Dalla produzione di birra in casa a quella commerciale, i recipienti di fermentazione sono sempre stati un elemento essenziale. Sono cambiati quasi sempre nel corso del tempo. Le attrezzature per la fermentazione della birra si dividono in serbatoi di fermentazione e vasche di espansione del lievito, che hanno funzioni di preparazione delle materie prime, cottura, sterilizzazione, raffreddamento e così via. I prodotti per il trattamento dei fermentatori devono essere in grado di fornire le condizioni necessarie per le attività vitali e il metabolismo microbico e devono essere facili da gestire e controllare.
Fermentatore
I fermentatori sono il sistema di fermentazione più comunemente utilizzato nella produzione di birra. Come suggerisce il nome, un recipiente chiuso è un cilindro verticale con il fondo conico e di solito con la parte superiore a forma di piattino. Per altri processi semplici, un fermentatore è un recipiente aperto, a volte semplice come un'unica apertura. Può anche essere chiamato fermentatore aperto.
Un fermentatore qualificato deve avere le seguenti caratteristiche:
- Dovrebbe avere una struttura rigida
- Buone caratteristiche di miscelazione dei liquidi
- Eccellente velocità di trasferimento del calore in fase di trasferimento di massa
- Dotati di componenti di sicurezza e strumenti di controllo di supporto e affidabili.
Volume del serbatoio di fermentazione
In genere si ritiene che un fermentatore di capacità inferiore a 500L sia un fermentatore da laboratorio; un fermentatore di capacità compresa tra 500 e 5000L è un fermentatore per test pilota; un fermentatore di capacità superiore a 5000L è un fermentatore su scala produttiva.
Fermentatore cilindrico conico
Il fermentatore circolare semplificato a fondo conico verticale (denominato serbatoio conico) è stato utilizzato nella produzione di birra con fermentazione superiore o inferiore. Il serbatoio conico può essere utilizzato da solo per la pre-fermentazione o la post-fermentazione, oppure per la pre-fermentazione e la post-fermentazione combinate nel serbatoio (metodo one-pot).
Il vantaggio dell'apparecchiatura è che può abbreviare il tempo di fermentazione e ha una flessibilità di produzione che la rende adatta alla produzione di vari tipi di birra.
Caratteristiche
Tali dispositivi sono generalmente collocati all'aperto. Il mosto fresco sterilizzato e il lievito entrano nel serbatoio dal basso; quando la fermentazione raggiunge il suo apice, vengono utilizzate tutte le camicie di raffreddamento per mantenere la corretta temperatura di fermentazione.
Il refrigerante è costituito da glicole etilenico o da una soluzione alcolica, ma può essere utilizzata anche l'ammoniaca (evaporata); il gas CO2 viene scaricato dalla parte superiore del serbatoio. Il corpo e il coperchio del serbatoio sono dotati di chiusini e la parte superiore del serbatoio è provvista di un manometro, di una valvola di sicurezza e di una spia di vetro.
Sul fondo del serbatoio è installato un tubo per il gas CO2 purificato. Il serbatoio è dotato di un tubo di campionamento e di un attacco per il termometro. L'esterno dell'apparecchiatura è avvolto da un buon strato isolante per ridurre la perdita di capacità di raffreddamento.
Vantaggio:
Il basso consumo energetico e il diametro ridotto dei tubi consentono di ridurre i costi di produzione.
Per il lievito depositato sul fondo del cono, la valvola sul fondo del cono può essere aperta per scaricare il lievito dal serbatoio e conservarne un po' per l'uso successivo.
Incidenza del costo delle attrezzature di fermentazione
Le dimensioni, la forma, la pressione di esercizio e il carico di lavoro richiesto per il raffreddamento dell'attrezzatura di fermentazione. La forma del contenitore si riferisce alla superficie richiesta per unità di volume, espressa in ㎡/100L, che è il principale fattore che incide sul costo.
Requisiti di pressione del serbatoio
Consideriamo il recupero dell'anidride carbonica. È necessario mantenere la CO2 nel serbatoio a una certa pressione, quindi il serbatoio grande diventa un serbatoio a pressione e occorre installare una valvola di sicurezza.
La pressione di esercizio del serbatoio varia a seconda del processo di fermentazione. Se viene utilizzato sia per la pre-fermentazione che per lo stoccaggio del vino, deve essere determinata in base al contenuto di CO2 durante lo stoccaggio e la resistenza alla pressione richiesta è maggiore rispetto a quella di un serbatoio utilizzato solo per la pre-fermentazione. Quando la pressione raggiunge la pressione di progetto del serbatoio di stoccaggio, la valvola di sicurezza deve iniziare ad aprirsi. La pressione massima di esercizio della valvola di sicurezza è la pressione di progetto più 10%.
Vuoto del serbatoio
Il vuoto nel serbatoio è provocato dal trasferimento o dalla pulizia interna della serie di serbatoi di fermentazione in condizioni di chiusura. La velocità di alimentazione del grande fermentatore è molto elevata e si genera una certa pressione negativa. Nel serbatoio rimane una parte di gas CO2, che può essere rimossa durante la pulizia, per cui si può anche creare un vuoto. I fermentatori sottovuoto di grandi dimensioni devono essere dotati di dispositivi per evitare il vuoto. La funzione della valvola di sicurezza per il vuoto è quella di permettere all'aria di entrare nel serbatoio e di stabilire un equilibrio di pressione all'interno e all'esterno del serbatoio.
In base al contenuto di alcali che entra nella soluzione detergente, è possibile calcolare la quantità di CO2 da rimuovere nel serbatoio e la quantità di aria che deve entrare nel serbatoio.
Convezione e scambio di calore nel serbatoio
La convezione del brodo di fermentazione nel fermentatore dipende dall'effetto della CO2. L'intero liquido di fermentazione nel serbatoio conico forma un gradiente di contenuto di anidride carbonica. Il liquido fermentato con un peso specifico minore è in grado di galleggiare verso l'alto.
Inoltre, le bolle di anidride carbonica in aumento durante la fermentazione esercitano una forza di trascinamento sul liquido circostante. Grazie all'agitazione del gas generata dalla forza di trascinamento e dalla forza di sollevamento, il contenuto del serbatoio viene fatto circolare e viene favorito lo scambio di calore in fase mista del liquido di fermentazione. Anche le variazioni di temperatura della birra durante le operazioni di raffreddamento possono causare una circolazione convettiva del contenuto del serbatoio.