Impianto per la produzione della birra Revision : 2.0 Date: 10/05/2000 Author: Nicolosi N.

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1 FESTO Spa Sistemi di apprendimento Impianto per la produzione della birra Revision : 2.0 Date: 10/05/2000 Author: Nicolosi N. 1

2 Premessa Perché un impianto di produzione della birra Le ragioni principali che hanno spinto la ns Società, con la divisione Sistemi di apprendimento ( SA ), a proporre un impianto di produzione della birra, risiedono principalmente nella ns mission. Infatti abbiamo come obiettivo quello di trasmettere alle scuole e alle istituzioni che si occupano di didattica l esperianza che abbiamo maturato nelle attività di formazione e consulenza rivolte ad aziende dei settori più disparati, proponendoci come partners qualificati in grado di aiutare la scuola a perseguire sia gli obiettivi curriculari che la realizzazione di percorsi formativi postcurriculari finalizzati alla creazione di specifiche figure professionali. L idea forte che portiamo avanti è quella di ricostruire in ambito scolastico, quale laboratorio-palestra di sperimentazione, uno scenario di fabbrica nel quale si possono riprodurre uno o più processi produttivi ad alto contenuto tecnologico e in un contesto nel quale l Automazione è uno degli aspetti dominanti. In questo modo, ricreando situazioni e contesti reali, riusciamo a sperimentare diversi percorsi formativi che opportunamente calibrati, fanno acquisire non solo delle competenze di base sulle varie tecnologie ma anche competenze trasversali che professionalizzano l individuo. Nell ambito dei processi di produzione discreta, abbiamo disegnato diverse soluzioni che hanno ottenuto ampio consenso nel mondo della scuola. Le figure professionali che vengono incentivate sono quelle collegate con la logica di produzione a celle di lavoro automatizzate, dove le problematiche maggiori sono connesse con la gestione del flusso dei materiali ( logistica, supply chain, ecc. ), con le operazioni di assemblaggio, con la movimentazione, con le fasi di lavorazione dei singoli pezzi, fino al controllo di qualità e al packaging. Ci mancava pertanto un paradigma che coniugasse la realtà della produzione continua, ovvero tutto ciò che è relativo al trattamento dei fluidi e ai processi di trasformazione degli stessi. Un esempio sono le industrie alimentari che producono bevande di ogni genere o le industrie di raffinazione dei derivati del petrolio. Pur restando costanti alcune competenze di base nell analisi degli impieghi e dei ruoli all interno di tali contesti, non v è dubbio che alcune figure hanno una caratterizzazione propria che prescinde dalla prima tipologia di produzione: tale caratterizzazione è da attribuirsi in parte a diverse soluzioni tecnologiche e in parte alla stessa configurazione/layout di un qualsiasi impianto di produzione continuo. In sintesi si potrebbe dire che un impianto per la produzione di fluidi ( bevande alimentari, liquidi vari, combustibili, ecc. ) offre non solo una diversa tipologia di problematiche ma può addirittura comprendere, quale sottoinsieme, tutte quelle relative alla produzione discreta ( si pensi ad un impianto di produzione di una bibita dove oltre al trattamento dei fluidi, gas, ingredianti, ecc, vi è anche il processo di imbottigliamento, di packaging, con la creazione /assemblaggio dei contenitori in loco utilizzando macchine tipiche della produzione discreta). Pertanto abbiamo pensato di proporre la riproduzione in laboratorio di un impianto che rispecchiasse un processo continuo. La scelta è caduta sulla produzione della birra perché nella sua complessità permette di affrontare e sperimentare tematiche che spaziano dalla meccanica all elettronica, dalla chimica all informatica e dall alimentaristica all impiantistica industriale, ecc., con il vantaggio non necessariamente accessorio di esprimere in modo tangibile il risultato di un qualsiasi percorso di formazione. Obiettivi e finalità del progetto Il progetto è stato pensato per realizzare un impianto in scala ridotta che riproduce una fabbrica industriale di birra, che sia in grado di : - fungere da laboratorio didattico globale orientato all acquisizione di competenze nell area chimico- impiantistica, privilegiando gli aspetti correlati con l automazione di processo - fungere da laboratorio didattico sperimentale con l obiettivo di padroneggiare parametri e variabili del processo di produzione in modo da inventare soluzioni nuove per l ottenimento di nuovi prodotti - produrre realmente dell ottima birra ( anche se limitata ) e che pertanto possa servire anche come impianto pilota per la sperimentazione di nuove miscele 2

3 Considerando gli aspetti puramente didattici dell impianto, esso copre una vasta area di studio e a seconda della configurazione può essere distintamente orientato a due diverse tipologie di istituti: - Istituti Tecnici e Professionali Agrari - Istituti Tecnici e Professionali di tipo Industriale per le specializzazioni Chimica impiantistica ed alimentare Nel primo caso è possibile sviluppare dei percorsi formativi diretti alla comprensione delle seguenti tematiche: - studio dell impiantistica - sperimentazione dei cicli di produzione e implementazione delle ricette di produzione - acquisizione, regolazione e controllo delle grandezze fisiche e dei parametri di processo - controllo della qualità della produzione - ottimizzazione dei cicli di produzione Nel secondo caso, mediante una particolare soluzione che tende a privilegiare l automazione e il controllo oltre agli aspetti più tipicamente chimico-alimentaristici: - impiantistica industriale - trasferimenti di massa - bilanci di massa e granulometria - termoprocessi con evaporazioni e condensazioni - filtrazione e fermentazione - Analisi da laboratorio per il controllo del prodotto - controlli e regolazioni - automazione di processi - Visualizzazione e supervisione tramite controllori programmabili A livello di produzione, l impianto è in grado di produrre 100 litri di birra alla volta. L impianto può essere fornito in versione a bassa automazione o in versione ad alto contenuto di automazione, come di seguito descritto. Descrizione dell impianto Architettura di base L impianto è composto da 2 telai in acciao inox completi di ruote e con una vasca di raccolta. Il primo telaio ha le funzioni di macinazione, estrazione, cottura, ciclo whirpool e refrigerazione del mosto ed è costituito da : - un tino per l estrazione e la cottura del mosto, realizzato in acciaio inox AISI 304, con riscaldamento elettrico tramite resistenza a spirale di 3x1.800 W, con termometro e termoregolazione. - Un tino sempre in acciaio inox per il ciclo Whirpool e la prima fase di refrigerazione - Un impianto di filtrazione e di addolcimento dell acqua - Un mulino di macinazione del malto a funzionamento manuale costituito da un convogliatore e da due cilindri - Una pompa centrifuga elettrica monofase con attacchi in acciaio e teflon secondo le norme DIN, utilizzata per il ciclo Whirpool e il trasporto del mosto nel serbatoio di fermentazione - Un impianto di refrigerazione del mosto a scambiatore di calore ad acqua corrente - Impiantistica elettrica e fluidica a norme - Un pannello di controllo per la gestione dell energia elettrica e delle altre funzioni inerenti all impianto 3

4 Il secondo telaio ha le funzioni di fermentazione, maturazione e spillatura della birra ed è costituito da: - un tino di fermentazione cilindro conico realizzato in acciaio inox e completamente coibentato con valvola solenoide per la regolazione del flusso di acqua refrigerata, valvola gorgogliatrice per i gas della fermentazione, pannello di controllo con sonda di temperatura e display programmabile - un tino per la maturazione della birra cilindrico in acciaio inox, completamente coibentato e termoregolato tramite il flusso di acqua gelida, con valvola solenoide per il controllo del flusso, valvola per la compensazione e pressurizzazione della CO 2, pannello di controllo e sonda di temperatura - un refrigeratore per la produzione dell acqua gelida costituito da un compressore frigorifero, con pompa di ricircolo, pannello di controllo, spie e termostato di regolazione - una pompa centrifuga monofase per il trasferimento della birra acerba dal tino di fermentazione a quello di maturazione - sistema per la spillatura con riduttore di pressione,con manometro ad alta e bassa pressione, colonna di spillatura in ottone e rubinetto con leva di regolazione micrometrica della schiumosità - impiantistica elettrica e fluidica a norme L impianto così descritto è operativo solo manualmente e pertanto tutte le operazioni devono essere eseguite da un operatore esperto: l attenzione è più rivolta al processo di produzione che non agli aspetti di controllo. L operatore comunque deve impostare i parametri dei diversi regolatori interni per il corretto funzionamento: - la temperatura del tino di estrazione - la temperatura del tino whirpool - i profili di temperatura del serbatoio di fermentazione tramite il regolatore digitale - i profili di temperatura del serbatoio di maturazione tramite il regolatore digitale - la temperatura dell acqua di refrigerazione Configurazione automatizzata In questo caso l impianto di base rimane inalterato ma è quasi in tutte le operazione controllato e controllabile da un sistema intelligente costituito da: - un PLC con ingressi e uscite analogiche e digitale - un PC di tipo IBM compatibile - un sw di controllo, gestione e monitoraggio - un sistema di supervisione Nel primo impianto vengono controllate le operazioni di apertura e chiusura dei vari percorsi fluidici per l immissione di acqua, il trasferimento del mosto, la fase whirpool, e il controllo e la regolazione delle temperature in entrambi i tini. Nel secondo impianto vengono controllate le temperature di fermentazione e di maturazione, con la possibilità di impostare i profili mediante il PC e di memorizzarli. Inoltre tutto l impianto è visualizzabile e si può acccedere agli elementi automatizzati in maniera autonoma. Questa caratteristica permette di controllare anche a distanza la maggior parte delle fasi del processo di produzione. Descrizione del processo Il processo ècomposto dalle seguenti fasi: - macinazione della miscela di malto secondo la ricetta personale o disposizione di un kit già pronto ( malto, cereali, luppolo, ecc. ) - riempimento della caldaia di cottura tramite acqua a 78 C ca - processo di saccarificazione della miscela a temperatura controllata ( 78 C ) - trasferimento della miscela nel serbatoio di filtrazione e filtrazione con ricircolazione tramite pompa 4

5 - ritorno della miscela nella caldaia ed effettuazione di una cottura a 100 C ( aggiunta di luppolo ) - miscelazione con effetto whirpool nella caldaia - trasferimento della miscela nel serbatoio di fermentazione ( aggiunta di lievito ) - fermentazione per 1 settimana a 13 C e sotto pressione - trasferimento della miscela nel serbatoio di maturazione - maturazione per 3-4 settimane a 1 C - spillatura manuale La spillatura è effettuata manualmente per ovvie ragioni, ciononostante la si può automatizzare in fase successiva nel caso in cui si vuole imbottigliare con un impianto di tipo MPS che provvede anche ad etichettare e stoccare in magazzini. Memorandum sul metodo e ipotesi per una ricetta di produzione Gli ingredienti di base della birra sono: - il malto d orzo in genere - l acqua - il luppolo - il lievito - ossigeno, anidride carbonica Preparazione del malto Il malto viene preparato in genere a partire dall orzo secondo il processo di maltizzazione che è così descritto: - i chicchi d orzo selezionati vengono stesi nel maltatore uniformemente e e immersi in acqua o in ambiente super umido per favorire la germogliazione - appena compaiono i germogli, viene bloccato il processo immettendo aria calda a gradi in modo da far seccare i germogli - così facendo si generano degli amidi semplici da utilizzare per la fase di fermentazione, non altrimenti disponibili. Il risultato sono dei chicchi d orzo maltizzati che in genere vengono posti in silos per il contenimento. Preparazione della birra Ogni birra ha la sua propria ricetta che è stata formulata in base a risultati sperimentali ottenuti mediante l iterazione di prove nelle quali i diversi parametri di produzione vengono fatti variare adeguatamente per il raggiungimento o l approssimazione del risultato desiderato. In generale il procedimento è il seguente: - si parte con la pesatura del malto che definisce il primo parametro di base, cioè il rapporto tra quantità di malto e quantità di acqua - segue la fase di macinazione del malto che in genere è eseguita mediante una macina a rulli contrapposti dei quali è possibile regolare la distanza reciproca, in modo da poter schiacciare in più o in meno i chicchi, fattore che può condizionare la quantità di amido reso disponibile nella fase di cottura - il malto macinato viene versato in un recipiente che contiene una quantità d acqua nel rapporto di ca 1:4 e che è dotato di palette per la trebbiatura del malto che si muovono circolarmente durante la fase di miscelazione. - Tale fase ha una durata di ca 1,5 2 ore e deve essere fatta seguendo un certo profilo termico come sotto riportato: 5

6 C 64 C 70 C C 52 C minuti T (min) Dopo questa fase alla fine della quale si effettua un prelievo del quale si controlla il ph e il grado saccarometrico, si effettua la filtrazione effettuata con microfiltro in acciaio. Dal recipiente di miscelazione il tutto passa ad un altro recipiente per la cottura. - La cottura è la fase successiva alla filtrazione ed avviene per ca 1 ora alla temperatura di C. - In questa fase viene aggiunto il luppolo che in genere è in barattoli. Il luppolo ha la sola funzione di apportare il sapore amaro alla bevanda - Un ciclo di tipo whirpool viene eseguito per depositare i residui in fondo al contenitore; la temperatura è ambiente e il tempo è di ca 10 minuti. In questa fase si controllano di nuovo Ph e grado saccarometrico - A questo punto la miscela viene trasferita in altro recipiente per la fase di fermentazione. - Durante tale trasferimento la miscela può essere arricchita di ossigeno in modo da aumentare l efficacia del lievito, e raffreddata in uno scambiatore alla temperatura di C. - Dopo il trasferimento viene aggiunto lievito che serve a favorire il processo di fermentazione che trasformerà gli amidi in zuccheri e successivamente questi in alcool. - Il processo di fermentazione dura ca 5 giorni con temperature che vanno dagli 8 ai 15 C. - Dopo questa fase segue il processo di maturazione che dura ca 3 settimane e deve avvenire a temperatura di 8-10 C. Questa fase può essere fatta nello stesso recipiente di fermentazione a patto di togliere il lievito residuo sul fondo. - Alla fine della maturazione la birra si può spillare. L operazione in genere è facilitata immettendo nel serbatorio anidride carbonica in modo da creare una adeguata pressione nelle tubature. 6

7 Layout dell impianto Telaio con impianto di macinazione, estrazione, cottura e ciclo Whirpool Telaio con impianto di fermentazione, refrigerazione, maturazione e spillatura 7

8 Schema fluidico del telaio estrazione e cottura 8

9 Schema flussi del telaio fermentazione e maturazione 9

10 Condizioni economiche Product_id Descrizione Prezzo FSSM100500MN Configurazione a comando manuale Impianto così come descritto precedentemente con funzionamento manuale completo di: - - telaio con impianto per la macinazione, estrazione, cottura, ciclo whirpool e refrigerazione completo di tutti gli attacchi - telaio con impianto di fermentazione, maturazione e spillatura della birra completo di tutti gli attacchi - 1 kit completo per la produzione di un lotto di 100 Litri - 1 tanica di detergente - strumenti di base per la misurazione di temperatura, grado saccarometrico e ph. - manuale d uso e manuale tecnico dell impianto - manuale di avviamento con esercitazioni - imballo e trasporto presso la sede del cliente - startup presso la sede del cliente della durata di 10 giorni così suddivisi: giorni per istallazione e setup gg per collaudo, avvio della produzione con l intervento di un mastro birraio e intervento formativo FSSM100500AU Configurazione a comando automatico Impianto così come descritto precedentemente ma gestito in modo automatico e comprensivo di: - il cabinet con il sistema di controllo, il PLC le schede di pilotaggio, i driver di potenza, le pompe, gli attuatori e i sensori - l interfaccia verso il PC - il software di controllo e visualizzazione con le interfacce atte a controllare e programmare i vari cicli - manuale d uso e manuale tecnico dell impianto - manuale di avviamento con esercitazioni - imballo e trasporto presso la sede del cliente - startup presso la sede del cliente della durata di 10 giorni così suddivisi: giorni per istallazione e setup gg per collaudo, avvio della produzione con l intervento di un mastro birraio e intervento formativo Nota : Tutto l impianto è a norme CE e rispetta tutta la normativa antiinfortunistica e alimentare. 10