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13IB, E8
PROCESO DE FABRICACIÓN DE LA CERVEZA
ANÁLISIS CUALITATIVO Y CUANTITATIVO DEL ENFRIAMIENTO DEL MOSTO POR MEDIO DE UN INTERCAMBIADOR DE PLACAS
Gustavo Caballero Rodríguez y Miguel Ángel González Pozo
División de Ciencias Básicas e Ingeniería, Universidad Autónoma Metropolitana, Av. San Pablo N° 180, Col. Reynosa Tamaulipas, C.P.
02200, Del. Azcapotzalco, México D.F
Correo electrónico: [email protected] & [email protected]
RESUMEN El uso de intercambiadores de calor es muy común en la
industria, de acuerdo a su función pueden ser llamados calderas,
condensadores o simplemente intercambiadores de calor
Este artículo tiene como objetivo presentar un análisis
cualitativo y cuantitativo acerca de un intercambiador de calor de
placas para su posterior elección en el proceso de elaboración de la
cerveza, este trabajo se enfoca en el enfriamiento del mosto, para el
cual primeramente se determinan los factores cuantitativos
(temperaturas, presión, superficies de contacto, coeficiente global
de transferencia de calor, etc.). De igual forma se muestra una
selección de equipo (bombas, motores, compresores, etc.) que se
ven involucrados en la fabricación de la cerveza.
Palabras clave: intercambiador de calor tipo placas, enfriamiento
del mosto, elaboración de la cerveza
ABSTRACT The use of heat exchangers is very common in the
industry; according to their function can be called boilers,
condensers, or heat exchangers.
This article aims to present a qualitative and quantitative analysis
on a plate heat exchanger for subsequent choice in the process of
brewing, this work focuses on cooling the wort, which is first to
determine the factors quantitative (temperature, pressure, contact
surfaces, the overall coefficient of heat transfer, etc.). Likewise is a
selection of equipment (pumps, motors, compressors, etc..) That is
involved in the manufacture of beer.
Keywords: plate type heat exchanger, cooling the wort,
brewing
INTRUDUCCIÓN [1]
La cerveza es la bebida resultante de fermentar mediante levaduras
seleccionadas el mosto procedente de malta de cebada, solo o
mezclado con otros productos amiláceos transformables en
azúcares por digestión enzimática, sometido a un proceso de
cocción y adicionado con lúpulo y/o sus derivados. Se pueden
realizar varias clasificaciones de los muchos tipos de cerveza
existentes en el mercado, dependiendo del criterio de clasificación
seleccionado. En función del tipo de fermentación, el amplio
abanico de variedades de cerveza se puede reducir a dos grandes
grupos:
• Cervezas de fermentación baja, también conocidas como “tipo
lager”. Se utiliza fundamentalmente levadura del género
Saccharomyces uvarum que se deposita en el fondo de los
depósitos tras la fermentación. La fermentación tiene lugar a
temperaturas comprendidas entre los 8ºC y los 14ºC. La mayor
parte de las cervezas elaboradas en España encajan en este grupo.
• Cervezas de fermentación alta, también conocidas como “tipo
ale”. Se utiliza levadura del género Saccharomyces cerevisae. Este
tipo de levaduras tiende a ascender a la superficie durante la
fermentación. El proceso de fermentación tiene lugar normalmente
a temperaturas comprendidas entre 15ºC y 25ºC.
Las materias primas para la producción de cerveza son malta de
cebada, adjuntos (principalmente maíz y arroz), lúpulo, agua y
levadura.
Los métodos de producción diferirán de una planta cervecera a otra,
así como los tipos de cerveza y los equipos de elaboración. Sin
embargo, el proceso de fabricación de cualquier tipo de cervecera
consta de cuatro fases:
• Fabricación del mosto
• Fermentación y guarda
• Filtración
• Estabilización microbiológica y envasado
Resumen del proceso general [2]
(Figura 2) El proceso general de elaboración de cerveza se puede
resumir como se indica a continuación. El grano (la malta y otros
cereales no malteados llamados adjuntos) se recibe en las
cerveceras a granel y se transfiere a los silos tras ser pesada y
limpiada.
La cebada malteada se muele previamente con el objetivo de
romper el endospermo, causando el mínimo daño posible a la
cascarilla.
Después de la molienda, la harina resultante (denominada sémola,
harina gruesa o harina fina, en función de su paso por distintas
cribas, además de la cascarilla desprendida del grano) se macera en
agua a temperaturas seleccionadas para liberar mediante la acción
enzimática un extracto fermentescible, que servirá de substrato a las
levaduras en la fase de fermentación.
Se pueden añadir adjuntos como fuente suplementaria de
carbohidratos tanto en la caldera de maceración o empaste (p. ej.
maíz o arroz), como en la cuba de cocción (p. ej. sacarosa o
glucosa/maltosa en forma de jarabe).
El mosto se separa del bagazo durante la etapa de filtración del
mosto. Después de completada la separación, el bagazo se
almacena en silos y normalmente se emplea como alimento para el
ganado.
El mosto se lleva a ebullición junto con el lúpulo en la etapa
conocida como cocción. Durante la etapa de cocción tienen lugar
una serie de reacciones muy variadas y complejas, una de las cuales
es la solubilización e isomerización de las sustancias amargas y
aceites del lúpulo.
Un grueso coágulo de materia proteínica precipitada se separa del
mosto por efecto del calor. Este coágulo se conoce con el nombre
de “turbios calientes”. El mosto se clarifica en una cuba conocida
con el nombre de remolino o whirlpool, separando el precipitado
proteínico.
Posteriormente se enfría el mosto hasta la temperatura de
inoculación de la levadura, entre 8ºC y 12ºC.
Al mosto clarificado y enfriado se le inyecta aire estéril
previamente a la fase de fermentación para favorecer el crecimiento
de la levadura. A la cerveza resultante de la fermentación se le
somete a una etapa de enfriamiento, favoreciendo la decantación de
levaduras y otras sustancias enturbiantes del producto. A esta
operación se le conoce con el nombre de guarda, maduración o
decantación.
Después de la guarda o maduración y separación de los sólidos
decantados, la cerveza se clarifica por filtración, normalmente en
filtros de tierra de diatomeas, membranas, cartones, etc. Por último,
se realizan las operaciones de carbonatación, aditivación,
estabilización microbiológica y envasado, cuyo orden dentro del
proceso depende del tipo de proceso utilizado.
Del proceso de elaboración de la cerveza antes mostrado
se hará un análisis somero de forma cualitativa y cuantitativa
enfocado al enfriamiento del mosto por medio de un
intercambiador de calor de placas.
Diagrama de bloques del proceso de fabricación de la cerveza[1]
DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO UTILIZADO EN LA
ELABORACIÓN DE LA CERVEZA [4]
En general, los diseños mecánicos, eléctricos y de control
están automatizados a lo largo de todo el proceso puesto que
aumentan la eficiencia de las operaciones y disminuyen los posibles
riesgos de daños ocasionados por la manipulación.
En la casa de fuerza que es donde salen todas las fuentes
de energía que son necesarias para que funcione toda la planta, esta
agrupada con las siguientes máquinas:
Calderas Usados los del tipo pirotubulares, cuyos hogares constan
de sopladores y quemadores para combustibles líquidos, que se
encargaran de generar el vapor necesario para el edificio de
cocinas. Cabe recalcar que para mayor rendimiento térmico el
sistema de combustión, así como el de transporte continuo, se
encuentran confinados en un cuerpo especialmente diseñado con
aislamientos térmicos seleccionados para la aplicación y las
temperaturas de operación.
Motores Son empleados en el accionamiento de las bandas
transportadoras, los transportadores de cangilones, bombas,
ventiladores y compresores. Para los accionamientos, de
preferencia, en la adquisición de motores de corriente alterna que
funcionan a una velocidad constante donde su eficiencia será la
máxima únicamente cuando la carga es máxima, se acoplaran
accionamientos de velocidad ajustable de corriente alterna con el
propósito de variar la frecuencia de la potencia suministrada al
motor con el fin de reducir la velocidad para que concuerde con la
necesidad de carga.
Bombas Son del tipo axial y se emplean para transportar los
diferentes fluidos conformados a lo largo del proceso. Por lo
general empleados en evacuaciones realizadas en el edificio de
cocinas, como las salidas entre: Olla de crudo, olla de mezclas, olla
de filtración (afrechos), olla de cocción, sedimentador, tanques de
fermentación, tanques de maduración, tanques de almacenamiento
y por ultimo hacia la llenadora.
Se propone el empleo de bombeo programado para
satisfacer pronta y eficientemente la presión y caudales requeridos
en cualquier instante, sin aplicar una fuerza innecesaria y con un
mantenimiento mínimo
Compresores Empleados en su mayoría del tipo pistón, permiten el
funcionamiento de: el sistema de aire comprimido para la inyección
del aire en la fermentación y en la maduración, el sistema de
enfriamiento mecánico directo de refrigeración con gas amoniaco y
el transporte y llenado del gas carbónico producido en la
fermentación para la conformación del producto final.
El rendimiento del sistema de aire comprimido puede
aumentarse mediante el uso de aire de entrada de los lugares más
fríos posibles, puesto que el aire frío es más denso y requerirá
menos energía para ponerlo a la presión requerida para su inyección
en los tanques.
Equipos afines al proceso de la cerveza [4]
Intercambiadores de calor.
Son usados para enfriar el mosto en su recorrido hacia los
tanques de fermentación y facilitar la acción del amoniaco como
refrigerante.
Pasteurizador (Intercambiador de calor) Cuya determinación, a pesar de que las botellas de envase
han sido previamente esterilizadas y todo su recorrido ha sido
perfectamente controlados contra las infecciones la cerveza se debe
pasteurizar, para garantizar su conservación durante periodos
largos, la pasteurización consiste en calentar la cerveza a 60º C
durante un corto tiempo, con el objeto de eliminar residuos de
levadura que pueden pasar en la filtración
Bombas Dosificadoras. Inyectaran la levadura en la etapa de fermentación a los
tanques.
Centrífugas. Como paso previo a la clarificación de la cerveza, ésta es
utilizada para eliminar un 99% de la levadura presente.
Simbología usada en la instalación
En la línea de producción, se maneja un código de colores
para distinguir las diferentes fuentes de energía. Los más
importantes son: el azul, que representa el agua; el color verde
representa al vapor de agua pura utilizado en el edificio de cocinas;
el color anaranjado es el gas amoniaco, que sirve para enfriar las
salas frías y para procesar la fermentación de la cerveza; el azul rey
es el gas carbónico que se libera en la fermentación y se utiliza en
el envasado; el color gris es la electricidad; y el amarillo es aire
comprimido que se utiliza para hacer funcionar algunas máquinas.
Enfriamiento del mosto por medio de un intercambiador de
calor de placas
El mosto filtrado y hervido se enfría a la temperatura de
fermentación mediante un intercambiador de placas, donde en
contracorriente circula el mosto caliente y el agua helada,
permitiendo disponer un mosto con una temperatura ideal para la
siempre de levadura y a vez inyección de aire estéril para facilitar el
posterior proceso de fermentación. [5]
Después de la clarificación se enfría el mosto hasta la
temperatura de siembra de la levadura. Esta temperatura depende
del tipo de levadura utilizada y del proceso de fermentación
elegido. Descripción de las técnicas, métodos y equipos El mosto
clarificado, que está aproximadamente a 98ºC, se enfría entre unos
8-12ºC en un intercambiador de placas que utiliza agua y/o agua
glicolada como refrigerante. El agua entrante, a la temperatura
adecuada según el proceso elegido, se calienta hasta una
temperatura de 75ºC-85ºC. Posteriormente se utiliza en otros
puntos del proceso donde sea necesaria.
El agua de enfriamiento de mosto puede introducirse en
el intercambiador de placas previo paso por un sistema de
enfriamiento por intercambio directo o a través de una torre de
refrigeración.
Cuando se utiliza agua a temperatura ambiente en una
primera fase de enfriamiento, se continúa en una segunda fase con
agua glicolada a baja temperatura (<0ºC). [6]
Ejemplo real de selección de intercambiador de calor [3]
La empresa cervecera Grupo Modelo S.A. de C.V.
necesita mejorar sus instalaciones para mejorar el proceso de
fabricación de la cerveza, como punto de inicio se ha pensado en
mejorar el intercambiador de calor encargado del enfriamiento del
mosto. Las plantas cerveceras utilizan intercambiadores de tipo
placa que sean capaces de procesar un alto volumen de fluido y
sean adecuadas para el rango de temperaturas. Se ha pensado en
utilizar un enfriador de tipo placa plana (Figura 2) para enfriar el
mosto con una mezcla de agua glicolada. El mosto caliente saldrá a
una alta temperatura de su proceso de cocción, con lo que estará
disponible a una temperatura de 98°C y a una velocidad de flujo de
6 x 106 kg/h. El mosto ha de salir a una temperatura adecuada para
el proceso de fermentación la cual se encuentra a 10°C. La rapidez
del flujo de agua glicolada necesaria es de 7.5 x106 kg/h, entrando a
-4°C. Para elegir correctamente el intercambiador adecuado que
nos permitirá tener una mejora energética ha de tenerse en cuenta la
temperatura del agua glicolada a la salida, que será reutilizada más
adelante en el proceso.
Especificaciones del intercambiador de calor requerido por Grupo
Modelo S.A. de C.V
Perímetro bañando en la parte del agua glicolada: 0.703 m
Perímetro bañado en la parte del mosto: 0.416 m
Área de la sección recta del paso del agua glicolada: 2,275 x10-3 m2
Área de la sección recta del paso del mosto: 1,600 x10-3 m2
Número de conductos propuestos de agua glicolada: 19
Número de conductos de mosto: 18
Los sistemas correspondientes a las corrientes del agua glicolada y
del mosto son semejantes al del flujo en conductos rectos que
poseen las siguientes dimensiones
Longitud del conducto de agua glicolada La= 0.1778m
Perímetro bañando en cada conducto de agua glicolada: Pa= 0.7 m2
Sección de paso de agua glicolada en cada conducto = 0.002297 m2
Diámetro hidráulico para el conducto de agua glicolada:
dh= 0.01573 m
Área de transferencia térmica: = 2.296 m2
ECUACIONES: [7]
Las conducciones unitarias se pueden calcular a partir de la
expresión:
Ecuación 1
Nu (dh) = 0.036 Pr0.33
0.055
Valida en el intervalo: 10 <
< 400, y a la T de película
Donde:
Ecuación 2
Para hallar las propiedades medias de los fluidos a las temperaturas
medias de película correspondientes, hay que conocer las
temperaturas de salida de los fluidos (Tabla 1 y 2)
Ecuación 3
ó
El número de unidades de transferencia, basado en el fluido más
caliente que tenga la menor tasa de capacidad calorífica es:
Ecuación 4
NTU = Número de unidades de transferencia
Efectividad
Ecuación 5
Donde:
NTU = Número de unidades de transferencia
Temperaturas de salida de ambos fluidos
Ecuación 6
Donde:
Temperatura media del agua glicolada: 323 K = 60°C
Una vez encontrado temperatura de salida del proceso, se procede a
determinar el adecuado intercambiador de calor
Criterios de elección [8]
Razón de transferencia de calor: Es la cantidad más importante
en la selección de un intercambiador. Un intercambiar debe ser
capaz de transferir calor a una razón específica para lograr el
cambio deseado en la temperatura del fluido con el gasto de masa
determinado
Tipo: El tipo de intercambiador que se debe seleccionar depende
principalmente del tipo de fluidos que intervienen, de las
limitaciones de tamaño y peso y de la presencia de cualesquiera
procesos de cambio de fase. Por ejemplo, un intercambiador resulta
adecuado para enfriar un líquido por medio de un gas, si el área
superficial del lado del gas es muchas veces la que se tiene del lado
del líquido. Por otra parte, un intercambiador de placas o de tubos y
coraza es muy apropiado para enfriar un líquido por medio de otro
líquido.
Presión de operación: Máxima presión de uso para la que un
sistema fue diseñado. También conocida como "presión de trabajo".
Es importante contar con esta información ya que debido a los
fluidos que intervienen en el proceso se debe tomar en cuenta la
presión de trabajo con la que está diseñado cada equipo
Criterios adicionales
Tamaño y peso: Normalmente, entre más pequeño y más ligero es
el intercambiador, mejor es. En especial, éste es el caso en las
industriales automotrices y aeroespaciales, en donde los requisitos
con respecto al tamaño y al peso son más rigurosos. Asimismo, lo
normal es que a un intercambiador más grande se le etiquete con un
precio más alto. El espacio de que se dispone para el
intercambiador en algunos casos limita la longitud de los tubos que
se pueden usar.
Costo: Un intercambiador que existe en catálogo tiene una ventaja
definida en el costo sobre los que se mandan a hacer sobre pedido.
Sin embargo, en algunos casos ninguno de los intercambiadores en
existencia realizará lo que se desea y puede ser necesario tener que
emprender la tarea costosa y tardada de diseñar y fabricar un
intercambiador a partir de la nada, que se adecue a las necesidades.
Con frecuencia éste es el caso cuando el intercambiador es parte
integral de todo un dispositivo que se va a fábrica. Los costos de
operación y mantenimiento del intercambiador también son
consideraciones importantes en la valoración del costo total.
Característica del proceso
Además de las características del cliente se deben tomar en cuenta
las características del proceso, con ello se podrá tener un mejor
manejo de la información y se elegirá con un mejor criterio
La presión de ambos fluidos es pequeña o no muy alta
Tanto el fluido como caliente como el frío son poco viscosos
El costo de mantenimiento/limpieza en los intercambiadores de
calor son extremadamente más costeables con respecto a otro tipo
de intercambiador de calor
Selección del intercambiador de calor
Teniendo las características del intercambiador de calor bien
definidas, se encontraron tres alternativas que cumplen con los
requerimientos técnicos que solicita la empresa. Las alternativas se
muestran a continuación
1) HRS International [10]. (Imagen 3) Los intercambiadores de
calor tipo placas están diseñados para soportar una temperatura
máxima de 200 °C y una presión de 25 bares, cuentan con
intercambiadores desde 125 hasta 700 platos, soporta caudales
desde 10 m3/h hasta 650 m3/h, cuenta con una superficie mínima de
intercambio de calor 5 m2 mínima y 1400 m2 máxima, áreas de
paltos desde 0.04 m2 hasta 2m2 (Tabla 3)
2) CIAT [11] Yunus A., Cengel; Transferencia de calor y masa, un
enfoque práctica; Tercera edición, Ed. Mc Graw Hill, México 2007
. (Imagen 4) Los intercambiadores de calor tipo placas de ésta
marca están diseñador para soportar una temperatura de operación
de 200°C y una presión de 15 bares, cuentan con intercambiadores
desde 49 hasta 701 platos, superficie mínima de intercambio de
calor es de 1m2 como mínima y 631 m2, área de platos desde 0.021
m2 hasta 0.606 m2, soporta caudales desde 10 m3/h hasta 800 m3/h.
(Tabla 4)
3) COMEVAL [12] (Imagen 5) Los intercambiadores de calor tipo
placas de ésta marca están diseñados para soportar una temperatura
máxima de operación de 130°C y una presión d servicio hasta de 16
bar, cuentan con intercambiadores desde 17 hasta 36 placas, el área
de platos va desde 0.12 hasta 0.55 m2 y soporta caudales hasta 7.64
m3/h (Tabla 5)
Se procede a comparar la información proporcionada que cada
marca proporciona acerca del intercambiador que ofrece con
respecto al proceso que se está llevando a cabo.
Donde
= Apto
= Límite de operación
= No apto
CONCLUSIÓN:
Según el análisis realizado se utilizará el intercambiador
de placas con marca HRS International, dicho intercambiador
trabaja al límite de flujo requerido sin embargo esto puede ser
modificado por el operador del equipo, por el contrario el
intercambiador CIAT podría suplir este requerimiento, es claro que
importancia de la superficie de cada placa tiene un orden de
prioridad muy alto y es determinante en la elección de este proceso
es por ello que se eligió el intercambiador marca HRS.
Existen aún más variables por considerar que se encuentran fuera
del alcance del público, por lo cual resulta hacer un análisis mucho
más profundo, para fines didácticos se mostraron las principales
características a la hora elegir un intercambiador de calor en la
industria.
FIGURAS
Figura 1. Diagrama del proceso para la elaboración de la cerveza
[8] Figura 2. (a) Esquema de circulación de los fluidos en un
intercambiador de calor de placas. (b) Dos placas consecutivas, y
modelo de circulación paralela de fluidos contracorriente.
[10]Figura 3. Intercambiador de placas de HRS heat exchangers
[11]
Figura 4. Intercambiador de placas de CIAT
[12] Figura 5 Intercambiador de placas de Comeval
TABLAS[8]
Propiedades del agua glicolada
Constantes de conductividad (K)
Densidad (
Calor específico (Cp)
Viscosidad cinemática (
Número de Prandtl (Pr)
Tabla 1. Propiedades de transferencia de calor del agua glicolada
Propiedades del agua glicolada
Constantes de conductividad (K)
Densidad (
Calor específico (Cp)
Viscosidad cinemática (
Número de Prandtl (Pr)
Tabla 2. Propiedades de transferencia de calor del mosto
[10]Tabla 3 Especificaciones técnicas del intercambiador de placas
marca HRS international
[11]Tabla 4 Especificaciones técnicas del intercambiador de placas
marca CIAT
[12] Tabla 5 Especificaciones técnicas del intercambiador de placas
marca COMEVAL
REFERENCIAS
[1] Molina Cano, José Luis; Hoja divulgadoras, la cebada
cervecera (calidad, cultivo y nociones sobre fabricación de
malta y cerveza), Madrid, 1987
[2] Olalla Marañón, Jacobo; et. al.; Guía de Mejores Técnicas
Disponibles en España del sector cervecero, Madrid 2005
[3] Sitio autorizado por Grupo Modelo y sus empresas. Todos
los derechos reservados Grupo Modelo S.A.B. de C.V. ©,
México D.F. 2011, Consulta > nuestra de producción
http://www.gmodelo.mx/proceso_elaboracion.jsp
Fecha de consulta 30/Marzo/13
[4] Bertec, tecnología cervecera, Proceso de la cerveza,
Lima, Perú 2000
http://beertec.galeon.com/productos1436661.html
Fecha de consulta 30/Marzo/13
[5] Backus, proceso de producción de la cerveza, Perú 2013
http://www.backus.com.pe/wb.website/proceso-cerveza_5.html
Fecha de consulta 30/Marzo/13
[6] Etapas y equipos del proceso de fabricación de la cerveza
http://www.tecnologiaslimpias.org/html/central/313301/313301_ee.
htm#ETAPAS
Fecha de consulta 30/Marzo/13
[7] Kreith Frank, Principios de transferencia de calor, Primera
edición, Ed. Herrero hnos. México 1970
[8] Yunus A., Cengel; Transferencia de calor y masa, un enfoque
práctica; Tercera edición, Ed. Mc Graw Hill, México 2007
[9] O.A. Jaramillo, Intercambiadores de calor: Centro de
Investigación de Energía. UNAM, 2007
[10] Catálogo, HRS Heat Exchangers, Polígono industrial San
Martín, España. 2006
[11] Catálogo, CIAT Intercambiadores de placas y juntas,
Polígono Industrial Llanos de jarata, España 2008
[12] Catálogo, Comeval Intercambiadores de calor de placas,
Valencia, España 2006