Estado del arte y diseño de sistemas de fermentación de cerveza

1 Equation Chapter 1 Section 1 Trabajo Fin de Grado Ingeniería Química Estado del arte y diseño de sistemas de fermentación de cerveza Autora: Claudia Ruiz Ruiz Tutores: Mónica Rodriguez Galán Fernando Vidal Barreo Dpto. de Ingeniería Química y Ambiental Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2020 2 3 Trabajo Fin de Grado Ingeniería Química Estado del arte y diseño de sistemas de fermentación de cerveza Autora: Claudia Ruiz Ruiz Tutora: Mónica Rodríguez Galán Profesora Contratada Doctora Tutor: Fernando Vidal Barrero Profesor Titular Dpto. de Ingeniería Química y Ambiental Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2020 4 5 Trabajo Fin de Grado: Estado del arte y diseño de sistemas de fermentación de cerveza Autora: Claudia Ruiz Ruiz Tutores: Mónica Rodríguez Galán y Fernando Vidal Barrero El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros: Presidente: Vocales: Secretario: Acuerdan otorgarle la calificación de: Sevilla, 2020 El Secretario del Tribunal 6 7 A mis padres, por ser apoyo incondicional A mi hermana, por ser mi fiel compañera A mis amigos, por ser calor y abrigo A mis profesores, por ser luz de guía 8 9 Agradecimientos Este trabajo es para mi el fin del principio. Cierro una etapa de las más maravillosas de mi vida, y que se que en un futuro echaré mucho en falta. Pero al fin y al cabo la vida consiste en eso, en ir cerrando etapas, y más importante, en ir abriéndolas. En primer lugar, voy a agradecerle a la Universidad de Sevilla por haberme brindado una educación competente, repleta de ayudas, empujones y algún que otro tropiezo, pero siempre con un aprendizaje. Continúo con mis profesores, los cuales me han hecho amar mi carrera, disfrutarla cada año y querer continuar con mis estudios junto a ellos este año en el máster. Especial agradecimientos a Mónica y Fernando por haber aguantado mi interminable TFG. Por cada clase, cada broma, cada consejo y cada ánimo que he recibido de ellos y que han conseguido, de una forma u otra, que sea la ingeniera que soy hoy. Gracias de corazón. Sigo con mis compañeros de clase, esos que me han acompañado a lo largo de estos años, que se han acabado convirtiendo en amigos, que ya sea pasando apuntes o fines de semana, han hecho este paseo más ameno, más divertido, más completo. En especial, me gustaría menciónar a Pepe por ser mi fiel compañero y amigo, por ser los pasos que sigo, a Teresa por haberla conocido y haber sido mi mitad, todo o nada, mi conexión astral. A Vikas por ser mi indio favorito y uno de los mejores amigos que puedas tener. A Alba por sus que haces y sus retrasos con las cuentas. A Edu por nuestras tardes de flojera y por nuestras fiestas juntos. A Lourdes por hacer mis tardes más divertidas y mis mañanas deportivas, por los paseítos. A Irene por haberme ayudado tantísimo con este proyecto y por habernos bebido alguna que otra cerveza juntas, honrando lo que más nos gusta A todos los que me habéis acompañado en esta maravillosa experiencia. Me gustaría seguir con Carmen Violeta, mi confidente, mi cachito, la mejor amiga que puedes tener, y lo más importante, mi hermana de sangre, que no podría encontrar en el mundo una como ella, que la iguale en belleza interior o exterior, en gracia, en lealtad, en imaginación, en grandeza de corazón. Te quiero mucho. Por último (y más importante), a mis padres. Gracias por enseñarme que en esta vida hay que luchar por lo que quieres, hay que ser honestos, hay que ser constantes, hay que trabajar al máximo y así la vida te dará oportunidades. No me imagino una educación mejor a la que me habéis dado y no tengo palabras para agradeceros ni en esta vida ni en la siguiente. Gracias por ser los pilares fundamentales de mi vida, de mi persona y apoyarme cada día en todas las aventuras que se me ocurren. Os quiero millones. 16 17 1 LA CERVEZA a industria de fabricación de cerveza en España tiene gran importancia debido al alto consumo de esta bebida en el país. Esta se obtiene por fermentación con levaduras de un mosto que se obtiene generalmente de la malta de cebada, aromatizada con lúpulo. Desde el año 2.003 hasta el 2.018 el consumo de cerveza ha crecido un 6,4%, consumiéndose, solo en el pasado año, 3.792 millones de litros de cerveza, el nivel más alto nunca registrado en España. Este aumento de consumo no solo reside en los españoles sino también en los turistas, y como el turismo ha aumentado en España los últimos años, el consumo de cerveza también [1]. 1.1 Su historia La cerveza tal y como se conoce ya se consumía en Mesopotamia y Egipto en el año 2.000 a.C. y se extendió a países como Alemania, Reino Unido y Francia en el siglo XV, siendo el consumo en España relativamente reciente. Anterior al año 2.000 a.C. se han encontrado pruebas de que la cerveza ya se consumía, pero más bien como una masa pastosa conocida como “pan líquido” que se empezó a usar como alimento después de nacer la agricultura sobre el año 11.000 a.C. En Mesopotamia, actual Iraq, se han encontrado tablas de arcilla con escrituras explicando cómo elaborar la cerveza. La arcilla es muy duradera por lo que muchos escritos han sobrevivido y sido traducidos. En muchos de estos documentos que datan en el 4.000 a.C. se han encontrado escrituras sobre la cerveza, como elaborarla, y para qué se consumía [2]. En el antiguo Egipto, la cerveza era producida por las mujeres en la casa, haciendo algo similar a las ales tostadas de ahora con un toque dulce. Para producirlo, se mezclaban hogazas de pan en agua y se dejaba fermentar en tarros de barro que se exponían a calor para producir la fermentación. Se añadían dátiles y miel para darle un sabor más dulce y un contenido más alto en alcohol, y por último levaduras para mejorar la fermentación. Con la llegada del Nuevo Imperio Egipcio, (1.550 a.C.) llegó también una nueva forma de elaborar cerveza que empezaba a parecerse más a la actual, mezclándose la cebada con agua y trigo y vertiéndose en cubas para su fermentación, donde esta mezcla era calentada. Se dejaba varios días reposar y más tarde se almacenaba en jarras cerámicas, donde reposaba para que aumentara su contenido en alcohol [3]. L Ilustración 1. Tabla de arcilla con instrucciones para elaborar cerveza con 2.600 años de antigüedad [2] 18 Tanto en la cultura egipcia como en adelante, su consumo era para celebraciones religiosas o como método curativo, ya que beber agua sin tratar podía ser algo peligroso, incrementando el consumo de cerveza. Más tarde, los monasterios europeos tuvieron un papel fundamental en el desarrollo de la cerveza, ya que el primer uso del lúpulo data de un escrito de monjes de un monasterio en el norte de Francia, en el año 822 d.C. dándole a la cerveza su sabor característico y mejores propiedades de conservación. En los principios del año 1.000, ya casi toda Europa utilizaba lúpulo para fabricar cerveza y fue cuando se empezó a comercializar y a aplicarle tasas, ya que la importación de ingredientes necesarios y la necesidad de tener grandes fermentadores era un producto que difícilmente podía escapar de la ley, convirtiéndose en una fuente de ingresos para los gobiernos [2]. Antes de que en el siglo XII empezaran a aparecer las primeras fábricas de cerveza independientes, la cerveza se hacía exclusivamente en monasterios. Estas cervezas se elaboraban mediante fermentación espontánea. En este tipo de fermentación, no se le añade ninguna levadura al mosto, incorporándose estas naturalmente desde el ambiente (levaduras salvajes) gracias al contacto con el aire. Para ello se realizaba en cubas abiertas protegidas de la lluvia y polvo que pueda traer el viento, pero siempre en contacto con el aire, por ejemplo, dentro de una construcción cerrada con ventanas. El momento perfecto para hacer el mosto y ponerlo a reposar sería en la época fría del año, es decir, desde final de septiembre hasta principios de mayo dependiendo de la situación. Es una fermentación que puede durar hasta cuatro años y que obtenía una cerveza con muy pocos azúcares y, por tanto, mucha acidez [4]. A finales de la edad moderna, con los avances tecnológicos, se hicieron grandes aportaciones a los procesos de producción y distribución, incrementando el consumo y creando un público exigente que busca calidad y variedad. Se comenzó a hacer cerveza con fermentaciones altas o bajas, aunque la cerveza de fermentación espontánea no se dejó en desuso. Estas fermentaciones se caracterizan por la adicción de levaduras. Gracias a esto se pueden encontrar cervezas de muchísimos tipos, ya sea diferenciadas por su sabor o textura, grado alcohólico o procedencia [5]. Ilustración 2. Loseta Egipcia que representa la fabricación de cerveza [2] 19 En cuanto a los residuos en esta industria, la actual demanda de energía en el mundo y las duras leyes de residuos que dictan los gobiernos para las industrias ha hecho que la industria cervecera se ponga manos a la obra para sacar provecho a los desechos de los procesos. Se trata de la malta o el lúpulo ya usado, las levaduras que no se pueden reutilizar o incluso lotes de mosto que no han cumplido los estándares de la cerveza buscada. En este caso se está utilizando la digestión anaerobia por el ser el que mayor provecho y energía saca de los residuos, cumpliendo con las restricciones de los gobiernos y siendo respetuosos con la naturaleza, título que da buena imagen a la empresa [32]. 1.2 Materias Primas 1.2.1 Agua La mayor parte de la cerveza es agua (90%), por lo que el agua utilizada en la producción de la cerveza es importante. Algunos tipos de cerveza Pilsen o Ale dependen totalmente del agua de sus lugares de origen ya que les aporta un sabor característico. Por ejemplo, para cervezas tipo Pilsen, que son cervezas ligeras utilizan aguas blandas (agua con poco calcio). Para el resto de las cervezas les gusta utilizar aguas medias y ricas en sulfatos cálcicos ya que ayudan a dar sabor a la cerveza, con excepción de las oscuras que se utilizan aguas más duras. El agua utilizada en el proceso de fabricación debe ser potable, inodora, libre de sabor, sin exceso de sales y libre de materia orgánica. Se utilizan entre 13 y 23 litros de agua para conseguir un litro de cerveza. Aparte de constituir el 90% de ésta, también es necesaria para limpiar, para calentar (en estado de vapor) y para enfriar (como líquido refrigerante) según la parte del proceso en la que nos encontremos. Exceptuando en condiciones de laboratorio, el agua siempre contiene sustancias adicionales. Si estas sustancias son indeseables para el proceso, se verán como contaminantes y se eliminarán. La cerveza no debe ser hecha a partir de agua pura, ya que el proceso que transforma el almidón de la malta en alcohol y dióxido de carbono depende de la presencia de trazas de algunos iones metálicos como ión calcio (Ca2+), ión cobre (II) (Cu2+) e ión zinc (Zn2+). Además, el sabor de la cerveza puede verse influenciado por componentes como el bicarbonato o sulfatos, presentes en esta de forma natural. Varios maestros cerveceros llaman al agua tratada con el que van a elaborar la cerveza ‘brewing liquor’ (licor para cerveza), que no será la misma agua que se utilice, por ejemplo, para limpiar [6]. 1.2.2 Cebada En referencia a la historia, la cebada empezó a tomar gran importancia en Egipto y Mesopotamia con el “pan líquido” antes mencionado. Se cultiva en climas templados y dependiendo de tipo de cebada y humedad, florece en una época u otra. Las cebadas que se usan para la cerveza son las que son válidas para ser malteadas, ya que no todas son aptas para este proceso. Es el elemento más importante en la producción de cerveza ya que sin esta no adquiriría los colores, el aroma o incluso el sabor. En España se cultiva para que florezca en primavera. Lo que se utiliza en la producción de cerveza es la malta, que es el cereal ya germinado y sometido a un proceso donde es secado y tostado, conocido como malteado. Tras este proceso la malta de cebada estará preparada para usarse en la elaboración de cerveza. Cuando se quiere conseguir una cerveza más tostada, la cebada se puede someter a un proceso de doble malteado que más tarde conseguirá una cerveza más amarga y con más cuerpo. Aunque el trigo también puede utilizarse como grano para la elaboración de la cerveza, el grano de cebada es más apropiado para ello ya que tiene más almidón y su combinación con la levadura es mucho mejor debido a las proteínas contenidas en la cebada. Tenemos muchos tipos de malta: • Pilsner: es la malta más suave de todas, dándole un toque dulce a la cerveza. No es solamente usada para la cerveza pilsner, también en muchas otras variedades. 20 • Pale: es muy parecida a la pilsner, siendo su diferencia el tiempo que pasa en el horno. Le da a la cerveza un toque suave con un sabor parecido al pan. Se usa en cervezas tipo ale. • Vienna: es más oscura que la pale y se utiliza en cervezas tipo amber. • Munich: es el doble más oscura que la Vienna, aunque le da a la cerveza un toque de color ámbar. Le da un sabor pesado y con un toque a caramelo y a frutos secos tostados. • Caramel: tal como su nombre indica, son maltas acarameladas usadas en cervezas ligeras como las pales o las ales en conjunto con otras maltas, o en cervezas más oscuras como as strong ales. • Chocolate: cuando los cerveceros buscan un sabor más pesado y fuerte, utilizan esta malta que les da un sabor amargo parecido al del chocolate. Se utiliza en cervezas oscuras como las Stout o las Porters. • Roasted Barley: le da un sabor profundo y tostado a la cerveza. Se usa en las Stouts irlandesas. • Malta de trigo: ayuda a las cervezas a tener sabores inusuales como toques a plátano o clavo y les aporta muchas proteínas. • Centeno: el centeno es usado en cervezas con origen ruso o finlandés ya que crece en estos lugares. • Malta negra: malta con sabor amargo, que le da un sabor complejo y profundidad a la cerveza, a la par de un sabor a café por su sabor amargo. • Malta de avena: esta malta se utiliza para darle textura a la cerveza, dándole un toque cremoso a la cerveza. Las cervezas pueden elaborarse utilizando un solo tipo de malta o mezclando varias para conseguir diferentes sabores y tonalidades. Cuando se diseña una nueva cerveza, la elección de las maltas es muy importante ya que, aunque pueda llevar añadidos, la malta es el elemento que más caracteriza el sabor de una cerveza. En la producción de cerveza a lo largo de la historia también se han utilizado otros granos de cereal aparte de los de cebada. Dependiendo de la economía del país y la escasez de recursos, se han utilizado unos u otros, como el arroz en Asia o el maíz en los EE. UU. Aun así, la cerveza se realiza generalmente con cebada ya que el arroz o el maíz (entre otros) no dan buenos resultados en las fermentaciones y procesos de producción. La superioridad de la cebada para elaborar cerveza reside en un alto ratio almidón-proteína y que tiene un porcentaje de humedad más bajo en las semillas no malteadas. También tiene una mayor resistencia frente a climatologías desfavorables o plagas. Para conseguir sabores y texturas diferentes, la cebada se puede combinar con otros cereales como el trigo o la avena (donde se les llamaría cerveza de trigo o de avena), incluso con frutas, café, regalices o lácteos [7]. Para realizar pruebas de calidad, aparte de visualmente o por determinación de contenido de proteína o humedad por espectroscopia infrarroja, existen tests de viabilidad como la prueba de colorante con tetrazolio. En ella se usa cloruro de trifenitetrazolio (C19H15CIN4) para determinar la viabilidad de los embriones de los granos de cereal. Usando este indicador, si la capa de aleurona vira su color, significará que las semillas son adecuadas. La aleurona es el conjunto de granos proteicos presentes en una semilla, que se trata de una reserva alimenticia que el embrión utiliza durante la germinación, por lo que su abundancia determinará la mayor posibilidad de germinar en los tests [8]. 1.2.3 Lúpulo Para conseguir el sabor amargo característico de la cerveza se utiliza el lúpulo. Lo que se utiliza del lúpulo para la cerveza es su flor. La flor, al igual que la planta, tiene género femenino o masculino. Para la cerveza se utiliza la femenina, que contiene unas glándulas con resina que, aparte de dar el sabor amargo a la cerveza, tienen poderes conservantes y contribuyen a la formación de espuma. Es el elemento que consigue la amargura en la cerveza, y contiene ácidos llamados alfa y beta muy importantes para el resultado final. La amargura viene mayoritariamente de los ácidos alfa, que son principalmente cinco componentes: humulona, cohumulona, adhumulona, posthumulona y prehumulona. Son compuestos químicos en forma de resina sintetizados en las flores del lúpulo. Durante el proceso de fabricación son degradados a ácidos iso-alfa, que son compuestos más solubles. Los que más abundan son la humulona, pero se pueden seleccionar las otras posiciones del ácido para variar los niveles de amargor de la cerveza [9]. 21 Hay tres ácidos beta principales: la lupulona, colupulona y adlupulona. Son ácidos más amargos que los alfa, pero al no ser soluble no consiguen que su sabor llegue a la cerveza. A diferencia de los alfa, que se isomerizan, estos se oxidan lentamente y poco a poco van aportando su sabor a la cerveza. Como es un proceso más lento, su efecto será considerado en cervezas que tengan un tiempo de fermentación largo. Los dos ácidos tienen muchas propiedades importantes para la cerveza. Son antisépticos lo que hace que no crezcan bacterias en la cerveza y ayude a la levadura a crecer durante la fermentación. Aun así, los ácidos isoalfa reaccionan con la luz y pueden degradar la cerveza, por eso esta, se conserva en envases opacos o de cristales oscuros [9]. En el lúpulo se pueden encontrar más de 250 tipos de aceites esenciales que serán los responsables de darle a la cerveza su aroma y sabor característico. Dependiendo de la cantidad de estos aceites, que variarán según el tipo de lúpulo y su lugar de origen, la cerveza puede adquirir sabor cítrico, aroma a pino o incluso conseguir un sabor picante [9] [10]. 1.2.4 Aditivos La cerveza no lleva, por lo general, aditivos como los conocemos hoy en día. Según un estudio de las cervezas más vendidas en España, solo 7 marcas de cerveza de las 40 estudiadas llevaban colorante E-150c (colorante caramelo), que consigue que la cerveza parezca que tenga más cuerpo, y estabilizante E-405 (alginato de propilenglicol, que se obtiene derivando el ácido algínico, extraído de algas marinas de la familia Laminaria), que es un espumante natural, espesante y gelificante [11]. Estas se tratan de marcas baratas de grandes supermercados que al no producir una cerveza de calidad añaden estos aditivos para engañar al consumidor [12]. No obstante, a la cerveza se le puede añadir aditivos naturales para potenciar su sabor y crear diferentes perfiles de cerveza: - Frutas: antes de la fermentación, añadiendo zumo o jarabe de frutas, que proporcionan azúcares que dan lugar a una segunda fermentación. Las frutas usadas son infinitas, desde naranja a bayas hasta frutas tropicales. También se ha comenzado a comercializar una nueva variante, la “Radler” que es cerveza lager, normalmente de la familia Pilsen, con zumo de limón añadido, quedando una cerveza afrutada y dulce, refrescante y fácil de beber. - Plantas y especias: además del Lúpulo, se pueden añadir otras muchas plantas como cáñamo, romero, cardamomo, anís o jengibre. Un buen ejemplo es la “Damn Inedit”, una cerveza diseñada por los somelliers de elBulli que lleva cilantro y regaliz [13]. 1.3 Tipos de cerveza 1.3.1 Cervezas hechas a alta fermentación Las cervezas elaboradas a alta fermentación se llaman comúnmente tipo “ale”. Las levaduras usadas para esta cerveza son las de fermentación alta (Saccharomyces cerevisiae), que trabajan a una temperatura templada, entre 18 y 24ºC. A esta temperatura se produce una fermentación relativamente rápida, que propicia a la formación de ésteres, lo que da el sabor afrutado característico de las ales. Se llaman así porque durante el proceso de fermentación, la levadura tiende a subir hacia la superficie. Aparte de en cerveza, la levadura es usada en la producción de otras bebidas alcohólicas e incluso como levadura para hornear. Esta levadura ha sufrido muchos cambios y ha ido avanzando con la evolución de la industria cervecera. También es probablemente el primer microbio del que se ha sacado provecho para el beneficio humano. Este organismo puede asimilar y utilizar azúcares simples como la glucosa y fructosa, metabolizándolas y convirtiéndolas en etanol [14] [15]. Estas cervezas se dividen en los siguientes tipos según su amargor, color o grado de alcohol: • Pale Ale: nivel medio de amargor (10-30 IBU), color claro y bajo contenido en alcohol. Se elabora en diferentes sitios como en Reino Unido o Bélgica. 22 • Indian Pale Ale (IPA): nivel alto de amargor (35-120 IBU) debido a su alto contenido de lúpulo, color claro y contenido en alcohol medio-alto. Su origen se remonta al siglo XVII en Inglaterra. • Porter-Stout: nivel muy variable de amargor (entre 20-40 IBU las de origen inglés o 30-60 las de origen irlandés), color muy oscuro (casi negro) y contenido variable en alcohol. Originaria de Reino Unido. • Amber-Red-Brown Ales: cervezas tostadas (ámbar-rojizas-marrones), nivel bajo de amargor (20 IBU) y contenido de alcohol variable. Típica de países europeos como Escocia o Francia. • Strong Ales: cervezas muy variables en amargor con color ámbar, amargor variable y contenido en alcohol muy alto. Son fabricadas tanto en Europa como en los EE. UU. • Abbey-Trappist Ales: cervezas poco amargas (20 IBU) con color rojizo y contenido medio-alto en alcohol. Originarias de los monjes trapenses de Bélgica [16] [17]. 1.3.2 Cervezas hechas a baja fermentación Las cervezas elaboradas a baja fermentación se elaboran con levaduras de “baja fermentación”, de ahí su nombre. Las levaduras de fermentación baja (Saccharomyces pastorianus) son un híbrido entre la cerevisiae y la bayanus, originaria de Dinamarca nacida en el siglo XVI. La levadura bayanus pertenece al género Sccharomyces, empleada, aparte de en la fermentación de cerveza, en la de sidra y vino. Se caracteriza por tener una fermentación lenta y necesita una gran cantidad de nutrientes para metabolizarse, lo que resulta en una mayor formación de alcohol al final de la fermentación. Estas levaduras fermentan a temperaturas más bajas, entre 7 y 12ºC. Son capaces de fermentar cadenas de azúcares que las de alta fermentación no son capaces, dándole a las cervezas lager un sabor más ligero. Al ser una fermentación a baja temperatura, no se forman ésteres como en las ales, dándole a la cerveza un perfil de sabor más limpio. Se denomina así ya que, al terminar el proceso de fermentación, la levadura se deposita en el fondo [14] [15]. Se conocen como cervezas “Lager” y son las de mayor producción. Al igual que la familia “Ale”, se pueden dividir en varios tipos: • Pilsner: cerveza con amargor bajo-medio (40 IBU), de color ámbar y bajo contenido en alcohol. Muy carbonatadas. Es originaria de Praga, pero es producida por todo el mundo, destacando Alemania, EE. UU. y República Checa. • Amber Lager: cerveza con un amargor bajo-medio (20-40 IBU), de color ámbar-rojizo brillante y contenido en alcohol bajo-medio. • Bock Stark: cerveza más amarga (20-30 IBU), con un color ámbar oscuro y alto contenido en alcohol. Es la lager más fuerte y robusta y tiene origen alemán. • Dark Lager: cerveza poco amarga (20 IBU), con color oscuro como su propio nombre indica y contenido en alcohol medio-alto. Las más comerciales ahora mismo son las de origen checo y alemán [17]. 1.3.3 Cervezas de fermentación espontánea Es el primer tipo de cerveza que se conoce. En su fermentación no se le añade levadura. Esta sucede a “cuba abierta” sin adicción de levaduras, que se adiciona a través del aire ambiente de la microfauna de la cervecería, dando lugar a una fermentación espontánea. Las más conocidas e importantes son: 23 - Brettanomyces: hongo unicelular presente en la piel de las frutas que le da sabores afrutados a la cerveza, toques parecidos al cuero y acidez. - Acetobacteria: ácido acético producido por bacterias que convierte azúcares en alcohol, que le aporta un perfil agrio a la cerveza, con notas a vinagre. Las pequeñas moscas que se pueden encontrar en frutas y bodegas son portadoras de esta bacteria. - Bacteria Ácido-Láctica: bacteria producida por el ácido láctico que convierten el ácido láctico en alcohol, dándole un toque ácido a la cerveza. También le aporta dióxido de carbono y es la bacteria encargada de convertir la leche en yogurt. - Pediococcus: microorganismo que también produce ácidos lácticos y diacetil. Puede un toque o aroma parecido a la mantequilla. Estas cervezas son normalmente más ácidas que el resto de los estilos (tienen un pH más bajo), normalmente 4-4,5 pH en la escala 0-14 de acidez. Para su producción, tras la cocción del mosto, este se vierte en cubas abiertas enfriadas donde mayoritariamente por la noche las levaduras las inoculan (las levaduras de día pueden estropearlas y debe realizarse en épocas del año frías por la misma razón). Es un proceso muy poco controlable y muy complicado, y puede que después de varios años de fermentación no se consiga el equilibrio buscado entre sabor y acidez. Después de tenerlo en las cubas abiertas se introduce en barriles de roble o castaño donde comienza la maduración que puede durar entre 8 meses y 3 años [14] [15] [18]. Ilustración 3. Proceso de producción de cerveza 24 25 2 LA FERMENTACIÓN l término fermentación fue usado por primera vez por Louis Pasteur para intentar explicar la aparición de organismos de la “nada”. Hoy en día se sabe que la fermentación es un proceso anaeróbico que convierte el azúcar en ácidos, gases o alcoholes. En este caso la levadura, usa este proceso para cambiar su respiración anaeróbica para sobrevivir. La fermentación es un proceso presente en muchísimos ambientes, incluso en el cuerpo humano, cuando realiza un ejercicio anaeróbico, como una carrera de larga distancia, los azúcares se transformarán en ácido láctico que irá a los músculos. El desarrollo de la fermentación consiste en el metabolismo producido en las células de levadura. Este metabolismo consiste en unas reacciones químicas que pueden ser anabólicas o catabólicas. En las anabólicas se crearán moléculas complejas usando energía del ambiente y sustancias simples mientras que en las catabólicas se romperán moléculas complejas para dar sustancias simples liberando energía. La levadura deberá tener un medio adecuado donde desarrollarse, que en este caso será el mosto. Un buen mosto es crucial para conseguir que el proceso tenga éxito y sea económicamente favorable. En la malta existe gran cantidad de carbono que es crucial para el proceso, tanto para la biomasa como para la energía, mientras que el nitrógeno necesario será aportado por la levadura. Otro punto importante a tener en cuenta es la esterilización del producto y el proceso. Cualquier proceso de fermentación industrial debe ser estudiado cuidadosamente para que no se contamine en ningún punto. Se consigue un proceso esterilizado cuando se tiene una probabilidad de encontrar una sustancia contaminante entre un millón. La esterilización se puede llevar a cabo de distintas formas; mecánica, a través de calor, o químicamente, y tanto el mosto como el fermentador deben ser esterilizados. El mosto será esterilizado mediante la cocción y filtración de este que se explicarán a continuación y los fermentadores deben ser limpiados con vapor a 121ºC aproximadamente. A continuación, se va a realizar un estudio de las diferentes formas de fermentar la cerveza y los diferentes tipos de fermentadores presentes en el mercado, con la posterior elección de uno de ellos para estudiarlo en profundidad. Antes se hará una breve explicación del proceso general de producción de cerveza para entrar en contexto y tener una idea clara de cómo se elabora la cerveza [20]. 2.1 Procesos de producción de cerveza 2.1.1 Malteado. El primer paso sería la recepción y malteado del grano de cereal en las cervecerías. Muy pocas cervecerías realizan el malteado en su propia fábrica. Estos lo compran a compañías que se dedican exclusivamente a maltear, o en algunos casos, la misma compañía dispone de una propia fábrica de malteado que se encarga del proceso y después lo transporta a la fábrica de cerveza. El malteado es un proceso de germinación controlada que activan las enzimas presentes en el grano, que luego serán necesarias en la maceración. Este paso es muy importante para el color y sabor de la cerveza, mientras más se tueste el grano, más oscura será la cerveza y mientras menos, más claras. El malteado consigue cambiar químicamente la cebada ya E 32 En fábricas de cerveza de producción de cerveza ale, limpiar y preservar la levadura que se queda en la superficie es una parte importante del final de la fermentación. Esto se puede hacer a través de `skimming´, usando palas de arrastre, o por succionamiento. Ésta se podrá usar en el próximo lote de mosto para fermentarlo, por lo que la levadura será transferida a un depósito donde luego volverá a bombearse hacia el fermentador o se pasará por un filtro prensa para ser recogida en bandejas que se mantendrán en reposo en frigoríficos entre 2 y 4ºC de temperatura hasta que vuelva a ser usada en otro ciclo. Como parámetro de medida en la fermentación para saber si el mosto está listo se usa la gravedad específica, que es un parámetro que mide la densidad. El agua destilada a 15ºC tiene una gravedad específica de 1.000, y es el valor utilizado como referencia. En la fermentación se distinguirá entre Gravedad Original (GO) que es la que tiene el mosto al principio de la fermentación y Gravedad Final (GF) que es la que tendrá el mosto al final de esta. Este valor dará una idea de la cantidad de azúcares disueltos en el agua al principio y de la cantidad de alcohol al final de la fermentación. La GO siempre va a tener un valor más alto que la GF debido a que las levaduras habrán fermentado los azúcares y que el alcohol tiene una menor densidad que el agua, por lo que la gravedad disminuirá. También a partir de la GO se pueden sacar conclusiones de cómo será la cerveza final, por ejemplo, un mosto con GO alta significará que el producto final será una cerveza con más cuerpo y más dulce que un mosto con una GO menor [27]. Las cervezas ale suelen tener un valor de GO típico de 1.040 y su GF dependerá de la levadura usada y de la ratio de azúcares fermentables y no fermentables. Como se puede ver en la ilustración 11a, el mosto alcanzará valores máximos de alcohol y mínimos de pH después de cuatro días de fermentación. La gravedad final rondará los 1008, en la que aún quedarán aproximadamente 3 grados de gravedad fermentables. Esto será debido a que aún quedan azúcares fermentables, en el caso de las ale de la maltotriosa, que este tipo de levaduras solo consigue fermentar muy lentamente. Las cervezas de barril serán enviadas a estos cuando lleguen a una GF de 1008, ya que en los barriles se producirá una segunda fermentación mucho más lenta, llevando a cabo los procesos de clarificación necesarios antes de ser introducidos en estos. Los barriles necesitaran varios días para estar listos para que la cerveza pueda ser servida. Si la cerveza no va a ir a barril, se dejará reposar en unos tanques enfriados entre 4 y 10ºC en los que se producirá la maduración durante varios días o incluso semanas dependiendo del tipo de cerveza, y después se distribuirá en botellas, botellines o latas [28]. 2.2.3.2 Baja fermentación La mayoría de cervezas producidas en el mundo son las de baja fermentación o lagers. La gran diferencia entre la lager y ale es la levadura usada como ya se ha mencionado, aparte de los tiempos de fermentación. Ilustración 10. Agitación del mosto automáticamente con bombeo y spray [25]. 33 Como en las ales, el mosto debe estar bien aireado pero las temperaturas usadas irán desde los 7 hasta los 14ºC, que será cuando sea mezclado con la levadura. Esta fermentación también requiere un buen sistema de enfriamiento para mantener la fermentación a temperaturas bajas. En esta fermentación el maestro cervecero también tendrá que colectar cantidades de la levadura que ya sedimente para usarlo en el siguiente lote de mosto. Esta levadura será recogida normalmente de la parte media de la capa creada en el sedimento y será recogida con un tamiz oscilante y enjuagada con agua fría para limpiar posibles bacterias y será almacenada en tanques de agua a unos 2ºC, aunque no toda será usada para el siguiente lote (se mezclará levadura ya usada con levadura nueva). Ilustración 11. Desarrollo en la fermentación de: (a) Fermentación alta a 16ºC y (b) Fermentación baja a 9ºC La gravedad original del mosto usado para fermentación baja será de 1.045 y será una fermentación que requiere más tiempo como se puede observar en la ilustración 11b. Cuando la fermentación ha terminado se dejará reposar durante varias semanas en tanques a unos 4ºC donde ocurrirá una segunda fermentación más lenta y menos efectiva, dejando azúcares presentes en la cerveza final que le darán el sabor dulce característico de las lagers. Después de la maduración las cervezas lager serán filtradas y algunas de ellas pasteurizadas (si van a ser destinadas a botella o latas) [28]. 2.2.4 Sedimentación Cuando termina este proceso y ya no quedan azúcares fermentables, las levaduras se hunden al fondo del tanque o suben a la superficie, dependiendo del tipo de levadura usada. Esta levadura es necesario extraerla ya que estas se degradan y pueden aportarle sabores u olores no deseados a la cerveza. Cuando se extrae, esta se destina a la transformación de un nuevo ciclo de mosto, teniendo que ser finalmente retiradas tras varios usos por la pérdida de sus propiedades. Para controlar correctamente este proceso, es necesario mantener el tanque a la temperatura adecuada ya que es un proceso exotérmico. Generalmente, se hace mediante camisas de refrigeración con agua glicolada o NH3 como líquidos refrigerantes [23]. 34 35 3 CARACTERÍSTICAS DE LOS FERMENTADORES l modelo de fermentador más elegidos por los cerveceros en la actualidad siguen siendo los fermentadores cilindrocónicos. En los años 70 se estudiaron diferentes formas de aumentar la producción de cerveza, haciendo estudios de modelos de fermentación continua sin éxito. A partir del siglo XXI, aunque se han conseguido modelos con buenos resultados y rendimientos, no se consiguen los sabores y texturas que los maestros cerveceros consiguen con los fermentadores discontinuos [33]. La fermentación continua consiste en una fermentación realizada en una columna de burbujas. La aireación en este proceso es muy importante ya que es decisiva en la influencia de la fermentación y en la formación de las sustancias necesarias para la cerveza. La levadura se mantiene inmovilizada en un bagazo de malta y se hace pasar el mosto y las burbujas de aire a través de este [33] El proceso en el que una sustancia química es producida para el uso humano a través de microorganismos es llamado fermentación. El reactor en el que se lleva a cabo este proceso es un fermentador o biorreactor. Un fermentador ideal debe asegurar unas condiciones de ambiente favorables, que fomenten el crecimiento del microorganismo y la máxima producción de producto, que a su vez debe ser diseñado para asegurar unas condiciones de higiene específicas y prevenir la interferencia de microorganismos indeseados [34] Los tamaños de los biorreactores pueden ser muy variados dependiendo de la función que vayan a realizar: cultivos de células microbiales (algunos mililitros), frascos agitados (100mL-1L), fermentadores de laboratorio y piloto (1L-1.000L) y fermentadores industriales (200L-104L). Los microorganismos usados para la fermentación, en nuestro caso levadura, pueden ser muy variados como bacteria, hongos, algas e incluso células animales y vegetales, al igual que sus productos que pueden ir desde productos de metabolismos primarios (etanol, ácidos láctico y acético), compuestos de almacenamiento de energía (glicerol, polímeros y polisacáridos), proteínas, metabolitos primarios (vitaminas) o secundarios (antibióticos), biomasa celular… El tipo de reactor usado será elegido dependiendo de muchos factores. Si está al aire libre o en una nave, el tipo de levadura usada (y por tanto el tipo de cerveza que se producirá), el presupuesto que se tiene, la producción anual que se va a hacer, etc. Hay tantos tipos de fermentadores como formas de producirla, pudiendo adquirir fermentadores de 10L para hacer una producción de cerveza artesana en casa como grandes fermentadores de miles de litros para producción industrial. Después cada empresa de cerveza y cada cervecero, le gusta de una forma u otra, tiene preferencias por unos diseños, materiales, tipos de fermentación. A continuación, se van a presentar los más usados en la actualidad por industrias o por microcervecerías, pero no se van a abordar equipos de producción en casa, por la gran variedad de tipos, geometrías y materiales que existen. E 36 3.1 Tipos de fermentadores Un fermentador es el encargado de proporcionar un ambiente adecuado para que un organismo pueda producir eficientemente un producto (para que se produzca la fermentación). Los fermentadores usados en la producción de cerveza son tanques de acero inoxidable, vidrio o plástico en los que debe haber un control de temperatura y que pueden presentar distintas formas. 3.1.1 Tanques para el proceso de fermentación • Cubas de fermentación abiertas: esta es la tecnología tradicional de producción de cerveza. Son tanques en forma de bañera que se utiliza en la producción de cerveza del tipo Pilsner. La levadura muerta sube a la superficie por lo que se puede recoger por barrido, lo cual es una ventaja. El problema es que al estar abiertas se puede contaminar la cerveza fácilmente, por lo que hay que prestar especial atención a la limpieza. Sus precios pueden ir desde los 3.000 euros (100L) a los 13.000 euros (8.000L), dependiedo claro está de las dimensiones y materiales utilizados. Ilustración 12. Cuba de fermentación abierta [37] Este tipo de cubas fueron las primeras utilizadas para fabricar cerveza (usando fermentación espontánea), habiéndose usado durante siglos. Aunque al principio eran de madera, hormigón, cerámica o esmalte, ahora se fabrican con acero inoxidable. Más tarde fueron las preferidas para cervezas lager y a día de hoy muchas cervecerías en Baviera, República Checa o Eslovaquia las siguen utilizando así como muchas microcervecerías de cerveza artesana en todo el mundo [4]. 37 • Depósitos de fermentación cilíndrica: tanques cilíndricos no presurizados que pueden tener orientación horizontal o vertical. Sus precios pueden empezar en 800 euros (60L) hasta 16.000 euros (8.000L) y suelen tener su propio sistema de limpieza. Ilustración 13. Depósito de fermentación cilíndrica [37] Estos depósitos eran antes usados para cervezas ale, aunque hoy en día tanto en cervecerías de ale como lager prefieren depósitos cilindrocónicos. • Depósitos de fermentación cilindro-cónica: tanques con forma cilíndrica y fondo cónico (solo se dispone en vertical) no presurizados. Sus ventajas son que la separación de la levadura y la cerveza cuando el proceso está terminado resulta muy sencilla, fácil control de la temperatura y consumo de energía bajo. Son fáciles de limpiar ya que su forma cónica permite que el sedimento sea removido fácilmente, lo que también consigue que no se tenga que cambiar de contenedor para la segunda fermentación. Sus precios pueden variar desde 800 euros (60L) hasta 70.000 euros (30.000L), dependiendo siempre de dimensiones y materiales. Ilustración 14. Depósito de fermentación cilindro-cónica [37] 38 Son los depósitos más usados tanto en la fermentación de las ales como de las lagers por sus muchas ventajas [29] [30] [31]. 3.1.2 Tanques para el proceso de maduración o fermentación secundaria • Tanque de maduración: tanque diseñado para la maduración de la cerveza. Pueden ser no enfriados (que se enfrían mediante el aire del ambiente) o aislados refrescados con glycol. Tras la primera fermentación, el mosto joven (o mosto verde) será bombeado a estos tanques donde la cerveza se clarificará y carbonatará naturalmente. Estos tanques deben estar a baja temperatura (entre 1ºC y 5ºC) y baja presión (entre 1 y 2,5 bar), aunque estas temperaturas y presiones dependerán de si es alta o baja fermentación, del tipo de cerveza, etc. Pueden ser tanto horizontales como verticales (dependiendo de preferencia o disponibilidad de espacio de donde debe ser instalado) [29] [30] [31]. La maduración se comenzó haciendo en barriles de madera como el whiskey o el vino, y aunque no es una técnica que se utilice en todas las cervecerías hay cervecerías que la defienden, como la “Virginia Beer Company” en EE. UU. Aunque, por ejemplo, esta compañía defiende que gracias a este procedimiento su cerveza tiene un sabor muy diferente y bueno, estos barriles deben ser sacados de la bodega una vez al año para ser untados con brea por lo que es un gran trabajo [38]. Ilustración 15. Depósitos de madera usados en la compañía "The Virginia Beer Company" [38] 39 • La maduración se llevará a cabo principalmente en tanques metálicos, que pueden ser de acero o de aluminio. Como el aluminio es fácilmente deformable y no soporta bien las presiones de vacío, la mayoría suelen ser de acero inoxidable V2A con un revestimiento de esmalte, brea o resina sintética para evitar que el hierro contenido en el acero le de sabor a la cerveza. Estos tanques normalmente serán tanques horizontales de una pieza o de varios segmentos unidos por tornillos o soldados, aunque también se pueden encontrar verticales lo cual resulta mas raro, ya que para ahorro de espacio son mucho mejores los horizontales. 3.1.3 Depósitos de cerveza combinados Son tanques más completos que realizan la fermentación y la maduración de la cerveza. Son más caros y complejos que los no presurizados, pero se evita un equipo más en la cadena de producción de cerveza. La presión a la que trabajan está entre 0,5 y 3 bares. • Depósito cilíndrico-cónico de presión: cuando se bombea el mosto al tanque, se realiza en él la primera fermentación, que se ejecutará sin presión o aplicando una leve presión. A continuación, la levadura sedimentada se separa del mosto verde y se eleva la presión (aproximadamente a 2 bar) del tanque para el proceso de maduración [29] [30] [31]. Ilustración 17. Depósito presurizado [37] Ilustración 16. Tanques de maduración horizontal y vertical [37] 40 3.2 Tanque cilindro-cónico Los comienzos del uso del tanque cilindrocónico datan del año 1.908 cuando Leopold Nathan, inventor suizo, la patentó por primera vez. Aun así, estos no vieron la luz hasta el año 1.930 cuando Nathan envió sus diseños al Instituto of Brewing en Reino Unido. En la primera patente, los tanques cilindro-cónicos del Dr. Nathan estaban revestidos con esmalte, por lo que en 1.930 volvió a patentar su diseño, esta vez con tanques de aluminio. La capacidad del diseño de Nathan, que se puede ver en la ilustración 18, era 100 hectolitros. Los biorreactores de las imágenes presentan las camisas d refrigeración alrededor del tanque y en el cono, siendo muy parecidos a los que se siguen usando en la actualidad. Nathan puso mucho énfasis en la necesidad de mantener el mosto frío y de airearlo con altos estándares de higiene. El inventor suizo se dio cuenta que, poniendo la base del tanque cónica, había más movimiento del mosto que en un tanque cilíndrico, lo que resultaría en una fermentación más rápida, un crecimiento de levadura mayor y una cerveza más ligera, y consiguiendo completar la fermentación en 12 días, un periodo mucho más corto comparado con los tres o cuatro meses que debía estar fermentando la cerveza en los tanques utilizados en esa época. En el año 1.960 se realizó la mayor instalación del sistema Nathan en el Reino Unido, en la cervecería Whitebread´s Luton Brewery, y a partir de este momento se extendió a muchos países como Italia, India, Australia y Sudamérica [34]. Las ventajas del tanque cilindrocónico se pueden agrupar por sus dos características de geometría: ·Su posición vertical hace que ocupen poco espacio en el suelo y también consigue una fermentación más rápida debido a su agitación mayor al tener más recorrido para que las burbujas suban. ·Su parte inferior cónica hace que la recogida de la levadura sea más fácil y que se puedan trabajar con volúmenes pequeños de flujo de salida. Ilustración 18. Diseño tanques Nathan [34] 41 Tras la invención de los tanques de Nathan, varios tanques fueron diseñados para la fermentación de cerveza, como los Asahi (diseñados con un suelo con una pendiente de 12,5ºC, muy poca comparada con la inclinación de los Nathan 55-70ºC) o los diseñados con una geometría esfero-cónica. Los tanques esferocónicos tenían la mayor geometría para el ratio área de superficie-volumen pero se descartaron debido a su dificultad para ser construidos. Aun así, en 1.972 en España se construyeron varios de estos tanques, con capacidades de entre 3.000 y 5.000 hectolitros, que fueron usados con éxito para fermentación de cervezas lager [34]. Ilustración 19. Diseños alternativos de fermentadores [34] 3.2.1 Características del tanque cilindro-cónico Los tanques deben ser de acero inoxidable V2A (acero inoxidable al cromo 18% y níquel al 10%) con la parte superior cilíndrica y la parte inferior cónica, teniendo en cuenta que la superficie interior debe ser lo más lisa posible ya que pueden crearse grumos de levadura en rugosidades de la superficie si las hubiera. En sus principios los tanques eran de acero al carbono y se les recubría con una resina epoxi para mantenerlos aislados de la cerveza, que necesitaba inspecciones periódicas para asegurarse que no había sufrido daños, y cambiarla si fuese necesario, por lo que el avance del acero inoxidable V2A ha hecho un proceso más sencillo y seguro. Los tanques usados actualmente tienen una inclinación del cono de 60ºC. Estos tanques necesitan una camisa de refrigeración y una o dos sondas de temperatura (una para el fondo y otra para la parte superior) con la que se pueda controlar la temperatura del interior del tanque ya que es un factor muy importante y que debe estar muy controlado en la fermentación del mosto. Normalmente este control se realizará a través de un PID que mantenga la temperatura en el punto ideal de operación. Los tanques deben ser isobáricos y deberán tener aguante para presiones de hasta tres bares. [34] Los tanques cilindrocónicos se construían de casi cualquier tamaño, alcanzando alturas de hasta cuarenta metros y diámetros de hasta diez metros, pero se ha demostrado que por las dimensiones que adquiere la camisa de refrigeración es mejor que sean tanques más pequeños. También, la altura que alcance el mosto en el fermentador tendrá gran influencia en la composición final del mosto. Esto se debe a que, durante la fermentación, las células de levadura estarán soportando una presión ejercida por la columna de mosto, que contiene dióxido de carbono, y la altura de la columna vendrá delimitada por el contenido de este. Según los datos y estudios que se han realizado, la medida perfecta para la altura de un tanque son 20 metros. Si fuera un tanque cilindrocónico solo de reposo (en el que no se produce fermentación), la altura se podría incrementar varios metros ya que no influiría tanto en la cerveza final [35]. 48 - Instrumentos de control: estos se necesitarán para monitorear el tanque, su temperatura, su presión, el estado de fermentación del mosto, etc. que no son accesibles para el maestro cervecero mientras ocurre todo el proceso de fermentación. Para controlar la temperatura se tendrán instalados termómetros en la parte superior e inferior del tanque ya que la fermentación requiere temperaturas muy exactas que es necesario monitorear. Será necesario un indicador de nivel ya que este dato es muy importante para la seguridad del tanque, siendo especialmente importante dejar el 25% del tanque vacío para la subida de la espuma. Para el control de válvulas de seguridad y vacío será necesario un indicador de presión que determine cuando deben cerrarse unas y abrirse otras. Por último, serán necesarios un dispositivo de toma de muestras para el estudio del desarrollo del mosto y una boca de inspección (boca de hombre) para revisar cada cierto tiempo la aparición de fisuras o corrosión. 3.4.2 Equipo de limpieza. En este apartado se va a estudiar el equipo CIP (clean in place). Los tanques de fermentación, como es obvio, solo podrán ser limpiados a través de un CIP. En los tanques más grandes, a diferencia de los de menor dimensión que utilizan un cabezal rociador, se necesitará un equipo de inyección dirigida ya que el cabezal rociador no tendrá el alcance suficiente para llegar a todas las zonas del tanque. El dispositivo de limpieza deberá estar conectado con el conjunto de válvulas para llevar a cabo una operación en conjunto cuando sea necesario abrir o cerrar válvulas dependiendo en que parte de la limpieza nos encontremos. Por ejemplo, al principio de la limpieza será necesario que se abra la válvula de vacío y al final de ésta deberán abrirse las de descarga de los líquidos de limpieza. Tanto el cabezal rociador como el equipo de inyección deberán asegurar que el líquido fluya hacia abajo en forma de película por toda la superficie de pared del tanque. Normalmente se utilizarán unos 30 hl/h de líquido de limpieza por metro de perímetro de tanque. Los asientos de las válvulas serán levantados para evitar aglutinamiento y asegurar también su limpieza. [35] 3.4.3 Equipo de refrigeración En la fermentación será necesario mantener una temperatura específica dependiendo del tipo de cerveza a tratar. En el proceso de fermentación se producirá calor al tratarse de un proceso exotérmico por lo que necesitará un equipo de refrigeración que asegure que no hayas grandes fluctuaciones en la temperatura de la cerveza verde. Deberán tenerse en cuenta para el diseño de este equipo el calor producido por la fermentación, la temperatura ideal a la que se necesite tener el mosto y las pérdidas por irradiación. Normalmente para la refrigeración de estos tanques se utilizarán camisas en las que es evaporado amoníaco comprimido. El amoníaco al evaporarse necesita calor que extraerá del ambiente haciendo que este se enfríe. No se utilizará agua ya que en algunos casos se necesitarán temperaturas por debajo de los 0 grados centígrados por los que el amoníaco es mejor opción que el agua. Los tanques (sobre todo los que se encuentran al aire libre) deberán también tener un buen equipo de aislamiento para que el ambiente no influya y produzca gradientes de temperatura en el tanque. Para ello se contará con una capa de entre 100 y 150 mm de espuma rígida de polieuretano, probado uno de los mejores materiales aislantes [35]. En la ilustración 30 podemos ver dos tanques, uno de agua fría y otro de agua caliente. Estos son utilizados para mejorar la eficiencia de la fábrica. Los tanques de la ilustración son de una microcerveceria de cerveza artesana por lo que a tamaño industrial serían bastante más grandes. Tras el whirpool, el mosto está demasiado caliente debido a la coción por lo que se necesitará enfriarlo para su entrada en el fermentador. Aunque se pueden usar muchos métodos, en este se enfría mediante un intercambiador de tubos de flujo cruzado que en cuestión de minutos baja la temperatura de 60ºC aproximadamente que tiene el mosto cuando termina el whripool a 20ºC. A esta temperatura, el mosto entra en el fermentador, ya que en este ejemplo se trata de una cerveza ale, si fuera una cerveza lager la temperatura debería ser más baja. El agua del tanque de agua fría que se encuentra a unos 12ªC (esta se puede modificar ya que el tanque al igual que los fermentadores está refrigerado con camisas de agua glicolada) entra en las tuberías de 49 intercambiador de calor y se pone en contacto por el mosto. Por convección de calor, el agua se calentará y el mosto se enfriará, consiguiendo una temperatura de 20ºC en el mosto. El agua que sale del intercambiador es enviada de vuelta al tanque de agua caliente, que más tarde se utilizará en el siguiente ciclo para precalentar el mosto antes de su coción. Ilustración 30. Tanques de agua fría y agua caliente 50 51 4 COMPARACIÓN DE MODELOS n este capítulo se va a diseñar y estudiar los tanques cilindrocónicos, de modo que puedan obtenerseconclusiones de cuál puede ser el mejor tanque para fermentación y maduración de la cerveza. Como la elaboración de cerveza es más un arte que una ciencia, hay tantas variaciones en la fermentación como cerveceros. Se va a estudiar las mejores opciones de fermentación teniendo en cuenta que cada cerveza es única y que el sabor final de la cerveza, aunque depende de unas variables y cálculos, no son estos los que las definen. 4.1 Tanque cilindroconico cálculos. Para el diseño del tanque cilindrocónico se va a seguir las indicaciones recomendadas en el libro “Tecnología para cerveceros y malteros” de Wolfgang Kunze, una de las grandes referencias en el mundo de la cervecería. En este recomiendan una relación entre el diámetro y la altura del mosto de 1:2, y la mayoría de los diámetros de tanque se encuentran entre 3,5 y 4,5m. El ángulo del cono puede estar comprendido entre 60 y 90º, siendo usuales ángulos de 60 o 75º. Para calcular el volumen del tanque se usará la suma de el volumen del cilindro más el volumen del cono, siendo estos: 𝑉)3'3126* = 𝑟#× 𝜋 × ℎ 𝑉 )*1* =𝑟#× 𝜋 × ℎ 3 Estos cálculos se harían con la altura del mosto y se podría llamar a la suma de estos dos volúmenes volumen efectivo del tanque, pero como ya se ha dicho anteriormente hay que tener en cuenta la ascensión de la capa de espuma. Este volumen no es nada despreciable y se recomienda dejar un volumen para el ascenso de la capa de espuma de entre 18 y 25% del volumen del mosto. Para calcular el volumen y altura total del tanque habrá que calcular que porción de cilindro hay que añadirle, al antes calculado, para que tenga el volumen suficiente para la capa de espuma. Dependiendo del tipo de cerveza o levadura, la capa de espuma será mas activa o no por lo que para la elección del porcentaje de volumen habría que tenerla en cuenta. Estos parámetros serían para cerveza de cebada. Si habláramos de tanques para fermentación de cerveza de trigo, estos no se pueden llenar a más del 50% por la fuerte actividad de la capa de espuma durante la fermentación. E 52 Para los tanques de maduración (o segunda fermentación) el espacio necesario para la espuma variará del 8 al 12% según la temperatura y el proceso que se lleve a cabo, a excepción de si se trabaja con adición de Krausen. Esto es una técnica utilizada para la correcta carbonatación de la cerveza ya fermentada y consiste en añadirle mosto en fermentación al mosto ya fermentado. Con esta técnica se añade un poco de azúcares necesarios para que la cerveza se termine de carbonatar. Esto también hace que la fermentación se reinicie y ayude a la cerveza joven a eliminar los “off flavors” o cualidades que quedan de la cerveza verde en la cerveza ya “casi terminada”. La intención principal en cualquier fábrica de cerveza es producir cerveza de la mejor calidad en el menor tiempo posible. Para la fermentación, maduración y reposo, hoy en día no se debe exceder un tiempo de 20 días, siendo lo normal un ciclo de 17-18 días. Los tanques cilindrocónicos ofrecen buenas posibilidades para acortar los ciclos lo máximo posible y, aun así, obtener una buena calidad de cerveza. En el caso de meter el mosto en un fermentador unitank, hay que tener en cuenta que durante tres semanas no se tendrá acceso al mosto por lo que hay que controlar que algunos parámetros sean los adecuados para su correcta fermentación y maduración. Las propiedades del mosto deberán ser ajustadas correctamente durante la maceración, teniendo en cuenta que el contenido de FAN debe ser de 23mg/100ml de mosto como mínimo. Cantidades inferiores a 20mg de FAN serán inaceptables y debe llevarse a cabo una cuidadosa aireación de éste para su correcta oxigenación. Esto junto a la adicción de la levadura serán los factores que determinen que la cerveza obtenida sea de calidad o no. La levadura debe adicionarse siguiendo la medida de 1 litro de levadura espesa por cada hectolitro de mosto. Para saber que la maduración de la cerveza ha terminado, el factor para tener en cuenta será la degradación de diacetilo. Es una de las sustancias que tarda más en desaparecer de la cerveza verde por lo que una vez que ha desaparecido este podemos intuir que también lo han hecho el resto de las sustancias bouquet. Una correcta maduración debe llevar a un contenido final de diacetilo de 0,1mg de diacetilo por litro de cerveza. Tras la maduración la cerveza deberá ser enfriada a unas temperaturas de uno o dos grados bajo cero, dejándolas reposar durante unos 7 días dependiendo del tipo de cerveza. Este reposo se podrá realizar en el mismo tanque de fermentación y maduración (unitank) o en un tanque de reposo aparte (duotank) [35]. 4.2 Comparación unitank y duotank Se realizará el diseño de un fermentador cilindrocónico y luego se comparará su uso como tanque de fermentación y maduración o como tanque de fermentación, teniendo uno para maduración aparte. Usando un diámetro de 4 metros y el doble de altura, quedaría un volumen de cilindro de 𝑉)3'3126* = 𝑟#× 𝜋 × ℎ = 2#× 𝜋 × 8 = 100,48𝑚8 Teniendo un ángulo de 60º el volumen del cono es siguiente:& 𝑉 )*1* =𝑟#× 𝜋 × ℎ 3=2#× 𝜋 × 8 3=33,50𝑚8 Como se necesita entre un 18 y 25% para la ascensión de la espuma, se utilizará un 25% para evitar riesgos. 𝑉 /+9(:, = ( 100,48 +33,50 ) × 0,25 =33,50𝑚8 53 En ese caso, el volumen total de fermentador que será: 𝑉0*0,' =167,5𝑚8 En ese caso, 167,5 metros cúbicos serán 167.500 litros, que serán 1.675 hectolitros. Una buena cifra de producción para una fábrica de cerveza mediana puede ser unos 150.000 hectolitros al mes de cerveza por lo que contando con las mermas y los cocimientos al día necesarios se necesitarán un número específico de tanques dependiendo si el proceso va a ser unitank o duotank. Las mermas de una fábrica de cerveza suelen estar entre un 4,3% y un 9,4% por lo que para hacer una media se usará un valor del 7%. Estas mermas dependerán de los equipos, tuberías, etc. pero también las temperaturas y tiempos del proceso por lo que bajar las mermas de el proceso lleva un estudio más complicado de lo que parece por lo que un valor medio del 7% se podría considerar un valor aceptable. En cuanto a la diferencia entre unitank y duotank, se podría decir que una de las ventajas de la disposición en unitank es que las mermas de trasvase a guarda, que se pueden considerar una pérdida del 5% de la cerveza no se tendrán en cuenta en esta disposición ya que al no haber trasvase entre dos tanques no hay pérdidas. Esto significará que, para producir 150.000 hectolitros al mes de cerveza, se necesitarán 160.500 hectolitros de mosto al mes para producir esta cantidad. En un cocimiento normal de mosto se consiguen unos 800hl, lo que significará unos 201 cocimientos de mosto necesarios para alcanzar nuestra meta. En cuanto a la organización del trabajo, en una fábrica se realizarán unos 10 cocimientos al día, teniendo en cuenta que al principio y al final de la semana se realizarán menos. El día de arrancar la planta (puesta en marcha) se reduce el número de cocimientos a la mitad, que sería el lunes, y el sábado, último día de trabajo de la semana, se realizaría una tercera parte de los cocimientos que se realizarían en un día normal ya que el sábado habrá que hacer una limpieza CIP (Clean In Place) de los tanques, permaneciendo la fábrica cerrada el domingo. La organización de trabajo quedaría de la siguiente forma: Organización del trabajo Lunes Martes Miércoles Jueves Viernes Sábado Domingo Mostos/mes Mostos/día 5 10 10 10 10 3 0 201,6 El número de tanques necesarios dependerá de los días de ocupación que estos necesiten, según si son duotank o unitank, fermentación o maduración. En el tanque de fermentación serán necesarios 9 días de ocupación en total. Para la fermentación se necesitan unos 7 días, dependiendo de tipo de cerveza, uno de descanso de diacetilo y otro de limpieza. En el tanque de guarda serán necesarios 12 días de ocupación, que consiste en 11 días de reposo más uno de limpieza. En el caso de unitank, serán necesarios 21 días de ocupación (12 más 9 ya que, aunque no haya que hacer limpieza, si se necesita un día para el trasiego de levadura). En el caso de los volúmenes de ocupación útiles y totales, en el caso del unitank, se necesitará un 25% libre (necesario para la fermentación) en los 21 días por lo que su volumen útil pasa de 1.675 a 1.256,25 hl. Este sería el mismo volumen útil que para el fermentador del duotank, en cambio, los tanques de guarda solo necesitan un 8% libre de su volumen por lo que su volumen útil será de 1.541 hl. 54 El volumen necesario que fermentar al mes serán 168.000 hl en el caso del duotank y 160.500 hl en el caso del unitank (debido a las mayores pérdidas por mermas en el duotank). Los ciclos de fermentación serán 3,33 al mes, los de guarda 2,5 y en el caso de unitank (fermentación más guarda) serán 1,43. Esta información se recoge en la siguiente tabla para que se vea más claramente: Cálculos Bodega Días de ocupación 21 Fermentación+guarda (unitank) 9 Fermentación (duotank) 12 Guarda (duotank) Tanque fermentación 1.675 hl Volumen total 1.256,25 hl Volumen útil fermentación Tanque de guarda 1.675 hl Volumen total 1.541 hl Volumen útil guarda Volumen a fermentar duotank 168.000 hl/mes Volumen a fermentar unitank 160.500 hl/mes Ciclos fermentación 3,33 Ciclos guarda 2,50 Ciclos fermentación+guarda 1,43 Con estos datos y un cálculo fácil se podrá comprobar cuantos tanques hacen falta en cada modelo, unitank y duotank. Si se necesitan en unitank 160.500 hl de mosto al mes, entre 1,43 ciclos, nos resultará un volumen de 112.237,76 hl por ciclo. En ese caso, serán necesarios 90 (en cálculos 89,34) tanques cilindrocónicos de fermentación y guarda. En el caso del modelo duotannk, se necesitan 168.000 hl al mes, entre 3,33 nos daría un volumen de 50.400 hl por ciclo. Esto resultaría en un número de tanques igual a 40 tanques de fermentación. Los tanques de maduración serán algunos más ya que, aunque tienen mayor volumen útil, necesitan más días de reposo. Si dividimos 168.000 hl entre 2,5 ciclos necesarios de maduración al mes, obtenemos un total de 67.200 hl por ciclo. Dividiendo estos hectolitros de mosto entre el volumen útil de guarda, 1541 hl, nos resulta un total de 44 tanques de guarda para el modelo duotank. Estos resultados se encuentran recogidos en la siguiente tabla: Unitank 112.237,76 hl/ciclo Duotank 50.400 hl/ciclo 67.200 hl/ciclo Número tanques unitank 90 Número fermentadores (duotank) 40 Número tanques guarda (duotank) 44 55 4.3 Estudio económico Como resultado se puede observar que habrá 90 tanques en unitank frente a 84 tanques de duotank. Tomando como ejemplo los precios de Czech Brewery Systems, empresa checa de tanques de fermentación y líneas industriales para la producción de cerveza, sidra y vino, se va a realizar un estudio de cual sería la diferencia económica de tener un modelo unitank o duotank. La inversión total en unitank serían 3,15 millones de euros, mientras que en duotank serían 3,02 por lo que la inversión sería prácticamente la misma. En realidad, la elección de el sistema duotank o unitank se centrará más en el tipo de cerveza que se quiera realizar y en la escala que vaya a tener la fábrica de cerveza. La cerveza comercializada de producción a gran escala utilizará normalmente sistema duotank ya que la cerveza necesitará un proceso de maduración más controlado y específico. También, en el estudio económico no se ha tenido en cuenta las pérdidas por mermas y trasvases, que en una cervecería a gran escala, donde el litro cuesta alrededor de 10 céntimos, se deben tener en cuenta ya que cuando se maneja una producción de tantos litros, las pérdidas por mermas pueden tener costes considerables para la empresa. También en las grandes industrias, pueden permitirse tener naves refrigeradas donde se encuentran los tanques de guarda y fermentación, lo que saldrá mucho más económico que tener cada tanque refrigerado. En cambio, en una pequeña cervecería, no tienen opción a una fábrica refrigerada y no se pueden permitir grandes pérdidas por mermas, ya que para estos la pérdida de un litro de cerveza le sale más cara que la industrial (en torno a 40 céntimos el litro). Normalmente, en una microcervecería se realizarán varios tipos de cerveza artesana y cada fermentador unitank irá trabajando independientemente del resto. Si debieran tener dos equipos (uno para fermentación y otro para maduración) perderían mucho espacio en la fábrica. 4.4 Conclusión Tras todo este estudio, se concluye que cada cervecería optará por el diseño que el cervecero considere mejor, tanto para el tipo de cerveza como para el tipo de fábrica. Hay microcervecerias con duotank y unitank, y grandes empresas cerveceras que usan ambos modelos también, defendiendo su propia receta y su elección en cuanto a tanque vertical, horizontal, cilindrocónico. No se puede elegir un modelo que sea mejor que otro ya que esto dependerá de tantos factores como diferentes formas de hacer cerveza. Al fin y al cabo, lo importante será tener un modelo de producción rentable, desarrollando siempre una correcta integración energética para disminuir costes, buscando las mínimas perdidas en la fábrica y por supuesto con un producto que guste y satisfaga a los clientes. Unitank 35.000 € Duotank Fermentación 33.000€ Guarda 38.700 € Número tanques unitank 90 3,15M€ Número fermentadores (duotank) 40 1,32M€ Número tanques guarda (duotank) 44 1,7M€ 56 57 REFERENCIAS [1] JORRÍN, JAVIER. Los españoles disparan su consumo de cerveza en 2018 y apuntan a un año histórico. En: El Confidencial [en línea]. 2018. [Fecha de consulta: 20 Diciembre 2019]. Disponible en: https://www.elconfidencial.com/economia/2018-08-16/consumo-cerveza-espana- dispara-ano-historico_1604724/ [2] BARTH, ROGER. The Chemistry of Beer. West Chester: John Wiley & Sons, 2014, pp. 1-7 ISBN: 1118674979 [3] MARK, JOSHUA. Beer in Ancient Egypt. En: Ancient History Encyclopedia [en línea]. 2017. [Fecha de consulta 18 marzo 2020]. Disponible en: https://www.ancient.eu/article/1033/beer-in-ancient-egypt/ [4] NELSON, MAX. The Barbarian's beverage: A history of beer in Ancient Europe. Londres: Routledge, 2005, pp. 1-21. ISBN: 0415486920 [5] GARCÍA GARRIDO, J y RODRÍGUEZ LÓPEZ, A. D. 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