|
|
|
BANNER:
|
|
|
SONDAGGIO:
|
|
Nessun sondaggio attivo
|
|
Per votare il sondaggio occorre essere registrati a HobbyBirra
|
|
|
Per accedere alla chat occorre essere registrati a HobbyBirra
|
|
|
|
|
|
|
|
La dinamica dei fluidi
|
|
Una semplice chiave per controllare l’efficienza della filtrazione
|
|
|
scritto da: John J. Palmer e Paul Prozinski
|
|
tradotto da: Nicola Zanella
|
|
vota questo articolo:
|
|
|
Capire come i fluidi si muovono nel nostro tino-filtro attraverso il letto di grani durante lo sparging può aiutare a massimizzare l’efficienza di estrazione.
Nell’articolo “Stepping Up” (1) pubblicato sul numero scorso, Jim Busch ha discusso diversi aspetti della filtrazione, e come raggiungere la massima estrazione manipolando il mash. In questo articolo, esaminiamo lo stesso obiettivo da un diverso punto di vista; cioè, come raggiungere l’estrazione massima manipolando la dinamica dei fluidi all’interno dello stesso sistema di filtrazione. Presentiamo due sistemi di filtrazione usati dagli homebrewer e spieghiamo come il loro design governi il flusso del mosto attraverso il letto di grani e il grado di estrazione raggiunto.
EFFICIENZA ESTRATTIVA
L’obiettivo della filtrazione è quello di sciacquare completamente le particelle dei grani da tutti gli zuccheri sviluppati durante il mashing. Per raggiungere ciò, le particelle devono essere tutte ugualmente bagnate dall’acqua di sparge. L’efficienza dell’estrazione è determinata dalla misura della quantità di zucchero estratta dal grano dopo la filtrazione e comparando quella quantità alla estrazione potenziale teorica.
In un mash ottimale, tutto l’amido disponibile è convertito in zucchero. L’ estrazione ottimale varia in relazione al malto utilizzato, ma è generalmente circa 35 punti/libbra/gallone per un malto base distico. In altre parole, una libbra di malto macinato e infuso in 1 gallone d’acqua dovrebbe dare una densità di 1.035. la maggior parte dei birrai non raggiunge questo grado di estrazione, ma ottiene qualcosa come 1.031. il rapporto fra 31 e 35 rappresenta un’efficienza estrattiva dell’88%. La differenza fra estrazione ottimale e reale può essere attribuita ai fattori che influenzano il mash – temperatura, pH, per esempio – ma può anche essere spiegata osservando come i grani vengono sciacquati.
Un volume unitario di letto di grani contiene un elevato numero di particelle di grano e una quantità sensibile di zucchero assorbito. In un mosto ideale, le particelle hanno tutte la stessa grandezza, sono ugualmente spaziate fra di loro, e sono tutte ugualmente sciacquate. In pratica, ovviamente, non accade questo. Le particelle di grano variano un poco, e questa variazione porta a regioni più dense all’interno del letto di grani. I fluidi scorrono sempre attraverso il percorso a minor resistenza, e ciò porta a problemi di flusso preferenziale attraverso il letto di grani. Alcune regioni verranno completamente sciacquate, e altre saranno lasciate così come sono. Questo fenomeno è detto incanalamento.
Il primo passo per risolvere il problema dell’incanalamento è quello di sovrasaturare il letto di grano mantenendo uno strato di circa 1in. d’acqua sopra i grani. Tenendo il letto sovrasaturato con acqua, i grani rimangono in uno stato fluido e non sono soggetti a compattarsi a causa della gravità. Ciascuna particella è libera di muoversi, e il liquido è libero di muoversi attorno ad essa. La compattazione dei grani a causa della perdita di fluidità è la causa principale del blocco dello sparging.
Il passo successivo verso una filtrazione ottimale è il drenaggio uniforme del mosto attraverso le particelle di grano. Notate che sovrasaturando i grani, abbiamo anche posto le condizioni per un completo drenaggio, almeno finché sussistono le condizioni di sovrasaturazione.
Le dinamiche dei fluidi durante il drenaggio del mosto è dove incontriamo le variabili maggiori. La sovrasaturazione può essere facilmente mantenuta, e così possiamo concentrarci su come il flusso e il bacino di raccolta influenzano il processo di filtrazione. Questo articolo svilupperà questi temi.
MECCANISMI DI RACCOLTA DEL MOSTO
Gli homebrewer usano due tipi comuni di raccolta del mosto, il falso fondo e il collettore a tubi, ma continuano a dibattere su quale tipo di sistema sia il migliore. Questo articolo presenta i principi e il rapporto vantaggi/svantaggi del vostro sistema, qualunque esso sia.
Il falso fondo (Figura 1) fu una dei primi sistemi di filtraggio usati, ed è il più comune nelle birrerie commerciali. A scala domestica, consiste spesso in due secchi inseriti l’uno nell’altro, e la base del secchio interno è forata con centinaia di piccoli buchi. Sono disponibili in commercio anche falsi fondi di acciaio inossidabile o ricavati da fogli di plastica.
L’altro tipo di sistema di filtraggio è il collettore a tubi, che può essere costruito con tubi rigidi e con tubi morbidi; la Figura 2 mostra un comune sistema utilizzato dagli homebrewer, che consiste in un frigo da campeggio rettangolare nel quale è inserito il collettore a tubi. I tubi sono sistemati per coprire la maggior parte dell’area della base del frigo, e i tubi sono intagliati fino alla metà per consentire il passaggio del mosto. Sono comuni anche i tubi bucherellati. Una popolare variazione di questo concetto è quella che prevede di arrotolare un pezzo di rete e attaccarlo alla fine di un tubo non intagliato. Sebbene questo metodo provveda più o meno l’efficienza del sistema a tubi intagliati, l’area di raccolta viene localizzata con un’area particolare del letto di grani. Questa variabile nel filtraggio verrà discussa nelle successive sezioni. Entrambe le varianti sono facili da costruire, e possono produrre un’efficienza estrattiva paragonabile al miglior falso fondo.
DINAMICHE DEI FLUIDI
Quali sono le cause dei flussi preferenziali all’interno del letto di grani? Come detto in precedenza, una causa è il compattamento non uniforme dei grani stessi dovuto alla perdita di saturazione. L’altra causa è la velocità del flusso al punto di raccolta.
La Figura 2c mostra un collettore semplificato consistente in un singolo tubo intagliato a metà, per circa 0,5in. Un’estremità del tubo è chiusa, in maniera che tutto il mosto fluisca nel tubo attraverso gli intagli. Assumiamo che l’area effettiva totale degli intagli sia maggiore del diametro interno del tubo. Mentre il tubo scorre pienamente, tutti gli intagli contribuiscono in maniera uguale al flusso, e l’estrazione sarà uniforme lungo tutta la lunghezza del tubo.
Il termine “scorre pienamente” definisce una serie di condizioni nelle quali la velocità del flusso in uscita non supera la capacità di flusso attraverso gli intagli. La resistenza della valvola in uscita deve equivalere o superare la resistenza del flusso a passare attraverso i fori degli intagli. Finché si mantiene questa condizione, il flusso in uscita scorrerà in maniera uguale in tutti i punti del collettore. Se questa condizione non è rispettata, il collettore drenerà preferibilmente dai fori situati nelle immediate vicinanze della valvola di uscita. Per il resto della discussione, assumiamo che il collettore stia “scorrendo pienamente”, cosa che in realtà accade quasi sempre.
Velocità di flusso: la Figura 3 mostra due configurazioni del design di un collettore, quello della Figura 3b è simile a quello della Figura 3a, eccetto che per una maggiore lunghezza di tubo impiegato per coprire un’identica area del tino-filtro (notare anche che la distanza che l’acqua deve percorrere per raggiungere il tubo è minore che in 3a). Assumiamo che il collettore della Figura 3b sia 15in. più lungo, che il tubo sia intagliato con 2 tagli per pollice, e che gli intagli abbiano un’area di 0,03in.2. (il tubo del mio collettore ha il diametro interno di 0,5in., gli intagli hanno la larghezza della lama di un seghetto [0,035-0,040in.]; l’area di raccolta di un intaglio è pari alla larghezza dell’intaglio per metà della circonferenza del tubo). Questo design perciò ha un’area di raccolta effettiva di 15 X 2 X 0,03, cioè di circa 0,9in.2 maggiore di quello della Figura 3°.
Questa differenza può non sembrare importante, ma in realtà la velocità di flusso in un dato intaglio è significativa. Dividendo la velocità di flusso per l’area totale di raccolta possiamo comparare le velocità relative ai punti di raccolta dei diversi design dei collettori.
Calcoli del flusso. Sebbene la velocità di flusso sia facilmente determinabile come misura del volume del fluido raccolto in un minuto, risulta utile per i nostri propositi tradurre questo valore in diverse unità. Assumiamo di filtrare ad una velocità di 1qt/min, e che 1ft3 di acqua equivalga approssimativamente a 7,5gal (30qt); in questo caso la velocità di flusso può essere espressa come 1/30, o 0,033ft3/min.
Calcoli dell’area di raccolta. Per calcolare l’area di raccolta, semplicemente moltiplichiamo l’area di un intaglio al numero di intagli nel sistema. Per esempio, il collettore di Figura 3a è lungo 63in., con 2 tagli per pollice, e l’area di ciascun intaglio è 0,03in2. L’area totale di raccolta è 63 X 2 X 0,03, pari a 3,78in2, o 0,0265ft2. Se il collettore di figura 3b è 15in più lungo, la sua area totale è pari a 78 X 2 X 0,03, pari a 0,0325ft2.
Comparare le velocità relative. Dividiamo ora la velocità di flusso per l’area totale di raccolta per comparare le velocità relative ai punti di raccolta nei diversi sistemi di Figura 3. assumiamo di usare una valvola per regolare un flusso costante all’uscita di 1qt/min (0,03ft3/min) per entrambi i sistemi. Per il collettore di Figura 3a, la velocità ad ogni intaglio è di 0,033/0,0263 = 1,25 ft/min. Per il collettore di Figura 3b, la velocità è di 0,033/0,325 = 1,02 ft/min.
Maggiore è il numero di siti di raccolta per una determinata area, minore è la velocità del flusso dell’acqua di sparge e maggiore è l’uniformità con cui l’acqua di sparge scorre attraverso i grani per dare una data velocità di flusso in uscita. Quando l’acqua di sposta lentamente attraverso il letto di grani, essa riesce ad estrarre dai grani stessi una maggiore quantità di zuccheri, e il risultato sarà una migliore efficienza per unità di volume di acqua raccolta.
Allora qual è la velocità di flusso ottimale? Questo numero in realtà dipende dalla geometria del tino-filtro e da quella del sistema di raccolta. Il Dr. Narziss, della Weihenstephan, suggerisce di usare un flusso di 0,18gal/min per ft2 come flusso iniziale (2). Per usare questa cifra nel vostro sistema, dovete moltiplicare questo valore per l’area del vostro tino-filtro. Io personalmente uso come tino-filtro un keg che ha il diametro di 15,5in e quindi un’area di 1,3ft2. Moltiplicando quest’area per 0,18 ottengo una velocità di flusso di 0,23gal/min, cioè circa 1qt/min. A causa della geometria del mio collettore, trovo che ottengo una migliore efficienza con un flusso leggermente più alto, e cioè di circa 2qt ogni 3 minuti. La ragione di questa differenza può trovarsi nella distribuzione dei siti di raccolta attraverso la base del tino-filtro.
Paragoni fra gli esempi: la Figura 4 mostra meglio le differenze fra le velocità dei flussi e la distribuzione dei siti di raccolta dei tre più comuni sistemi di filtraggio. La Figura 4a è una vista dell’alto e frontale di un tino-filtro di 1ft/3 al quale è applicato un falso fondo (con fori di 0,125in distanziati di 0,5in). La Figura 4b mostra lo stesso tino equipaggiato con un collettore (lungo 48in. con fori di 0,03in2 alla densità di 2 fori/in). La Figura 4c mostra la variante del collettore, il pezzo di rete arrotolato attorno ad un unico tubo di drenaggio (lungo 6in., col diametro interno di 0,5in). Le zone più chiare rappresentano le aree dove avviene la maggior parte dell’estrazione.
Il falso fondo di Figura 4a naturalmente copre l’intera area uniformemente, e mostra che l’area effettiva di raccolta è di circa 7in2. Usando la velocità di flusso in uscita di 1qt/min, otteniamo una velocità di flusso di 0,34ft/min. Il tino-filtro in Figura 4b ha un’area effettiva di 3in2, e la sua variante leggermente maggiore (4,7in2) risultanti in velocità di flusso di 0,80ft/min e 0,51ft/min, rispettivamente. Come potete vedere, maggiore è l’area di raccolta, minore è la velocità del flusso a ciascun punto di raccolta. La velocità di flusso del falso fondo è meno della metà di quella del collettore.
Distribuzione dei punti di raccolta: in Figura 4a, il falso fondo raccoglie in maniera uniforme da tutti i punti della base del letto di grani. Anche il collettore di Figura 4b raccoglie attraverso la maggior parte del letto di grani, ma a causa della velocità del flusso entrante si formeranno delle zone morte vicino al fondo e alle pareti nei punti più distanti dai tubi. Questo effetto è chiaro specialmente in Figura 4c, nella quale i punti di raccolta molto localizzati formano zone morte molto estese lungo le pareti del tino.
La differenza di pressione è zero per un’unità di volume di acqua sulla parete del tino allo stesso livello del collettore. Perciò, l’acqua che è drenata al collettore proviene dall’alto, dove la differenza di pressione causa il flusso. (A proposito, l’effetto zona morta sotto il falso fondo, nell’acqua che sta alla base, è trascurabile a causa dell’assenza di resistenza al flusso dovuta all’assenza di grani). Un fluido scorre sempre attraverso il canale di minima resistenza, così se la richiesta di flusso è elevata, il flusso scorre preferenzialmente dalle zone poste direttamente sopra il collettore, causando incanalamento e scarsa estrazione. Minore e più localizzata è l’area di raccolta effettiva, più lentamente deve scorrere il flusso in uscita per ottenere una buona estrazione.
Principi da ricordare: Tutti questi dettagli possono essere riassunti in tre principi per un’estrazione efficiente. Primo, maggiore è l’area totale di raccolta che alimenta il fluidi, minore è la velocità di ingresso del flusso per ciascun sito di raccolta. Secondo, minore la velocità di ingresso per ciascun sito, maggiore il volume sopra il sito che alimenta il sito stesso. Terzo, maggiore il volume che alimenta il sistema di raccolta, minore la zona morta e migliore estrazione totale.
INTERAZIONE DI SUPERFICIE E VELOCITA’
L’efficienza di estrazione può essere descritta come la capacità di drenare completamente il letto di grani. I fattori che determinano questa capacità sono la fluidità (saturazione) e il numero e la distribuzione dei siti di drenaggio. Comparando le aree effettive di raccolta dei differenti sistemi di filtraggio, vediamo come la velocità di filtraggio (velocità del fluido) ai punti di raccolta influenza l’efficienza. Una velocità minore e una distribuzione uniforme dei siti di raccolta sono le condizioni ideali per raggiungere la massima efficienza estrattiva dal processo di filtrazione. Questi due parametri possono essere manipolati in maniera indipendente per raggiungere la miglior estrazione per un particolare sistema. Se i siti di raccolta sono localizzati, allora la velocità del flusso deve essere ridotta per compensare e raggiungere una più elevata efficienza estrattiva.
BIBLIOGRAFIA
1. Jim Busch, "Lautering for Highest Extract Efficiency," BrewingTechniques 3 (3), 22-25 (1995).
2. L. Narziss, Die Technologie der Bierbereitung (Ferdinand Enke Verlag, Stutgart, Germany, 1992).
Figura 1. Il sistema di raccolta del mosto a falso fondo, che usa uno schermo forato per separare il mosto e i grani
Figura 2. Un altro popolare sistema di filtraggio per l’homebrewing è il frigorifero da campeggio dotato di collettore a tubi. Il tubo è intagliato per lasciar passare il mosto lasciando fuori i grani.
Figura 3. I collettori a tubi possono essere configurati in diversi modo; gli esempi sopra rappresentano solo due varianti. Quello a destra (3b) è più lungo di 15in, e questo comporta non solo una maggior area di raccolta ma anche una maggior distribuzione sotto la superficie del mash, e quindi un maggior numero di punti di accesso per il liquido.
Figura 4. Il design dei sistemi di raccolta del mosto influenzano l’efficienza dello sparge. Le aree più chiare rappresentano un buon lavaggio delle trebbie; quelle più scure rappresentano un lavaggio incompleto. In (a), il falso fondo consente un lavaggio uniforme e la possibilità di usare un alta velocità di flusso in uscita. In (b), il collettore a tubi comporta un buon lavaggio della maggior parte dei grani e consente moderate velocità di flusso. In (c), il tubo schermato comporta un lavaggio localizzato e consente velocità moderate velocità di flusso. Aree di raccolta: (a) fori di 0,125in distanziati di 0,5in; area di raccolta totale = 7in2; (b) intagli di 0,03in2 @ 2 tagli/in per 48 in = 3in2; (c) 6in X 0,5in diametro del tubo schermato @ 50% di apertura = 4,7in2.
|
|
|
|
