Control de proceso de maceración de cebada malteada en la industria cervecera

Autores: Quelas, Jorge
Año de publicación: 2022
Idioma: español castellano
Tipo de recurso: tesis de maestría
Estado: versión aceptada
Colaborador/a o director/a de tesis: Modesti, Mario Roberto
Álvarez, Dolores María Eugenia
Descripción: La cerveza es una de las bebidas más antiguas de la humanidad. La elaboración de cerveza se realiza en dos etapas; la maceración de cebada malteada para obtener el mosto y la fermentación, mediante la cual se obtiene alcohol y dióxido de carbono, por acción de la levadura. Bamforth [1] presenta un estudio sobre la evolución del proceso de elaboración de cerveza, en el que se relacionan los procedimientos e ingredientes, con la calidad del producto. El objetivo de un proceso de maceración es la conversión del almidón de los granos malteados en azúcares fermentables que puedan ser consumidos por la levadura, una vez que sea agregada al mosto obtenido. El azúcar producido en la maceración es clave para determinar el porcentaje de alcohol que generará posteriormente por la levadura y también la densidad del mosto. Esto condiciona el rendimiento general del proceso e incide directamente en la cantidad de litros de producto final que se obtiene. Existen distintos tipos de maceración: por infusión única, térmica, por decocción y escalonada. ´Esta ´ultima consiste en la realización de un pre-proceso que permite a ciertas enzimas convertir proteínas en aminoácidos, antes de la sacarificación (transformación de los polisacáridos en azúcares fermentables). Estas enzimas, además, facilitan la hidrólisis de almidones más complejos durante dicho proceso. Por ejemplo, se puede implementar un proceso de maceración de 35/55 ºC para que la enzima proteasa hidrolice proteínas en aminoácidos; luego llevar la temperatura a 60/65 ºC, rango en el cual actúa la beta amilasa, convirtiendo el almidón en maltosa y glucosa; y finalmente se lleva la temperatura al rango de 65/75 °C, propiciando que la alfa amilasa transforme al almidón en azúcares fermentables. Este es muy utilizado debido a que permite emplear maltas de menor calidad y precio y aun así obtener un producto de mayor aptitud. Como contraparte, el proceso es más complejo. En varios trabajos se estudia la importancia del control térmico en relación al proceso de elaboración de cerveza, para lograr las particulares características en el producto. Blanco y col. [2] estudian en detalle el proceso químico mediante el cual se generan los compuestos en la fabricación de cerveza. El trabajo tiene por objetivo determinar cuáles son los parámetros del proceso que se deben controlar para lograr una rápida adaptación a la preferencia del público consumidor, en cuanto a la ligereza del producto. En [3] se evalúan los métodos de producción tendientes a reducir o eliminar el alcohol presente en la cerveza. En todos estos trabajos, destaca la maceración escalonada, debido a la posibilidad que genera la regulación continua de la temperatura. El sistema de maceración escalonada está constituido por un recipiente donde se vierte una mezcla de agua y cebada. En dicho sistema se eleva la temperatura de la solución de forma progresiva. Los diferentes “escalones” de temperatura permiten extraer los distintos compuestos del grano, como así también el almidón necesario para la fermentación. El sistema de maceración debe contar con algún mecanismo de calentamiento como por ejemplo un quemador o un intercambiador de calor, incluyendo un sistema de reflujo, que permita homogeneizar la temperatura del fluido a controlar. En [4] Violino y col. resumen los sistema de bajo volumen de producción que se encuentran actualmente en el mercado. Los comúnmente utilizados son los sistemas RIMS (Recirculating Infusion Mash System) y HERMS (Heat Exchange Recirculating Mash System). ´Este último utiliza un intercambiador de calor como elemento de transferencia de energía. Para llevar a cabo la regulación de temperatura en la maceración escalonada, es necesario el desarrollo de un sistema de control. El controlador más ampliamente utilizado en la industria es el PID (Proporcional Integral Derivativo). Éste se basa en un algoritmo de regulación que calcula la desviación o error entre valores medidos y deseados por medio de realimentación. El algoritmo de control PID incluye tres parámetros: el proporcional, el integral y el derivativo. El término proporcional depende del error actual, el integral, de los errores pasados, mientras que el derivativo es una predicción de los errores a futuro. La suma de estas tres acciones es usada para ajustar el proceso por medio de un elemento de control, como la posición de una válvula que regula el caudal de gas de un quemador. Por otro lado, los métodos difusos son empleados para el ajuste de los parámetros del controlador. Dichos métodos interpretan la variación del error del sistema, como así también su derivada, aplicando funciones matemáticas diseñadas para clasificar su funcionamiento en rangos predeterminados. Dependiendo de la banda en la que se sitúa la respuesta del sistema, será el valor que adquieran los parámetros del controlador. La herramienta matemática con la cual se lleva a cabo este proceso es conocida como lógica difusa [5]. Esta técnica es ampliamente utilizada en control de procesos, asignando grados de veracidad a las variables de entrada, en base a la naturaleza del proceso a controlar. Dicha lógica puede generar infinitos estados entre dos límites previamente establecidos. En este sentido, los parámetros del controlador se generan como una sumatoria de las entradas del sistema, ponderadas por la lógica del modelo diseñado. Como consecuencia, a medida que varía la respuesta del sistema, el controlador se adapta para responder más eficientemente a dichas variaciones. Este método permite la adaptación del controlador a las variaciones de la planta, que en el caso del proceso seleccionado, son de naturaleza no lineal. Al mismo tiempo garantiza el correcto funcionamiento ante posibles perturbaciones o inclusive incertidumbres no contempladas en el modelo de la planta. La metodología empleada en este trabajo está fundamentada en el estudio llevado a cabo por Weeks [6], en el cual se implementa un sistema de bajo costo, constituido por un PID acoplado a un controlador para regular la maceración de cerveza. Esto es apto para ser aplicado por emprendedores con bajo nivel de producción, tales como las micro cervecerías. Con esta premisa se implementará un controlador que consta de un PID de ganancia tabulada por método difuso, tal como el expuesto en el trabajo de Zhao y col. [7]. Este tipo de controladores ya está siendo implementado en el proceso de fermentación de la cerveza, tal como se pone de manifiesto enWang y col. [8]. En este sentido, implementarlo en el método de maceración, implicaría una mejora en el desempeño de todo el proceso productivo.
Fil: Quelas, Jorge. Universidad Tecnológica Nacional. Facultad Regional Córdoba. Dirección de Posgrado. Ingeniería de Control Automático; Argentina.
Materia: Proceso de maceración
Identificación de sistema
Sistema de control
PID
On/Off
Fuzzy
Análisis de estabilidad
Lyapunov
ISS
Nivel de accesibilidad: acceso abierto
Condiciones de uso: Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International
Repositorio
Institución: Universidad Tecnológica Nacional
OAI Identificador: oai:ria.utn.edu.ar:20.500.12272/14285

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El azúcar producido en la maceración es clave para determinar el porcentaje de alcohol que generará posteriormente por la levadura y también la densidad del mosto. Esto condiciona el rendimiento general del proceso e incide directamente en la cantidad de litros de producto final que se obtiene. Existen distintos tipos de maceración: por infusión única, térmica, por decocción y escalonada. ´Esta ´ultima consiste en la realización de un pre-proceso que permite a ciertas enzimas convertir proteínas en aminoácidos, antes de la sacarificación (transformación de los polisacáridos en azúcares fermentables). Estas enzimas, además, facilitan la hidrólisis de almidones más complejos durante dicho proceso. Por ejemplo, se puede implementar un proceso de maceración de 35/55 ºC para que la enzima proteasa hidrolice proteínas en aminoácidos; luego llevar la temperatura a 60/65 ºC, rango en el cual actúa la beta amilasa, convirtiendo el almidón en maltosa y glucosa; y finalmente se lleva la temperatura al rango de 65/75 °C, propiciando que la alfa amilasa transforme al almidón en azúcares fermentables. Este es muy utilizado debido a que permite emplear maltas de menor calidad y precio y aun así obtener un producto de mayor aptitud. Como contraparte, el proceso es más complejo. En varios trabajos se estudia la importancia del control térmico en relación al proceso de elaboración de cerveza, para lograr las particulares características en el producto. Blanco y col. [2] estudian en detalle el proceso químico mediante el cual se generan los compuestos en la fabricación de cerveza. El trabajo tiene por objetivo determinar cuáles son los parámetros del proceso que se deben controlar para lograr una rápida adaptación a la preferencia del público consumidor, en cuanto a la ligereza del producto. En [3] se evalúan los métodos de producción tendientes a reducir o eliminar el alcohol presente en la cerveza. En todos estos trabajos, destaca la maceración escalonada, debido a la posibilidad que genera la regulación continua de la temperatura. El sistema de maceración escalonada está constituido por un recipiente donde se vierte una mezcla de agua y cebada. En dicho sistema se eleva la temperatura de la solución de forma progresiva. Los diferentes “escalones” de temperatura permiten extraer los distintos compuestos del grano, como así también el almidón necesario para la fermentación. El sistema de maceración debe contar con algún mecanismo de calentamiento como por ejemplo un quemador o un intercambiador de calor, incluyendo un sistema de reflujo, que permita homogeneizar la temperatura del fluido a controlar. En [4] Violino y col. resumen los sistema de bajo volumen de producción que se encuentran actualmente en el mercado. Los comúnmente utilizados son los sistemas RIMS (Recirculating Infusion Mash System) y HERMS (Heat Exchange Recirculating Mash System). ´Este último utiliza un intercambiador de calor como elemento de transferencia de energía. Para llevar a cabo la regulación de temperatura en la maceración escalonada, es necesario el desarrollo de un sistema de control. El controlador más ampliamente utilizado en la industria es el PID (Proporcional Integral Derivativo). Éste se basa en un algoritmo de regulación que calcula la desviación o error entre valores medidos y deseados por medio de realimentación. 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Esta técnica es ampliamente utilizada en control de procesos, asignando grados de veracidad a las variables de entrada, en base a la naturaleza del proceso a controlar. Dicha lógica puede generar infinitos estados entre dos límites previamente establecidos. En este sentido, los parámetros del controlador se generan como una sumatoria de las entradas del sistema, ponderadas por la lógica del modelo diseñado. Como consecuencia, a medida que varía la respuesta del sistema, el controlador se adapta para responder más eficientemente a dichas variaciones. Este método permite la adaptación del controlador a las variaciones de la planta, que en el caso del proceso seleccionado, son de naturaleza no lineal. Al mismo tiempo garantiza el correcto funcionamiento ante posibles perturbaciones o inclusive incertidumbres no contempladas en el modelo de la planta. La metodología empleada en este trabajo está fundamentada en el estudio llevado a cabo por Weeks [6], en el cual se implementa un sistema de bajo costo, constituido por un PID acoplado a un controlador para regular la maceración de cerveza. Esto es apto para ser aplicado por emprendedores con bajo nivel de producción, tales como las micro cervecerías. Con esta premisa se implementará un controlador que consta de un PID de ganancia tabulada por método difuso, tal como el expuesto en el trabajo de Zhao y col. [7]. Este tipo de controladores ya está siendo implementado en el proceso de fermentación de la cerveza, tal como se pone de manifiesto enWang y col. [8]. En este sentido, implementarlo en el método de maceración, implicaría una mejora en el desempeño de todo el proceso productivo.Fil: Quelas, Jorge. Universidad Tecnológica Nacional. Facultad Regional Córdoba. Dirección de Posgrado. 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Existen distintos tipos de maceración: por infusión única, térmica, por decocción y escalonada. ´Esta ´ultima consiste en la realización de un pre-proceso que permite a ciertas enzimas convertir proteínas en aminoácidos, antes de la sacarificación (transformación de los polisacáridos en azúcares fermentables). Estas enzimas, además, facilitan la hidrólisis de almidones más complejos durante dicho proceso. Por ejemplo, se puede implementar un proceso de maceración de 35/55 ºC para que la enzima proteasa hidrolice proteínas en aminoácidos; luego llevar la temperatura a 60/65 ºC, rango en el cual actúa la beta amilasa, convirtiendo el almidón en maltosa y glucosa; y finalmente se lleva la temperatura al rango de 65/75 °C, propiciando que la alfa amilasa transforme al almidón en azúcares fermentables. Este es muy utilizado debido a que permite emplear maltas de menor calidad y precio y aun así obtener un producto de mayor aptitud. Como contraparte, el proceso es más complejo. En varios trabajos se estudia la importancia del control térmico en relación al proceso de elaboración de cerveza, para lograr las particulares características en el producto. Blanco y col. [2] estudian en detalle el proceso químico mediante el cual se generan los compuestos en la fabricación de cerveza. El trabajo tiene por objetivo determinar cuáles son los parámetros del proceso que se deben controlar para lograr una rápida adaptación a la preferencia del público consumidor, en cuanto a la ligereza del producto. En [3] se evalúan los métodos de producción tendientes a reducir o eliminar el alcohol presente en la cerveza. En todos estos trabajos, destaca la maceración escalonada, debido a la posibilidad que genera la regulación continua de la temperatura. El sistema de maceración escalonada está constituido por un recipiente donde se vierte una mezcla de agua y cebada. En dicho sistema se eleva la temperatura de la solución de forma progresiva. Los diferentes “escalones” de temperatura permiten extraer los distintos compuestos del grano, como así también el almidón necesario para la fermentación. El sistema de maceración debe contar con algún mecanismo de calentamiento como por ejemplo un quemador o un intercambiador de calor, incluyendo un sistema de reflujo, que permita homogeneizar la temperatura del fluido a controlar. En [4] Violino y col. resumen los sistema de bajo volumen de producción que se encuentran actualmente en el mercado. Los comúnmente utilizados son los sistemas RIMS (Recirculating Infusion Mash System) y HERMS (Heat Exchange Recirculating Mash System). ´Este último utiliza un intercambiador de calor como elemento de transferencia de energía. Para llevar a cabo la regulación de temperatura en la maceración escalonada, es necesario el desarrollo de un sistema de control. El controlador más ampliamente utilizado en la industria es el PID (Proporcional Integral Derivativo). Éste se basa en un algoritmo de regulación que calcula la desviación o error entre valores medidos y deseados por medio de realimentación. El algoritmo de control PID incluye tres parámetros: el proporcional, el integral y el derivativo. El término proporcional depende del error actual, el integral, de los errores pasados, mientras que el derivativo es una predicción de los errores a futuro. La suma de estas tres acciones es usada para ajustar el proceso por medio de un elemento de control, como la posición de una válvula que regula el caudal de gas de un quemador. Por otro lado, los métodos difusos son empleados para el ajuste de los parámetros del controlador. Dichos métodos interpretan la variación del error del sistema, como así también su derivada, aplicando funciones matemáticas diseñadas para clasificar su funcionamiento en rangos predeterminados. Dependiendo de la banda en la que se sitúa la respuesta del sistema, será el valor que adquieran los parámetros del controlador. La herramienta matemática con la cual se lleva a cabo este proceso es conocida como lógica difusa [5]. Esta técnica es ampliamente utilizada en control de procesos, asignando grados de veracidad a las variables de entrada, en base a la naturaleza del proceso a controlar. Dicha lógica puede generar infinitos estados entre dos límites previamente establecidos. En este sentido, los parámetros del controlador se generan como una sumatoria de las entradas del sistema, ponderadas por la lógica del modelo diseñado. Como consecuencia, a medida que varía la respuesta del sistema, el controlador se adapta para responder más eficientemente a dichas variaciones. Este método permite la adaptación del controlador a las variaciones de la planta, que en el caso del proceso seleccionado, son de naturaleza no lineal. Al mismo tiempo garantiza el correcto funcionamiento ante posibles perturbaciones o inclusive incertidumbres no contempladas en el modelo de la planta. La metodología empleada en este trabajo está fundamentada en el estudio llevado a cabo por Weeks [6], en el cual se implementa un sistema de bajo costo, constituido por un PID acoplado a un controlador para regular la maceración de cerveza. Esto es apto para ser aplicado por emprendedores con bajo nivel de producción, tales como las micro cervecerías. Con esta premisa se implementará un controlador que consta de un PID de ganancia tabulada por método difuso, tal como el expuesto en el trabajo de Zhao y col. [7]. Este tipo de controladores ya está siendo implementado en el proceso de fermentación de la cerveza, tal como se pone de manifiesto enWang y col. [8]. En este sentido, implementarlo en el método de maceración, implicaría una mejora en el desempeño de todo el proceso productivo. Fil: Quelas, Jorge. Universidad Tecnológica Nacional. Facultad Regional Córdoba. Dirección de Posgrado. Ingeniería de Control Automático; Argentina.
description	La cerveza es una de las bebidas más antiguas de la humanidad. La elaboración de cerveza se realiza en dos etapas; la maceración de cebada malteada para obtener el mosto y la fermentación, mediante la cual se obtiene alcohol y dióxido de carbono, por acción de la levadura. Bamforth [1] presenta un estudio sobre la evolución del proceso de elaboración de cerveza, en el que se relacionan los procedimientos e ingredientes, con la calidad del producto. El objetivo de un proceso de maceración es la conversión del almidón de los granos malteados en azúcares fermentables que puedan ser consumidos por la levadura, una vez que sea agregada al mosto obtenido. El azúcar producido en la maceración es clave para determinar el porcentaje de alcohol que generará posteriormente por la levadura y también la densidad del mosto. Esto condiciona el rendimiento general del proceso e incide directamente en la cantidad de litros de producto final que se obtiene. Existen distintos tipos de maceración: por infusión única, térmica, por decocción y escalonada. ´Esta ´ultima consiste en la realización de un pre-proceso que permite a ciertas enzimas convertir proteínas en aminoácidos, antes de la sacarificación (transformación de los polisacáridos en azúcares fermentables). Estas enzimas, además, facilitan la hidrólisis de almidones más complejos durante dicho proceso. Por ejemplo, se puede implementar un proceso de maceración de 35/55 ºC para que la enzima proteasa hidrolice proteínas en aminoácidos; luego llevar la temperatura a 60/65 ºC, rango en el cual actúa la beta amilasa, convirtiendo el almidón en maltosa y glucosa; y finalmente se lleva la temperatura al rango de 65/75 °C, propiciando que la alfa amilasa transforme al almidón en azúcares fermentables. Este es muy utilizado debido a que permite emplear maltas de menor calidad y precio y aun así obtener un producto de mayor aptitud. Como contraparte, el proceso es más complejo. En varios trabajos se estudia la importancia del control térmico en relación al proceso de elaboración de cerveza, para lograr las particulares características en el producto. Blanco y col. [2] estudian en detalle el proceso químico mediante el cual se generan los compuestos en la fabricación de cerveza. El trabajo tiene por objetivo determinar cuáles son los parámetros del proceso que se deben controlar para lograr una rápida adaptación a la preferencia del público consumidor, en cuanto a la ligereza del producto. En [3] se evalúan los métodos de producción tendientes a reducir o eliminar el alcohol presente en la cerveza. En todos estos trabajos, destaca la maceración escalonada, debido a la posibilidad que genera la regulación continua de la temperatura. El sistema de maceración escalonada está constituido por un recipiente donde se vierte una mezcla de agua y cebada. En dicho sistema se eleva la temperatura de la solución de forma progresiva. Los diferentes “escalones” de temperatura permiten extraer los distintos compuestos del grano, como así también el almidón necesario para la fermentación. El sistema de maceración debe contar con algún mecanismo de calentamiento como por ejemplo un quemador o un intercambiador de calor, incluyendo un sistema de reflujo, que permita homogeneizar la temperatura del fluido a controlar. En [4] Violino y col. resumen los sistema de bajo volumen de producción que se encuentran actualmente en el mercado. Los comúnmente utilizados son los sistemas RIMS (Recirculating Infusion Mash System) y HERMS (Heat Exchange Recirculating Mash System). ´Este último utiliza un intercambiador de calor como elemento de transferencia de energía. Para llevar a cabo la regulación de temperatura en la maceración escalonada, es necesario el desarrollo de un sistema de control. El controlador más ampliamente utilizado en la industria es el PID (Proporcional Integral Derivativo). Éste se basa en un algoritmo de regulación que calcula la desviación o error entre valores medidos y deseados por medio de realimentación. El algoritmo de control PID incluye tres parámetros: el proporcional, el integral y el derivativo. El término proporcional depende del error actual, el integral, de los errores pasados, mientras que el derivativo es una predicción de los errores a futuro. La suma de estas tres acciones es usada para ajustar el proceso por medio de un elemento de control, como la posición de una válvula que regula el caudal de gas de un quemador. Por otro lado, los métodos difusos son empleados para el ajuste de los parámetros del controlador. Dichos métodos interpretan la variación del error del sistema, como así también su derivada, aplicando funciones matemáticas diseñadas para clasificar su funcionamiento en rangos predeterminados. Dependiendo de la banda en la que se sitúa la respuesta del sistema, será el valor que adquieran los parámetros del controlador. La herramienta matemática con la cual se lleva a cabo este proceso es conocida como lógica difusa [5]. Esta técnica es ampliamente utilizada en control de procesos, asignando grados de veracidad a las variables de entrada, en base a la naturaleza del proceso a controlar. Dicha lógica puede generar infinitos estados entre dos límites previamente establecidos. En este sentido, los parámetros del controlador se generan como una sumatoria de las entradas del sistema, ponderadas por la lógica del modelo diseñado. Como consecuencia, a medida que varía la respuesta del sistema, el controlador se adapta para responder más eficientemente a dichas variaciones. Este método permite la adaptación del controlador a las variaciones de la planta, que en el caso del proceso seleccionado, son de naturaleza no lineal. Al mismo tiempo garantiza el correcto funcionamiento ante posibles perturbaciones o inclusive incertidumbres no contempladas en el modelo de la planta. La metodología empleada en este trabajo está fundamentada en el estudio llevado a cabo por Weeks [6], en el cual se implementa un sistema de bajo costo, constituido por un PID acoplado a un controlador para regular la maceración de cerveza. Esto es apto para ser aplicado por emprendedores con bajo nivel de producción, tales como las micro cervecerías. Con esta premisa se implementará un controlador que consta de un PID de ganancia tabulada por método difuso, tal como el expuesto en el trabajo de Zhao y col. [7]. Este tipo de controladores ya está siendo implementado en el proceso de fermentación de la cerveza, tal como se pone de manifiesto enWang y col. [8]. En este sentido, implementarlo en el método de maceración, implicaría una mejora en el desempeño de todo el proceso productivo.
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