通过仿真优化啤酒的酿造

Fabrice Schlegel 2014年 9月 26日

家庭酿酒包含两方面,一是酿造技术,一是工程技术。有些人想改善某个啤酒配方、有些想克隆自己最喜欢的啤酒,还有些单纯好奇啤酒到底是怎么酿造的,出于这些原因,很多啤酒爱好者们开始在家自己酿酒。酿了几次酒之后,我发现从工程学的角度来看,酿造啤酒也是一项很有挑战性的活动。

啤酒课堂开课了!

写这篇文章时刚好是周五,在这漫长的一周里,我的工作颇有收获。我想此刻你也许正和我一样,在想一会该用哪种IPA啤酒来配玉米片。幸运的是,随着最近啤酒文化的兴起,现在美国可选的啤酒种类很多。但相比到当地的小酿酒作坊去买酒,我们更希望能再进一步,自己酿酒。

一杯啤酒。

现在,我想给大家上一节关于啤酒酿造的速成课,告诉大家如何通过CFD仿真来改进你的酿造过程,而本节课的目的就是找出快速冷却 5 加仑沸水的方法。别急,让咱们先来补充一下背景知识。

啤酒酿造 101

可以说,自己酿酒相当简单。只要会泡茶,就会酿酒。

下面是我列出的啤酒酿造的七大步骤:

  1. 首先将碾碎的大麦芽放入150-160华氏度的热水中浸泡一小时。个人酿酒者一般会在冷却器中完成这一步,以保持恒温。在浸泡中,大麦芽中的淀粉转化为糖分,易于酵母在发酵阶段吸收。
  2. 一小时后,将我们得到的液体(即麦芽汁)倒入水壶中再熬煮一小时,如果想酿造啤酒花苦味更重些的啤酒,可延长蒸煮时间,但最长不宜超过两小时。在熬煮过程中加入啤酒花。在熬煮的早期加入啤酒花,会增加啤酒的苦味;在熬煮的后半段加入啤酒花,则会增加啤酒花的香味,也就是我们大多数人所钟爱的口味。要想获得啤酒花苦味最重的啤酒,可以在熬煮时多加些啤酒花,或是在发酵开始后的几天再次添加啤酒花。啤酒花还可以起到防腐剂的作用。
  3. 下一步,快速冷却麦芽汁,完成冷却后加入酵母并开始发酵。
  4. 现在,我们只需耐心等几天,让酵母来大显神威吧。
  5. 发酵期过后,在发酵后的液体中加一些糖,装瓶,然后为它取个名字。我们暂且把它叫做 hopsol 1.0。
  6. 之后还有较为乏味的一步,那就是再等几周,等待糖分和酵母代谢产生二氧化碳。
  7. 最后可以开始慢慢享用我们的啤酒,四处去炫耀,如果你喜欢,可以一直这样重复下去。

这就是标准的啤酒酿造流程。如果我们能改进这一流程的话,是否还要继续拘泥于此呢?其实上面的很多步都可以通过仿真优化,让我们先从最关键的第三步开始:冷却麦芽汁。

如何急速冷却 5 加仑麦芽汁?

在第三步中,出于以下几个原因,我们需要尽快冷却熬煮后的麦芽汁。

首先,它的温度必须足够低才能保证酵母的存活。第二,尽快冷却可以减少过程中硫化物和其他杂质的产生,这些复合物都会影响最后成品啤酒的口感。最后,需要经过热冲击来实现一些蛋白质的沉淀。

在这里,我不想去详细解释这些原因,我更希望把重点放到酿造过程的工程层面。一般在家里,我们会一次酿造5到10加仑的啤酒。在大规模的工业生产中,由于一次要冷却的啤酒数量很多,因此快速冷却的问题更为突出。

快速冷却方法

1. 向麦汁壶中加冰

我在YouTube上看到一些视频,有人会向麦汁壶中加冰以实现快速降温。我不建议这样做,因为这可能会引入额外的杂质,还会稀释麦芽汁。

2. 将壶放到冰盒里降温

在厨房水槽里放一个冰盒,然后把麦汁壶放到冰盒里呢?虽然这可能是成本最低的解决方案,但却不是最有效的方法。您可以通过我们 CFD 模块传热模块中的共轭传热接口自行去分析其中的原因。

用冰盒冷却麦汁壶和水杯中的自由对流模型教程非常类似,您可以在我们的案例库中找到此模型。

一杯水中的自然对流。
一杯水中的自然对流。

在本模型中,我们分析了将一杯冷水加热到室温后、水杯中的自然对流和传热现象。最初,杯子和水的温度为 5°C,将其置于室内的一张桌子上(室温:25°C)。麦汁壶的冷却问题可以用同样的方法进行建模,将麦芽汁的初始温度设为 100°C,外壁温度设为 0°C。

3. 使用麦汁冷却盘管

或者,我们可以用麦汁冷却盘管。基础麦汁冷却盘管通常为一个螺旋状管,熬煮结束后,将冷却盘插入麦汁壶中。冷却盘的一端从水槽中引入冷水,以帮助麦芽汁降温。

家庭啤酒酿造中可以使用的麦芽汁冷却盘示意图。
麦汁冷却盘图。

从麦汁冷却盘管的结构不难看出,对于本步骤的建模与我们利用池塘回路解决地暖问题的模型相同。

池塘回路解决地暖问题。
在模型中,我们将一个池塘作为热储层,流体会在水下通过一个封闭的聚乙烯管道系统循环流动。本模型研究了多少热量会从池塘传递到管道内的工作流体中。现在,我们建好了非等温管道流接口,并对管道系统内的温度和流体流动计算方程进行了求解。

在管道流物理场接口中,我们用一维线而非实际的三维线来代表管道,这大为简化了模型计算量。下图为麦汁冷却盘管的设计方案之一,冷却盘被浸入麦汁壶中,管道内的温度场情况如图所示:

将麦芽汁冷却盘沉浸在沸腾的水壶时,管道内的温度场。

我们可以结合方法 2 和方法 3 来加速冷却,也就是说,在使用麦汁冷却盘管的同时将麦汁壶浸入到冰盒中。

4. 使用板式换热器

另一个选择便是使用一个板式或逆流式换热器。换热器是将热量从一种流体传递到另一种流体的仪器。水最初的温度较低,因此用作冷却剂,在热传递过程中,麦芽汁降温,而水逐渐升温。下图为一款板式换热器。

在啤酒酿造过程中,使用板式换热器为啤酒降温。
用于“自家啤酒酿造”的板式换热器。

由于体积紧凑,这类换热器非常流行,也有些酿酒师们喜欢用 逆流式换热器

壳管式换热器的几何.
壳管式冷却器模型部分介绍了 换热器模型的基本建模原则,你可以按此项步骤说明对这些设备进行建模。在模型中,两种不同温度的流体会流经换热器,一种流体在管道内流动,另一种流体在外壳内绕管道流动。

换热器不仅是最为快捷的冷却麦芽汁的方法,也是最高效的方法。大部分麦芽汁的热量会被带走并被转移到水中。冷却用水还可以继续用于浸泡下一批大麦芽,这个方法不会浪费任何能量。

自己动手通过仿真优化啤酒酿造

这里,我们已经讨论过共轭传热方面的问题、管道流模型以及换热器模型。我鼓励你接着尝试用 COMSOL Multiphysics® 来对这些不同的冷却方法进行建模,并找出最有效的办法。你可以通过 CFD模块传热模块管道流模块来建立模型,并进行求解。

经过所有这些建模工作之后,我相信你所酿造啤酒的味道肯定很棒,朋友们绝对会要求多来几杯!是时候扩建我们的家庭酿酒厂、再换一个更大的混料缸了,这就省去了人工搅拌的麻烦。通过 CFD 模块附加的 搅拌器模块,我们可以对混料缸进行建模,并对流体混合器和搅拌反应器进行分析。

湍流混合器模型。
三叶片叶轮湍流搅拌器模型(本模型考虑了三叶片自由液面的形状问题)。

如果你对文中所列的任何模型还有疑问,请联系我们的技术支持团队。如果您目前还不是 COMSOL Multiphysics 用户,希望能多了解一下 COMSOL 软件,请联系我们,我们将十分乐意为您效劳。


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