La fabbricazione della birra - Aita

La fabbricazione della birra
Indice dei contenuti
Composizione della birra Tipo lager
Materie Prime
Acqua
Luppolo
Produzione del mosto Miscela
Filtrazione della miscela
Ebollizione
Chiarificazione del mosto
Fermentazione Biochimica della fermentazione
Conduzione della fermentazione
Maturazione
A caldo – La pausa diacetile
A freddo
Filtrazione
Tecnologia
Stabilizzazione colloidale Tecnologie
Slide n. 1

Acqua
Alcool
pH
Destrine
Zuccheri semplici
Proteine totali
Aminoacidi (FAN)
Alcoli superiori
Esteri
Dichetoni
Composti inorganici
( Na, K, Ca, Mg, PO4, SO4, Cl-)
Composizione della birra – Tipo lager
Componente
Polifenoli - Antociani
u.m.
%
%
pH
%
%
%
mg/L
mg/L
mg/L
mg/L
mg/L
mg/L
quantità
91 - 92
4,5 – 5,0
4,0 – 4,6
1,5 – 2,5
0,3 – 0,4
0,8 – 1,0
90 - 110
70 - 130
30 - 50
10 - 100
150 - 200
1300 – 1500
(30,500,40,100,300,150)
Slide n. 2

Analisi standard della birra Tipo lager: birra chiara a bassa fermentazione
Estratto (grado) primitivo
Estratto (grado) apparente
Estratto (grado) limite
Estratto reale
Delta estratto
Alcool
pH
Amarezza
Colore
CO2
Torbidità a 0°C
Torbidità forzata
Schiuma - Nibem
Diacetile
Acetaldeide
Etile acetato
Isoamile acetato
Alcooli superiori
Dimetil solfuro
SO2
Parametro
Fattori invecchiamento Heat
Fattori invecchiamento Oxygen
Fattori invecchiamento Staling
u.m.
°Plato
°Plato
°Plato
°Plato
°Plato
% v/v
pH
EBU
EBC
g/L
EBC
EBC
sec
ug/L
mg/L
mg/L
mg/L
mg/L
ug/L
mg/L
mg/L
mg/L
mg/L
valore
11,0 – 11,5
1,8 – 2,0
1,6 – 1,0
3,8 – 4,0
0,2 – 0,3
5,0 – 5,2
4,2 – 4,4
20 - 22
6,0 – 7,0
5,0 – 5,5
0,5 – 0,6
1,0 – 2,0
250 - 300
10 - 30
2,0 – 4,0
16,0 – 18,0
1,5 – 2,5
70 - 130
30 - 50
2 - 10
250 - 300
20 – 40
200 - 300
Slide n. 3

Acqua
Distribuzione dei fabbisogni in fabbrica in hl/hl di prodotto finito
Maturazione
Filtrazione e Cantina Birra Filtrata
Lavaggio fusti
Lavaggio bottiglie
Pastorizzazione
Sala macchine
Caldaie
Torri evaporative
Compressori
Utenze civili
Totale
Reparto
Produzione mosto (Sala Cottura)
Fermentazione e cantina lievito
CIP generali (Cleaning in Place)
Good practice
1,75
0,09
0,09
0,28
0,23
0,34
0,16
0,42
0,20
0,36
0,55
0,06
0,07
4,60
Best practice
1,48
0,05
0,05
0,06
0,13
0,17
0,08
0,20
0,16
0,16
0,38
0,04
0,04
3,00
Slide n. 4

pH
Composizione tipica dell’acqua per la fabbricazione del mosto
Calcio
Magnesio
Sodio
Solfati
Cloruri
Parametro
valore m (bicarbonati)
Durezza totale
pH
mg/L
mg/L
mg/L
mg/l
mg/l
u.m.
mL HCl 0,1 N/100 mL
d°H (o g°H)
target
< 2,0
8,0 – 12,0
6,0 – 7,5
40 - 60
10 - 20
< 150
200 - 400
< 150
Effetti sul processo
• evitare precipitazione del calcio con
rischio ossalati
• acque dure contribuiscono
negativamente alla bevibilità
effetti del basso pH
• migliore rendimento delle materie
prime
• Minore estrazione di tannini e
sostanze amare dal luppolo
•Influenza sulla flocculazione del lievito
•se in eccesso provoca amaro grezzo
in combinazione con i solfati
•“sweet palate”
•Contribuisce positivamente alla
rotondità del gusto
•Conferisce corposità
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Commenti all’utilizzo dell’acqua di fabbricazione
• Le fabbriche di birra vengono costruite dove l’acqua sia abbondante in
quantità e costante in qualità
•Il profilo organolettica e fisico-chimico è uno degli elementi fondamentali
per la qualità del prodotto finito
•Nel caso l’acqua disponibile non corrisponda alle caratteristiche
desiderate si ricorre a correttivi tecnici e tecnologici:
• Rimozione dei Sali per
•Osmosi inversa
•Scambio ionico
• Correzione ionica
•Solfato di Calcio
•Cloruro di calcio
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Luppolo – Informazioni generali
• Il luppolo è un componente quantitativamente minore nella birra, ma
con un grande impatto sul profilo organolettico.
•Nel luppolo esistono due gruppi di composti attivi organoletticamente
• Frazione resinosa: sono i cosiddetti acidi alfa, 10-30 mg/l nel
prodotto finito che conferiscono l’amarezza tipica della birra
• Frazione aromatica: si tratta di oli essenziali che conferiscono al
prodotto finito una nota floreale e leggermente agrumaria.
•Storicamente, la tendenza era di produrre birre lager con elevate
quantità di luppolo, le cui resine hanno notoriamente caratteristiche
batteriostatiche
•Attualmente si producono birre con contenuto di acidi alfa più bassi per
meglio soddisfare le esigenze del consumatore moderno
•La necessità di utilizzare il luppolo quale batteriostatico è da tempo
superata grazie alle moderne tecniche di lavaggio degli impianti
Slide n. 7

Botanica e coltivazione del luppolo
• Il luppolo coltivato (hunulus lupulus) è una pianta dioica della famiglia delle Cannabinacee
(ordine delle Urticales) utilizzato pressochè unicamente per la fabbricazione della birra.
•Viene coltivato in condizioni climatiche temperate, principalmente in Europa Nord
occidentale e negli Stati Uniti
• Le parti sotterranee della pianta sono perenni, mentre quelle aeree muoiono. Il sistema di
radici si estende per più di 1,5 metri in profondità e 2 metri lateralmente
•Ad inizio primavera numerosi getti si producono dalle gemme che si trovano sulle radici:
essi vengono rimossi per potatura insieme alla parti lignee residue dal raccolto precedente.
•A metà primavera i nuovi getti hanno raggiunto circa 80-100 cm di lunghezza: è allora che
vengono indirizzati sui filari dall’agricoltore, per raggiungere una lunghezza finale di 5,5 – 8
metri
•Tra luglio ed agosto i fiori delle piante femminili formano i coni di luppolo. Questi sono
ricchi di di ghiandole di lupolina che contengono molti metaboliti secondari, tra cui le resine
(alfa e beta acidi), gli oli essenziali, e i polifenoli.
Slide n. 8

Chimica del luppolo
• Il termine metabolita secondario è utilizzato per descrivere sostanze che si formano nella
pianta ma che non partecipano ai processi metabolici primari.
•Il luppolo contiene centinaia di metaboliti secondari: alcuni di questi sono di particolare
interesse tecnologico.
Resine
Alfa acidi
Beta acidi
•humulone
• lupulone
Isomerizzano
durante
la bollitura
Frazione Apolare
• monoterpeni
•Mircene
•Farnesene
•Sesquiterpeni
•Cariofillene
•humulene
Luppolo
Oli
Frazione Polare
• alcoli
•Esteri
•Linaloolo
•Acidi carbossilici
•solfati
Polifenoli
Acidi fenolici
•Acido ferulico
Proantocianidine
•Proantoc. B3
Flavonoli
•Quercitina
Isoflavonoli
•genistein
Slide n. 9

Varietà e forme commerciali
• Esistono decine di diverse varietà di luppolo che vengono suddivise in :
• Bitter - ad elevato contenuto di acidi alfa (13 – 15 %)
• Aroma - a basso (4 -7 %) contenuto di alfa e medio contenuto di oli
• Fine Aroma - a bassisimo contenuto di alfa ( < 4 %) ed elevato contenuto di
oli
• Forme commerciali
• Non isomerizzate
• Luppoli in coni pressato
• Luppolo in pellet Tipo P90
• Luppolo in pellet Tipo P 45
• Estratto di pura resina
•Isomerizzate
•Prodotti derivati (hop products)
•B-hop
•Tetrahydrohops
Slide n. 10

Luppolaia in Baviera
Aspetto del luppolo
Il luppolo in fiore
Il coni del luppolo
Slide n. 11

Produzione del mosto - Scopo
• Il processo principale della fabbricazione della birra è la fermentazione degli
zuccheri contenuti nel mosto.
• La produzione del mosto ha lo scopo di trasformare le sostanze insolubili del malto
in composti utilizzabili dal lievito.
• La produzione del mosto viene effettuata nel reparto Sala Cottura
Sala cottura tradizionale
Slide n. 12

Slide n. 13

MACINAZIONE
Del malto
EBOLLIZIONE
del mosto
CHIARIFICAZIONE
del mosto
Produzione del mosto - Fasi
MISCELA
malto-acqua
FILTRAZIONE
della miscela
RAFFREDDAMENTO
Del mosto
Slide n. 14

La macinazione
Lo scopo della macinazione è quello di permettere la
solubilizzazione degli enzimi contenuti nel malto. Si utilizzano
tre tecnologie in funzione del tipo di filtrazione della miscela
• per tini di filtrazione
– A umido, con mulino a una coppia di cilindri
– A secco condizionata, con mulino a tre coppie di cilindri
• per mash-filter
– A secco, con mulino a martelli
Slide n. 15

A umido
Tipi di mulino
A tre coppie di cilindri
A martelli
Slide n. 16

Amido
La miscela del malto
Le principali reazioni enzimatiche
Beta-amilasi 62-67 °C
•maltosio
alfa-amilasi 72-76 °C
•Glucosio, maltosio, maltotrosio
Maltosio (ca. 90 %
degli zuccheri totali)
La conversione dell’amido d’orzo è pari a circa l’80-85 % dell’amido d’orzo, a seconda dei tempi di pausa alle
diverse temperature: in questo modo si determina la pienezza del prodotto finito. Non tutto l’amido viene
convertito in maltosio: permane una quota di destrine (12-G) poiché manca la beta-1-6 glucosidasi
Proteine
proteasi 45- 55 °C
•Aminoacidi
•Proteine a medio
peso molecolare
Le proteine a medio peso molecolare contribuiscono in modo determinante alla formazione della schiuma,
insieme alle resine del luppolo.
Slide n. 17

L’drolisi enzimatica dell’amido nel processo di miscela
Schema dell’idrolisi enzimatica
Il test con Iodio serve a determinare la conversione
dell’amido in zuccheri ed amilopectine
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La miscela del mais – La decozione
• Il mais costituisce una sorgente di amido alternativa al malto
• Viene utilizzato nel caso si voglia conferire maggiore bevibilità al prodotto finito
• Si usa prevalentemente in forma di gritz
• Al pari del malto contiene circa il 78 % di estratto su tal quale
• Non contiene enzimi in quantità sufficienti per la conversione amido zuccheri
semplici
• La miscela del mais comprende:
- Pre-gelatinizzazione a 50 – 60 °C, con presenza di ca. 15 – 20 % malto
macinato
- Gelatinizzazione a 72 – 76 °C
- Ebollizione a 100 °C
• Al termine dell’ebollizione la miscela del mais viene travasata nella
miscela del malto. Tale processo viene detto “riunione”.
Slide n. 19

110
100
°C
90
80
70
60
50
40
Il diagramma di fabbricazione
0 15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165 180
Tino miscela
Caldaia miscela
in caldaia
miscela
tempo in minuti
in tino di
miscela
• La caldaia miscela viene utilizzata per la miscela del mais
• Il Tino di miscela viene utilizzato per la miscela del malto
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La caldaia di miscela – Il tino miscela
Caldaia miscela Tino miscela
Slide n. 21

La filtrazione della miscela
Scopo
• Al termine del processo di miscela, vi sono in soluzione sostanze disciolte e non
disciolte
• La soluzione acquosa contenente l’estratto viene detta MOSTO, mentre la parte
insolubile viene detta TREBBIE.
• Le trebbie consistono, a loro volta, delle scorze del malto, dei residui della
germinazione del malto d’orzo e di altro materiale.
• Solo il mosto è utile alla produzione della birra: per questo motivo deve essere
separato il più possibile dalle trebbie.
• Questo processo di separazione viene detto “Filtrazione della miscela” (Lautering)
• Il processo di filtrazione della miscela consiste di due fasi:
- Filtrazione del primo mosto, per separare le trebbie dalla miscela
- Lavaggio delle trebbie con acqua calda, per estrarre le sostanze zuccherine
rimaste nelle trebbie stesse.
Slide n. 22

La filtrazione della miscela – Tecnologie
Il tino di fitrazione
• Esistono due tecnologie di filtrazione della miscela
- Tino di filtrazione
- Filtro miscela
• Tino di filtrazione
- La miscela viene trasferita dal tino miscela al tino di filtrazione
- Il tino è dotato di falso fondo con slots di ca. 0,7 x 4 mm, che consentono la eluizione
del mosto, ma trattiene le scorze del malto
- Le scorze del malto aiutano la filtrazione, trattenendo sulla propria superficie le
impurezze. Per questo motivo il malto deve essere macinato delicatamente per preservare
l’integrità della scorza: si ricorre alla macinazione a umido o alla macinazione
condizionata.
- Un aratro meccanico smuove periodicamente le scorze per facilitare il flusso del mosto
in funzione della differenza di pressione tra ingresso ed uscita della miscela
- Il lavaggio delle trebbie avviene immettendo acqua calda dall’alto del tino di filtrazione
- In totale il processo dura 3-4 ore nei tini classici; 2 ore nei tini di ultima generazione
Slide n. 23

• Filtro miscela
La filtrazione della miscela – Tecnologie
Il filtro miscela
- E’ una macchina in cui la filtrazione è assicurata da teli filtranti
- La miscela viene pompata dal tino miscela al filtro
- I teli trattengono le scorze del malto e lasciano passare il mosto
- Al termine della filtrazione del mosto, le membrane di cui è dotato il filtro “spremono”
delicatamente le scorze rimaste intrappolate nei teli, per estrarre il ulteriori volumi di
primo mosto
- Le scorze vengono lavate con acqua calda analogamente al tino di filtrazione
- Dato che la filtrazione viene fatta dai teli, non è indispensabile mantenere integra la
scorza. Per questo motivo si ricorre ad una macinazione a secco, con il vantaggio di
aumentare la resa di estrazione dal malto
- La durata totale del ciclo è di 2 ore; 1,5 ore nei sistemi ottimizzati
Slide n. 24

Slide n. 25

Tino di filtrazione e diagramma di filtrazione
Tino di filtrazione: vista frontale
Dettaglio del falso fondo
1° MOSTO Lavaggio trebbie
Diagramma di filtrazione
torbidità testratto Delta pressione Altezza aratro
Slide n. 26

Tino di filtrazione e diagramma di filtrazione
Tino di filtrazione: vista frontale
Dettaglio del falso fondo
1° MOSTO Lavaggio trebbie
Diagramma di filtrazione
torbidità testratto Delta pressione Altezza aratro
Slide n. 27

Il principio del telo filtrante
Il filtro miscela
Il filtro miscela: vista in prospetto
Slide n. 28

L’ebollizione del mosto – Le trasformazioni
1 - Isomerizzazione acidi alfa e solubilizzazione oli essenziali del luppolo.
2 – Coagulazione delle proteine e precipitazione dei complessi polifenoliproteine
3 - Evaporazione di sostanze indesiderate
4 - Concentrazione del mosto
5 - Colorazione del mosto
6 - Sterilizzazione del mosto
7 - Inattivazione degli enzimi
La durata totale dell’ebollizione è di 60-90’
Slide n. 29

1 - L’isomerizzazione degli acidi alfa e la solubilizzazione degli oli
• Gli acidi alfa humulone e cohumulone sono insolubili nel mosto freddo
• La bollitura cambia la struttura degli acidi, tale cambiamento viene descritto come
“isomerizzazione
• Gli iso-composti sono molto più solubili che gli alfa da cui originano
• L’isomerizzazione è lontana dall’essere un processo quantitativo: mediamente
solo un terzo del totale degli alfa viene trasformato
• Inoltre, durante il corso del processo (fermentazione-filtrazione) si perdono altre
quantità di sostanze amare.
• In pratica per avere 20 mg/L di sostanze amare (EBU= European Bitterness Unit)
nel prodotto finito serve avere 60-80 mg/L di acidi alfa nel mosto.
• Per ottimizzare la resa in acidi alfa, i luppoli “bitter” vengono aggiunti ad inizio
ebollizione
• Per garantire la solubilizzazione degli oli, i luppoli “aroma” e “fine aroma” vengono
aggiunti a 15-20’ dalla fine dell’ebollizione
Slide n. 30

2 – Coagulazione delle proteine e precipitazione dei complessi
polifenoli-proteine
polifenoli proteine
• Le proteine ad alto peso molecolare coagulano e precipitano durante l’ebollizione.
• I polifenoli del luppolo e del malto si disciolgono completamente nel mosto e si
combinano con le proteine del mosto
• Dato che i polifenoli sono presenti parzialmente in forma ossidata e che le
proteine hanno diverso peso molecolare, durante l’ebollizione si formano
composti con diverse proprietà
q Torbido a caldo (hot break): consiste di proteine e polifenoli ossidati insolubili
nel mosto caldo. E’ preferibile far precipitare tale torbido il più possibile
tramite:
• Ebollizioni sufficientemente prolungate
• Ebollizioni vigorose
• Basso pH: ideale pH 5,2 a inizio ebollizione
q Torbido a freddo (cold break)
• Costituito da prodotti della degradazione delle proteine e da polifenoli che
Slide n. 31
permangono nel mosto freddo e non precipitano

3 – Evaporazione delle sostanze indesiderate
L’ebollizione provoca la formazione e la parziale evaporazione di sostanze indesiderate
naturalmente presenti nel malto
• Dimetil solfuro (DMS): conferisce gusto di cavolo bollito alla birra
q Deriva dall’orzo come DMS-P (P=precursore=S-metil-metionina)
q DMS-P viene trasformato in DMS durante l’essiccazione del malto verde
q L’ebollizione provoca
• l’ulteriore trasformazione del DMS-P in DMS libero
• L’evaporazione del DMS libero e del DMS-P
• Prodotti della reazione di Maillard e della degradazione di Strecker: si tratta di un
gruppo assai complesso di composti, oggetto di intensi studi dagli esiti
controversi: sono comunemente utilizzati per predire la stabilità organolettica
della birra. In sostanza, sono indicatori del carico termico del mosto.
Slide n. 32

3 – Evaporazione delle sostanze indesiderate
Prodotti della reazione di Maillard e della degradazione di Strecker: si tratta di un
gruppo assai complesso di composti, oggetto di intensi studi dagli esiti controversi:
sono comunemente utilizzati per predire la stabilità organolettica della birra.
Zuccheri riducenti + aminoacidi
desossichetoni Degradazione di Strecker
CH3-CO-CO-CHOH
Frazionamento
Carbonili-dicarbonili a
corta catena
Metildicarbonili
CHO-CO-CH2-CHOH
Deidrogenazione
5 idrossimetil 2
furfurale
3 desossicomposti
Melanoidine – N-eterocicli
Aldeidi di Strecker + Aminocomposti
- CO2
Slide n. 33

4 - La concentrazione del mosto
• L’ebollizione causa l’evaporazione del mosto e la conseguente concentrazione del
mosto
• Il valore dell’evaporazione (“fattore di evaporazione”) è un indice fondamentale dei
processi chimico-fisici che si verificano durante l’ebollizione
• I fattori di evaporazione orari comunemente utilizzato sono dell’ordine del 4,0-6,0 %
• L’ebollizione è un processo dispendioso dal punto di vista energetico: per questo
motivo deve durare lo stretto necessario agli scopi tecnologici
• Per motivi energetici, da alcuni decenni si produce mosto concentrato (high gravity)
che poi viene standardizzato a valle (nel fermentatore o al filtro finale) al grado del
prodotto finito.
Slide n. 34

Le altre trasformazioni
5 - Sterilizzazione del mosto: durante l’ebollizione vengono eliminati tutti i batteri che
potrebbero danneggiare la birra in fermentazione
6 - Distruzione di tutti gli enzimi: il trattamento termico del mosto causa la distruzione dei
pochi enzimi ancora attivi, che potrebbero alterare il mosto
7 - Colorazione del mosto: per effetto della reazione di Maillard tra gruppi amminici liberi
ed ossidrili degli zuccheri si formano composti detti melanoidine, che contribuiscono a
scurire il mosto. Il colore si misura in unità EBC ed aumenta di circa il 30-50 %
Slide n. 35

Tecnologie di ebollizione moderne
• L’ebollizione si effettua in un recipiente detto Caldaia Cottura.
• La Caldaia è equipaggiata con diversi sistemi bollitura. Attualmente due sono i
sistemi più diffusi:
1. Con scambiatori di calore interni
2. Con scambiatori di calore esterni
• Altri sistemi sono stati sviluppati o si stanno sviluppando, ma non hanno trovato
diffusione nella comunità dei tecnici
1. A camicie riscaldanti: sistema tradizionale, progressivamente abbandonato perché la
massa del mosto non si bolle in modo omogeneo
2. High temperature continuous boiling: sistema sviluppato alla fine dei ’70 per
risparmiare sull’energia. Abbandonato per lo stress termico imposto al mosto.
3. Sistema Merlin: sviluppato nella seconda metà dei ’90. Prevede due recipienti: una
caldaia-stripper e un polmone-chiarificatore. Teoricamente è lo stato dell’arte, ma
non ha trovato successo commerciale per la complessità di conduzione dell’impianto
Slide n. 36

Scambiatori di calore interni
• La caldaia è equipaggiato con una serie di di tubi in cui circola vapore o acqua
surriscaldata. Un sistema di diffusione Venturi ed un cono facilitano la circolazione
del mosto, limitando la formazione di schiuma e la sovra-ebollizione.
• Per ottenere un fattore di evaporazione del 6 % il mosto ricircola circa 15 volte per
ora.
• Solamente il mosto in contatto con lo scambiatore si trova ad una temperatura
superiore a quella di ebollizione. Nel resto della caldaia, la temperatura è inferiore a
quella di ebollizione.
• Se si applica una leggera sovrapressione, la temperatura sale a circa 103 °C nella
caldaia, per salire fino a 106 °C sulla superficie degli scambiatori.
• La temperatura elevata nello scambiatore comporta una accelerazione delle
reazioni chimiche durante l’ebollizione del mosto
• Lo scambiatore interno agisce come una pompa termica. Il flusso del mosto va
progettato in modo tale che non vi siano zone morte e che la miscelazione sia
completa
Slide n. 37

Slide n. 38

Scambiatori di calore interni – Schema funzionale
L’ebollitore interno
La caldaia: vista in prospetto
Slide n. 39

Scambiatori di calore esterni
• La caldaia è equipaggiata con uno scambiatore di calore esterno dotato di tubi
relativamente piccoli (ca. 70 mm). La circolazione viene forzata da una pompa
centrifuga.
• Con questo design,la turbolenza e e quindi le elevate efficienze di scambio di
calore è ottenuta attraverso elevate velocità, circa 2.3-2.7 m/s
• Lo scambiatore può essere a fascio tubiero o a piastre. In quest’ultimo caso la
distanza tra le piastre deve essere sufficiente per impedire l’incrostazione con
residui di luppolo e limitare le “shear forces” (sforzi di taglio: provocano la
formazione di gomme che rendono difficile la filtrazione finale)
• Le temperature in uscita dallo scambiatore sono dell’ordine dei 102-104 °C: in
queste condizioni, il tempo di ebollizione è limitato a 55-70’, sufficiente a garantire
la coagulazione delle proteine.
Slide n. 40

La chiarificazione del mosto
• Al termine dell’ebollizione in caldaia cottura, il mosto viene trasferito in pochi
minuti in un chiarificatore comunemente chiamato “Whirlpool”
• Il mosto viene immesso nel whirlpool attraverso un ingresso tangenziale che
garantisca una velocità lineare di ca. 3,5 m/s. Velocità più elevate provocano
“shear forces”
• Il mosto viene lasciato sedimentare per 5-20’
• Al termine, al centro del whirpool si depositano i complessi tanno-proteici in un
agglomerato compatto (cake = torta), mentre il resto del mosto è limpido (max
150-200 mg/L di solidi in sospensione).
• Al termine della chiarificazione il mosto viene trasferito al raffreddatore, costituito
da uno scambiatore a piastre
• Gli elementi progettuali del whirpool ne determinano l’efficacia: rapporto
diametro/altezza, diametro del tubo in ingresso, inclinazione del fondo.
Slide n. 41

Slide n. 42

La chiarificazione del mosto
Schema funzionale
• La forza centrifuga spinge
gli agglomerati tanno-proteici
verso l’esterno
• L’urto contro le pareti del
whirpool spinge gli
agglomerati verso l’interno
• Da evitare la formazione di
mulinelli che impediscono la
sedimentazione al centro del
whirlpool
Slide n. 43

La produzione del mosto: elementi quantitativi
• Il batch che si produce in sala cottura viene comunemente chiamato “cotta”
• Il processo di produzione di una cotta dura circa 7-8 ore
• Nella tabella si riportano tempi e volumi di una cotta in High Gravity da 15 °P e
550 hl con processo a decozione
Miscela in caldaia miscela
Miscela in tino miscela
Miscela dopo riunione
Filtrazione miscela
Ebollizione
Accertamento
Trasferimento al Whirpool
Raffreddamento
Totale
Processo
Pausa Whirpool
volume
160
340
515
620
580
-
-
-
550
550
Tempo in minuti
60
120
-
120
75
0
15
15
45
450
Slide n. 44

Acqua
Alcool etilico
pH
Estratto
Colore
Amarezza
Destrine
Proteine totali
Aminoacidi
Alcoli superiori
Esteri
Dichetoni
Composizione del mosto – High Gravity per birra lager
Parametro
Zuccheri semplici (maltosio >75 %)
Polifenoli - Antociani
Composti inorganici
(Na, K, Ca, Mg, PO4, SO4, Cl-)
u.m.
%
%
pH
°P
EBC
EBU
%
%
%
mg/L
mg/L
mg/L
mg/L
mg/L
mg/L
Mosto 15 °P
91 - 92
0
5,1 – 5,3
15,0 – 16,0
10,0 – 11,0
28 – 32
2,5 – 3,5
12 – 13
1,0 – 1,2
200 – 220
0
0
0
200 - 250
1300 – 1500
(30,500,40,100,300,150)
Birra 11 °P
91 - 92
4,5 – 5,0
4,0 – 4,6
Vedi destrine
6,0 – 7,0
20 – 22
1,5 – 2,5
0, 3 – 0,4
0,8 – 1,0
90 - 110
70 - 130
30 - 50
10 - 100
150 - 200
1300 – 1500
(30,500,40,100,300,150)
In grigio i componenti che verranno trasformati o formati durante la fermentazione
Slide n. 45

La composizione e la misura dell’estratto
Composizione dell’estratto: dal macinato all’estratto fermentescibile
La misura dell’estratto con
il saccarometro
Slide n. 46

La fermentazione
Biochimica della fermentazione
La fermentazione è la trasformazione degli zuccheri semplici ad opera del lievito.
Gli zuccheri vengono catabolizzati secondo lo schema Embden-Meyerhof-Parnas
(glicolisi anaerobica). I fenomeni principali della fermentazione sono:
- Moltiplicazione del lievito
- Catabolismo dei carboidrati
- Formazione dell’alcool etilico
- Formazione della anidride carbonica
Glucosio + 2Pi+2ADP = 2 etanolo + 2CO2 + 2ATP + 2 H2O
1 kg di glucosio
produce
Alcool etilico
0,5 kg
CO2
0,5 kg
Calore
1217 kJ
+ prodotti secondari: acetaldeide, diacetile, esteri, alcoli superiori, SO2
Slide n. 47

Il lievito – Informazioni generali
• I lieviti sono organismi eucarioti; sono funghi unicellulari che si riproducono per
gemmazione. Il lievito utilizzato per la fabbricazione della birra appartiene al
genere Saccharomyces che a sua volta appartiene agli ascomiceti, caratterizzate
dalla produzione di ascospore dopo la riproduzione sessuale.
• La tipica cellula di lievito ha un diametro di 8-12 micron. Si moltiplica fino a 30
volte durante il suo ciclo vitale. Si veda la fotografia al microscopio elettronico.
• La tassonomia dei lieviti è stata ed è tuttora controversa. Comunemente si
accetta questa suddivisione:
- Saccharomyces uvarum (o Carlsbergensis): lievito a bassa fermentazione, floccula
al termine della fermentazione. Utilizzato per birre lager.
- Saccharomyces cerevisiae: lievito ad alta fermentazione, flotta al termine della
fermentazione. Utilizzato per le classiche “Ale” inglesi.
• I birrai chiamano “lieviti selvatici (wild yeasts)” tutti i lieviti al di fuori dei due citati
• I due lieviti di alta e bassa fermentazione si distinguono per una serie di
caratteristiche biochimiche
Slide n. 48

Utilizza melibiosio
Non cresce a 37 °C
Lieviti a bassa ed alta fermentazione
Saccharomyces uvarum
Respirazione limitata in medium con 0,3 %
glucosio
Sedimenta al termine della fermentazione
Fermenta bene a basse temperature (6 -12
°C)
Più sensibile all’inibizione catabolica
Forma più composti solforati (SO2 > 4 mg/L)
Non utilizza melibiosio
Respirazione maggiore in medium con 0,3 %
glucosio
Sale in superficie al termine della fermentazione
S edimenta a basse temperature
Meno sensibile all’inibizione catabolica
Cresce a 37 °
S. cerevisiae
Forma meno composti solforati (SO2 < 2 mg/L)
Slide n. 49

Fermentazione e respirazione nel lievito da birra
• I lieviti per birra sono anaerobi facoltativi che possono metabolizzare glucosio ed
altri zuccheri sia in condizioni anaerobiche che aerobiche. Durante la crescita
aerobica possono contribuire al catabolismo del glucosio sia la fermentazione che
la respirazione; in condizioni anaerobiche è possibile la sola fermentazione
• Energeticamente è più favorevole respirare che fermentare , perciò il lievito
dovrebbe diminuire la fermentazione in favore della respirazione tutte le volte che
è possibile. Questa risposta del lievito viene detta effetto Pasteur
• Tuttavia, durante la crescita aerobica di S. Cerevisiae la respirazione ammonta a
meno del 10 % di tutto il catabolismo del glucosio; il resto viene fermentato.
Perciò, possiamo dire che l’effetto Pasteur è normalmente assente nel lievito da
birra.
• Concentrazioni crescenti di zuccheri provocano la repressione da cataboliti nel
metabolismo ossidativo di S. Cerevisiae, fenomeno noto come “Crabtree effect”.
Perciò i lieviti da birra sono definiti “Crabtree-positivi”
Slide n. 50

specific gravity
Schema di fermentazione - 1
Il diagramma tempo-t°-grado apparente-temperatura –crescita del lievito
15,0 5 20
12,5 4
t°
10,0 3
7,5 10
2
5,0
2,5
dry weight mg/L
specific gravity
(grado apparente)
1 5
1,0 0 0
0 40 80 120
Time (h)
160 200
dry weight yeast
15
temperatura °C
Slide n. 51

ethanol (g/L)
60 250 5,1
50 200 4,7
40 150 4,5
30
20
10
Schema di fermentazione - 2
Il diagramma tempo-etanolo-FAN–pH
ethanol
100 4,3
50 4,1
0 0 3,9
0 40 80 120 160 200
Time (h)
FAN
pH
FAN (mg/L) Free Aminoacids
pH
Slide n. 52

cells / ml (x 10 E6)
60 100
50 80
Cells/ml
40 60
30
20
10
Schema di fermentazione - 3
Il diagramma tempo-cellule –Ossigeno disciolto
0
O2 disciolto
0
0 40 80 120
Time (h)
160 200
La velocità con cui diminuisce la concentrazione delle cellule in sospensione è correlata con
la natura genetica del lievito e viene indicata come FLOCCULENZA
40
20
Dissolved oxygen tension %
Slide n. 53

Conduzione della fermentazione
• Apparentemente succede poco nelle prime 10 ore dopo il dosaggio del lievito nel
mosto: il lievito si trova nella lag-phase. La moltiplicazione del lievito è limitata e
l’estratto apparente cambia di poco.
• D’altra parte c’è una veloce captazione di ossigeno mentre pH e FAN cambiano in
modo trascurabile. E’ indice che che il lievito si sta adattando alle ricche
condizioni nutrizionali del mosto fresco.
• La fase lag è seguita da un periodo esponenziale di crescita con rapida
diminuzione dell’estratto apparente, l’incremento nella produzione di etanolo,
accompagnata da una continua discesa del pH e la captazione di prodotti azotati
dal mosto.
• Dopo circa 60 ore la moltiplicazione del lievito decresce, rallenta la produzione di
etanolo e la captazione di azoto; il lievito entra nella fase stazionaria. La
fermentazione continua anche nella fase stazionaria prima di arrestarsi
completamente.
• A seconda delle condizioni di arieggiamento e dosaggio iniziale, la biomassa del
lievito si accresce dalle 2 alle 4 volte.
Slide n. 54

Conduzione della fermentazione
• Il mosto freddo ricevuto dalla sala cottura viene abbondantemente arieggiato
attraverso un iniettore prima di ricevere il lievito. La quantità di aria determina il
contenuto in esteri ed SO2
• Nella tubazione che porta il mosto freddo al fermentatore viene dosato il lievito
necessario alla fermentazione. Al pari dell’arieggiamento la quantità di lievito
contribuisce al profilo aromatico della birra finita. In un fermentatore vengono
immesse un numero variabile di cotte: da 2 fino a 8-10.
• Al termine della fermentazione il lievito si deposita sul fondo del fermentatore;
viene raccolto attraverso una pompa a lobi e può essere riutilizzato 3-5 volte. La
velocità di sedimentazione è correlata con la flocculenza del lievito.
• La CO2 in eccesso viene raccolta in un pallone, purificata, compressa e
rievaporata per altri utilizzi.. Per esempio:
- carbonatazione dell’acqua di standardizzazione,
- lavaggio bottiglie alla riempitrice per rimuovere l’aria,
- gas-bubbling durante il raffreddamento del fermentatore
• Per effettuare una fermentazione in condizioni controllate, i fermentatori sono
equippaggiate con tasche di raffreddamento
Slide n. 55

Diagramma di fermentazione – Sistema TL - Unitank
17
16
15
14
13
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
-1
-2
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
temperatura Plato pressione
Quotidianamente il cantiniere misura con un semplice saccarometro il grado apparente (grado
Plato=°P) della birra in fermentazione determinando le operazioni da effettuare in cantina
fermentazione:
•Messa a recupero CO2
•Free rise (nei processi TL=Tropical Lager)
•Recupero lievito
•Maturazione a caldo (“pausa diacetile”)
•Raffreddamento + Maturazione a freddo
Slide n. 56

Grado
Inizio fermentazione
Conduzione della fermentazione
La misura del grado (estratto) apparente
Grado durante la
fermentazione
Grado
fine fermentazione
Grado limite
Estratto fermentescibile
Delta estratto
Estratto limite
Slide n. 57

La maturazione a caldo – La “pausa pausa diacetile” diacetile
• Durante la fermentazione si producono decine di composti secondari (gradevoli e
sgradevoli), presenti in quantità minime (milligrammi o microgrammi litro) ma con
un fortissimo impatto organolettico.
Acetaldeide
Etile acetato
Isoamile acetato
Alcooli superiori
Diacetile
Parametro
H2S
Dimetil solfuro
carboidrati
FAN + carboidrati
FAN + carboidrati
FAN + carboidrati
FAN + carboidrati
Metionina, SO4
DMSO
metabolismo
mg/L
mg/L
mg/L
mg/L
Descizione
mela acerba
solvente
mela, kiwi
anice
burro, rancido
uova marce
cipolla
in prodotto finito
2,0 – 4,0
16,0 – 18,0
1,5 – 2,5
80 - 110
• Tra i composti sgradevoli, il DIACETILE è quello che più di ogni altro va
controllato in cantina
u.m.
ug/L
ug/L
ug/L
Valore
10 - 30
5 - 10
30 - 50
Slide n. 58

La maturazione a caldo – Aspetti biochimici
• Il diacetile è un dichetone vicinale; è pesente nella birra al termine della
fermentazione insieme ad un altro dichetone vicinale, il 2-3 Pentandione. Dalla
letteratura tedesca, vengono complessivamente indicati come VDK (Vizinal Di
Ketons)
• La soglia di percezione del diacetile è di circa 30 ppb (anche se in letteratura si
riporta 100 ppb) , quella del pentandione è circa 10 volte più elevata
2,3 pentandione
treonina
Alfachetobutirrato
Alfa-aceto-alfa
idrossibutirrato
isoleucina
piruvato
Alfa
acetolattato
valina
diacetile
Slide n. 59

Conduzione della “pausa pausa diacetile” diacetile -
• Gli alfa-aceto-idrossi-acidi in eccesso sono escreti dalla cellula lievito nella birra
• Nella birra subiscono la decarbossilazione non-enzimatica a dichetoni vicinali
• I dichetoni vicinali possono essere riassorbiti dal lievito per essere ridotti ai
corrispondenti dioli.
• Nella prassi, una volta recuperato il lievito si deve attendere 2-3 giorni prima che il
diacetile venga riassorbito al di sotto della soglia di percezione
• La velocità di riassorbimento del diacetile da parte del lievito è un indicatore del
suo stato di salute. Se il lievito è stato maltrattato (lunghi stoccaggi, colpi di
freddo, stoccaggi a temperature elevate, selezione della componente
flocculenta..) provocano riassorbimenti lenti del diacetile
• Se la sofferenza del lievito è stata eccessiva, il diacetile non viene più riassorbito
nemmeno dopo lunghe pause e la birra deve essere tagliata
• Al termine della pausa diacetile il fermentatore viene raffreddato a circa 0 °C
(servono 2-3 giorni) ed inizia la maturazione a freddo
Slide n. 60

Maturazione a freddo
• La maturazione a freddo si svolge nello stesso tank di fermentazione, nei
processi unitank. Alternativamente, si procede ad un raffreddamento in uno
scambiatore a glicole o ricircolando sullo stesso fermentatore o travasando in
un altro tank.
• La maturazione a freddo (lagering) è un processo di stabilizzazione naturale.
• I complessi tanno-proteici rimasti al termine del processo di chiarificazione del
mosto si aggregano e precipitano per effetto della prolungata esposizione al
freddo.
• La maturazione a freddo aiuta anche la precipitazione delle bratteole dei coni
di luppolo, nel caso si utilizzassero in ricetta abbondanti quantità di pellets o di
coni pressati
• Il processo di maturazione a freddo dura 3-14 giorni a seconda del tipo di
ricetta
• La maturazione a freddo si integra con altri processi di stabilizzazione
effettuata con coadiuvanti tecnologici
Slide n. 61

Slide n. 62

La cantina di fermentazione e maturazione
La cantina a vasche aperte
Un moderno fermentatore cilindro-conico
Slide n. 63

Filtrazione - Tecnologia
• La filtrazione è un processo di separazione nel quale le cellule di lievito ed altri
prodotti intorbidanti ancora presente nella birra matura devono essere rimossi .
• Lo scopo della filtrazione è quello di stabilizzare la birra, in modo che non si
verifichino cambiamenti visibili per la durata della shelf-life del prodotto.
• Esistono fondamentalmente due meccansmi di separazione
- Per setacciatura o filtrazione di superficie. Le particelle che non possono
passare attraverso i pori del filtro vengono trattenute e formano uno strato a
spessore crescente
- Per filtrazione di profondità. La filtrazione è supportata da un mezzo di
separazione costituito da materiale molto poroso. La superficie di scambio è
enormemente aumentata dalla struttura del mezzo di separazione; inoltre, la
presenza di labirinti costringe il liquido a seguire percorsi tortuosi aumenando
l’efficienza di filtrazione.
• Nel settore birrario la tecnologia più diffusa è per filtrazione di profondità, in cui il
mezzo di separazione è costituito da farine fossili (Kieselguhr - terra di diatomee-
Diatomaceous Earth) a diversa granulometria: grossolana, media, fine.
• I filtri contengono delle strutture (piatti o candele filtranti) cui i kieselguhr si
aggrappano dopo essere stati dosati nel filtro
Slide n. 64

Filtrazione
Diagramma delle porosità porosit dei diversi sistemi di filtrazione
Lieviti
Filtrazione KG
Slide n. 65

Conduzione della filtrazione
• La filtrazione con kieselguhr (KG) viene effettuata usando un setaccio di filo
avvolto con un grado di ritenzione di 70 – 100 micron. La superficie del
setaccio è di 80-120 m2 per un filtro da 500 hl/h
• Primo Prepannello: si applica uno strato di circa 700-800 grammi/m2 di KG
sospeso in birra o acqua desaereata, allo scopo di trattenere i KG a grana più
fine che verranno successivamente dosati. Il prepannello può costituire fino al
70 % del consumo totale di KG
• Secondo Prepannello: si applica uno strato di circa 7-800 grammi/m2 di KG,
allo scopo di chiarificare perfettamente anche la prima birra che arriva dalla
cantina. Tra primo e secondo prepannello si dosano 1000 g/m2 di KG.
• Dosaggio in continuo: Serve a mantenere la permeabilità dei prepannelli
durante tutto il ciclo di filtrazione. In questo modo si garantisce la costanza
del flusso di birra in ingresso ed uscita dal filtro. I comuni dosaggi si aggirano
sui 80-120 g/hl di birra
• Nel corso della filtrazione, la pressione a monte del filtro aumenta
progressivamente fino ad un delta pressione ingresso-uscita di circa 6 bar. A
questo punto la filtrazione va interrotta per evitare il danneggiamento delle
strutture metalliche del filtro.
Slide n. 66

Birra Matura
Filtro PVPP
Tank Birra Filtrata TBF
Filtrazione – Il flusso del processo
Farine fossili
PVPP
Stabilizzante
Centrifuga
Filtro
KG
Gel di silice
Stabilizzante
Slide n. 67

Stabilizzazione colloidale - Tecnologie
• La birra filtrata è instabile dal punto di vista microbiologico e colloidale
• L’instabilità biologica è dovuta alla non completa rimozione di lieviti e batteri
da parte della filtrazione. Viene corretta ricorrendo a trattamenti termici
(pastorizzazione) o ad ulteriori filtrazioni (microfiltrazione)
• L’instabilità colloidale è dovuta alla presenza di complessi polifenoli-proteine
che tendono ad intorbidare la birra nel tempo.
• Se immergiamo una bottiglia di birra in acqua ghiacciata, vedremo formarsi
della torbidità: questo è il torbido a freddo (chill haze). Se riscaldiamo la
bottiglia a 60 °C il torbido scompare. Provando a ripetere l’esperimento più
volte, vedremo che il torbido non scompare più: si tratta del torbido
permanente (permanent haze).
• Il torbido a freddo è il precursore del torbido permanente, con il quale
condivide la composizione. Si tratta dei prodotti della degradazione di
proteine ad alto peso molecolare che, in combinazione con polifenoli ad alto
grado di condensazione (prevalentemente polifenoli), formano degli aggregati
visibili ad occhio nudo. Diversi fattori influenzano la formazione del torbido
permanente. Quando l’aggregato è molto grande, l’esposizione successiva al
calore non è più in grado di dissolverlo
Slide n. 68

Schema di formazione del torbido colloidale
Chill haze
Complessi proteici
(Legami a idrogeno)
Complessi polifenolici
calore
Ossigeno
Metalli
pesanti
agitazione
luce
Permanent
haze
Complessi
Proteici
+
Complessi
Polifenolici
Attraverso la misura della torbidità forzata possiamo stabilire qual è la stabilità colloidale del
prodotto
Slide n. 69

Stabilizzazione colloidale - Tecnologie
• Agendo su uno dei due componenti del torbido permanente si riesce ad
aumentare la stabilità colloidale.
• Schematicamente:
Gel di silice Agisce sulla Componente proteica
PVPP Agisce sulla
Componente polifenolica
Slide n. 70

Stabilizzazione colloidale – Il gel di silice
• I preparati di gel di silice agiscono sui polipeptidi intorbidanti senza inficiare la
stabilità della schiuma.
• Si utilizzano in dosi tra 10-100 g/hL e vengono dosati normalmente in
contemporanea con le farine fossili, venendo trattenuti dal filtro KG
• I gel di silice vengono preparati trattando i silicati di sodio con acido solforico
• I pori del gel hanno un diametro in torno ai 3,0 – 3,5 micron.
• Un importante fattore di applicabilità è costituito dalla distribuzione
particellare: infatti particelle troppo piccole, pur essendo più efficaci,
tenderebbero ad intasa il filtro KG molto rapidamente.
• Per questo motivo le particelle di gel hanno una dimensione attorno ai 40
micron.
• I gel di silice NON possono essere rigenerati, a differenza del PVPP
Slide n. 71

Stabilizzazione colloidale – Il PVPP
Poli oli-Vinil inil-Poli oli-Pirrolidone irrolidone
• Il PVPP è un composto organico caratterizzato da un cross-linking
tridimensionale ed ulteriormente fissato da catene intermoleolari.
• Si presenta come una polvere bianca insolubile in tutti i comuni solventi; in
acqua non si discioglie, ma rigonfia.
• Il PVPP rimuove selettivamente tutte le sostanze fenoliche. Tale selettività
dipende dalla formazione pH dipendente di legami idrogeno che vengono
eliminati dal trattamento con alcali: tale principio è alla base della
rigenerazione del PVPP
• Attualmente il PVPP viene utilizzato in combinazione con il gel di silice, in
modo da garantirsi l’azione su entrambe le componenti del torbido
permanente.
• I dosaggi del PVPP sono intorno a 20 – 50 g/hL.
• Il PVPP può essere utilizzando sia nella forma a perdere che rigenerabile.
Slide n. 72

Il dosaggio del PVPP
• L’impianto è costituito da un filtro a piatti equipaggiato con dosatore e pompa.
• All’inizio della stabilizzazione, l’acqua di sterilizzazione riempie il filtro e viene
eliminata dalla CO2.
• Lo strato di PVPP residuo dal trattamento precedente sui piatti viene rimosso
e pompato al dosatore tramite un sistema ad albero rotante. Il filtro rimane
sotto pressione di CO2
• Durante la rotazione il filtro viene risciacquato e il PVPP rimanente viene
inviato al dosatore.
• Il filtro viene riempito di birra filtrata contenente PVPP in sospensione che si
deposita sui piatta per costituire un prepannello.
• La stabilizzazione della birra si effettua dosando PVPP sul flusso della birra: il
PVPP viene trattenuto sui piatti del filtro
• Al termine della filtrazione la birra residua nel filtro PVPP viene spinta con
acqua deareata
Slide n. 73

La rigenerazione del PVPP
• Lo strato (“torta”) di PVPP del filtro viene lavato con acqua calda
• Si pompa una soluzione di soda caustica alla concentrazione 1 % e 85 °C
all’interno del filtro PVPP
• La soluzione caustica viene fatta ricircolare
• La soda viene spostata da acqua calda
• Si pompa una soluzione di acido diluito (normalmente acido fosforico) per
neutralizzare completamente il circuito.
• Infine si procede alla sterilizzazione del circuito con acqua calda.
• Il filtro PVPP è pronto per un altro ciclo di stabilizzazione
• La rigenerazione con soda è un processo estremamente efficace: la
soluzione di soda diventa rossa per effetto della presenza di pofenoli e va
diluita prima di essere immessa negli scarichi
• La perdita totale annua di PVPP si aggira sullo 0,5 – 1,0 % in peso, per
effetto della formazione di particelle fini dovute all’usura meccanica. E’ buona
norma installare un filtro trappola a valle del PVPP per trattenere queste
particelle
Slide n. 74

Struttura dei Kieselguhr – Struttura del PVPP
Struttura dei KG al
microscopio elettronico
Struttura chimica del PVPP e legame
con i fenoli
Slide n. 75

Il Tank Birra Filtrata - TBF
• La birra filtrata e stabilizzata viene immessa in tank a pressione (ca. 0,9 bar)
pronta per essere imbottigliata o infustata.
• E’ buona norma tenere la birra in TBF il minore tempo possibile per evitare
riscaldamenti che potrebbero inficiarne la stabilità microbiologica e, quindi,
organolettica
• Idealmente, la birra deve stazionare in TBF a 2-3 °C per massimo 2-3 giorni.
Slide n. 76

FINE
Slide n. 77