每一杯啤酒的獨(dú)特口感，都是通過(guò)一系列的釀造步驟獲得的。發(fā)酵是其中重要的一步，其本質(zhì)是將糖轉(zhuǎn)化為酒精的過(guò)程。借助COMSOL Multiphysics，我們可以對(duì)發(fā)酵過(guò)程展開(kāi)研究，并通過(guò)模擬不同的工藝條件來(lái)優(yōu)化釀造效率，進(jìn)而生產(chǎn)出口感更佳的啤酒。
啤酒釀造的幕后
在波士頓生活時(shí)，我最喜歡做的一件事情就是利用閑暇時(shí)間去參觀當(dāng)?shù)氐尼劸茝S(chǎng)。品嘗啤酒，便是品嘗這座城市的味道（雙關(guān)語(yǔ)）。參觀這些釀酒廠(chǎng)可以讓我更深入地了解這些美味的啤酒是如何被精心釀造出來(lái)的，而且還能讓我對(duì)啤酒釀造背后的藝術(shù)與科學(xué)產(chǎn)生更為全面的認(rèn)知，進(jìn)而激發(fā)我對(duì)啤酒釀造過(guò)程產(chǎn)生了濃厚的學(xué)習(xí)興趣。
享用波士頓當(dāng)?shù)蒯劸茝S(chǎng)的一些啤酒樣品。
在之前發(fā)表的一篇博客文章中，我的同事 Fabrice Schlegel 討論了釀造啤酒背后的多個(gè)步驟，以及仿真在改進(jìn)釀造工藝流程中所起的作用。今天，我們將聚焦于其中的一個(gè)特定步驟——發(fā)酵，并探討如何運(yùn)用 COMSOL Multiphysics 來(lái)模擬這一過(guò)程。
探索發(fā)酵過(guò)程
首先，讓我們看看啤酒的四種基本原料：
水
淀粉來(lái)源（大麥芽）
發(fā)酵劑（酵母）
調(diào)味劑（啤酒花）
釀造啤酒時(shí)，首先，將大麥谷物進(jìn)行浸泡及干燥，使其形成麥芽；然后，將麥芽煮沸、混合，使釋放出的淀粉轉(zhuǎn)換為含糖液體，即麥芽汁；隨后將麥芽汁與啤酒花及其他調(diào)味劑一起煮沸，并使用換熱器進(jìn)行冷卻。冷卻是必備的處理工藝，只有冷卻后的麥芽汁才可進(jìn)行啤酒釀造過(guò)程中的下一道工序——你猜到了——那便是發(fā)酵。
發(fā)酵是一個(gè)將糖轉(zhuǎn)化為酒精的過(guò)程。此類(lèi)反應(yīng)通常在密封罐內(nèi)的厭氧環(huán)境中進(jìn)行，所需的反應(yīng)時(shí)間取決于使用的酵母類(lèi)型及發(fā)酵溫度。當(dāng)麥芽汁被冷卻至 20°C 以下，并將酵母添加到混合物中后，麥芽汁便開(kāi)始發(fā)酵。這一轉(zhuǎn)化過(guò)程完成后，我們就得到了稱(chēng)為“啤酒”的產(chǎn)物。
發(fā)酵罐。
圖像由 F?rder Mikrobryggeri 自行拍攝。已獲CC BY 2.0許可，通過(guò)FlickrCreative Commons 共享。
當(dāng)論及發(fā)酵的實(shí)際進(jìn)行過(guò)程時(shí)，酵母類(lèi)型、溫度、初始含糖量都扮演著重要的角色。我們的啤酒釀造過(guò)程中的發(fā)酵教學(xué)模型展示了如何運(yùn)用COMSOL Multiphysics 來(lái)對(duì)發(fā)酵過(guò)程進(jìn)行預(yù)測(cè)。
借助 COMSOL Multiphysics 模擬啤酒釀造過(guò)程中的發(fā)酵
今天展示的分析涉及了兩個(gè)不同的模型設(shè)置。首先使用反應(yīng)工程 接口來(lái)模擬發(fā)酵，假定為完美混合類(lèi)型。與之進(jìn)行對(duì)比，另一種設(shè)置對(duì)球錐形發(fā)酵罐幾何中的傳質(zhì)、傳熱、自然對(duì)流等發(fā)酵過(guò)程進(jìn)行分析。這兩個(gè)模型都采用同一種選定的酵母類(lèi)型，其活性溫度接近 12°C，這是釀造啤酒的理想條件。
在分析中除了要對(duì)不同的糖（占絕大部分的麥芽糖，葡萄糖以及麥芽三糖）進(jìn)行解釋?zhuān)€要考慮其中的兩種調(diào)味劑：乙酸乙酯（EtAc）和乙醛（AcA）。乙酸乙酯（一種酯類(lèi)）可使啤酒的口感更佳，而乙醛（一種醛）則會(huì)使啤酒的口感變差。
發(fā)酵過(guò)程的機(jī)理取決于酵母濃度（被模擬為一種自由物質(zhì)）和反應(yīng)速率，我們使用產(chǎn)率系數(shù)來(lái)計(jì)算產(chǎn)品的濃度以及校準(zhǔn)酒精的生產(chǎn)水平。在此例中，還計(jì)算了氣態(tài)和溶解的二氧化碳。請(qǐng)注意，此處討論的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題在完美混合模型與空間依賴(lài)性模型中完全相同。
完美混合模型
現(xiàn)在，我們已經(jīng)解決了底層的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，讓我們將注意力轉(zhuǎn)向完美混合模型。為了求解這一示例，我們使用了反應(yīng)工程 接口，并在非等溫條件下應(yīng)用了間歇式、恒定體積 反應(yīng)器類(lèi)型。因?yàn)榧僭O(shè)麥芽汁混合物與水具有同樣的熱力學(xué)屬性，故將水作為溶劑。通過(guò)使用冷卻介質(zhì)，便可使發(fā)酵過(guò)程中的溫度低于發(fā)酵罐的初始溫度。
下方一系列的繪圖顯示了第一個(gè)模型的仿真結(jié)果。其中，冷卻介質(zhì)的溫度和發(fā)酵罐的初始溫度均被設(shè)置為 12°C，冷卻速率為 8 W/(m3K)。
繪圖顯示了完美混合模型的仿真結(jié)果。
隨著時(shí)間推移，各種糖分均在減少，而酒精的含量將超過(guò) 5%。這對(duì)啤酒的口感來(lái)說(shuō)意味著什么呢？啤酒中將會(huì)產(chǎn)生大量的醛類(lèi)物質(zhì)，進(jìn)而造成其口感變差。為了提升啤酒的口感，一種解決方法是延長(zhǎng)啤酒的發(fā)酵時(shí)間，當(dāng)醛的濃度達(dá)到最大值后會(huì)開(kāi)始下降。如果您想以更快的速度降低醛的含量，另一種方法是增加酵母的初始濃度。
此外，我們可以從結(jié)果中發(fā)現(xiàn)，最初觀察到的溫度升高是發(fā)生在葡萄糖的快速消耗階段。最后一幅繪圖表明，葡萄糖在 60 小時(shí)后耗盡。
空間依賴(lài)模型
現(xiàn)在，讓我們將目光轉(zhuǎn)向空間依賴(lài)性模型。在本模型中，我們選擇使用了一個(gè)球錐形發(fā)酵罐，它是常用的發(fā)酵反應(yīng)器。此發(fā)酵罐設(shè)計(jì)中的一大優(yōu)點(diǎn)是在罐頂部或底部均可使酵母輕易地從液體中分離出來(lái)，這為控制溫度提供了極大的便利。發(fā)酵罐有時(shí)只是簡(jiǎn)單地放置于冷卻環(huán)境中，然而今天的大多數(shù)啤酒釀造設(shè)備中都內(nèi)置有冷卻套管。
球錐形發(fā)酵罐的示意圖。
為了創(chuàng)建空間依賴(lài)性模型，我們使用了生成空間依賴(lài)模型 特征。由于發(fā)酵罐是軸對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，因而可以通過(guò)一個(gè)軸對(duì)稱(chēng)的幾何圖形來(lái)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行二維建模。冷卻單元以“對(duì)流熱通量”邊界條件的形式實(shí)現(xiàn)，并由冷卻介質(zhì)與發(fā)酵罐之間的溫差來(lái)驅(qū)動(dòng)。
通過(guò)耦合三個(gè)接口——稀物質(zhì)傳遞、層流、流體傳熱——我們將自然對(duì)流作為混合的唯一驅(qū)動(dòng)力。溫度被假定為唯一可對(duì)混合物密度產(chǎn)生影響的屬性，所以將一個(gè)相關(guān)的源項(xiàng)添加到層流接口。
讓我們來(lái)看看仿真結(jié)果。左圖為200小時(shí)后發(fā)酵罐內(nèi)的麥芽糖濃度，右圖為 95 小時(shí)之后發(fā)酵罐內(nèi)的溫度。這兩項(xiàng)研究的結(jié)果表明發(fā)酵罐內(nèi)的液體完全均勻混合。
空間依賴(lài)性模型的仿真結(jié)果。上圖：顯示了 200 小時(shí)之后發(fā)酵罐內(nèi)的麥芽糖濃度。下圖：顯示了 95 小時(shí)后發(fā)酵罐內(nèi)的溫度。
下方的一組繪圖與沿發(fā)酵罐內(nèi)壁延伸至發(fā)酵罐中心區(qū)域的再循環(huán)相符。這種再循環(huán)是自然對(duì)流的結(jié)果，并為發(fā)酵過(guò)程中麥芽汁的混合提供了一種高效的方式。請(qǐng)注意，左圖中出現(xiàn)了一些波紋，這是由于網(wǎng)格解析不夠。更精細(xì)的網(wǎng)格剖分雖然不會(huì)對(duì)物質(zhì)濃度和溫度產(chǎn)生較大影響，但會(huì)顯著增加計(jì)算時(shí)間。
繪圖顯示了速度流線(xiàn)。
結(jié)果對(duì)比
對(duì)兩個(gè)模型進(jìn)行對(duì)比后會(huì)發(fā)現(xiàn)，球錐形反應(yīng)器的冷卻效率更佳，它能使溫度保持恒定為12°C。如果想在完美混合模型中實(shí)現(xiàn)同樣的工藝條件，需要使冷卻速率提升至少一個(gè)數(shù)量級(jí)。
為了獲得與完美混合模型中相同的產(chǎn)品屬性，需要使球錐形反應(yīng)器中的發(fā)酵時(shí)間延長(zhǎng)至 200 小時(shí)以上。最終，我們便可以生產(chǎn)出質(zhì)量更優(yōu)、口感更佳的啤酒。
作者： BridgetCunningham
