Obtinerea Berii Fara Alcool Prin Procese Membranare de Pervaporatie
Obținerea berii fără alcool prin procese membranare de pervaporație
Cuprins
CAPITOLUL I
INTRODUCERE
1.1Scurt istoric
1.2 Notiuni generale privind producția de bere
1.3 Producția de bere fără alcool
CAPITOLLUL II
PROCESELE DE MEMBRANE
2.1 Membrana tubulară folosită în microfiltrarea berii
2.2 Recuperarea compușilor aromatici din bere
2.3 Pervaporația – metodologia pentru îmbunătățirea calității berii fără alcool prin recuperare aromei
2.4 Berea fără alcool – Un nou process industrial
2.5 Studiul și optimizarea recuperării aromei din bere prin pervaporație
2.6 Metode de analiză
CAPITOLUL III
DIMENSIONAREA THNOLOGICĂ
3.1 Elemente teoretice
3.2 Indicații pentru proiectarea schimbătoarelor de căldură tubulare
3.3 Bilanțul de materiale
3.4 Analize standardizate realizate pe parcursul procesului de productie
ANEXE
BIBLIOGRAFIE
Abstract
The market supply of non-alcoholic beverages has experienced an increasing trend in the last years. The market supply of non-alcoholic beverages has experienced an increasing trend in the last years. This paper study the methods for obtaining non-alcoholic beer (less than 0.5 vol.%) with an equilibrated aroma profile by membrane processes in specially by pervaporation.
The most common method used to produce non-alcoholic beer is by interrupting the beer fermentation for keeping the ethanol content very low. This method is simple and uses the same resources of standard fermentation. As a result, non-alcoholic beer presents a typical worty flavour, very different from the alcoholic beers. This work studies the production of non-alcoholic beer from a fermented and clarified beer.
Pervaporation is a relative new membrane process that can also be applied to beverages dealcoholization. In a pervaporation process, a liquid feed contacts with a dense polymeric membrane and volatile compounds permeate the membrane and suffer evaporation on the downstream side of the membrane, which is kept under high vacuum. The driving force of pervaporation is the chemical potential gradient through the membrane thickness.
Pervaporation can be used for beer dealcoholization using hydrophobic membranes that favour the permeation of ethanol against the permeation of water. However, most of beer aroma compounds have higher affinity to hydrophobic membranes than ethanol, resulting in an aroma depleted dealcoholized beer. Hydrophilic membranes are then normally used for beer dealcoholization. These membranes are highly permeable to water, permeable to low-hydrophobic compounds such as ethanol, and low permeable to hydrophobic species, such as flavour compounds. In this case, water is more permeable than ethanol. Using a low pressure sweep stream of water vapour on the permeate side for keeping the partial pressure of all other beer compounds very low, the driving force of water is reduced and only ethanol and few aroma compounds permeate the membrane
The present work proposes the preservation of beer sensorial quality by extracting the aroma compounds previously to their loss in the dealcoholization process, and adding them back to the non-alcoholic beer (dealcoholized beer). The aroma extraction is obtained by pervaporation due to its high selectivity for extracting aroma compounds present in the feed at very low concentrations. Composite membranes of polyoctylmethylsiloxane (POMS) supported in polyetherimide (PEI) were found to be the most effective for aroma extraction from beer.
Several industrial tests were performed for optimizing the amount of extracted beer compounds and the aroma profile of the permeate. The coupling of pervaporation for beer aroma extraction with beer dealcoholization proved to be very effective for producing a non-alcoholic beer with a flavour profile very close to the alcoholic original one. This integrated process was the first one to be implemented at industrial scale, which resulted in a best-selling non-alcoholic beer.
CAPITOLUL I
INTRODUCERE
1.1Scurt istoric
Membrana este o zonă de discontinuitate interpusă între două faze, rolul său fiind acela de a acționa ca o barieră selectivă care permite trecerea preferențială a unui component dintr-un amestec ( separare).
Primele elemente de separare numite membrane au fost materiale natuale semipermeabile.Acum aproape două sute de ani,aceste membrane erau folosite în procesele de osmoză, dializă și permenația gazelor. În 1823 Dutrochet explica în mod corect procesele de osmoză si dializă numindu-le endo-osmoză si exo-osmoză. Din anul 1845,când Schoenben obține nitroceluloza, apare prin materiile membranare pe baza caruia in 1855 Fick prepara prina membrană. Astazi o mare parte din membranele comerciale au la baza derivații celulozici.
După aproape treizeci de ani,Trubel și Pfeffer efectuează primele studii cantitative asupra osmozei, iar Fick elaborază legile difuziei.
Aceste descoperiri epocale și-au gasit până la jumatatea secolului nostru primele aplicatii,cele mai importante fiind recuperarea hădroxidului de sodium din apele ce conțin hemiceluloze și îmbogățirea uraniului în izotopul 235U. Aplicarea restrânsă a membranelor a avut la baza considerația că aceasta au performanațe necorespunzatoare, fiind recomandate numai în procese imposibil de ralizat prin alte metode. Afirmația este adevarată dacă considerăm ca la concentrarea 235U, care se gasește in proportie denumai 7% în uraniu natural, se utilizează o instalație cu câteva mii de trepte de separare, aria suprafetei membranelor depășește 10.000 m2, iar pentru acționarea pompelor cum necesari 200.000 Kw.
O etapa revoluționară în promovarea proceselor de membrană o constituie obținerea membranelor asimetrice pentru osmoza inversă, care premite obtinerea unui flux de aproape 1 m3/m2 pe zi apa potabilă din apa de mare, retența sărurilor fiind de aproape 98%.
Este foarte interesant de amintit că aceste membrane celulozice obținute de Loeb si Sourirajan erau cunoscute cu aproape 50 de ani înainte în Franta,unde Dobry brevetase un procedeu de obținere a membranelor din acetat de celuloza dizolvată în apă conținând perclorat de magneziu.
Ceea ce poate fi afirmat cu certitudine este că obțineraea apei desalinizate din apa de mare a influentat decisiv reconsiderarea proceselor membranere și a determinat explozia cercetătorilor din acest domeniu.
Astfel, după aplicarea procesului de osmoză, electrodializă si ultrafiltrarea au început să fie studiate și dezvoltate o serie de procese noi cu implicație in separarea gazelor.
Membranele sunt de asemenea folosite și la procedeul de obținere al berii fără alcool sau cu alcool redus. [1]
Berea este o băutură alcoolică obținută din 4 produse naturale: drojdia de bere, malț, hamei șiapă. Aceasta are aproximativ 5% alcool; așa-numita bere fără alcool are între 0 și 0,5% alcool. Temperatura de băut perfectă a berii se află între 6 și 8 °C.
De obicei energia berii provine din grâne, dar poate să vină și din energia cartofilor sau a mazării. Se poate spune că și japoneza Sake se poate încadra în definiția berii. În Rusia, berea se încadrează oficial la categoria băuturilor non-alcoolice.
Berea a apărut acum cca. 6000 de ani. Vine cel mai probabil de la pâine care s-a udat și a început să fermenteze, de unde a apărut procesul de fermentare.
Această descoperire a avut loc de mai multe ori în istoria omenirii, astfel că nu se poate ști sigur, unde a fermentat la început berea.
Datorită gustului deosebit, ea ocupa un loc important in dieta oamenilor din acea vreme. Arheologii de la Universitatea Cambridge au interprins un studiu al proceselor de pregătire a berii și cerealelor in Egiptul antic. Obiectul de studiu a fost găsit in mormintele in care s-au păstrat ramașițe de mancare și bere. Calitatea acestora depinde de zahărul necesar pentru fermentație.
In zilele noastre pentru ușurarea procesului semințele se pun la uscat, astfel incât se obține malțul. Malțul se fierbe, se strecoară și se adaugă drojdie. Potrivit rețetei tradiționale, pentru obținerea unei drojdii naturale se prepară un aluat din faină de grau, iar aluatul se punea la copt pană când mijlocul se intărea. După care, bucățile din aluatul copt se puneau intr-un decoct de malț pentru pregătirea berii.
Se mai menționează faptul ca berea era băută printr-un pai, iar în cazul familiei regale un pai aurit, destul de lung încât să ajungă de la tron la un container mare de bere ținut în apropiere. [2]
1.2 Notiuni generale privind producția de bere
Berea este una dintre băuturile alcoolice cele mai populare și originea sa dateaza încă de pe vremea egiptenilor, până în zilele noastre. [3]
Berea este o băutură alcoolică obținută prin fermentarea mustului, ceea ce reprezintă amestecul dintre malț, hamei și apă. Fabricile de bere pot utiliza si unii adjuvanți pentru imbunătățirea calității berii. Malțul este principala materie primă in obținerea berii și este rezultat din procesul de malț de orz sau germinare. Malțul este o sursă de enzime ce descompune amidonul. Apa de proces folosită în producția berii ar trebui să fie apă destinată comsumului uman cu o corecție a concentrației minerale. Adjuvanții sunt utilizați pentru completa amidonul din malț și a scădea proteinele din mustul de bere. Câteva exemple de adjuvanți ar fi cerealele non-malț: crupele (obținute din porumb), orez, grâu sau orz, zaharuri (zaharoză) și siropuri (zaharoză hidrolizată).[3-5]
Procesul de producție al berii cuprinde patru pași principali:
Pregătirea mustului;
Fermentarea, maturizarea și stabilizarea;
Clarificarea
Ambalarea si stabilizarea biologică.
Pregătirea mustului este prima etapă în producția berii și constă în mai mulți pași: măcinare, zdrobire, filtrare, fierbere,clarificare, răcire și aerisire. De obicei cerealele care nu sunt din malț sunt deja adăugate în must. Pe parcursu etapei de zdrobire, apa este amestecată cu malțul celelalte cereale, acest lucru ducând la conversia proteinelor în peptide și aminacizi, iar amidonul în zaharuri fermentabile( maltoză, maltotrioză și cantități mai mici de zaharoză, glucolză și fructoză), toate acestea fiind furnizate de enzimele din malț.
Scopul filtrării este separarea fracțiunilor insolubile din must de mustul dens. După filtrare, urmează fierberea mustului de bere și amestecarea cu extractele de hamei. Prin fierberea mustului vor fi îndepărtați compușii volatile nedoriți, inactivarea enzimelor, precipitarea proteinelor, solubilizarea si izomerizarea compușilor amari din hamei. În timpul clarificării mustul curge printr-o centrifugă decantoare pentru a separa proteinele precipitate si fracțiunile insolubile din must. Ulterior se va pregăti mustul pentru adăugarea drojdiei, respectiv se va răci până la temperature la care “lucrează” drojdia. [3-5]
Fermentarea începe cu adăugarea drojdiei peste mustul răcit și aerat, înainte de a fi transferat in vasul de fermentare. Drojdia de bere este un microorganism unicellular ce aparține genului Saccharomyces. Aceasta obține energie prin doua căi metabolice: respirație (în prezența oxigenului) prin care drojdia crește; și fermentare (în lipsa oxigenului) aceasta reprezentînd cauza formării etanolului din zaharurile din must. Pe parcusul fermentatiei primare drojdia de bere reproducse și transformă zaharurile din must în etanol și dioxid de carbon și cațiva compuși aromatic. Acest process este urmat de fermentația secundară (matutrarea) la temperature joase și în prezența unei cantități mai mici de drojdie cu scopul de a elimina unii compuși nedoriți și de a îmbunătăți aroma. Maturarea berii este urmată de procesul de stabilizare , în caul în care precipitarea proteinelor și polifenolii surveniți contribuie la tulburarea berii. Pe parcursul acestei etape, drojdia rămasă este eliminată din bere. [5]
Clarificarea se referă la eliminarea prin filtrare a berii, a compușilor nedoriți, în scopul de a crește stabilitatea berii. Dupa ce a fost filtrată, Berea este ambalată în diferite recipient cum ar fi sticle, cutii sau butoaie.
Stabirojdia de bere reproducse și transformă zaharurile din must în etanol și dioxid de carbon și cațiva compuși aromatic. Acest process este urmat de fermentația secundară (matutrarea) la temperature joase și în prezența unei cantități mai mici de drojdie cu scopul de a elimina unii compuși nedoriți și de a îmbunătăți aroma. Maturarea berii este urmată de procesul de stabilizare , în caul în care precipitarea proteinelor și polifenolii surveniți contribuie la tulburarea berii. Pe parcursul acestei etape, drojdia rămasă este eliminată din bere. [5]
Clarificarea se referă la eliminarea prin filtrare a berii, a compușilor nedoriți, în scopul de a crește stabilitatea berii. Dupa ce a fost filtrată, Berea este ambalată în diferite recipient cum ar fi sticle, cutii sau butoaie.
Stabilizarea biologic constă în pasteurizarea berii, ceea ce înseamnă reducerea contaminării microbiene a berii. [5]
Fermentarea reprezintă formarea de alcool și compuși aromatic
Pe durata procesului de fermentare, reacția cea mai importantă este transformarea zaharurilor din must in alcool și formarea dioxidului de carbon datorată drojdiilor. Acestă transformare este reprezentată de reacția exotermă a lui Gaz-Lussac:
C6H12O6 → 2C2H5OH + 2CO2 aHo = -68.40 kJ
Acestă reacție arată doar compușii ințiali și finali în fermentarea alcoolică. Fermentarea zaharurilor din must include mai multe etape, din care rezultă produși intermediari sau secundari.
Figura 2. Formarea compusilor în bere datorată metabolismului drojdiilor pe parcursul fermentației [6]
Zaharurile fermentabile ale mustului de bere (maltoza, maltotrioza și zaharoza) sunt hidrolizate la glucoză. Pe durata reacției glucozice, aceasta este transformată în piruvat. În etapa următoare piruvatul suferă decarboxilarea, reultând dioxidul de carbon (responsabil pentru carbonatarea berii) și acetaldehida. Ulterior, acetaldehida este redusă la etanol.
Etanolul și dioxidul de carbon sunt principalele component ale berii pe lângă apă. Cu toate acestea particule de drojdii metabolizate sunt prezente în berea finală in concentrașii mici (la nivel de ppm) și au o contribuție mare la aroma si gustul berii. Etanolul influențează direct aroma berii, conferind o senzație de încălzire și interacționează cu alți compuși aromatic, influențând contribuția lor la aroma berii. Dioxidul de carbon are un rol important în calitatea berii, contribuind la formarea spumei. [7]
1.3 Producția de bere fără alcool
Interesul crescut al consumatorilor în probleme de sănătate și abuz de alcool motivează fabricile de bere pentru a extinde gama de produse cu conținut scăzut de alcool. Scopul producerii unei beri cu continut redus de alcool se poate realiza prin două strategii principale și anume prin îndepărtarea blândă a alcoolului din berea normala și prin formarea limitată de etanol în timpul fermentației berii. În aceste două strategii de bază, există un număr de tehnici care variază în performanță, eficiență și uzabilitate. Această lucrare prezintă o imagine de ansamblu și compararea acestor tehnici și oferă o evaluare a proprietăților senzoriale de conținut scăzut de alcool și o bere fără alcool, si sugerează posibilități suplimentare de îmbunătățire a acestora.
Producția de bere cu conținut de alcool scazut a început să apară încă de secolul trecut. Aceasta a fost datorata, în primul rând Războaielor Mondiale (1914-1918 și 1939-1945) când lipsa de materii prime a condus la o producție cu nivel scăzut de extract original și cu un conținut redus de alcool. Pe de altă parte, în anii 1919 și 1933 a fost interzisă fabricarea, vânzarea și consumarea de alcool în SUA, lucru care a dus la creșterea producției de bere fără alcool.
La sfârșitul secolului 20 eforturile fabricilor de bere în ași mări gama de produse cu bere fără alcool au crescut datorită :
Creșterea producției globale prin aducerea de noi produse în țările cu piețe extrem de competitive.
Oferirea consumatorilor produse alternative berii care se pot consuma în timpul desfășurării diferitelor activități inconciliabile cu consumul de alcool ( condusul de autovehicule, tratament medicamentos, etc)
Intrarea pe piețele țărilor unde consumul de alcool este interzis din motive religioase.
Pe de altă parte vânzările de bere fără alcool nu au mulțumit așteptările optimiste inițiale și din acest motiv acetse produse au fost doar o picătură in marea produșie totală de bere. În zilele noastre , piața de bere este un segment cu o creștere rapidă. În ultimii cinci ani, volumul mediu al vânzărilor a urcat în Europa cu 50%. Spania este în prezent cel mai mare consumator de bere fără alcool din UE ; 9.5% din berea vândută in 2010 a fost bere fără alcool; în timp ce în Germania, țara cu cea mare piața de bere europeană cota de bere fără alcool vândută a fost de 4%-5%. Probabil motivele semnificative pentru creșterea vânzărilor anuale a berii fără alcool în țările europene sunt intervențiile legislative care restriționează consumul de alcool și creșterea gradului de conștientizare a consumatorilor despre beneficiile consumului de alcool moderal de bere.
În cele mai multe tări ale UE cu berea cu conținut scăzut de alcool este împărțită în bere fără alcool ce conține 60.5% alcool/vol, alcool scăzut cu cel mult 1.2 % alcool/vol. În SUA termenul de ‘‘fără alcool’’ înseamnă că nu este prezent alcoolul, în timp ce limita superioară este de 0.5%, potrivit ABV (alcool/ volum). În țările cu interdicție religioaso berea nu trebuie să conțină mai mult de 0.05 % din volum. În acest articol, terminilogia va fi reglementată de legislația europeană în următoarele capitole. Totuși , chiar dacă metodele de producție a LAB și AFB sunt identice,cota de piața AFB prevalează peste LAB. Prin urmare, în articol băuturile din malț cu conținut scăzut de alcool vor fi in general beri fără alcool. (AFB)[8]
Abuzul de alcool a fost pe agenda publica pentru multi ani de când acesta poartă riscuri de crimă violentă, accidente de circulatie, tulburari ale ordinii publice, sănătății și deteriorare. Etanolul este unul dintre cele mai utilizate droguri recreative din întreaga lume și este adesea ingerate ca o componentă a berii. Când berea este consumata, etanolul este absorbit din tractul gastrointestinale prin difuziune și este rapid distribuit în sânge înainte de a intra în țesuturi. Etanolul este metabolizata la acetaldehida in principiu în stomac și ficat. Acetaldehida este extrem de toxica și obliga constituenții celulari care generează acetaldehida dăunătoare (Rajendram și Preedy, 2009). Simultan, există probe clare cum ca consumul moderat de alcool are nu numai mai bune rezultate pe termen lung pentru sanatate decat consumul excesiv de alcool, ci chiar rezultate mai bine decât abținerea. Bautul moderat de bere s-a demonstrat a fi, cel puțin mai eficient decat bautul de vin pentru reducerea riscurilor de boli coronariene, infarct, diabet, iar mortalitatea generală (Mukamal și memorie tipica Rimm Are Configuratia, 2008; Ferreira și Willoughby, 2008). Pe lângă alcool, care este, probabil, cea mai importantă componentă a berii care combate arterocleroza,(Li și Mukamal, 2004; Tolstrup și Groenbaek, 2007), aceste efecte pozitive pot fi atribuite unei serii întreagi de alte proprietăți și cereale valoroase asociate substanțelor găsite în bere, cum ar fi continutul fara grăsimi sau colesterol, energie scazuta și fără conținut de zahăr cu mare efect antioxidant (de ex. Polifenoli, a flavonoidelor), magneziu și conținutul de fibre solubile. În plus, berea oferă vitamine esențiale și minerale și este sănătosa contribuind astfel la o dietă echilibrată (Bamforth, 2002). Berea fără alcool sustine efectele benefice ale componentelor berii sănătoase cu efect simultan de energie și absența completă ale impacturilor negative ale consumul de alcool. [8]
Conform legislației Portugheze, o bere fără alcool ar trebui să aibă un conținut de alcool mai mic de 0.5vol%. [7]
De obicei procesul de producere a berii fără alcool se impart în două mari categorii: procesele de suprimare a formării etanolului și procesele de îndepărtare a etanolului.
Figura 3. schițează cele mai uzuale metode de producție a berii fără alcool sau cu alcool scăzut.
Fig. 3 Schema metodelor de producției de bere fără alcool sau cu alcool scăzut
Strategiile pentru a produce AFB pot fi împărțite în două grupe principale (fizică și procese biologice), care pot fi defalcate in continuare cum se arată aici (Fig. 1). Asa-numitele metode fizice sunt bazate pe indepartarea delicata a alcoolului din berea normala și necesită investiții considerabile în echipament special pentru indepartarea alcoolului. După ce procesul de inlaturare a fost optimizat, calitatea senzorială a AFB-ului este de obicei buna. Avantajul lor ulterioar este ca etanolul poate fi indepartat tolal din bere la niveluri scăzute. Cea mai raspandita abordare biologica este bazata pe formarea limitata a etanolului in timpul fermentarii berii.
Acestea sunt de obicei efectuate in echipament traditional de berarie și deci nu necesită investiții suplimentare, dar produsele lor sunt adesea caracterizate prin fara aroma. Îmbunătățirile, profitând de majorarea costurilor de achiziție a drojdiei speciale, de selecție, sau construirea organismelor de productie, precum si de necesitatea inmultire lor,trebuie sa fie separate.
Totuși, potrivit microorganismelor individualizate sau selectate pot contribui semnificativ la îmbunătățirea calității senzorială a produsului. Există, de asemenea, procesele de producție AFB (fermentatie continua imobilizat cu drojdie) bazate pe formarea limitata de alcool, care necesită echipament și material special (operare continuua pentru deșeuri bioreactive, transportator pentru celula imobilizare).
În acest caz, costurile mai mari de investitie trebuie sa fie justificate de productivitate. În general, formarea de etanol, care este intrinsecă la metode biologice, face imposibila producerea de AFB cu continutul de alcool aproape de zero.[8]
CAPITOLLUL II
PROCESELE DE MEMBRANE
Membrana este o berieră fizică semipermeabilă, plasată intre doua faze, care permite transportul uneia prin aceasta. [8,9]. Acest transport este controlat, printre alți factori în funcție de natura membranei. În procesul de membrană produsul ce urmează a fi tratat curge tangențial pe suprafața membranei și este separat în doua fracții, permeatul, care traversează membrana și retentatul, partea care rămâne in zona de alimentare. Acest tip de separare se numește filtrare cu curgere transversală și poate fi aplicată la dezalcolizarea berii. Diferite astfel de procese de separare cu membrane pot fi folosite în separarea etanolului. [10,11]
Nanofiltrarea și osmoza inversă sunt folosite pentru a purifica solvenții din substanțele cu greutate moleculară mică, cum ar fi zaharuri și săruri. Ambele procese folosesc diferența de presiune dintre permeat și retentat datorată forței de transport a solventului[8]. În dezalcolizarea berii prin nanofiltrare sau osmoză inversă, berea curge prin membrană , apa și alcoolul pătrunzând prin aceasta, împotriva presiunii osmotice naturale și sunt recuperate in fluxul de permeat. Pe de altă parte, moleculele mai mari cum ar fi compușii aromatici rămân în bere (retentati). Procesul se poate realiza prin recircularea retentatului în rezervorul de alimentare sau folosint configurația unitate în mai multe etape.În ambele cazuri, apa deionizată și dezaerată trebuie să fie în continuu adaugată pentru echilibrul retetntatului. Ca rezultat, conținutul de alcool din retentat este redus continuu[12].
Osmoza inversă necesită o presiune mai mare decât nanofiltrarea, ceea ce nu este benefică pentru bere, pe lângp consumul mai mare de energie. [1] S-a constatat că unele membrane folosite în nanofoiltrare și osmoză inversă resping unii compuși aromatici. [12,13]
În procesul de osmoza inversă (RO), berea curge tangențial pe suprafața membranei și etanolul patrunde membrana selectivă în timp ce presiunea transmembranei depășește substanțial presiunea osmotică din bere. Este de asteptat ca si alte molecule mari, cum ar fi compușii de aroma si savoare, vor rămâne partea de jos a membranei. Osmoza inversă (RO) se efectueaza de obicei la presiunile transmembranei, acestea variind de la 2 la 8 MPa generate de presiunea pompei (de ex. Pompa cu piston) și la temperaturi sub 15 °C realizabile cu, de exemplu, un schimbător de căldură cu plăcii . Membranele folosite pentru îndepărtarea alcoolului din bere în RO sunt de obicei de structură asimetrică, cu stratul activ făcut din acetat de celuloză, poliamidă, poliester sau polyimide, membrană PSU, sau structuri de support cu fibră. O membrană ideală prezintă următoarele caracteristici:
•Permeabilitate mare la etanol și apă.
•Permeabilitate mică pentru alte componente ale berii (gust, aroma si substanțele amare).
•Rezistentă la temperatură.
•Rezistentă la agenții de curățare și dezinfectare .
•Rezistentă la toate tipurile de înfundare (anorganice, organice, coloidale, și microbiologice).
Rezistentă chimic și mecanic.
•Adaptabilă.
•Ieftină.
Membranele sunt de obicei plasate în module de diferite aranjamente geometrice (planare, tubulare, în spirală-rana). În practică, RO este efectuată intr-un așa numit mod de diafiltrare. Prima faza este concentrația berii originale prin indepartarea permeatului și neinlocuirea acestuia cu apă demineralizată. Acest lucru duce la o crestere a concentratiei de alcool și astfel crete si fluxul de substanta dizolvata peste membrana. Ulterior in timpul fazei de diafiltrare permeatul inlaturat din bere este inlocuit cantitativ cu apă demineralizată. Aceasta continuă până când este atinsa concentratia de alcool dorita. Dupa ce continutul de alcool țintă a fost atins, în retentat este adaugată apă demineralizată până la volumul de pornire și conținutul este recirculat prin această operație. Apa diafiltrata aplicata in RO trebuie sa fie sterila, complet demineralizată și complet aerisita (conținutul de oxigen < 0,1 ppm). Sunt disponibile foarte putine date privind compoziția AFB produsa de RO. Totuși, aceste raport asupra pierderilor volatile semnificative (70- 80% de alcooluri superioare, 80- 90% de esteri) în timpul procesului, pot fi atribuite selectivitatii imperfecte ale membranelor (Kavanagh et al. , 1991; Strein, 1993). Recent, mai multe membrane de celuloza, acetat și poliamidă au fost testate in laborator la diferite condiții de funcționare (2-4 MPa transmembrane presiune, 5-20 °C, și alimentare cu diferite rate de debit). S-a constatat că presiunile mai mari au dus la un mai mare flux străbătut, și o respingere mai mare de etanol și alcooli superiori, dar o respingere mai mica a esterilor. Temperaturi mai joase au dus la un flux străbătut mai mic, dar o respingere mai mare a compușilor aromatici . Din păcate, acest studiu nu indică compoziția berii dezalcolizate prin RO. [8]
Distilarea osmotică(OD) sau extracțiile evaporative (PE) este un alt tip de proces de membrane utilizat în extracția alcoolului din băuturi. Distilarea osmotică folosește membrane conectoare hidrofobice ce asigură transferul alcoolului din bautură la soluția de bază ce curge contra suprafeței modulului. Transportul de masă este determinat de diferența de presiune a alcoolului între bere și soluția de bază. Odată ce presiunea vaporilor de apă (mai puțin volatili decât etanolul și alți compuși aromatici) este aceeași de o parte și de cealaltă a membranei, apa nu pătrunde iîn soluția de bază. [12,17]. Distilarea osmotică prezintă și dezavantajul că o parte importantă din compușii aromatici sunt pierduți de partea filtratului. [16,17]
Dializa
Membrana semipermeabila acționează ca o sită moleculară permeabila numai pentru anumite molecule, în funcție de dimensiunea porilor și proprietățile suprafeței membranei. Când dezalcolizarea prin dializa este efectuată în apă, toate ingredientele berii tind să se mute din zona de înaltă concentrație (bere) la zona de concentrație scăzută (apa), în timp ce o cantitate de apa va difuza din dializă în bere. Mecanismul primordial in dializa este difuzia. Când diferența de presiune este aplicată (de obicei 10-60 kPa), în scopul de a suprima difuzia apei în bere, procesul este adesea numit diafiltrare și ambele transferuri au loc (Leskosek și Mitrovic, 1994; Petkovska et al. , 1997). Procesul de dializa este de obicei realizata la 1-6 °C, eliminând sarcină termică a produsului. Membranele de dializa sunt compuse fie din derivati de celuloza sau diverse materiale sintetice (de ex. Membrană psu, polyethersulphone) si sunt in general dispuse în mănunchiuri de fibre tubulare, cunoscut ca module. În fibrele tubulare berea trece de-a lungul unei membrane de dializa, in timp ce simultan lichidul fără alcool dializat, curge contra-curent de cealaltă parte a membranei (Fig. 5). Principiul debitului contra-curent garantează o concentrație ridicată de gradient între dializat și bere în termeni de conținut de alcool pentru care este opțoinută o difuzie.
Pentru a opera un modulul de dializa este necesar să aplicați o presiune pe ambele părti de bere, în caz contrar difuzia poate fi perturbată de eliberarea dioxidului de carbon. Presiunea aplicată trebuie să fie cel puțin egală cu presiunea de saturație a CO2 în bere la o temperatură dată. Pentru a minimaliza pierderea de CO2 este recomandat să adăugați o cantitate mică de dioxid de carbon în apa de dializa. Aceasta va elimina riscul de transfer de oxigen dializat la bere. Trebuie să se acorde o atenție deosebită și conținutului de sărurilor anorganice (sodiu, calciu, nitrati), care se pot concentra in timpul rectificării în dializat și apoi trece in bere. In ciuda optimizării membranelor și a parametrilor procesului selectiv o indepartare a etanolului nu poate fi atinsa. Alte componente ale berii, cum ar fi alcooli superiori și esterii acestuia, prin urmare sunt aproape complet eliminati din bere prin dializa . Pierderile compusii volatili de greutate moleculara scăzută- pot fi prevenite prin adăugarea lor în reducerea dializaților din bere. În masura in care si rata de dezalcolizare și, de asemenea, pierderi de volatibilitate, poate fi reglată în principal cu raportul de debite de dialysate si bere, care pot fi variate într-o gamă largă de 0,4:1 la 6,5:1. Prin creșterea raportului dintre debitul la bere, indepartarea alcoolului și volatilitatea devin mult mai pronunțate. Totuși, acest raport nu influențează numai rata de indepartare a alcoolului din bere dar si costurile de energie pentru rectificarea dializei. [8]
Fig. 5 Diagrama fluxului de dezalcolizare a berii prin dializă
(1A) principiul dializei prin fibre tubulare; (1B) reprezentarea schematică a modulului membranei capilare ; (2) schimbătorul de căldură; (3) coloană de stripare; (4) bere oroginala; (5) bere dezalcolizată; (6) dializată; (7) make-up brewing water; (8) glicol; (9) pompă de dializat; (10) condens alcoolic; (11) stripare cu abur
2.1 Membrana tubulară folosită în microfiltrarea berii
În lucrarea “Desalination” a fost simutată teoretic si experimental microfiltrarea berii fără alcool intr-o membrană tubulară. . Fluxul de alimentare ce trece prin membrana poroasă este determinat de ecuațiile Navier-Stockes, iar ecuația Darcy descrie debitul de curgere prin peretele permeabil cât și gradientul de presiune al acestuia. Se va folosii o scala pilot a unei membrane filtrante transversale pentru determinarea rezultatelor in care sunt utilizate membranele tubular ceramice.
A fost demonstrat faptul că rezultatele acestui model utilizat și rezultatele experimentale pot fi utilizate cu încredere pentru proiectarea si optimizarea microfiltrarii berii fără alcool. [12]
Procesul convențional de filtrare a berii este făcut de filtrul de presă sau filtrul cu vase de presiune care sunt de obicei acoperite cu straturi de particule poroase. Procesul convențional de filtrare a fost înlocuit cu procesul de microfiltrare cu flux transversal datorita a numeroase avantaje pe care acesta il prezintă. Acestea includ: eliminarea filtrelor adaugate și problemele de manipulare și eliminare asociate; reducerea pierderilor de bere; capacitatea ridicată de reținere a solidelor; subtituirea pasteurizării și obținerea unei calități mai bune.
Primele cercetări privind aplicările acestei tehnologii în industria berii au fost inițiate la începutul anilor 1980. De atunci aplicațiile filtrării transversale in limpezirea si sterilizarea berii au fost un subiect de cercetare intensă. Cu toate acestea aplicarea la scară economică a fost descurajată din cauza fluxului economic scăzut.
Interactiunea unei game largi de particule de origine bionolgică cât și transmiterea acestora si a unor speiilor macromoleculare prin porii membranei conduc la incărcarea inevitabila a membranei, membrane ce devin foarte complexe din punc de vedere constitutional și structural. Cercetările folosind enzime au indicat ca în mare parte în incărcătura membranei se regăsesc proteine și carbohidrați. Încărcarea membranei cauzată de adsorbția si depunerea acestor macroelemente este inevitabilă în orice circumstanță.
Pentru evitarea incărcării cu material filtrant s-au găsit mai multe metode. Baza comuna pentru majoritatea metodelor constă în tendința de a inhiba interacțiunea dintre particulele depuse pe membrană. Aceste metide pot fi grupate in trei mari categorii: activitatea hidrodinamică, modificarea suprafeței membranei și curățirea periodică a membranei. Din aceste metode menționate cele bazate pe activitățile hidrodinamice sunt cele mai prevalente. De regulă, nivelurile scazute de depuneri si fluzurile relativ ridicate sunt intâlnite în dispozitivele cu curgere transversală, unde suspensia curge tangențial pe suprafața membranei. Mișcarea particuleleor datorată curgerii tangențiale prin membrana către ieșire realizează o pelicula relativ subtire deasupra membranei. Mecanismul de filtrare transversala induce prin tulburările hidrodinamice perturbarea acestui strat reținut. Acest fapt conduce la o îmbunătățire semnificativă a permeabilitații.
Membrana pentru filtrarea transversală este utilizată atât in fluxuri cu circulație liberă cât și fluxuri cu medii poroase. Dinamica fluxurilor combinate este influențată însă de multi factori, cum ar fi numarul Reynolds și proprietățile mediilor poroase. Datorită complexitășii interacțiunilor dintre sistemele cu debit liber și cele poroase s-a realizat o analiză generală teoretica a sistemelor cu debite cuplate. Prin urmare, în procesele în care sunt combinate fuxul liber și fluxul prin strat poros, regimul de curgere poate fi modificat prin cuplarea Legii lui Darcy și ecuațiile lui Navier-Stokes. Este foarte important sa ne asigurarm ca este mentinută curgerea pe ambele fluxuri.
O prezentare genrală a proceselor de filtrare transversală a fost publicată de Ripperger și Altmann. Alte lucrări dedicate analizei modelelor, caracteristici și clasificarea membranelor transversale pot fi de asemenea găsite in literatura de specialitate. Un număr de modele de membrane au fost propuse pentru determinarea debitului laminar de curgere printr-un canal poros cu aspirare sau injectare în perete. Un review excelent al acestui tip de membrane ne este prezentat de Chatterjee și Belfort. Colaboratorul lor, Galowin a dezvoltat o soluție pentru curgerea prin tubul poros cu aspirație utilizand legea lui Darcz pentru a descrie viteza de filtrare a peretelui poros. Terril demonstrează că pentru obtinerea unei aspirații uniforme este necesar schimbarea secțiunii axiale cu o alta secțiune transversală folosindu-se de o soluție similară obținută pentru debitul de curgere suprapus pe fluxul Poiseuille.
Pe parcursul microfiltrării transversale a unei materii cu substanțe solubile solide , materia este pompată de-a lungul suprafașei membranei. Aplicarea presiunii face ca fluidul să pătrundă prin pori, iar solutul să fie respins de membrană. Astfel de metode de microfiltrare transversală au fost analizate de numeroși cercetători.
Scopul lucrării este de a utiliza analiza produsului finit pentru simularea fluxului combinat liber si poros intr-un proces dinamic de microfiltrare. Avantajul acestui model este acela că poate fi usor de aplicat pe orice tip de membrană si poate dertermina fluxul permeabilității pe diferite dimensiuni si presiuni ale membranei, debit sau temperatură.
Această metodă poate fi folosită in analiza inginerească și in proiectarea proceselor de filtrare cu curgere transversală.
Aparatul experimental este ilustrat schematic in Fig. 4. Probele de bere din experiment au fost produse de Compania Iran Behnoosh. Alimentarea a fost compusă din berea clarificată, fără alcool și ținută la o temperatură de 7 ± 0,5 ° C. Experimentele au fost efectualte la o presiune transmembranară constantă.Permeatul a fost returnat în tancul de alimentare pentru a preveni mmodificarea concentrației alimentării pe parcursul experimentului.
Membrana tubulară ceramică de microfiltrare cu o medie nominală a dimensiunii porilor de 0,45 microni a fost făcută din alumină. Membranele au avut un diametru exterior de aproximativ 4,8 cm și o lungime de 20cm. Diametrul interior al membranei a fost de 3,4 cm si suprafața sa activă de 300 cm².
Membranele anorganice au o rezistență mecanică, chimică și termică mai bună. Ele oferă o performanțe ridicată în procesul de clarificare al berii unde este necesară o igienă riguroasă.
Așadar, prima oara, acest model a fost testat cu un flux de apă distilată, ulterior cu flux de bere, pentru a verifica membrana de filtrare pentru aceasta. Modelul bazat pe teoria de curgere a fluidului in medii poroase și legea lui Darcy au fost utilizate in combinație cu regimul de curgere în modul, dupa care rezultatele au fost comparate cu masurătorile experimentale. S-a arătat ca porii au fost îngustați, iar delcinul comportamentului fluxului a fost prezis cu succes. [12]
Fig. 4 Aparatul experimental de filtrare cu memmbrană transversală
Pervaporația este un proces de membrane relativ nou, care poate fi aplicat în dezalcolizarea băuturilor. În procesul de pervaporizare, lichidul alimentat intră în contact cu o membrană polimerică densă, compușii volatili pătrund prin membrană și se evaporă prin partea de jos a membranei, ținută sub condiții de vacuum. Presiunea parțială a compușilor din zona de alimentare (zona lichidă) este legată de concentrație și presiunea saturației, în timp ce compușii din partea filtratului (faza gazoasă) depind de concentrația lor și de presiunea totală a filtratului. Înainte să ajungă în sistemul de vacuum, permeatul este colectat intr-un condensator cricogenic. [16,17]
Pervaporația poate fi folosită pentru dezalcolizarea berii folosind membrane hidrofobice acestea favorizând pătrunderea alcoolului înainte pătrunderii apei. Cu toate acestea. Cei mai mulți compuși aromatici au o afinitatea mare pentru membranele hidrofobice decât alcoolul, rezultând o bere dezalcolizată cu o aromă sărăcaciosă. [16,18] Ulterior sunt folosite membranele hidroficile pentru dezalcolizarea berii. Aceste membrane sunt sunt foarte permeabile pentru apă, permeabile pentru compușii puțin hidrofobici cum ar fi alcoolul și putin permeabile pentru speciile hidrofobice, cum ar fi compușii aromatici. În acest caz, apa este mai permeabilă decat alcoolul. Folosind o presiune joasă a vaporilor de apă de partea permeatului pentru a menține presiunea parțială pentru toți compușii aromatici, debitul apei este redus și numai câțiva compuși aromatici si alcoolul trec prin membrană. [16,19] În ciuda calitații foarte b une a berii fără alcool obținute, această metodă este doarte scumpă și nu s-au găsit aplicații industriale. De asemenea, costurile asociate sistemului de vacuum și condensare folosite oentru dezalcolizare sunt foarte ridicate. [18]
2.2 Recuperarea compușilor aromatici din bere
Recuperarea compușilor aromatici din bere are un rol important în ceea ce priveste producția de bere fără alcool, deoarece cele mai multe dintre procesele mai sus menționate de producția a berilor fără alcool. Cele mai populare procese de fermentare intreupte evită formarea de compuși aromatici, asadar berea rezultată are un gust specific.Pe de altă parte, procesul de îndepărtare a alcoolului invocă și pierderea compușilor aromatici ca o consecință a reacțiilor chimice sau pierderilor fizice. [1]
Este de preferat ca adăugarea aromei să fie recuperată din surse originle. Recuperarea compușilor naturali din bere se poate realiza astfel:
Îndepărtarea compușilor aromatici pierduți, prin fluxuri laterale ale sistemului de dezalcolizare;
Extracția compușilor aromatici direct din berea originală, înainte ca aceasta să fie supusă dezalcolizării.
Este preferată a doua abordare, deoarece în mod normal, compușii aromatici sunt foarte sensibili și ar trebui să sufere cât mai puține tratamente posibile. În ambele cazuri compușii aromatici recuperați sunt adaugați berii dezalcolizate pentru a completa aroma.
Componenții aromatici ai berii mature, sunt caracteristici berii finite și includ alcooli superiori și esterii. Concentrația lor crește în timpul maturarii berii. Concentrația de alcooli superiori și esterii, într-un anumit domeniu de valori, este esențială pentru o calitate mai mare de bere.Alcoolii superioro sunt compusi în concentrație mai mare în bere, avand o mare contribuție pentru aroma si gust. Există mulți alcooli superiori în bere, din care cei mai importanti pentru aroma sa sunt: Propanol, izobutanol, 2-methylbutanol și 3- methylbutanol (isoamyl alcool). Acesti alcooli contribuie la aroma berii prin intensificarea tăriei alcoolice sau solventului aroma, asemenea inocula o senzație calda la degustare. În plus, alcoolul isoamyl contribuie la un gust fructat si dulce.
Esterii sunt cel mai important grup de compuși aromatici. Aroma esterilor este foarte mică rezultând o mare contributie la aroma și gustul berii[ 1]. Esterii sunt responsabili de aroma dulce si parfumul fructat al berii. Grupul principal al esterilor aromatici sunt esteri precum acetatul de etil și acetatul isoamyl.
Procesele de membrane, (Tabelul1) este cea mai bună abordare pentru recuperarea compușilor aromatici pierduți pe parcusul eliminării alcoolului. După cum am descris mai înainte acest proces de separare are numeroase avantaje făcând comparație cu procesele tradiționale de separare:
Costurile de operarea a proceselor de bază de membrane sunt în general scăzute;
Ela pot fi realizate la temperaturi joase;
Nu necesită aditivi chimic, cum ar fi solvenți sau adsorbanți. [22,23]
Comparând procesele de membrane mai sus descrise, toate dintre acestea permit pătrunderea compușilor aromatici împreună cu etanolul. Cu toate acetstea nanofiltrarea, osmoza inversă, distilarea osmotică și dializa ne indică o permeabilitatea mai mare la etanol comparănd cu compușii aromatici. Ca rezultat, permeatul constă intr-o soluție apoasă cu conținut ridicat de etanol. Pentru a îmbunătății aroma berii dezalcolizate prin returnarea compușilor aromatici, rezultatul, va fi o bere cu un conținut de alcool peste limitele legale sau cu o concentrație insuficientă de compuși aromatici.
Pervaporația este probabil procesul de membrana care are cea mai mare selectivitate a aromei și care are cel mai mare raport de extracție aroma-etanol. [22,23] Ca și rezultat, permeatul obținut are o concentrație mare de compuși aromatici și este nevoie decât de o înmbunătățire a aromei de profil a berii dezalcolizate fără a crește semnificativ conținutul de alcool. În ciuda costurilor ridicate legate de procesul de pervaporație, acest proces este utilizat pentru recuperarea compușilor aromaticiaceasta fiind posibilă deoarece cantitățile mici de permeat sunt necesare pentru îmbunătățirea aromei de profil a berii epuizate.
2.3 Pervaporația – metodologia pentru îmbunătățirea calității berii fără alcool prin recuperare aromei
Două beri diferite, o bere specială (5.5 % ) și o bere rezervă (6.5 %) au fost pervaporate pentru a regăsii aroma ce ar trebui adăugată într-o bere cu puțin alcool ( mai puțin de 1 %) și intr-una fără alcool ( mai puțin de 0.1 %) pentru a îmbunătății calitatea senzorială. Analiza senzorială a confirmat realizarea acestui fapt.
Prin procesul de pervaporatie, trei constituenți aromatici ai berii ( izobutil alcool, etil acetat și izoamil acetat) au fost analizați in detaliu. Selectivitățile au fost prezise cu aproximatie de un model simplu bazat pe parametrii de solubilitate Hilderbrand pentru polimeri și speciile din soluție. Conform modelului, un polimer va transmite o specie aproape perfectă dacă solubilitatea parametrilor coincide.
Acest model ajuta la calcularea selectivităților relative din solubilitatea parametrilor și poate servi drept ghid pentru alegerea membranelor pentru anumite regelmentari de separare in procesarea alimentelor sau altor probleme de separare unde pervaporația poate fi de mare ajutor.
Introducere
Berea este obținuta prin fierberea și fermentarea amidonului de ( derivat in principal din malț de orz) germinat in apa cu drojdie. Este o băutura traditionala și strans legată de cultura Mediteraneana. Studiile recente au demonstrat că un consum moderat al berii produce efecte benefice pentru sanatate.
Berea fără alcool este o bere cu alcool foarte puțin sau fără alcool. În funcție de reglementarile fiecarei țări, cerintele pentru pragul maxim de alcool sunt diverse. În marea majoritate a țărilor UE, berea cu puțin alcool este împărțita în bere fără alcool, bere cu mai puțin sau egal cu 0.5 % alcool și bere cu puțin alcool, unde alcoolul nu depășește 1.2 %. Totuși, in USA, bere fără alcool inseamnă că alcoolul nu este prezent, in timp ce 0.5 % corespunde limitei superioare a asa zisei berii fără alcool sau "aproape bere".
Piața pentru bauturi non-alcoolice s-a imbunătățit în ultimii 5 până la 10 ani în principal din cauza regulilor condus/baut, unui regim de viata mai sanatos și din motive religioase. Totuși, berea cu foarte puțin și deloc alcool diferă în gust și savoare față de berea normala. Asta provine din lipsa gustului cauzata de absența etanolului și a altor alcooluri, unele componente favorabile lipsesc din cauza că etanolul functioneaza ca și solvent și riscul de contaminare a berii fără alcool cu microorganisme dăunatoare creste datorita lipsei de etanol. Prin urmare, devine important să aducem aroma pe aceeasi linie cu cea a omologilor cu alcool. În ciuda descoperirilor recente, încă exista un gol în piața care asteaptă sa fie umplut.
Băuturile non-alcoolice obișnuite, cum ar fi berea și vinul, sunt produse prin fermentare. În timpul procesului, drojdia produce bi-produși, cum ar fi alcooluri înalte și esteri, aducând o mare contribuție aromei și gustului băuturii. Dacă fermentarea este întrerupta, savoarea băturii non-alcoolice nu se îmbunătățește până la aroma tipica din băuturile alcoolice. Sunt alte procedee de a produce băuturi non-alcoolice, prin restrcția fermentării etanolului, ca folosirea unei drojdii speciale sau imobilizata ca și folosirea unor materiale crude cu un nivel scazut de zahar.
Alternativ, băuturile non-alcoolice pot fi produse prin înlăturarea etanolului dintr-o băutura complet fermentata. Cele mai comune tehnici de dezalcolizare a bauturilor sunt tratamentul cu căldură sau procedeele bazate pe membrane. Tratamentul cu căldura include vaporizarea și distilarea sau îndepartarea vaporilor, în ambele cazuri sub conditii de vacuum. Procedeele bazate pe membrane includ osmoza inversa, nanofiltrarea, dializa și pervaporizare.
Pervaporizarea este un proces folosit pentru separarea unuia sau mai multor componenți dintr-un lichid folosind membrane semipermeabile în care permeatul iese ca vapor în partea cu presiune scazută a permeatului unde este vid, în timp ce materialul reținut ramane sub forma de lichid. Permeatul care este în stare de vapori este apoi condensat și va fi reintrodus în produsul final. Retentatul păstreaza alte componente și pot fi folosite de alte procedee sau reciclate pentru separari viitoare.
Pervaporizarea este unul dintre cele mai eficiente procedee de membrana pentru recuperarea aromei în băuturi. Membranele pervaporizării sunt foarte selective pentru câteva grupuri importante de chimicale în profilarea aromei băuturilor. În timpul anului trecut, pervaporizarea a fost aplicată cu succes pentru a descoperii componenții aromatici din sucuri de fructe pentru adăugarea ulterioara aceluiasi suc, după concentrarea prin evaporare. Pervaporizarea a fost de asemenea aplicată, de-a lungul ultimilor ani, pentru reducerea etanolului și recuperarea aromei din băuturi alcoolice. A fost de asemena utilizată în dezalcolizarea vinului. Această metoda a fost folosita și în procesul de dezvoltare al berii non-alcool.
Catarino a încercat să extragă și să analizeze sapte componenți aromatici care caracterizează profilul unei beri produsă prin pervaporizare. Componenții analizați au fost patru alcooli ( etanol, propanol, izobutanol și alcool izoamyl), doi esteri ( acetat etil și acetat izoamil) și o aldehida (acetaldehida) . Ratia alcool/ester a crescut odata cu creșterea temperaturii și s-a diminuat odata cu presiunea.
În 2010 Catarino produce bere fără alcool extrăgând în primul rând aroma prin pervaporizare folosind membrane tip POMS/PEI și apoi procedând la dezalcolizare prin coloana de distilare; aroma extrasă a fost reintrodusa și ulterior atât calitatea aromei cât și productivitatea procesului au fost evaluate.
Pervaporizarea reprezintă o alternativă la procesul convențional de separare, cum ar fi, distilarea cu abur, extragerea lichidului solvent și distilarea cu vacuum. Consumul de energie este în general mai mic și nu este nevoie de aditivi chimici. Mai mult, pot fi folositi la temperaturi joase, ceea ce este esential daca se doreste separarea componentilor senzitivi de aromă.
Scopul acestei lucrări a fost dezvoltarea unei beri non-alcool recuperând aroma din berea normală prin pervaporizare și încorporarea mai târziu într-o bere fără alcool.
Materiale
Membrane : Membrana folosită a fost o membrană hidrofobică comercializată de Pervatech, cu suport PET (polietilena), o membrană de ultrafiltrare intermediară de polimidă și un strat subțire de PDMS(poli-di-metil-siloxane) cu caracteristici hidrofobic/organofilic care permit un flux organic ridicat. Grosimea stratului activ PDMS este 1 µm.
Bere : S-au folosit patru tipuri de bere, deși toate sunt beri lejere. O bere speciala cu 13.10% extract Original Gravity, OG cu 5.5% alcool pe volum, ABV, și o bere Reserve, 15.05% extract OG și 6.5% ABV. Pe de alta parte, am folosit o bere cu alcool puțin ( mai putin de 1% ABV) care provine din berea specială și o bere fără alcool ( mai putin de 0.1% ABV) care provine din berea Reserve.
Reactivi : Am utilizat patru reactivi pentru a produce solutia sintetica pentru experimentul initial: etanol (96.0%), izobutil alcool (99.0%), etil acetat (99.5%) și azoamil acetat (98.0%), toate de la Sigma-Aldrich.
Sistemul de pervaporizare : Dispozitivul experimental este descris în Fig. 1. Membrana este într-o celula plată care asigura o membrană activă cu suprafața activă A= 6.6*10̄ ³ m². O pompa extrage soluție sau bere pentru a pervapora din rezervorul de alimentație termostatat. Fluidul circulă tangential pe membrană pentru a limita efectele concentratie-polarizare. Jos, dupa celula membrană, o pompa de vacuum reduce presiunea la 1 mbar. Permeatul condensează în capcane reci de nitrogen lichid.
Fig 1. 1- baie cu termostat ; 2- Tanc de alimentare; 3- Pompă; 4- Membrană; 5-Valvă; 6- Transformator de presiune în vid; 7- Răcitor; 8- Supape; 9- Pompă de vid
Conditiile gazului cromatologic (GC) : Sistemul GC consistă într-un cromatograf Agilent Technologies 7890 A. Volumul de injecție a fost 1 µl. O coloana Nucleosil C18 (250*4.6 mm, 5 µm) a fost folosită și gazul conductor a fost He 34.62 cm/s 16.057psi (35°C).
S-a demonstrat că pervaporația poate fi folosită la recuperarea cmpușilor aromatic din bere. Adăugarea acestor compuși aromatic berii dezalcolizate intensifică aroma.
O importanță majoră au avut-o și polimerii din care au fost făcute membanele. Aceasta aprobă ecuația de mai jos, polimerele transmit aproape perfect speciile dacă paramatrii lor de solubilitate coincid. Un polimer un poarametru de solubilitate adecvat ne permite să obținem membrane selective pentru mai mulți compuși volatili. În mod clar, concentrațiile de alimentare similare sunt recuperate în moduri diferite pentru a face solubilitățile lor diferite.
Calculul selectivității relative din parametrii solubilității ajută în întregirea procesului și în selecția membranei pentru a completa cerințele specifice separării. O selecție bună a membranei ar putea fi cheia pentru o productivitate ridicată în ceea ce privețte recuperarea aromei din bere și a altor procese de pervporație.[24]
2.4 Berea fără alcool – Un nou process industrial
Această lucrare studiază un nou process industrial de producție a berii fără alcool cu o corecție a aromei de profil. Compușii aromatici sunt obținuți prin pervaporație din berea original. Sunt ivenstigate condițiile operaționale alea acestei etape folosind membranene composite polyoctylmethylsiloxane/polyetherimide (POMS/PEI).Temperatura ridicată de permeabilitate și debitul de alimentare scăzut sunt cele mai importante pentru a maximize fluxul de permeație și echilibrul aromei de profil. Fluxul de bere cu conținut minimizat de aroma este adăugat fluxului de alimentare al unității industriale de filtrare prin coloana de distilare pentru dezalcolizare. În această etapă băutura are contact contra-current cu un flux de vapori de apă care separă etanolul și compușii aromatici volatile din bere. După dezalcolizare , berea este amestecată cu extractul de compuși aromatici și cu o parte din berea original cu scopul realizării unei beri fără alcool (conținut de alcool mai mic de 0,5% vol) cu un gust bun. Acest proces industrial nou a dovedit dezalcolizarea berii cu un gust foarte apropiat de cel original.
Procesele de membrană s-au dovedit a fi eficiente pentru recuperarea aromei înainte de prelucrarea băuturilor (dezalcolizare). Procesele de membrană au mai multe avantaje decât procesele de căldură sau de extracție cu solventi tradiționali, consumul de energie este în general mai mic și nu este nevoie de aditivi chimici. Ele pot avea procese la temperaturi scăzute , care sunt esențiale atunci cănd compușii aromatici sensibili urmează a fi separați. Unul dintre cele mai eficiente procese de membrană este pervaporația. Pe lândă avantajele menționate, mai sus membranele utilizate în pervaporație sunt foarte selective pentru mai multe grupări chimice care constituiesc aroma băuturii de profil. În ultimii ani procesul de pervaporație a fost apicat cu succes pentru recuperararea compușilor aromatici din sucurile de fructe și adăugarea ulterioară la același suc, după concentrare prin evaporare. Pervaporația a fost de asemenea aplicată și pentru îndepărtarea etanolului și recuperarea aromei la băuturile fără alcool. Obținerea compușilor aromatici din bere prin pervaporație a fost studiată recent de autori folosind metodologia răspunsului de suprafață (RSM) pentru evaluarea efectului condițiilor de operate în fluxul membranar și selectivitatea acesteia. Mai mult decât atât, procesul ce presupune extracția compușilor aromatici din băuturi înaintea dezalcolizării și ulterior adiția acesteia în băutura fără alcool, a fost brevetat.
Această lucrare studiazăprocesul industrial pentru producerea berii fără alcool (conținut mai mic de 0.5% vol) cu o aromă îmbunătățită. Dezalcolizarea berii este realizată prin coloană de distilare, conform procesului descris. Berea dezalcolizată este amestecată cu bere alcoolică proaspătă și compușii naturali extrași. Acești compuși aromatici sunt obținuți prin pervaporația berii originale folosind membrane POMS/PEI. Efectul temperaturii de alimentare și debitul de curgere din aroma de profil pervaporată a fost evaluată. Condițiile de operare au fost selectate pentru ca berea dezalcolizată să aibă o aromă de profil echilibrat.
Materiale și metode
Procesul de producere a berii fără alcool prin pervaporație pentru extracția compușilor aromatici prin coloana de distilare pentru îndepărtarea alcoolului.
În prima etapă a procesului o parte din berea alcoolică necarbocazoasă este pervaporată pentru extracția compoșilor aromatici. Fluxul de material reținut în urma pervaporației este adăugat fluxului de alimentare al instalației de distilare SCC. În SCC fluxul intră în contact cu un contra curent cu vapori de apă ce separă alcoolul și ceilalți compuși volatili. În final , compușii aromatici rezultați din pervaporație și o parte din bera originală se adaugă peste berea dezalcolizată pentru a echilibra lipsa compușilor aromatici.
Rezultate și discuții
Eficiența procesului de pervaporație a fost evaluată în ceea ce priveste productivitatea și calitatea aromei extrase (selectivitatea membranei, concentrația filtratului și echibrul între compușii aromatici din permeat).
La starea de echilibru, fluxul de permeat (Jp) este dat de relația:
Unde
-masa permeatului colectat după decongelare.
Selectivitatea membranei au dus la compararea compuților aromatici i cu alcoolul E obținută prin:
, – fracțiile masice ale permatului condensat al compușilor aromatici și respectiv a etanolului;
, – fracțiile masice ale compușilor aromatici și al etanolului la alimentare.
Factorul de îmbodățire al compușilor aromatici este compus din:
Undr și sunt concentrațiile compușilor aromatici din permeat respectiv din fluxul de alimentare.
Echilibrul permeatului extras a fost evaluat ca fiind raportul dintre cantitatea totală de alcooli superiri și cantitatea totală de esteri:
Unde a-e este raportul dintre alcoolii superiori și esteri , iar C este concentrația specifică fiecărei categorii din permeat.
În această lucrarea s-a urmărit producerea unei beri fără alcool folosind o noua instalație industrială. Procesul cuprinde două categorii: o unitatea care pervaporează compușii aromatici din fluxul de alimentare al berii și o distilare în SCC, care ăndepărtează etanolul, după pervaporație. Berea dezalcolizată este apoi amestecată cu berea proaspătă și cu extrasii de compuși aromatici, în scopul de a îmbunătății aroma de profil a berii.
Distilarea in SCC s-a dovedit a fi un proces eficient de a elimina alcoolul din bere. Această unitatea de extracție funcționează sub vid (50 mbar, temperature medie de 50 °C) și utilizează un flux de vapori de apă pentru a accentua îndepărtarea etanolului. Cu toate acestea, SCC separă fluxul de alimentare cu bere de compușii aromatici. Procesul de pervaporație foloseste patru module de membrane din POMS/PEI și operează la o presiune a permeatului între 1mbar și 8 mbar și la o temperature de condensare între 75°C – 85°C. Mai multe experimente de pervaporație au fost efectuate pentru a evalua influența temperaturii de alimentare și debitul de compuși aromatici extrași. S-a constatat că acetse variabile de operare efecteză presiunea permeatului și temperature de condensare., cele mai bune condiții obținându-se la o temperatură de alimentare de 25°C și un debit de alimentare de 500L , care să permită eliberarea maximă de permeat și un bun echilibru al aromei de profil. În jur de 0.3 %vol din aroma extrasă și 5-10%vol bere proaspăta sunt adăugate berii dezalcolizate pentru a echilibra lipsa aromei, fără a depășii limita de 0.5% vol alcool.
În timpul extracției industriale a compușilor aromatici din bere s-a observant o scăderea a concentrației și a debitului de permeat după 8 luni de funționare. Acest proces de îmbătrânire a fost verificat în laborator. S-a ajuns la conlcuzia că îmbătrânirea membrane poate fi prevenită dacă membranele nu au fost lăsate să se usuce. Pe de alta parte au fost evaluate soluții pentru îndepărtarea încărcăturii membranare . Cea mai bună performanță a avut-o soluția Divos 123 cu Boster (Johnson Diversey). Această soluție nu a indicat nici un effect negative asupra Fluxul membrane de pervaporație și selectivitate.[25]
2.5 Studiul și optimizarea recuperării aromei din bere prin pervaporație
Această lucrare studiază extracția aromei din bere prin pervaporație, folosind membrane compozite asimetrice din polyoctymethylsiloxane/polyetherimide (POMS/PEI). O metodologie de suprafață a fost folosită pentru a descrie influența condițiilor de operare asupra ferformanței procesului. Factorii luați în considerare pentru proiectarea experimentelor au fost temperatura de alimentare, viteza de alimentare și presiunea de permeabilitate. Răspunsurile au fost cu privire la fluxul de permeat, selectivitatea aromei-etanolului, concentrația de alcool și raportul dintre alcoolii superiori și concentrația esterilor din permeat.
S-a concluzionat faptul că fluxul membranei crește cu temperatura și viteza de alimentare, în timp ce scade cu presiunea de permeabilitate. Selectivitatea aromei este afectată de condițiile de operare în funție de natura lor. Metodele de RMS au generat interpolarea modelelor polinomiale care descriu relația între condițiile de operare și răspunsurile procesului. S-a stabilit o bună evaluare între valorle experimentale și cele prezise. Condițiile optime de funcționare au fost 12,4° C pentru temperatura de alimentare, 0.45mspentru viteza de alimentare și de 1,0 mbar pentru presiunea permeatului. Pentru
aceste condiții fluxul de permeat s-a prezis a fi 7,26 kgm-2 s-1; selectivitatea alcoolilor superiori
variază între 1.31-3.39; selectivitatea esterilor variază între 14.46 la 17.10 și raportul ridicat alcooli / esteri 1,07. Rezultatele experimentale au fost similare cu valorile prezise.
Aroma de profil a berii este alcătuită din mai mulți compuși organici volatili la o concentrație mică (nivel de ppm), care sunt responsabili de aroma berii. Compuși din mai multe gruoe chimice, cum ar fi alcoolii, esterii, aldehidele, lactonele,acizii carboxilici si fenolii, pot fi găsiți în compozitia berii și dau berii o aromă specifică . Esterii sunt responsabili de aroma dulce și fructată a berii, în timp ce alcolii superiori , care sunt grupul principal al compușilor aromatici din băuturi, conferă o aromă alcolică și fructată berii. Cea mai importantă aldehidă din bere este acetaldehida și este asociată cu prospețimea băuturii. Relația dintre totalul alcoolilor superiori și concentrațiile totale ale esterilor este un indicator important pentru evaluarea aromei berii. Acesta de indică dacă berea are un caracter alcoolic sau fructat.
În ultimii ani s-a observat o piață tot mai mare de bere fără alcool. Cu toate acestea, unele tipuri de beri fără alcool sunt respinse de către consumatori din cauza lipsei de aroma și gust. Procesele de dezalcolizare pot cauza pierderea aromei originale, din cauza temperaturilor ridicate și reacțiilor chimice care transformă compușii aromatici. Ca urmare, calitatea senzorială de preparare a cafelei finale
este foarte diferita de cea originală, deși băuturile cu conținut de alcool scăzut sunt produse comercialea atat timp cât aroma de profil este apropiată de cea a
berii originale.
În industria băuturilor de obicei se adaugă compuși aromatici pentru îmbunătățirea aromei de profil a berii fără alcool obținută prin dezalcolizare. Compușii aromatici pot fi comerciali sau pot proven din prelucrarea berii. Această ultimă strategie este preferată deoarece aromele extrase din berea original au o valoare comercială mai mare. Lucrarea prezintă un nou proces și anume, extracția aromei din berea original, dinaintea dezalcolizării prin pervaporație. Aceste arome sunt apoi adăugate produsului dezalcolizat.
În prezent există o serie de procese care permit recuperarea aromei, printre care, procesele de membrană, unul dintre acestea fiind pervaporația. Pe lângă selectivitatea ridicată a membranelor, procesul de pervaporație se poate realiza la temperature joasă care este de preferat pentru tratamentul termo-sensitiv al compușilor aromatici. Pe de altă parte, pervaporația necesită un consum de energie scăzut și fără aditivi chimici; se realizează o separare fizică care este comparată cu alte tipuri de separare.
Diverși autori au studiat extracția aromei prin pervaporație precum și efectul cel mai critic al condițiilor de operare.
În această lucrare a fost studiată extragerea aromei berii prin pervaporație utilizând o membrană POMS. Această aromă a berii este destinată pentru a corecta aroma de profil a aceleiași beri după procesul de dezalcolizare. Prin metodologia RSM a fost evaluat efectul variabilelor independente asupra performanței procesului și optimizarea condițiilor de funcționare. Analiza RMS a fost realizată cu un software JMP 5.01. Celelalte modele au fost montate folosind rezultatele CCD care descriu efectele condițiilor de operare asupra răspunsurilor proceselor. Aceste modele au fost folosite pentru a compara rezultatele experimentale cu cele prezise. Pe de altă parte aceste modle sunt folosite pentru evaluarea efectului critic al condițiilor de operare asupra răspunsurilor și optimizarea acestor condiții. [26]
2.6 Metode de analiză
Berea se fabrică după instrucțiunile tehnologice aprobate prin licență de fabricație, cu respectarea dispozițiilor legale sanitare în vigoare.
Materiile prime și auxiliare folosite la fabricarea berii trebuie să corespundă standardelor de stat sau normelor tehnice interne, precum și dispozițiilor legale în vigoare.
La fabricarea berii nu se admit adaosuri de substanțe îndulcitoare sintetice, neutralizante, antiseptice și coloranți sintetici.
La fabricarea berii se admit adaosuri de orz sau alte cereale și zahăr, în proporție de maximum 30% din cantitatea totală de materie primă folosită, cu excepția berii caramel, la care adaosurile admise sunt de maximum 60%.
Analiza berii cuprinde cinci grupe de determinări:
Determinări legate de însușirile organoleptice ale berii: conținutul în acid carbonic, în acizi volatili, în esteri, în alcooli superiori, culoarea, capacitatea de spumare, densitatea și persistența spumei.
Determinări legate de stabilirea extractului mustului primitiv, cum ar fi: extractul aparent, extractul real, conținutul în alcool.
Determinări legate de compoziția chimică a berii și de valoarea sa nutritivă: conținut în azot, în zahăr, în dextrine, gradul final de fermentare, ș.a.
Determinări legate de stabilitatea berii, cum ar fi: conținutul în oxigen, truburile și identificarea lor, examenul microbiologic al berii, ș.a.
Determinări legate de identificarea tratamentelor speciale și ale falsificărilor: identificarea pasteurizării, a substanțelor îndulcitoare, a substanțelor colorante și a dezinfectanților.
Vom discuta în amănunt despre aciditatea berii și analiza acidității totale.
Aciditatea totală reprezintă un indicator de calitate ce caracterizează prospețimea berii.
Aciditatea totală a berii se determină prin:
titrare în prezența fenolftaleinei ca indicator;
titrare potențiometrică.
Berea slab alcoolică trebuie să aibă aciditatea totală max. 3,3 grade de aciditate, berea blondă obișnuită max. < grade de aciditate iar berea brună obișnuită max <,3 grade de aciditate.
Principiul metodei
Se titrează aciditatea probei de analizat cu o soluție de hidroxid de sodiu cu titru cunoscut, în prezența fenolftaleinei ca indicator.
Reactivi
Hidroxid de sodiu, soluție 0,1 n;
Fenolftaleină, soluție 1% în alcool etilic 70% vol.
Pregătirea probei pentru analiză
Pentru analiza fizică și chimică (cu excepția determinării dioxidului de carbon) în prealabil se elimină din proba de laborator dioxidul de carbon, astfel: într-un balon cu fund plat se toarnă 250÷400 ml, se aduce la temperatura de 200C și se agită până ce nu se mai simte presiunea gazului din interiorul balonului, când se astupă gura acestuia cu palma. Apoi berea se filtrează. Primii 50 ml din berea filtrată se îndepărtează.
Modul de lucru
Într-un vas conic, se introduc 250 ml apă distilată și se aduc la fierbere, continuând fierberea timp de 2 minute. Se adaugă, cu o pipetă, 10 ml bere de analizat, în prealabil pregătită.
Se continuă încălzirea încă 1 minut. Sursa de căldură se va regla astfel încât, pe parcursul ultimelor 30 secunde, conținutul vasului conic să fiarbă. Se îndepărtează sursa de căldură, se agită vasul conic timp de 5 secunde, apoi se răcește rapid la temperatura camerei.
Se adaugă 1 ml fenolftaleină și se titrează cu hidroxid de sodiu, soluție 0,1 n, până la apariția culorii roz care trebuie să persiste timp de 1 minut.
Pentru o apreciere corectă a virajului culorii, titrarea se face comparativ cu o probă martor, constituită din același volum de bere, prelevat din eșantionul pregătit, care s-a adăugat în 250 ml apă distilată.
Calcul și exprimare rezultate
Aciditatea totală, exprimată în mililitri hidroxid de sodiu, soluție 1 n, la 100 ml bere, se calculează cu relația:
Aciditatea totală = , [ml NaOH soluție 1 n la 100 ml]
în care:
V – volumul soluției de hidroxid de sodiu 0,1 n folosit la titrare, în ml;
0,1 – factor pentru transformarea volumului de hidroxid de sodiu, soluție 0,1 n;
V2 – volumul de bere de analizat luat în lucru, în mililitri;
f – factorul soluției 0,1 n de hidroxid de sodiu.
Rezultatul se exprimă cu o zecimală. Ca rezultat se ia media aritmetică a două determinări efectuate în paralel.
Titrare potențiometrică
Principiul metodei
Titrarea potențiometrică a probei de bere de analizat, cu o soluție de hidroxid de sodiu de titru cunoscut.
Aparatură și materiale
PH- metru, care să permită măsurarea valorii pH cu exactitate de 0,05 unități de pH, prevăzut cu electrod de sticlă. În timpul măsurărilor, pH-metrul trebuie să fie protejat de efectele de inducție, care provin de la sarcinile electrice exterioare;
Vas pentru titrare, de mărime suficientă pentru a permite introducerea probei de bere, a electrodului pH-metrului, a capătului biuretei și a paletei agitatorului;
Agitator mecanic sau electromagnetic;
Microbiuretă;
Termometru.
Reactivi
Hidroxid de sodiu, soluție 0,1 n, lipsită de dioxid de carbon;
Soluție tampon, cu pH cunoscut, pentru calibrarea pH-metrului conform instrucțiunilor producătorului. De exemplu, o soluție cu pH =7,0 se prepară astfel: la 50 ml fosfat monopotasic, soluție 0,1 m (13,62 g KH2PO4 la 1 l apă), se adaugă 29,63 ml hidroxid de sodiu, soluție 0,1 n se aduc la 100 ml cu apă distilată.
Mod de lucru
Etalonare pH-metru
Se aduce aparatul la zero, conform instrucțiunilor de folosire.
Se aduce soluția tampon la 200C și se reglează aparatul pentru această temperatură, folosind butonul destinat acestei operațiuni.
Se introduce electrodul în soluția tampon cu pH cunoscut și se menține timp de 1 min. ÷ 5 min.
Se citește valoarea pH-ului pe scara aparatului. Se scoate electrodul din soluția tampon și se clătește cu apă distilată, apoi se tamponează ușor cu hârtie de filtru.
Determinare
Se adaugă, cu pipeta, în paharul pentru titrare, un volum de probă de analizat corespunzător capacității vasului pentru titrare.
Se introduce electrodul în proba de bere. Se pornește agitatorul și se titrează cu hidroxid de sodiu, soluție 0,1 n, până la valoarea de pH = 8,2. Hidroxidul se adaugă în porțiuni de circa 1,5 ml, până la pH = 7,6, apoi în porțiuni mai mici, de circa 0,1 ml, până se atinge, cu exactitate, valoarea de pH = 8,2.
Înainte să se efectueze citirea la pH = 8,2, echilibrul de pH atins trebuie să fie stabil. După fiecare determinare, se spală electrodul cu apă distilată, apoi se imersează în apă distilată.
CAPITOLUL III
DIMENSIONAREA THNOLOGICĂ
3.1 Elemente teoretice
Schema de principiu pentru pervaporarea berii este descrisă în prima planșă din anexă.
Schema de clarificare avinului este alcătuită din următoarele componente:
– rezervor;
– pompă cu aer ;
– suport cu membrană;
– schimbător de caldură tubular.
Rezervorul are rolul de a depozita berea ce urmează a fi supus tratamentului.
Pompa cu aer are rolul de a transporta fluidul către membrană.
Schimbatoarele de căldură reprezintă aparate care au drept scop transferul de caldură de la un fluid la altul în procese de încălzire, fierbere, evaporare, condensare, răcire sau în alte procese termice în care sunt prezentate două sau mai multe fluide cu temperaturi diferite.În cadrul instalatiilor tehnologice, aparatele de schimb de căldura ocupa o pozitie particulara, ele putând funcționa fie ca organe principale, când constituie părți determinante ale unor procese tehnologice sau ale unor procese exclusiv termice, fie ca organe secundare, introduse in instalații din motive economice de caldură sau substanță. Alături de sistemele de conducte și de pompe, schimbătoarele de căldura reprezintă echipamentele termomecanice cele mai numeroase din industrie.
Ca urmare, realizarea instalatiilor tehnologice moderne nu poate fi concepută fără perfecționarea continuă a proceselor și aparatelor de schimb de căldura.
Domeniile de utilizare a schimbatoarelor de căldura sunt foarte variate, destinatiile principale ale acestor aparate fiind urmatoarele:
• schimbul complex de căldura dintre gazele de ardere si apa-aburul din generatoarele de abur.
• transferul de căldura în cadrul proceselor de încălzire, răcire, fierbere, condensare sau alte procese speciale, practic din toate ramurile industriale(industria chimică, petrolieră, energetică, alimentară, metalurgică, constructiilor de masini, ușoară, tehnica frigului și a aerului conditionat, etc.)
• prepararea apei calde si fierbinți în sistemele de termoficare.
• evacuarea în atmosferă prin turnuri de răcire a căldurii reziduale rezultate din procesele industriale.
• procesele complexe de recuperare a căldurii cu potential termic redus pentru încălzire și scopuri tehnologice.
Majoritatea schimbătoarelor de căldură sunt aparate în care sunt delimitate două spații pentru circulația celor două substanțe participante la schimbul de căldura. Peretele care desparte cele două spații este suprafața de transmitere a căldurii sau suprafața de încălzire (ori de răcire). Uneori suprafața desparțitoare nu există, schimbul de căldură între substanțe făcându-se prin contact direct. În aceste cazuri ambele substanțe sunt fluide și formează faze dinstincte, schimbul de căldură este însoțit și de schimb de materie. Dacă una din aceste substanțe este solidă, schimbul de căldură se face – cu excepția sublimării și desublimării – fără schimb de materie.
Un schimbător de căldură trebuie să realizeze un schimb cât mai intens de căldură cu cât mai mică pierdere de presiune a fluidului care circulă prin aparat. O pierdere mare de presiune nu este un inconvenient dacă fluidul se gaseste la o presiune ridicată, impusă de alte condiții thenologice. De obicei însă presiunea lichidelor corespunde înălțimii limitate a rezervorului sau presiunii de pompare și se cere să se găsească compromisul cel mai rațional din punct de vedere economic între un bun schimb de căldură (de exemplu țevi lungi si subțiri) și un cât mai mic consum de energie la pompă.
Schimbătoarele de căldură propriu-zise se clasifică în două grupe:
-recuperatoare. În care schimbul de căldură se face de la fuidul cald la fluidul rece, printr-un perete despărțitor. In regim staționar (permanent)
– regeneratoare, în care schimbul de căldură se face prin intermediul unui solid care înmagazinează câldurâ de la fluidul cald și o cedează apoi fluidului rece, în regim nestaționar, periodic. (Tabel1)
Recuperatoare de căldură
Schimbătoare de căldură cu serpentine
Din marele număr de schimbătoare de căldură existente vor fi arătate mai jos numai tipurile reprezentative sau mai utilizate.
Pentru debite mici de fluid sunt indicate schimbătoarele de căldură cu una sau mai multe serpentine. Aceste aparate sunt formate dintr-un recipient închis sau deschis, prin care trece lichidul rece ( de obicei apă sau saramură) și din serpentinele prin care circulă fluidul cald. Aceste schimbătoare de căldură nu pot fi folosite pentru lichidele care formează cruste sau depuneri greu de curățat, în interiorul serpentinei.
Schimbătoare de căldură cu țevi coaxiale
Tot pentru debite mici de fluide sunt folosite schimbătoarele cu țevi coaxiale. Ele se construiesc prin legarea în serie sau în paralel a unor elemente compuse din două țevi coaxiale prin coturi și punți, înfiletate sau sudate. Aparatul se poate construi cu mijloacele unui mic atelier și poate fi adaptat cu ușurința la nevoile procesului tehnologic pentru care sunt destinate, schimbând lungimea țevilor sau numărul elementelor. Un alt avantaj al acestor aparate, alcătuite din țevi cu diametre relativ mici. Este buna lor rezistența la presiune.
Schimbătoare de căldură tubulare
Cele mai reprezentative și totodată cele mai folosite schimbătoare de căldură sunt cele tubulare. Ele sunt de mai multe tipuri:
Schimbătoare de căldură tubulare simple.
În forma cea mai simplă, schimbătoarele tubulare sunt construite dintr-un fascicul de țevi fixate- la capete- în găurile a două plăci tubulare; la extremitățile fasciculului tubular sunt două camere (de distribuție și de colectare) acoperite cu capace. Fasciculul de țevi este închis într-o manta. Patru racorduri, dintre două la capetele mantalei și câte unul la fiecare capac, pentru intrarea și ieșirea celor doua fluide. Prin această construcție se separă, în interiorul aparatului, cele două spații ale unui schimbătore de căldură: spațiul dintre țevi și manta, și spațiul din interiorul țevilor (împreună cu camera de distribuție și cea de colectare dintre capace și plăcile tubulare). Când schimbătorul este încălzit cu abur, un racord pentru conducta de aerisire este necesar.
Deși schimbătoarele tubulare simple sunt indicate pentru majoritatea aplicațiilor industriale, se construiesc, totuși, numeroase variante îmbunătățite.
Schimbătoarele de căldură tubulare sunt construite in principiu dintr-un fascicul de tevi, montate in doua placi tubulare si inchise intr-o manta prevazuta cu capace, asa cum se observa in figura.
In general tevile sunt laminate si destinate special constructiei schimbatoarelor de caldura. Cele mai utilizate materiale sunt:
Oțeluri pentru temperaturi medii sau joase;
Cupru;
Aliaje cupru+nichel în diferite compoziții (70/30% sau 90/10%)
Aliaje cupru-aluminiu în diferite compoziții (de exemplu 93/7% sau 91/9%)
Diferite tipuri de aliaje cu zinc între 22 și 40%
Oțeluri inoxidabile.
Exista o mare varietate de diametre pentru care sunt produse aceste tevi, dar in general, pentru schimbatoarele de caldura se prefera tevi cu diametre cat mai mici, care asigura un transfer termic mai intens si constructii mai compacte, dar se vor avea in vedere si aspectele legate de pierderile de presiune si de colmatare.
Utilizarea intensa in ultimii ani a freonilor, caracterizati prin coeficienti de transfer termic mai redusi, a dus intre altele si la producerea de schimbatoare multitubulare, dar nu numai, in care se utilizeaza tevi speciale pentru imbunatatirea conditiilor de transfer termic.
3.2 Indicații pentru proiectarea schimbătoarelor de căldură tubulare
Pentru schimbatoarele de căldură fără condensare, poziția verticala sau orizontală a schimbătoarelor de căldură este determinată de locul disponibil și de considerații tehnologice asupra întregii instalații. Când schimbătorul de căldura se fece cu condensare de vapori, coeficientul de transfer este mai mare în țevi orizontale, când condensarea este urmată de răcirea condensatului, așezarea verticală este preferabilă.
Lichidul care formează crustele sau depuneri va curge prin țevi, pentru ca să se poată curata mai ușor. Dacă unul din cele două lichide este la presiune înaltă, el va trece prin țevi, pentru a evita îngroșarea mantalei. Fluidul coroziv va curge prin țevi, pentru a feri mantaua de coroziune. Ca regulă generala, prin tevi va circula fluidul mai cald, cu debit mai mic, cu vâscozitate mai mică, cu presiune mai mare, cel care formează cruste, depuneri, cocs, cristale etc., lichidul coroziv, iar pintre țevi va circula fluidul cu vascozitate mai mare, gazele, vaporii.
Pentru schimbătoarele de căldură industriale, grosimea plăcilor tubulare trebuie să fie cel puțin cât diametrul exterior al țevilor și, în orice caz, peste 22 mm. Grosimea mantalei se ia cu 3 mm mai mare decât cea care rezultă din calculul obijnuit de rezistentă, pentru a ține seama de coroziune. Grosimea șicanelor din spațiul dintre țevi se iau de 4,5-6,0 mm, dar de cel puțin două ori mai mare decât grosimea peretelui țevilor.
Șicanele trensversale se construiesc în trei variante:
discuri (cu diametrul egal cu diametrul interior al mantalei) prevăzute cu găuri prin care trec atât țevile cât și fluidul ( găurile au diametrul mai mare decât țevile, pentru a permite trecerea fluidului); aceste șicane sunt contraindicate pentru fluide corozive și erozive;
discuri (cu diametrul mult mai mic decât al mantalei) alternând cu inele; toate prevăzute cu găuri pentru trecerea țevilor;
segmente de cerc așezate altremativ cu partea teșită sus și jos, de asemenea prevazute cu găuri pentru trecerea țevilor.
Diamereu găurilor ultimelor două tipuri de șicane sunt cu 0,5-1,0 mm mai mari decât diametrul exterior al țevilor.
Țevile schimbatoarelor de căldura se repartizează cât mai uniform pe secțiunea transversală a mantalei, în cercuri concentrice, în pătrat sau în hexagon. Dispunerea țevilor în pătrat are avantajul că permite curățarea din doua direcții. Dispunerea țevilor în hexagon corespunde la utilizarea optimă o secțiunii. Țevile se așează cât mai aproape una de alta pentru a mării viteza fluidului care circulă pintre țevi și pentru a realiza o concentrare mai mare a suprafeței de transfer. Pasul (distanța dintre centrele țevilor) se ia între 1,3 d și 1,5 d ( d fiind diametrul exterior al țevilor) pentru țevile fixate plăcile tubulare prin mandrinare și de 1,25 d pentru țevile fixate prin sudură.[16]
Pre-dimensionarea unui schimbător de căldură
Date de proiectare
Să se pre-dimensioneze un schimbător de căldură care să răcească un debit de 1 kg·s-1 de vin de la temperatura de 50°C la 20°C.
Proprietăți fizice
La pre-dimensionarea schimbătorului de căldură am considerat că proprietățile vinului, care are rolul de fluid tehnologic sunt asemănătoare cu cele ale apei. Pentru proprietățile apei relevante la pre-dimensionarea unui schimbător de căldură am utilizat relațiile:
Pentru densitate:
Pentru viscozitatea dinamică:
Pentru căldura specifică:
Pentru conductivitatea termică:
Relațiile — au fost obținute prin regresie, pe baza tabelelor cu date experimentale. [1] Toate mărimile sunt exprimate în unități de măsură SI, conform Tabel 1.
Tabel 1. Unități de măsură pentru proprietățile apei
Am calculat proprietățile vinului, pe baza proprietăților apei, astfel: am considerat căldura specifică a vinului ca fiind cu 1% mai mică decât cea a apei; viscozitatea vinului cu 25% mai mare decât cea a apei; densitatea vinului mai mare cu 10% decât cea a apei; conductivitatea termică a vinului cu 5% mai mică decât cea a apei.
Calculul sarcinii termice a schimbătorului de căldură
Primul pas pentru pre-dimensionarea schimbătorului de căldură este calcularea sarcinii termice a acestuia, sau debitul termic transferat între fluidul tehnologic și agentul termic (apa de răcire). Debitul termic se calculează conform relației , în care Q este sarcina termică, Dm1 este debitul masic al fluidului tehnologic, t1,i este temperatura la care fluidul tehnologic este introdus în schimbătorul de căldură, t1,e este temperatura la care fluidul tehnologic părăsește schimbătorul de căldură, iar cs este căldura specifică a fluidului tehnologic— o funcție dependentă de temperatură, conform relației .
Modul de calcul
Deoarece există schimbătoare de căldură standard, care sunt produse în masă [1], am întocmit mai întâi o listă cu acestea, am calculat aria de transfer termic corespunzătoare fiecărei geometrii, apoi am ordonat schimbătoarele de căldură crescător, după aria de schimb termic.
Pentru fiecare variantă de schimbător, am aplicat următorul algoritm: am calculat, mai întâi, coeficientul total de transfer termic, conform ecuațiilor din literatură [1], apoi am calculat aria de schimb termic necesară , conform valorii obținute pentru coeficientul total de transfer termic. Criteriul ca un schimbător de căldură să fie considerat conform este ca aria geometrică de transfer termic să fie cu 5–10% mai mare decât cea necesară — dată de valoarea coeficientului total de transfer termic.
În relația , mărimile implicate au următoarele semnificații: Q este debitul termic, definit prin relația , ke este coeficientul total de transfer termic raportat la aria exterioară a fasciculului de țevi, iar Δtm este diferența medie de temperatură între cele două fluide contactate . În relația de calcul a diferenței medii de temperatură între fluide, Δt1 și Δt2 sunt diferențele de temperatură între fluide, la capetele schimbătorului.
Pentru calculul coeficientului total de transfer termic am utilizat relația , care descrie transferul de căldură în regim staționar, anume debitul termic constant. Am împărțit debitul de căldură la termenul , deoarece acesta apare la fiecare etapă de transfer termic. În această relație, α este coeficientul parțial de transfer termic, di este diametrul interior al țevilor schimbătorului, dm este diametrul mediu logaritmic , iar de este diametrul exterior al țevilor; t1 este temperatura fluidului cald (tehnologic), tp,1 este temperatura peretelui țevilor pe partea fluidului cald (interior), tp,2 este temperatura peretelui pe partea fluidului rece, iar t2 este temperatura fluidului rece (apa de răcire); λ este conductivitatea termică a oțelului, δ este grosimea țevilor; ke este coeficientul total de transfer termic raportat la aria exterioară a țevilor. Indicele 1 este pentru fluidul cald, care curge prin țevi, iar indicele 2 este pentru spațiul inter-tubular, prin care curge fluidul rece.
Coeficientul parțial de transfer termic de la fluidul cald la peretele țevii, α1, se calculează cu relația . [1] În această relație, t1 este temperatura medie a fluidului cald exprimată în [°C], w1 este viteza de curgere a acestuia prin interiorul țevilor exprimată în [m·s-1], iar di este diametrul interior al țevilor exprimat în [m]. Viteza de curgere a fluidului cald prin țevi a fost calculată cu relația , în care Dm,1 este debitul masic de fluid tehnologic, ρ1 este densitatea acestuia, n este numărul de țevi ale schimbătorului, iar di este diametrul interior al țevilor.
Relația a putut fi utilizată deoarece fluidul vehiculat prin țevi are proprietăți de curgere și de transfer termic asemănătoare cu ale apei.
Coeficientul parțial de transfer termic de la peretele exterior al țevilor la fluidul rece, α2, a fost calculat cu relația , în care Nu este criteriul Nusselt, λ este conductivitatea termică a apei, iar de este diametrul exterior al țevilor.
Valoarea numărului Nusselt se calculează cu relația . Constanta C din această relație se calculează cu relația . Re este numărul Reynolds și se calculează conform ecuației . Pr este numărul Prandtl și se calculează conform relației . η este viscozitatea dinamică; indicele indică temperatura la care trebuie evaluată viscozitatea.
În relația , De este diametrul echivalent al mantalei; acesta se calculează cu relația , în care Dn este diametrul nominal al mantalei, n este numărul de țevi, iar de este diametrul exterior al fiecărei țevi.
În relația de calcul a numărului Reynolds, , w este viteza de curgere a fluidului, l0 este lungimea caracteristică a curgerii, ρ este densitatea fluidului iar η este viscozitatea dinamică a acestuia. În cazul ecuației , l0 este diametrul exterior al țevilor, de.
În relația de calcul a numărului Prandtl, , η este viscozitatea dinamică a fluidului, cs este căldura specifică a acestuia, iar λ este conductivitatea termică.
În ecuațiile , deși apar 5 necunoscute (α1, α2, tp,1, tp,2, ke) în numai 4 ecuații, există numai o soluție numerică. Pentru a afla valoarea lui ke, am căutat valoarea lui tp,1 pentru care k1 și k2 au valori egale.
În ecuația apare temperatura tp,2, necunoscută. Pentru tp,1 fixat, aceasta se calculează conform relației .
După ce am calculat coeficientul total de transfer termic, am ales schimbătorul de căldură cu cea mai mică arie de transfer termic care are disponibil un exces de arie geometrică de 5–10% (față de aria de schimb termic necesară).
Rezultatele acestui calcul sunt consemnate în Tabel 2. Pasul între țevi are valoarea 1,3·de.
Tabel 2. Rezultatele pre-dimensionării
În Figura 1 se regăsește o reprezentare a secțiunii transversale prin componenta multitubulară a schimbătorului de căldură ales.
Fabricarea berii din malt, cereale nemaltificate, hamei si apa are loc in trei etape mari si anume:
Fabricarea maltului din orz ( maltificarea);
Obtinerea maltului de bere ( fierberea);
Fermentarea mustului de bere cu ajutorul drojdiei, inclusiv conditionarea berii rezultate.
.Materiile prime
Maltul
Este principala materie prima utilizata la fabricarea berii, este o sursa de substante cu rol de substrat si o sursa de enzime hidrolitice, care prin actiunea lor asupra substratului determina la fabricarea mustului de bere formarea extractului. In industria berii, maltul este analizat din punct de vedere fizic si chimic.
Se apreciaza aspectul, marimea, uniformitatea boabelor, culoarea, puritatea, mirosul, gustul si rezistenta la spargere intre dinti. Boabele de malt trebuie sa fie cat mai mari si mai uniforme. Maltul blond trebuie sa aiba o culoare galbuie uniforma, asemanatoare cu cea a orzului, un miros caracteristic, placut, fara iz de mucegai. Prin spargerea bobului de malt intre dinti, trebuie sa se remarce la maltul blond un gust dulceag, iar la cel brun un gust aromatic.
Indicii fizici cuprind determinarea masei hectolitrice (care variaza intre 53-), sticlozitatii, a duritatii, a uniformitatii, alungimei plumulei si a comportarii la scufundare.
In cadrul analizei chimice a maltului se determina umiditatea (valoarea limita este de 5%), randamentul in extract a maltului, durata de zaharificare, culoarea si alti indici.
Maltul achizitionat de fabrica este depozitat in silozuri la 10-, dezinsectizate. Inainte de utilizare, maltul trebuie curatat de impuritati prin trecere prin separator magnetic si tarar aspirator. Maltul curatat, prelucrat pe sarja este cantarit cu un cantar automat.
Orzul
Orzul este material prima traditionala pentru fabricarea berii, foarte raspandita in cultura, fiind a patra cereala cultivata in lume dupa grau, orez si porumb. Este putin pretentioasa din punct de vedere al solului si climei, cultivarea facandu-se in zona temperata pana spre cercul polar si poate atinge cele mai mari altitudini de cultivare.
Practic toate semintele de cereale se pot maltifica, dar la fabricarea berii este preferat orzul, deoarece are bobul acoperit cu un invelis care protejeaza embrionul in timpul procesului de germinare, invelisul care si din punct de vedere tehnic este utilizat in formarea stratului filtrant la filtrarea plamezii cu cazane de filtrare. Orzul nu introduce in bere substante care sa-i imprime acesteia un gust sau un miros neplacut, iar din punct de vedere enzimatic, prin germinarea unui orz bine maturat, se acumuleaza in bobul orzului un echipament enzimatic bogat si echilibrat.
Initial orzul se folosea ca atare (nemaltificat) la obtinerea berii. Maltificarea orzului a fost introdusa deabia in secolul al VIII-IX lea e.n. De atunci berea se fabrica aproape in exclusivitate din malt, hamei, apa si drojdie, fiind interzisa in tarile mai conservatoare utilizarea altor cereale nemaltificate. Cu toate acestea se folosesc astazi in numeroase tari si cereale nemaltificate ca : orz, porumb, orez etc., datorita in special avantajelor economice.
Dintre cereale, orzul este cel mai folosit la fabricarea maltului pentru bere datorita urmatoarelor avantaje pe care le prezinta :
– este cereala al carui bob este acoperit cu un invelis care protejeaza plumula in timpul germinarii
– prin germinare in bobul de orz se acumuleaza un echipament enzimatic divers si bogat
– temperatura de gelatinizare a amidonului din bobul de orz este inferioara trmperaturii de inactivare a α-amilazei ;
Fabricarea maltului din orz
Maltul este principala materie prima in fabricarea berii si un semifabricat obtinut prin germinare in conditii industriale. Ca materii prime la fabricarea maltului sunt orzul si orzoaica, care sunt supuse mai intai unei receptii cantitative si calitative, conforn conditiilor de calitate prevazute de standardele in vigoare.
Inainte de depozitare orzul brut este trecut la precuratire si curatire in vederea indepartarii tuturor impuritatiilor de natura organica sau anorganica, denumite si corpuri straine.
Prin sortare se separa orzul cu boabele mai mari de 2,8 si , care este folosit pentru fabricarea maltului destinat obtinerii berii, de orzul cu boabele mai mici de , care este valorificat in scopul obtinerii maltului pentru zaharificarea plamezilor in industria spirtului sau ca furaj.
Orzul curatat si sortat, este supus depozitarii in vederea maturarii, perioada in care isi recapata energia maxima de germinare, care este necesar pentru a obtine un malt de buna calitate.
Dupa operatia de depozitare, orzul este preluat in operatia de inmuiere cu apa timp de 2-3 zile ce are drept scop cresterea umiditatii acestuia de la 12-14% pana la valoarea optima necesara pentru declansarea procesului de germinare (44-46%, uneori chiar mai mult). In timpul inmuierii se realizeaza si a orzului, indepartandu-se si ultimele resturi de impuritati sub forma orzului plutitor.
Dupa inmuiere are loc germinarea orzului timp de 7-8 zile asigurandu-se parametrii (temperatura, aerare, grad de inmuiere) incat sa se obtina un malt cu o activitate enzimatica cat mai ridicatasi cu o dezagregare adegvata pentru maltul blond si cel brun, cu pierderi cat mai reduse de amidon. La sfarsitul germinarii se obtine maltul verde.
In vederea obtinerii maltului pentru bere, maltul verde este in continuare uscat pana la o umiditate de 3-4% in cazul maltului blond si 1,5-3% in cazul maltului brun, urmarindu-se prin uscare atat asigurarea conservabilitatii produsului cat si formarea unor substante de culoare si aroma tipice pentru maltul destinat fabricarii berii.
Dupa uscare maltul este supus curatirii de radicele, care prezinta un gust amar si sunt higroscopice favorizand absorbtia de apa in bob la depozitare. Urmeaza operatia de polizare sau ;ustruire prin care se indeparteaza resturile de radicele si alte fragmente din invelisul bobului.
Maltul uscat este supus depozitarii pe loturi, in functie de calitate in vederea maturarii timp de cel putin 3-4 saptamani, perioada in care enzimele maltului depasesc « socului termic « pe care l-au suferit la uscare iar indicii de prelucrare ai acestuia ajungla valorile normale.
Compozitia chimica a orzului
Componentele cele mai importante care intra in compozitia chimica a orzului si limitele lor de variatie ce sunt raportate la substanta uscata in % :
Orz Malt
– amidon………………….63-65 53-60
– zaharoza………………….1-2 3-5
– zaharuri reducatoare……..0,1-0,2 3-4
– alte zaharuri………………1 2
– gume solubile…………….1-1,5 2-4
– hemiceluloze………………8-10 6-8
– celuloza…………………….4-6 5
– lipide……………………….2-3 2-3
– proteina bruta……………9-11,5 8,8-11,2
– albumina………………. ….0,5 2
– globuline………………….….3 –
– hordeina………………….….3-4 2
– glutelina……………………..3-4 3-4
– aminoacizi si peptide…….0,5 1-2
– acizi nucleici……………0,2-0,3 0,2-0,3
– substante minerale……….2 2,2
– alte substante……………5-6 5-7
Bobul de orz este compus din apa (12-20%) si substanta uscata (88-80%).
Continutul in apa al orzului variaza in functie de conditile de clima din timpul recoltarii si de metoda aplicata. Orzul recoltat manual pe timp cu putine precipitatii are umiditate 12-14%, iar cand cad ploi in timpul recoltarii si recoltarea se face cu combine, umiditatea bobului poate atinge 18%.
Un continut mare in apa este dezavantajos din punct de vedere economic, deoarece face dificila depozitarea.
Apa de brasaj
Apa este una din materiile prime de baza pentru fabricarea berii produs in compozitia caruia intra in medie in proportie de 88% si ale carei calitate le influenteaza. Cele mai renumite si mai tipice beri fabricate in lume isi datoreaza caracteristicile indeosebi calitatilor apelor cu care sunt obtinute. Astfel berea Pilsen este obtinuta cu o apa cu duritate foarte mica, berile brune de München, Dublin sau Londra se obtin cu ape ce au un continut ridicat in bicarbonati de calciu si putini sulfati, berea de Dortmund, puternic aromata, este obtinuta cu apa cu duritate mare continand sulfati si cloruri, in timp ce berile amare de Burton se obtin cu ape cu continut mare in sulfati de calciu.
Sarurile din apa, disociate sub forma de ioni,isi exercita cea mai importanta actiune in procesul de brasaj, cu consecinte asupra transformarilor care au loc in must in decursul operatiilor tehnologice ulterioare si asupra insusirilor berii.
Ionii prezenti in apa utilizata la plamadire pot sau nu reactiona cu sarurile provenite din malt,, clasificandu-se in:
– ioni chimic activi;
– ioni chimic inactivi.
Ionii chimici activi din apa sunt ionul de Ca2+, de Mg2+ si ionul bicarbonic HCO3 : acestia reactioneaza cu unele substante din malt influentand pH-ul plamezii si al mustului de malt in sensul cresterii sau micsorarii lui.
Din punct de vedere chimic apa trebuie sa indeplineasca urmatoarele conditii :
– sa nu contina materii organice, amoniac, nitriti si fier ;
– cantitatea de nitriti sa nu depaseasca 100mg/l, iar cea de cloruri 250mg/l ;
– duritatea apei este in functie de tipul de bere.
Efectul apelor calcaroase se manifesta printr-o micsorare a actiunii diastazei, a cantitatii de maltoza si o scadere a atenuatiei. Bicarbonatul de magneziu micsoreaza aciditatea, produce o culoare mai inchisa a mustului si un gust amar.
Continutul de 300-400mg/l sulfati de calciu exercita o actiune favorabila asupra fermentatiei si limpezirii berii, deoarece au un efect neutralizant asupra actiunii bicarbonatilor.
Hameiul
Reprezinta o materie prima indispensabila fabricarii berii conferindu-i acesteia gust amar si o aroma specifica. Valoarea la fabricarea berii este data indeosebi de substantele (rasinile ) amare si de uleiurile esentiale aduse de hamei. Rasinile reprezinta precursorii substantelor amare din bere si determina si valoarea antiseptica a hameiului, iar uleiurile esentiale sunt responsabile de aroma de hamei.
Componentele chimice ale hameiului contribuie la o mai buna stabilitate si limpezire a mustului si la imbunatatirea insusirilor de spumare a berii.
Singura parte a plantei de hamei care se utilizeaza la fabricarea berii este conul de hamei care reprezinta inflorescenta femela.
Conurile de hamei trebuie culese pe cat posibil la maturitate si in decurs a zece zile dupa atingerea maturitatii tehnice. Recoltarea hameiului se face manual sau mecanic.
Hameiul proaspat recoltat contine 75-80% apa si pentru a putea fi conservat el trebuie uscat cat mai repede dupa recoltare.
In compozitia conurilor de hamei intra atat substante comune tuturor vegetalelor cat si substante specifice, care dau caracteristica si valoare pentru fabricarea berii, ca substantele amare si uleiurile esentiale, aduse de hamei.
Componentele specifice hameiului sunt :
– uleiuri eterice
– acizi amari
– rasinile
– substante tanante
Uleiurile eterice sunt in proportie de 1% si se prezinta sub forma unui lichid transparent, de culoare galgen aurie, cu gust slab amarui si aroma placuta. Componentele principale sunt humulonul, cohumulonul, adhumulonul, prehumulonul si posthumulonul.
Acizi amari sunt componentii cei mai importanti a conurilor de hamei si se prezinta sub doua forme:
α-acizi (humulon)……4-12%
β-acizi (lupulon)……..4-6%
Ei contribuie la formarea spumei, in special humulonul si au actiune antiseptica.
Rasinile din hamei se impart in doua categorii :
– rasini moi ;
– rasini tari.
Rasinile moi se impart la randul lor in rasini α si rasini β. Ele au gust amar, exercita o actiune antiseptica puternica si asigura persistenta spumei berii.
Rasinile moi constituie 3-4% din substanta uscata a hameiului proaspat.
Rasinile tari sunt cosiderate ca avand o slaba putere de amarare, dar cu o buna solubilitate in must si in bere. In rasinile tari din hamei a fost identificat xantohumolul.
Rasinile tari sunt prezente in hameiul proaspat in proportie de 1,5-2%.
Substantele tanante reprezinta 2-5% din substanta uscata.
Ele sunt de doua feluri :
– taninuri hidrolizabile (galotaninuri si elagotaninuri) ;
– taninuri condensabile sau nehidrolizabile (antocianidinele).
Substantele tanante participa la culoarea si gustul berii.
Inlocuitorii maltului
In multe tari maltul este inlocuit prtial cu cereale nemaltificate sau cu zahar, ceea ce aduce o serie de avantaje, dintre care se pot mentiona urmatoarele : se produc cheltuieli aferente maltificarii ;dispar pierderile in amidon care intervin in mod normal la maltificare ; se pot utiliza la obtinerea berii sarje ce au o energie slaba de germinare si nu se pot maltifica; are loc o crestere a randamentului fierberii atunci cand se prelucreaza cereale nemaltificate cu un extract superior maltului ;se imbunatateste uneori culoare, plinatatea si spumarea berii obisnuite.
In mod obisnuit se pot inlocui 2030% din cantitatea de malt cu cereala nemaltificate.
Peste procentul de inlocuire mai sus mentionat transformarile enzimatice care au loc la brasaj nu se desfasoara normal, rezultand musturi deficitare in aminoacizi, inrautatindu-se fermentatia si calitatea berii obisnuite. Datorita descompunerii insuficiente a proteinelor, musturile astfel obtinute contin cantitati mari de fractiuni proteice macromoleculare, inrautatindu-se gustul si stabilitatea coloidala a berii.
La stabilirea procentului de cereale nemaltificate, se are in vedere desfasurarea normala a zaharificarii si filtrarii plamezii, a fermentatiei si limpezirii berii cat si asigurarea unei calitati corespunzatoare berii finite, in special in ceea ce priveste gradul de fermentare, gustul, spuma si stabilitatea coloidala.
Cei mai utilizati inlocuitori sunt : porumbul, orezul si orzul.
Porumbul
Este folosit ca inlocuitor partial al maltului, el prezentand in comparatie cu alte cereale avantajul ca se produce in cantitate mare si are un continut mai ridicat in amidon.
Compozitia chimica a porumbului este :
Umiditate…………………….13,5%
Substante fara azot…………67,9%
Substante proteice………….9,6%
Substante grase…………….5,1%
Celuloza bruta……………….2,4%
Substante minerale…………1,5%
Porumbul se poate folosi la brasaj sub forma de faina, grisuri, amidon din porumb cat si alte deseuri care rezulta de la obtinerea malaiului. Prin adaus de porumb in procent de maxim 30% se obtine berea cu o buna plinatate si un gust dulceag.
In cazul utilizarii unui malt cu o activitate enzimatica ridicata procentul de porumb poate ajunge chiar la 40% fara sa fie necesare enzimele microbiene.
Orzul nemaltificat
Prin folosirea orzului nemaltificat la brasaj rezulta beri cu o spumare mai buna, datorita continutului mai ridicat de β-glucani proveniti orzul nemaltificat. Cantitatea de orz la brasaj este in procent de pana la 20%, uneori chiar mai mult.
La proportii mai ridicate de inlocuire a maltului cu orz apar dificultati la filtrarea plamezii, la fermentare, la limpezire si la filtrarea berii finite. Pentru a se evita aceste neajunsuri si a se mari procentul de orz nemaltificat se recomanda folosirea de preparate enzimatice microbiene cu activitate complexa.
3.3 Bilanțul de materiale
1.Faza de imbuteliere
p14=1%
b.i=b.maturata+p14
b.maturata=b.i-p14
b.maturata=8000-1/100*8000
b.maturata=7920 L
p14=1/100*8000
p14=80 L
2.Faza de filtrare
p13=0,4%
b.maturata=b.f+p13
b.f=b maturata-p13
b.f=7920-0,4/100*7920
b.f=7888,32 L
p13=0,4/100*7920
p13=31,68 L
3.Faza de fermentare secundara
p12=0,5%
b.tanara=b.maturata-p12
b.tanara=7888,32-0,5/100*7888,32
b.tanara=7848,88 L
p12=0,5/100*7888,32
p12=39,44 L
4.Faza de fermentare primara
p11=0,5%
must insamantat=b.tanara-p11
must insamantat=7848,88-0,5/100*7848,88
must insamantat=7809,64 L
p11=0,5/100*7848,88
p11=39,24 L
5.Faza de insamatare
p10=0,05%
must limpezit +drojdia=must insamatat
drojdia=1,2/100*must insamantat
drojdia=1,2/100*7809,64
drojdia=93,715 kg
must limpezit=must insamatat-drojdia
must limpezit=7809,64-93,715
must limpezit=7715,925-p10
must limpezit=7715,925-0,05/100*7715,925
must limpezit=7712,068 L
p10=0,05/100*7715,925
p10=3,857 L
6.Faza de limpezire
p9=0,05%
must de malt =7712,068-0,05/100*7712,068
must de malt=7708,212 L
p9=0,05/100*7712,068
p9=3,856 L
p trub rece=0,2%
trub rece=7708,212-0,2/100*7708,212
trub rece= 7692,796 L
p trub rece=15,416 L
7.Faza de racire
p8=0,3%
must limpezit=7692,796-0,3/100*7692,796
must limpezit=7669,718 L
p8=0,3/100*7692,796
p8=23,078 L
8.Faza de limpezire la cald
p7=0,05%
must fiert =7669,718-0,05/100*7669,718
must fiert=7665,884 L
p7=0,05/100*7669,718
p7=3,834 L
p trub cald=0,5%
trub cald=7665,884-0,5/100*7665,884
trub cald=7627,555 L
p. trub cald=0,5/100*7665,884
p.trub cald=38,329 L
9.Faza de fierbere cu hamei
p6=2,5%
hamei=285*80=2280 kg
must plamadit=must fiert –hamei
must plamadit=7627,555-2280
must plamadit=5327,555-p6
must plamadit=5247,555-2,5/100*5347,555
must plamadit=5213,867 L
p6=2,5/100*5347,555
p6=133,688 L
10.Faza de fierbere a plamezii
p5=0,1%
must fiert=5213,687-0,1/100*5213,687
must fiert=5208,657 L
p5=0,1/100*5213,687
p5=5,213 L
apa=5/1 hamei
2280:5=456
2280-456=1824 L apa
plamada=5208,657-1824
plamada=3384,657 kg
11.Faza de zaharificare
p4=0,5%
must zaharificat=3384,657-0,5/100*3384,657
must zaharificat=3367,734 L
p4=0,5/100*3384,657
p4=16,923 L
12.Faza de plamadire
p3=0,2%
masa plamadita=3367,734-0,2/100*3367,734
masa plamadita=3360,999 kg
p3=0,2/100*3367,734
p3=6,21 kg
13.Faza de macinare
p2=0,2%
masa macinata=3360,999-0,2/100*3360,999
masa macinata=3354,274 kg
p2=0,2/100*3360,999
p2=6,721 kg
14.Faza de receptie
p1=0,1%
masa receptionata=3354,274-0,1/100*3354,274
masa receptionata=3350,92 kg malt
p1=0,1/100*3354,274
p1=3,354 kg
Capacitatea de productie
Este prezentată sub formă tabelară după cum urmează:
Randamentul
∑MPF
η= *100
∑MMP
7994,261
η= *100
8000
η=99%
Consumul specific
Mmp
Cs= (kg/kg)
Mpf
8000
Cs=
7994,261
Cs=1kg/kg
În anexa avem atasata schema fluxului tehnologic de fabricare a berii fără alcool.
3.4 Analize standardizate realizate pe parcursul procesului de producție
Determinarea concentrației alcoolice în berea fără alcool și în berea slab alcoolică
Principiul metodei
Oxidarea alcoolului etilic la aldehidă acetică, de către nicotinamid-adenin-dinucleotid (NAD), în prezența enzimei alcool-dehidrogenaza (ADH), urmată de oxidarea aldehidei acetice la acid acetic, în prezența enzimei aldehid-dehidrogenază (Al-DH), conform reacțiilor:
Alcool etilic + NAD+ ADH Aldehidă acetică + NADH + H+
Aldehidă acetică + NAD+ + H2O Al-DH Acid acetic + NADH + H+
Concentrația NADH rezultată în urma reacțiilor de mai sus este proporțională cu concentrația alcoolului etilic din produs și se determină spectrofotometric, prin măsurarea absorbanței la lungimea de undă de 340 nm.
Pregătirea probei
Proba de bere de analizat se diluează, astfel încât cantitatea de alcool corespunzătoare unei determinări să fie de 0,5÷0,6 μg.
Aceste cantități de alcool etilic, raportate la conținutul cuvei spectrofotometrului, corespund unei concentrații de alcool etilic în proba de bere de 5÷60 mg/l [0,00063÷0,0076% (v/v)].
În cazul în care concentrația de alcool etilic a probei de bere de analizat este mai mică de 0,01 g/l, volumul de probă pipetat în cuvă trebuie mărit la 2 ml. Corespunzător, trebuie micșorat volumul de apă pipetat, astfel încât volumul total în cuve să fie identic.
În tabelul 3 este prezentat modul de diluare a probei de bere de analizat.
Tabelul 3
Aparatură și materiale
PH-metru;
Spectrofotometru, cu posibilitate de măsurare la 340 nm;
Cuve de sticlă optică sau de material plastic, cu lungimea drumului optic de 10 mm.
Reactivi
Nicotinamid-adenin-dinucleotid, (NAD), soluție circa 49 nM/l: 103 mg NAD se dizolvă în 3 ml apă. Soluția se poate păstra timp de o lună la temperatura de +40C;
Aldehid-dehidrogenază, (Al-DH), soluție circa 75 U/ml: 1 g enzimă sub formă de liofilizat, cu activitate de circa 40U, se dizolvă în 0,5 ml apă distilată. Soluția se poate păstra timp de 8 h la temperatura de +40C sau două zile în camera frigorifică;
Alcool-dehidrogenază, (ADH), soluție 30 mg/ml: se poate utiliza sub formă de suspensie sau se diluează, în 0,5 ml apă distilată, cantitatea de liofilizat corespunzătoare la 15 mg enzimă. Suspensia se poate păstra timp de șase luni la temperatura de +40C, iar soluția apoasă, timp de o săptămână, la aceeași temperatură;
Difosfat de potasiu (K4P2O7), soluție tampon cu pH = 9,0:5,0 g difosfat de potasiu se dizolvă în circa 40 ml apă distilată. Se fixează pH-ul soluției la valoarea 9,0, cu acid clorhidric, soluție 1 m. Se aduce la 50 ml, cu apă. Soluția se poate păstra timp de două luni, la temperatura de +40C;
Acid clorhidric, soluție 1 m;
Alcool etilic, soluție etalon (0,5 g/l): se prepară prin diluare cu apă, la concentrația de 0,5 mg/ml, corespunzătoare concentrației de 0,063% (v/v) sau 0,05% (m/m). Diluarea se face numai în momentul determinării.
Mod de lucru
În vederea determinării, soluțiile pentru spectrofotometru se prepară direct în cuvele spectrofotometrului. Componentele soluțiilor se introduc în cuve cu ajutorul unor micropipete și se omogenizează cu o baghetă foarte curată sau prin pipetare repetată, de trei până la șase ori, a ultimului reactiv
În tabelul 4 este prezentat modul de preparare al celor trei soluții.
Tabelul 4
După 3 min. se măsoară absorbanțele soluțiilor, față de apă, care se notează astfel: Ap1 pentru proba de bere de analizat, AM1 pentru proba martor și As1 pentru soluția etalon.
Peste amestecul din cele trei cuve se adaugă, cu o micropipetă, 0,02 ml ADH. Se omogenizează amestecul nou format (volumul total: 3,14 ml).
După circa 6÷8 minute se măsoară absorbanțele soluțiilor, față de apă distilată, care se notează, respectiv Ap2, AM2, As2.
În timpul perioadei de repaus, cuvele spectrofotometrului trebuie acoperite cu un capac sau cu un film de material plastic. În momentul determinării, toate componentele soluțiilor care se supun analizei trebuie aduse la temperatura de 20÷250C
Calcul și exprimare rezultate
Se calculează diferențele dintre valorile absorbanțelor pentru proba de analizat, soluția etalon și soluția martor, astfel:
ΔAp = Ap2 – Ap1
ΔAM = AM2 – AM1
ΔAs = As2 – As1
Se scade diferența de absorbanță pentru proba martor (ΔAM), din diferența de absorbanță pentru proba de analizat (ΔAp), respectiv pentru soluția etalon (ΔAs):
ΔP = ΔAp – ΔAM
ΔS = ΔAs – ΔAM
Exactitatea metodei se verifică prin măsurarea concentrației soluției etalon de alcool etilic și compararea ei cu concentrația stabilită prin prepararea acesteia. În cazul în care concentrația soluției etalon nu este corespunzătoare proba de bere trebuie reanalizată.
Concentrația alcoolică a berii, (Am/v), exprimată în grame alcool la litru bere, se calculează cu relația:
Am/v = , [g/l]
în care:
3,14 – volumul de amestec de reacție, în mililitri;
46,07 – masa molară a alcoolului etilic;
ΔX – diferența dintre absorbanța finală a probei de bere (ΔP) și cea a soluției etalon (ΔS);
d – factorul de diluție al berii;
ε – coeficientul de absorbție molară al NADH, în litri pe mol și centimetru;
l – lungimea drumului optic al cuvelor, în centimetri;
2 – numărul de moli de NADH formați, pornind de la 1 mol alcool etilic;
0,1 – volumul de probă ca atare sau diluată, în mililitri.
Valoarea coeficientului de absorbție molară al NADH (ε), la lungimea de undă de 340 nm este de 6300 l/mol •cm.
Ca rezultat se ia media aritmetică a două determinări.
Pentru convertirea concentrației alcoolice a berii Am/v, exprimată în grame alcool la 1 l bere, în concentrație alcoolică a berii, Av/v, exprimată în mililitri alcool la 100 ml bere, se aplică următoarea relație:
Av/v = , [%(v/v)]
în care:
0,78816 – densitatea alcoolului etilic la 200C, în grame la litru;
10 – factor pentru trecere de la 1 l la 100 ml.
Pentru convertirea concentrației alcoolice a berii Am/v, exprimată în grame alcool la 1 l bere, în concentrație alcoolică a berii, Am/m, exprimată în grame alcool la 100 g bere, se aplică următoarea relație:
Am/m = , [%(m/m)]
în care:
0,99715 – densitatea apei la 200C, în grame pe mililitru;
10 – factor pentru trecere de la 1000 g la 100 g;
D – densitatea relativă a berii.
Rezultatul se exprimă cu două zecimale, pentru probele de bere având concentrația alcoolică mai mare de 0,05% (v/v) și cu trei zecimale, pentru probele de bere având concentrația alcoolică mai mică sau egală cu 0,05% (v/v).
Diferența dintre rezultatele a două determinări paralele, efectuate de același analist, pe același eșantion de bere, în aceleași condiții de lucru, nu trebuie să fie mai mare de 5% din media aritmetică a celor două determinări.
ANEXE
Fig. 1 Schema de principiu a schimb[torului de caldură
Fig. 2 Fluxul tehnologi ce producție al berii
BIBLIOGRAFIE
ANEXE
Fig. 1 Schema de principiu a schimb[torului de caldură
Fig. 2 Fluxul tehnologi ce producție al berii
Copyright Notice
© Licențiada.org respectă drepturile de proprietate intelectuală și așteaptă ca toți utilizatorii să facă același lucru. Dacă consideri că un conținut de pe site încalcă drepturile tale de autor, te rugăm să trimiți o notificare DMCA.
Acest articol: Obtinerea Berii Fara Alcool Prin Procese Membranare de Pervaporatie (ID: 165772)
Dacă considerați că acest conținut vă încalcă drepturile de autor, vă rugăm să depuneți o cerere pe pagina noastră Copyright Takedown.