Automatyka w browarze

Pomimo, że pierwsze ślady produkcji piwa pochodzą z przed kilku tysięcy lat, a wielu specjalistów na pytanie o sekret dobrego piwa odpowiada, że wszystko zależy od jakości wody, kluczem do sukcesu w browarnictwie może być nowoczesna automatyka. Tylko dzięki niej możliwa jest precyzyjna kontrola jakości piwa, a także minimalizacja kosztów produkcji.

Produkcja piwa to skomplikowany proces, którego poszczególne elementy znacząco wpływają na smak uzyskiwanego napoju. Za pomocą różnego rodzaju dodatków spożywczych i zastosowania różnych parametrów technologicznych produkcji uzyskuje się odmienne gatunki piwa. Co ciekawe, pomimo identycznych podstaw produkcji, mogą one niekiedy zupełnie różnić się smakiem. Jeśli przyjrzeć się browarnictwu od strony naukowej, okazuje się, że smak otrzymywanego piwa zależy od kilku parametrów fizycznych roztworu w poszczególnych etapach produkcji. Gdyby próbować wyszczególnić najważniejsze z tych parametrów, są nimi pH i przewodność elektryczna.

Jaki wpływ ma pH przy produkcji browaru?

Nowoczesne browarnictwo koncentruje się na ciągłej i precyzyjnej analizie oraz kontroli cieczy podczas całego procesu produkcji piwa. Zabiegi te rozpoczynają się na etapie pobierania wody, a kończą podczas wylewania do ścieków pozostałości po produkcji. Przykładowo, podczas procesu zacierania, gdy skrobia zamieniana jest w cukier słodowy, bardzo istotne jest precyzyjne ustalenie poziomu pH mieszaniny. Ponieważ alfa- i beta-amylazy – enzymy, które przetwarzają skrobię – działają najskuteczniej w przypadku pH w zakresie od 5,5 do 5,6, zmiana kwasowości roztworu będzie wpływać na ilość powstałego cukru słodowego i dekstryn. Te ostatnie z kolei wyraźnie wpływają na smak piwa – im niższe pH, tym piwo bardziej wytrawne i lekkie, podczas gdy proces z pH wynoszącym około 5,7 powoduje powstanie słodkiego i dość ciężkiego napoju. Utrzymywanie optymalnego poziomu kwasowości pozwala także maksymalnie przyspieszyć cały proces.

Aby umożliwić produkcję kilku gatunków piw, bazując na tej samej wodzie, która jest o określonym poziomie kwasowości, konieczne jest stosowanie różnego rodzaju dodatków, zmieniających parametry cieczy. I tak, aby obniżyć pH, można dodać do roztworu wapno, natomiast jony węglowe, aby pH zwiększyć. Zastosowanie jaśniejszego słodu powoduje zwiększenie pH, co sprawia, że aby wyprodukować piwo typu pilzner, niezbędne jest dodanie odpowiedniej ilości wapna. Naturalnie, aby utrzymać wysoką, niezmienną jakość produktu, konieczne jest ciągłe regulowanie parametrów roztworu. Dawniej próbki do sprawdzenia pobierane były co jakiś czas, a samych badań dokonywano w oddzielnym laboratorium. Zastosowanie automatycznych czujników pH pozwala na natychmiastową reakcję na niepożądane zmiany kwasowości cieczy i utrzymanie wysokiej klasy produktu. Czujniki umieszczone w kadziach przesyłają dane bezpośrednio do zakładowego systemu SCADA, dzięki czemu zmniejsza się nakład pracy ludzkiej potrzebnej do badania jakości piwa. Najczęściej spotykanymi w aplikacjach tego typu są czujniki oparte na technologii ISFET, zbudowane bez wykorzystania szkła. Czujniki te mają zastosowanie także w kolejnych etapach produkcji piwa. Istotne jest na przykład, aby podczas procesu warzenia poziom pH nie był zbyt wysoki, gdyż w przeciwnym wypadku piwo będzie miało cierpki smak i będzie bardziej podatne na zmiany w czasie leżakowania. Jedną z możliwości obniżenia tego współczynnika jest dodanie do roztworu niewielkich ilości kwasu fosforowego. Również podczas procesu fermentacji zalecane jest utrzymywanie stałego poziomu pH – różnego w zależności od gatunku produkowanego piwa. Dla piw bardziej gorzkich wskaźnik ten powinien być w zakresie od 4,0 do 4,5, natomiast dla bardziej słodkich, lżejszych i jaśniejszych – w granicach od 4,4 do 4,7. Warto dodać, że zaletą piw o bardziej kwasowym odczynie jest niska podatność na skażenie bakteryjne. Utrzymanie niskiego pH także po procesie fermentacji ułatwia uniknąć skażenia w dalszych etapach produkcji.

Mętność piwa

Innymi istotnymi czujnikami stosowanymi w browarnictwie są mierniki mętności. Działają one zazwyczaj na zasadzie pomiaru fotometrycznego cieczy, poprzez oświetlanie z jednej strony rurki z roztworem i pomiar światła docierającego do odbiornika znajdującego się po jej drugiej stronie. Istnieją też warianty tego rozwiązania, np. mierzące światło odbite od roztworu, ale te są mniej dokładne i stosuje się je właściwie tylko i wyłącznie wtedy, gdy niemożliwe jest zastosowanie czujnika dwustronnego. Pomiar mętności przeprowadzany jest głównie na etapie warzenia, ale jeszcze przed gotowaniem. Dzięki temu możliwe jest maksymalnie wydajne wykorzystanie użytego słodu, przy jednoczesnym zachowaniu odpowiedniej klarowności piwa. Oczywiście mętność na tym etapie będzie się znacznie różnić od mętności gotowego trunku, aczkolwiek ma nań wyraźny wpływ.

Drugim miejscem, w którym dokonuje się pomiarów mętności, jest etap filtrowania. Optymalnym rozwiązaniem wydaje się instalacja czujnika bezpośrednio w obwodzie filtrującym. Wyniki pomiarów powinny być przekazywane do komputera przechowującego parametry aktualnej receptury, który następnie kontrolowałby ilość cykli filtracji piwa, aż do uzyskania pożądanego efektu. Jest to sposób na uniknięcie problemów, które mogłyby wystąpić, w przypadku zastosowania składników dających nieco bardziej mętny roztwór wraz z uniwersalną procedurą określającą stałą ilość cykli filtracji.

Problem rozpuszczonego tlenu podczas produkcji

Jeszcze jedną trudnością związaną z wstępnym etapem warzenia piwa jest ilość tlenu, który dostaje się do roztworu i w nim rozpuszcza. Powoduje to niepożądane efekty, takie jak HSA (Hot Side Aeration), które objawiają się zwiększoną mętnością docelowego produktu, jak i niestabilnością chemiczną, a co za tym idzie – wyraźnie skróconym czasem jego przydatności do spożycia. W celu monitorowania poziomu rozpuszczonego tlenu możliwe jest zastosowanie specjalnych czujników. Powinny one być wyposażone w odpowiednie, wytrzymałe membrany, których trwałość będzie wynosiła wiele cykli warzenia piwa. Kontrola ilości rozpuszczonego tlenu pomaga odpowiednio wcześnie zająć się uszczelnianiem linii produkcyjnej i uniknąć wypuszczenia na rynek szybko psujących się produktów. To właśnie nieszczelności są bowiem najczęściej przyczyną nadmiernego natleniania się piwa.

Drugim punktem, w którym konieczny jest pomiar ilości tlenu, jest moment studzenia brzeczki piwnej, w celu przygotowania jej do procesu fermentacji. Dzięki zastosowaniu czujników przeznaczonych głównie do napojów gazowanych, możliwe jest zmaksymalizowanie aktywności drożdży, a w związku z tym skrócenie czasu produkcji i zmniejszenie kosztów. Warto zaznaczyć, że na tym etapie konieczne może okazać się dotlenienie piwa. W przeciwnym wypadku mogą wytworzyć się wyższe alkohole, estry czy też dwutlenek siarki. Oczywiście z ilością tlenu nie można na tym etapie przesadzać – jego poziom powinien maleć w trakcie procesu fermentacji. Najlepszym sposobem kontroli fermentacji będzie zastosowanie precyzyjnych mierników rozpuszczonego tlenu, umożliwiających pomiary z dokładnością poniżej jednej-milionowej procenta. Ważne jest, aby czujniki charakteryzowała się niewielkim dryftem w środowisku cieczy stojącej. Odpowiedni system komputerowy powinien w razie potrzeby dostarczać dodatkowego tlenu, gdy tylko będzie to konieczne.

Pozostałe pomiary ważne podczas produkcji

Pomiar i kontrola ilości gazów dotyczy nie tylko tlenu. Istotne jest, aby produkowane piwo miało w sobie odpowiednią ilość dwutlenku węgla. Powstaje on w dużych ilościach w procesie fermentacji, tak że warto jest zbierać jego nadmiar, w celu dodania do trunku w późniejszym etapie procesu, lub też w celu odsprzedaży kontrahentom. Czystość ulatniającego się gazu powinna być monitorowana za pomocą analizatora z czujnikiem podczerwieni.

Nowoczesny browar jest zakładem w pełni zautomatyzowanym – na zdjęciu okno programu SCADA kontrolującego proces gotowania podczas warzenia piwa

Kolejnym pomiarem związanym z fermentacją jest analiza przewodności elektrycznej piwa, czego celem jest jak najdokładniejsze rozdzielenia piwa od drożdży po zakończeniu fermentacji. Precyzyjne ukończenie tego etapu zaowocuje mniejszymi stratami gotowego napoju, jak i oszczędnościami w postaci drożdży, które możliwe są do powtórnego wykorzystania. Opadające na dół drożdże stanowią nieco inny opór dla płynącego przez nie prądu elektrycznego, niż miałoby to miejsce w przypadku czystego piwa. Wykorzystanie prostego czujnika działającego na zasadzie pomiaru rezystancji pozwala znacznie zautomatyzować oddzielanie drożdży od piwa.

Mierniki przewodności przydają się także na innych etapach warzenia piwa, jeśli obsłudze browaru zależy na wyjątkowej czystości składników tego napoju. Ich wykorzystanie jest doskonałym sposobem pomiaru skuteczności filtrowania wody używanej do produkcji piwa, która jest filtrowana w procesie odwrotnej osmozy. Filtrowanie osmotyczne wymaga zastosowania drogich półprzepuszczalnych membran, których montaż jest czasochłonny. Membrany te mogą jednak dosyć szybko się zapychać, zmniejszając efektywność filtracji i narażając przedsiębiorstwo na koszty związane z wymianą filtrów, w tym z przestojami w produkcji potrzebnymi na ich wymianę. Jednym ze sposobów na bezinwazyjną konserwację membran jest dodawanie do wody niewielkich ilości kwasów, które rozpuszczają cząsteczki zawieszone w wodzie i oczyszczają membrany. Niestety, zbyt duża ilość kwasu spowoduje pogorszenie jakości piwa i może narazić delikatne filtry na uszkodzenie. W związku z tym korzystne jest zastosowanie czujników przewodności po obu stronach filtru, w celu pomiaru stosunku oporów elektrycznych, który stawiają ciecze. Jeśli różnica pomiarów będzie zbyt mała, układ sterowania powinien dodać do wody niewielką ilość kwasu, który oczyściłby filtr i przywróciła jego pełną sprawność, bez konieczności zatrzymywania procesu produkcji.

Ponieważ piwo jest cieczą silnie korozyjną, a nawet zawierającą organizmy żywe, osprzęt stosowany do jego produkcji musi być odporny na trudne warunki środowiskowe. Taka sama uwaga dotyczy też czujników przewodności. Wszędzie tam, gdzie badane są parametry substancji korozyjnych, najlepiej jest skorzystać z ich toroidalnych odpowiedników tych czujników, w których elektrody nie stykają się bezpośrednio z badanym roztworem.

Ostatnią kwestią związaną z naturą roztworu piwa są zanieczyszczenia odprowadzane do środowiska w postaci ścieków. Także i one powinny być kontrolowane, aby spełniać wymogi dyrektyw Unii Europejskiej wprowadzone odpowiednimi przepisami na terenie Polski. Zastosowanie będą tu miały głównie czujniki pH i mierniki przewodności.

Co jeszcze można usprawnić?

Przede wszystkim warto zainwestować w wygodny system zarządzania produkcją, który pozwoli sprawnie kolejkować procesy. Dobry system powinien uwzględniać możliwości logistyczne dostawców, jak i odbiorców towarów i ułatwiać ustalanie kolejnych kontraktów. System ten powinien także nadzorować wszystkie inne wymienione w artykule etapy produkcji i informować o ewentualnych trudnościach oraz awariach.

Kluczem do sprawnie działającego browaru jest również odpowiednia automatyzacja procesów pasteryzacji i pakowania. Dotyczy to w szczególności planowania procesu produkcyjnego i dynamicznego przydziału ilości piwa, które ma być beczkowane, butelkowane i puszkowane. Efektywna organizacja całości procesu pozwoli zredukować wymaganą przestrzeń magazynową, co także może zmniejszyć sumaryczne koszty produkcji piwa.

Marcin Karbowniczek