UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR CARRERA DE … · Figura 1. Diagrama de flujo del proceso de...

UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR

FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA

CARRERA DE INGENIERÍA QUÍMICA

PLANTA PILOTO PARA CERVEZA ARTESANAL

TRABAJO DE GRADO PARA LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO

DE INGENIERO QUÍMICO

AUTOR: CARLOS EDUARDO YÁNEZ TORRES

TUTOR: ING. JORGE ALBERTO MEDINA CRIOLLO

QUITO

2015

iii

APROBACIÓN DE TUTOR

En mi calidad de Tutor del Trabajo de Grado titulado: “PLANTA PILOTO PARA CERVEZA

ARTESANAL”, me permito certificar que la misma es original y ha sido desarrollada por el

Señor CARLOS EDUARDO YÁNEZ TORRES, bajo mi dirección y conforme a todas las

observaciones realizadas, considero que el trabajo reúne los requisitos necesarios.

En la ciudad de Quito, a los 30 días del mes de enero de 2014

__________________________

Ing. Jorge Medina C.

TUTOR.

iv

AUTORIZACIÓN DE LA AUTORÍA INTELECTUAL

Yo, CARLOS EDUARDO YÁNEZ TORRES en calidad de autor del trabajo de grado realizado

sobre PLANTA PILOTO PARA CERVEZA ARTESANAL, por la presente autoriza a la

UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR, hacer uso de todos los contenidos que me

pertenecen o de parte de los que contiene esta obra, con fines estrictamente académicos o de

investigación.

Los derechos que como autor me corresponden, con excepción de la presente autorización,

seguirán vigentes a mi favor, de conformidad con lo establecido en los artículos 5, 6, 8, 19 y

demás pertinentes de la Ley de Propiedad Intelectual y su Reglamento.

En la ciudad de Quito, a los 12 días del mes de mayo de 2015.

____________________

Carlos Yánez T.

C.C. 1713799649

[email protected]

v

A mi amada madre, Piedad.

vi

AGRADECIMIENTO

Agradezco a todas las personas que de una u otra forma estuvieron conmigo, porque cada una

aportó en forma desinteresada; y es por ello que a todos y cada uno de ustedes les dedico todo el

esfuerzo en estas páginas plasmado.

Agradezco a Jorge Medina, Ingeniero Químico, ilustre profesor de la Facultad de Ingeniería

Química, por haber orientado y dirigido el presente trabajo.

Deseo manifestar mi gratitud a mis profesores, de ustedes me llevo sus mejores enseñanzas y

consejos. A los amigos y compañeros, por haber compartido este largo recorrido que es apenas

un escalón en nuestras vidas.

Gracias a mi amada familia, a mi hermana Patricia por ser mi impulso y ejemplo, por su cariño

y confianza, a mi padre Carlos por sus consejos y preocupación, a mi esposa Andrea y mi

hermosa hija Sisa Rafaela por convertirse en el motor de mi vida e inspiración y principalmente

doy gracias a mi madre Piedad, por entregarme su vida entera.

vii

CONTENIDO

pág.

LISTA DE TABLAS ........................................................................................................ x

LISTA DE FIGURAS ....................................................................................................... xii

LISTA DE GRÁFICOS .................................................................................................... xiii

RESUMEN ....................................................................................................................... xiv

ABSTRACT ..................................................................................................................... xv

INTRODUCCIÓN ............................................................................................................ 1

1. CERVEZA ARTESANAL ............................................................................................ 2

1.1.Definición. .................................................................................................................. 2

1.2. Cervecerías artesanales. .............................................................................................. 2

1.3. Planta piloto. .............................................................................................................. 3

2. REINGENIERÍA .......................................................................................................... 4

2.1. Reingeniería de procesos. ........................................................................................... 4

2.2. Repotenciación. .......................................................................................................... 4

2.3. Reingeniería de la planta piloto para elaborar cerveza artesanal. ................................. 4

2.4. Nomenclatura empleada. ............................................................................................ 5

2.4.1. Sistema de identificación de equipos ......................................................................... 5

2.4.2. Sistema de identificación de líneas............................................................................ 6

2.4.3. Sistema de identificación de instrumentos. La identificación de instrumentos se la

realiza de la siguiente manera: .......................................................................................... 6

2.5. Descripción del Proceso. ............................................................................................ 7

2.5.1. Maceración. ............................................................................................................. 8

2.5.2. Filtrado I.................................................................................................................. 8

2.5.3. Lavado. .................................................................................................................... 8

2.5.4. Cocción. ................................................................................................................... 9

2.5.5. Enfriamiento. ........................................................................................................... 9

2.5.6. Fermentación. .......................................................................................................... 9

2.5.7. Filtrado II. ............................................................................................................... 10

viii

2.5.8. Maduración. ............................................................................................................. 10

2.6. Operación de la Planta. ............................................................................................... 10

2.6.1. Paila de maceración (F-110). ................................................................................... 10

2.6.2. Cuba de lavado (H-120). .......................................................................................... 12

2.6.3. Bomba centrifuga (P-130). ....................................................................................... 12

2.6.4. Tanque fermentador (F-210). ................................................................................... 13

2.6.5. Filtro (H-220). ......................................................................................................... 14

2.6.6. Recipiente de almacenamiento (F-310). .................................................................... 14

2.7. Evaluación de las modificaciones. .............................................................................. 14

2.7.1. Modificaciones en la paila de maceración (F-110). .................................................. 15

2.7.2. Modificaciones en la cuba de lavado (H-120). .......................................................... 15

2.7.3. Modificaciones en el tanque fermentador (F-120). .................................................... 16

2.7.4. Modificaciones en el filtro (H-220). .......................................................................... 16

3. ESTUDIO EXPERIMENTAL ....................................................................................... 17

3.1. Equipos. ..................................................................................................................... 17

3.2. Materiales. ................................................................................................................. 17

3.3. Sustancias. ................................................................................................................. 17

3.4. Limpieza. ................................................................................................................... 18

3.5. Elaboración de Cerveza. ............................................................................................. 18

3.6. Datos Experimentales. ................................................................................................ 19

4. CÁLCULOS Y RESULTADOS. .................................................................................... 21

4.1. Maceración. ................................................................................................................ 21

4.2. Filtrado I. .................................................................................................................... 22

4.3. Lavado ........................................................................................................................ 22

4.4. Mezclado. ................................................................................................................... 23

4.5. Cocción. ...................................................................................................................... 25

4.6. Fermentación. ............................................................................................................. 28

4.7. Filtrado II. ................................................................................................................... 31

4.8. Maduración. ................................................................................................................ 32

4.9. Resultados de los cálculos por equipo. ......................................................................... 32

4.10. Resultados de la Evaluación Sensorial ....................................................................... 33

5. DISCUSIÓN ................................................................................................................. 36

ix

6. CONCLUSIONES ......................................................................................................... 37

7. RECOMENDACIONES ................................................................................................ 39

CITAS BIBLIOGRÁFCAS ............................................................................................... 40

BIBLIOGRAFÍA .............................................................................................................. 41

ANEXOS.......................................................................................................................... 43

x

LISTA DE TABLAS

pág.

Tabla 1.Código de letras para identificación de equipos ..................................................... 5

Tabla 2.Identificación de equipos principales .................................................................... 5

Tabla 3. Servicio de las tuberías a emplear en la Planta Piloto. .......................................... 6

Tabla 4.Identificación de materiales de tuberías................................................................. 6

Tabla 5.Identificación de instrumentos para la Planta Piloto .............................................. 7

Tabla 6. Datos de la etapa de maceración. ......................................................................... 19

Tabla 7. Datos de la etapa de filtración. ............................................................................. 19

Tabla 8. Datos experimentales de la etapa de lavado. ......................................................... 19

Tabla 9. Densidad objetivo de la mezcla de mostos. .......................................................... 20

Tabla 10. Datos experimentales etapa de cocción. ............................................................. 20

Tabla 11. Datos experimentales etapa de fermentación y maduración. ............................... 20

Tabla 12. Vapor requerido para el calentamiento del agua. ................................................. 21

Tabla 13. Balance de masa etapa maceración. ................................................................... 21

Tabla 14. Balance de masa de la etapa de filtrado I ............................................................ 22

Tabla 15. Balance de masa etapa de lavado ....................................................................... 22

Tabla 16. Densidad del mosto obtenido de la mezcla de mosto I y mosto II ....................... 24

Tabla 17. Balance de masa etapa de mezclado ................................................................... 24

Tabla 18. Balance de materia aplicado al proceso de cocción ............................................. 25

Tabla 19. Datos para el cálculo de consumo de vapor. ....................................................... 26

Tabla 20. Requerimiento de vapor ..................................................................................... 26

Tabla 21. Área y coeficiente total de transferencia de calor del recipiente F-110 ................ 26

Tabla 22. Análisis por capacidad del recipiente F-110 ....................................................... 27

Tabla 23. Datos de laboratorio. Grado alcohólico de la cerveza elaborada.......................... 29

Tabla 24. Datos para el cálculo de la tasa de crecimiento de la levadura ............................ 30

Tabla 25. Tasa de crecimiento para la levadura Saccharomyces Cerevisiae ........................ 30

Tabla 26. Datos para el cálculo de biomasa producida ....................................................... 30

Tabla 27. Biomasa producida en el periodo de una semana. ............................................... 31

Tabla 28. Balance de masa etapa de fermentación ............................................................. 31

Tabla 29. Balance de masa etapa de filtrado II ................................................................... 31

xi

Tabla 30. Balance de masa de la etapa de maduración ....................................................... 32

Tabla 31. Resultados obtenidos de la operación maceración en el recipiente F-110. ........... 32

Tabla 32. Resultados obtenidos de la operación de cocción del mosto, recipiente F-110 .... 32

Tabla 33. Resultados obtenidos de la operación de fermentación en el recipiente F-210. .... 33

Tabla 34. Especificación de la bomba P-130 ..................................................................... 33

Tabla 35. Resultados de las pruebas organolépticas. Grupo 1............................................. 34





Tabla 40. Resultados globales de las pruebas organolépticas. ............................................ 35

xii

LISTA DE FIGURAS

pág.

Figura 1. Diagrama de flujo del proceso de elaboración de cerveza.................................... 8

Figura 2. Paila de maceración (F-110) ............................................................................... 10

Figura 3. Cuba de lavado (H-120) ..................................................................................... 12

Figura 4. Tanque fermentador (F-210) ............................................................................... 13

Figura 5. Filtro (H-220)..................................................................................................... 14

Figura 6. Diagrama de la operación de maceración ............................................................ 21

Figura 7. Diagrama de la operación de filtrado I ................................................................ 22

Figura 8. Diagrama de la operación de lavado. .................................................................. 22

Figura 9. Diagrama de la operación de mezclado ............................................................... 23

Figura 10.Relación entre densidad vs. °Brix para soluciones de sacarosa. .......................... 24

Figura 11. Diagrama de la operación de cocción. ............................................................... 25

Figura 12. Diagrama de la operación de fermentación. ...................................................... 28

Figura 13. Diagrama de la operación de filtrado II. ............................................................ 31

Figura 14. Diagrama de la operación de maduración.......................................................... 32

xiii

LISTA DE GRÁFICOS

pág.

Gráfico 1. Área de contacto vs. Consumo de vapor. (A vs. W)........................................... 27

Gráfico 2. Área de contacto vs. Coeficiente total de transferencia de calor.(A vs. U).......... 27

Gráfico 3. Coeficiente total de transferencia de calor vs. Consumo de vapor. (U vs. W). .... 28

xiv

PLANTA PILOTO PARA CERVEZA ARTESANAL

RESUMEN

Readecuación de la planta piloto de la Facultad de Ingeniería Química para elaborar cerveza

artesanal tipo ALE.

Se realizó el diagnóstico del estado actual de la planta y se determinaron las condiciones

requeridas para operar. Se procedió a realizar los trabajos de readecuación utilizando soldadura

especializada e incorporando accesorios calificados para el manejo de productos alimenticios.

Experimentalmente, utilizando materia prima convencional: malta, agua, lúpulo, levadura; se

procedió a la elaboración de cerveza artesanal mediante las operaciones de: maceración, una

primera filtración, lavado de granos, mezcla de mostos, cocción de mosto, fermentación,

segunda etapa de filtración y maduración.

Las características de la cerveza obtenida fueron: 5,2% en volumen de alcohol, color cobrizo y

aspecto turbio debido a una pequeña cantidad de sedimento presente, sabor amargo

pronunciado, aroma agradable y presencia de espuma no persistente. Estos parámetros están

dentro de las especificaciones técnicas correspondientes, por lo tanto la readecuación de la

planta fue técnicamente la más adecuada.

PALABRAS CLAVE: / CERVEZA ARTESANAL / PLANTAS PILOTO /

REPOTENCIACIÓN / READECUACIÓN / BEBIDAS ALCOHÓLICAS / MEJORAMIENTO

/ CERVEZA ALE / PROPIEDADES ORGANOLÉPTICAS /

xv

PILOT PLANT FOR CRAFT BEER

ABSTRACT

Upgrading of Pilot Plant to craft ALE beer to the Chemistry Engineering Faculty.

It was done the diagnostic of the present state of the plant and the required conditions were

determined needs to work the plant. It was done a process of upgrading using specialized

welding and adding qualified accessories to manage food products.

Experimentally, conventional raw material: malt, water, loupe, yeast, with these ingredients the

craft beer was elaborated by macerating, a first filtration, grains washed, wort mixing, wort

cooking, fermentation, and the second part of filtration and mellowing

The gotten beer characteristics were 5.2% in alcohol volume, cooper color and muddy aspect

due to a short quantity of present settled, it tasted hard bitter, pleasant scent and non-persistent

foam. These parameters are inside the correspondent technical specification that’s why the plant

upgrading was technically the most suitable.

KEYWORDS: / CRAFT BEER / PILOT PLANT / REINFORCE / UPGRADING/

ALCOHOLIC BEVERAGES / IMPROVEMENT / ALE BEER / ORGANOLEPTIC

PROPERTIES /

1

INTRODUCCIÓN

La cerveza, bebida altamente propagada alrededor del mundo, en la actualidad experimenta un

cambio interesante en cuanto a su evolución, si bien es cierto esta bebida se ha preparado de

manera artesanal durante siglos, comercialmente empieza a existir la demanda por parte de los

consumidores que esperan encontrar variedad para su bebida favorita. La Facultad de Ingeniería

Química de la Universidad Central del Ecuador dentro de sus instalaciones cuenta con la Planta

Piloto para Investigar la Tecnología Cervecera, elaborada como parte del trabajo para la

obtención del título de Ingeniero Químico, cuyos autores son: Manuel Rodríguez y Rodrigo

Domínguez; dicha planta, con el paso del tiempo y la falta de mantenimiento perdió

operatividad. Para que cumpla nuevamente el objetivo para el cual fue creada, se vio la

necesidad de realizar una repotenciación de los equipos de la planta y definir el proceso

enfocando el producto a esta nueva tendencia de la cerveza artesanal.

Se realizó el levantamiento de la planta existente y se evaluó las condiciones en las que

encontraba para determinar el nivel de la reingeniería a realizar.

Se seleccionó los materiales adecuados para manejo de productos de consumo humano y el

trabajo de reparación de los recipientes de la planta se realizó con soldadura de cátodo de

tungsteno con gas argón (TIG, del inglés, tungsten inert gas).

La parte experimental consistió en elaborar cerveza tipo ALE y cuantificar el grado de

aceptación del consumidor.

Adicionalmente, se elaboró la descripción del proceso y se incorporó las directrices de

operación de la planta, conjuntamente con los planos de especificación de los recipientes y el

plano de tubería e instrumentación.

El producto elaborado, tuvo buena aceptación, calificándose con un 4 en una escala de 1 a 5,

siendo 1 muy malo y 5 muy bueno.

Gracias a las modificaciones realizadas la planta piloto puede continuar operando y en ella

realizarse diferentes proyectos académicos.

2

1. CERVEZA ARTESANAL

1.1. Definición.

En el mercado mundial se ha vuelto común encontrar una gran variedad de cervezas, en parte,

esta diversificación se agradece a la creciente producción de cervezas artesanales, que

principalmente destacan por la amplia gama de aromas, gustos, colores y contenido alcohólico,

esto es logrado variando principalmente el tipo de malta a usar o también la proporción de

granos a usar, ya q es muy común emplear trigo solo o en mezcla con malta para la elaboración

de cerveza, además de incorporar aditivos a la preparación, estos consisten en: frutas, plantas,

raíces, especias, jarabes, melazas, entre varios otros.

Este tipo de cervezas pueden ser elaboradas en forma casera con equipos más o menos

rudimentarios para consumo y degustación personal de quien las elabora.

A mayor escala nos encontramos con: casas de cerveza, micro cervecerías, que cuentan con

equipos más sofisticados y especializados, pero no comparables con plantas industriales. Las

cervezas aquí elaboradas también tienen fines comerciales y de demanda creciente por los

consumidores. El objetivo de los cerveceros que elaboran este tipo de cerveza es hacer conocer

su producto por su gusto único y receta irrepetible.

1.2. Cervecerías artesanales.

Las cervecerías artesanales se caracterizan principalmente por el grado de automatización, en

estas se emplea controles manuales para los procesos. La ventaja de este modo de control está

en que el cervecero toma parte del proceso y puede supervisar personalmente toda la operación,

la desventaja está dada principalmente porque todo el tiempo de producción es dedicado a una

labor repetitiva. Los rendimientos obtenidos por el control manual pueden ser tan buenos como

los que se obtienen mediante control automático. [1]

El nivel de automatización dependerá del tamaño de la planta y de la inversión que a esta se la

quiera realizar. Conforme el nivel sea más alto la calidad del producto tomará una tendencia a

ser uniforme y constante.

3

1.3. Planta piloto.

Consiste en una planta de proceso a escala reducida con el propósito de investigar un proceso

físico o químico en específico, analizando las variables que lo afectan y determinando las que

permiten una operación óptima, de esta manera determinar si este es técnica y económicamente

factible, la construcción o montaje de una planta a mayor escala.

La característica principal de este tipo de plantas es su flexibilidad ya que para motivos de

ensayos e investigación es necesario que variables como: presión, temperatura, entre otras; se

puedan manejar en rangos amplios de esta manera determinar los valores óptimos de producción

de un producto.

4

2. REINGENIERÍA

2.1. Reingeniería de procesos.

La reingeniería de procesos es el rediseño y la re concepción de los procesos, de manera formal

se dice que “es la revisión fundamental y el rediseño radical de procesos para alcanzar mejoras

espectaculares en medidas críticas y actuales de rendimiento”. [2]

Para realizar una reingeniería es común iniciar en “hoja en blanco”, esto quiere decir que todos

los aspectos involucrados en el proceso se rediseñan desde cero, esta metodología se destaca por

la libertad en generar ideas pero manteniendo los objetivos básicos del proyecto. Por otra parte,

se puede hacer restricciones aprovechando en mayor o menor medida los componentes del

proceso ya existentes.

2.2. Repotenciación.

En la repotenciación debe considerarse la modificación y adaptación del diseño existente

teniendo como objetivo la satisfacción de los nuevos requerimientos, minimizando los cambios

en el diseño original y maximizando la utilización de los equipos y dispositivos existentes [3].

2.3. Reingeniería de la planta piloto para elaborar cerveza artesanal.

La planta piloto para estudiar la tecnología alrededor de la elaboración de cerveza, ha estado

expuesta al deterioro del tiempo así también por la falta de mantenimiento, se encontraba en mal

estado.

El grado de restricción a la reingeniería de este proceso está dado por:

Físicamente existe una planta con probabilidades muy altas de operatividad.

En el laboratorio de Operaciones Unitarias existe la facilidad de uso de los servicios

necesarios para las operaciones a realizarse.

Proceso definido por la naturaleza del producto a elaborar y motivo de la planta piloto.

5

Por lo mencionado anteriormente, la reingeniería se centra en proveer a la planta piloto de los

elemento necesarios para que entre en operación en condiciones de higiene, protegiendo el

producto que se elabora con los materiales indicados para este propósito, además de que los

equipos incluyan las facilidades de control y operación.

Producto de esta etapa son los planos de especificación de cada equipo, así como el modelo

gráfico de la planta, también, se describe el proceso que se desarrolla y la operación de la

misma.

A esto hay que incluir el empleo de un sistema de codificación de los elementos presentes en la

planta, como son: equipos, válvulas, tuberías

2.4. Nomenclatura empleada.

2.4.1. Sistema de identificación de equipos. La numeración de equipos se realiza de acuerdo al

sistema descrito por Gael D. Ulrich en su libro Diseño y Economía de los Procesos de

Ingeniería Química (1988), organizando a los equipos de acuerdo a una zona de operación,

equipos principales y equipos de apoyo al proceso.

Y de este sistema se emplean las siguientes letras para la identificación de equipos.

Tabla 1. Código de letras para identificación de equipos

Tipo de Equipo Letra

Recipientes F

Filtros H

Bomba P

Agitador eléctrico M

Por lo tanto los equipos de la Planta Piloto de cerveza artesanal quedan designados de la

siguiente manera:

Tabla 2. Identificación de equipos principales

Equipo Código

Paila de maceración F-110

6

Continuación Tabla 2.

Equipo Código

Cuba de lavado H-120

Filtro H-220

Bomba centrífuga P-130

Tanque fermentador F-210

Recipiente de almacenamiento F-310

Agitador eléctrico M-111

2.4.2. Sistema de identificación de líneas. Para la identificación de líneas se emplea el siguiente

esquema:

X1-N1"-X2X3-N2N3N4

Dónde:

X1 Representa el servicio de la tubería.

X2X3 Indica el material.

N1 Diámetro nominal.

N2N3N4 Número consecutivo de acuerdo a la designación de zonas y equipos.

Tabla 3. Servicio de las tuberías a emplear en la planta piloto.

X1 Servicio

V Vapor

A Agua

D Drenaje

P Producto

Tabla 4. Identificación de materiales de tuberías.

X2X3 Material

AN Acero negro

AG Acero galvanizado

AI Acero inoxidable

2.4.3. Sistema de identificación de instrumentos. La identificación de instrumentos se la realiza

de la siguiente manera:

7

X1X2

N1N2N3

Dónde:

X1 Variable asociada al instrumento.

X2 Función del instrumento.

N1N2N3 Número consecutivo de acuerdo a la designación de zonas y equipos.

Tabla 5. Identificación de instrumentos para la planta piloto

Código Instrumento

PI-111 Indicador de presión vapor de

calentamiento

TI-111 Indicador de temperatura Paila de

Maceración F-110

TI-211 Indicador de temperatura Tanque

de Fermentación F-210

2.5. Descripción del proceso.

En la planta piloto para cerveza artesanal se efectúan los procesos descritos a continuación:

Maceración.

Filtrado I.

Lavado.

Mezclado.

Cocción.

Fermentación.

Filtrado II

Maduración.

8

Figura 1. Diagrama de flujo del proceso de elaboración de cerveza

2.5.1. Maceración. Es el término que recibe el proceso de extracción sólido-líquido cuando se

habla de productos de consumo como alimentos o bebidas. El objetivo de esta operación es

extraer compuestos solubles presentes en los granos de malta, principalmente azucares

fermentables. Esta operación se realiza en caliente para iniciar un proceso enzimático para

transformar los azucares presentes en azucares fermentables.

La alimentación de la materia prima al recipiente F-110 se realiza por la parte superior. La

energía calórica, proviene de la red de vapor y se alimenta por la línea V-1”-AN-111, hacia la

chaqueta del recipiente. Los condensados son dirigidos al drenaje por la línea D-1/2”-AG-114.

Concluida la operación el producto es enviado por gravedad al filtro H-120.

2.5.2. Filtrado I. El filtro H-120 recibe el producto de la maceración realizada en F-110 y en su

medio filtrante separa el extracto de la parte sólida.

El extracto se reserva ya sea en el recipiente F-310 o en uno opcional adecuado para este tipo de

producto. La torta remanente se la retiene para el proceso de lavado.

2.5.3. Lavado. Consiste en agotar los compuestos solubles aun presentes en la torta formada de

los granos de malta.

Se prepara agua de la misma manera que en la etapa de maceración en el recipiente F-110 y se

la recibe en el filtro H-120 para lavar los granos obtenidos en la etapa de Filtración I.

9

La solución obtenida es incorporada al producto de etapa de maceración para corregir su

concentración.

2.5.4. Cocción. En esta operación es donde principalmente se elimina los microorganismos que

pudiera estar presentes en el extracto y de esta forma esterilizarlo, además de detener el proceso

enzimático iniciado en la maceración.

En esta etapa se realiza en el recipiente F-110, donde se alimenta el extracto corregido su

concentración y se adiciona el lúpulo que aportará con sabor y aroma al producto elaborado.

Cuando el tiempo necesario haya transcurrido el producto permanecerá en el recipiente para la

operación de enfriamiento.

El vapor requerido es alimentando por la línea V-1”-AN-111, hacia la chaqueta del recipiente.

Los vapores condensados son dirigidos al drenaje por la línea D-1/2”-AG-113.

2.5.5. Enfriamiento. Al no poderse inocular la levadura a temperaturas más altas que 35 °C, y

para evitar que cualquier otro microorganismo entre en el producto de la cocción, el recipiente

debe enfriarse inmediatamente a temperatura ambiente.

Para mejorar esta operación se acciona el agitador M-111 a la vez que ayuda a que el mosto se

oxigene preparándolo para la operación de fermentación, el fluido es transportado al filtro H-

120 y a la bomba P-130 a través de la línea P-3/4”-AI-115.

El agua de enfriamiento es alimentada por la línea A-1/2”-AG-113 que se une a la línea V-1”-

AN-111, hacia la chaqueta del recipiente. El agua empleada en esta operación se dirige al

drenaje por la línea D-1/2”-AG-114.

2.5.6. Fermentación. Es la etapa del proceso más importante y la que mayor tiempo toma, esto

se debe a la adición de levaduras que transformarán los azucares presentes en el mosto a alcohol

etílico y dióxido de carbono.

Esta operación tiene lugar en el recipiente F-210, donde el mosto enfriado se alimenta desde la

bomba P-130 a través de la manguera sanitaria ubicada en la línea P-3/4”-AI-116 y una vez

cumplido el tiempo de fermentación a la temperatura requerida el producto es enviado por

gravedad al filtro H-220.

10

2.5.7. Filtrado II. Esta operación se separa la biomasa formada por la propagación de levaduras

del producto que luego de la fermentación contiene un porcentaje de etanol.

La carga proveniente del recipiente F-210, pasa por el medio filtrante el cual es recolectado en

el F-310 o en un recipiente opcional adecuado para este tipo de producto.

2.5.8. Maduración. Es una segunda fermentación donde las levaduras remanentes aumentan el

contenido alcohólico y proveen al producto del anhídrido carbónico característico. Además en

esta etapa el producto es clarificado y es preparado para el envasado final y consumo posterior.

Esta operación se la realiza en el recipiente F-310 o directamente en los envases designados

para el consumo, la condición es que el producto conserve el gas que produce y que no ingrese

aire del exterior.

Una vez culminada esta etapa del proceso se requiere llevar el producto a refrigeración para que

adquiera una temperatura adecuada para el consumo terminando así su elaboración.

2.6. Operación de la planta.

2.6.1. Paila de maceración (F-110).

Figura 2. Paila de maceración (F-110)

11

Este recipiente se lo emplea para las funciones que se mencionan a continuación en las

diferentes etapas del proceso:

Calentamiento para la mezcla granos agua en la etapa de maceración.

Calentamiento de agua para la operación de lavado de granos.

Enfriamiento del mosto preparado previo a la fermentación.

Para calentamiento con vapor se alinea el arreglo de válvulas de la línea V-1”-AN-111, para que

este ingrese a la chaqueta del recipiente se coloca la válvula de bola en posición abierta. El

control de temperatura se realiza mediante la manipulación de la válvula de aguja presente en el

arreglo y el seguimiento de presión y temperatura se realiza mediante los instrumentos PI-111 y

TI-111 respectivamente.

Para dirigir los condensados hacia el drenaje se cuenta con la tubería D-1/2”-AG-114.

En la función de enfriamiento, inicialmente la válvula de bola de media pulgada (1/2 in) de la

línea de vapor debe encontrarse cerrada y la válvula de bola de la tubería de drenaje de estar en

posición abierta totalmente, una vez verificada la posición de las válvulas de vapor y drenaje, se

coloca en posición abierta la válvula de bola de media pulgada (1/2 in) de alimentación de agua

a la chaqueta del recipiente F-110.

La descarga del recipiente se la realiza abriendo la válvula de bola de una pulgada (1 in) del

recipiente F-110, mientras que la válvula de bola de media pulgada (1/2 in) ubicada lateralmente

en la paila de maceración se la emplea para tomar muestras del contenido del recipiente.

El agitador M-111 es un equipo de apoyo al recipiente para mejorar contacto de las fases

presentes y/o distribuir eficientemente la temperatura del contenido de este.

12

2.6.2. Cuba de lavado (H-120).

Figura 3. Cuba de lavado (H-120)

Este elemento de la planta es propiamente un filtro que gracias a su placa perforada sirve como

soporte para el medio filtrante. El H-120 se lo emplea en las siguientes operaciones:

Filtrar el producto de la maceración, separando los granos del mosto.

Lavado de los granos.

La cuba de lavado consta de dos válvulas de bola de tres cuartos de pulgada (3/4 in). La primera

se la emplea para la dirigir la carga de la Cuba de Lavado H-120 hacia la bomba P-130. La

segunda válvula se emplea para drenar fluido del recipiente como de la línea P-3/4”-AI-115.

2.6.3. Bomba centrífuga (P-130).La bomba centrifuga se emplea de apoyo para la operaciones

que se realizan en la planta transportando únicamente fluidos provenientes H-120 hacia

cualquier recipiente, ya que en la tubería de descarga de esta consta de una manguera apropiada

para el manejo de productos alimenticios.

13

2.6.4. Tanque fermentador (F-210).

Figura 4. Tanque fermentador (F-210)

Este recipiente es alimentado por la parte superior y la descarga se la realiza abriendo la válvula

de bola de tres cuartos de pulgada (3/4 in), mientras que la válvula de bola de media pulgada

(1/2 in) ubicada lateralmente en el Fermentador se la emplea para tomar muestras del contenido

del recipiente.

Para inspección de la operación se dispone del instrumento TI-211 para medir la temperatura en

el interior del recipiente.

14

2.6.5. Filtro (H-220).

Figura 5. Filtro (H-220)

Provisto de una placa perforada para soportar el medio filtrante. Incorpora una válvula de tres

cuartos de pulgada (3/4 in) tipo bola para descarga del filtro.

2.6.6. Recipiente de almacenamiento (F-310). Este recipiente tiene cierre hermético en su parte

superior y la descarga se realiza a través de la apertura de la válvula de bola de media pulgada

(1/2 in) ubicada lateralmente.

2.7. Evaluación de las modificaciones.

La planta Piloto para la Elaboración de Cerveza actualmente cuenta con varias mejoras

necesarias para su correcto funcionamiento. La selección de materiales y procedimientos para

realizar las reparaciones fueron estudiados y analizados de acuerdo a las exigencias de las

operaciones a realizar en la planta piloto y a la naturaleza del producto que en esta se elabora.

15

2.7.1. Modificaciones en la paila de maceración (F-110).

a) Descarga del recipiente. En la paila de maceración es en donde se maneja inicialmente

la materia prima, agua y los granos de malta. Para que estos puedan ser descargados y

pasar por gravedad a la Cuba de Lavado (H-120), la Paila de Maceración cuenta con

nueva boquilla en acero inoxidable AISI 304 de una pulgada (1 in) y válvula de bola de

acero inoxidable AISI 316 del mismo diámetro nominal. Lo que permite comodidad en

la operación al regular el flujo y también una buena velocidad de descarga del

recipiente.

b) Toma muestras. Para realizar un seguimiento adecuado del proceso de maceración se

dispone de un nuevo toma muestras, ubicado lateralmente en el recipiente, en una

boquilla de media pulgada (1/2 in), válvula de bola de acero inoxidable AISI 316 del

mismo diámetro nominal y un arreglo que reduce el diámetro nominal a un cuarto de

pulgada (1/4 in) para el despacho de la muestra.

c) Indicador de temperatura. La Paila de Maceración actualmente cuenta con un nuevo

termopozo y boquilla de media pulgada (1/2 in) donde se ubica el termómetro marca

WINTERS. Lo que permite controlar adecuadamente el proceso de maceración

2.7.2. Modificaciones en la cuba de lavado (H-120).

a) Descarga del recipiente y conexión a la Bomba Centrífuga (P-130). En este recipiente

que hace la función de un filtro cuenta con una tubería de descarga en acero inoxidable

AISI 304 de tres cuartos de pulgada (3/4 in) que cuenta con una válvula de bola del

mismo diámetro nominal en acero inoxidable AISI 316, además esta tubería de descarga

cuenta con una conexión hacia la Bomba Centrifuga (P-130) con tubería de las mismas

características indicadas en la descarga, esta conexión está bloqueada por una válvula de

bola idéntica a la ubicada en la descarga del recipiente. Estas nuevas características con

las que cuenta la Cuba de Lavado, proveen de flexibilidad al equipo tanto en el proceso

de elaboración de cerveza como en el de limpieza.

16

2.7.3. Modificaciones en el Tanque Fermentador (F-120).

a) Descarga del recipiente. Se instaló una nueva boquilla en acero inoxidable AISI 403

provisto de una válvula de bola en acero inoxidable AISI 316 con diámetro nominal de

tres cuartos de pulgada (4/3 in).

b) Toma muestras. Para realizar un seguimiento adecuado del proceso de fermentación se

dispone de un nuevo toma muestras, ubicado lateralmente en el recipiente, en una

boquilla de media pulgada (1/2 in), válvula de bola de acero inoxidable AISI 316 del

mismo diámetro nominal y un arreglo q reduce el diámetro nominal a un cuarto de

pulgada (1/4 in) para el despacho de la muestra.

c) Indicador de temperatura. El Tanque Fermentador actualmente cuenta con un nuevo

termopozo y boquilla de media pulgada (1/2 in) donde se ubica el termómetro marca

WINTERS. Lo que permite controlar adecuadamente el proceso de fermentación.

d) Aislamiento térmico y cubierta del Tanque. Para que el tanque se encuentre aislado

térmicamente, cuenta con una capa de veinte milímetros (20 mm) de lana de vidrio y

una cubierta de tres milímetros (3 mm) de acero inoxidable AISI 304, soldada de

manera que forma una sola pieza con el Tanque Fermentador original lo que da un

acabado a toda la superficie óptima para el proceso que se desarrolla en la planta.

e) Tapa superior del Fermentador. Elaborada a partir de una lámina de acero inoxidable

AISI 304 de tres milímetros (3 mm), provee un cierre hermético gracias al empaque del

que está provisto, además, posee una boquilla de media pulgada (1/2 in) para evacuar el

dióxido de carbono formado producto de la fermentación, para ello es necesario colocar

una trampa de aire o un sello de agua para cumplir esta función.

2.7.4. Modificaciones en el filtro (H-220).

a) Para que este elemento de la planta piloto cumpla su función, fue necesario sustituir la

tubería en la descarga por una de tres cuartos de pulgada (3/4 in) acero AISI 304 que

incluye una válvula de bola en acero inoxidable AISI 316. Este sencillo arreglo es

suficiente para dar funcionalidad al filtro.

17

3. ESTUDIO EXPERIMENTAL

3.1. Equipos.

Planta Piloto para la Elaboración de Cerveza:

o Paila de maceración (M-111).

o Cuba de lavado (H-120).

o Bomba centrífuga (P-130).

o Tanque fermentador (F-210).

o Filtro (H-220).

Caldero.

Tubería y accesorios para líneas de vapor, agua y drenaje.

3.2. Materiales.

Probeta 500ml.

Probeta 1l.

Termómetro. R: 0-360 °C ± 2 °C

Hidrómetro. R: 0-45 °Be; ± 0.5 °Be / R: 1 – 1.4 ± 0.01

Papel filtro.

Botellas verde obscuro.

Tapas corona.

Tapadora de martillo.

Embudo.

3.3. Sustancias.

Ácido nítrico HNO3 (1%).

Hidróxido de sodio NaOH (1%).

Agua. H2O

Malta molida.

Levadura.

Lúpulo.

18

Azúcar.

3.4. Limpieza.

a) Para la limpieza de la Planta para Elaboración de Cerveza es necesario recircular por

esta soluciones diluidas de: hidróxido de sodio (NaOH) y ácido nítrico (HNO3) ambas al

1% en peso.

b) En el primer ciclo de limpieza se emplean 20 litros de solución de hidróxido de sodio

(NaOH), alimentar a la cuba de lavado (H-120) para aprovechar la conexión a la bomba

centrifuga (P-130) y de esta forma recircular el fluido de manera que pueda llegar a

todos los equipos de la planta.

c) Para el siguiente ciclo de limpieza se emplean 20 litros de solución al 1% de ácido

nítrico. De igual manera, se proceder a circular por todos los equipos de la planta

limpiando principalmente las superficies que tienen contacto con los productos

elaborados.

d) Para finalizar la limpieza circular por la planta 20 litros de agua de enjuague, quedando

lista la superficie de los equipos listas para el proceso de elaboración.

3.5. Elaboración de cerveza.

a) Seleccionar la receta a emplear para el tipo de cerveza a elaborar, y establecer la

cantidad de materia prima a usar, definido ya sea por la masa de malta o el volumen de

agua.

b) Macerar la malta molida con agua a 70°C durante 90 minutos con agitación en la paila

de maceración (F-110) y luego en la cuba de lavado (H-120) separar el concentrado

ahora llamado mosto, del residuo de los granos.

c) La torta obtenida resultado de la filtración en la cuba de lavado (H-120), lavar con agua

a 70°C y así obtener por filtración un segundo mosto de concentración menor al

primero.

19

d) Haciendo uso de un hidrómetro para fijar la densidad de los dos mostos obtenidos y

determinar las cantidades de estos para obtener un mosto con la densidad necesaria de

acuerdo a la receta de cerveza que se elabora.

e) El mosto con su densidad corregida de acuerdo a la receta, llevar a cocción en la paila

de maceración (F-110) por un período de 60 minutos y agregar lúpulo. Concluido el

tiempo enfriar el mosto ahora llamado cerveza verde rápidamente hasta los 20°C.

f) Una vez alcanzada la temperatura agregar al mosto la levadura y almacenar en el tanque

fermentador (F-210) para iniciar esta etapa del proceso.

g) Transcurrida una semana se elimina la levadura formada en el fondo y se continuar la

fermentación durante una semana más.

h) Concluido el periodo de fermentación separar en el Filtro (H-220) la levadura formada

y envasar la cerveza para madurarla durante 15 días.

3.6. Datos experimentales.

Tabla 6. Datos de la etapa de maceración.

Material Cantidad

Malta molida 3 kg

Agua (70°C) 15 L

Tabla 7. Datos de la etapa de filtración.

Descripción Volumen, L Densidad, kg/m3

Primer mosto 7,5 1043

Tabla 8. Datos experimentales de la etapa de lavado.

Descripción Volumen, L Densidad, kg/m3

Segundo mosto 14 1007

20

Tabla 9. Densidad objetivo de la mezcla de mostos.

Descripción Valor

Densidad Objetivo 1030 kg/m3

Tabla 10. Datos experimentales etapa de cocción.

Descripción Valor

Mosto antes de cocción 11,7 L

Densidad de mosto antes de la cocción 1030 kg/m3

Mosto luego de la cocción 9,2 L

Densidad de mosto luego de la cocción 1104,6 kg/m3

Presión atmosférica 542 mmHg

Presión de vapor 1018,8 mmHg

Tabla 11. Datos experimentales etapa de fermentación y maduración.

Descripción Valor

Gravedad específica del destilado, GD 0,99254

Porcentaje de alcohol en volumen, % v/v 5,2

21

4. CÁLCULOS Y RESULTADOS.

4.1. Maceración.

Figura 6. Diagrama de la operación de maceración

= (1)

× × − = × (2)

15 × 4,183° × (70 − 15)° = × 2280,58 (3)

Tabla 12. Vapor requerido para el calentamiento del agua.

Componente Valor

Vapor de calentamiento 1,51 kg

Tabla 13. Balance de masa etapa maceración.

Componente Entrada, kg Salida, kg

Granos de malta 3 -

Agua 15 -

Mosto y granos - 18

Total 18 18

22

4.2. Filtrado I.

Figura 7. Diagrama de la operación de filtrado I

Tabla 14. Balance de masa de la etapa de filtrado I


Mosto y granos 18 -

Mosto I - 7,82

Torta - 10,18

Total 18 18

4.3. Lavado

Figura 8. Diagrama de la operación de lavado.

Tabla 15. Balance de masa etapa de lavado


Torta I 10,18 -

Agua 15 -

Mosto II - 14,1

Torta II - 11,08

23



Total 25,18 25,18

4.4. Mezclado.

Figura 9. Diagrama de la operación de mezclado

Para el caso particular presentado, la densidad del mosto deseado es de 1030kg/m3. Por lo tanto,

para determinar el volumen empleado de cada uno de los mostos obtenidos en las etapas de

maceración y lavado, se determinó de la siguiente manera:

= (4)

= = = + (5)

= ∑ (6)

Dónde:

ρ= densidad

m= masa

V= volumen

x= fracción en volumen.

i= Solución (1 o 2)

Ahora:

= + = + (1 − ) (7)

1030 / = 1043 / + 1007 / (1 − ) (8)

= 0,36 (9)

Si, = 0,36 → = 7,5

24

Entonces, = 0,64 → = 4,2

Tabla 16. Densidad del mosto obtenido de la mezcla de mosto I y mosto II

Densidad, kg/m3 Volumen, L

1030 11,7

De acuerdo a la siguiente figura:

Fuente: ALLA FRANCE. Densímetros: Correspondencias y conversiones. [Publicación en

línea]. 2008. [Fecha de consulta: 18 septiembre de 2014]. Disponible en:

<http://www.allafrance.com/contenido/densimetros-correspondencias-y-conversiones-p-15-

0.html>

Figura 10.Relación entre densidad vs. °Brix para soluciones de sacarosa.

La concentración de azúcares es de 7,9°B, lo que quiere decir que por cada 100 g de solución o

mosto, tenemos el equivalente a 7,9 g de azúcar o sacarosa.

Tabla 17. Balance de masa etapa de mezclado


Mosto I 7,82 -

Mosto II 14,1 9,87

Mosto - 12,05

Total 21.92 21.92

25

4.5. Cocción.

Figura 11. Diagrama de la operación de cocción.

En esta etapa de la elaboración de la cerveza, el mosto es concentrado por evaporación y así

prepararlo para la etapa de fermentación.

El balance de materia aplicado a la cocción del mosto es el siguiente:

Tabla 18. Balance de materia aplicado al proceso de cocción

Descripción TOTAL, kg x Sacarosa Sacarosa, kg Agua, kg

Mosto (F) 12,05 0,0796 0,96 11,09

Cerveza verde (S) 10,14 0,0946 0,96 9,18

Vapor de agua (E) 1,91 0 0 1,91

El consumo de vapor empleado para este proceso se determina con la siguiente ecuación:

= ( − ) + ( − ) (10)

Dónde:

W= Flujo másico de vapor.

λW= Calor latente de condensación del vapor.

F= Flujo másico mosto antes de cocción.

S= Flujo másico mosto luego de cocción.

λE= Calor latente de vaporación del mosto.

Cpf= Calor específico del mosto.

tE= Temperatura de ebullición a la presión del vapor

tF= Temperatura del mosto al inicio.

26

Tabla 19. Datos para el cálculo de consumo de vapor.

Variable Unidades Valor

PE mmHg 542

tE °C 90,86

λE kcal/kg 544,57

E kg/h 1,91

tF °C 18

CpF kcal/kg °C 0,95

F kg/h 12,05

Pw mmHg 1018,57

tw °C 109,65

λw kcal/kg 532,71

S kg/h 10,14

De esta forma, requerimiento de vapor es de:

Tabla 20. Requerimiento de vapor


W kg/h 3,52

El coeficiente total de transferencia de calor se determina partiendo de la ecuación general de

diseño:

= ∆ (11)

De donde se obtiene la siguiente expresión:

=( )

(12)

Gracias al modelo 3D elaborado se puede estimar el área de transferencia de calor para el

volumen de la carga experimental, obteniendo así:

Tabla 21. Área y coeficiente total de transferencia de calor del recipiente f-110

A, m2 U, kcal/m2h°C

0,21 475

27

Para poder evaluar el comportamiento del recipiente F-110 se realizan los cálculos para los

casos de 25, 50, 75, 100% de la capacidad del tanque en función a su altura de nivel.

Tabla 22. Análisis por capacidad del recipiente F-110

Capacidad A, m2 F, kg/h W, kg/h U, kcal/m2 h °C

25% 0,20 10,71 3,13 443,35

50% 0,34 24,06 7,03 585,87

75% 0,48 37,41 10,92 645,26

100% 0,62 50,76 14,82 677,82

Gráfico 1. Área de contacto vs. Consumo de vapor. (A vs. W)

Gráfico 2. Área de contacto vs. Coeficiente total de transferencia de calor. (A vs. U)

y = 27,708x - 2,3676R² = 0,9999

2,00

4,00

6,00

8,00

10,00

12,00

14,00

16,00

0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70

W, k

g/h

A,m2

y = 204,85ln(x) + 789,22R² = 0,9805

400,00

450,00

500,00

550,00

600,00

650,00

700,00

750,00

0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70

U, k

cal/

m2

h °C

A, m2

28

Gráfico 3. Coeficiente total de transferencia de calor vs. Consumo de vapor. (U vs. W).

4.6. Fermentación.

Figura 12. Diagrama de la operación de fermentación.

La ecuación general que define a la reacción de fermentación es la siguiente:

→ 2 + 2 (13)

A partir de ésta, se determina las cantidades de los componentes que reaccionan y así estimar la

eficiencia de la reacción.

960 ×

×

×

= 490,67 ≈

0,491 (14)

y = 0,0002x2 - 0,2268x + 55,736R² = 0,9961

0,00

2,00

4,00

6,00

8,00

10,00

12,00

14,00

16,00

400,00 450,00 500,00 550,00 600,00 650,00 700,00

W, k

g/h

U, kcal/m2 h °C

29

Para la determinar el grado alcohólico en el lote de cerveza elaborado, se contó con el apoyo del

Laboratorio de Investigación de Biotecnología de la Facultad de Ingeniería Química, donde la

valoración se realizó aplicando la Norma NTE INEN 2 322:2002 Bebidas Alcohólicas. Cerveza.

Determinación de Alcohol, mediante el método de ensayo volumétrico.

El reporte obtenido es el siguiente:

Tabla 23. Datos de laboratorio. Grado alcohólico de la cerveza elaborada

Descripción Valor

Gravedad específica del destilado, GD 0,99254

Porcentaje de alcohol en volumen, %oh v/v 5,2

De acuerdo al reporte recibido de laboratorio:

,

×

×

×

× 789 = 0,401

(15)

Con estos valores se determina el rendimiento de la reacción de fermentación que es igual a:

% =ó

× 100% = , ,

× 100% = 81% (16)

Volviendo a la ecuación general de la fermentación y aplicando la ley de Hess podemos así

determinar la entalpía de reacción:

) + 6 → 2 + 6 ∆ ° = −2813 / (17)

) + 3 → 2 + 3 ∆ ° = −1367 / (18)

Ahora se multiplica cada ecuación por un factor de la siguiente manera:

) × (1) + 6 → 2 + 6 ∆ ° = −2813 / (19)

) × (−2) + 3 → 2 + 3 ∆ ° = −1367 / (20)

→ 2 + 2 ∆ ° = −79 / (21)

Para conocer la cantidad de biomasa formada en el proceso de fermentación se emplea el

modelo cinético de Monod:

30

= × (22)

Dónde:

µ= tasa de crecimiento

µmax= tasa de crecimiento especifica máxima.

S= concentración del sustrato.

Ks= constante de Monod

Tabla 24. Datos para el cálculo de la tasa de crecimiento de la levadura


µmax h-1 0,4 [4]

Ks mg/l 25 [5]

S mg/l 0,98

Así se obtiene el valor de la tasa de crecimiento:

Tabla 25. Tasa de Crecimiento para la levadura Saccharomyces Cerevisiae


µ h-1 0,015

El número final de células final se lo determina mediante la siguiente ecuación:

= 2 / (23)

Dónde:

N= Número de células final.

N0= número de células

t= tiempo de cultivo trascurrido.

T= tiempo de duplicación =

Tabla 26. Datos para el cálculo de biomasa producida


N0 células/ml 6X106

t H 168

31

Continuación Tabla 26


T H 46,21

Luego de 168 horas (1 semana) de proceso de fermentación se tiene que la biomasa es:

Tabla 27. Biomasa producida en el periodo de una semana.


N células/ml 74,57X106

Tabla 28. Balance de masa etapa de fermentación


Cerveza verde 10,14 -

Levadura 0,01

Biomasa I - 0,13

Cerveza Tierna 10.02

Total 10,15 10,15

4.7. Filtrado II.

Figura 13. Diagrama de la operación de filtrado II.

Tabla 29. Balance de masa etapa de filtrado II


Cerveza Tierna 10,02 -

Biomasa II 0.13 0,48

Cerveza filtrada - 9,67

Total 10.15 10.27

32

4.8. Maduración.

Figura 14. Diagrama de la operación de maduración.

Tabla 30. Balance de masa de la etapa de maduración


Cerveza Filtrada 9,67 -

Cerveza - 9,67

Total 9,67 9,67

4.9. Resultados de los cálculos por equipo.

Tabla 31. Resultados obtenidos de la operación maceración en el recipiente F-110.

Descripción Valor

Volumen del mosto obtenido de la maceración. V1 7,5 L

Densidad del mosto obtenido de la maceración.ρ1 1043 kg/m3

Volumen del mosto obtenido del lavado de granos. V2 14 L

Densidad del mosto obtenido del lavado de granos. Ρ2 1007 kg/m3

Volumen empleado de 1 7,5 L

Volumen empleado de 2 4,2 L

Densidad de la mezcla 1030 kg/m3

Tabla 32. Resultados obtenidos de la operación de cocción del mosto en el recipiente

F-110.

Descripción Valor

Coeficiente total de transferencia de calor, U 475, kcal/m2h°C

Consumo de vapor, W 3,52 kg/h

Coeficiente total de transferencia de calor a nivel

recomendado (75%), U* 645,26, kcal/m2h°C

Consumo de vapor a nivel recomendado (75%), W* 10,92 kg/h

33

Tabla 33. Resultados obtenidos de la operación de fermentación en el recipiente F-210.

Descripción Valor

Rendimiento de la reacción de fermentación 81%

Entalpía de reacción -79 kJ/mol

Biomasa al inicio 6X106 células/ml

Biomasa al finalizar 74,57X106 células/ml

Adicionalmente, el sistema cuenta con una bomba de las siguientes características:

Tabla 34. Especificación de la bomba P-130.

Características Descripción

Tipo Centrífuga

Caudal 18 L/min.

Naturaleza del fluido Mosto (solución de azucares con sólidos suspendidos)

ρ=1036 kg/m3

Condiciones de succión 7,5 mH2O

Potencia 0,25 HP

4.10. Resultados de la evaluación sensorial

Para poder determinar la calidad del producto elaborado en la Planta Piloto para la Elaboración

de Cerveza se realizó una evaluación sensorial a distintos grupos de personas de acuerdo a lo

siguiente.

Los grupos están conformados de la siguiente manera:

Grupo 1: Hombres mayores de 50 años

Grupo 2: Hombres entre 40 y 49 años



Grupo 5:Mujeres

Los mencionados grupos fueron conformados con la finalidad de medir la aceptación del

producto entre esta clasificación.

Los resultados obtenidos son los que se muestran a continuación:

34

Tabla 35. Resultados de las pruebas organolépticas. Grupo 1

Evaluado Apariencia Color Aroma Sabor

A 3 4 4 3

B 4 5 5 4

C 4 4 5 4

D 4 4 5 3

E 4 5 5 5

Promedio 3,8 4,4 4,8 3,8

Promedio Aproximado 4 4 5 4



A 4 4 4 3

B 4 4 3 4

C 2 4 5 5

D 4 4 4 4

E 3 4 4 3

Promedio 3,4 4 4 3,8

Promedio Aproximado 3 4 4 4



A 3 4 2 2

B 3 3 3 2

C 3 4 5 3

D 4 4 4 4

E 5 5 4 4

Promedio 3,6 4 3,6 3

Promedio Redondeado 4 4 4 3



A 4 3 4 4

B 4 4 5 4

C 3 4 4 4

D 5 5 5 5

35



E 4 3 5 4

Promedio 4 3,8 4,6 4,2




A 4 4 5 4

B 4 4 5 4

C 4 4 5 3

D 3 4 5 5

E 3 4 5 3

Promedio 3,6 4 5 3,8


Tabla 40. Resultados globales de las pruebas organolépticas.

Apariencia Color Aroma Sabor Promedio

Global 3,68 4,04 4,40 3,72 3,96

Global redondeado 4 4 4 4 4

36

5. DISCUSIÓN

El volumen nominal del fermentador es mayor a la capacidad operativa de la planta.

El control de temperatura de la paila de maceración (F-110) está definido por la apertura

de la válvula de compuerta (GV-111), la cual no provee una cantidad fija de vapor a la

chaqueta del recipiente.

Presencia notoria de sedimentos, produce una apariencia turbia al producto final, debido

a que el proceso de filtrado no es riguroso ni exhaustivo.

La comparación del producto no es factible debido a la naturaleza del proceso, ya que

difícilmente se encontraría una cerveza similar, por esto, solo se evaluó el nivel de

aceptación para cuantificar la calidad del producto.

El proceso de elaboración requiere realizar una revisión en detalle del trabajo a realizar

en la planta, para optimizar tiempo y recursos.

En vista de que la filtración de la cerveza para separar de la levadura luego del proceso

de fermentación, se hace por gravedad, está operación toma bastante tiempo.

Los diámetros de tuberías y accesorios seleccionados permiten un correcto transporte de

los fluidos.

Los granos de malta absorben una gran cantidad de agua por lo que se pudo haber

obtenido un mayor volumen de mosto de haber realizado una filtración controlando las

cargas al filtro H-120

En el proceso de reingeniería se buscó aprovechar los elementos existentes del proceso

para hacer funcional a la planta piloto para la elaboración de cerveza.

37

6. CONCLUSIONES

Los trabajos realizados de modificaciones sobre los equipos pertenecientes a la planta,

fueron técnicamente los más adecuados en vista que se logró elaborar cerveza tipo Ale

con una pequeña cantidad de sedimentos apta para el consumo y de buena aceptación al

público.

La cerveza así elaborada tiene una baja eficiencia en relación a la cantidad de agua

empleada como materia prima. 30 kg de agua para obtener 9,67 kg de cerveza, esto se

debe principalmente a dos aspectos:

a) Al realizar la mezcla del mosto I y II existe una cantidad nada despreciable

remanente del mosto II.

b) En las etapas de filtración las tortas que se obtienen tienen una humedad muy

alta esto debido al mecanismo de filtrado, que al no ser exhaustivo no logra separar en

su totalidad el componente líquido del sólido

Otro aspecto de la filtración, en esta operación se permite pasar partículas muy

pequeñas ya sea provenientes de los granos o levaduras, lo que ocasiona que el producto

tenga un aspecto turbio.

De acuerdo al análisis realizado sobre la paila de maceración (F-110), se puede afirmar

que el rango óptimo para operación de este equipo está entre el 50 y 75% del nivel,

siendo el recomendado al 75% para aprovechar de mejor manera la capacidad del

recipiente.

El tipo de evaluación fue acertada ya que se determinó si el producto elaborado es

aceptado por los consumidores y también se pudo determinar para que sector de la

población podría enfocarse la distribución o comercialización del producto.

38

El punto débil de la cerveza elaborada fue la apariencia, demasiado turbia para el gusto

general, por lo tanto, mejorando el proceso de filtración en las diferentes operaciones se

puede mejorar este aspecto.

La característica mejor valorada fue el aroma, lo que indica que las cantidades y la

calidad de los ingredientes usados fueron adecuadas, además, el proceso de cocción

pese a los inconvenientes con el control del vapor.

En cuanto al sabor, la mayoría de opiniones fueron de que el producto tenía un amargo

muy pronunciado, esto debido a que la temperatura en la cocción pudo haberse elevado

demasiado concentrando en mayor medida el lúpulo.

Las directrices del sistema de “Limpieza In Situ” (CIP) para plantas de alimentos, son

ideales para aplicar en los equipos de la planta piloto, ya que los materiales

seleccionados soportan perfectamente las soluciones empleadas. Al aplicar este método

se asegura que las superficies que estarán en contacto con el producto estén

completamente limpias de minerales, grasa, proteínas, bacterias y hongos.

El proceso de repotenciación consiguió su finalidad al identificar puntualmente los

problemas presentes en la planta piloto, y al establecer metódicamente mejoras físicas,

describir los procesos que se realizan y la filosofía de operación de la planta.

El proceso realizado en laboratorio en conjunto con la información recolectada

demuestra que el proceso de mejoramiento aplicado a estos equipos fue exitosa ya que

ahora se cuenta con una planta con la cual se puede continuar realizando prácticas e

investigaciones en torno a la elaboración de cerveza.

39

7. RECOMENDACIONES

Prever cantidad suficiente de materia prima, tomando en cuenta el volumen nominal del

fermentador F-210

Se recomiendo filtrar los granos de malta por etapas, para que esta operación sea más

eficiente y evitar pérdidas de producto.

Reemplazar la válvula de compuerta GV-111, en vista de que es esta la que controla la

presión de vapor que ingresa a la chaqueta del recipiente de maceración o cocción F-

110.

Sería de interés elaborar un proyecto de control automático de la planta, donde se pueda

programas un perfil de temperatura para la paila de maceración y para tanque

fermentador.

Desarrollar investigaciones respecto a los tiempos de maduración para encontrar el

óptimo, dependiendo el tipo de cerveza a producir.

Promover el uso de la planta de forma continua para las diferentes actividades

académicas de la facultad.

40

CITAS BIBLIOGRÁFICAS

[1]. BRODERICK, Harol, et al. El Cervecero en la Práctica. Un Manual para la Industria

Cervecera. Segunda Edición, Asociación Latinoamericana de Fabricantes de Cerveza,

Lima, 1977. p.47.

[2]. HAMMER, Michael; CHAMPY, James; "Más allá de la Reingeniería", CECSA,

México, 1995. p.3.

[3]. METALACTUAL. Repotenciación de Maquinaria. Metalactual [revista en línea], (23):

32-37, junio 2012. [Fecha de consulta: 25 agosto 2014]. Disponible en:

<http://www.metalactual.com/revista/23/maquinaria_repotenciacion.pdf>. p.33.

[4]. DORAN, Pauline M; “Principios de Ingeniería de los Bioprocesos” Editorial Acribia

S.A., España 1998. p.307.

[5]. Ibíd., p.307

41

BIBLIOGRAFÍA

ANSI. Américan National Standard. ANSI/ISA-5.1-2009 Instrumentation Symbols and

Identification. North Carolina. 2009.

BARBADO, José Luis. Secretos de la Cerveza Casera. Editorial Albatros, Buenos Aires, 2003.

BRODERICK, Harol, et al. El Cervecero en la Práctica. Un Manual para la Industria Cervecera.

Segunda Edición, Asociación Latinoamericana de Fabricantes de Cerveza, Lima, 1977.

COLCHA, Mario, et al. Formulación de Cerveza Pasteurizada de Alto y Bajo Contenido de

Alcohol. Trabajo de Grado. Ingeniero Químico. Universidad Central del Ecuador. Facultad de

Ingeniería Química. Quito. 1993.

HAMMER, Michael; CHAMPY, James; "Más allá de la Reingeniería", CECSA, México, 1995.

INEN. Norma Técnica Ecuatoriana NTE INEN 2 322:2002. Bebidas Alcohólicas. Cerveza.

Determinación de Alcohol. Primera edición.

INEN. Instituto Ecuatoriano de Normalización. Código de Dibujo Técnico – Mecánico. Serie:

Normalización. Número: 009. Quito – Ecuador. 1989.

IRAM. Instituto Argentino de Racionalización de Materiales. Manual de Normas de Aplicación

para Dibujo Técnico. Edición XXVII. República de Argentina.

MARTINEZ, Andrés. Utilización de la miel de abeja en la formulación de cervezas tipo ALE.

Trabajo de Grado. Ingeniero Químico. Universidad Central del Ecuador. Facultad de Ingeniería

Química. Quito. 2011

OCAMPO, William. Fundamentos de Procesos Industriales. Club Ensayos [en línea],

noviembre 2012. [Fecha de consulta: 06 febrero 2014]. Disponible en: <

http://clubensayos.com/Tecnolog%C3%ADa/FUNDAMENTOS-DE-PROCESOS-

INDUSTRIALES/450166.html>

42

RAMOS, José. Elaboración de Cervezas de 5.5 y 0.5 Por ciento de Etanol. Trabajo de Grado.

Ingeniero Químico. Universidad Central del Ecuador. Facultad de Ingeniería Química.

Quito.1997.

RODRÍGUEZ, Mario, et al. Planta Piloto para Investigar la Tecnología Cervecera. Trabajo de

Grado. Ingeniero Químico. Universidad Central del Ecuador. Facultad de Ingeniería Química.

Quito. 1992.

ULRICH, Gael. Diseño y Economía de los Procesos de Ingeniería Química, Nueva Editorial

Interamericana, 1986.

VERTI, Sebastián. El Mundo de la Cerveza. Editorial Selector, México, 2002, 164 p.

43

ANEXOS

44

ANEXO A. Reporte fotográfico del levantamiento de la planta piloto para elaboración de

cerveza.

Figura A.1. Estado inicial planta piloto para elaboración de cerveza

Figura A.2. Estado del recipiente fermentador.

45

Figura A.3. Estado del interior del recipiente fermentador

Figura A.4. Estado del interior del recipiente macerador.

46

Figura A.5. Estado de la parte inferior de la cuba de lavado.

Figura A.6. Estado de la parte inferior del filtro.

47

Figura A.7. Estado del interior de la cuba de lavado

Figura A.8. Estado del serpentín de enfriamiento del fermentador

48

Figura A.9. Interruptores para los equipos eléctricos.

49

ANEXO B. Trabajos de repotenciación realizados.

Figura B.1. Cubierta para fermentador, base para motor de refrigeración

Figura B.2. Instalación de botoneras y accesorios a los recipientes.

50

Figura B.3. Aplicación de pintura en estructura base.

Figura B.4. Aplicación de pintura en recipientes.

51

ANEXO C. Resultados Finales.

Figura C.1. Planta piloto repotenciada

Figura C.2. Nueva válvula de descarga en el recipiente fermentador

52

Figura C.3. Descarga del filtro con nueva válvula de bola.

Figura C.4. Nueva válvula de descarga, toma muestras y termómetro del recipiente de

maceración.

53

Figura C.5. Nueva toma muestras y termómetro del recipiente fermentador.

Figura C.6. Nuevas botoneras para el encendido y apagado de equipos eléctricos.

54

Figura C.7. Recipiente fermentador de la planta piloto.

Figura C.8. Sistema de cierre para el recipiente fermentador.

55

Figura C.9. Cuba de lavado con nuevas tuberías de descarga y alimentación a la bomba.

Figura C.10. Arreglo de válvulas a la descarga de la cuba de lavado.

56

Figura C.11. Descarga de la bomba y conexión a manguera.

57

ANEXO D. Planos.

1

A

B

C

D

E

2 3 4




PLANTA PILOTO DE CERVEZA ARTESANAL

DESCRIPCIÓN:

REALIZADO POR:

PLANO No: ESCALA: TAMAÑO: HOJA

DIAGRAMA DE TUBERÍA E INSTRUMENTACIÓNSIMBOLOGÍA

CARLOS EDUARDO YÁNEZ TORRES

P&ID-01 S/E A4 1

1

A

B

C

D

E

F

2 3 4 5 6 7 8

A

B

C

D

E

F

1 2 3 4 5 6 7 8





DESCRIPCIÓN:

REALIZADO POR:

PLANO No: ESCALA: TAMAÑO: HOJA

DIAGRAMA DE TUBERÍA E INSTRUMENTACIÓNPROCESO PRINCIPAL


P&ID-02 S/E A3 1

263

505

508

616

1

A

B

C

D

E

F

2 3 4 5 6 7 8

A

B

C

D

E

F

1 2 3 4 5 6 7 8

LISTA DE MATERIALES

ITEM

2

3

4

5

1

TAMAÑO

DN15

DN40

DN15

DESCRIPCIÓN

Toma muestras

Conexión a termómetro

CANTIDAD

1

1

1

1

1

Descarga del recipiente

Descarga a drenaje

Alimentación vapor / agua de enfriamiento DN15

3

6

7

VISTA ISOMÉTRICA(S/E)

1

2

5

4

6 1Chaqueta ∅ 398 - h 428

7 1Cuerpo del recipiente ∅ 366 - h 678

VISTA FRONTAL

VISTA LATERALDERECHA

VISTA INFERIOR

VISTA SUPERIOR

12°

60°

∅33

∅366

∅398

428

678

DN15

DETALLE A

DN ∅15DN ∅8

90°

270°

0°180°

90°

270°

0°180°

60°





DESCRIPCIÓN:

REALIZADO POR:

PLANO No: ESCALA: TAMAÑO HOJA

PLANO DE ESPECIFICACIÓN DE RECIPIENTEPAILA DE MACERACIÓN F-110


F-110-01 1:9 A3 1

1

A

B

C

D

E

F

2 3 4 5 6 7 8

A

B

C

D

E

F

1 2 3 4 5 6 7 8

LISTA DE MATERIALES

ITEM

2

3

1

DESCRIPCIÓN TAMAÑO

h 315-l 39

CANTIDAD

3Soporte - Tubo cuadrado

Cuerpo principal del filtro ∅ 366-h 2831

Tubería de descarga del recipiente DN201

4 Tubería de suscción de la bomba DN201

1

2

3

4

VISTAISOMÉTRICA(S/E)

VISTAFRONTAL

VISTALATERAL

IZQUIERDA

VISTAINFERIOR

VISTASUPERIOR

30°

150°

∅27

∅366

315

260

∅27

798

460

283

90°





DESCRIPCIÓN:

REALIZADO POR:


PLANO DE ESPECIFICACIÓN DE RECIPIENTECUBA DE LAVADO H-120


H-120-01 1.9 A3 1

90°

270°

0°180°

90°

270°

0°180°

1

A

B

C

D

E

F

2 3 4 5 6 7 8

A

B

C

D

E

F

1 2 3 4 5 6 7 8

LISTA DE MATERIALES

ITEM

2

3

4

5

6

1


∅425

CANTIDAD

1Tapa con bisagra

Venteo del recipiente DN153

Toma muestras 1

Sección cilíndrica del cuerpo del recipiente 1

Fondo cónico ∠60°

DN20

1

Descarga del recipiente 1

1

8

6

4

5

VISTA FRONTAL

VISTA LATERAL IZQUIERDA VISTA INFERIOR

VISTA SUPERIOR

90°

842

385

727

282

88

350

345

85

∅425

∅410

∅366

2

3

7

DETALLE A

DN ∅15DN ∅8

VISTA ISOMÉTRICAS/E

90°

270°

0°180°

90°

270°

0°180°





DESCRIPCIÓN:

REALIZADO POR:


PLANO DE ESPECIFICACIÓN DE RECIPIENTETANQUE FERMENTADOR F-210


F-210-01 1:9 A3 1

8 Cubierta aislante 1

DN15Conexión a termómetro 17

DN15

1

A

B

C

D

E

F

2 3 4 5 6 7 8

A

B

C

D

E

F

1 2 3 4 5 6 7 8

LISTA DE MATERIALES

ITEM

2

3

1


Tubo cuadrado para soporte

CANTIDAD

3 h 477 - l 39

Cuerpo principal del filtro 1 ∅ 366 - h 283

Tubería de descarga del recipiente 1 DN20

1

2

328

3

964

290

477

90°

30° 30°

∅366

∅27

VISTA ISOMÉTRICA(S/E)

VISTA FRONTAL

VISTA LATERALDERECHA

VISTA INFERIOR

VISTA SUPERIOR

90°

270°

0°180°

90°

270°

0°180°





DESCRIPCIÓN:

REALIZADO POR:


PLANO DE ESPECIFICACIÓN DE RECIPIENTEFILTRO H-220


H-220-01 1:9 A3 1

UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR CARRERA DE … · Figura 1. Diagrama de flujo del proceso de...

Documents

Transcript of UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR CARRERA DE … · Figura 1. Diagrama de flujo del proceso de...