建模啤酒酿造的发酵可产生更好的产品

每杯啤酒后面都是一系列步骤，可提供其独特的口味。发酵是将糖转化为酒精的过程，是这些重要步骤之一。在Comsol多物理学的帮助下，我们可以研究发酵过程，确定优化其效率并提供更好的啤酒的方法。

泡啤酒的幕后花絮

住在波士顿，当我有一些停机时间是我最喜欢做的事情之一是参观该市的许多当地啤酒厂。虽然啤酒本身可以让您品尝到城市（双关语），但在这些啤酒厂提供的游览可以更深入地了解啤酒的风味如何精巧。这给了我对酿造啤酒背后的艺术和科学的全新赞赏。随着这种赞赏，人们有兴趣更多地了解整个啤酒酿造过程。

在波士顿啤酒厂享用一些当地啤酒样品。

在较早的博客文章，我的同事Fabrice Schlegel讨论了酿造啤酒背后的不同步骤，以及模拟在改善过程中的作用。今天，我们将重点介绍一个特定的步骤 - 发酵 - 如何使用COMSOL多物理来对此阶段进行建模。

探索发酵过程

首先，让我们考虑构成啤酒的四种基本成分：

• 水
• 淀粉消息来源（麦芽大麦）
• 发酵剂（酵母）
• 调味（啤酒花）

首先，将大麦谷物浸泡并干燥以形成麦芽麦芽汁。用啤酒花和其他调味剂煮沸后，通过热交换器冷却麦芽汁。为了为酿造过程的下一个阶段准备麦芽汁是必要的，即 - 您猜对了 - 发酵。

发酵是一个涉及将糖转化为酒精的过程。这种反应通常发生在厌氧条件下的封闭储罐中，其时间范围会根据所用的酵母类型以及发酵温度而变化。一旦将麦芽汁冷却至小于20°C的温度，将酵母添加到混合物中，麦芽汁开始发酵。随着转换的发生，我们将留下一种产品，现在可以称为“啤酒”。

发酵罐。Færdermikrobryggeri的图像 - 自己的作品。获得许可CC由2.0， 通过Flickr Creative Commons。

当涉及发酵的方式时，酵母类型，温度和初始糖含量都起着重要作用。Comsol多物理可以用于预测这种结果。

用comsol多物理学在啤酒酿造中进行建模发酵

今天提供的分析涉及两个不同的模型设置。初始设置使用反应工程假设一种完美的混合类型，以建模发酵的界面。相比之下，另一个设置分析了球形储罐几何形状的发酵，这是质量转移，传热和自然对流的解释。这两种模型均以所选酵母类型为中心，该类型在接近12°C的温度下生长，这是酿造啤酒的理想选择。

除了考虑分析中的不同糖（麦芽糖，主要是葡萄糖；葡萄糖和麦芽糖）之外，还包括两种类型的调味料：乙酸乙酯，etac，etac和乙醛或ACA。ETAC（酯）在啤酒中引起了理想的味道，而ACA（醛）使啤酒的味道差。

发酵过程的机制取决于酵母浓度，该酵母浓度被建模为游离物种以及反应速率。产量系数被用作计算产品浓度并纠正酒精生产水平的手段。在此示例中，还计算了气态和溶解的二氧化碳。请注意，此处讨论的动力学在完全依赖空间的模型中都是相同的。

完美混合模型

现在，我们已经解决了潜在的反应动力学，让我们将注意力转向完美混合的模型。为了解决这个示例，我们使用反应工程接口，应用批次，恒定音量反应器类型在非等热条件下。水作为溶剂包括在内，因为假定麦芽汁混合物具有相似的热性能。在发酵过程中使用的冷却培养基的温度小于储罐的初始温度。

下面显示的一系列图说明了我们初始模型的结果。在这里，冷却介质中的温度和储罐的初始温度都设置为12°C。冷却速率为8 W/（m³k）。

代表完美混合模型的仿真结果的图。

随着时间的流逝，所有各种糖都会减少，而酒精含量大于5％。这对我们的啤酒的味道意味着什么？因为它将包含大量醛，所以啤酒的味道可能很差。为了使其具有更好的风味，一种选择是延长发酵时间的时间。醛含量最终将超过最大值并开始减少。如果您想以更快的速度减少醛含量，则另一种方法是增加初始酵母浓度。

此外，我们可以从结果中可以看出，最初观察到的温度升高与快速葡萄糖消耗相对应。正如最终图所示的那样，所有葡萄糖在60小时后都已消耗。

空间依赖模型

换档，现在让我们看一下我们与空间相关的模型。对于该模型，我们选择使用一个球形储罐，这是发生发酵的常见反应堆。该储罐设计的一些优点是，它使酵母能够轻松地与油箱顶部或底部的液体分离，并提供更好的温度控制。虽然有时只是将坦克放在冷却环境中，但当今的大多数啤酒酿造设备都包括内置冷却夹克。

用于发酵的球形罐的示意图。

为了创建我们的空间依赖模型，我们使用生成空间依赖模型特征。由于旋转对称性，可以通过轴对称几何形状在2D中建模整个系统。冷却元素是作为对流热通量边界条件实现的，该条件是由冷却介质和储罐之间的温度差驱动的。

通过耦合三个接口 -稀释物种的运输接口，层流界面和流体中的传热界面 - 我们将自然对流解释为混合的唯一来源。温度是唯一假定影响混合物密度的特性，并将源项添加到层流接口来模拟此。

让我们看一下模拟结果。在左侧，我们有一个图，代表200小时后水箱内的麦芽糖浓度。在右边，我们有一个图，代表95小时后水箱内的温度。这两项研究的发现都表明储罐中有一个混合的系统。

空间依赖模型的仿真结果。左：在200小时后显示坦克内麦芽糖浓度的图。右：在95小时后显示储罐内温度的图。

以下一组地块对应于从储罐中心区域周围的储罐壁延伸的循环。这种再循环是自然对流的结果，它提供了一种在发酵过程中混合麦芽汁的有效方法。查看左侧的情节，请注意显示有几个波纹。这是未解决的网格的迹象。然而，更好的分辨网状对物种浓度和温度没有很大影响。此外，它大大增加了计算时间。

图显示速度流线。

比较结果

在比较两种模型之间的冷却效率时，球形反应器在顶部出现，使温度接近12°C。在完美混合模型中实现相同的过程条件将需要将冷却速率的容量提高至少一个数量级。

为了获得与完美混合模型相同特性的产品，需要将球形储罐内的发酵延伸到200小时以上。最后的奖励是一种更高质量的啤酒。

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