¿Podemos estimar el aumento de temperatura en el primario debido a la fermentación?

Para poder calcular la temperatura de fermentación, un proceso exotérmico, necesitamos saber cuánto calor (H) se "desarrolla" a medida que las levaduras convierten los azúcares en alcohol. Buscando en la literatura encontré este artículo (1). Aunque su enfoque es la producción de bioetanol, da algunas cifras en términos de julios por mol que podemos usar para hacer el cálculo. Dado que se trata de nuestro amigo Saccharomyces cerevisiae convirtiendo la glucosa en etanol a 20 grados C, las cifras deberían ser razonables (es decir, el proceso bioquímico es el mismo que en la fabricación de cerveza).

Tenga paciencia conmigo en lo siguiente, pero si no está interesado en el cálculo, simplemente mire la gráfica que predice el aumento de temperatura esperado por encima del ambiente en función de la gravedad específica.

OK, asumo una temperatura de fermentación inicial de 20C (68F) en un recipiente de 21 litros (5 galones).

En primer lugar, la cantidad de calor emitido a través de la fermentación, a medida que la levadura convierte una cantidad fija de azúcar en etanol, es una función de la gravedad específica (SG). Curiosamente, la eficiencia de la levadura parece disminuir con el aumento de SG debido a (de (1)):

"Sin embargo, a medida que aumenta la concentración de azúcar, también aumenta la presión osmótica ejercida sobre una célula de levadura. Dado que hay más azúcar presente, se producirá más etanol. El etanol impone un fuerte efecto inhibidor sobre el crecimiento de la levadura y da como resultado un crecimiento lento y fermentación incompleta".

Supongo que ya sabíamos esto.

Los autores en (1) dan valores de H (en kJ/mol) para 1 y 30 grados plato que corresponden a SG de ~1.004 y ~1.13. He interpolado para obtener H como una función de SG, a lo que quizás nosotros, como cerveceros caseros, estemos más acostumbrados.

Luego, calculamos la masa del mosto, que es efectivamente una solución de azúcar (de un SG conocido) con un volumen de 21 litros (5 galones). Aquí asumo una solución de glucosa por ahora (ya que no tengo datos de H para maltosa pura).

Dado que SG nos dice la densidad del líquido, podemos obtener la masa total de mosto a través de:

masa de mosto (kg)=SG*volumen de mosto (litros)

Por ejemplo, para SG=1,040, masa de mosto = 1,040*21 = 21,84 kg (NB: litro de agua ~1 kg a temperaturas típicas)

Luego, necesitamos determinar la capacidad calorífica específica de este mosto, que da la cantidad de energía requerida para elevarlo en 1 grado (C o K).

Uso la ecuación aquí (2) eliminando los términos de temperatura despreciables:

calor específico (J/K) = 1-(0.632*(grados plato / 100))*4.2

Como puede ver, el calor específico es una función de SG. Esto tiene sentido ya que, a medida que agrega más azúcar al líquido, la densidad del líquido cambiará y afectará la capacidad calorífica.

En el ejemplo anterior, para SG=1,040 (que es ~9,96 grados plato):

calor específico = 3,94 J/g/K

Por lo tanto, para elevar nuestro mosto en 1 grado C (o K), se requiere

3,94 * 21,84x10^3 g = 86050 julios de energía (86 kJ).

Ahora, el papel (1) da H en unidades de kJ/mol, por lo que necesitamos obtener la masa molar de la glucosa (C6H12O6) que es 180,16 g/mol (3).

El número de moles de glucosa en nuestro mosto es entonces:

((grados plato/100)*masa de mosto)/masa molar de glucosa = 12,08 moles en nuestro ejemplo.

OK, finalmente con todo eso ahora podemos calcular el aumento de temperatura esperado como una función de SG y H:

Aumento de temperatura debido a la fermentación (grados C) = (número de moles de azúcar * H / (masa de mosto * calor específico del mosto)

Bien, de todos modos en el diagrama muestro cómo se espera que la temperatura de fermentación varíe con la gravedad específica. Predice que a una SG más baja, el cambio de temperatura debido a la fermentación debería ser bajo pero positivo, y aumentar de manera constante de forma aproximadamente lineal con la SG. En el SG más alto (que no se muestra en la gráfica), la temperatura en realidad comienza a descender nuevamente a medida que la fermentación es inhibida por (supongo) altas presiones osmóticas.

Las advertencias en lo anterior son que asumí glucosa en lugar de una mezcla de glucosa y maltosa y también esto será una evolución de calor total, por lo que no tiene en cuenta la tasa de fermentación (pero notamos que la temperatura ambiente si se fija en 20 C).

Aplicaciones:

Por ejemplo, si estamos elaborando una cerveza 1.06 bastante pesada, predecimos que la fermentación conducirá a un aumento en la temperatura del mosto de ~4C/7F por encima de la temperatura ambiente. En este caso, podríamos querer reducir la temperatura ambiente en 4C/7F para alcanzar nuestra temperatura objetivo en el mosto.

¿Algún comentario? ¿Alguien tiene algún dato para poner en este gráfico? ¿Está cerca de la realidad?

(1) Theerarattananoon, Yen-Han Lin y Ding-Yu Peng, 2008, Process Biochemistry, "Evolución del calor metabólico de Saccharomyces cerevisiae cultivada en condiciones de muy alta gravedad", 43, 1253

(2) "Sugar, una guía para usuarios de sacarosa", 1990, Neil L. Pennington, Charles W. Baker, Springer

(3) http://en.wikipedia.org/wiki/Glucosa

El aumento de la temperatura dependerá de varios factores. Uno, el calor debe subir más en grandes volúmenes, ya que gran parte del calor tendrá que ir más lejos para disiparse (una de las razones por las que las cervecerías comerciales tienen formas de eliminar el calor en los tanques de fermentación. Dos, el aislamiento, si se usa, hará que el calor suba más, mientras que la provisión de un conductor como un baño de agua circundante hará que se eleve menos.Tres, las temperaturas exteriores tendrán alguna influencia.

Busqué el resumen del artículo de Theerarattananoon, Lin & Peng. Dado que su azúcar fermentable consistía en glucosa en cantidades que oscilaban entre 10 y 300 g, supongo que su volumen era pequeño.

Esto es algo con lo que tendrá que experimentar en función de su propio equipo y entorno de fermentación.