TESIS PROFESIONAL QUE PARA OBTENER EL TITULO DE INGENIERO QUIMICO INDUSTRIAL P R E S E N T A: ARTURO CADENA RIOS

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1 SELECCIÓN DE UN FILTRO PARA CLARIFICAR Y ABRILLANTAR CERVEZA, A PARTIR DEL COMPARATIVO ENTRE UN FILTRO DE PLACAS VERTICALES Y UN FILTRO DE CANDELAS TESIS PROFESIONAL QUE PARA OBTENER EL TITULO DE INGENIERO QUIMICO INDUSTRIAL P R E S E N T A: ARTURO CADENA RIOS

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4 1 A mis padres con respeto, admiración y cariño por su dedicación y apoyo.

5 I N D I C E RESUMEN 4 INTRODUCCIÓN 5 Página CAPITULO I GENERALIDADES 6 I.1 Filtración 7 I.2 Principios teóricos de la filtración 8 I.3 Ley de Darcy 10 I.4 Utilización de la filtración en el proceso de la cerveza 11 CAPITULO II ASPECTOS DE CALIDAD EN LA ELABORACIÓN DE LA CERVEZA 16 II.1 Principales características que determinan la calidad de la cerveza 20 II.1.1 Oxidación 21 II.1.2 Estabilidad del sabor 24 II.1.3 Estabilidad coloidal 26 II.1.4 Estabilidad biológica 30 II.1.5 Tiempo de retención de espuma 32 II.1.6 Color 34 II.1.7 Sabor y olor 35 CAPITULO III LA FILTRACIÓN EN EL PROCESO DE ELABORACIÓN 37 III.1 Propósitos de la filtración 39 III.2 Condiciones de la cerveza antes de ser filtrada 39 III.3 Cuidados que deben tenerse durante la filtración 40 III.4 Métodos de filtración 40 III.5 Formación de precapas 43 III.6 Tipos de filtros 47 CAPITULO IV COMPARACIÓN TÉCNICA ENTRE FILTROS DE PLACAS VERTICALES Y FILTROS DE CANDELAS O BUJÍAS 59 IV.1 Preparación de precapas 61 IV.2 Filtro horizontal de placas verticales 66 IV.3 Filtro de candelas o bujías 75 IV.4 Características y datos de operación de los filtros de placas verticales y de bujías 84 IV.5 Comparación técnica entre el filtro de placas verticales y el filtro de bujías 85 2

6 Página CAPITULO V VENTAJAS Y DESVENTAJAS ECONOMICAS DE LOS SISTEMAS MENCIONADOS 86 V.1 Consideraciones generales 87 V.2 Insumos requeridos para la operación 88 V.3 Costo de insumos 89 V.4 Costo de los equipos 91 V.5 Comparación anualizada de costos 91 CONCLUSIONES 93 ANEXOS 96 Anexo 1 Formulación para preparación de tierra de diatomeas y celulosa 97 Anexo 2 Espesor de las precapas e inyección 100 Anexo 3 Comportamiento de la turbidez durante la filtración 101 Anexo 4 Comportamiento de la presión durante la Filtración 102 Anexo 5 Características y propiedades de la tierra de diatomeas y la celulosa 103 BIBLIOGRAFÍA 106 3

7 R E S U M E N El presente trabajo tiene por objeto la selección de un filtro para clarificar y abrillantar cerveza, a partir del comparativo entre un filtro horizontal de placas verticales y un filtro de candelas, también llamado filtro de bujías. Empieza describiendo la operación de filtración, sus principios teóricos, sus fórmulas y su utilización en el proceso de la fabricación de cerveza, conociendo las características que la definen y su control para lograr un producto con adecuada estabilidad biológica, coloidal y de sabor. Se menciona la importancia que tiene el control de la calidad en la producción de los diferentes tipos de cerveza y los parámetros que la afectan como la oxidación, la temperatura, el tiempo de almacenamiento, etc. Se especifican las condiciones y cuidados que debe tener una cerveza antes de ser filtrada, los métodos de filtración utilizando tierras de diatomeas o perlitas; analizándose la filtración con precapas e inyección de tierras de diatomeas, que es la utilizada en los filtros a comparar. Asimismo se describen los diferentes tipos de filtros utilizados en la industria cervecera, haciéndose la comparación técnica entre los filtros: horizontal de placas verticales y el de bujías, sus procedimientos de operación, sus diagramas de flujo y la comparación de resultados entre ellos. En el último capítulo se analizan las ventajas y desventajas económicas entre el filtro de placas verticales y el de bujías, se comparan los insumos que requiere cada filtro para su operación, el costo de éstos y su inversión inicial; obteniendo de la comparación, las bases para elegir el filtro más adecuado para nuestra operación de filtración. Finalmente se presentan los resultados obtenidos de la comparación de los dos filtros, llegando a la conclusión que el filtro de bujías, por su alto volumen de filtrado, su flujo constante a lo largo del ciclo y bajo costo de operación, es la mejor opción en una operación de filtración de cerveza. 14

8 I N T R O D U C C I O N Se desarrolla este trabajo con el propósito de mostrar la importancia que tiene la selección de un filtro de candelas comparado con otro filtro de placas verticales, empleados en la filtración de la cerveza. El trabajo se divide en cinco capítulos: I ) Generalidades, II ) Aspectos de calidad en la elaboración de la cerveza, III ) Filtración de la cerveza IV ) Comparación técnica de los filtros de candelas con los filtros de placas verticales y V ) Comparación económica. En el capítulo I se describe la filtración como operación unitaria, principios teóricos que la rigen y aspectos genéricos de la filtración de la cerveza. El capítulo II trata de las especificaciones de calidad que debe cumplir la cerveza, ya que esto es parte del control de características importantes como: sabor, aroma, brillantez, espuma, densidad, grado de alcohol, estabilidad biológica y coloidal. Se describen las Pruebas de laboratorio fundamentales para medir y evaluar estos parámetros. El capítulo III se refiere a la filtración de la cerveza, desde el estado que guarda la cerveza antes de ser alimentada a los filtros, equipos de filtración diseñados para cerveza, coadyuvantes utilizados, filtración con precapa y actividades adyacentes en esta operación y sus efectos en la calidad de la cerveza a filtrar, su evaluación, etc. El capítulo IV muestra la comparación de las características técnicas de ambos tipos de filtros, la decisión de comparar únicamente dos tipos de filtros, que son los de placas verticales y los de candelas, dentro de una amplia variedad que el mercado ofrece de estos equipos, la selección que se fundamenta en el buen desempeño que éstos han tenido a través de los años en las plantas cerveceras, aventajando en calidad de filtrado y productividad a otros tipos de filtros. En el capítulo V, se hace un análisis y comparación económica incluyendo los costos de la inversión inicial, mantenimiento, mano de obra para la operación, consumo de agua, energía eléctrica, depreciación, etc. 5

9 CAPITULO I GENERALIDADES 6

10 I. 1 FILTRACIÓN. La filtración es una de las principales operaciones unitarias utilizada en la industria para separar las partículas sólidas contenidas en una suspensión ya sea líquido o gas. Consiste en hacer pasar la mezcla o suspensión a través de un material poroso o algún otro medio filtrante para lograr que las partículas sólidas queden atrapadas en la superficie de éste o en el interior de los poros, mientras que el líquido lo atraviesa totalmente y es colectado en otro recipiente por separado. Es un método que tiene una gran aplicación en todo tipo de industrias, como consecuencia de esto, existen muy diversos equipos para filtración así como también una amplia variedad de medios filtrantes, es decir, uno para cada necesidad. A nivel industrial podemos observar procesos de filtración muy sencillos que esencialmente son una simple acción de tamizado y otros que presentan un grado mayor de dificultad, donde es indispensable el control de todas las variables que afecten la operación de filtrado como : Temperatura de la mezcla, presión de filtrado, estabilidad química del líquido a filtrar, adición de coadyuvantes,etc. El porcentaje de sólidos contenido en la mezcla y el tamaño de partícula de los mismos son dos aspectos muy importantes a considerar al momento de hacer el diseño de un proceso de filtrado. El contenido de sólidos puede ser desde unas trazas de alguna sustancia hasta altos porcentajes como 40 % o aún mayores, de igual forma el tamaño de partícula puede oscilar desde fracciones de micra hasta varios milímetros. De los datos anteriores depende la selección del tipo y tamaño del equipo de filtración, material y tamaño de poro del medio filtrante, utilización de coadyuvantes como perlitas o tierras de diatomeas. La filtración puede efectuarse con presión mayor a la atmosférica, a presión atmosférica y mediante vacío. Debido a la necesidad de filtrar grandes volúmenes de líquido con partículas finas en tiempos que no sean muy largos, la mayoría de los procesos industriales utilizan alta presión o vacío, lo cual se consigue con motobombas o el empleo de máquinas de filtrado centrífugas. La filtración a presión atmosférica está limitada en su uso, ya que solo puede aplicarse en la separación de partículas gruesas con medios filtrantes de tamaño de poro también grueso. 7

11 I. 2 PRINCIPIOS TEÓRICOS DE LA FILTRACIÓN. El fenómeno de filtración se desarrolla siguiendo alguno de los mecanismos que se mencionan a continuación o por una combinación de los mismos. Figura 1. a) Retención superficial.- En este caso, las partículas de mayor diámetro al tamaño de los poros quedan atrapadas en la superficie del filtro formando lo que se denomina una torta. b) Retención profunda.- Es cuando las partículas finas de menor tamaño al diámetro de los poros del medio filtrante, son retenidas a lo largo de los canales capilares del mismo. Estos canales en ocasiones son de mucho mayor tamaño que las partículas por separar y en el transcurso de la filtración van reduciendo su diámetro lo cual disminuye el flujo de líquido. Este fenómeno se observa en los filtros denominados clarificadores. c) Retención por adsorción.- Es la retención de partículas finas en el interior de los canales del medio filtrante debida a la atracción electrostática entre las moléculas que constituyen el filtro y las moléculas de las partículas mezcladas con el fluido. Generalmente el tamaño de los poros del filtro es considerablemente mayor que el tamaño de las partículas. También sustancias disueltas en un líquido pueden ser adsorbidas dentro de los conductos de un material filtrante como consecuencia de su naturaleza eléctrica, logrando con esto su separación. Es conocido que algunas bacterias y levaduras cuya carga es negativa son retenidas por filtros conteniendo fibras de carga positiva. Cuando una suspensión se hace pasar por un material filtrante, al inicio de esta operación algunas partículas pequeñas quedan atrapadas en el interior de los poros y otras partículas mayores tapan algunos de ellos, depositándose también estas últimas sobre la superficie del medio filtrante y al irse acumulando constituyen una torta de espesor considerable, al continuar la filtración, las partículas que forman la cama se van comprimiendo dándose a la vez la formación de canales capilares de forma y tamaño irregular por donde el líquido puede transitar. Después de la etapa inicial la retención de partículas es realizada principalmente por la torta filtrante y no por el filtro. 8

12 Figura 1. Mecanismos de filtración. Para que un líquido pase a través de un medio filtrante, se requiere de una presión que lo impulse y logre superar la resistencia que oponen las partículas del material poroso, más la resistencia de las partículas depositadas en la superficie de entrada del filtro, que forman lo que se denomina torta filtrante. Consecuentemente hay un gradiente de presión entre la superficie de la torta filtrante y la superficie de salida del filtro, cuya magnitud depende de la presión inicial, tamaño de poro, espesor del medio filtrante y viscosidad del líquido. La caída de presión se explica por la pérdida de energía cinética que sufre el fluido por el rozamiento con las partículas que forman los canales capilares de la torta y del filtro. Estos canales son de forma irregular, intrincados, de diferente longitud y tamaño, muy interconectados entre sí. Hagen Poiseuille estableció una ecuación para el cálculo de la caída de presión al pasar un líquido por un medio filtrante, considerando los canales capilares rectos y con flujo laminar. Posteriormente otros científicos han introducido factores de corrección o constantes empíricas a dicha ecuación, con el fin de aplicarla al cálculo del flujo en canales capilares irregulares, llegando a la siguiente expresión: 9

13 V / t = A ( P1 - P2 ) / µ ( R1 + R2 ) L Donde: V = Volumen de líquido filtrado µ = Viscosidad del líquido a filtrar t = Tiempo de filtración R1 = Resistencia del filtro A = Área total de la superficie de filtración R2 = Resistencia de la torta P1 = Presión sobre la torta filtrante P2 = Presión en la descarga del medio filtrante L = Espesor de la torta La ecuación anterior indica que el Flujo de filtración depende de la caída de presión entre los puntos de entrada y salida del filtro incluyendo la torta filtrante, de las resistencias de la torta y el filtro, la viscosidad y el espesor de la torta. Entre los científicos dedicados al estudio del flujo de líquidos a través de materiales porosos podemos citar a Darcy, quien emitió la ley que lleva su nombre. I.3 LEY DE DARCY. Ley de Darcy: El flujo en la filtración es proporcional a la caída de presión e Inversamente proporcional a la viscosidad del fluido. Darcy introdujo el concepto de permeabilidad del poro de los medios filtrantes, considerando que la capacidad de filtración es una función directa de un factor de permeabilidad del coadyuvante utilizado en la filtración. Se han desarrollado procedimientos de laboratorio para determinar la permeabilidad de los distintos coadyuvantes, esta se expresa en unidades llamadas Darcies. 1 Darcy: Es la permeabilidad que tiene un medio filtrante cuando pasa por él un líquido con una viscosidad de 1 centipoise y el flujo es de 1 ml / seg. Siendo la superficie 1 cm², el espesor 1 cm. y el gradiente de presión 1 Kg/ cm². La ecuación a la que llegó Darcy es la siguiente: V = ρ A ( P1 - P2 ) µ L 10

14 Donde: V = Volumen del líquido filtrado ρ = Factor de porosidad P1 = Presión sobre la torta filtrante P2 = Presión en la descarga del medio filtrante µ = Viscosidad del líquido a filtrar A = Área total de la superficie de filtración L = Espesor de la torta Las ecuaciones mencionadas anteriormente, son de utilidad para efectuar e interpretar pruebas a nivel laboratorio, encaminadas a lograr la determinación de las mejores condiciones para llevar a cabo una filtración ó para observar la variación en el flujo al cambiar alguna de las condiciones de forma intencional. Sin embargo, para el diseño de equipos de filtración a nivel industrial, estas consideraciones teóricas ya vistas, tienen limitada aplicación, ya que el líquido a filtrar tendría que ser el mismo todas las veces y esto no sucede en la práctica. Teóricamente se pueden determinar las condiciones óptimas para filtrar un líquido en particular, pero si durante el proceso el porcentaje de sólidos cambia, la distribución del tamaño de partículas no es el mismo, la presión de alimentación varía, etc., éstas condiciones quedarían rebasadas totalmente. I. 4 UTILIZACIÓN DE LA FILTRACIÓN EN EL PROCESO DE LA CERVEZA. Hay dos etapas muy importantes en la elaboración de la cerveza donde la filtración tiene aplicación y es fundamental para obtener una cerveza de calidad, son la separación del mosto después de la maceración y la clarificación de la cerveza posterior a la fermentación y maduración del sabor. I.4.1 Separación del mosto. El mosto es el extracto líquido obtenido en el proceso de maceración, la cual consiste en tratar una mezcla de malta, agua y otros cereales previamente procesados (adjuntos como el maíz y el arroz), sometiéndola a ciclos de calentamiento y pausas a diferentes temperaturas, con el fin de disolver las sustancias solubles presentes en los granos por medio de la acción enzimática y transformar la estructura química de algunas otras sustancias. Ejemplo de esto es la degradación de los almidones convirtiéndolos en azúcares fermentables solubles por medio de las enzimas α y β amilasa (enzimas amilolíticas). El agua utilizada en la maceración absorbe todas las sustancias solubles provenientes de la malta y de los adjuntos, ya enriquecida constituye lo que se conoce como mosto dulce. Este 11

15 mosto contiene aminoácidos y péptidos para nutrición de la levadura, proteínas para la espuma, carbohidratos fermentables para alcohol y carbohidratos no fermentables que le dan cuerpo y sabor, o sea, su composición es lo que determina las propiedades que tendrá la cerveza como producto terminado. El mosto tiene el aspecto de un líquido de color que va desde un amarillo paja hasta oscuro, dependiendo de las maltas utilizadas en su elaboración, que le imparten el característico sabor dulce y a malta. Contiene también partículas sólidas en suspensión que son partes insolubles de los granos, donde la mayor proporción es la cascarilla de la malta. El mosto debe ser filtrado para separar los sólidos presentes en él, ya que la presencia de proteínas y carbohidratos insolubles produce turbidez y problemas de estabilidad coloidal en la cerveza. Los sólidos separados del mosto reciben el nombre de bagazo o afrecho cervecero, este es un subproducto de la filtración, que generalmente se vende seco o húmedo para la producción de alimento destinado al ganado. La separación del mosto se lleva a cabo a una temperatura entre 75 y 77 C, porque en este rango, la viscosidad del mosto permite hacerla más rápido y con buena eficiencia. La eficiencia de la separación se mide por la relación entre el volumen del mosto filtrado, su plato y el peso de la malta más los adjuntos involucrados en la fórmula; el agua empleada para enjuagar el lecho filtrante (formado por la cascarilla y el mosto) y extraer de ellos la mayor cantidad del mosto residual, es acidulada para lograr un ph de 5.6 a 6.5, esto es un punto crítico, ya que entre más alcalina sea el agua, disolverá sustancias no deseables de la cáscarilla de la malta, lo cual tendrá efectos negativos en el sabor y en el enturbamiento a baja temperatura o chill-haze. El tamaño de las partículas de malta y de los ingredientes utilizados en la maceración influyen de manera importante en la velocidad de filtración del mosto, sólidos muy finos permiten una mayor acción enzimática sobre los almidones, en consecuencia un aprovechamiento mejor de los mismos, pero la velocidad de filtración se hace muy lenta. Se debe determinar un tamaño de partícula que permita un buen aprovechamiento de los constituyentes de los granos, pero también una velocidad de filtración rápida y costeable. Los equipos con los que usualmente se efectúa la separación del mosto, son los filtros lauter y los filtros prensa. Ambos tienen características de funcionamiento que los hacen apropiados para procesos de fabricación de cerveza específicos en distintas plantas. I.4.2 Filtros Lauter. El funcionamiento de este tipo de filtros lo podemos dividir en tres etapas, que son las siguientes: 12

16 1 ) Sedimentación y separación del afrecho o bagazo del mosto líquido o primer mosto. 2 ) Remoción y clarificación del primer mosto, utilizando el mismo lecho filtrante formado por la cascarilla de la malta como filtro ayuda. 3 ) Lavado del afrecho o bagazo utilizando rociadores de agua para extraer todo el mosto líquido mezclado con la capa de sólidos. Los filtros Lauter son recipientes cilíndricos de acero inoxidable, en el fondo tienen una lámina o placa ranurada que se conoce como falso fondo, este sirve de soporte a las partículas sólidas separadas (afrecho), formándose por acumulación de las mismas una cama filtrante cuyo espesor típicamente es de 10 a 14 pulgadas. La alimentación de la suspensión al filtro Lauter debe ser lo más suave posible, sin turbulencias, para evitar la oxidación del mosto. En los primeros diez minutos de la filtración el primer mosto obtenido es turbio debido a que la cama filtrante al principio es muy delgada, por lo cuál resulta necesario recircularlo hasta lograr la claridad y brillantez especificada. El mosto clarificado pasa por las ranuras del falso fondo y es captado en el fondo real del recipiente. En este último existen salidas y ductos que llevan el mosto a un depósito llamado tanque buffer o directo a la olla de cocción. El parámetro de control que más interesa al cervecero en este proceso, es la velocidad con la que se incrementa el diferencial de presión a través de la cama. En la parte superior el recipiente es cerrado y tiene la forma de un domo para retener los vapores y disminuir las pérdidas de calor, en la parte central hay una chimenea para conducir los vapores de agua a la atmósfera. Para ayudar a la transferencia y distribución de la suspensión en el interior del filtro Lauter, se cuenta con unos brazos giratorios con hojas verticales que nivelan la cama filtrante, facilitando así la filtración del líquido. La suspensión a filtrar puede contener de un 15 a 25 % de mosto, dato que depende del tipo de cerveza a producir. El lavado del afrecho se hace mediante un sistema de rociadores colocados en la parte superior del equipo, del cual sale agua caliente para lavar y recuperar todo el mosto residual contenido en la cama filtrante. Una vez que termina la filtración, el afrecho o bagazo es desalojado del falso fondo y colectado en un recipiente para su posterior disposición, el agua residual es enviada a un sistema de drenaje. Del filtro Lauter se obtiene un mosto claro y brillante, además los ciclos son económicos y con buena buena eficiencia en la recuperación de mosto, aunque la operación del mismo requiere muchos cuidados y mantenimiento constante, por lo que actualmente la mayoría son automáticos. 13

17 I.4.3 Filtros Prensa. El filtro tipo Placas y marcos usado también para la separación del mosto, consiste en un grupo de placas o bastidores sobre las cuales están montadas telas filtrantes y de otro grupo de armazones abiertos denominados marcos cuya función es proporcionar espacios vacíos para recibir la suspensión a filtrar y la captación de sólidos. Ambos están colocados de manera intercalada sobre una estructura metálica, se ensamblan mediante una prensa hidráulica y quedan completamente sellados para evitar alguna fuga de mosto durante la filtración. La introducción de la suspensión se hace por medio de bombeo, dirigiéndola hacia un ducto situado en un extremo y a todo lo largo del conjunto de placas y marcos, después por ramificaciones conectadas al mismo, la suspensión llega a cada uno de los marcos. Los sólidos son retenidos en la tela filtrante de las placas, el tamaño de abertura de la tela debe seleccionarse cuidadosamente porque tiene gran influencia en la eficiencia del proceso. El líquido pasa a través de la tela filtrante y sale por los canales de desalojo de cada placa. La filtración se realiza de forma continua hasta que ya no salga líquido por la descarga, en este momento también se observa una elevación brusca de la presión, lo que indica que los marcos están llenos de bagazo. Enseguida se hace pasar agua caliente a una temperatura determinada para lavar la cama de sólidos, posteriormente el contenido de humedad del bagazo puede ser disminuido inyectando aire. Finalmente el bagazo o afrecho se extrae del medio filtrante y se almacena en un depósito. El espesor de la cama de afrecho varía de 2 a 3 pulgadas, resultado del uso de malta de molienda más fina (es delgada si se compara con la utilizada en el filtro Lauter). Con malta más fina se tiene un aprovechamiento mayor de los almidones, lo que viene a dar un mosto con rendimiento. La principal ventaja del filtro prensa es su corto ciclo de operación entre 1.5 a 2 horas, esto permite hacer más cocimientos por día, lo cual le da mayor versatilidad a la producción. Otro aspecto favorable es que ocupa un espacio mucho menor que un filtro Lauter y la calidad del mosto es igual o muy similar. I.4.4 Clarificación de la cerveza. Después del proceso de fermentación y maduración del sabor y antes de la operación de envasado, se hace necesario clarificar y dar brillantez a la cerveza, esto se debe a que al terminar la fermentación, la cerveza verde se encuentra muy turbia por la presencia de levadura residual, así pasa a la etapa de maduración donde los complejos tanino-proteicos coloidales precipitan debido al ph y a la baja temperatura a la que se lleva a cabo esa etapa, quedando un velo coloidal que hay que remover. 14

18 Para realizar la clarificación de la cerveza se puede usar uno de los métodos siguientes o una combinación de los mismos: Sedimentación por gravedad (esto sucede durante la maduración), adición de agentes clarificantes, centrifugación y filtración. Todos ellos clarifican la cerveza pero el único que logra darle la brillantez requerida es la filtración, por lo tanto, la cerveza debe pasar al menos por una operación de filtrado antes de ser envasada. Para establecer las condiciones y parámetros de la filtración, es necesario partir del dato que indique el tamaño de partícula a separar, que en el caso de la cerveza está en el rango de 0.5 a 10 micras. La filtración puede hacerse en una o más etapas después de la maduración, dependiendo de las operaciones de cada planta. En la primera filtración se elimina la mayor parte de la levadura y material en suspensión, la adición de agentes estabilizadores ocurre después de esta etapa, ya que estos tienen la finalidad de eliminar las proteínas causantes del enturbiamiento a baja temperatura; al hacerlo así, se reduce la cantidad requerida de estabilizadores. La segunda filtración de abrillantado elimina cualquier partícula sólida en suspensión generada durante el lagering (reposo o maduración) a temperaturas frías o por la adsorción de agentes empleados para la estabilización, obteniendose una cerveza clara y brillante. Estos pasos finales de acabado, son generalmente precedidos por una operación de enfriamiento final de la cerveza para ayudar a la precipitación y además asegurar que la cerveza llegue a los tanques de gobierno (cerveza filtrada lista para envasar). Es más práctico filtrar la cerveza después de haberla diluido, en caso de utilizar procesos de alta concentración ó alta densidad con agua de ajuste, porque la viscosidad es menor y fluye más rápido. La concentración de la cerveza después de la dilución con agua desaireada y carbonatada está en el rango de 6 a 14 plato (extracto de mosto original). La mayoría de los filtros en la actualidad utilizan tierras de diatomeas o perlitas como medio filtrante; la tierra de diatomeas es preparada como una mezcla con agua de dilución ó cerveza, agitándola constantemente para que no se sedimente. Esta mezcla es depositada sobre la superficie de las hojas del filtro haciéndola circular por el filtro a una velocidad de flujo alta para asegurar que cubra uniformemente todas las hojas, esto es conocido como formación de la precapa para el filtrado. La precapa se considera ya completa cuando la cerveza que sale del filtro ya está clara y con la brillantez especificada. Los filtros más utilizados para la filtración de cerveza son los siguientes: Filtros de bujías o candelas, filtros de hojas (verticales u horizontales), filtros prensa de placas, y filtros prensa de placas y pulpa. Las características y ventajas de estos equipos serán especificadas en el capítulo tres, destinado a describir la filtración en el proceso de elaboración de la cerveza. 15

19 CAPITULO II ASPECTOS DE CALIDAD EN LA ELABORACIÓN DE LA. CERVEZA 16

20 Una cerveza de calidad es aquella que cumple con todas las especificaciones establecidas por el maestro cervecero, en cuanto a sabor, espuma, aroma, contenido de alcohol, cantidad de sólidos en suspensión (cuerpo), claridad, brillantez, etc. y que conserva estas propiedades durante el período de almacenamiento y hasta que llega a las manos del cliente, el cual es el que finalmente las aprecia y disfruta. El objetivo de una cerveza de calidad es lograr satisfacer los sentidos del cliente, como el gusto, el olfato y la vista. Esto no es tan sencillo como parece, debido a la diversidad de gustos que existe entre la población en general, como ejemplo de esto, se da el caso de una cerveza que reúne todos los requisitos técnicos de elaboración y de calidad, pero puede no ser del agrado de cierto número de personas o parte del público. Esta situación ha llevado a las empresas cerveceras a diversificar su producción, elaborando diferentes tipos de cerveza destinados a satisfacer los distintos gustos de la gente. Así tenemos cervezas tipo: lager, ale, claras, obscuras, bajo contenido de alcohol, bajas en calorías (Light), sin alcohol y algunos otros tipos que el mercado demanda. Basándose en la forma en que sucede la fermentación, las cervezas generalmente son clasificadas en dos tipos lager y ale existiendo diferencias importantes de sabor entre ellas. Las cervezas lager o de fermentación baja, son elaboradas utilizando levadura Saccharomyces Uvarum, los flóculos generados por esta levadura durante la fermentación, son más densos que la cerveza y al final del proceso se sedimentan en el fondo del fermentador, debido a que la agitación provocada por el CO2 ya no tiene la capacidad de mantenerlos a flote, esta levadura es retirada por el fondo del tanque de fermentación. La cerveza lager se almacena a baja temperatura después de terminar la fermentación primaria, para dar el tiempo necesario a que los cambios fisico-químicos que mejoran las cualidades de la cerveza se lleven a cabo, éstos son principalmente, la maduración del sabor y la separación de la levadura. Las propiedades de las lager pueden ser modificadas haciendo cambios en el agua, materias primas, o procedimiento de elaboración empleados en el proceso. Por ejemplo, La Dortmunder alemana tiene ligero aroma a lúpulo y amargor menos pronunciado que las Pilsen, pero de sabor seco y a esteres. La Pilsner de Austria es una cerveza clara de color ámbar dorado, sabor más intenso a lúpulo y tiene buena carbonatación. La producción de lagers actualmente representa la mayor parte de la producción total de cerveza a nivel mundial, ya que éstas se producen y consumen en muy diversos países. 17

21 Las cervezas ale denominadas de fermentación alta, son elaboradas con levadura Saccharomyces Cerevisiae, esta levadura durante la fermentación forma flóculos, éstos en la etapa final de la fermentación atrapan burbujas de gas CO2 y flotan sobre la superficie de la cerveza, formando una capa de espuma, la cual es retirada por una acción de desnatado. Dentro del grupo de cervezas de ale hay variaciones grandes entre ellas, en sus características de amargor, color y aspereza. La pale ale es de color claro e intenso amargor. La mild ale es moderadamente amarga, relativamente dulce (suave) y de color más oscuro. Las ale oscuras son generalmente fuertes, de lupulado intenso y más cuerpo. El color es una característica importante de la cerveza, se ha determinado que un color agradable para la cerveza está en el rango del ámbar con buen tono y brillantez moderada. Atendiendo a su color las cervezas se clasifican en claras y obscuras; la mayoría de las cervezas producidas son claras con un color ámbar pálido consistente en un amarillo primario mezclado con pequeña cantidad de rojo. En menor proporción se producen cervezas obscuras, como ales ámbar obscuro casi café, otras tienen tonos de rojo como las Red Beers, etc. Para producir estas diferencias de color, el maestro cervecero debe seleccionar las condiciones de secado de la malta, temperatura del secador y tiempo de permanencia. Es en este proceso donde se forman los pigmentos que le dan color a la cerveza. En la cebada germinada, antes del secado, existen substancias precursores de pigmentos como azúcares simples, amino ácidos, péptidos simples, polifenoles y una gama de compuestos carbonilos; con el calentamiento éstos reaccionan entre sí dando lugar a la formación de compuestos inestables carbonyl-amino, los que al continuar el calentamiento se transforman en compuestos más estables y compuestos pigmentados, siendo los principales el amarillo y el ámbar característicos de la cerveza. Por calentamiento adicional (ebullición del mosto), estos complejos carbonyl-amino reaccionan con otros constituyentes químicos de la malta, entre ellos los polifenoles, dando lugar a la formación de pigmentos melanoides más obscuros, estos últimos son los que proporcionan el color característico a las cervezas. Es importante citar que en algunas plantas cerveceras, se prefiere utilizar colorantes de caramelo grado alimenticio, añadiéndose en la olla de cocimientos del mosto para obtener el color oscuro en lugar de utilizar maltas especiales. 18

22 Por su contenido de alcohol las cervezas se clasifican como se muestra en la tabla siguiente: Contenido de alcohol ( % ) Vol. Tipo de cerveza 0.5 % ó menor Sin alcohol o no alcohólica 0.5 a 2.5 % Bajas en alcohol 3.0 a 6.0 % Contenido normal 6.0 a 13 % o más Altas en alcohol Tabla No. 1 Las cervezas sin alcohol o bajas en alcohol, surgen de la necesidad de disminuir en parte los accidentes por el abuso de bebidas alcohólicas o por razones de tipo religioso. Existen diversos métodos para la elaboración de este tipo de cervezas, los dos principalmente utilizados son: la fermentación incompleta o arrestada de los carbohidratos, que son los que se transforman en alcohol, y la segunda es hacer una fermentación normal y posteriormente separar el alcohol por medio de diálisis, destilación de vapor ó por destilación a baja temperatura y baja presión. Las cervezas bajas en alcohol tienen desventajas en sus cualidades organolépticas en relación con las cervezas normales, su sabor es más ligero, con menos cuerpo (cerveza delgada) y el aroma característico de la cerveza también se ve disminuido. La causa de lo anterior es que el contenido de alcohol influye de manera importante en el sabor, dándole una sensación de más cuerpo y al estar presente en menor proporción, se percibe un adelgazamiento de la cerveza. En cuanto al aroma, este se ve afectado porque al efectuar la separación del alcohol de la cerveza, también se elimina cierta cantidad de los compuestos volátiles generadores del aroma. También existen cervezas de bajo contenido calórico, denominadas Light y Ultra Light con menos calorías y/o carbohidratos, éstas generalmente tienen de 10 a 50 % menos calorías que las normales, por ejemplo, cervezas que se producen con 100 cal./355 ml (cervezas normales tienen 150 cal./355 ml). Como el contenido calórico depende principalmente del alcohol y de los carbohidratos no fermentables, este tipo de cervezas se obtienen reduciendo los contenidos de estos dos constituyentes, lo cual provoca un menor extracto de mosto original en la cerveza situándose en el rango de 6 a 10 Plato y su contenido de alcohol es de 2.8 a 4.2 % en volumen. En las cervezas normales lager el extracto de mosto original es de 10 a 14 Plato y el contenido de alcohol es de 3.0 a 6.0 % en volumen. 19

23 Las cervezas altas en alcohol se producen generalmente con un contenido de alcohol en el rango de 6 a 13 % en vol., algunas de ellas son un poco parecidas a los vinos, tienen sabor con llenura de cuerpo, a esteres o afrutado y con mayor contenido de lúpulo o más amargor. Para lograr contenidos de alcohol más altos, ciertas plantas cerveceras emplean azúcares mezclados con los materiales adjuntos destinados al proceso de maceración. II. 1 PRINCIPALES CARACTERÍSTICAS QUE DETERMINAN LA CALIDAD DE UNA CERVEZA. Para que una cerveza sea reconocida como de calidad en el gusto de los consumidores, es muy importante que sea consistente en sus cualidades de sabor, aroma, apariencia, etc. de un lote de producción a otro y en todos los lotes producidos a través de los meses o años. Es decir, la variabilidad de estas propiedades debe mantenerse dentro de un rango lo más estrecho posible, esto representa todo un reto para el maestro cervecero, debido a la gran cantidad de sustancias que constituyen una cerveza y a la dinámica de las reacciones que suceden entre ellas sin considerar la variabilidad de las características de las materias primas. Una cerveza esta constituida por aproximadamente 800 sustancias diferentes, como lo muestra la tabla No. 2 donde se agrupan por tipos de compuestos químicos. Con el fin de asegurar la consistencia en las propiedades físicas, químicas, biológicas y sensoriales de la cerveza, es necesario controlar todas las etapas del proceso de elaboración, desde la selección de las materias primas adquiridas, hasta la operación de envasado, pasando por la maceración, fermentación, filtración, pasteurización y otros procesos relacionados; estableciendo en cada uno de los procesos las especificaciones técnicas ó parámetros a cumplir y sus rangos de control. Existen alrededor de 100 parámetros para evaluar la calidad de la cerveza, aplicables a la cerveza en proceso y como producto terminado, las plantas de cerveza cuentan con una capacidad muy amplia de equipos y técnicas analíticas para poder medir todos ellos, ya que son datos necesarios para el control de calidad de los procesos, determinar la eficiencia de los mismos y hacerlos más económicos. En este trabajo, se describen solo algunas características, las cuales son consideradas más importantes ó determinantes en la calidad de la cerveza, éstas son: oxidación, 20

24 estabilidad del sabor, estabilidad coloidal, estabilidad biológica y turbidez. No menos importantes son: el tiempo de retención de espuma, el color, así como el sabor y olor. Sustancia Concentración No. de compuestos Fuente Agua % 1 - Alcohol etílico % peso 1 levadura, malta, adjuntos Dióxido de Carbono v/v 1 levadura, malta, adjuntos Otros alcoholes % 15 levadura, malta Carbohidratos % ± 100 malta, adjuntos Sales inorgánicas % 26 agua, malta Compuestos nitrogenados % ± 100 levadura, malta Ácidos orgánicos % ± 200 levadura, malta, adjuntos Aldehídos ppm ± 50 levadura, lúpulo Esteres, cetonas % ± 150 levadura, malta, lúpulo Compuestos de azufre ppm 41 levadura, malta, lúpulo Derivados de lúpulo ppm > 100 lúpulo Compuestos vitamina B ppm 13 levadura, malta Tabla No. 2. Tipos de compuestos químicos que constituyen la cerveza. II. 1.1 OXIDACIÓN. Se relaciona con el grado de oxidación que tiene una cerveza por el envejecimiento intrínseco de la misma, o causado por la absorción de oxígeno durante el proceso de producción o en la operación de envasado. Esta característica debe ser evaluada y controlada de manera continua mediante pruebas de laboratorio para conocer el contenido de oxígeno y por pruebas de catado para detectar variaciones indeseables en el sabor, ya que este fenómeno de oxidación causa un deterioro importante en el sabor de la cerveza, haciendo que sepa a papel, cartón o papel mojado, condición que se aprecia también por el olor. El sabor y olor mohoso, es otro defecto relacionado con la 21

25 oxidación, se percibe como a bodega húmeda o sótano, surge cuando la cerveza se encuentra contaminada por hongos. El envejecimiento aunado a la naturaleza misma de la cerveza, sucede porque es un producto que contrario al vino, la maduración del sabor se le da en el proceso y no en la botella, que aún después de que ha sido envasada, siguen desarrollándose transformaciones y reacciones químicas de sus constituyentes dentro del envase, hecho por el cual sus propiedades de aceptabilidad se conservan solo por cierto tiempo, por lo tanto, se considera una bebida con caducidad. Este envejecimiento se manifiesta a pesar de que la cerveza haya sido producida cumpliendo todas las especificaciones y controles, estabilizada, pasteurizada y adecuadamente envasada. El objetivo del maestro cervecero es retardar al máximo posible la velocidad del envejecimiento, para que el producto se mantenga en condiciones aceptables para el consumidor por varios meses, esto lo logra por un manejo muy cuidadoso de la cerveza, evitando todas las situaciones que propicien la absorción de aire u oxígeno durante el proceso de producción y al momento del envasado, ya que el oxígeno es un fuerte acelerador de este proceso de deterioro. El contenido de oxígeno disuelto en la cerveza ya envasada, debe ser idealmente 0.0 ó 0.15 ppm como máximo para no causar problemas de envejecimiento prematuro. La intensidad de la oxidación se ve incrementada también al elevarse la temperatura a la que se almacena la cerveza antes de que llegue al cliente y por tiempos muy largos de almacenamiento, lo deseable sería que la cerveza se tome en los primeros 3 meses después de su fabricación, aunque con la tecnología actual la cerveza dura hasta un año en condiciones óptimas. El oxígeno disuelto actúa como un catalizador para que se realice la oxidación de los alcoholes superiores durante la fermentación por reacción con los melanoides, dando lugar a la formación de aldehídos como el isovaleraldehído, isobutiraldehído, trans 2 nonenal. Este último es el que produce el sabor característico a papel o cartón. Después de la fermentación la presencia de oxígeno en la cerveza es un factor negativo que afecta sus propiedades, por tal motivo, en los procesos posteriores a la fermentación, como la maduración, filtración y envasado, se deben tomar precauciones que eviten el contacto de la cerveza con el aire u oxígeno, pues crece la posibilidad de atrapamiento de oxígeno por el trasiego realizado a diferentes tanques utilizando tuberías y mangueras. Entre algunas de las medidas preventivas están las siguientes: 22

26 1) Para el trasiego de la cerveza, se deben diseñar sistemas de alimentación y descarga para los tanques, incluyendo tuberías y equipo de bombeo, que hagan que la cerveza se desplace de la manera más suave posible sin agitaciones bruscas que causen pérdidas de CO2 resultando en una mayor facilidad para la disolución del oxígeno, no excediendo la velocidad de flujo de ( m/seg) dependiendo de la fase del proceso, al final la velocidad debe ser la menor posible. Los cambios de sección y dirección no deben ser drásticos y se deben eliminar condiciones que causen el atrapamiento de bolsas de aire en el sistema. 2) Establecer procedimientos para vaciar correctamente los tanques, mencionando aspectos como: el no utilizar tuberías vacías para iniciar el trasiego de la cerveza, sino llenarlas de agua la cual será desplazada después con la cerveza a baja velocidad. Utilizar la capacidad completa de los tanques, no dejando tanques semi-llenos que dan lugar a un incremento del área de contacto con el aire. No presurizar con aire sino con CO2 el tanque por vaciar. 3) En la carbonatación de la cerveza, utilizar únicamente CO2 con pureza de % sin contaminación de oxígeno. 4) En la filtración evacuar periódicamente el aire acumulado en la parte superior de los filtros. Evitar el efecto de remolino ó vortex al alimentar la suspensión de tierras de diatomeas y burbujear constantemente CO2 en el alimentador. Preparar las suspensiones de tierras, aditivos o enzimas con agua carbonatada y sin oxígeno disuelto. El oxígeno disuelto es monitoreado en las líneas de producción, utilizando sensores polarográficos cubiertos con una membrana que permite el paso del oxígeno, el cual es reducido en el cátodo, esto es transformado en una señal eléctrica y medida por un dispositivo electrónico. Estos sensores pueden ser instalados en varias tuberías y equipos como; salida del filtro utilizado para clarificar la cerveza, tuberías del área de envasado, instalación para desaireación de agua, etc. En el producto terminado, el contenido de oxígeno disuelto es medido empleando equipos de laboratorio capaces de detectar concentraciones muy pequeñas en partes por millón, como el determinador de oxígeno tipo Hays, INTAP, etc. 23

27 II.1. 2 ESTABILIDAD DEL SABOR. Esta característica indica la capacidad que tiene una cerveza para conservar su buen sabor durante el tiempo que transcurre desde el momento en que es envasada hasta que llega a las manos del consumidor. Es importante el control de éste aspecto, ya que el atributo más importante que tiene una cerveza en el gusto del público es su sabor, el cual puede sufrir una degradación o deterioro a través del tiempo como consecuencia del envejecimiento natural de la misma y algunos otros factores agregados que aceleran o retardan la estabilidad del sabor, como: el tiempo de anaquel, la temperatura, el contenido de oxígeno, tipo de envase, etc. La finalidad del control es asegurar que las cualidades del sabor se mantengan dentro de un rango aceptable, alargando la vida de anaquel del producto y manteniéndolo por más tiempo en condiciones óptimas para el consumidor. La estabilidad del sabor se evalúa haciendo pruebas de catado a la cerveza ya envasada. Es importante que el catador conozca el comportamiento de los olores y sabores del producto a través del tiempo, aun por varios meses, para conocer el comportamiento de la cerveza a intervalos de tiempo preestablecidos. Este catado nos sirve para detectar las variaciones de sabor con el transcurrir del tiempo, ya que el sabor de la cerveza nunca es estable debido a que es un producto perecedero y con el tiempo tiende a perder el carácter de fresco, aún y cuando haya cumplido todas las especificaciones de envasado y pasteurización. Una forma de hacer estas pruebas de catado a la cerveza es sometiéndola a un envejecimiento prematuro; acelerando o catalizando el deterioro, al exponerla a condiciones de agitación y temperatura extrema por un corto tiempo; esto nos da una información rápida del grado de estabilidad de la cerveza, con lo cual se pueden tomar acciones correctivas en los lotes nuevos por producir o los que ya se encuentran en proceso. Dentro de la metodología para el Catado de la cerveza se hacen pruebas de diferenciación y pruebas descriptivas, que son realizadas básicamente por el catador o grupos de catadores; que son personas con una amplia experiencia en el campo de la cerveza, con un entrenamiento de mucho tiempo, que logra hacer de la opinión del catador el punto más importante para la aprobación de una cerveza. En las pruebas descriptivas de evaluación de sabor (las cuales se llevan a cabo con una metodología estrictamente establecida) se obtiene información cualitativa y cuantitativa de las diferencias en las muestras. 24

28 En las pruebas de diferenciación que son cualitativas se usan métodos como el llamado Comparación por pares, para detectar las diferencias entre dos muestras, siendo una de ellas una referencia y la otra una muestra y otras como el catado Duo-trio y el catado Triangular. Estas pruebas describen atributos que pueden tener las muestras de cerveza como: aroma, color, cuerpo de la cerveza y sabor. La causa principal de la degradación del sabor es la oxidación, que se presenta en los alcoholes superiores por los melanoides, que dan por resultado aldehídos no saturados que confieren a la cerveza un sabor desagradable: a cartón o papel. Fig.2. Figura 2. Esquema de comportamiento de las cervezas durante su vida de almacenamiento. La oxidación en la cerveza afecta tanto a la estabilidad coloidal como a la estabilidad del sabor, obteniéndose cerveza muy colorida, con sabores desagradables (astringentes), poca estabilidad del sabor en el producto terminado y prontamente desarrollo de turbidez. Es durante el proceso de fermentación (que una las variables más importante a considerar en la calidad de la cerveza), donde solo se puede adicionar oxígeno, con el fin de que la levadura pueda reproducirse; en todos los demás procesos el oxígeno sumamente perjudicial y en base a lo anterior se debe evitar la absorción de O2 a lo largo de todo el proceso de elaboración de la cerveza, 25

29 para lo cual se hace uso de compuestos antioxidantes, como los derivados de los sulfitos: el metabisulfito de potasio (K2S2O5) y el ditionito de sodio (Na2S2O4); y los llamados ascorbatos, como el ácido ascórbico que reaccionan activamente con al oxígeno molecular, ésta adición de antioxidantes siempre se realiza a la cerveza ya filtrada. En general, los aspectos a considerar para dar un tiempo de vida larga a la cerveza y preservar por más tiempo la estabilidad del sabor, empiezan desde la calidad y características de la materia prima, el uso de antioxidantes, el uso de enzimas, limpieza en los equipos, el evitar atrapar oxígeno en el mosto caliente, evitar pausas proteolíticas prolongadas que producen compuestos nitrogenados en exceso, obtención de mostos claros, sin arrastre de sólidos para controlar ácidos grasos y muchos otros procesos que hay que cuidar para evitar variaciones de sabor en la cerveza, dando por resultado el alargar la vida de anaquel y manteniendo por más tiempo el producto en condiciones óptimas para el consumidor. II.1.3 ESTABILIDAD COLOIDAL La estabilidad coloidal de una cerveza puede describirse como la capacidad de ésta para conservar su calidad, tanto en apariencia física (brillantez) como en sabor, durante el tiempo que permanezca en el anaquel, con respecto a los atributos que tenía cuando fue envasada. Es decir, la estabilidad coloidal de la cerveza se refiere a la eliminación o retardamiento de los cambios que causan el envejecimiento y específicamente la aparición de turbidez ó velo coloidal que impacta negativamente la apariencia de la cerveza. Para conocer el comportamiento que tendrá la estabilidad coloidal de una cerveza en el tiempo, es decir, durante su manejo, almacenamiento y estancia en anaquel, se hacen pruebas de abuso tanto físicas como químicas, con las cuales se acelera la formación de turbidez. Entre las pruebas físicas que se efectúan tenemos: Periodos de agitación y enfriamiento para provocar turbidez y medirla. Almacenamiento a temperatura alta (50 C) durante tres días y posteriormente almacenamiento a temperatura baja (0 C) dos días, con ciclos de agitación. Almacenamiento a temperatura alta (60 C) durante el día, con tres horas de sumergirla en agua helada. 26

30 En las pruebas químicas se adiciona sulfato de amonio como precipitador de proteínas, causantes de la turbidez. Son las condiciones de temperatura, agitación, almacenamiento, oxidación y sobre todo el tiempo que transcurre desde que es envasada hasta que se vende, lo que afecta la estabilidad coloidal de una cerveza, observándose sus efectos en su color, sabor, claridad y espuma; considerando que la apariencia física es muy importante y el impacto que causa en el consumidor se verá reflejado en su predilección, sobre todo si el envase es de vidrio transparente; se requiere asegurar que el producto se mantenga estable por largo tiempo, por lo cual se hace un énfasis especial en controlar la variable que más pone de manifiesto la pérdida de estabilidad coloidal, que es la turbidez. II TURBIDEZ La turbidez se define como la pérdida de claridad o transparencia de un líquido, originado por partículas suspendidas y que provocan el empobrecimiento de la calidad. La turbidez se forma básicamente en el producto terminado, siendo de dos tipos: biológica y no biológica. La biológica es a causa de bacterias que no se eliminaron totalmente debido a una mala pasteurización o falta de higiene en el envasado. La no biológica es causada por oxalatos de calcio, empleo de materias primas y adjuntos inadecuados o de mala calidad y por la presencia de proteínas y polifenoles. En este punto se estudiará ésta última, que es la más común, y también llamada turbidez coloidal, que es una conjunción de moléculas de proteína con sustancias fenólicas llamadas polifenoles. Para mejorar la estabilidad de la cerveza debe hacerse remoción de éstas proteínas, pero no en su totalidad, ya que se requiere parte de ellas para la formación de una buena espuma y también para darle cuerpo al sabor de la cerveza, y lo mismo sucede con los polifenoles, que en pequeñas cantidades son una protección natural contra la oxidación. La turbidez se puede presentar de dos formas: en caliente (que es permanente) y en frío (que es reversible cuando se calienta) llamada chill-haze y que después de algún tiempo se convierte en sedimento. Entendiéndose por caliente ó temperatura ambiente a la cual regresa la cerveza al sacarla del hielo o del refrigerador (fría). 27

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