Simulación del proceso de fermentación de cerveza artesanal

Abstract

El objetivo de la presente investigación fue estudiar el comportamiento del proceso de fermentación de cerveza artesanal mediante un modelo matemático dinámico. El modelo contiene las tasas de cambio de las variables de estado concentración de glucosa, maltosa y maltotriosa. La variable de salida es la concentración de etanol y como variable auxiliar contempla la concentración de biomasa (levaduras). El modelo contiene varios parámetros que requieren ser estimados a partir de mediciones experimentales. Este modelo fue programado en el ambiente Matlab-Simulink y para su integración numérica se uso el método de Dormand-Prince de cuarto grado con tamaño de paso variable con una tolerancia relativa de 10-8. Para conocer sus parámetros más importantes se realizó un análisis de sensibilidad local que permitió determinar que tanto las velocidades de reacción máxima como contantes cinéticas afectan las variables de estado. Además se llevó a cabo un experimento para producir cerveza artesanal a una temperatura constante. Se implementaron 14 unidades experimentales (fermentadores) con las mismas condiciones iniciales. De cada fermentador, se midieron las concentraciones de las variables de estado incluidas en el modelo matemático. Los tiempos de medición fueron determinados de acuerdo al comportamiento de la dinámica del proceso de fermentación para una temperatura de 16 °C. Usando los resultados experimentales el modelo fue calibrado mediante los algoritmos de optimización mínimos cuadrados no lineales y evolución diferencial. De acuerdo con las estadísticas sesgo (BIAS), cuadrado medio del error (MSE), raíz cuadrada del cuadrado medio (RMSE), error medio absoluto (MAE) y eficiencia de modelación (EF) se encontró un buen ajuste entre las predicciones del modelo y las mediciones de las variables de estado después de la estimación de los parámetros.