CIENCIAS EXACTAS Y NATURALES: INVESTIGACIÓN

Modelo matemático para la predicción de las necesidades de frío durante la producción de vino^*

Mathematical Model for Cold Requirements Prediction During Wine Production^*

Palacios, Carlos A.^**; Udaquiola, Stella M.^**; Rodríguez, Rosa A.^**

*) Este trabajo ha sido desarrollado en el marco de dos proyectos financiados por la Univ. Nac. de San Juan (UNSJ): "Modelo de Gestión ecoeficiente de la Ind. Vitivinícola". Director: Dra. Ing. Udaquiola, y "Desarrollo de un modelo matemático del circuito de refrigeración", Director: Dra. Mg. Ing. Rosa Rodríguez, incluidos ambos en el Proyecto IPE-PAE de la Región de Cuyo; remitido en mazo 2009, aprobado en mayo 2009.
**) Instituto de Ingeniería Química, Facultad de Ingeniería, Universidad Nacional de San Juan (UNSJ). rrodri@unsj.edu.ar

Resumen: La vitivinicultura es una de las principales industrias de la Provincia de San Juan, Argentina. Esta industria no se caracteriza por la peligrosidad de sus residuos, pero sí por sus elevados consumos de energía y agua. La energía que se utiliza en la refrigeración durante la vinificación es aproximadamente igual a un 50 a 70 por ciento del total de energía utilizada. La temperatura debe ser mantenida en un nivel óptimo durante las distintas etapas del proceso con el objetivo de garantizar las características del vino. En este artículo se presenta un modelo matemático para predecir los requerimientos energéticos durante distintas etapas de la vinificación en blanco. Se utilizó un modelo cinético para simular la fermentación y se acoplaron al mismo las ecuaciones de balance de energía. Se realizaron simulaciones de fermentación variando el volumen de los fermentadores, observándose que el requerimiento energético varía en forma lineal con el volumen de los mismos.

Palabras clave: Industria vinícola; Fermentación; Refrigeración

Abstract: The wine industry is the most important of San Juan Province, Argentina. This industry is not characterized by dangerous wastes nevertheless mainly for its high energy and water consumptions. The energy used in the refrigeration during the wine production is approximately equal to 50 to 70 per cent of the total utilized energy. The process temperature should be maintained in an optimum value to guarantee the wine characteristics. In this paper a mathematical model to predict the necessary energy requirements during different stages of white wine production is presented. In order to achieve this goal, a kinetic model was used to simulate the fermentation with the simultaneous equations of the energy balance. The simulations were carried out varying the tank volume. The energetic requirement shows a lineal variation with this volume.

Key Words: Fermentation; Refrigeration; Wine industry

I. Introducción

La industria vitivinícola es una de las principales industrias de la Provincia de San Juan, caracterizada principalmente por sus elevados consumos en energía y agua. La principal fuente de energía que se emplea en el sector vinícola es la energía eléctrica que es también la más cara y, por lo tanto, la que tiene una mayor incidencia sobre los costos de producción. Dicha energía es usada para la refrigeración, debido a la importancia de operar a temperaturas por debajo de las climáticas a fin de asegurar la calidad del producto. El consumo de energía frigorífica se produce especialmente durante la vinificación en blanco y en distintas operaciones auxiliares. En general, las necesidades frigoríficas varían a lo largo del día, ya que muchos de los procesos tienen lugar de forma intermitente en diferentes momentos de la jornada. Además, el consumo energético depende de la época del año, existiendo un pico máximo hacia la mitad del período de vendimia, cuando la recepción de uva se solapa con el proceso de fermentación. La incidencia del consumo energético sobre el valor de la producción bruta en este sector es aproximadamente del 0,5-2% del precio de venta de un hL (Jolibert, 1991).
La variabilidad, tanto en la calidad como en la cantidad de la materia prima, así como en la estacionalidad de la producción, hace que el proceso de vinificación sea complejo, lo que conlleva una mayor dificultad en el diseño y funcionamiento del sistema de refrigeración. Todo ello ocasiona un sobredimensionamiento de las instalaciones, con la consiguiente reducción de la eficiencia térmica. Por lo tanto, se deduce que es de fundamental importancia optimizar la eficiencia del uso de la energía en esta industria, logrando de esa manera una óptima calidad del producto final. Otro aspecto a tener en cuenta es que en los últimos años existe una tendencia al alza del precio de la energía y un previsible aumento del consumo energético por aspectos como la incorporación de climatización a los locales o el tratamiento de los efluentes. Además, en el caso particular de las bodegas instaladas en nuestro país, también es necesario considerar el problema energético existente en este momento.
Uno de los factores más importantes en la optimización del consumo de energía es el planteo de un modelo que describa en forma acabada el sistema de refrigeración de una bodega. Una primera etapa en el desarrollo de este modelo es el cálculo de los requerimientos energéticos de frío en las distintas etapas del proceso de vinificación.
En el presente trabajo se desarrolla un modelo matemático que permite calcular los requerimientos frigoríficos durante las distintas etapas de vinificación en blanco, focalizándose en el proceso de fermentación. Este modelo tiene en cuenta las diferentes variables que afectan dicho proceso, y su principal objetivo es evaluar la energía requerida para enfriar el tanque durante la fermentación, para, en una etapa posterior, optimizar esta refrigeración.

II. Descripción del proceso de elaboración del vino blanco

El proceso de elaboración del vino comienza con la vendimia o recolección de la uva. La misma se realiza cuando el fruto se encuentra en el estado óptimo de maduración, ya que condiciona la calidad e incluso el tipo de vino. Es muy importante el estado sanitario de la uva y su integridad para evitar fermentaciones prematuras e intercambios entre mosto y raspón, que originarían aromas y gustos no deseados.
El transporte a la bodega se realiza en remolques de fácil volcado o en cajas, en el menor tiempo posible. El remolque debe ser de acero inoxidable, debe estar protegido con una lona y provisto de un doble fondo para evitar la maceración del mosto. Las cajas, de una capacidad aproximada de 20 kg de uva cada una, se transportan en el remolque y se descargan manualmente en la bodega. Este sistema evita que la uva se aplaste por su propio peso y que llegue por lo tanto en mejores condiciones a la bodega (Storm, 2001). Las uvas se descargan en una tolva de acero inoxidable provista en el fondo de un tornillo sinfín que las conduce hacia la prensa, estrujadora o estrujadora- despalilladora.
Con el prensado se extrae el mosto de la uva fresca. Esta operación determinará la calidad del vino. Se persigue obtener la mayor cantidad de mosto posible aplicando la mínima presión para evitar la rotura de pepitas y raspones, que le transmitirían sustancias de sabor desagradable. El prensado se debe realizar en el menor tiempo posible para reducir la incorporación de aire.
Es muy común realizar un estrujado antes del prensado para facilitar la extracción del mosto. El estrujado consiste en reventar la uva para liberar el jugo de las células de la pulpa haciéndolas pasar entre dos cilindros muy próximos entre sí que giran en sentido contrario. La distancia entre los dos rodillos debe causar la rotura de las pepitas. Una vez realizado el estrujado en las máquinas correspondientes, existe una cantidad de mosto libre que se puede separar por simple decantación o mediante máquinas escurridoras. El procedimiento debe realizarse de manera rápida con el fin de limitar la intensidad de los fenómenos de maceración y de oxidación. Después del escurrido, la uva recolectada pasa a las prensas para la separación del mosto que aún le queda. En el caso de no estrujar la uva, se hace un prensado directo, cargando la prensa con uvas enteras.
Posteriormente al prensado, se realiza el sulfitado. El mismo consiste en la adición de dióxido de azufre (SO₂), sustancia que se agrega para controlar los microorganismos, evitando que la fermentación se produzca en forma tumultuosa, inhibiendo el crecimiento de las levaduras no productoras de alcohol y favoreciendo las productoras del mismo. Además, protege el mosto de la oxidación por el oxigeno (O₂) del aire ya que éste desnaturaliza el aroma, destruye el afrutado y oscurece el vino blanco; también ayuda a la clarificación del mosto debido a que el retardo de la fermentación implica que durante este periodo puede decantar sus materias en suspensión (Oreglia, 1978).
El desfangado consiste en la clarificación del mosto por eliminación de las materias sólidas en suspensión. Los fangos están constituidos por residuos terrosos, fragmentos de raspones y hollejos, sustancias mucilaginosas y proteínas precipitadas. Existen distintos tipos de desfangado: estático, por centrifugación y al vacío. El desfangado estático consiste en la separación de los fangos por sedimentación natural; el mosto permanece en un depósito durante un periodo de 12 a 24 horas a una temperatura de 10ºC, y posteriormente se eliminan los fangos con un trasiego. El desfangado por centrifugación consiste en separar los fangos por acción de la fuerza centrífuga; las partículas más densas se acumulan en la periferia de la centrífuga y el mosto asciende clarificado. Por último, el desfangado al vacío consiste en separar los fangos haciendo pasar el mosto a través de una capa de tierra filtrante (diatomeas), donde quedan retenidos.
La fermentación alcohólica la llevan a cabo principalmente levaduras del género Saccharomyces cerevisiae, que en ausencia de aire transforman el azúcar en alcohol etílico y dióxido de carbono, en mayor medida. Por esta razón es común añadir cultivos de levaduras seleccionadas. Las dificultades de la fermentación constituyen uno de los mayores problemas. La fermentación alcohólica del mosto de uva es el resultado de la interacción de muchas variables, entre las cuales se puede mencionar la composición del mosto inicial, la temperatura y la concentración de biomasa presente durante el proceso de fermentación. Las levaduras de vino, presentes en el mosto o inoculadas en el tanque de fermentación, son responsables de la conversión del azúcar de jugo de uva en etanol. A menudo, sin embargo, las fermentaciones toman mayores tiempos que los esperados para finalizar (fermentaciones lentas) o dejan un vino incompleto con un poco de azúcar residual (las fermentaciones estancadas). Desde la perspectiva de un productor de vino, estas fermentaciones problemáticas resultan en la pérdida de la capacidad del tanque, debido a los tiempos de procesamiento y reacción de fermentación prolongados, que afectan el producto final, como la inestabilidad microbiana causada por el azúcar residual o incluso, la oxidación debido a la pérdida de la capa de dióxido de carbono protectora sobre el elemento esencial (Ziraldo, 2002).
Uno de los parámetros que afecta fuertemente el proceso de fermentación es la temperatura, la cual debería ser tal que permita la mejor expresión de las sustancias volátiles aromáticas, asegure el desarrollo correcto del proceso fermentativo y contribuya a la obtención de un producto dotado de la tipicidad propia de su denominación. La temperatura de fermentación afecta la evolución de la misma en distintos aspectos, entre los cuales podemos mencionar:

- Su duración, la cual disminuye al aumentar la temperatura.
- La población viable de levaduras (disminuye al disminuir la temperatura)
- La síntesis de ácidos grasos de cadena corta (es mayor cuanto más baja es la temperatura de fermentación).
- El consumo de materia nitrogenada, la cual aumenta al aumentar la temperatura.

En general, los vinos elaborados a baja temperatura son más aromáticos y mejor valorados en el análisis organoléptico, pero, en contraposición, su fermentación puede ser incompleta. Teniendo en cuenta los aspectos anteriormente mencionados, se deduce la necesidad de llevar a cabo la fermentación a una temperatura óptima. De acuerdo a investigaciones realizadas por otros autores, la fermentación para la obtención de vino blanco debe ser realizada alrededor de los 18ºC (Santamaría et al., 1995). A fin de mantener la temperatura en ese valor, es necesario extraer el calor generado durante el proceso fermentativo.
La clarificación consiste en eliminar todos aquellos sólidos que se encuentran en suspensión, con el objetivo de conseguir un aspecto y transparencia estables. Los tipos de clarificación que comúnmente se utilizan en las bodegas son: clarificación espontánea, por centrifugación y por filtración. La primera consiste en la separación por sedimentación natural de las partículas en suspensión, dejando el vino en reposo durante 12 a 24 horas en un depósito. La centrifugación tiene como fin acelerar la caída de las partículas y provocar, por lo tanto, una sedimentación rápida. Por último, durante la filtración el vino pasa a través de capas filtrantes (Yair, 1996).
Luego de la clarificación, se lleva a cabo la estabilización por frío. El frío actúa sobre el vino provocando la insolubilización y la correspondiente precipitación de sales, principalmente bitartrato potásico, ya que la solubilidad del mismo disminuye con la temperatura. Durante la estabilización, el vino es llevado a temperaturas menores de 0ºC durante un periodo que va de 6 a 7 días.
Posteriormente el vino es filtrado nuevamente. Se llevan a cabo tres filtraciones: para limpiarlo, abrillantarlo y finalmente esterilizarlo. La primera filtración se efectúa al vacío con filtro de tierras. La capa de tierras forma una trama filtrante en la que quedan retenidas las impurezas sólidas debido al vacío generado por una bomba; quedan retenidos coloides, sustancias gelatinosas, proteínas, etc. La segunda filtración se lleva a cabo en filtro de placas, que están constituidos por una espesa trama de fibras de celulosa y otras materias entre las que quedan retenidas las impurezas. La tercera filtración se realiza para esterilizar el vino. El filtro está constituido por membranas o cartuchos de poros finos, de tal modo que las impurezas de mayor diámetro que el de dichos poros no pueden pasar y quedan retenidas en la superficie. El líquido pasa a través de los mismos y sale limpio (Datz y Kullmann, 2006).
Por último, se lleva a cabo el embotellado, que requiere previamente del lavado y la desinfección de botellas, luego el embotellado propiamente dicho, el taponado, capsulado y etiquetado. En la Figura 1 se observa un esquema del proceso de elaboración del vino blanco.

Figura 1: Esquema del proceso de elaboración del vino blanco

Teniendo en cuenta la descripción del proceso de vinificación en blanco, podemos observar que existen tres etapas en las cuales es necesario disminuir la temperatura del producto -mosto o vino- según se trate: desfangado (si se realiza un desfangado estático), fermentación y estabilización. En todos estos casos existe la necesidad de un consumo de energía para llevar a cabo dicha disminución de temperatura.

III. Desarrollo del modelo

III.1. Cálculo del requerimiento energético durante el desmangado
La operación de desfangado consiste en la clarificación del mosto por eliminación de materias sólidas (esencialmente vegetales) que se encuentran en suspensión y generalmente le comunican al futuro vino aromas desagradables. Este proceso se lleva a cabo durante 24 horas, periodo que se considera suficiente para que se produzca la sedimentación del material sólido.
Para realizar el cálculo del requerimiento energético necesario en esta operación, se supone que:

- El desfangado se llevará a cabo en recipientes isotérmicos de igual capacidad que la de los fermentadores.
- Se considera que la energía intercambiada por las paredes del fermentador (E_paredD) es igual al 10% del total de la energía necesaria para realizar el desfangado.
- La temperatura de entrada (T_e) del mosto se considerará igual a 28 ºC (temperatura ambiente).
- La temperatura de salida (T_f) del mosto se considerará igual a 10 ºC.

El requerimiento energético para llevar a cabo el desfangado se calcula a partir de la siguiente expresión:

E_desfangado = ρ_mostoVCp_mosto(T_e - T_f ) + E_paredD (1)

Donde V es el volumen de mosto tratado diario expresado en m³, ρmosto es la densidad del mosto expresada en kgm^-3 y Cp_mosto el calor específico del mosto en fermentación expresado en cal kg^-1 ºC^-1.
Se considera que el calor específico varía en función de la concentración inicial de azúcar (S_⁰), y de la concentración de etanol presente en el mosto (E) expresadas ambas en g l^-1. El calor específico es calculado por la siguiente expresión (Colombié et al., 2005)

Cp_mosto=0.1*(S₀-2.17*E) + 866 (2)

La densidad del mosto depende del progreso de la fermentación y de la temperatura del mosto, de acuerdo a la siguiente expresión (El Haloui et al., 1987):

ρ_mosto=-1.085*E + 0.405*S₀ - 0.031*T + 996.925 (3)

III.2. Cálculo del requerimiento energético durante el pre-enfriamiento
Luego de la finalización del desfangado, el mosto alcanza la temperatura ambiente debido a que se debe realizar un trasiego, por lo que es necesario enfriarlo hasta la temperatura de fermentación. El cálculo del requerimiento energético durante el pre-enfriamiento (E_preenfriado) se efectúa aplicando la siguiente fórmula:

E_preenfriado = ρ_mostoVCp_mosto(T_e - T_f ) + E_paredP (4)

En este caso también se considera que la energía intercambiada por la pared del fermentador (E_paredP) es igual al 10% del total de energía necesaria para llevar a cabo el pre-enfriamiento.

III.3. Cálculo del requerimiento energético durante el proceso de fermentación
III.3.1. Simulación del proceso de fermentación
El modelo de fermentación utilizado en este trabajo fue propuesto por Cramer et al. (2002) y Coleman et al. (2007). El mismo consiste en cuatro ecuaciones diferenciales acopladas:

Donde Y_X/N es el coeficiente de rendimiento de la masa celular, Y_E/S es el coeficiente de rendimiento de producción de etanol por azúcar consumida y las cuatro variables son: la biomasa activa (X_A, g/l), nitrógeno (N, mg/L), etanol (E, g/L) y azúcar (S, g/L). Se supuso que toda la biomasa agregada durante la fermentación es activa. La velocidad específica de crecimiento para la masa celular (μ) es función de la concentración de nitrógeno:

(9)

donde μ_max y K_N son la velocidad de crecimiento específica máxima y la constante de Monod para el crecimiento limitado por el nitrógeno (N), respectivamente. La velocidad de muerte o de inactivación celular (k_d) es una función de la concentración total de etanol:

(10)

Donde k_d´ describe la sensibilidad de las levaduras al etanol (E). La velocidad de utilización de azúcar por célula es una función de la concentración de azúcar:

(11)

Donde ß_max y K_S son la velocidad específica máxima de utilización de azúcar y una constante tipo Michaelis- Menten para el uso de esta sustancia.

III.3.2. Planteo del balance de energía
Para calcular el requerimiento energético necesario para llevar a cabo la fermentación, se asume que:

- El mosto es homogéneo durante este fenómeno.
- La transferencia de calor por radiación es despreciable.
- La transferencia de calor por conducción es también despreciable.
- La energía intercambiada a través de las paredes del tanque es igual a un 10% de la energía producida durante la fermentación (Colombié et al., 2007).
- La energía perdida por evaporación de agua y etanol es alrededor del 4% de la energía producida durante la fermentación (Vannobel, 1988).

En este trabajo se considera que el tanque donde se lleva a cabo la fermentación es un cilindro vertical, el área de intercambio (A) es la suma del área de la pared lateral y la del círculo del fondo:

(12)

Donde H es la altura del tanque de fermentación y r el radio del mismo (el espesor es despreciable). La ecuación de conservación de energía por unidad de tiempo en el reactor puede ser escrita como sigue:

(13)

Donde E_acum es la energía por unidad de tiempo acumulada por el mosto, Efer la energía por unidad de tiempo generada durante la fermentación, EparedF la energía por unidad de tiempo intercambiada por las paredes del tanque, Eevap la energía perdida por evaporación del agua y del etanol por unidad de tiempo y Qc la potencia requerida para enfriar el tanque.
Cuando la temperatura no está controlada, la energía acumulada por el mosto por unidad de tiempo debida al calor generado por el proceso de fermentación sigue la siguiente expresión:

(14)

Donde dT/dt es la velocidad de cambio de la temperatura del mosto con el tiempo.
La fermentación es una reacción exotérmica. La energía generada por unidad de tiempo durante la fermentación en el tanque es igual a (El Haloui, 1987):

(15)

III.4. Cálculo del requerimiento energético durante el proceso de estabilización
Durante la estabilización, el vino es llevado a temperaturas menores de 0ºC durante un período que va entre 6 y 7 días, para que cristalicen y precipiten las sales tartáricas. La temperatura exacta a la que es llevado el vino depende de su grado alcohólico, la cual se calcula mediante el uso de la siguiente la fórmula (Moutonet et al., 1997):

(16)

Donde G es la graduación alcohólica del vino obtenido. Con esta temperatura el vino no se congela, pero las sales tartáricas cristalizan y precipitan. El requerimiento energético para llevar a cabo la estabilización se calcula a partir de la siguiente expresión:

(17)

Se considera que la energía intercambiada por las paredes del fermentador (E_paredE) es igual al 10% del total de la energía necesaria para realizar la estabilización.

IV. Simulación

En este trabajo se realizó el cálculo de los requerimientos energéticos en distintas etapas de obtención de vino blanco: el desfangado, el pre-enfriamiento, la fermentación y la estabilización. En cada caso, se planteó un balance de energía. En el caso del proceso de fermentación, ese balance energético fue combinado con un modelo cinético, a los efectos de estimar la energía necesaria para regular la temperatura de un tanque de tamaño industrial.
Este requerimiento se simuló para fermentadores cuyo material de construcción es acero inoxidable, enfriado por camisas refrigerantes, de una capacidad de 6.107m³, los cuales son usados en una bodega de mediana envergadura situada en la provincia de San Juan, Argentina. La altura de los fermentadores es igual a 2.50m. Con el fin de estudiar la variación de los resultados con el volumen del fermentador, se trabajó con valores de los mismos iguales a 3, 10 y 15m³.
Con el objeto de simular el proceso de fermentación, se consideró que el mosto tenía una concentración inicial de azúcar y de nitrógeno total iguales a 291g/l (29.1 Brix) y 283 mg/l respectivamente (Coleman et al., 2007). Usualmente, al mismo se le adiciona una cantidad de levaduras igual a 0.15g/l (dato obtenido de las bodegas de nuestro medio). Los parámetros del modelo utilizado son listados en la Tabla 1. Con el objetivo de resolver el modelo planteado se usó el software Mathcad 11. Las ecuaciones diferenciales fueron resueltas simultáneamente utilizando el método de diferencias finitas.

Tabla 1. Parámetros de fermentación utilizados en el modelo (Coleman et al., 2007)

V. Resultados

Los resultados obtenidos de la simulación del proceso de fermentación en tanques de un volumen igual a 6.107 m³, que se llevó a cabo, pueden observarse en las Fig. 2 a 5.

Figura 2. Variación de la concentración de azúcar en el tiempo. Resultados de la simulación

Figura 3. Variación de la concentración de etanol en el tiempo. Resultados de la simulación

Figura 4. Variación de la concentración de nitrógeno total en el tiempo. Resultados de la simulación

Figura 5. Variación del requerimiento energético en el tiempo para realizar la fermentación. Resultados de la simulación

Al comienzo de la fermentación, se observa un alto consumo de azúcar y, por ende, una gran producción de alcohol. La concentración de alcohol llega a su máximo aproximadamente a las 100 hs. Durante toda la fermentación se observa un consumo de nitrógeno total igual al 18% del nitrógeno inicial. Con respecto a los requerimientos energéticos, el mismo es alto al comienzo de la fermentación, llegando a un máximo a las 48 hs, siendo este valor igual a 276.29 kcal/h. El requerimiento total de energía durante todo el proceso de fermentación es igual a 21470 kcal, incluyendo las pérdidas por evaporación de etanol y agua, como así también, la energía intercambiada a través de las paredes del reactor. Durante el proceso de desfangado estático, pre-enfriamiento y estabilización, los requerimientos energéticos son iguales a 120580.14, 6858.86 y 110592.93 kcal respectivamente. Teniendo en cuenta los resultados obtenidos, se puede decir que el total de energía requerido durante la vinificación para llevar a cabo las operaciones que requieren frío es igual a 259501.93 kcal (138921.79 kcal si el desfangado no fuera estático). En la Fig. 6 se han graficado los consumos energéticos en cada etapa de la vinificación en la cual se requiere refrigeración. Se puede observar que la etapa que consume mayor cantidad de energía frigorífica es el desfangado, seguida por la estabilización. La fermentación consume aproximadamente el 25 % de la energía que se consume durante la estabilización y alrededor de un 20% de la energía consumida durante el desfangado.

Figura 6. Consumo energético en cada etapa del proceso de vinificación en la cual se requiere refrigeración

La Figura 7 muestra los mismos consumos, pero en este caso se supone que el desfangado no se lleva a cabo utilizando frío.
Si se tiene en cuenta que los requerimientos energéticos de un fermentador representan entre el 50 y 70% del consumo de electricidad de la planta (López et al., 1993), y considerando todas las etapas en las cuales se requiere enfriamiento, podríamos decir que dicho consumo variará entre 370717 y 519004 kcal por fermentador existente en ella, cuyo volumen es de 6.107 m³. Si el desfangado se realizara utilizando vacío o por centrifugación, el total de energía requerida en toda la bodega variaría entre 198460 y 277843 kcal aproximadamente por fermentador. A fin de tener una idea más acabada del requerimiento total de energía, estos valores fueron transformados a kW*h, resultando un consumo total de energía entre 431.07 kW*h y 603.49 kW*h, considerando que el desfangado es estático, y entre 230.77 y 323.07 kWh caso contrario.

Figura 7. Consumo energético en cada etapa del proceso de vinificación en la cual se requiere refrigeración sin considerar el desfangado

Al evaluar la influencia de la capacidad del fermentador en los requerimientos energéticos, se obtuvieron los resultados mostrados en las Fig. 8 a 11. Se puede observar que cuando el tamaño del fermentador aumenta, la producción de calor debida al proceso de fermentación, crece más rápidamente, lo que afecta directamente a la velocidad de requerimiento energético en el tiempo. En la Fig. 11 se puede observar una dependencia lineal del requerimiento energético con el volumen del fermentador.

Figura 8. Variación del requerimiento energético en el tiempo. Resultados de la simulación.

Figura 9. Variación del requerimiento energético en el tiempo. Resultados de la simulación. Volumen 10 m³.

Figura 10. Variación del requerimiento energético en el tiempo. Resultados de la simulación

Figura 11. Variación del requerimiento energético en función del volumen del fermentador

VI. Discusión

A fin de calcular el requerimiento energético durante la ejecución de las etapas de desfangado y pre-enfriamiento, para calcular cp_mosto, se asumió que la concentración de azúcar era la inicial (S₀) y la concentración de etanol (E) igual a cero. Estas consideraciones son válidas debido a que la transformación del azúcar en etanol es insignificante cuando se llevan a cabo estas operaciones. Durante la fermentación estas concentraciones fueron consideradas variables.
Con el objetivo de evaluar el requerimiento de frío total durante la vinificación, se calculó el dicho requerimiento durante todo el proceso de fermentación, mediante la integración de la curva mostrada en la Fig. 5.
Teniendo en cuenta los resultados arrojados por el modelo planteado en este trabajo, se observa que la operación que más energía frigorífica requiere es el desfangado, representado el 60% del total. Si esta operación no se llevara a cabo utilizando frío, la operación que presenta el mayor consumo energético es la estabilización, que representa el 80 % del total. La operación que menor consumo presenta es el pre-enfriamiento.
Al considerar los resultados arrojados por el modelo de fermentación, se observa que, al comienzo de este fenómeno, se produce inmediatamente el consumo de azúcar para transformarla en alcohol. Se alcanza una fermentación completa a las 120 hs (5 días). Los parámetros representativos del modelo como son la velocidad de crecimiento celular, la velocidad de consumo de azúcar, y la velocidad de inactivación celular en presencia de etanol, son altamente dependientes de la temperatura. Los parámetros del modelo cinético de fermentación fueron tomados de bibliografía (Coleman et al., 2007). A fin de garantizar que el proceso sea completo, y poder así calcular el requerimiento energético necesario para el mismo, en esta simulación se mantuvo la temperatura de fermentación igual a 18ºC. Si bien existen fermentaciones que se llevan a cabo a otras temperaturas, generalmente más bajas, se utilizó dicha temperatura como óptima para la realización de este proceso, teniendo en cuenta la bibliografía consultada (Santamaría et al., 1995).
La presencia de nitrógeno (nutriente celular) durante la fermentación favorece que la misma se lleve a cabo en forma completa. Si se aumenta la concentración inicial de azúcar a 291 g/l, en presencia de nitrógeno, la fermentación se completa a los 6 días. Si la misma se disminuye a 91g/l, este fenómeno se completa a los 5 días. Estos resultados evidencian la importancia de la presencia de nitrógeno como nutriente celular durante la fermentación. Si este nutriente no está presente durante dicho proceso, el mismo se estanca aunque la concentración inicial de azúcar sea alta. Estos resultados son similares a los obtenidos por Coleman et al. (2007). Sin embargo, cuando la concentración de azúcar inicial en el mosto varía, el requerimiento energético también lo hace, siendo mayor cuando esta concentración inicial es mayor. Los resultados obtenidos y mostrados en la Fig. 2 son coincidentes con los resultados obtenidos por varios autores (Williams y Boulton, 1983; Moreira y Carvalho, 1997).
En este trabajo se asumió que el mosto es homogéneo gracias a la producción de burbujas de CO₂ durante la fermentación, lo cual generalmente es correcto en el caso de las fermentaciones de vino blanco, no así para fermentaciones de vino tinto, ya que en la fase líquida, debajo del sombrero, pueden existir gradientes de temperatura. Se consideró que las pérdidas de energía a través las paredes del fermentador, son iguales al 10% del calor intercambiado en todos los casos, lo cual es válido para tanques de grandes volúmenes. La relación área/volumen para este tipo de tanques es pequeña por lo que las pérdidas por convección sólo representan un pequeño porcentaje del calor producido por fermentación. Además, se supuso que la transferencia de energía por conducción en las paredes del fermentador es despreciable, lo que conduce a errores menores al 10% en el caso de tanques de acero inoxidable.
Con respecto a las pérdidas de energía por evaporación de agua y etanol, la misma es afectada por la velocidad de inoculación, la concentración de azúcar, la temperatura del mosto y la temperatura en el espacio libre del reactor. Una buena aproximación de las mismas es considerarlas igual al 4% del calor de fermentación (Vannobel, 1988).
A fin de calcular el requerimiento energético durante la realización de la etapa de estabilización, para calcular cp_mosto, se asumió que la concentración de azúcar era igual a cero y la concentración de etanol fue considerada igual a 131 g/l, máxima concentración alcanzada en la fermentación, dato arrojado por el modelo de fermentación.

VII. Conclusiones

En la Fig. 11 se puede observar una dependencia lineal del requerimiento energético con el volumen del fermentador.
Teniendo en cuenta los resultados arrojados por el modelo planteado en este trabajo, se puede observar que la etapa que consume mayor cantidad de energía frigorífica es el desfangado, seguido por la estabilización. Debido a que el desfangado se puede llevar a cabo no sólo por medio del uso de frío, sino también por centrifugación y por filtración al vacío, es necesario en este caso, realizar una evaluación del consumo energético de estos equipos con el fin de optar por la tecnología que no sólo asegure la calidad del producto, sino también que requiera la menor cantidad de energía. En el caso de la estabilización, se deben utilizar técnicas adecuadas evitando el uso de temperaturas excesivamente bajas.
Con el objetivo de determinar las necesidades frigoríficas durante la etapa de fermentación, se planteó un modelo destinado principalmente al cálculo de los requerimientos energéticos para enfriar un fermentador utilizado durante la obtención de vino. A fin de calcular la energía desprendida durante la fermentación, se utilizó un modelo propuesto en bibliografía. El mismo plantea la variación de masa celular, azúcar, etanol y nutrientes en el tiempo. Se observa, mediante los resultados obtenidos, que la presencia de estos últimos durante la fermentación es de fundamental importancia para que este proceso se lleve a cabo en forma completa, como así también la temperatura, la cual se mantuvo en un valor óptimo. En los resultados obtenidos mediante la simulación, se observó que los requerimientos energéticos durante la fermentación varían en función del volumen del fermentador en forma lineal.
El modelo aquí planteado puede utilizarse en el diseño de sistemas de refrigeración de nuevas bodegas como así también para optimizar los ya existentes en las mismas, teniendo en cuenta que un buen diseño de este sistema permitirá, disminuir el consumo energético durante la producción de vino y por ende, los costos de producción.

Referencias bibliográficas

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