Modelling of ultrasound accelerated whisky maturation process

Whisky maturation is one of the most critical stages of the entire production chain, as it contributes significantly to the development of the sensory profile in terms of flavour, colour and overall quality. However, the conventional techniques for this process have been shown to be expensive and time-consuming, raising interest worldwide in the search for alternative technologies that can speed up the distillate's ageing process while maintaining its characteristic properties. This thesis explores the potential of ultrasound technology as a promoter of the ageing process. The specific objective is to develop a mathematical model that can reproduce the evolution over time of some of the most important lignin and tannins derived congeners in a sonicated system, such as syringaldehyde, syringic acid, conifer aldehyde, vanillin, vanillic acid, and gallic acid. The work starts with a careful analysis of the experimental data obtained from the work of De Taddeo and Ramirez, referred to samples subjected to an accelerated ultrasonic ageing process conducted under different operating conditions. Thorough bibliography research about the distillate's main features and the maturation stage under ultrasound effects led to the formulation of a model that incorporates both diffusive and kinetic phenomena typical of a hybrid regime, well represented by the Shrinking Core Model, usually employed for describing non-catalytic surface reactions between solids and fluids. The manipulation of the significant parameters of the process, resulted in diffusivities and kinetic constants, allowed the derived systems to replicate the profile of experimental concentrations over time. The final proposal accurately depicts the species evolutionary tendencies, showing a higher relevance in diffusion processes over the kinetic ones, but underestimates the numerical value of some parameters. The study provides a good starting point for describing and predicting the dynamics of the accelerated whisky maturation process and highlights the critical issues to be taken into account for future improvements.

La maturazione del whisky è uno dei passaggi più critici di tutta la linea di produzione, in quanto risulta essere il principale contribuente dello sviluppo del profilo sensoriale in termini di aroma, colore e qualità complessiva. Tuttavia, i tradizionali metodi impiegati per questo processo sono stati dimostrati essere molto dispendiosi sia in termini di tempo sia per quanto riguarda i costi, trascinando l’intero scenario globale ad accrescere interesse verso la scoperta di tecnologie alternative in grado di accelerare l’invecchiamento del distillato preservandone le caratteristiche finali. Questa tesi esplora il potenziale della tecnologia ad ultrasuoni come promotore delle complesse interazioni chimico-fisiche che governano la maturazione ed ha come particolare obiettivo lo sviluppo di un modello matematico in grado di descrivere l’evoluzione nel tempo di alcuni tra i composti chiave del processo, tra cui siringaldeide, acido siringico, coniferaldeide, vanillina, acido vanillico e acido gallico. Il seguente lavoro si sviluppa a partire da un’attenta analisi dei dati sperimentali raccolti da De Taddeo e Ramirez, riferiti a campioni soggetti al processo accelerato di maturazione tramite ultrasuoni e condotti al variare di alcune condizioni operative. Una completa ricerca bibliografica sulle principali caratteristiche del whisky e sul processo di maturazione condotto con la tecnologia ad ultrasuoni ha portato alla formulazione di un sistema che considerasse sia i fenomeni diffusivi sia l’aspetto cinetico tipici di un regime ibrido, ben approssimati dal modello Shrinking Core, tipicamente utilizzato per descrivere reazioni superficiali non catalitiche tra un solido e un fluido. La manipolazione dei principali parametri che influenzano il processo, risultati essere costanti cinetiche e coefficienti di diffusione, ha portato alla derivazione di un sistema capace di replicare l’andamento delle concentrazioni nel tempo dei dati sperimentali e che evidenzia un maggiore contributo diffusivo rispetto a quello cinetico; tuttavia, i valori numerici di alcuni di questi parametri risultano essere notevolmente sottostimati. Questo studio fornisce un buon punto di partenza per descrivere e prevedere le dinamiche del processo di maturazione accelerata del whisky ed evidenzia le criticità di cui tener conto per futuri miglioramenti.