CONTROL DE TEMPERATURA

Instrumentacin y Automatizacin Industrial Aplicada al proceso de Fermentacin en una Planta de Elaboracin de Cerveza

DOCENTE: Ing. Bernardo GonzalesMATERIA: Automatizacin e Instrumentacin Industrial

Fecha: Junio 2012Cochabamba - Bolivia

Contenido1.Planteamiento del problema22.Introduccin y Antecedentes23.Determinacin de Objetivos33.2. Objetivo General33.3 Objetivos Especficos34.Marco terico34.1 Sistema de control34.2 Aplicacin54.2.1 Generalidades acerca de la cerveza54.2.2 Procedimiento Industrial de la elaboracin de Cerveza64.3 Fermentacin94.3.1 Proceso Bioqumico de la Fermentacin114.4Escalas de Densidad125.Metodologa135.1 Tanque de Fermentacin.-145.2 Diseo del Sistema de control175.2.1 Diagrama general175.2.2Sistemas de control especficos195.3 Otros Instrumentos Utilizados275.3.1 Instrumentos para medida de Nivel en el tanque275.3.2 Instrumentos de medicin de presin en el tanque275.3.3 Instrumentos para medida del Ph en el tanque286.Conclusiones297.Recomendaciones308.Anexos y Bibliografa31

Instrumentacin y Automatizacin Industrial Aplicada al proceso de Fermentacin en una Planta de Elaboracin de Cerveza1. Planteamiento del problemaLa industria cervecera opera mundialmente en mercados altamente competitivos. Sea cual sea el mercado, la capacidad de producir cerveza de calidad estable es fundamental. De la molienda y maceracin, coccin y fermentacin, filtrado y acondicionamiento, hasta el llenado de barriles o botellas, la medicin precisa del volumen, el peso, la temperatura y otras variables es fundamental para todo el proceso. Las empresas cerveceras necesitan disponer de una visin global as como de la total integracin del control de la produccin en su sistema general de gestin.Uno de los procesos ms importantes en la elaboracin de cerveza como bebida alimenticia con cierto contenido alcohlico, es la fermentacin. Debido a su complejidad; para el control del mismo, es necesario controlar varias variables, por lo que en la actualidad, los sistema de control utilizados en este proceso presentan algunas dificultades. Por todo esto podemos decir, que implementar correctamente un sistema innovador que automatice, controle y nos garantiza los resultados del proceso significara un avance en esta industria. 2. Introduccin y Antecedentes

La cerveza es una bebida refrescante, constituye unalimentoy medicina natural porque posee un alto contenido de vitaminas, sales minerales y protenas, fibras y carbohidratos, es de bajo contenido alcohlico, cuyo consumo es bastante popular en varias partes del mundo.Su historia data ya hace miles de aos; y con el tiempo las tcnicas y la tecnologa para la elaboracin de la misma han ido evolucionando y se han desarrollando equipos y controladores especializados para el tratamiento de la misma.A pesar de la variedad de procedimientos que han existido en el transcurso del tiempo, toda elaboracin de cerveza responde a principios comunes, con independencia de las materias primas bsicas empleadas. Entre los procesos ms importantes se encuentran la conversin del almidn obtenido de un cereal (normalmente cebada) y la fermentacin de dichos azucares para obtener la cerveza. Las fases del proceso pueden variar, pero generalmente incluyen al aadido de un ingrediente fermentador que active la transformacin de los azucares del almidn en alcohol y dixido de carbono; por lo que podemos decir que el proceso de mayor valor agregado dentro del proceso general es la Fermentacin; ya que es en este paso donde el producto va a adquirir el grado alcohlico caracterstico.Al margen de las caractersticas particulares de cada cervecera, invariablemente el proceso de elaboracin del producto es extremadamente delicado debido a que estamos tratando con un alimento. Por tal razn, debe estar sometido a puntos de control, con el fin de garantizar la pureza y la calidad del producto. Uno de los componentes ms importantes de este exigente proceso industrial es que, por definicin, la cerveza es un producto natural, conformado a partir de elementos de la naturaleza que deben mantenerse, en la medida de lo posible, en sus condiciones originales.3. Determinacin de Objetivos3.2. Objetivo General Disear un sistema de control y elegir los instrumentos adecuados para la automatizacin del proceso de fermentacin en una planta cervecera, seleccionando las variables clave para poder llevarlo a cabo correctamente. 3.3 Objetivos Especficos Disear sistemas de control individuales , con todos los elementos necesarios, para las variables ms importantes Definir Set Points y acciones tomadas en cada lazo de control para las variables correspondientes Conocer lo que es un Grado plato Grado Brix y elegir el instrumento adecuado para su medida Elegir los instrumentos adecuados para medir variables propias del sistema: temperatura, caudal, pH y nivel.4. Marco tericoComenzaremos por definir en trminos generales que es un sistema de control: 4.1 Sistema de control Un sistema de control es un tipo de sistema que se caracteriza por la presencia de una serie de elementos que permiten influir en el funcionamiento del sistema. La finalidad de un sistema de control es conseguir, mediante la manipulacin de las variables de control, un dominio sobre las variables de salida, de modo que estas alcancen unos valores prefijados (consigna). Un sistema de control ideal debe ser capaz de conseguir su objetivo cumpliendo los siguientes requisitos: 1. Garantizar la estabilidad y, particularmente, ser robusto frente a perturbaciones y errores en los modelos. 2. Ser tan eficiente como sea posible, segn un criterio preestablecido. Normalmente este criterio consiste en que la accin de control sobre las variables de entrada sea realizable, evitando comportamientos bruscos e irreales. 3. Ser fcilmente implementable y cmodo de operar en tiempo real con ayuda de un ordenador. Los elementos bsicos que forman parte de un sistema de control y permiten su manipulacin son los siguientes: - Sensores. Permiten conocer los valores de las variables medidas del sistema. - Controlador. Utilizando los valores determinados por los sensores y la consigna impuesta, calcula la accin que debe aplicarse para modificar las variables de control en base a cierta estrategia. - Actuador. Es el mecanismo que ejecuta la accin calculada por el controlador y que modifica las variables de control.

Figura 1. Esquema general de un sistema de control Debido a que en los sistemas de control se emplean diferentes instrumentos; estos deben identificarse en base a un cdigo normalizado establecido; es por eso que nos basamos en la norma ISA-S5.1-84; con la cual podemos identificar cada instrumento con un sistema de letras que lo clasifique funcionalmente.

4.2 Aplicacin Conociendo entonces los principios bsicos de lo que es un sistema de control instrumentado, procederemos a describir el proceso al cual se implementara un sistema de control con los instrumentos adecuados para poder automatizarlo.4.2.1 Generalidades acerca de la cerveza Que es la cerveza? Se denomina cerveza a una bebida alcohlica, no destilada, de sabor amargo que se fabrica con granos de cebada u otros cereales cuyo almidn, una vez modificado, es fermentado en agua y frecuentemente aromatizado con lpulo. De ella se conocen mltiples variantes debidos a las diferentes formas de elaboracin y a los ingredientes utilizados. Generalmente presenta un color ambarino con tonos que van del amarillo oro al negro pasando los marrones rojizos. Se la considera "gaseosa" (contiene CO2 disuelto en saturacin que se manifiesta en forma de burbujas a la presin ambiente) y suele estar coronada de una espuma ms o menos persistente. Su graduacin alcohlica puede alcanzar hasta cerca de los 30% vol., aunque principalmente se encuentra entre los 3% vol. y 9% vol.Principales ingredientes Los cereales: La elaboracin de la cerveza se puede hacer con cualquiercereal. ste ha de ser preparado para que susazcaressean fermentables. En la elaboracin de la cerveza se utilizan numerosos cereales en su estado crudo o malteado, siendo lacebadael nico que debe maltearse necesariamente y el ms utilizado en la cervecera occidental. Aditivos aromticos: Lpulo y otros aditivos como frutas (frambuesa, cereza, etc.) y otras plantas (crcamo, romero, etc.) El agua: Aproximadamente el 70% de la cerveza esagua. La levadura: La mayora de los estilos de cerveza se hacen usando una de las dos especies unicelulares de microorganismos del tipoSaccharomycescomnmente llamadoslevaduras, hongos que (como indica su nombre) consumen azcar y producenalcoholyanhdrido carbnico. Estas se explicaran con ms detalle ms adelante

Figura 2: Grano de Cebada y sus Componentes4.2.2 Procedimiento Industrial de la elaboracin de Cerveza Podemos resumir el procedimiento general en los siguientes procesos: 1. Malteado2. Macerado3. Coccin4. Fermentacin5. Maduracin / Filtrado

Figura 3: Proceso de elaboracin de la cerveza a) Malteado del cerealEl primer proceso que inevitablemente est vinculado a la elaboracin de la cerveza es el malteado. Despus de localizado el cereal por su calidad, se le debe dar una preparacin tendente a que est en condiciones de que se lleve a cabo el proceso central de transformacin, en que se activarn las enzimas y se prepara la germinacin. Despus de cierto tiempo, un grano germina espontneamente, pero antes de que eche raz necesita alimentarse de almidn, para lo cual emite enzimas que transforman el almidn en azcares simples. Los granos deben ser homogneos, pues de lo contrario la cerveza carecera de estabilidad, requisito de calidad. El especialista maltero da seguimiento minucioso al crecimiento de las raicillas y al comportamiento del grano. De cuando en cuando, los granos son removidos para obtener una germinacin homognea en la casi totalidad de ellos. Pasados algunos das, se interrumpe el proceso de germinacin. Inmediatamente despus, los granos son secados con aire caliente, con lo cual se elimina el germen. Hecho esto, se procede a separar el germen del resto del grano, lo que lo deja transformado en malta y listo para las ulteriores operaciones.No obstante la dependencia de una determinada materia prima para el producto deseado, el malteado se lleva a cabo de manera independiente del resto del proceso. Esto se debe en gran medida a que el cereal requiere ser sometido con prontitud al malteado, por lo cual constituye una operacin previa, con sus peculiaridades y exigencias. La gran mayora de empresas cerveceras, por consiguiente, prefieren prescindir de la fase del malteado, que queda en manos de plantas especializadas, y adquirir la malta en el mercado, materia prima con la cual propiamente comienza la labor de la cervecera.

b) Obtencin del mosto o cocimiento

Obtenida la malta, se inicia el proceso de transformacin mediante su molienda, que puede ser seca o hmeda, aunque en el presente predomina la segunda. En el triturado se obtiene la rasgadura de la cscara y la subsiguiente exposicin de la parte interior del grano para la accin de conversin interior. Se procura que la operacin genere el menor residuo de harina, puesto que esta no se adeca a las necesidades del proceso subsiguiente. Este grano molido se somete a temperatura controlada, obtenindose una masa por efecto del movimiento de aspas en tiempos predeterminados. Resulta un engrudo, basado en el almidn, de texturas precisas con el fin de que las enzimas acten y se transforme el almidn en azcares. En este proceso resulta crucial la calidad del agua utilizada, as como el control de las temperaturas y de los tiempos de las distintas operaciones. Esta fase dura varias horas, dependiendo del mtodo empleado y se conoce con el trmino de maceracin. Termina obtenindose un mosto azucarado, con sustancias solubles..c) FermentacinLa fermentacin juega un rol esencial en la calidad de la cerveza, en particular gracias a los productos secundarios como los alcoholes superiores y steres; es tambin la etapa de la fabricacin ms difcil de controlar. Ya enfriado, el mosto pasa a un tanque, donde es inyectado con un tipo puro de levadura.La cantidad de clulas de levadura y su vitalidad requieren un cuidado extremo. En ese momento se inyecta una porcin de aire para iniciar la fermentacin, el cual debe ser microbiolgicamente estril.d) Maduracin:Con el nombre de maduracin se distingue la etapa siguiente a la fermentacin y comprende todo el tiempo que dure la cerveza en los tanques a baja temperatura antes de ser filtrada. Comnmente se divide en dos etapas que son reposo y acabado, entre el reposo y el acabado puede haber una pre filtracin, pre enfriamiento y pre carbonatacin.Despus de los procesos descritos, la cerveza pasa al envasado para su futura distribucin.

Figura 4 . Proceso General de la Fabricacin de Cerveza4.3 Fermentacin El proceso de fermentacin se desarrolla en recipientes adecuados y refrigerados genricamentedenominados fermentadores pero que no son ms que unos tanques metlicos, deacero negro recubierto o mejor an de acero inoxidable,a los cuales llega el Mosto Fro junto conla cantidad de levaduracalculada para el volumen de mosto a fermentar. Ladosificacin de levaduradebe estar entre 0,3 a 0,5 litros de levadura por cada hectolitro de mosto Latemperatura debecontrolarse permanentemente durantela fermentacin para mantenerla entre los 6C iniciales yun mximo de 12C. En pocas pretritas la fermentacintena una duracin de unos 8 das pero por razones de productividad y rentabilidad los procesos han venido acelerndose y hoy por lo general la fermentacin del mosto oscilaentre 3 y 5 das.

Fermentaciones a menores temperaturas, en todo caso, producirn cervezas de mejor sabor y calidad.

Existen dos clases de fermentaciones: 1) La Fermentacin Bajacaracterizada por el hecho de que la levadura al terminar la fermentacin se sedimenta yndose al fondo del tanque. Esta clase de fermentacin produce cervezas tipo Pilsen, Mnich y Dortmund que son las de mayor aceptacin en Amrica y Espaa.2)LaFermentacin Alta,as llamada porque la levadura sube a la superficie del tanque al terminar la fermentacin, produce otro tipo de cervezasde inspiracin inglesa como las tipo Ale, Porter y Stout. Aqu nosreferiremos siemprea las condiciones y requisitos necesarios para la produccin de cervezasde Fermentacin Baja.Las levaduras utilizadas deben proceder del cultivo de una cepa pura para garantizar la calidad y uniformidad del producto final de su metabolismo que lo es el alcohol etlico. Adems, por norma de seguridad, la levadura debe desecharse despus de 5 o 6 generaciones oreutilizacionespero tendremos que hacerlotambin en el momento en que se detecte algn tipo de contaminacin microbiolgica o degeneracin morfolgica. Normalmente se usan tanques de fermentacin verticales, cilndrico-cnicos; estos presenta zonas de enfriamiento independientes y se encuentra ubicado en pies ajustables.En las cerveceras convencionales los tanques de fermentacin se encuentran confinados en unos cuartos fros denominadosCavaspero en los nuevos diseos los tanques tienen autoaislamiento y se ubican a la intemperie con grandes ahorros de espacio, mantenimientolocativo ydinero en toneladas de refrigeracin. Estos deben estar dotados de medios de refrigeracin, serpentines o camisas, para el adecuado control de la temperaturaeliminando el calor extra generado por el proceso ytener termmetros incorporados para leer la temperatura por lo menos cada ocho horas e ir haciendo las correcciones incrementando el flujo de refrigerante que por lo general es agua a 1C.

El avance de la fermentacin se controla diariamente tomando muestras y determinndole su densidad o concentracin la cual debe ir disminuyendo progresivamente. En todo caso, el avance de la fermentacin no debe ser tan rpido y se recomienda que la disminucin diaria mxima de la concentracin del mosto debe ser de 1,5%.

Se dar por terminada la fermentacin cuandoesta disminucinsea de 0,15% a 0,20% en 24 horas. O utilizando la otra medida; cuando se llegue a un rango de 2.45 y 2.7 Grados Plato. En este caso deja de generarse calor y la temperatura del contenido del tanque baja a menos de 5C. Durante la fermentacin se produce tambin gas carbnico el cual se recolecta y se purifica paracarbonatar la cerveza al final del procesoa fin de comunicarle un tpico sabor a la cerveza y tambin para contribuir a laformacin deespuma cuando se destape.Para recolectar el gas carbnico que se desprende de la fermentacin, comnmente el tanque est conectado por la parte superior con dos tuberas; una que va a la intemperie y la otra que va a la planta de purificacin de gas carbnico. En la planta de gas carbnico, ste es purificado y licuado con el fin de inyectarlo posteriormente a la cerveza

Cuando se alcanza el extracto lmite o sea hasta donde se le va a dejar fermentar se abre el fro para conseguir enfriar la cerveza y para que la levadura se alimente. Se consigue enfriar la cerveza hasta 5C. y se suspende el envi de gas carbnico a la planta, luego se bombea la cerveza a los tanques de maduracin y se recupera la levadura. A la cantidad de levadura obtenida en cada fermentacin se le denomina cosecha de levadura , lo normal es obtener 4 veces la cantidad de levadura agregada.4.3.1 Proceso Bioqumico de la Fermentacin Un mosto obtenido por maceracin de malta, contiene diferentes azcares fermentables y no fermentables. Son fermentables bsicamente la Glucosa, Maltosa y MaltotriosaLa primera explicacin bioqumica del proceso por el cual el azcar en solucin acuosa es descompuesto en alcohol y gas carbnico, en virtud de la accin de clulas vivas de levadura, la dio el qumico francs Louis Pasteur.De acuerdo con la interpretacin de Pasteur, la fermentacin se conoce como la desasimilacin anaerbica de compuestos orgnicos por la accin de microorganismos u otras clulas o de extractos celulares; adems, es un conjunto de reacciones bioqumicas a travs de las cuales una sustancia orgnica se transforma en otras por accin de ciertos microorganismos (bacilos, bacterias, clulas de levadura), que en general van acompaadas de un desprendimiento gaseoso y de un efecto calorfico.El proceso de fermentacin no slo incluye la desasimilacin anaerbica como la formacin de alcohol, butanol-acetona, cido lctico, etc., sino tambin la produccin industrial de vinagre, cido ctrico, enzimas, penicilina etc. Todos estos productos son el resultado de procesos microbianos y se llaman productos de fermentacin. La levadura Saccharomyces cerevisiae permite una conversin aproximada del 85% al cabo de 32 horas y del 90% al cabo de 75 horas en la produccin de etanol. Este microorganismo tiene un porcentaje en peso de carbono del 45%, de oxgeno del 30.6%, de hidrgeno del 6.8%, y de nitrgeno del 9%. A partir de las reacciones:C6H12O6 2C2H5OH + CO2 + ENERGA C11H22O11 4C2H5OH + 4CO2Vemos como el azcar contenido en la cebada se transforma en alcoholes y dixido de carbono Para una correcta reaccin se deben tomar en cuenta los siguientes parmetros: Temperatura:La seleccin de esta variable es influenciada tanto por factores fisiolgicos como por problemas fsicos (prdidas debidas a la evaporacin de etanol al trabajar con temperatura elevada).Se debe tener en cuenta que para cada levadura existe una temperatura ptima de desarrollo, en la cual se muestra activa. En el caso de la saccharomyces cerevisae se tiene un desarrollo ptimo entre 10-12 C, recomendable 10 C.

pH:Este es un factor importante en la fermentacin, debido a su importancia en el control de la contaminacin bacterial como tambin al efecto en el crecimiento de las levaduras, en la velocidad de fermentacin y en la formacin de alcohol. Cuanto ms bajo el pH del medio, tanto menor el peligro de infeccin, pero si se trabaja con pH muy bajos la fermentacin es muy lenta, ya que la levadura no se desarrolla de la forma conveniente. Segn estudios se hall que el pH ms favorable para el crecimiento de la saccharomyces cerevisiae se encuentra entre 4.4 - 5.0, con un pHde 4.5 para su crecimiento ptimo.4.4Escalas de Densidad Existen varias escalas en las cuales la densidad de algunas sustancias se expresa en grados y que constituyen relaciones matemticas arbitrarias. Una de estas escalas es la escala Brix. Grados Brix : Es una escala arbitraria y expresa el porcentaje en peso de azcar en una solucin. Un grado brix corresponde a 1% en peso de azcar.(Bx) Grados Brix = 400/G - 400 Donde G es la densidad relativa o gravedad especfica Grado Plato: es la unidad que mide la densidad del mosto o de la cerveza; a mas densidad, mas azucares fermentables y por tanto, mas alcohol en la cerveza final. A modo de ejemplo, si decimos que una cerveza tiene 11 grados plato; significa que si se toman 100 gramos del mosto con el que se ha fabricado la cerveza y evaporamos el agua que contiene, nos quedan 11 gramos de slidos, la mayora, azucares fermentables. Los grados Plato (P) junto con la escala Brix son un refinamiento de la escala Balling (desarrollada por el qumico alemn Karl Balling) aunque esta ltima ya es obsoleta. Las diferencias entre las tres son insignificantes por lo que se puede confiar en una relacin de equivalencia.Los grados Plato (P) se pueden medir con un sacarmetro con un refractmetro.5. Metodologa Ahora que ya se conoce los requerimientos y las variables propias de la fermentacin como tal; se comenzara con el diseo de un sistema de control apropiado .Las soluciones tcnicas empleadas en el diseo propuesto para automatizar el proceso de fermentacin deben garantizar los siguientes requerimientos: Todos los instrumentos utilizados deben estar fabricados con materiales adecuados segn las normas sanitarias correspondientes. Elegir los equipos adecuados para controlar la cantidad de mosto que entra al tanque y la cantidad de levadura aadida. Establecer con fiabilidad el control continuo de la temperatura en la fermentacin para activar la refrigeracin si es que fuera necesario. Controlar la densidad del compuesto para controlar continuamente el proceso, su correcto desarrollo y determinar la finalizacin del mismo Favorecer el control del nivel de contenido de producto en el tanque asi como su pH. Brindar la posibilidad de comunicacin serie del equipo con una microcomputadora, con la finalidad de supervisar el proceso.

5.1 Tanque de Fermentacin.-De acuerdo al proceso descrito anteriormente podemos decir que para tener un sistema de control necesitamos instrumentos antes, despus y en el proceso mismo.Antes de describirlo es importante saber exactamente donde se va a llevar a cabo el proceso de fermentacin del mosto; por lo que a continuacin describiremos el tanque de fermentacin estndar para una fabrica cervecera con sus respectivas especificaciones

Figura 5. Tanque de FermentacinDenominacinTanque de fermentacin

TipoVertical, cilindro-cnico, refrigerado, de presin

MaterialAISI 304. Inoxidable

Acabado2B laminado en fro, recocido, desoxidado

Aislamientoespuma de poliuretano

Fondo superiorArqueado

Fondo inferiorCnico de 60

PiesAjustables

Zonas de enfriamiento por glicolIndependientes, en la parte cilndrica y cnica; conexin G 3/4

Brazo sanitario y CO2DN 25 con vlvula DN 40

Salida y entrada de levadurasDN 40 con vlvula DN 40 salida en la parte inferior

Salida y entrada de cervezaDN 40 con vlvula DN 40 a un lado del cono

DuchaDesmontable

Agujero de entradaForma oval

Vlvula de seguridad de subpresinDN 50 colocada en el fondo superior

Vlvula de seguridad de sobrepresinDN 25 colocada en el fondo superior, ajustada a 1,5 bar /3,0 bar

Anillos de suspensin2 unidades

Grifo de degustacinDN 15

VlvulasDN 40, 3 unidades

Detector de temperaturaDe aguja PT 100, 2 unidades

Dispositivo de taponado con manmetroDN 25

Certificacin y pruebas RTGTV o Inspeccin Tcnica de la Repblica Eslovaca

MATERIALES:Los tanques de fermentacin son construidos enteramente en Acero Inoxidable de manera que las partes en contacto con producto sean de calidad AISI 306 (VEASE ANEXO 1) y las restantes de calidad AISI 304. Guarniciones, juntas y piezas no metlicas son construidas de caucho siliconado, PTFE y materiales nobles.

CARACTERSTICAS GEOMTRICAS BSICAS:El cuerpo es cilndrico vertical, loscasquetes superior e inferior son toriesfricos normales. El factor de forma (relacin largo cuerpo cilndrico / dimetro) generalmente es de 1.4 a 1.6. y patas fijas de altura regulable para nivelacin del tanque.

CONDICIONES DE TRABAJO:Presin mxima de trabajo del recipiente: 2 kg/cm2.Presin mnima de trabajo del recipiente: vaco absoluto. Presin mxima de trabajo de la chaqueta: 3 Kg/cm2 (con prueba hidrulica a 4.5 Kg/cm2). Totalmente esterilizable tanto con inyeccin de vapor al interior del tanque como por la chaqueta.

INTERCAMBIO TRMICO:Intercambio trmico lateral de chapa calidad AISI 304 estampada. Serpentina inferior tipo media caa aptas para trabajar con agua / vapor. Conexiones roscadas BSP. Aislamiento trmico de lana mineral, con recubrimiento en chapa calidad AISI 304.

CONEXIONES:Conexiones superiores tipo clamp dimetro 38.1 mm y 50.8 mm. Conexiones laterales e inferior tipo clamp dimetro 38.1 mm y 50.8 mm. Todas conexiones para transferencia de producto homologadas con GMP.

TERMINACIN SUPERFICIAL:Pulido interior sanitario. Pulido exterior 2B con costuras esmeriladas o acabado espejo brillante.

ACCESORIOS INCLUIDOS:Tapa de inspeccin plana rebatible con guarnicin tipoO'ring y cierres volcables. Visores de cristal templado. Uno de ellos con luminaria de seguridad de bajo voltaje. Accesorio de Sistema Clean In Place (CIP) mediante dos esferas de limpieza estticas y Varilla interna graduada para estimacin de volumen.

ACCESORIOS OPCIONALES:Carcasas para filtros de venteo de acero inoxidable tipo AISI 316 con conexin clamp de 38.1 mm y encastre para cartuchos filtrantes. Vlvulas a diafragma AISI 316. Toma muestra sanitario con conexin clamp 38.1 mm apto para trabajar con productos de riesgo. Vlvula de seguridad regulada 10% por debajo de la presin de trabajo del tanque.

5.2 Diseo del Sistema de control5.2.1 Diagrama general

Figura 6. Esquema del Proceso

En el diagrama presentado a continuacin se muestra las variables a medir en cada uno de los puntos a lo largo del proceso:

Figura 7. Diagrama Global del proceso con las variables medidas

Teniendo entonces elementos para controlar variables Antes, Despus y en el Proceso como tal. Variables medidas Antes del proceso.- Flujo de levadura Flujo de Mosto Variables medidas en el proceso.- Presin del Tanque Densidad del preparado Nivel del preparado Ph del preparado Temperatura del sistema Variables medidas despus del proceso .- Flujo de CO2 emanado Flujo de Preparado Fermentado

5.2.2Sistemas de control especficos Si bien existen varias variables que deben ser controladas durante el proceso de fermentacin, se escogern las ms importantes para realizar sistemas propios para el control de cada una de ellas.

5.2.2.1 Flujo Como hemos podido comprobar en el marco terico; antes del inicio del proceso, a la torre de fermentacin ingresan dos sustancias: Mosto enfriado LevaduraEl mosto enfriado viene desde el proceso anterior, y la levadura se encuentra ya preparada en su tanque de almacenamiento; debido a que tenemos que cumplir con el requisito dosificacin de levadura de: ENTRE 0,3 a 0,5 litros de levadura por cada hectolitro de mosto Se necesita medir Flujo para tener las proporciones exactas en nuestro tanque; podramos plantear entonces un sistema como el que sigue:

Figura 8. Esquema Sistema de Control de Alimentacin de mosto y levadura

Donde:FE: Elemento medidor de Flujo FT: Transmisor de flujo FC: Controlador de Flujo FV: Vlvula de flujo / Elemento final de control Es un sistema doble ya que tenemos dos alimentaciones En ambos casos se tiene un elemento medidor / transmisor de flujo ; la seal emitida por ambos va a una unidad controladora de flujo donde se encuentra definido el SET POINT SET POINT Supongamos que la seal emitida por el transmisor de mosto es la SEAL A y la de levadura es la SEAL B se define el siguiente set point: Vlvula B debe estar cerrada para iniciar el proceso Volumen medido en el flujo A < 100 litros Vlvula de B permanece cerrada Volumen medido en el flujo A = 100 litros Vlvula A se cierra y Vlvula de B se abre Volumen medido en el flujo 0.3< B < 0.5 litros Vlvula de B permanece abierta Volumen medido en el flujo B = 0.5 litros Vlvula B se cierra

De esta manera aseguramos de que entren las correctas proporciones de levadura y mosto al tanque para iniciar el proceso.Elementos finales de control : Como en todos los sistemas de control, son instrumentos, en este caso las vlvulas de flujo, que tomaran la accin, segn la condicin definida en el SP .

INSTRUMENTOS USADOS:Medidor de Flujo: MEDIDOR DE CORIOLISConsta de un tubo en forma de,el cual se hace vibrar perpendicularmente al sentido del desplazamiento del flujo. Esta vibracin controlada crea una fuerza de aceleracin en la tubera de entrada del fluido y una fuerza de deceleracin en lade salida, con lo que se genera un par que provoca la torsin del tubo, que es proporcional a la masa instantnea del fluido circulante. El segundo tipo est formado por dos tubos paralelos; estos se hacen vibrar de forma controladaa su frecuencia de resonancia. Con los sensores adecuados (generalmente pticos) se detecta la fase de la vibracin y con ella el caudal masa, ya que es proporcional. Cuando el caudal masa es cero, la diferencia de fase tambin es nula. La gran ventaja de los caudalmetros basados en la aceleracin de coriolis es que son inmunes a prcticamente todo: presin (tanto nominalcomo posibles pulsaciones), temperatura (excepto variaciones bruscas), densidad, viscosidad, perfil del flujo, y flujos multifase (con slidos en suspensin).El flujo msico se relaciona con el flujo volumtrico y el volumen: por lo que es posible tener el set point con unidades volumtricas.Normalmente estos instrumentos tienen unidades de transmisin inteligente, que les permiten su fcil calibracin, el cambio rpido del campo de medida y la lectura de la variable en varios puntos.Vlvulas:Pueden usarse vlvulas tipo Cuerpo Partido: que son vlvulas de simple asiento especiales para la industria alimenticia: o por el otro lado utilizar vlvulas automticas, las cuales obviamente son ms costosas.Podemos ver muestras de vlvulas automatices ofrecidas en el mercado por uno de los muchos fabricantes ANEXO 2 En el caso de la FV *, necesitamos una vlvula de 3 vas: ya que en ese punto se unirn las dos alimentaciones para llegar al tanque de fermentacin

Figura 9. Vlvula 3 vas

5.2.2.2Densidad Una de las variables ms importantes que debemos controlar en el proceso de fermentacin es la densidad, ya que de acuerdo a ella sabremos si el preparado a terminado ya el proceso de fermentacin, es decir si las azucares contenidas se han transformado en alcoholes casi en su totalidad; como hemos explicado anteriormente, la unidad de densidad usada son los Grados Brix, o ms especficamente la unidad usada exclusivamente por la industria cervecera: los Grados Plato. El avance de la fermentacin se controla diariamente tomando muestras y determinndole su densidad o concentracin la cual debe ir disminuyendo progresivamente. En todo caso, el avance de la fermentacin no debe ser tan rpido y se recomienda que la disminucin diaria mxima de la concentracin del mosto debe ser de 1,5%.

Se dar por terminada la fermentacin cuandoesta disminucinsea de 0,15% a 0,20% en 24 horas; o hablando en otras unidades, la densidad del preparado llegue a un rango entre 2.43 y 2.7 grados plato

Teniendo estos puntos como requisitos planteamos el siguiente sistema de control de densidad:

Figura 10.Esquema Sistema de control de densidad en la torre de Fermentacin Donde:DE: Elemento medidor de DensidadDT: Transmisor de Densidad DC: Controlador de DensidadDV: Vlvula de densidad / Elemento final de control FV: Vlvula de flujo Es un sistema simple, donde la densidad medida es transmitida a una unidad controladora de densidad donde se encuentra definido el SET POINT SET POINT Si no existe seal alguna Vlvula cerrada, para iniciar el proceso Si la seal D > 2.7P Vlvula cerrada Si la seal 2.43 < D< 2.7 P Vlvula cerrada Si la seal D = 2.43 Vlvula se abre para que el fluido pase al siguiente proceso Elemento final de control: en este caso tambin se trata de una vlvula de flujo, ya que esta se abrir para dar paso al fluido a que pase al siguiente proceso INSTRUMENTOS USADOS:Medidor/Transmisor de Densidad: REFRACTMETRO: Los refractmetros son instrumentos de medicin, en los que ste fenmeno de la refraccin de la luz se pone en prctica. Ellos se basan en el principio por el cual, cuando aumenta la densidad de una sustancia (por ejemplo: cuando se disuelve el azcar en el agua), el ndice de refraccin aumenta proporcionalmente.

Figura 11 .Principio Funcionamiento Refractmetro Este elemento es utilizado para la medicin de grados brix o plato. Existen dos tipos de refractmetros en funcin de la deteccin del ndice de refraccin; sistemas transparentes y sistemas de reflexin. Los refractmetros porttiles y el refractmetro Abbe; usan los sistemas transparentes, mientras que los refractmetros digitales usan los sistemas de reflexin.

Figura 12. Sistema de ReflexinEstos instrumentos tienen un microprocesador que compensa las variaciones de temperatura, linealiza la seal y entrega como seal de salida las unidades de concentracin del fluido.Adems del refractmetro se pueden usar otros elementos de medida de densidad; en el mercado existen varios especializados para la industria cervecera ANEXO 3Vlvulas: como se ha indicado anteriormente podemos usar vlvulas de cuerpo partido, o vlvulas automticas, entre otras.

5.2.2.3 Temperatura

Tal como se describi en el marco terico; la temperatura durante todo el proceso se debe mantener entre los 6C iniciales yun mximo de 12C; debido a temperaturas mayores la levadura ya no se encuentra dentro de sus condiciones optimas para reproducirse y el resultado de toda la fermentacin puede ser un fracaso; por este motivo el sistema tiene que contar con un circuito refrigerante con agua y sal a 1C; el cual se activara cuando la temperatura en el tanque llegue a su lmite mximo. Teniendo en cuenta los puntos anteriores se tiene el siguiente diseo:

Figurlsz65taa 13.Esquema Sistema de control de Temperatura en la torre de Fermentacin

Donde:TE/TI: Elemento medidor indicador de temperatura TT: Transmisor de temperatura TC: Controlador de temperatura TV: Vlvula de temperatura / Elemento final de control FV: Vlvula de flujo La seal emitida por el medidor de temperatura va la unidad controladora donde se encuentra definido el SET POINT SET POINT La vlvula debe estar cerrada en el momento de iniciar el proceso Si la seal 6 C < T< 12C Vlvula cerrada Si la seal T= 12C Vlvula se abre para que el fluido de agua con sal recircule por el tanque Elemento final de control: en este caso tambin se trata de una vlvula de flujo, ya que esta se abrir para dar paso al agua con sal a 1C que se usara como refrigerante del tanque de fermentacin fluido a que pase al siguiente proceso INSTRUMENTOS USADOS: TERMOPAR:Un par trmico (o pila termoelctrica) consta de dos cables de metales diferentes unidos, que producen un voltaje que vara con la temperatura de la conexin. Se emplean diferentes pares de metales para las distintas gamas de temperatura, siendo muy amplio el margen de conjunto: desde -248 C hasta 1477 C, como es muy pequeo, puede responder rpidamente a los cambios de temperatura. Generalmente se usan los tipos J o K por su amplitud de escala de medida. Se eligi el Termopar por sus bajos costos y su elevada precisin; sin embargo existen otros dispositivos que actualmente se usan en las industrias a nivel mundial como los transmisores por conduccin y los de resistencia con punta de platino, que son mucho ms precisas pero ms caras. ANEXO 4Vlvulas: En este caso, ya que el fluido es simplemente agua con sal; se pueden usar vlvulas comunes de material corriente; podramos elegir vlvulas bola o de esfera ANEXO 5 ANEXO 5B

5.3 Otros Instrumentos UtilizadosA continuacin se detallan otros instrumentos de medicin que se podran utilizar en el sistema de control global; para las variables que no han sido descritas en los lazos especficos; entre esos tenemos:

5.3.1 Instrumentos para medida de Nivel en el tanque La medicin del Nivel es importante; ya que depende de esta la supervisin de contenido de preparado en el tanque de fermentacin.Lo ms econmico y fiable en muchos casos es instalar un LG, medidor visible graduado de vidrio para controlar directamente; sin embargo en la actualidad muchas industrias usan medidores de nivel capacitivos u otras tecnologas las cuales son ofrecidas por varios fabricantes ANEXO 65.3.2 Instrumentos de medicin de presin en el tanque En procesos de produccin de productos alimenticios como el presente la presin es un parmetro de gran importancia. Varios reacciones por ejemplo se producen nicamente bajo presiones definidas.Para contenedores estriles se realizan las conexiones al proceso de los instrumentos mecnicos o electrnicos con separadores. Los separadores con membrana aflorante separan el instrumento o el separador del medio y garantizan una instrumentacin sin punto muerto. La separacin se efecta con una membrana elstica.El espacio interior entre membrana y instrumento es rellenado enteramente con un lquido adecuado para contacto con productos alimenticios. Al someter la membrana a presin por parte del medio se transmite la presin al lquido y as al instrumento. Para proteger sensores electrnicos a las altas temperaturas en el interior del depsito se conectan los transmisores mediante una torre de refrigeracin a los separadores. Acoplamiento al separador

Figura 13.Manmetro conexin clampLos instrumentos de medida de presin se conectan con conexiones higinicos de los separadores a los depsitos. Las membranas aflorantes estn soldados con laser a los cuerpos para garantizar una baja rugosidad de la costura de soldadura y al mismo tiempo una fcil limpieza de los componentes en contacto con el medio. As se puede prescindir de juntas suplementarias como en caso de las celdas de medicin cermicas y adems se disminuye el riesgo higinico.Entre los elementos podemos encontrar:

MANOMETRO DIFERENCIAL: Estos manmetros tienen un tubo metlico elstico, aplanado y curvado de forma especial conocido como tubo de Bourdon tal y como se muestra en la figura 2 en rojo. Este tubo tiende a enderezarse cuando en su interior acta una presin, por lo que el extremo libre del tubo de Bourdon se desplaza y este desplazamiento mueve un juego de palancas y engranajes que lo transforman en el movimiento amplificado de una aguja que indica directamente la presin en la escala.Existen tambin en el mercado otro tipo de trasmisores de presin no solo absoluta si no hidrosttica o de vacio ANEXO 75.3.3 Instrumentos para medida del Ph en el tanque

La medida del Ph, es vital en el sistema; ya que depende del valor de esta el correcto desarrollo de la levadura; su medida dentro del proceso debe estar entre 5 - 6 PHMETRO:La determinacin de pH consiste en medir el potencial que se desarrolla a travs de una fina membrana de vidrio que separa dos soluciones con diferente concentracin de protones. En consecuencia se conoce muy bien la sensibilidad y la selectividad de las membranas de vidrio delante el pH. Una celda para la medida de pH consiste en un par de electrodos, uno de calomel ( mercurio, cloruro de mercurio) y otro de vidrio, sumergidos en la disolucin de la que queremos medir el pH.La varita de soporte del electrodo es de vidrio comn y no es conductor, mientras que el bulbo sensible, que es el extremo sensible del electrodo, esta formado por un vidrio polarizable (vidrio sensible de pH).Se llena el bulbo con la solucin de cido clorhdrico 0.1N saturado con cloruro de plata. El voltaje en el interior del bulbo es constante, porque se mantiene su pH constante (pH 7) de manera que la diferencia de potencial solo depende del pH del medio externo.El alambre que se sumerge al interior (normalmente Ag/AgCl) permite conducir este potencial hasta un amplificador6. ConclusionesLa fermentacin es el proceso ms complejo y ms importante dentro del ciclo de produccin de la cerveza, ya que de este depende el gtrado de alcohol que va a poseer el producto y por ende su calidad ; debido a su complejidad es necesario tener muchos factores en cuenta a la hora del diseo del sistema de control, las variables que se deben medir y la eleccin adecuada de los equipos. Debido a que no se pueden poner en prctica los diseos; no podemos llegar a tener resultados concretos en el presente trabajo sobre su correcto funcionamiento; sin embargo podemos concluir que para controlar adecuadamente el proceso de fermentacin en una planta cervecera, principalmente se necesitan 3 sistemas para el control global del proceso: Midiendo y controlando la alimentacin del proceso, su temperatura y refrigeracin respectiva, y la densidad del preparado medida en Grados plato o brix, como medida de la cantidad de azcar restante en el mosto. Se defini Set Points para los 3 sistemas de acuerdo a los requerimientos del proceso y estos actan sobre elementos finales de control, que son ms especficamente vlvulas controladoras de flujo para realizar las acciones correspondientes en cada caso .De acuerdo al diseo propuesto, se eligi instrumentos que son adecuados para el sistema de control respectivo; termocuplas, refractmetros, vlvulas de cuerpo partido, phmetro de vidrio, medidor de Coriolis, entre otros; sin embargo existen una gama amplia de otros instrumentos con otras ventajas, desventajas, costo y precisin; la eleccin de los mismos depender del caso sin embargo incidir en la hora de evaluar la eficiencia del sistema de control y la precisin de medida. 7. Recomendaciones Ya que estamos tratando con plantas alimenticias; es importante que todos los procesos estn regidos bajo normas sanitarias, as como los equipos y los materiales usados en cada uno de estos. Se recomienda al Acero 316L como la mejor opcin de material por el tipo de caractersticas que posee; el cual cumple con las normas sanitarias correspondientes, sin embargo existen otras opciones a tomar en cuenta.Si bien se ha elegido ciertos instrumentos para la medida de flujo, temperatura, densidad ente otros; como se ha planteado anteriormente siempre es necesario evaluar cada industria individualmente de acuerdo a los volmenes de produccin que se tengan o el gasto que estn en condiciones de hacer para la instalacin de equipos en la planta; as mismo el diseo del sistema de control puede variar de acuerdo al instrumentista y la empresa; sin embargo el proceso ser el mismo y se tendrn que tomar las mismas variables en cuenta.El control y la calidad del producto obtenido y el correcto funcionamiento de las maquinas dentro de la planta puede depender de otros factores externos al lazo de control establecido; por lo que hay que tener cuidado con ellos, entre estos: un rea de trabajo de maquinas bien definida por motivos de seguridad y espacio, la buena inspeccin de materia prima o el correcto funcionamiento del proceso anterior al evaluado.Adicionalmente a la eleccin de los instrumentos adecuados se recomienda tomar en cuenta los siguientes puntos: Garantas y servicios ventajosos para la calibracin y el mantenimiento. Equipos con soluciones tcnicas actuales

Estas caractersticas permiten satisfacer todas las exigencias de las fabricas actuales, tambin a ello contribuye la adopcin de un sistema de aseguramiento de la calidad en todas las etapas de ejecucin del proyecto, en correspondencia con las normas internacionales ISO 9001.

8. Anexos y Bibliografa Tanque de Fermentacin. Processing System Solutions. [En lnea] [Citado el: 16 de Junio de 2011] http://www.pss-svidnik.sk/espanol/products/fermentation_tank.php

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Instrumentacin y Control Industrial. TECSUP. [En lnea] [Citado el: 19 de Junio de 2011] http://www.tecsup.edu.pe/especializacion/instrumentacion/index.php

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Medicin de Presin en Depsitos Estriles. Admin. [En lnea] [Citado el: 18 de Junio de 2011] http://www.bloginstrumentacion.com/instrumentacion-de-presion/medicion-de-presion-en-depositos-e

BROCK, Thomas. MADIGAN, Michael.Microbiologa. Sexta edicin, Editorial Prentice Hall, Mxico, 1993.

CAN, Germn; ALDANA, Orlando.Estudio de la fermentacin alcohlica por cochada empleando reactores de lecho fijo. Proyecto de grado para optar por el ttulo de Ingeniero Qumico, Universidad Nacional de Colombia, Bogot ,1988

PALACIO LLANES, Hernn.Fabricacin de alcohol. Primera Edicin, Salvat Editores, Barcelona, Espaa, 1956.

ANEXOSTodos los anexos se encuentran en la Version Digital del Documento

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