Modeling and supervision of the beer fermentation process

Abstract

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.