An integrated approach for the optimal preliminary design of a malt drink production plant from sorghum

Abstract

Con el objetivo de encontrar alimentos amigables para celíacos, el sorgo se presenta como un cereal con un alto contenido de nutrientes, que tiene varias propiedades beneficiosas, especialmente para aquellos países que carecen de otros cereales tradicionales como el trigo, el maíz o el arroz. Además, el cultivo del sorgo es económicamente rentable y no contiene las proteínas que afectan a los pacientes celíacos. En los últimos años, se ha desarrollado una variedad de productos alimenticios de “libre de gluten” para mejorar la dieta de los celíacos, como cervezas de sorgo, que a menudo son producidas de forma artesanal y a muy pequeña escala por cerveceros individuales. Sin embargo, hasta donde se conoce, no existe una bebida no alcohólica a base de sorgo. En este trabajo se propone un modelo matemático para el diseño óptimo de una planta discontinua de producción de malta a partir de sorgo a nivel industrial. El modelo se formula como un problema mixto entero lineal, el cual se implementa y resuelve en GAMS utilizando el resolvedor CPLEX. A través de resultados experimentales, se obtienen los parámetros de diseño y operación del modelo para desarrollar una formulación de ajuste real. Se minimiza el costo de inversión y se presenta un análisis técnico-social-económico con el objetivo de evaluar la opción más rentable y sostenible de producir malta a partir de sorgo. Para una producción de 5.000 L/d, el período de pago es de 4,8 años y el costo unitario por botella de 300 mL es de $ 0,312. La bebida de malta, obtenida con la tecnología presentada en este trabajo, cumple con los requisitos físicos y organolépticos establecidos para su consumo de acuerdo con la comparación reportada por Nieblas, con dos maltas de cebada comercializadas en Cuba malta Bucanero y Tínima.

Amb l'objectiu de trobar aliments amigables per a celíacs, la sorgo es presenta com un cereal amb un alt contingut de nutrients, que té diverses propietats beneficioses, especialment per a aquells països que no tenen altres cereals tradicionals com el blat, el blat de moro o l'arròs. A més, el cultiu del sorgo és econòmicament rendible i no conté les proteïnes que afecten els pacients celíacs. En els últims anys, s'ha desenvolupat una varietat de productes alimentaris "lliure de gluten" per millorar la dieta dels celíacs, com cerveses de sorgo, que sovint són produïdes de forma artesanal i a molt petita escala per cervesers individuals. No obstant això, fins on es coneix, no existeix una beguda no alcohòlica a base de sorgo. En aquest treball es proposa un model matemàtic per al disseny òptim d'una planta discontínua de producció de malta a partir de sorgo a nivell industrial. El model es formula com un problema mixt sencer lineal, el qual s'implementa i resol en GAMS utilitzant el resolvedor CPLEX. A través de resultats experimentals, s'obtenen els paràmetres de disseny i operació del model per desenvolupar una formulació d'ajust real. Es minimitza el cost d'inversió i es presenta una anàlisi tècnica-social-econòmica amb l'objectiu d'avaluar l'opció més rendible i sostenible de produir malta a partir de sorgo. Per a una producció de 5.000 L/d, el període de pagament és de 4,8 anys i el cost unitari per ampolla de 300 ml és de 0,312 $. La beguda de malta, obtinguda amb la tecnologia presentada en aquest treball, compleix amb els requisits físics i organolèptics establerts per al seu consum d'acord amb la comparació reportada per Nieblas, amb dos maltes d'ordi comercialitzades a Cuba malta Bucanero i Tínima.

With the aim of finding friendly celiac food, sorghum is presented as a cereal with a high content of nutrients, which has several beneficial properties, especially for those countries that lack other traditional cereals such as wheat, corn, or rice. In addition, sorghum cultivation is economically profitable and it does not contain the proteins that affect celiac patients. In the last years, a variety of "free gluten" food products were developed for improving the celiac diet, as well as sorghum beers, which are frequently produced in a home-made manner on a very small scale by individual brewers. However, to the best of our knowledge, there is not a non-alcoholic beverage from sorghum. In this work, a mathematical model for the optimal design of a batch plant for producing malt drink from sorghum at industrial level is proposed. The model is formulated as a mixed integer linear problem, which is implemented and solved in GAMS using the CPLEX solver. Through experimental results, design and operation model parameters are obtained in order to develop real-fit formulation. The investment cost is minimized, and a technical-social-economical analysis is presented in order to evaluate the more profitable and sustainable option to produce malt drink from sorghum. For a production of 5,000 L/d, the payback period is equal to 4.8 years and the unit cost per bottle of 300 mL is $ 0.312. The obtained malt drink with technology presented in this work, meets the physical and organoleptics requirements established for its consumption according with the comparison reported by Nieblas, with two malt drinks from barley commercialized in Cuba, Bucanero and Tínima malt drink.