模拟啤酒发酵过程 优化酿造工艺

2024年 6月 6日

几个世纪以来,酿酒师们一直致力于通过测试原料和优化发酵过程来酿造口味纯正的啤酒。发酵过程受初始糖含量、酵母类型和工艺温度等因素的影响,自发现以来,对其进行预测始终充满挑战。鉴于这种可变性,对发酵进行深入分析可以显著提升啤酒酿造工艺。借助 COMSOL Multiphysics® 软件,工程师可以深入查看发酵过程,确定精准调控的方式,以生产出风味最佳且酒精含量最适宜的啤酒。

到底在酿造什么?

人类对发酵饮料的喜爱可以追溯到几千年以前,啤酒类饮料最早出现在中国和古代美索不达米亚等地区。随着时间的推移,啤酒在不同的文明中不断发展:在古埃及被用作一种支付方式 ,在中世纪的欧洲修道院中找到了归宿,以及在英国的美洲殖民地为革命言论推波助澜。人们与啤酒的密切关系是一个悠久的传统,啤酒酿造至今仍是人们关注的焦点。

两个人碰杯的特写镜头。
啤酒酿造历史悠久,沁人心脾。干杯!照片由 Markus Spiske 提供,图片来自 Unsplash

在发酵过程中,糖分被转化为酒精,释放出 CO2 ,并形成风味化合物。这一过程是否顺利决定了最终酿造出的啤酒是美味可口还是无法饮用。由于涉及的因素众多,多物理场仿真可以将精准预测酿造过程,从而减轻酿造师酿造出可口啤酒的压力。

探索发酵过程

啤酒由以下4种基本成分构成:

  • 淀粉来源(麦芽)
  • 发酵催化剂(酵母)
  • 香料(啤酒花)

在发酵过程开始之前,先将大麦粒浸泡、烘干形成麦芽,然后将麦芽煮沸并混合均匀,以将释放出的淀粉转化为一种含糖液体,即麦芽汁。接着,在煮沸的麦芽汁中加入啤酒花,并使用热交换器冷却混合物。冷却必不可缺,它为酿造过程的下一阶段————发酵做准备。发酵通常是在厌氧条件下在封闭罐中进行。当麦芽汁冷却到 20°C 以下时,就开始加入酵母,麦芽汁开始发酵。发酵一般需要数周的时间,但时间的长短取决于所使用的酵母类型和发酵温度。

啤酒厂外的两个蓝色的大型啤酒酿造罐。
美国佛蒙特州一家啤酒厂外的大型啤酒酿造设备。

当糖分被转化为酒精和 CO2 ,并产生各种风味物质后,“啤酒”就诞生了 。在发酵过程中,酵母类型、温度和初始糖含量都起着重要作用。 COMSOL Multiphysics® 可用于预测发酵结果。

使用 COMSOL Multiphysics® 模拟发酵过程

您可以在COMSOL 案例库中下载案例模型,亲自动手模拟发酵过程。在示例模型中,我们使用 反应工程 接口模拟了发酵过程,并假设系统完全混合(即 反应 速率不受质量或热量传递的限制)。在建立模型时,我们使用了一种在温度接近 12°C(酿造啤酒的理想温度)条件下生长的酵母,并考虑糖的含量包含麦芽糖、葡萄糖和麦芽三糖。使用该模型,我们可以评估影响最终酒精含量、啤酒口感和发酵时间的几个参数。

除了考虑不同类型的糖之外,我们还使用完全混合模型分析了发酵过程中产生的两种风味化合物的浓度:乙酸乙酯(EtAc)和乙醛(AcA)。乙酸乙酯是一种酯类物质,能让啤酒风味纯正,而乙醛是一种醛类物质,会影响口感。建立模型时,我们将初始温度和罐中冷却介质的温度都设定为 12°C。

完全混合模型结果的一维图,显示了不同类型的糖浓度随时间的变化。
完全混合模型结果的一维图,显示了酒精含量。
“完全混合模型结果的一维图,显示了乙酸乙酯和乙醛风味化合物的浓度。
完全混合模型结果的一维图,显示了温度。

仿真绘图显示了完全混合模型的结果,包括糖类浓度(上左)、酒精含量(上右)、乙酸乙酯和乙醛风味化合物浓度(下左)及(下右)随时间变化的温度。

从模拟结果可以看出,随着时间的推移,所有类型的糖分含量都在减少,而酒精含量却在增加。如第一幅图所示,所有的葡萄糖在 90 h 后都被消耗完。还可以看到,葡萄糖的快速消耗与最初的温度升高相对应。在温度接近峰值 250 h(大约 1.5 周)时,酒精含量已超过 5.5%,口感不好的乙醛浓度也开始下降。为了使乙醛浓度足够低,获得可接受的口感,必须让啤酒多发酵几个小时(同时增加酒精体积含量)。如果在实践中要改进这种啤酒的配方,可以在开始时向麦汁中添加更多的酵母,来加速乙醛含量的降低。

历久弥新的发酵

文中的模型示例结果可以帮助解释为什么酿造行业需要几个星期的发酵时间。即使发酵时间为 250 h,模拟结果也显示还需要发酵更多时间,但这却为未来生产出美味的啤酒奠定了基础。如果我们有足够的时间来不断调整模型中的发酵过程变量,就能酿造出随时随地都能享用的啤酒 —无论是罗马小酒馆,还是现代微型酿酒厂。

想亲自动手尝试模拟完全混合模型吗?点击下方按钮进入COMSOL案例库,下载案例教程,探索如何设置模型的详细分步说明:

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