Aplicación de sensores para el control en línea de procesos en vinificación

Résumé

El control exacto de los procesos propios de la vinificación es un aspecto de gran interés para el sector enológico que pretende ayudar a conseguir vinos de gran calidad. Actualmente el correcto desarrollo y finalización de gran parte de estos procesos depende directamente del buen hacer y de la habilidad del enólogo. La incorporación de sistemas avanzados de supervisión en línea y de control en la elaboración de productos tan especiales como el vino, no debe entenderse como una pérdida de la personalidad en el proceso de vinificación, sino como una herramienta para facilitar la toma de decisiones con el conocimiento en tiempo real de todas las variables de estado y su integración en un sistema de manejo optimizado. El conocimiento exhaustivo de las reacciones físicas, químicas y biológicas de los diferentes subprocesos a los cuales es sometido el mosto en el proceso de fermentación alcohólica permite establecer estrategias de control que aporten la información necesaria al enólogo para la toma de decisiones. El proceso de fermentación alcohólica de los mostos es un proceso complejo en el cual intervienen microrganismos y cuyo control se realiza de forma tradicional por medio de la lectura de densidades de forma manual y el establecimiento de temperaturas de consigna. En vinos tintos se controla además la extracción de color en la maceración mediante la mezcla de fracciones de mosto-vino con los hollejos que quedan en la parte superior del depósito con la operación que se denomina remontado. La fermentación alcohólica para la obtención de vinos tintos presenta una complejidad superior al resto de fases en la elaboración, y a otro tipo de vinificaciones. La importancia de la fermentación en los costes de producción (mano de obra y estacionalidad) junto con la dificultad de realizar un seguimiento en línea hace necesario estudiar la incorporación de los sensores y del sistema de control adecuados. El control de la fermentación alcohólica y la maceración se basa en la realización de análisis periódicos que efectúa el técnico para conocer los parámetros indicativos de cada fase, aunque existen estudios que modelan los parámetros más significativos a tener en cuenta y que pueden permitir la incorporación de técnicas avanzadas de control, no es habitual su empleo en enología (Harms, et al., 2002, Horiuchi, 2002, Sablayrolles, 2009). El sistema de control desarrollado, basado en la incorporación de sensores que permiten un análisis del mosto en fermentación y que posibilita la realización de acciones de forma autónoma, pone a disposición del enólogo la monitorización y control de los principales parámetros de la fermentación. Este conocimiento representa un valor añadido y un retorno de información muy importante para el buen hacer del enólogo. La modularidad de la aplicación desarrollada permite la aplicación a numerosos depósitos sin tener que realizar grandes cambios en la programación. El sistema de medición y el control realizado permite validar cada una de las técnicas de medida seleccionadas con la comparación simultánea en el laboratorio mediante los métodos oficiales de análisis. El sistema de muestreo ha permitido un correcto control de la fermentación y representa un buen compromiso para su reproducción en sistemas enológicos reales. La presencia de burbujas de dióxido de carbono ha representado un condicionante en el diseño del sistema de medida que se ha resuelto gracias a la presurización del sistema permitiendo así la aplicación de nuevas técnicas de medida en línea. Otro aspecto que hay que destacar es la determinación del punto de toma de muestra representativo del depósito, se ha establecido como el que se encuentra a un tercio de altura para depósitos cilíndricos y coincide en la mayoría de los casos con la válvula de toma-muestras instalada por los fabricantes. ¿ El sistema de medición y el control realizado, como una aplicación modular basada en el control distribuido, permite validar cada una de las técnicas de medida de densidad, turbidez e impedancia con la comparación simultánea en el laboratorio mediante los métodos oficiales de análisis. El circuito de medida ha permitido un correcto control de la fermentación y representa un buen compromiso para su reproducción en sistemas enológicos reales. El conocimiento de la densidad de un mosto-vino permite establecer el final de la fermentación alcohólica. Con el fin de determinar este parámetro en tiempo real se ha diseñado un prototipo para su implantación en bodega, utilizando en línea dos densímetros de tubo vibrante o de efecto Coriolis que han permitido conocer y controlar en continuo el desarrollo de la fermentación mediante el seguimiento de la densidad y de la temperatura. El sistema de control en línea del proceso fermentativo ha permitido la determinación exacta del fin de la fermentación (variaciones de la densidad menores del 0,2%) pudiéndose ahorrar tiempo e iniciar las siguientes operaciones y evitar así procesos indeseables. Se ha comprobado que los densímetros Coriolis de conformación interna en omega presentan inconvenientes respecto a los realizados con forma de U. Aunque en ambos casos la presurización a 1 bar del sistema de medida de densidad en fermentaciones de vinos tintos se considera suficiente para eliminar las interferencias del dióxido de carbono, tanto en las fermentaciones lentas como en las tumultuosas. La medida de sólidos en suspensión es de gran interés en la industria enológica, tanto en el caso de desfangados, clarificaciones o incluso los remontados, ya que es importante que tanto mostos en fermentación como vinos finalizados se encuentren con el nivel de sólidos deseado ya sea para facilitar la transferencia de componentes entre el líquido y los sólidos o para realizar tratamientos al vino. (Oliveira y Clemente, 2003, Ribéreau-Gayon, et al., 2006). La medida actual de la cantidad de sólidos en suspensión se realiza de forma manual en el laboratorio por métodos turbidimétricos, mediante el empleo de un nefelómetro o mediante sistemas indirectos que permiten conocer de forma cualitativa la turbidez del vino. La aplicación de este tipo de sistemas a la determinación de la turbidez on-line en depósitos de gran volumen de líquido es más complejo, por los requisitos de estanqueidad y cableado. En un medio como el vino se presentan algunas dificultades añadidas para conseguir una medida fiable, dificultades que suponen el empleo de sistemas de coste elevado. En esta tesis se ha desarrollado un turbidímetro específico para el vino basado en el empleo de fibra óptica como guía de luz para los haces de emisión y de recepción y que, por ello, simplifica las condiciones de estanqueidad necesarias y supera las limitaciones de empleo de cableado eléctrico. El empleo de fibra óptica para este tipo de sensores tiene beneficios adicionales y permite realizar la medida a grandes distancias sin interferencias ni atenuaciones importantes, así como incorporar varios puntos de medida en uno o varios tanques sin la necesidad de duplicar el circuito de medida con la adición de un mayor número fibras ópticas. El sensor de turbidez desarrollado proporciona valores adecuados del parámetro medido en vinos sin necesidad de realizar dilución. Las principales ventajas que aporta radican en su funcionamiento on¿line, su consecuente bajo coste, la eliminación de limitaciones de seguridad y riesgos eléctricos al evitar el contacto y la proximidad de cualquier zona bajo tensión con el líquido. El sensor de turbidez de tres haces se ha verificado experimentalmente de forma extensiva empleando patrones certificados, obteniendo una excelente correlación entre los valores reales y los proporcionados por el equipo, quedando el error limitado a menos del 1% en todo el rango de medida. ¿ Las propiedades dieléctricas del mosto en fermentación proporcionan información sobre algunos parámetros de interés, en concreto sobre el crecimiento de las levaduras y generación de dióxido de carbono durante la fermentación. La medida en línea de la producción de dióxido de carbono se ha llevado a cabo mediante la evaluación de las variaciones de resistencia, para ello se ha tenido en cuenta que las burbujas presentes en la fase líquida reducen la sección de paso de la corriente eléctrica y se ha determinado la frecuencia característica de muestreo para minimizar la influencia de otros factores (levaduras, levaduras muertas, iones disueltos, etc.). (Asami y Yonezawa, 1995, Keesman, 2002, García, et al., 2004, Colombie, et al., 2008). La determinación del CO2 desprendido se realizó mediante la correlación de las medidas obtenidas de la evolución del peso del mosto en fermentación con la lectura por medio de un sensor de nuevo desarrollo de medida en línea. La medida de levaduras y el ajuste de la medida de impedancia es un factor complejo que queda limitado casi a biorreactores donde se dispone de un entorno controlado. En fermentaciones la interferencia de compuestos químicos y biológicos hace compleja la medida de la evolución de levaduras, además los métodos estudiados de levaduras no permiten establecer una correlación adecuada para el funcionamiento del sensor. Las experiencias realizadas con el sensor de impedancia sintonizado a diferentes frecuencias para la determinación de CO2 (componente resistivo) y de levaduras (componente capacitivo) hacen que sea un sensor adecuado para la determinación del dióxido de carbono liberado en la fermentación. Para la monitorización de los parámetros a tener en cuenta en el modelado se desarrolló un equipo automático de muestreo, para una vez obtenido el modelo poderlo aplicar en tiempo real en sucesivos experimentos. Las medidas ajustadas al modelo podrían implantarse en sistemas de control predictivo tanto de hardware como de software para el manejo de la fermentación de mostos.