TRABALHO DE CINÉTICA E CÁLCULO DE REATORES

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Simulação Cinética no Processo Fermentativo da Cerveja 
M. L. F. FERREIRA1; T. L. SILVA1
¹Universidade Federal de Minas Gerais – Escola de Engenharia, Programa de Pós-graduação em Engenharia Química – PPGEQ
RESUMO
A produção de cerveja é um processo químico com combinações variadas dos mesmos quatro ingredientes essenciais: a fonte de amido, fermento, lúpulo e água. A fermentação é o estágio essencial na produção da cerveja, onde a levedura é adicionada ao mosto, resultando uma conversão de açúcar em etanol e dióxido de carbono. A temperatura é um fator crucial para o processo fermentativo, podendo afetar fortemente o crescimento da levedura e a taxa metabólica. As literaturas apresentadas nesse artigo, usaram metodologias parecidas para o melhoramento na etapa de fermentação, por meio da simulação do processo fermentativo da cerveja.  Todas elas propuseram um modelo cinético a fim de otimizar o processo.
1- INTRODUÇÃO
A cerveja é a bebida alcoólica mais consumida em todo o mundo na atualidade, data de 11 mil anos atrás. Provavelmente foi descoberta de forma acidental e ganhou o paladar de todos os povos que com ela tiveram contato.  
A cerveja é o resultado de uma complexa série de fermentações de produtos amiláceos, principalmente cevada maltada, trigo, arroz e milho. A recente alta do consumo brasileiro está ligada a uma mudança no mercado de cerveja. Antigamente, a disponibilidade de cervejas estrangeiras era limitada à indústrias de grande porte, que produziam cervejas com alta adição de milho. Mais recentemente, surgiram micro indústrias no mercado brasileiro que buscam a produção de uma bebida diferenciada, utilizando principalmente fontes de malte durante a fermentação (Mardegan et al, 2013).
O processo de produção de cerveja pode ser dividido em etapas: moagem do malte, brassagem ou mosturação, filtração do mosto, fervura, resfriamento, fermentação, maturação, carbonatação e envase. Sendo que, a fermentação é uma etapa essencial na produção da cerveja pois quando a levedura é adicionada ao mosto lupulado acontece a fermentação alcoólica, ou seja, os açúcares liberados do grão durante a germinação são fermentados em etanol e álcoois superiores (Rodman e Gerogiorgis 2016).
Para estudar, simular e otimizar o processo de fermentação da cerveja, modelos precisos do sistema químico são necessários para a simulação dinâmica das concentrações dos componentes principais.
2- CERVEJA TRADICIONAL X CERVEJA ARTESANAL
O crescimento contínuo da indústria do álcool como um todo resultou em uma demanda cada vez maior por produtos de cerveja.
As cervejas tradicionais, mais conhecidas como industrializadas, são produzidas em grande escala. É o resultado de uma complexa série de fermentações de produtos amiláceos, principalmente cevada maltada, trigo, arroz e milho (Mardegan et al, 2013). As cervejas industrializadas utilizam aproximadamente 60% de malte e cevada, os outros 40% são cereais não maltados ou carboidratos.
As cervejas são classificadas pelo teor de álcool e extrato, pelo malte ou de acordo com o tipo de fermentação. As cervejas de alta fermentação, conhecidas como Ale, são aquelas cujas leveduras são ativas em temperatura de 15ºC a 25ºC e flutuam após fermentar o mosto gerando um produto com sabor e aroma forte, e com teor alcoólico entre 4% e 8%.  A maior parte das cervejas consumidas hoje, é de baixa fermentação, ou seja, conhecidas como Lager. Quando expostas a temperaturas entre 9ºC e 14ºC, o levedo fica depositado no fundo do tanque (Rodman e Gerogiorgis, 2019).
As cervejas artesanais são produzidas em menor escala, feitas com foco na qualidade. Todo o processo é controlado e acompanhado. A cerveja artesanal é geralmente não filtrada, não pasteurizada e não são adicionados produtos químicos para acelerar o processo de fermentação. No final, analisa-se os aromas e sabores que condizem com a qualidade que se é esperada (Capece et al, 2018).
Para Callejo et al (2019), as matérias-primas essenciais para uma cerveja artesanal de qualidade são a água, malte, lúpulo e levedura. A escolha da levedura correta para fermentação do mosto e condicionamento da cerveja é crucial. O aroma da cerveja depende estritamente da escolha da levedura para fermentação.
A produção artesanal de cerveja em comparação a produção industrial não tem grandes diferenças, pois a cerveja artesanal se caracteriza por ser mais pura e concentrada empregando pouco ou nenhum adjunto amiláceo em sua fórmula.
2.1 PROCESSO DE PRODUÇÃO DA CERVEJA
A produção industrial convencional de cerveja é baseada na fermentação em batelada do mosto, sem agitação. Um perfil de temperatura ao longo do tempo de fermentação é aplicado para obter o nível de etanol necessário e as propriedades desejadas, como aroma e sabor (Andrés-Toro et al.(1998).
A produção de cerveja é um processo químico com um único pré-requisito que é o uso dos mesmos quatro ingredientes essenciais: a fonte de amido, fermento, lúpulo e água. São as combinações variadas desses compostos que são responsáveis ​​pela identidade de cada cerveja. (Rodman e Gerogiorgis, 2019).
De acordo com Rodman e Gerogiorgis (2016), qualquer alteração nos ingredientes, ou no processo produtivo, gera uma enorme variedade de sabores, podendo escolher o tipo de cerveja que mais agrada ao paladar do consumidor: teor alcoólico mais forte ou mais fraco, aroma, mais escura ou mais clara, amarga ou doce.  
O processo de produção de cerveja pode ser dividido em etapas: moagem do malte, brassagem ou mosturação, filtração do mosto, fervura, resfriamento, fermentação, maturação, carbonatação e envase. Na moagem, o malte é triturado para expor o endosperma à ação das enzimas. Na brasagem ou mosturação é o cozimento do malte para extrair os açúcares necessários para a fermentação da cerveja em temperaturas controladas. A filtração é necessária para a separação da parte líquida da parte sólida, deixando a cerveja mais límpida. Na fervura acontece a esterilização do mosto, e além da eliminação de contaminantes, é a fase que o lúpulo é adicionado. A fermentação é uma operação essencial na produção da cerveja, quando a levedura é adicionada ao mosto lupulado, os açúcares liberados do grão durante a germinação são fermentados em etanol e álcoois superiores. A carbonatação é realizada para gerar uma quantidade maior de CO2 antes de envasar, e por fim o envase, também chamado de engarrafamento das cervejas (Rodman e Gerogiorgis 2016).
2.2 PROCESSO DE FERMENTAÇÃO DA CERVEJA
Para Rodman e Gerogiorgis (2019), a fermentação é o estágio essencial na produção da cerveja, onde a levedura é adicionada ao mosto, resultando uma conversão de açúcar em etanol e dióxido de carbono, onde há uma reação exotérmica associada ao crescimento de biomassa. A progressão da fermentação depende de muitos fatores, incluindo taxa de inoculação da levedura, teor de oxigênio dissolvido, pressão e temperatura do lote. 
A temperatura é um fator crucial para o processo fermentativo, podendo afetar fortemente o crescimento da levedura e a taxa metabólica. Temperaturas irregulares podem gerar o aumento de substâncias indesejáveis, perda de etanol e compostos voláteis. Durante a progressão do lote a temperatura e o tempo de fermentação variam de acordo com o produto e o sabor procurado.  Os tanques na fermentação são de aço inoxidável cilindro cônico, esta forma promove a circulação de CO2 bolhas para agitar e misturar os conteúdos ajudando a manter a temperatura uniforme no vaso.
2.3 MODELAGEM CINÉTICA DA FERMENTAÇÃO 
O modelo cinético de fermentação de cerveja é muito útil para avaliar o desempenho de um processo bioquímico e para a otimização do processo requer um modelo matemático  que representa o consumo e a produção de espécies. Dada a complexidade do processo de fermentação, e as numerosas (mais de 600) espécies  presentes, muitas interações químicas não são entendidas qualitativamente e a construção de modelos de fermentação dinâmica de ordem reduzida considerando  apenas as principais vias de reação química, usando parâmetroscalculados a partir de dados experimental é de suma importância. 
Para cada indústria, o modelo cinético utilizado leva em consideração qual parâmetro deseja avaliar. Contudo, as melhorias na eficiência da fermentação da cerveja têm o maior potencial para aumentar a lucratividade. 
3- ANÁLISE DOS ARTIGOS 
 Tabela 1: Comparação entre os artigos
 
	 
AUTORES
 
	 
OBJETIVOS DOS ARTIGOS
	 
RESULTADOS DOS ARTIGOS
	 
[1] ANDRÉS-TORO, GIRÓN-SIERRA, LÓPEZ-OROZCO, FERNÁNDEZ-CONDE, PEINADO, GARCIA-OCHOA (1998)
 
	Analisar o comportamento do processo de fermentação da cerveja, sob diferentes condições operacionais.  Foi proposto um modelo cinético que leva em consideração cinco respostas: biomassa, açúcar, etanol, diacetila e acetato de etila. 
	O modelo cinético foi capaz de estudar o comportamento do processo sob diferentes condições operacionais, parece adequado para realizar simulações da fermentação industrial da cerveja em batelada.
	 
[2] RODMAN GEROGIORGIS (2016)
 
	
Implantação computacional de um modelo que descreve um processo de fermentação da cerveja, que é usado para simular manipulações de temperatura publicadas e comparação com resultados obtidos seguindo o protocolo atualmente em vigor na cervejaria WEST. 
 
	
As simulações dinâmicas realizadas neste estudo representam melhorias de processo claras e mensuráveis. Todas as abordagens satisfez as restrições descritas no trabalho. A redução do tempo de lote foi alcançada como desejado.  
	 
[3] RODMAN, GEROGIORGIS (2019)
 
	Estimativa do parâmetro para um modelo de fermentação de cerveja. Foi feito análises de sensibilidade sistemáticas usando dois métodos estabelecidos para avaliar e elucidar a significância relativa da discrepância paramétrica na validade da simulação dinâmica da evolução de certos observáveis de concentração. 
 
	A estimativa de parâmetros para a simulação dinâmica e otimização da fermentação de cerveja depende do processo e do produto. Contudo, os resultados mostraram que os valores de parâmetros foram obtidos e garantiram que o problema bem condicionado fosse resolvido.
	 
[4] JOHNSON, BURNHAM, JAMES (1998)
 
 
	 
 
Foi proposto um modelo de simulação no processo de fermentação da cerveja para lidar com problemas de variabilidade no tempo de término da fermentação.   
	Os resultados demonstraram que o modelo é capaz de replicar as características que são experimentadas na prática. O modelo fornece a base para o projeto do controlador e avaliação, e também é considerado para representar uma ferramenta de desenvolvimento, um passo em direção a um piloto baseado em computador cervejaria.    
Fonte: Artigos selecionados para trabalho 
Nos artigos citados na tabela 1, foram usadas metodologias parecidas para o melhoramento na etapa de fermentação, por meio da simulação do processo fermentativo da cerveja.  Todos eles foram propostos um modelo cinético. 
No artigo de Rodman, Gerogiorgis (2019), foi feito uma estimativa de parâmetros na simulação dinâmica para obter um sensoriamento e atuação online da cerveja. Foi utilizado o MATLAB da OPTI para resolver essa estimativa, colocando 1000 pontos (suposições de parâmetros iniciais) para 4 temperaturas diferentes. Posteriormente, foi feito a análise de sensibilidade, que inclui métodos locais que consideram perturbações de parâmetros em torno de valores nominais e métodos globais abrangentes, mas mais complexos. Para essa análise utilizou a triagem de Morris, que combina propriedades favoráveis de ambas as classes para uma análise paramétrica eficiente: as sensibilidades locais são calculadas, mas com amostragem de modo a aproximar os efeitos paramétricos globais, e análise de sensibilidade diferencial para a visualização das sensibilidades dependentes do tempo dos estados do modelo para cada parâmetro.  Os parâmetros são analisados na maltose, glicose, etanol e maltotriose, durante a fermentação. 
No artigo de Rodman, Gerogiorgis (2016), foi desenvolvido um algoritmo para gerar rapidamente manipulações de temperatura plausíveis que aderem a restrições de operabilidade realistas a um nível adequado de discretização de domínio temporal. Traçaram todo o conjunto de diferentes indicadores de desempenho obtidos de cada simulação dinâmica, juntamente com aqueles conhecidos da manipulação industrial atual, para posteriormente revelarem todo o envelope de desempenho para apontar quais melhorias de processo precisas são viáveis.  
No artigo de Andrés-Toro, Girón-Sierra, López-Orozco, Fernández-Conde, Peinado, Garcia-Ochoa (1998), foram empregadas duas configurações experimentais. Uma foi construída para as fermentações isotérmicas em bateladas sob monitoramento e controle de computador para a aquisição dos dados dos sensores e para o controle da temperatura. Posteriormente, os experimentos também foram realizados em escala piloto e as corridas passaram a ser realizadas mudando a temperatura com o tempo, de forma industrial. A biomassa suspensa foi medida em linha pelo aumento da absorbância detectado por uma fotocélula colocada no meio do vaso. Os açúcares totais foram determinados por HPLC. Etanol pelo método Scaba (na cervejaria industrial). O diacetil foi calculado a partir de dados publicados anteriormente. 
No artigo de Johnson, Burnham, James (1998), foi apresentado um modelo de simulação estendido implementado no ambiente Matlab / SIMULINK que incorpora as principais variáveis ​​de fermentação. A extensão envolveu uma modificação das equações de crescimento da levedura para replicar os efeitos do oxigênio dissolvido inicial (e, portanto, dos níveis de esterol celular) e da vitalidade da levedura.
4- CONCLUSÃO
Melhorias promissoras no processo de fermentação são altamente desejáveis na produção da cerveja: diminuir o tempo e aumentar a eficiência da fermentação visando qualidade, rendimento e lucratividade. A produção da cerveja parece ser um processo simples, sendo necessários apenas quatro ingredientes e uma sequência de etapas de processamento, porém é um sistema químico complexo com várias reações químicas. 
O presente trabalho avalia quatro modelos cinéticos distintos mas com metodologias semelhantes para o melhoramento da etapa de fermentação, cada um considerando parâmetros desejados por tais autores. Avaliações futuras podem confirmar as melhorias apresentadas, um modelo cinético implementado no processo de fermentação é útil para avaliar o desempenho do mesmo sob diferentes condições operacionais a fim de otimizar o processo.
Devido a atual situação da pandemia e o tempo de entrega do trabalho, uma simulação real do processo fermentativo da cerveja não foi possível ser feita para uma comparação exata com os resultados das literaturas. 
5- REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 
ANDRÉS-TORO, B. et al. A kinetic model for beer production under industrial operational conditions. Mathematics and Computers in Simulation, v. 48, n. 1, p. 65-74, 1998.
CALLEJO, M. J. et al. Wort fermentation and beer conditioning with selected non-Saccharomyces yeasts in craft beers. European Food Research and Technology, v. 245, p. 1229-1238, 2019.
CAPECE, A. et al. Use of Saccharomyces cerevisiae var. boulardii in co-fermentations with S. cerevisiae for the production of craft beers with potential healthy value-added. International Journal of Food Microbiology, v. 284, p. 22-30, 2018.
JOHNSON, C. R. et al. Extended simulation model for a brewery fermentation process. 1998.
MADERGAN, S. F. et al. Stable carbon isotopic composition of Brazilian beers – A comparison between large and small scale breweries. Journal of Food and Analysis, v.29, p. 52-57,2013.
RODMAN A. D. et al. Otimização do processo multi-objetivo da fermentação de cerveja via simulação dinâmica. Food and Bioproducts Processing , v. 100, p. 255-274, 2016.
RODMAN, A. D. et al. Parameter estimation and sensitivity analysis for dynamic modelling and simulation of beer fermentation. Computers & Chemical Engineering, v. 136, p. 106665, 2019.