Les brasseurs perfectionnent leur art depuis des siècles, testant les ingrédients et affinant le processus de fermentation pour produire une bière au goût idéal. Depuis sa découverte, la fermentation a toujours été un phénomène difficile à prévoir, tant elle dépend de la teneur initiale en sucre, du type de levure et des conditions de température. Compte tenu de cette variabilité, une analyse approfondie peut être particulièrement intéressante pour améliorer le processus de brassage de la bière. Grâce au logiciel COMSOL Multiphysics®, nous pouvons examiner le processus de fermentation et identifier les moyens de l’affiner pour obtenir une saveur et une teneur en alcool optimales.
Bière qui coule n’amasse pas mousse
Notre penchant pour les boissons fermentées remonte à des milliers d’années, avec l’apparition de boissons semblables à la bière en Chine et dans l’ancienne Mésopotamie. Au fil du temps, la bière s’est développée dans toutes les civilisations: elle était utilisée comme moyen de paiement dans l’Égypte ancienne, elle a trouvé sa place dans les monastères de l’Europe médiévale et elle a alimenté les discussions révolutionnaires dans les colonies anglaises d’Amérique. La relation étroite que nous entretenons avec la bière est une tradition de longue date, et sa fabrication continue d’être un sujet d’intérêt à ce jour.
L’histoire du brassage de la bière est aussi riche que rafraîchissante. À la vôtre! Photo par Markus Spiske sur Unsplash.
Au cours de la fermentation, les sucres sont transformés en alcool, le CO2 est libéré et des composés aromatiques se forment. Le bon déroulement de cette étape peut faire la différence entre une boisson délicieuse et un produit inutilisable. Face à de tels enjeux et aux nombreuses variables à considérer, la simulation multiphysique apporte précision et prévisibilité au processus de brassage, contribuant ainsi à la fabrication d’une bière de qualité.
Le processus de fermentation
Considérons les quatre ingrédients de base qui composent la bière:
- L’eau
- Une source d’amidon (le malt d’orge)
- Un catalyseur de fermentation (les levures)
- Un aromatisant (le houblon)
Avant le début de la fermentation, les grains d’orge sont trempés et séchés pour former le malt, qui est ensuite mixé et bouilli pour convertir les amidons libérés en un liquide sucré appelé moût. Le houblon est ensuite ajouté au moût bouillant et le mélange est refroidi à l’aide d’un échangeur de chaleur. Le refroidissement est nécessaire pour préparer le moût à l’étape suivante du brassage: la fermentation. Cette dernière a généralement lieu dans une cuve fermée, dans des conditions anaérobies. Une fois le moût refroidi à une température inférieure à 20°C, la levure est ajoutée au mélange et le moût commence à fermenter. La fermentation dure généralement plusieurs semaines, mais cela peut varier en fonction du type de levure utilisé et de la température de fermentation.
Installations de brassage de bière à l’extérieur d’une brasserie dans le Vermont, aux États-Unis.
Une fois que les sucres ont été convertis en alcool et en CO2 et que diverses substances aromatiques ont été produites, nous obtenons un produit que nous pouvons désormais appeler “bière”. Le type de levure, la température et la teneur initiale en sucre jouent un rôle important dans le déroulement de la fermentation. Le logiciel COMSOL Multiphysics® peut être utilisé pour prédire les résultats de la fermentation.
Modéliser la fermentation avec COMSOL Multiphysics®
Dans notre modèle — que vous pouvez tester vous-même à partir de la Bibliothèque d’applications — nous modélisons le processus de fermentation à l’aide de l’interface Génie réactionnel, en supposant que le système est parfaitement mélangé (c’est-à-dire que le taux de réaction n’est pas limité par le transfert de masse ou de chaleur). Dans ce modèle, on utilise un type de levure qui prospère à des températures proches de 12°C (idéales pour le brassage des lagers) et on considère que les sucres sont composés de maltose, de glucose et de maltotriose. Le modèle permet d’évaluer plusieurs paramètres affectant la teneur finale en alcool, le goût de la bière et la durée de la fermentation.
Outre la prise en compte des différents types de sucres, notre modèle parfaitement mélangé analyse les concentrations de deux composés aromatiques issus du processus de fermentation: l’acétate d’éthyle, ou EtAc, et l’acétaldéhyde, ou AcA. L’EtAc (un ester) donne à la bière un goût agréable, tandis que l’AcA (un aldéhyde) lui confère une saveur désagréable. Dans cette configuration, la température initiale et la température du système de refroidissement du réservoir sont toutes deux fixées à 12°C.
Graphiques représentant les résultats de la simulation du modèle parfaitement mélangé, comprenant les changements dans le temps des concentrations des différents types de sucre (en haut à gauche), de la teneur en alcool (en haut à droite), des concentrations des composés aromatiques d’acétate d’éthyle et d’acétaldéhyde (en bas à gauche), ainsi que de la température (en bas à droite).
Les résultats montrent qu’au fil du temps, tous les sucres diminuent tandis que la teneur en alcool augmente. Comme l’indique le premier graphique, tout le glucose a été consommé après 90 heures. Nous pouvons également constater que cette consommation rapide de glucose correspond à l’augmentation initiale de la température. Lorsque la température atteint son maximum vers 250 heures (c’est-à-dire après environ une semaine et demie), la teneur en alcool a dépassé 5,5 % et la concentration d’acétaldéhyde, au goût désagréable, a commencé à diminuer. Pour atteindre une concentration d’acétaldéhyde suffisamment faible pour que le goût soit acceptable, il faut laisser la bière fermenter de nombreuses heures de plus (durant lesquelles l’alcool par volume augmente). Si nous devions peaufiner cette recette de bière, nous pourrions initialement ajouter plus de levure au moût afin d’accélérer la diminution de la teneur en acétaldéhyde.
Une petite dernière: la fermentation au fil du temps
Les résultats du modèle expliquent pourquoi l’industrie brassicole s’appuie sur un calendrier de plusieurs semaines pour la fermentation. Même après 250 heures, les résultats montrent un processus de fermentation qui requiert davantage de temps, mais qui pose les bases de futures recettes de bières délicieuses. Si nous continuions à peaufiner les variables du processus de fermentation dans notre modèle assez longtemps, nous pourrions produire des résultats qui pourraient être appréciés n’importe où, n’importe quand — que ce soit dans une taverne romaine ou dans une micro-brasserie moderne.
Vous souhaitez vous installer au bar et tester vous-même le modèle ? Découvrez les instructions étape par étape pour le mettre en place et téléchargez le modèle ici:
Goûtez à des articles de blog similaires
- Vous souhaitez en savoir plus sur les applications de simulation permettant d’analyser la dynamique de la bière ? Lisez ces articles de blog:
Commentaires (0)