SENSOR ÓTICO BASEADO EM REDES DE BRAGG COM CASCA REDUZIDA PARA MONITORAÇÃO DO PROCESSO DE FERMENTAÇÃO DE CERVEJAS
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CENTRO FEDERAL DE EDUCAÇÃO TECNOLÓGICA CELSO SUCKOW DA FONSECA
Resumo
Beer is beverage obtained by the alcoholic fermentation, via the action of yeast, of a barley wort in which hops are added. Fermentation is the production step in which fermentable sugars are converted in alcohol, being this process sensible to variations in temperature, pH, density and wort composition. Since such variations impact the final product, it is interesting to equip the fermenter with adequate measuring systems. Nowadays, temperature is controlled by feedback systems and density is measured with manual hydrometers or refractometers, following a sampling protocol which, besides from being onerous, exposes the process to contamination. In the work, a refractometer based on an Etched Fibre Bragg Gratings (EFBG) is employed to monitor the beer fermentation process in real time and aseptic conditions. Calibration routines were conducted using solutions containing sugar and alcohol, which demonstrated that the sensor exhibits high sensibility to small density variations as measured by an Abbe refractometer. Using such data, the Response Surface Methodology (RSM) was employed to build of an empirical calibration model, which relates the wavelength shift to the sample Brix and ABV with good adherence to experimental data and low variance. A material balance framework was established to relate the calibration model to the real values of density and alcohol content in real time, which is useful to process control strategies. Following, fermentation experiments were conducted with a synthetic wort, during which the sensor exhibited a linear response, good repetibility, errors around 0,03 °Bx and was able to measure sugar concentrations below 2 g / 100 ml with a dynamic range of 12 °Bx. The sensor was able to monitor the density decay during the fermentation, which took place within, approximately, 72 hours, when the density value stabilized, indicating that the fermentation had reached to its end. During the fermentation, measures were also conducted using a densimeter and an Abbe refractometer, which were also adherent to the fitted model. Finally, a new technique to the reduction of the FBG shell through polishing was developed, using a small-scale Computer Numerical Control (CNC), aiming to substitute the acid corrosion method, since hydrogen fluoride or fluoridric acid (HF) is a dangerous product, requiring special individual protection equipment and adequate laboratory facilities.
A cerveja é uma bebida obtida a partir da fermentação alcoólica, pela ação de leveduras, de um mosto de malte adicionado de lúpulo. A fermentação é o estágio de produção no qual os açúcares fermentáveis são transformados em álcool, sendo esse processo sensível a variações de temperatura, pH, densidade e composição do mosto. Como tais variações tem impacto na qualidade do produto, torna-se interessante dotar o fermentador de sistemas de medição adequados. Atualmente, a temperatura é controlada por sistemas feedback e a densidade é medida com o uso de hidrômetros ou refratômetros manuais, seguindo um protocolo de amostragem que, além de onerante, expõe o processo ao risco de contaminação. Nesse trabalho, é utilizado um refratômetro baseado em Etched Fibre Bragg Gratings (EFBG) para monitoração do processo de fermentação de cervejas em tempo real e em condições assépticas. Foram realizadas calibrações com soluções contendo açúcares e álcool que demonstraram que o sensor possui alta sensibilidade a pequenas variações de densidade medidas com o refratômetro de Abbe. A partir destes dados, foi empregada a Metodologia da Superfície de Resposta (MSR) na produção de um modelo empírico de calibração que relaciona o deslocamento do comprimento de onda com o Brix e o ABV da amostra, com boa aderência aos dados experimentais e baixa variância. Uma estrutura de balanço de massa foi estabelecida para relacionar o modelo de calibração ajustado à densidade real e ao teor de álcool em tempo real, o que é útil para estratégias de controle de processo. A seguir, experimentos de fermentação foram conduzidos com mosto sintético, ao longo dos quais o sensor demonstrou ter resposta linear, boa repetibilidade, erro da ordem de 0,03 °Bx e foi capaz de monitorar a concentração de açúcar abaixo de 2 g / 100 ml com uma faixa dinâmica de 12 °Bx. O sensor mostrou o decaimento da densidade do mosto ao longo da fermentação, que teve duração média de 72 horas, quando foi observada a estabilização da densidade, indicando o fim da fermentação. Durante a fermentação, medidas feitas com densímetro e refratômetro de Abbe, em paralelo com as medidas do sensor, as quais também se mostraram aderentes ao modelo ajustado. Por fim, uma nova técnica para redução da casca da FBG, através de polimento, utilizando um dispositivo de controle numérico computadorizado (CNC) de pequena escala, de modo a substituir o método de corrosão ácida, uma vez que o fluoreto de hidrogênio ou ácido fluorídrico (HF) é um produto químico perigoso ao manuseio, exigindo equipamento de proteção individual e laboratório adequados.
A cerveja é uma bebida obtida a partir da fermentação alcoólica, pela ação de leveduras, de um mosto de malte adicionado de lúpulo. A fermentação é o estágio de produção no qual os açúcares fermentáveis são transformados em álcool, sendo esse processo sensível a variações de temperatura, pH, densidade e composição do mosto. Como tais variações tem impacto na qualidade do produto, torna-se interessante dotar o fermentador de sistemas de medição adequados. Atualmente, a temperatura é controlada por sistemas feedback e a densidade é medida com o uso de hidrômetros ou refratômetros manuais, seguindo um protocolo de amostragem que, além de onerante, expõe o processo ao risco de contaminação. Nesse trabalho, é utilizado um refratômetro baseado em Etched Fibre Bragg Gratings (EFBG) para monitoração do processo de fermentação de cervejas em tempo real e em condições assépticas. Foram realizadas calibrações com soluções contendo açúcares e álcool que demonstraram que o sensor possui alta sensibilidade a pequenas variações de densidade medidas com o refratômetro de Abbe. A partir destes dados, foi empregada a Metodologia da Superfície de Resposta (MSR) na produção de um modelo empírico de calibração que relaciona o deslocamento do comprimento de onda com o Brix e o ABV da amostra, com boa aderência aos dados experimentais e baixa variância. Uma estrutura de balanço de massa foi estabelecida para relacionar o modelo de calibração ajustado à densidade real e ao teor de álcool em tempo real, o que é útil para estratégias de controle de processo. A seguir, experimentos de fermentação foram conduzidos com mosto sintético, ao longo dos quais o sensor demonstrou ter resposta linear, boa repetibilidade, erro da ordem de 0,03 °Bx e foi capaz de monitorar a concentração de açúcar abaixo de 2 g / 100 ml com uma faixa dinâmica de 12 °Bx. O sensor mostrou o decaimento da densidade do mosto ao longo da fermentação, que teve duração média de 72 horas, quando foi observada a estabilização da densidade, indicando o fim da fermentação. Durante a fermentação, medidas feitas com densímetro e refratômetro de Abbe, em paralelo com as medidas do sensor, as quais também se mostraram aderentes ao modelo ajustado. Por fim, uma nova técnica para redução da casca da FBG, através de polimento, utilizando um dispositivo de controle numérico computadorizado (CNC) de pequena escala, de modo a substituir o método de corrosão ácida, uma vez que o fluoreto de hidrogênio ou ácido fluorídrico (HF) é um produto químico perigoso ao manuseio, exigindo equipamento de proteção individual e laboratório adequados.