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: al210300187@azc.uam.mx & magp369@hotmail.com

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