Eficiência

Quando comecei a me interessar por fazer cerveja em casa e comecei a estudar o processo cervejeiro um termo em especial me chamou a atenção: Eficiência. Sendo engenheiro mecânico o termo eficiência para mim remete a eficiência energética de um processo ou sistema e não entendia direito como esse mesmo conceito se aplicava ao processo cervejeiro.

Na física ou na mecânica a eficiência é uma grandeza mensurável e é a diferença entre a energia fornecida a um sistema e a energia produzia pelo sistema ou o trabalho efetuado.

Portanto a eficiência nunca é superior a 100%.

A analogia ao processo cervejeiro pode ser feita da seguinte forma. A eficiência na física é a comparação do trabalho realizado com o máximo de trabalho possível caso não houvessem perdas no sistema. No processo cervejeiro a eficiência é a comparação entre a quantidade e qualidade de cerveja feita comparada com o máximo teórico possível. Assim como na física, no processo cervejeiro a eficiência também é mensurável e ela é calculada levando em consideração a densidade inicial (antes da fermentação) do mosto cervejeiro e o volume obtido no final do processo comparado o máximo teórico.

Para determinar a eficiência do processo como um todo é necessário primeiro determinar o potencial máximo teórico, tanto em volume como na densidade inicial. Para este calculo deve-se calcular a massa de açúcares máxima teórica que pode ser extraída dos grãos e que será adicionada ao mosto por meio de adjuntos. Este cálculo é feito da seguinte forma:

Massa de açucares extraído (kg) = massa de malte 1 (kg) * potencial de extrato do malte 1 (%) / 100 + massa de malte 2 (kg) * potencial de extrato do malte 2 (%) / 100 + …

O potencial de extrato do malte é um dado levantado em laboratório e disponibilizado pelo maltearia aos clientes.

Com a massa de açúcares máximos e o volume desejado no final de processo deve-se calcular a densidade inicial máxima possível.

OG max teórico (kg/ml) = ( Massa de açucares extraído (kg) + Açucares adicionados (kg) ) / Volume de mosto desejado (ml)

Ao final do processo cervejeiro a eficiência vai ser calculada comparando

Eficiência do processo = (Volume de mosto obtido (ml) * OG (kg/ml)) / (Volume de mosto desejado (ml) * OG max teórico (kg/ml))

No entanto ao calcular esta eficiência fica difícil identificar onde o processo precisa ser melhorada para que a eficiência aumente. Para isso a eficiência do processo deve ser divida em partes. Uma das possíveis divisões é a recomendada por Kai Troester (braukaiser.com) no seminário “A Closer Look At Efficiency Or How to make efficiency predictable” e nos artigos “Understanding Efficiency” e “Troubleshooting Brewhouse Efficiency”.

Ele recomenda dividir a eficiência do processo todo em:
– eficiência de extração
– eficiência de lavagem
– eficiência na panela de fervura
– eficiência no fermentador

E eficiência na panela é justamente a eficiência que medimos e usamos ao criar uma receita e a eficiência que colocamos nos software de receita pois ela está diretamente ligada a quantidade de malte que iremos usar.

Eficiência de conversão

A eficiência de conversão é a parte do processo que mede a percentagem do amido presente nos grãos que foi convertido em açúcar. Para calcular a eficiência de conversão é preciso medir a densidade do primeiro mosto extraído no início do processo de lavagem, logo após a recirculação. Essa eficiência pode chegar até 100% dependendo do processo de brassagem adotado.

Condições de brassagem que podem afetar a eficiência de conversão:
– temperatura: temperaturas mais altas tendem a acelerar a conversão enzimática, fazendo com que brassagems a 70oC aconteçam em menos tempo do que a 60oC.
– pH: as enzimas trabalham melhor em condições de pH entre 5.2 e 5.6. Este pH deve ser sempre medido já com os grãos adicionados a água de mostura quente, uma vez que a adição de grãos e a temperatura modificam o pH da água. Um cuidado especial deve ser dado no uso de maltes torrados e/ou acidificados, que tendem a abaixar excessivamente o pH da mostura afetando a eficiência de conversão.
– tempo: assim como a temperatura é precisa que seja dado tempo suficiente para que as enzimas convertam todo o amido disponível em açúcar.
– moagem dos grãos: se a moagem dos grãos for insuficiente muito pouco do núcleo dos grãos ficará exposto para a dissolução do amido e ação das enzimas. Para otimizar a conversão uma moagem mais fina é recomendada, no entanto moagens finas demais podem comprometer a lavagem dos grãos.
– processo de brassagem: processos de brassagem muito intensos (como decocção dupla ou tripla) tendem a sobrecarregar e denaturar as enzimas dos maltes. Processo menos intensos, com a adição de grãos na água em temperatura abaixo da de sacarificação tendem a preservar o poder diástico do malte ajudando a eficiência de conversão.
– mash out: o mash out até 75oC ajuda a sobrecarregar as enzimase acelerar a conversão do amido que ainda não tenha sido convertido durante o tempo normal de brassagem, no entanto os açucares serão todos não fermentáveis
– poder diástico dos maltes: poder diástico é basicamente a capacidade de conversão enzimática de cada malte, ou a quantidade de enzimas presentes no malte. Quanto mais alto o poder enzimático/diástico do malte maior será sua eficiência de conversão
– proporção de água: para que a conversão enzimática aconteça água é necessária, não só para a gelatinização do malte e hidratação das enzimas mas também para o processo de conversão em si. Quando ocorre a quebra da molécula de glucose, uma molécula de água é necessária. Além disso a alta concentração de açúcar na água reduz a atividade das enzimas amilase. Historicamente na Inglaterra eram comumente usados 2.5 litros de água por quilograma de grãos enquanto na Alemanha eram usados cerca de 3.5 a 4 litros de água por quilograma de grãos. Experimentos mostram que a proporção de 5 l/kg maximizam a eficiência de conversão pois esta acontece de forma mais rápida.
– presença de bolas de grão seco: se houver a presença de bolas de grão seco no meio do malte misturado a água as enzimas não chegarão a toda a massa de grãos usado reduzindo a ação enzimática e a eficiência de conversão. Portanto é importante ao adicionar o malte a água guarantir que o malte esteja muito bem misturado e que não hajam bolas secas e grão.

Eficiência de lavagem

A lavagem dos grãos e extração dos açúcares é outro processo importante que afeta a eficiência de brassagem. Neste caso, diferente da eficiência de conversão onde se analisa se todo o amido foi convertido em açúcar, a eficiência analisa se todo o açúcar disponível foi extraído e levado para a panela de fervura. Na lavagem dois grãos 3 tipos de processos podem ser adotados, a lavagem por lotes (batch sparging), lavagem contínua (fly sparging) e a lavagem única (no sparging).

Para calcular a eficiência de lavagem usasse as grandezas abaixo:
– massa de grãos usados e o extrato potencial dos grãos
– volume total de água usado para brassagem e lavagem
– volume total de mosto coletado na panela de fervura
– a densidade do mosto extraído (importante mexer o mosto antes de medir para homogenizar e evitar estratificação)

Fatores que afetam a eficiência de lavagem fazendo o batch sparging.
(http://braukaiser.com/wiki/index.php?title=Batch_Sparging_Analysis)

– massa de grãos/ densidade inicial: os dois estão interrelacionados, quanto maior a densidade inicial desejada mais massa de grãos é usada e portanto mais mosto é absorvido pelos grãos. Geralmente em cervejas com densidade inicial muito alta a eficiência de lavagem é reduzida.
– número de batches/lotes: por mais lógico que sejam necessários mais lotes de lavagem para extrair mais açúcar dos grãos é preciso observar que, para manter o volume na panela de fervura constante, o volume dos lotes precisa ser reduzido. Com volumes menores por lote a eficiência de lavagem por lote é reduzida. Portanto existe um número de lotes ótimo para maximizar a eficiência de lavagem. Alguns estudos apontam que de 2 a 3 lotes de lavagem se obtem o máximo de eficiência dependendo do equipamento.
– volume pré fervura: quanto maior o volume antes da fervura mais açucar é lavado, no entanto um tempo maior de fervura será necessário para evaporar um volume maior de água e atingir a densidade inicial desejada. No entanto fervura excessivamente longas ou excessivamente intensas podem comprometer a qualidade da cerveja.

Fatores que afetam a eficiência de lavagem fazendo o fly sparging.

Os fatores que afetamfly sparging não são tão inter relacionados com os que afetam o batch sparging e são mais difíceis de modelar. No fly sparging o principal fator é que os grãos precisam ser lavados de forma uniforme. Para guarantir isso é preciso evitar ao máximo o channeling (formação de veios ou canais na cama de grãos). Os canais podem se formar se a recirculação, lavagem e extração é feita muito rápido e deve-se evitar a compactação excessiva dos grãos. Para evitar a compactação excessiva dos grãos estes não devem estar moídos excessivamente, mas isso vai contra a necessidade de aumentar a eficiência de conversão, portanto é preciso encontrar um ponto ótimo que equilibre as duas eficiências.
Outro aspecto importate no fly sparging (e que não afeta o batch sparging) é o desenho do sistema de filtragem do mosto (fundo falso, bazzoka, manifold, etc.). É importante que o sistema de filtragem e drenagem permita uma extração homogênea do mosto no fundo da panela. Isso é melhor obtido com uma tela perfurada (fundo falso). No entanto muitos cervejeiros também tem sucesso com tubos perfurados (manifold).
Assim como no batch sparging quanto mais água usada no fly sparging mais açucar é extraído. No entanto a medida que mais mosto é coletado a qualidade do mesmo reduz, comprometendo a qualidade da cerveja.

Fatores que afetam a eficiência de lavagem fazendo no sparging

O no sparging, método usado no BIAB (Brew in a Bag) e equipamentos como o Braumeister da Speidel, é o método com a menor eficiência dos 3 métodos apresentados. No entanto é, segundo alguns cervejeiros, o que resulta em um mosto de maior qualidade (com menos pó, taninos, etc.). Para compensar a baixa eficiência mais massa de grãos deve ser usado para atingir a densidade inicial desejada e mais água deve ser usada na brassagem (cerca de 5 a 6 l/kg) coletando a maior quantidade de mosto possível com uma só lavagem.

A eficiência no fermentador é a eficiência que considera as perdas de mosto por transferência da panela de fervura para o fermentador. Ela é afetada pelo volume de trub formado durante a fervura e pela técnica de sifonamento/transferência do mosto.

Deste modo o mais importante quando analisando a eficiência e deficiências do processo cervejeiro é identificar qual das eficiências está baixa e precisa ser melhorada para atuar nos fatores que afetam somente ou preponderantemente esta etapa do processo sem comprometer as demais.

NOTA: O texto acima foi escrito para ser publicado na 2a edição da Revista da Acerva Paulista mas devido a atrasos na publicação da mesma resolvi publica-lo aqui no blog.

2 Responses to Eficiência

  1. horaciojmr disse:

    Parabéns pelo post Linus!

    • Obrigado. Apanhei (e ainda apanho) tanto para chegar na eficiência que eu faço as receitas que acabei estudando muito a respeito.

      Podemos falar um pouco sobre isso no HopCast!.

      abraço

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