, kcal/m2 h °C
Gráfico 3. Coeficiente total de transferencia de calor vs. Consumo de vapor. (U vs. W).
4.6. Fermentación.
Para la determinar el grado alcohólico en el lote de cerveza elaborado, se contó con el apoyo del Laboratorio de Investigación de Biotecnología de la Facultad de Ingeniería Química, donde la valoración se realizó aplicando la Norma NTE INEN 2 322:2002 Bebidas Alcohólicas. Cerveza. Determinación de Alcohol, mediante el método de ensayo volumétrico. El reporte obtenido es el siguiente:
Tabla 23. Datos de laboratorio. Grado alcohólico de la cerveza elaborada Descripción Gravedad específica del destilado, GD Porcentaje de alcohol en volumen, %oh v/v
Valor 0,99254 5,2
De acuerdo al reporte recibido de laboratorio: , × × × × 789
= 0,401 (15)
= ×
(22)
Dónde: µ= tasa de crecimiento µmax= tasa de crecimiento especifica máxima. S= concentración del sustrato. K s= constante de Monod
Tabla 24. Datos para el cálculo de la tasa de crecimiento de la levadura Variable
Unidades
µmax
h-
K s
mg/l
25 [5]
S
mg/l
0,98
Así se obtiene el valor de la tasa de crecimiento:
Valor 0,4
Continuación Tabla 26 Variable
Unidades
Valor
T
H
46,21
Luego de 168 horas (1 semana) de proceso de fermentación se tiene que la biomasa es:
Tabla 27. Biomasa producida en el periodo de una semana. Variable
Unidades
Valor
N
células/ml
74,57X10
Tabla 28. Balance de masa etapa de fermentación Componente
Entrada, kg
Salida, kg
Cerveza verde
10,14
-
Levadura
0,01
Biomasa I
-
Cerveza Tierna Total
0,13 10.02
10,15
10,15
4.8. Maduración.
Figura 14. Diagrama de la operación de maduración. Tabla 30. Balance de masa de la etapa de maduración Componente
Entrada, kg
Salida, kg
Cerveza Filtrada
9,67
-
Cerveza
-
9,67
Total
9,67
9,67
4.9. Resultados de los cálculos por equipo. Tabla 31. Resultados obtenidos de la operación maceración en el recipiente F-110. Descripción Volumen del mosto obtenido de la maceración. V1
Valor 7,5 L
Tabla 33. Resultados obtenidos de la operación de fermentación en el recipiente F-210. Descripción
Valor
Rendimiento de la reacción de fermentación
81%
Entalpía de reacción
-79 kJ/mol
Biomasa al inicio
6X106 células/ml
Biomasa al finalizar
74,57X106 células/ml
Adicionalmente, el sistema cuenta con una bomba de las siguientes características:
Tabla 34. Especificación de la bomba P-130. Características
Descripción
Tipo
Centrífuga
Caudal
18 L/min.
Naturaleza del fluido
Mosto (solución de azucares con sólidos suspendidos) ρ=1036 kg/m3
Condiciones de succión
7,5 mH2O
Potencia
0,25 HP
Tabla 35. Resultados de las pruebas organolépticas. Grupo 1 Evaluado
Apariencia Color Aroma Sabor
A
3
4
4
3
B
4
5
5
4
C
4
4
5
4
D
4
4
5
3
E
4
5
5
5
3,8
4,4
4,8
3,8
4
4
5
4
Promedio Promedio Aproximado
Tabla 36. Resultados de las pruebas organolépticas. Grupo 2 Evaluado
Apariencia Color Aroma Sabor
A
4
4
4
3
B
4
4
3
4
C
2
4
5
5
D
4
4
4
4
E
3
4
4
3
Continuación Tabla 38. Evaluado
Apariencia Color Aroma Sabor
E
4
3
5
4
Promedio
4
3,8
4,6
4,2
Promedio Redondeado
4
4
5
4
Tabla 39. Resultados de las pruebas organolépticas. Grupo 5 Evaluado
Apariencia Color Aroma Sabor
A
4
4
5
4
B
4
4
5
4
C
4
4
5
3
D
3
4
5
5
E
3
4
5
3
3,6
4
5
3,8
4
4
5
4
Promedio Promedio Redondeado
Tabla 40. Resultados globales de las pruebas organolépticas.
5. DISCUSIÓN
El volumen nominal del fermentador es mayor a la capacidad operativa de la planta.
El control de temperatura de la paila de maceración (F-110) está definido por la apertura de la válvula de compuerta (GV-111), la cual no provee una cantidad fija de vapor a la chaqueta del recipiente.
Presencia notoria de sedimentos, produce una apariencia turbia al producto final, debido a que el proceso de filtrado no es riguroso ni exhaustivo.
La comparación del producto no es factible debido a la naturaleza del proceso, ya que difícilmente se encontraría una cerveza similar, por esto, solo se evaluó el nivel de aceptación para cuantificar la calidad del producto.
6. CONCLUSIONES
Los trabajos realizados de modificaciones sobre los equipos pertenecientes a la planta, fueron técnicamente los más adecuados en vista que se logró elaborar cerveza tipo Ale con una pequeña cantidad de sedimentos apta para el consumo y de buena aceptación al público.
La cerveza así elaborada tiene una baja eficiencia en relación a la cantidad de agua empleada como materia prima. 30 kg de agua para obtener 9,67 kg de cerveza, esto se debe principalmente a dos aspectos: a)
Al realizar la mezcla del mosto I y II existe una cantidad nada despreciable
remanente del mosto II.
El punto débil de la cerveza elaborada fue la apariencia, demasiado turbia para el gusto general, por lo tanto, mejorando el proceso de filtración en las diferentes operaciones se puede mejorar este aspecto. aspecto.
La característica mejor valorada fue el aroma, lo que indica que las cantidades y la calidad de los ingredientes usados fueron adecuadas, además, el proceso de cocción pese a los inconvenientes inconvenientes con el control del vapor.
En cuanto al sabor, la mayoría de opiniones fueron de que el producto tenía un amargo muy pronunciado, esto debido a que la temperatura en la cocción pudo haberse elevado demasiado concentrando en mayor medida el lúpulo.
Las directrices del sistema de “Limpieza In Situ” (CIP) para plantas de alimentos, son ideales para aplicar en los equipos de la planta piloto, ya que los materiales seleccionados soportan perfectamente las soluciones empleadas. Al aplicar este método se asegura que las superficies que estarán en contacto con el producto estén completamente limpias de minerales, grasa, proteínas, bacterias y hongos.
7. RECOMENDACIONES
Prever cantidad suficiente de materia prima, tomando en cuenta cu enta el volumen nominal del fermentador F-210
Se recomiendo filtrar los granos de malta por etapas, para que esta operación sea más eficiente y evitar pérdidas de producto.
Reemplazar la válvula de compuerta GV-111, en vista de que es esta la que controla la presión de vapor que ingresa a la chaqueta del recipiente de maceración o cocción F110.
Sería de interés elaborar un proyecto de control automático de la planta, donde se pueda programas un perfil de temperatura para la paila de maceración y para tanque
CITAS BIBLIOGRÁFICAS
[1].
BRODERICK, Harol, et al. El Cervecero en la Práctica. Un Manual para la Industria Cervecera. Segunda Edición, Asociación Latinoamericana de Fabricantes de Cerveza, Lima, 1977. p.47.
[2].
HAMMER, Michael; CHAMPY, James; "Más allá de la Reingeniería", CECSA, México, 1995. p.3.
[3].
METALACTUAL. METALACTUAL. Repotenciación de Maquinaria. Metalactual [revista en línea], (23): 32-37, junio 2012. [Fecha de consulta: 25 agosto 2014]. Disponible en: . . p.33.
[4].
DORAN, Pauline M; “Principios de Ingeniería de los Bioprocesos” Bioprocesos” Editorial Acribia
BIBLIOGRAFÍA
ANSI. Américan National Standard. ANSI/ISA-5.1-2009 Instrumentation Symbols and Identification. North Carolina. 2009. BARBADO, BARBADO, José Luis. Secretos de la Cerveza Casera. Editorial Albatros, Buenos Aires, 2003. BRODERICK, Harol, Harol, et al. El Cervece C ervecero ro en la Práctica. Un Manual para la Industria Cervecera. Segunda Edición, Asociación Latinoamericana de Fabricantes de Cerveza, Lima, 1977. COLCHA, Mario, et al. Formulación de Cerveza Pasteurizada de Alto y Bajo Contenido de Alcohol. Trabajo de Grado. Ingeniero Químico. Universidad Central del Ecuador. Facultad de Ingeniería Química. Quito. 1993.
RAMOS, José. Elaboración de Cervezas de 5.5 y 0.5 Por ciento de Etanol. Trabajo de Grado. Ingeniero Químico. Universidad Central del Ecuador. Facultad de Ingeniería Química. Quito.1997. RODRÍGUEZ, Mario, et al. Planta Piloto para Investigar la Tecnología Cervecera. Trabajo de Grado. Ingeniero Químico. Universidad Central del Ecuador. Facultad de Ingeniería Química. Quito. 1992. ULRICH, Gael. Diseño y Economía de los Procesos de Ingeniería Química, Nueva Editorial Interamericana, 1986. VERTI, Sebastián. El Mundo de la Cerveza. Editorial Selector, México, 2002, 164 p.
ANEXOS
ANEXO A. Reporte fotográfico del levantamiento de la planta piloto para elaboración de cerveza.
Figura A.1. Estado inicial planta piloto para elaboración de cerveza
Figura A.3. Estado del interior del recipiente fermentador
Figura A.5. Estado de la parte inferior de la cuba de lavado.
Figura A.7. Estado del interior de la cuba de lavado
Figura A.9. Interruptores para los equipos eléctricos.
ANEXO B. Trabajos de repotenciación realizados.
Figura B.3. Aplicación de pintura en estructura base.
ANEXO C. Resultados Finales.
Figura C.1. Planta piloto repotenciada
Figura C.5. Nueva toma muestras y termómetro del recipiente fermentador.
Figura C.9. Cuba de lavado con nuevas tuberías de descarga y alimentación a la bomba.
ANEXO D. Planos.
1
A
B
C
2
3
4
1
2
3
4
5
6
7
8
A
A
B
B
C
C
D
D
E
E
F
UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR
PROCESO PRINCIPAL
REALIZADO POR:
F
1
A
2
3
4
5
6
7
VISTA FRONTAL
8
VISTA SUPERIOR A
(S/E)
8 7 6
B
B 8 2 4
7 C
1
6
C
VISTA LATERAL DERECHA
5
VISTA INFERIOR
2
3 6 2
D
D
4 6 1 6
5 0 5
8 0 5
3
DETALLE A
E
E LISTA DE MATERIALES
ITEM
F
REALIZADO POR:
CANTIDAD
1
Toma muestras
1
DN15
2
1
DN15
3
Descarga del recipiente
1
DN40
4
Descarga a drenaje
1
DN15
5
1
DN15
6
Chaqueta
1
7
Cuerpo del recipiente
1
UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR
F
1
2
3
4
VISTA A
6
VISTA FRONTAL
(S/E)
5
7
8
VISTA SUPERIOR
1
A
3 8 2
8 9 7
B
B
460
2 C
C
4 3
VISTA LATERAL IZQUIERDA
VISTA INFERIOR
5 1 3
D
D
E
E 0 6 2
LISTA DE MATERIALES
F
CUBA DE LAVADO H-120
REALIZADO POR:
ITEM
CANTIDAD
1
Soporte - Tubo cuadrado
3
h 315-l 39
2
Cuerpo principal del filtro
1
3
1
DN20
4
1
DN20
UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR
F
1
2
3
4
5
6
7
8
VISTA FRONTAL VISTA SUPERIOR
A
A
S/E 5 8 3
1 B
2 4 8
B
2
7 2 7
2 8 2
6 7
C
C
3 VISTA LATERAL IZQUIERDA
VISTA INFERIOR 88
D
4
D
8 5 4 3
0 5 3
5 E
DETALLE A
1
85
F
E
LISTA DE MATERIALES ITEM
TANQUE FERMENTADOR F-210
REALIZADO POR:
Tapa con bisagra
CANTIDAD
1
2
Venteo del recipiente
3
DN15
3
Toma muestras
1
DN15
4
1
5
Descarga del recipiente
1
6
1
7
1
8
Cubierta aislante
1
UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR
DN20
DN15
F
