O uso do nitrogênio na cervejaria

A utilização de nitrogênio na cervejaria possui uma série de vantagens que abrangem o impedimento de super-saturação da cerveja com gás carbônico, a lavagem de tanques com soluções alcalinas sob contrapressão de gás, maior formação de espuma da cerveja, comprovada melhor eliminação de oxigênio no enchimento de latas e garrafas e extração de chope mais eficiente.

O princípio de se separar os gases individualmente do ar atmosférico é relativamente simples e requer um compressor para a aspiração e compressão do ar até no máximo 14 bar (figura 1).
Nesse processo o ar é simultaneamente aquecido e seco. Em seguida, dentro de uma membrana de fibra oca, o ar é separado através dos diferentes coeficientes de difusão de seus componentes, já que os gases isolados possuem afinidades diferentes pela membrana. Eles são divididos em gases rápidos e gases lentos. Os gases rápidos permeiam a membrana e são lançados na atmosfera como ar rico em oxigênio.
A composição do ar de saída depende do volume do fluxo. Geralmente consiste de oxigênio, gás carbônico e vapor d'água. Gases lentos não tem tempo para a difusão e fluem adiante através do feixe de fibras. A pureza do nitrogênio depende da vazão do fluxo, onde também gases nobres como o argônio são arrastados.
Num equipamento de mistura correspondente, pode-se misturar os gases N2 e CO2 conforme necessário. De acordo com os dados do fabricante do equipamento, o separador de ar pode fornecer nitrogênio com 99,5 % de pureza, com uma vazão de 200 litros por hora.
Quanto maior a vazão, menor será a pureza do nitrogênio. Para a aquisição de tal equipamento deve-se levar em conta a real necessidade de consumo, mais uma pequena margem de segurança.

Figura 1: Princípio do separador de ar

Como evitar a super-saturação com gás carbônico

Na utilização de gás carbônico na pressurização de tanques ou no envio de cerveja pode, em relação ao teor de CO2 dissolvido na cerveja, levar a não-conformidades nas especificações do produto.
É o caso, especialmente quando a temperatura da cerveja é baixa e a contrapressão elevada. Pode-se eliminar com relativa facilidade essa super-carbonatação durante o processo, mas com o uso do nitrogênio, isto poderia ser completamente evitado.
Com a utilização de nitrogênio, uma pequena parte é solubilizada na cerveja (cerca de 2 ppm), que é benéfica à formação de uma espuma mais estável.
Outro ponto para a indesejável assimilação de gás carbônico e oxigênio encontra-se na extração do chope, onde se utiliza CO2 para gerar contrapressão no barril. Isto pode ser superado pelo uso de uma mistura de CO2 e nitrogênio.
As concentrações de ambos os gases dependem das pressões utilizadas no barril e das especificações do teor de CO2 na cerveja.
O nitrogênio utilizado na mistura irá manter as concentrações do nitrogênio dissolvido na cerveja.
Isso oferece duas vantagens: a primeira é que o nitrogênio é mantido em solução até o ponto de venda, principalmente quando é utilizada mistura de gás para a extração do chope; a segunda surge através do fato de que quando o nitrogênio permanece dissolvido, não há formação excessiva de espuma durante o enchimento.

Limpeza de tanques com solução alcalina

Existem muitos casos infelizes em que um tanque de fermentação, maturação ou pressão foi implodido ("murchado"), devido a uma válvula de segurança defeituosa, ou porque o tanque foi limpo com uma solução de soda cáustica, sob atmosfera de CO2.
Através de cálculo, podemos demonstrar que 60 m3 de gás carbônico "neutralizam" 100 hl de solução de soda cáustica a 1%.
E isso torna-se caro, não só por causa do produto de limpeza, mas também pelo gás.
Existem duas saídas para essa situação: a primeira e mais difundida consiste em evitar o uso de soluções de limpeza básicas. A segunda e menos conhecida alternativa fora da Grã-Bretanha, é a de evitar o uso do gás carbônico e substituí-lo por nitrogênio.

A alternativa do uso do nitrogênio não representa apenas menores gastos com produtos de limpeza, mas que também durante o processo CIP de limpeza e desinfecção, o tanque pode permanecer sob uma atmosfera de gás inerte, através da qual grandes quantidades de gás podem ser economizadas.

Melhor formação de espuma

A mecânica da formação da espuma e de sua desagregação foram objeto de trabalhos recentes. Também a ação vantajosa do nitrogênio sobre a espuma da cerveja foram documentadas recentemente.
Toda vez que a cerveja é submetida à ação do nitrogênio, durante o processo de fabricação e envasamento, certa quantidade do mesmo é dissolvida no produto.
A quantidade depende da pressão, da temperatura e do tempo, mas de modo geral, são de 2 a 5 mg/l (ppm). Concentrações de 10 a 20 ppm no produto final fornecem uma significante melhoria da espuma.
Em concentrações mais baixas, a ação é menos visível; enquanto que concentrações acima de 20 ppm podem levar a problemas na extração do chope.
Estes problemas normalmente são superados através da utilização de misturas de gases (nitrogênio e gás carbônico) na extração do chope.
Os dados citados anteriormente referem-se especificamente à cerveja envasada em barris.
Muitos cervejeiros atingem agora concentrações de N2 nas latas que estão bem acima de 35 mg/l, através de métodos que utilizam nitrogênio e inserções de plástico nas latas.
Quando a cerveja é vertida no copo, o nitrogênio desprende-se da solução e produz uma espuma cremosa e densa.
A queda da coroa de espuma se deve a três mecanismos, que são conhecidos como desidratação, coalescência e desproporcionamento. As ações vantajosas do nitrogênio abrangem principalmente o processo de desproporcionamento.
A velocidade do desproporcionamento é dirigida pelos seguintes fatores:
- Tamanho original e distribuição das bolhas;
- Solubilidade do gás;
- Espessura da parede da bolha;
- Tensão superficial.

A pressão dentro de uma bolha é inversamente proporcional ao seu diâmetro. Para se atingir um equilíbrio, o gás tende a formar bolhas maiores a partir de bolhas pequenas.
As bolhas na superfície da espuma tornam-se menores nas dimensões, à medida que perdem gás para a atmosfera.
Este é o caso, principalmente quando a bolha contém CO2. Contém esta bolha nitrogênio, então a velocidade de difusão é menor, já que a atmosfera externa à bolha também contém nitrogênio.

O nitrogênio é muito menos solúvel que o gás carbônico e forma uma pressão parcial bem menor do que o nitrogênio na atmosfera. Por isso a difusão das bolhas cheias com nitrogênio é bem menor, e com isso a coroa de espuma formada não só é mais densa, como também mais durável.

Eliminação do oxigênio no envasamento

Por muitos anos o gás carbônico foi utilizado como gás inerte no enchimento de latas e garrafas. A substituição do CO2 pelo nitrogênio possui duas vantagens: a primeira é que o nitrogênio é mais eficiente para retirar o oxigênio da embalagem. O gás carbônico, que é significativamente mais denso que o ar ou oxigênio, depende da expulsão do oxigênio.

O nitrogênio possui quase a mesma densidade específica do ar (em parte porque o ar contém 80% de nitrogênio) e "dilui" o indesejado gás na lata rapidamente.
Já que as modernas linhas de enchimento de garrafas e latas enchem entre 60.000 a 120.000 embalagens por hora, a rapidez é relevante.
Deve ser observado que na utilização de nitrogênio como uma camada protetora, ocorre um leve aumento da pressão interna da lata por causa da adição da ação das pressões parciais do CO2 e N2, o que não provoca problemas evidentes.
No enchimento de garrafas, ao contrário do que ocorre com as latas, normalmente é utilizado um fino jato de água (HDE) para provocar turbulência e com isso espuma, para eliminar o ar do gargalo da garrafa, antes do arrolhamento.
A espuma produzida a partir de uma cerveja com nitrogênio é mais cremosa e estável e com isso mais eficaz na expulsão do ar.
A segunda vantagem que a utilização do nitrogênio no enchimento de latas e garrafas traz consigo tem a ver com a estabilidade da espuma.
Na utilização de nitrogênio para a contrapressão, dissolve-se algum N2 na cerveja e com isso a formação e a estabilidade da espuma melhoram.

Extração do chope

Muitos trabalhos recentes demonstraram a vantagem da utilização de nitrogênio puro ou de uma mistura de nitrogênio e gás carbônico para a extração de chope.

Quando foram tomadas medidas para assegurar que uma determinada concentração de N2 dissolvido seja alcançada na cerveja, nada melhor do que também levar em conta a mistura de gases utilizada na extração do chope.
De acordo com a Lei de Dalton, a pressão total (P) de uma mistura de gases é igual à soma das pressões parciais (p) da mistura desses gases:

P = p1 + p2 + ...

A pressão parcial é definida como aquela pressão que cada gás isolado exerce quando sozinho ocuparia o volume da mistura à mesma temperatura.

A Lei da Solubilidade de Henry diz, de modo simples que, quando um gás deve permanecer dissolvido em dado líquido, deve haver uma pressão de equilíbrio do mesmo gás sobre a superfície do líquido.
A consideração dessas duas leis juntas responde uma das muitas perguntas sobre o porque de se utilizar uma mistura de gases na extração do chope, especialmente quando os cervejeiros se preocuparam em atingir um teor específico de nitrogênio dissolvido na cerveja, para aproveitarem-se das vantagens de uma melhor estabilidade da espuma.
Não é desejável que o nitrogênio se desprenda no barril, mas sim no copo de cerveja.

Figura 2: Estabilidade da espuma com diferentes teores de CO2.

A figura 2 demonstra que, com crescentes teores de CO2, a estabilidade da espuma diminui. Um comportamento semelhante foi observado em experiências de extração de chope com diversos gases para contrapressão.
Um percentual de CO2 na faixa de 35% a 40% não só é responsável por uma estabilidade da espuma mais regular, como também com essa concentração não se deve temer uma super-carbonatação da cerveja.

O paladar de uma cerveja extraída com uma mistura de gases (CO2 e N2) apresenta-se parcialmente mais "arredondado", e revela uma tendência, mas não pode ser comprovada estatisticamente. O uso do CO2 como gás de contrapressão leva a um aumento da carbonatação, dependendo do tipo de cerveja.

Matthias R. Reinold