Craft beer production based on supervisory control and data acquisition system
Authors: Chipusig Oscar , Robalino Peña Edgar Freddy , Gordon Gallegos Carlos Diego , Escobar Naranjo Juan Camilo 
Published: October 2023

Introducción

Actualmente, los sistemas de control se encuentran en casi todas las partes de la industria, desde pequeños controles de temperatura o iluminación, hasta sistemas más robustos como el montaje de automóviles o control en procesos de producción de alimentos, fabricación de agua e incluso en la industria cervecera actual, estos sistemas son principalmente para aumentar la capacidad productiva de una empresa. No obstante, también podemos utilizarlos en el sector artesanal, manteniendo las características de un producto hecho con el mimo y las manos de un buen artesano, pero aumentando la calidad del producto final, como ya hacen, en joyería o madera. Se busca entonces realizar un sistema de control de temperatura y periodos en tiempo real de las etapas de decocción de la malta, cocción del lúpulo y fermentación del mosto, con el objetivo principal de incrementar la calidad de la cerveza artesanal, en términos de características como grado alcohólico, aroma, amargor entre otras. La cerveza artesanal se ha caracterizado por ser un producto de alta aceptación dentro del mercado nacional e internacional y es la bebida alcohólica que más se consume entre los ecuatorianos. Según el INEC, el gasto promedio en licor es de USD 14 por mes. En el Ecuador se consumen 300 millones de litros al año, equivalente a un total de 25 litros per cápita. La producción está dedicada exclusivamente al público adulto que tiene una mayor inclinación por los productos hechos a mano; ya que, en su elaboración el productor aplica un énfasis minucioso y cuidado en los detalles, a diferencia del producto elaborado de manera industrial que carece de un cuidado continuo durante todo el proceso, por lo que, el producto final artesanal es de mejor calidad. La cerveza generalmente se elabora mezclando varios cereales como cebada, maíz, arroz y otros. Debido a que estos cereales tienen un alto porcentaje de almidón, es posible transformarlos en azúcares fermentables esenciales para la elaboración de bebidas alcohólicas y de moderación como la cerveza. En el pasado, la cerveza no se elaboraba únicamente con conocimientos prácticos aceptados, sino que los métodos de elaboración se establecieron y mejoraron durante milenios, según el principio de la prueba y la corrección del mal eco. Con el avance de la investigación de los procesos bioquímicos que tienen lugar en la elaboración de la cerveza, se fueron avanzando los métodos de elaboración que se habían mantenido inalterables durante siglos, un claro ejemplo es la aplicación de diferentes procesos de fermentación, principalmente para facilitar la producción de cerveza y, por lo tanto, para reducir los costos de producción. [1]. También incluye una investigación técnica que ofrece posibilidades hasta ahora desconocidas como la implementación de motores eléctricos, sensores de temperatura, etc. Por ello, la elaboración de cerveza ha estado y sigue estando a la vanguardia del desarrollo biotecnológico [2].

Objetivos

El objetivo de este trabajo es el desarrollo de la producción de cerveza artesanal basada en un sistema de control de supervisión y adquisición de datos en el que el tiempo y la temperatura en el proceso son los parámetros considerados más importantes. El sistema realiza los métodos, metodologías y procesos utilizados a nivel mundial con el fin de incrementar la calidad de la cerveza artesanal. Hemos logrado introducir herramientas electrónicas en el proceso de cerveza artesanal, tales como: electroválvulas, sensores de temperatura, microcontrolador y una computadora con la intención de implementar el sistema de control de supervisión y adquisición de datos en las etapas comunes en la elaboración de cerveza artesanal. cerveza. El sistema propuesto es capaz de controlar el 17% de las 110 características que definen la calidad de una cerveza artesanal, asociadas a las etapas de maceración, lupulado y fermentación, en cuanto a tiempos y temperaturas de cocción, decocción y almacenamiento. Finalmente, el sistema de control supervisorio y adquisición de datos es una alternativa promisoria para incrementar la calidad de la cerveza artesanal debido a que permitió mejorar el tratamiento durante la maceración lo que generó menor turbidez y mayor estabilidad en la espuma de la cerveza.

Método

Method A: The initial process was done with previously ground barley. Each batch of beer that is produced daily is 20 Litres. Initially, the process contains 23 Litres of water for evaporation losses, 3.0 Kg of malt, 500gr of oats, 30gr of hops, 10gr of yeast and 250gr of sugar. Stage of Maceration infusion [9]: Crushed malt is introduced with hot water at 52 ° C for 30 minutes. From the first infusion, 39% of the dough is removed to a separate vessel, and the vessel is heated to 78 ° C. Later it is returned to the main must to obtain a temperature of 650 °C. 40% of the total mass is again separated and the boiling temperature 1000 °C is reached in 18 minutes, it is kept at this temperature for 5 min. The mass (40%) is returned to the main must obtaining a temperature of 72 ° C, this temperature is maintained for 35 minutes. The temperature is then raised to 76 ° C in 10 min and held for one minute. [10] To finish, the malt grain of the liquid must is filtered. They would be full hopping at the start of boiling: The must is boiled, and 100% of the hops (30gr) is added, and it is kept that way for 60 minutes. [11] Fermentation: The fermentation takes place in an isolated room, maintaining a temperature of 15ºC, for 15 days, and then it is packed. The ripening process is carried out in glass bottles maintaining an ambient temperature (150 °C – 200 °C). The ripening is done in glass bottles and dark colors that prevent light from entering directly into the beer. [12] Method B: Maceration by decoction: Using the same proportions of raw material of method A. Crushed malt is introduced with hot water at 52 ° C and kept for 35 minutes. Then the temperature is raised to 65 ° C, and it is maintained for 10 minutes, then the temperature is again raised to 72 ° C for a time of 20 minutes and finally for one minute the temperature is maintained at 76 ° C [13]. The main result is the sweetest of the beer. Incremental hopping: The wort is boiled (1000 °C) and when it is boiling 30% of the hops is added, the must is kept this way for 30 minutes, Now 50% of the remaining hops are placed for 20 minutes. To finish, add 30% of the hops for 5 minutes, stop the boiling and let the must stand until a temperature of 20ºC is reached. [14] Fermentation: The fermentation takes place in an isolated room, it is kept at a temperature of 13.5ºC, for 15 days, and then it is packed. The ripening process is carried out in glass bottles, and a temperature of 13.50 °C is maintained. The ripening is done in glass bottles and dark colors that prevent light from entering directly into the beer. [15]

Principales resultados

For the maceration process it is expected to obtain an ideal temperature between 50 and 52 0C in a time of 45 minutes, when applying the SENSOVAT sensor that offers short response times and high sensitivity to temperature variations, results are obtained between 53 and 57 °C, which exceed the required temperature by 10%, thus establishing an on-off control with hysteresis that complies with these temperature ranges, guaranteeing the activation of the b-amylases enzymes in this stage, by maintaining the temperature ideal. According to the Kantz method. In the same maceration process, 45 minutes after the malt decoction started, in a period of 10 minutes it is necessary to increase the temperature 15 °C, this in order to start the process of extraction of the A-amylases, enzymes of The malt is less sensitive to temperature, but it contributes a large percentage of fermentable sugars that improve the alcoholic strength of the beer. For this, copper electrovalves for gas are implemented, with fast response times that control the dosage of fuel to the maceration burner. According to the MacGregor AW method. And Bazin S. To stop the enzymatic process in the malt, and to inactivate the extraction of amyl lytic enzymes, responsible for degrading the starch in the beer and consequently decreasing the amount of fermentable sugars in the must, it is necessary to raise the temperature last to 76 °C, for one minute, so a real-time control is needed, manipulating the Arduino card from LabView of National Instruments, ensuring that this small decoction period is fulfilled. According to the Montanari Luigi method.

Conclusiones

Enzymes involved in the hydrolysis of substances include, proteins, peptidases, transglucosidases and phosphorylates. The main factors that regulate the activities of these enzymes are the temperature, pH, time and concentration of the must. In the second decoction of the must by method A, corresponding to 40% of the total volume of must. It is boiled so that the extraction of the a-b-amylases is stopped, obtaining a volume 0.02gr / ml lower in sugars than method B. Therefore, the alcoholic strength of the beer obtained with method A is greater. In method B, maintaining the malt in a period of 46 minutes at 52 ° C activates the enzymes that are more sensitive to heat (b-amylases), obtaining a higher concentration of fermentable sugars. The b-amylase is responsible for the formation of maltose, the most common fermentable sugar in malt. Also, Maintaining a must temperature between 65-700C activates the a-amylases enzymes, responsible for breaking down all dextrins to glucose or smaller dextrins. The correct treatment of the temperature and periods of decoction in the maceration is responsible for breaking down the large malt macromolecules, the better decomposition of these molecules contribute to a better foam stability, which is evidenced in the beer produced with the B method that I present a beer with greater stability.Several previous studies have shown that the addition of hops during the production of beer can significantly improve the stability of the flavor or decrease the indicators of oxidation during the storage of the beer. This was evidenced in the beer produced by the B method since it obtained better scores regarding freshness and flavor, after a long period of storage, proving that time did not affect these characteristics. Given a sufficiently long rest in our case 76 minutes in method B, the α-amylase can dismantle all the dextrins to maltose, glucose and small dextrins. Two important starch digester enzymes are released from malt a-amylase and b-amylase. Protein rest is responsible for reducing the total length of the high molecular weight proteins in the wort that cause foam instability and turbidity. This was evidenced in a better way in the beer elaborated by the method B, that by having a better treatment during the maceration (protein rest), lower gender turbidity and greater stability in the foam of the beer.