TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP.HCM KHOA CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM - - Đề tài: BIA GVHD: Hà Thị Thanh Nga Nhóm TH: Nhóm 11 Nguyễn Mai Thy Anh Châu Thị Cẩm Nguyên Nguyễn Hoàng Trâm Anh 2005200753 Nguyễn Thị Cẩm Ly TP HỒ CHÍ MINH, tháng năm 2022 MỤC LỤC MỤC LỤC HÌNH ẢNH MỞ ĐẦU Lời cam đoan Tổng quan bia 1.1 Giới thiệu 1.2 Nguyên liệu Sơ đồ quy trình cơng nghệ sản xuất bia .9 2.1 Giải thích quy trình cơng nghệ 10 2.1.1 Tách tạp chất Malt gạo 10 2.1.2 Nghiền Malt gạo 10 2.1.3 Xử lý liệu 11 2.1.4 Nấu dịch nha 11 2.1.5 Lọc dịch nha rửa bả Malt 13 2.1.6 Đun sôi dịch nha với hoa houblon 15 2.1.7 Tách bã houblon 16 2.1.8 Làm lạnh dịch nha 17 2.1.9 Cung cấp oxy cho dịch nha giống nấm men 18 2.1.10 Lên men 18 2.1.11 Lên men phụ 20 2.1.12 Lọc bia 20 2.1.13 Làm lạnh bia 20 2.1.14 Bão hòa CO2 21 2.1.15 Rót bia vào chai đóng nắp 22 2.1.16 Thanh trùng 22 2.1.17 Dán nhãn 22 Ưu nhược điểm 22 KẾT LUẬN 24 TÀI LIỆU THAM KHẢO 25 BÀI BÁO KHOA HỌC 25 MỤC LỤC HÌNH ẢNH Hình Sơ đồ khối quy trình sản xuất bia chai Hình Thiết bị lọc ép (Filter press) 14 Hình Nồi lọc dịch nha 16 Hình Thiết bị đun sơi dịch nha với hoa houblon 16 Hình Cyclone để phân riêng hệ huyền phù 17 Hình Thiết bị lên men hình trụ, đáy 20 Hình Tủ lạnh 22 MỞ ĐẦU Ngày với tốc độ hóa thị cơng nghiệp hóa đất nước, nghành cơng nghệ thực phẩm đóng vai trị quan trọng kinh tế quốc dân Đóng vai trị chủ lực có lĩnh vực chế biến đồ uống Bia – nói cách tổng thể loại đồ uống chứa cồn sản xuất q trình lên men đường lơ lửng mơi trường lỏng khơng chưng cất sau lên men.Bia loại đồ uống có độ cồn thấp, giàu dinh dưỡng Ngoài việc cung cấp lượng calori lớn, bia chứa hệ enzim phong phú, đặc biệt nhóm enzim kích thích tiêu hóa amylaza Được sản xuất từ ngun liệu đại mạch ươm mầm, hoa houblon nước với quy trình cơng nghệ đặc biệt, bia có tính chất cảm quan hấp dẫn người: hương thơm đặc trưng, vị đắng dịu, lớp bọt trắng mịn, với hàm lượng CO2 cao (4 – 5g/l) giúp người giải khát cách triệt để ta uống Nước ta nằm vành đai khí hậu nhiệt đới có ưu điểm thị trường giải khát lớn Mặt khác, nhà sản xuất bia lon xuất khơng nhiều Do sách mở cửa nhà nước thương hiệu bia nước tràn ngập vào thị trường Việt Nam tạo sức cạnh tranh lớn Vì vậy, nước ta cần tạo loại bia có chất lượng cao giá thành sản phẩm ổn định, đẩy mạnh xuất Để tạo bia đạt chất lượng thu hút quan tâm nhiều người trình lên men bia nhân tố quan trọng Chất lượng bia xem kết từ trình hoạt động nấm men Vì thế, để có bia chất lượng đáp ứng nhu cầu người tiêu dùng vấn đề nhiều nhà sản xuất kinh doanh người học cơng nghệ Sau phần tìm hiểu thông tin chi tiết công nghệ sản xuất bia nói chung q trình lên men bia nói riêng Trong q trình tìm hiểu thu nhận thơng tin chắn không tránh khỏi sai sót Do đó, nhóm sinh viên chúng em mong nhận ý kiến đóng góp Cơ để hoàn thiện đề tài tiểu luận về: “BIA” Lời cam đoan Chúng em xin cam đoan đề tài: BIA cá nhân/nhóm 11 nghiên cứu thực Chúng em kiểm tra liệu theo quy định hành Kết làm đề tài: BIA trung thực không chép từ tập nhóm khác Các tài liệu sử dụng tiểu luận có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng (Ký ghi rõ họ tên) NHÓM 11 Tổng quan bia 1.1 Giới thiệu Bia đồ uống lâu đời người tạo Đây loại nước uống chứa sản xuất trình lên men đường lơ lửng mơi trường lỏng khơng chưng cất sau lên men Nói cách khác, bia loại nước giải khát có độ cồn thấp, bọt mịn xốp có hướng vị đặc trưng hoa houblon Đặc biệt CO2 hịa tan bia có tác dụng giải nhiệt nhanh, hỗ trợ cho trình tiêu hóa, ngồi bia cịn chứa lượng vitamin phong phú (chủ yếu vitamin nhóm B vitamin B1, B2, PP ) Nhờ ưu điểm này, bia sử dụng rộng rãi hầu giới với sản lượng ngày tăng Đối với nước ta bia trở thành loại đồ uống quen thuộc với sản lượng tăng trở ngành công nghiệp mũi nhọn ngành công nghiệp nước ta 1.2 Nguyên liệu Malt đại mạch Malt đại mạch nguyên liệu để sản xuất bia Người ta sản xuất malt đại mạch từ hạt đại mạch Đại mạch thuộc nhóm ngũ cốc chia thành hai loại đại: mạch hai hàng (Hordeum distichum) đại mạch sáu hàng (Hordeum hexadistichum) Trong sản xuất bia, người ta sử dụng chủ yếu đại mạch hai hàng Thành phần hóa học trung bình hạt đại mạch hai hàng sau: độ ấm 14,5%; tỉnh bột 5%,0%; chất chiết khác không chứa nitơ 12,0%; protein tổng 9.5%; cellulose 5%, chất béo 2,5% khoảng 2,59 (Narains, 1980), Quy trình sản xuất malt đại mạch bao gồm trình phân loại hạt, làm ướt, ươm mầm, sấy tách mầm Mục đích quy trình sản xuất malt làm hoạt hóa sinh tổng hợp enzyme hạt đại mạch, thủy phần phần chất hạt tổng hợp số hợp chất màu mùi đặc trưng cho malt thành phẩm Theo Hiệp hội bia Châu Âu (European Brewery Convention EBC), chất lượng malt đại mạch đánh giá qua tiêu sau kích thước hạt: 85% tổng số hạt bị giữ lại rây 2,5 2,8 mm; khối lượng 1000 hạt: 28 - 38 g; khối lượng 1hL: 48 - 62 kg; độ ẩm: khơng q 4,5%, độ trích ly: 79 - 83%; protein tổng khơng q 12%, nitơ hịa tan 0,55 0,75% so với lượng chất khô; số Kolbach: 35 - 45; nitơ amin tự do: không thấp 150 mg/100 g chất khô malt; hoạt lực dinstatic: 200 - 300 WK, độ nhớt dịch nha nấu theo phương pháp EBC: 1,5 - 1,6 mPa.s: độ màu dịch nha: 2,5 - 4,5° EBC (Moll, 1991) Malt đại mạch sau sản xuất cần phải bảo quản cyclo tối thiểu tháng đưa vào sản xuất bia Thời gian bảo quản malt không năm Thế liệu Thế liệu (adjunct) nhóm nguyên liệu chứa đường tinh bột sử dụng để thay phần malt đại mạch sản xuất bia Mục đích việc dùng liệu làm giảm giá thành sản phẩm, tăng độ bền hóa lý bia góp phần làm đa dạng hóa sản phẩm bia thị trường Nhóm liệu chứa đường gồm có saccharose tinh thể, loại syrup từ q trình thủy phân tinh bột có chứa glucose maltose Nhóm liệu chứa tinh bột bao gồm loại ngũ cốc (đại mạch, bắp, gạo, lúa mạch, lúa miến, triticale), loại củ (khoai tây, khoai lang, khoai mì) Ở nước ta, gạo xem liệu phổ biến Gạo (Oryza sativa) có độ ẩm trung bình 10 - 13% Thành phần hóa học (tính theo chất khơ) gạo gồm có: tinh bột 75 - 81%, đường – 5%, cellulose 0,6 0,8%, protein tổng - 11%, chất béo 1,6 - 2,5% khoáng 1,0 – 1,2% (Kalunhans, 1992) Ưu điểm gạo so với liệu khác cung cấp hàm lượng chất chiết cao cho dịch nha Tuy nhiên, sử dụng gạo với tỷ lệ cao làm cân đổi tỷ lệ hàm lượng C N dịch nha nên ảnh hưởng không tốt đến trình lên men bia Houblon (Humulus lupulus) Houblon thuộc nhóm thực vật lưỡng tính, dạng dây leo Trong sản xuất bia, người ta sử dụng hoa chưa qua thụ phấn Thành phần hóa học hoa houblon sấy khô sau: độ ẩm 10 - 149, a-acid: - 12%; β - acid - 10%; tinh dầu: 0,5 - 2,0%; polyphenol 5%; chất béo: - protein tổng: 12 - 18%; cellulose: 40 – 50% pectin: 1-2% (Moll, 1991) Trong sản xuất bia, người ta quan tâm đến thành phần α β -acid, tinh dầu polyphenol hoa houblon chúng có ảnh hưởng lớn đến chất lượng bia Các nhà sản xuất sử dụng houblon dạng hoa tươi, hoa khô, hoa viên cao hoa Nước Nước xem nguyên liệu sản xuất bia Thành phần hóa học nước ảnh hưởng đến biến đổi sinh học hóa sinh quy trình sản xuất chất lượng bia thành phẩm Theo Kaluxiliana cộng (1992) yêu cầu chất lượng nước năm xuất sau: độ cứng 2-4 mg đương lượng/L, độ oxy hóa: không lớn mg O2/L; pH: - 7; hàm lượng thành phần khác (m/L, không lớn hơn), chloride 7, sulphate 200; sắt 0,3, manganese 0,05, nitrite 3, nitrate 25, tổng số vi khuẩn hiếu khí khơng q 75 cfu/mL, Collform: không phát Nấm men bia Trong sản xuất bản, người ta sử dụng nấm men nấm men chìm Từ năm 1984, nhà phân loại học nấm men người Hà Lan, Kroger - Van - Hy xếp nấm men nấm men chìm vào lồi với tên gọi Baccharomyers oreulias Sự khác biệt nấm men chìm nấm men nhiệt độ Iên men, khả kết lắng q trình lên men kết thúc khả lên men đường meliblone Các nhà máy sản xuất Việt Nam chủ yếu sử dụng nấm men chìm Các nguyên liệu phụ khác Trong sản xuất bia, người ta dùng số nguyên liệu phụ khác chế phẩm enzyme (để hỗ trợ cho phản ứng thủy phân trình nấu dịch nha xử lý bia sau lên men), chất chỉnh pH, muối khoáng (để tăng cường hoạt tính enzyme nguyên liệu hoạt tính trao đổi chất năm men), chất màu, chất chống oxy hóa Sơ đồ quy trình cơng nghệ sản xuất bia Hiện có nhiều quy trình sản xuất bia Hình ảnh giới thiệu sơ đồ khối quy trình sản xuất bia đóng chai sử dụng hỗn hợp nguyên liệu gồm 76% mult đại mạch 28% thổ liệu gạo Hình Sơ đồ khối quy trình sản xuất bia chai 2.1 Giải thích quy trình cơng nghệ 2.1.1 Tách tạp chất Malt gạo Mục đích cơng nghệ: chuẩn bị Malt gạo bị lẫn số tạp chất rơm rạ, bụi, kim loại… Tách tạp chất trình làm nguyên liệu trước đưa vào sản xuất Các biến đổi nguyên liệu Quá trình tách tạp chất khơng gây biến đổi hóa học bên hạt nguyên liệu Thiết bị Người ta sử dụng thiết bị làm nguyên liệu với hệ thống rây quạt Rây tách tạp chất có kích thước lớn nhỏ khỏi hạt Còn quạt tách tạp chất nhẹ bụi, rơm rạ… Ngồi ra, người ta cịn dùng thiết bị tách từ để loại bỏ sắt bị lẫn ngun liệu 2.1.2 Nghiền Malt gạo Mục đích cơng nghệ: chuẩn bị Malt gạo nghiền nhỏ để việc thu nhận chất triết trình nấu dịch nha đạt hiệu cao Các biến đổi nguyên liệu Trong trình nghiền xảy biến đổi vật lý kích thích hạt nguyên liệu giảm, nhiệt độ khối hạt tăng ma sát Các nhà sản xuất cần thực trình nấu dịch nha sau nghiền nguyên liệu để hạn chế giảm hoạt tính enzyme malt Thiết bị thông số công nghệ Thiết bị sử dụng máy nghiền trục vít, vật liệu đưa vào thiết bị có trang bị hệ thống cung cấp nước phía mắt số điểm bơm nước mặt Trong Trình di o chuyển vật liệu bơm nước có áp lực 0.5 - 1bar (112-121 C) Thời gian vật liệu qua toàn chiều dài thiết bị từ 50 -60 giây thời gian hàm ẩm vật liệu tăng lên từ 0.5 - 1%, lượng ẩm tập trung chủ yếu vào vỏ trấu hàm ẩm vỏ trấu tăng 10 2.1.15 Rót bia vào chai đóng nắp Mục đích cơng nghệ: hồn thiện Các biến đổi ngun liệu: xảy tổn thất CO2 q trình rót đóng nắp Thiết bị: sử dụng hệ thống thiết bị rót đóng nắp tự động hoạt động liên tục Q trình rót thực điều kiện đẳng áp, sử dụng bao bì thủy tinh 2.1.16 Thanh trùng Mục đích cơng nghệ: bảo quản Các biến đổi nguyên liệu: vi sinh vật enzyme bia bị vô hoạt Thiết bị thông số công nghệ: sử dụng thiết bị trùng dạng tunnel Vùng trùng có nhiệt độ 63ºC, thời gian lưu sản phẩm (loại chai 500mL) vùng trùng thường 20-30 phút 2.1.17 Dán nhãn Mục đích cơng nghệ: hồn thiện Thiết bị: sử dụng thiết bị dán nhãn hoạt động tự động theo phương pháp liên tục Ưu nhược điểm Mỗi thiết bị mang ưu nhược điểm riêng Lọc Thiết bị lọc ép Ưu điểm trình lọc ép quy trình vận hành đơn giản chi phí đầu tư thiết bị khơng lớn Nhược điểm tốn nhiều lao động việc tháo bã, vệ sinh lắp ráp thiết bị trước mẻ lọc Thiết bị nồi lọc Ưu điểm: giới hóa tự động hóa q trình lọc, cấu tạo đơn giản Nhược điểm: Thời gian kéo dài Nghiền Thiết bị nghiền trục 22 Ưu điểm: Thiết bị tác động đồng thời lực ép lực xé lên nguyên liệu dẫn đến kích thước nguyên liệu đạt độ nhỏ định Nhược điểm: nghiền vật liệu khơ Thiết bị nghiền trục vít - Ưu điểm: giảm tỷ lệ nát vỏ trấu trình nghiền khơ, vỏ trấu khơng bị vỡ tinh bột nội nhũ vỡ vụn tạo điều kiệu đường hóa nhanh thời gian lọc rút ngắn Nhược điểm: Nghiền nhiệt độ cao làm bất hoạt enzyme Làm lạnh bia Thiết bị dạng bảng Ưu điểm: Dễ tháo lắp tẩy rửa, dễ tăng công suất nhiệt, hiệu suất trao đổi nhiệt cao, tiệm cận đối đa nhiệt độ, đảm nhiệm nhiều chức thiết bị, giá thành thấp Nhược điểm: khung trao đổi nhiệt miếng đệm dài nắm phải giữ lại với nhau, có kẽ hở, tốn nhiều thời gian để làm sạch, thay phận, rãnh bị kẹt chất bẩn bị oxi gây tắt nghẽn Tủ lạnh Nhược điểm: làm lạnh gián đoạn liên tục Thường sử dụng cho vật liệu rắn, thời gian làm lạnh lâu 23 KẾT LUẬN Bia loại nước uống bổ dưỡng cho thể, năm gần kinh tế bước lên Do đó, Việt Nam năm gần nhu cầu bia tăng nhanh số lượng chất lượng Việc nâng cao sản lượng nhà máy sản xuất bia cần thiết vấn đề vốn đầu tư gặp nhiều khó khăn Mặc khác, thời điểm, thời tiết mùa nước ta mức tiêu thụ bia mùa không cân đối Thực tế cho thấy nhiều nhà máy bia bị công suất mùa hè, không đáp ứng đủ nhu cầu người tiêu dùng mà mùa đông lại tiêu thụ chậm Vì vậy, cần phải có biện pháp thay đổi trình thực nhằm đáp ứng nhu cầu ngày cao xã hội Thế nhưng, nhân tố góp phần quan trọng làm ảnh hưởng đến chất lượng số lượng bia khơng khác trình lên men bia Với phương pháp tìm hiểu giúp cho nhà sản xuất giải vấn đề đáp ứng tốt số lượng bia mùa hè Tiểu luận nhằm góp phần tìm hiểu chung vấn đề cơng nghệ lên men bia ứng dụng phương pháp lên men bia.Sau thời gian chuẩn bị thân người nhóm thực cố gắng hồn thành Thế nhưng, khơng thể tránh khỏi sai sót Nhóm em mong góp ý kiến bạn Nhóm xin chân thành cảm ơn! 24 TÀI LIỆU THAM KHẢO Lê Văn Việt Mẫn, giáo trình Cơng nghệ chế biến thực phẩm, nhà xuất Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh BÀI BÁO KHOA HỌC Beer fermentation modeling for optimum flavor and performance.pdf 25 BẢNG PHÂN CÔNG CÔNG VIỆC STT Họ tên Nguyễn Mai T Nguyễn Hoàn Châu Thị Cẩm Nguyễn Thị C 26 Available online at www.sciencedirect.com ScienceDirect IFAC PapersOnLine 55-1 (2022) 381–386 Beer fermentation modeling for optimum flavor and performance Raju Yerolla* Mohammed Mehshan KM* Nevin Roy* Nekkanti Sri Harsha* Myreddy Prudhvi Pavan Ganesh* Chandra Shekar Besta* *Department of Chemical Engineering, National Institute of Technology, Calicut, India 673601 (e-mail: schandra@nitc.ac.in) Abstract: Beer has been around for millennia Fermentation is the most vital Over time, fermenting technology has advanced Wheat, barley, and other grains were used Despite the same ingredients, each beer is distinct Making beer requires a carbohydrates supply and yeast Microbes help brewers from raw material production through packaging stability Others degrade beer since it is created by fermenting food Temperature affects acids, higher alcohols, and esters Temperatures during fermentation can increase acidity and fruitiness The goal of this paper is to develop a flavor model based on available literature In addition, build the growth model in MATLAB and compare it to industry data to establish the essential kinetics involved in taste development Copyright © 2022 The Authors This is an open access article under the CC BY-NC-ND license (https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/) Keywords: Beer fermentation, Flavor, Modeling, Simulation, Temperature, Control INTRODUCTION The beer production is well documented, with suggestions that it is one of the world's oldest prepared beverages, dating as early as the early Neolithic period (Arnold, 2005) Several archaeological excavations have discovered jars containing the remains of wine 7,000 years old Humankind's first encounter with alcoholic beverages was likely by chance(Luisa Alba-Lois, 2017) The brewing of beer has been done for thousands of years Processing grains, like barley, can produce a favorable beverage (Harrison and Albanese, 2019) Fermentation is a key phase in producing beer Yeast and carbohydrates combine to generate alcohol and flavoring compounds It all depends on the starting sugar quantity, temperature, and yeast type In commercial beer fermentation, a cooling refrigeration system is commonly used to manage the temperature (Ramirez and Maciejowski, 2007a) Additionally, it is apparent that coloured malts had a specific flavour, which is frequently associated with special dark beers(Harrison and Albanese, 2019) Naturally produced enzymes catalyse the major biological changes in the brewing process from barley (during malting) and yeast (Harrison and Albanese, 2019) Beer is commercially manufactured by the controlled fermentation of wort, liquid rich in sugars, nitrogenous chemicals, sulphur compounds, and trace components derived from malted barley Fermentation is the chemical reaction that converts glucose to ethanol and carbon dioxide(Aroh, 2019): 12 + 4+ →2 +2 2+ modelling of essential component concentrations are required to study, simulate, and optimize beer fermentation.(Rodman and Gerogiorgis, 2016) The advancement of fermentation is highly dependent on yeast pitching rate (Guido et al., 2004), dissolved oxygen concentration, batch pressure, and system temperature, all of which have a significant effect on yeast growth and metabolic rate As long as no harm to the yeast cells occurs and the temperature remains below 30 degrees Celsius, high temperature stimulates fermentation A coolant circulates via the cooling coil or cooling jacket to control the fermentation tank's temperature Since the discovery of the biochemical processes involved in flavor generation, several researchers have built kinetic and dynamic models that can help manage beer quality (Gee and Ramirez, 1994) have developed a more advanced flavour model with the help of a growth model whose temperature effects are added The growth model included three sugars consumption: glucose, maltose, maltotriose, biomass growth, and ethanol production Gee and Ramirez added a new feature to the growth model: growth limitation due to availability of unsaturated fatty acids The nutrient model is developed with three amino acids, forming fusel alcohol, another flavour group This model has been developed based on research on fusel alcohols (Gee and Ramirez, 1994) have worked on ten flavour compounds that fall into three groups Those are fusel alcohols, esters, and vicinal diketones The research of Ayarapaa, Geier, and Piendl is used to develop the flavour Model Sugars from the grain germinated into ethanol and higher alcohols when yeast is added to hopped wort This model has two pieces The response engineering interface successfully models the fermentation process in the initial phase A comprehensive dynamic model is unattainable due to the complex sequence of chemical interactions involving over 600 species Exact chemical system models for dynamic The model's parameters are identified by (De Keukeleirc, 2000), and it is based on a robust scheme for unconstrained numerical minimization of the nonlinear function Optimal temperature management for batch beer fermentation has been studied Baker yeast growth has intruded on the model This type is commonly known to as Baker's Yeast with the feed batch reactor It has been proposed for improving ethanol output as well as taste A neural network tool for brewery fermentation has been proposed 2405-8963 Copyright © 2022 The Authors This is an open access article under the CC BY-NC-ND license Peer review under responsibility of International Federation of Automatic Control 10.1016/j.ifacol.2022.04.063 382 Raju Yerolla et al / IFAC PapersOnLine 55-1 (2022) 381–386 The method predicts fermentation based on yeast history, fermentation recipe, and raw material parameters It may also predict the length of fermentation and ethanol yield Ale is made hotter than Lager Indirectly, the beer's flavor is impacted by the temperature profile This is a beer brand secret Additional product enhancements include the elimination of fusel alcohols without impairing ester synthesis or the addition of esters without impairing acetaldehyde concentration It is possible to produce the same quality beer in less time (Ramirez and Maciejowski, 2007a) The goal of this study is to create a flavor model based on existing literature and to create an appropriate industrial temperature profile In addition, the goal is to determine the key kinetics involved for flavor creation, construct the growth model in MATLAB, and compare it to industrial data The reaction kinetics is as follows for reactions (1), (2), and (3) Note that because of the simplified reaction description, yield coefficients, Y, are used to compute product concentrations = = 1,2,3 The fermentation mechanisms depend on the yeast concentration and the reaction rate constant, ki can be described using Michaelis Menten kinetics(Johnson and Goody, 2011) 1= High sugar concentrations also inhibit the last two reactions =+ =+ MATHEMATICAL MODELING 2.1 Model Definition When brewing beer, the fermentation step is subsequent to malting and mashing and involves converting sugars to alcohol The previous steps cover wetting and drying barley grains to form malt, then boil and mix the malt to create a sugary liquid called WORT The fermentation starts as soon as the WORT has been cooled down (< 20°C) and added yeast The yeast strain examined in this sample grows at temperatures close to 12°C, which is suitable for lager brewing Mathematical modelling on a first-principles basis for systematic process simulation and optimization is well established in a variety of sectors Its criticality for ensuring maximum process efficiency and profitability becomes clear when applied to unconventional applications such as high-temperature multiple reactor design (Rodman and Gerogiorgis, 2016), fossil fuel production, polygeneration (Liu, I Gerogiorgis and N Pistikopoulos, 2007)), cyclic dynamics (Akinlabi et al., 2007) and structured products (Angelopoulos, Gerogiorgis and Paspaliaris, 2013) , and are the maximum velocities, the Michaelis– Menten constant, fermentation reaction These three properties are temperaturedependent, as defined by the Arrhenius equation Here, A is the frequency factor, and E is the activation energy The yeast concentration is modeled as a free species, with the following reaction rate = Where is the reaction rate constant that depends on the reaction constant of the three governing reactions and the fact that a high yeast concentration inhibits its production: 2.2 Reaction Kinetics The irreversible reactions taking place during the fermentation process can be written in the following simplified form: =( 1 +2 +3 )( Where is the yeast growth inhibition constant and cx0 the initial yeast concentration in the tank The alcohol production needs to be corrected with yield coefficients, giving the following total reaction rate RE = ( 1 + 2 + 3 ) cx Similarly, the production of the ethyl acetate flavor compound can be written as Where G, M, and N denote glucose, maltose, and maltotriose, respectively Furthermore, E stands for alcohol and for the carbon dioxide dissolved in the WORT The X notation shows the presence of yeast Aside from carbon dioxide and ethanol, different flavoring components are formed This tutorial accounts for two types of flavors: Ethyl acetate (EtAc) and acetaldehyde ( ) The former an ester gives a desirable taste, and the latter an aldehyde gives a bad tasting beer =( + + 3) The acetaldehyde flavor, on the other hand, also decomposes, as given by = ( + 2+ a) (15) − Where is the rate constant for the decomposition of acetaldehyde and is defined with the Arrhenius equation Both the gaseous and dissolved carbon dioxide are computed in the example The reaction rate of the gaseous species is described by 2( ) =( 1 + 2 + 3) _ − ( 2( ) − 2( ) (16) ) Where is the gas to liquid mass transfer coefficient of carbon dioxide and 2(sat) the maximum solubility concentration of carbon dioxide in water Raju Yerolla et al / IFAC PapersOnLine 55-1 (2022) 381–386 For the dissolved species, the reaction rate becomes 2( ) =( 2( )− 2( ))) Table Reaction Parameters (Gee and Ramirez, 1994) The only source of mixing is natural convection, which is achieved by the coupling of all three interfaces As an assumption, the only property affecting the density of the mixture is the temperature Also, the Business approximation is used, meaning that in the single-phase flow interface, the density is only varied in the volume force term 2.3 A Beer Flavor Model The flavour model for batch beer fermentation employed in this study is based on the growth model developed by (Gee and Ramirez, 1994) Three fundamental sugars are deemed safe to consume The perfectly mixed model is solved with the Reaction Engineering interface using the Batch, constant volume, reactor type at non-isothermal conditions For the three reactions, heats are available: H =91.2 kJ/mol, H2=226.3 kJ/mol, and H2=361.3 kJ/mol, which are entered into the energy balance settings the interface WORT mixture is assumed to have similar thermal properties as water That is, water is included as a solvent A cooling medium, with a temperature, ΔTC, lower than the initial tank temperature cools the fermentation process with the rate, qv (SI unit: W/ (m3·K)): =− ( −( 0−∆ The particular growth rates for maltose and malt triose are shown below, demonstrating that glucose inhibits maltose growth and that both glucose and maltose suppress malt triose development: The temperature dependency of these specific growth rates is: )) Where is the total heat removed from the reactor (SI unit: W) Beer fermentation usually takes place in a spheroconical tank Such a design is suitable for easy separation of yeast from the liquid at the top or bottom, enabling better temperature control Modern beer brewing equipment often has a built-in cooling jacket, but the tank is sometimes just in a cooled environment The Generate Space-Dependent Model feature is used to construct the space-dependent model Thus, the kinetics are identical to those in the completely mixed model Due to rotational symmetry, the whole system may be described in two dimensions using an axisymmetric geometry The interface Transfer of Diluted Species is used to simulate mass transport, the Laminar Flow interface is used to model fluid motion, and the Heat Transfer in Fluids interface is used to model heat transport The WORT occupies a portion of the reactor The cooling is implemented as a convective heat flux boundary condition that is driven by the temperature differential between the tank and the cooling fluid, as stated in: = ( − ′ As explained by, the rate of biomass formation incorporates an inhibitory component into the biomass concentration (Gee and Ramirez, 1994) = Where =( 1+2 + 3) The percentage of ethanol produced to consumed is considered to be proportionate sugar =0+ (0−)+ (0−)+ (0−) The batch temperature (T) is determined by an energy balance that takes into account both the heat generated by the reaction and the cooling capacity used to manage the operation ) Where h is an automatically defined heat transfer coefficient for external natural convection Here u is the control variable of the cooling rate per volume per degree, and is the coolant temperature 2.4 Nutrient Model It has been shown that amino acids influence the synthesis of flavour molecules As a result, the amino acids leucine (L), isoleucine (I), and valine are represented by a distinct nutrition model (V) Assimilation of amino acids is thought 384 Raju Yerolla et al / IFAC PapersOnLine 55-1 (2022) 381–386 to be negatively proportional to growth rate, limited by the amino acid's availability in the medium, and preceded by a lag phase at the start of fermentation Where the lag effect is given by =1− 2.5 Flavour model There are four broad kinds of taste chemicals studied These are fusel alcohols that should be avoided at all costs and esters that should be present in significant quantities These vicinal diketones should be used in moderation, as should acetaldehyde Fusel alcohols: Fusel alcohols are undesirable species because they provide a plastic, solvent-like odour and add significantly to the symptoms associated with a hangover The model is based on the assumption of enzymatic synthesis at the right amino acid concentration Isobutyl alcohol (IB), isoamyl alcohol (IA), 2-methyl-1-butanol (MB), and propanol are considered fusel alcohols (P) 2.6 Ester Esters are desired flavour components since they contribute significantly to beer scent and give the beer a full-bodied taste The model takes three esters into account: ethyl acetate ( ), ethyl caproate ( ) and isoamyl acetate ( ) They are proportional to amino acid intake rates, growth rates, or sugar consumption rates, depending on the model = ( 1+ 2+ 3) RESULTS AND DISCUSSION This simulation's temperature profile is derived from the McCollum brewery (Breweries, et al) For 250 hours, the model is simulated MATLAB simulations are used, and the results are presented here 3.1 Esters Esters are the most flavour-active aroma in the beer These compounds are formed via alcohols (fusel and ethanol) reaction and acids (acetyl-CoA compounds) The enzymes catalyse the reactions within the yeast cell Looking over the final concentrations as shown in Figure at 250 hours and compared with industrial data, the ester levels are reached their maximum and no further increase by increasing the fermentation time Ethyl acetate concentrations for temperature profiles are slightly higher than threshold limits, which mean less contribution for the fruity flavour The final percentage concentrations of ethyl corporate above the threshold limits, i.e., 328% For the isoamyl acetate, it is about 100%-300% higher than the threshold values Ethyl caproate gives apple-like flavour, and isoamyl acetate gives banana like flavour to the beer Therefore, the final product should be a mixture of these two flavours Figure 1: Esters formation results 3.2 Fusel Alcohol Fusel alcohols are derived from amino acids If amino acid consumption is high, fusel alcohol formation is high Further fusel alcohols are subjected to form esters Isoamyl alcohol, 2methyl-1-butanol and n-propanol final concentrations are below threshold levels as shown in Figure and compared with industrial data Which gives solvent (alcohol) like flavor npropanol has a high threshold level, and the effect of flavor is negligible The final concentration of isoamyl alcohol is slightly above the threshold values and gives a solvent, banana-like flavor Simulations results give values around 63 mg/l Isoamyl alcohol is derived from leucine, and leucine is almost totally consumed in simulations The presence of fusel alcohols in the beer gives strong physiological symptoms like a headache Keeping low concentrations of fusel alcohols increases the flavor quality of the beer But any threshold limits for these symptoms could not be found in the literature Figure Fusel alcohol formation model 3.3 Growth Model Raju Yerolla et al / IFAC PapersOnLine 55-1 (2022) 381–386 In the growth model simulation, glucose is zero and maltose and maltotriose 33% and 48% remaining, as shown in Figure and compared with industrial data Rest sugar of the fermented beer is a good measurement to make sure the fermentation is going well It should be consumed with time The presence of sugars gives a sweet flavour to the beer Therefore, the temperature profile in the growth model simulation gives more sweetness On the other hand, rest sugars will affect ethanol production More sugars are remaining in the beer means raw materials are not completely consumed For maximizing ethanol production, all the sugars must be consumed over fermentation time Growth model simulation gives lower ethanol production since the brewing temperature is somewhat low (120 C) Yeast production of growth model simulation gives 44.8% from initial concentrations, respectively More sugar consumption will give more yeast growth Normally the yeast is collected in the bottom of the fermentation tank at the end of the fermentation by cooling and subject to reuse More yeast production increases the number of reusing cycles and it will also lead to the production of wild yeast, which is not good for fermentation Therefore a number of reusing cycles is always limited Figure Nutrient model simulation results 3.5 Temperature profile The temperature profile is taken from referring optimization of batch fermentation process Simulation is run for 250h time period Model is implemented in MATLAB only Temperature profile can be optimized in order to get appropriate flavor concentrations by using this model as shown in the Figure 3.6 Vicinal Diketones Diacetyl and 2, 3-pentamidine are considered as VDKs VDK gives buttery or butterscotch flavor to the very undesirable beer Therefore, VDK concentrations should be kept at low It is much better if it could be eliminated Diacetyl is more flavor-active compound, and its threshold value is considered as VDK threshold value Yeast at the bottom of the fermentation tank to recover and reuse By lowering the temperature is affected to the VDK production and will be increased 105 again Increasing fermentation time is not help to decrease VDK levels The presence of a considerable percentage of VDK above the threshold value could lead to the final product's flavor Figure Growth model simulation results 3.4 Nutrient Model Three amino acids are considered here, and they help to produce fusel alcohols and finally esters For the 250 hours, the remaining leucine, isoleucine, and valine concentrations for simulation, the values are 1.6%, 3.8% and 37% are shown in Figure and compared with industrial data, respectively Amino acids should be supplied externally to the yeast cell for growth since they cannot be produced within the cell Leucine and isoleucine is almost consumed, but valine is present at a considerable amount These amino acids lead to produce fusel alcohols The presence of fusel alcohols in higher concentrations in the final product leads to physiological symptoms after drinking However, fusel alcohols may be subjected to produce esters finally VDKs are produced early in the fermentation and consumed later in the fermentation Under industrial temperature profiles, a considerable VDK amount is present above the threshold value Simulation give 250% above the threshold value as shown in Figure and compared with industrial data It seems that the final phase of the fermentation VDK concentrations is increased rather than decreased This is because of the nature of the temperature profile The final phase of the fermentation temperature is brought down to lower to precipitate yeast at the bottom of the fermentation tank to recover and reuse By lowering the temperature is affected to the VDK production and will be increased again Increasing fermentation time is not help to decrease VDK levels The considerable percentage of VDK above the threshold value could lead to off flavor of the final product 386 Raju Yerolla et al / IFAC PapersOnLine 55-1 (2022) 381–386 REFERENCES Akinlabi, C O et al (2007) ‘Modelling, design and optimisation of a hybrid PSA-membrane gas separation process’, Computer Aided Chemical Engineering, 24, pp 363–370 doi: 10.1016/S1570-7946(07)80084-8 Angelopoulos, P M., Gerogiorgis, D I and Paspaliaris, I (2013) ‘Model-Based Sensitivity Analysis and Experimental Investigation of Perlite Grain Expansion in a Vertical Electrical Furnace’, Industrial and Engineering Chemistry Research, 52(50), 10.1021/IE401144R pp 17953–17975 doi: Arnold, J P (2005) ‘Origin and History of Beer and Brewing from prehistoric times to the beginning of brewing science ans technology: a critical essay, Beerbooks.com Aroh, K (2019) ‘Review: Beer Production’, SSRN Electronic Figure Temperature profile of batch fermentation process Journal doi: 10.2139/ssrn.3458983 Breweries, M McCallum Breweries, McCallum Breweries (Ceylon) Ltd, Sri Lanka Available at: https://www.beverageworld.com/en/company/mccallum-breweries-ceylon-ltdcolombo-2194139 (Accessed: 15 September 2021) Gee, D A and Ramirez, W F (1994) ‘A flavour model for beer fermentation, Journal of the Institute of Brewing, 100(5), pp 321–329 doi: 10.1002/j.2050-0416.1994.tb00830.x Guido, L F et al (2004) ‘The impact of the physiological condition of the pitching yeast on beer flavour stability: An industrial approach’, Food Chemistry, 87(2), pp 187–193 doi: 10.1016/j.foodchem.2003.10.033 Harrison, M A and Albanese, J B (2019) ‘Beer/Brewing’, in Encyclopedia of Microbiology Elsevier, pp 467–477 doi: 10.1016/B978-0-12-809633-8.13014-6 Johnson, K A and Goody, R S (2011) ‘The original Michaelis constant: Translation of the 1913 MichaelisMenten Paper’, Biochemistry, 50(39), pp 8264–8269 doi: 10.1021/bi201284u Figure Vicinal diketones and Acetaldehyde CONCLUSIONS This research looked at the changes in esters, yeast, and alcohols during the process In addition, a model was created, implemented, and simulated in MATLAB, and the results were analyzed and compared with the industrial data A taste model was created The flavor model for beer fermentation used in this study is based on the idea of (Gee and Ramirez, 1994) Taste molecules have been synthesized using amino acids The taste model is predicated on enzymatic production at the appropriate amino acid concentration Esters are assumed to be proportionate to rates of amino acid, growth, or sugar consumption The three sugars deteriorate with time, and the alcohol content surpasses 5% vol Ethyl caproate gives the beer an apple flavor, and isoamyl acetate gives it a banana flavor As a result, the completed product should have a mix of these two flavors Increased fermentation period increases amino acid consumption and the production of fusel alcohols De Keukeleirc, D (2000) ‘Fundamentals of beer and hop chemistry’, Quimica Nova, 23(1), pp 108–112 doi: 10.1590/s0100-40422000000100019 Liu, P., I Gerogiorgis, D and N Pistikopoulos, E (2007) ‘Modelling, investment planning and optimisation for the design of a polygeneration energy system’, Computer Aided Chemical Engineering, 24, pp 1095– 1102 doi: 10.1016/S1570-7946(07)80207-0 Luisa, Alba-Lois, & C S.-K (2010) ‘Yeast Fermentation and the Making of Beer and Yeast Fermentation and the Making of Beer and Wine’, Nature Education, 3(9), pp.17 Ramirez, W F and Maciejowski, J (2007a) ‘Optimal beer fermentation’, Journal of the Institute of Brewing, 113(3), pp 325–333 doi: 10.1002/j.2050-0416.2007.tb00292.x Rodman, A D and Gerogiorgis, D I (2016) ‘Multiobjective process optimisation of beer fermentation via dynamic simulation’, Food and Bioproducts Processing, 100, pp 255–274 doi: 10.1016/j.fbp.2016.04.002 ... để hồn thiện đề tài tiểu luận về: ? ?BIA? ?? Lời cam đoan Chúng em xin cam đoan đề tài: BIA cá nhân/nhóm 11 nghiên cứu thực Chúng em kiểm tra liệu theo quy định hành Kết làm đề tài: BIA trung thực... đẩy mạnh xuất Để tạo bia đạt chất lượng thu hút quan tâm nhiều người trình lên men bia nhân tố quan trọng Chất lượng bia xem kết từ trình hoạt động nấm men Vì thế, để có bia chất lượng đáp ứng... trung thực không chép từ tập nhóm khác Các tài liệu sử dụng tiểu luận có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng (Ký ghi rõ họ tên) NHÓM 11 Tổng quan bia 1.1 Giới thiệu Bia đồ uống lâu đời người tạo Đây loại