TCCgrad
Modeling and supervision of the beer fermentation process
Fecha
2020-06-17Autor
Borges, Amanda Besen
Institución
Resumen
Water, malt, hops and yeast are the main ingredients to do beer, but that is not all that good
beer is made off. A good beer is made off a detailed recipe with a strongly controlled production
assisted by several quality control systems.
To make beer, a Brewer must pass through some processes, fermentation being one of the most
important of them. This process is responsible for transforming wort into beer, and several
variables can affect it significantly, such as temperature, the age of yeast strains and ethanol
concentration. Hence, it is important to control the process.
This master thesis final work has the objective of designing a monitoring system for a fermentation
process in beer brewing. Firstly, several models available in the specialised literature of batch
beer fermentation process are reviewed. Then, an original model is proposed in order to take the
available on-line measurements into account. Modelling is based on the stoichiometric equation
for the yeast fermentation process and it describes the production of ethanol and carbon dioxide
from the consumption of substrate.
To monitor the system an observability analysis is initially carried out considering the available
measurements. Then, an extended Kalman filter is designed to estimate the ethanol and biomass
concentrations assuming that the substrate concentration and carbon dioxide transfer rate are
available on-line through adequate sensors. A discussion about practical observability and local
observability along the trajectory is carried at the end.
Experimental studies are also developed in the framework of this project, where two acquisition
devices were developed, one for specific gravity and one for the emitted carbon dioxide rate,
respectively. In addition, a modified sensor based on counting the emitted bubbles of carbon
dioxide has been devised in order to measure the outlet carbon dioxide rate. Unfortunately, the
acquired data is not conclusive and more experiments need to be achieved in the future. Água, malte, lúpulo e levedura são os principais ingredientes para se fazer cerveja, mas não é só disso que se faz uma boa cerveja. Uma boa cerveja é feita de uma receita detalhada com uma produção fortemente controlada e assistida por diversos sistemas de controle de qualidade.
Para fazer cerveja, um cervejeiro deve passar por alguns processos, sendo a fermentação um dos mais importantes deles. Esse processo é responsável pela transformação do mosto em cerveja, e diversas variáveis podem afetá-lo significativamente, como temperatura, idade das cepas de levedura e concentração de etanol. Portanto, é importante controlar o processo.
Este trabalho final de dissertação de mestrado tem o objetivo de projetar um sistema de monitoramento para um processo de fermentação na fabricação de cerveja. Primeiramente, são revisados vários modelos disponíveis na literatura especializada de processos de fermentação de cerveja em batelada. Em seguida, é proposto um modelo original para levar em consideração as medições on-line disponíveis. A modelagem é baseada na equação estequiométrica do processo de fermentação da levedura e descreve a produção de etanol e dióxido de carbono a partir do consumo de substrato.
Para monitorar o sistema, inicialmente é realizada uma análise de observabilidade considerando as medidas disponíveis. Em seguida, um filtro Kalman estendido é projetado para estimar as concentrações de etanol e biomassa, assumindo que a concentração de substrato e a taxa de transferência de dióxido de carbono estão disponíveis on-line por meio de sensores adequados. Uma discussão sobre observabilidade prática e observabilidade local ao longo da trajetória é realizada no final.
Também são desenvolvidos estudos experimentais no âmbito deste projeto, onde foram desenvolvidos dois dispositivos de aquisição, um para gravidade específica e outro para a taxa de dióxido de carbono, respectivamente. Além disso, um sensor modificado baseado na contagem das bolhas emitidas de dióxido de carbono foi desenvolvido para medir a taxa de saída do dióxido de carbono. Infelizmente, os dados adquiridos não são conclusivos e mais experimentos precisam ser realizados no futuro.