CONTROL AUTOMATIZADO DE LA FERMENTACION

Arturo Hardisson de la Torre Eugenio Díaz Díaz Pierr José López

Dorotea González Carrillo AGRADECIMIENTOS Queremos agradecer su colaboración a Centros de Innovación y Transferencia Tecnológica, implantando uno de ellos en El

Laboratorio de Análisis Enológico del Instituto Canario de Investigaciones Agrarias. Se ha creado un equipo de trabajo integrado por D.

Eugenio Díaz, Jefe del Laboratorio Enológico competente para efectuar análisis oficiales en el sector del vino. El Der. Arturo Hardisson de la

Torre, Catedrático de Toxicología de la U.L.L. D. Rafael Armas Benítez, enólogo de la Bodega Experimental de la Consejería de Agricultura.

Yo misma como becaria del Cabildo de Tenerife. También debemos agradecer la ayuda prestada al proyecto por D. Valerio Gutiérrez Dr.

Ingeniero Agrónomo, D. José Miguel Glez. Porcel del Cabildo de Tenerife, D. Felipe Blanco enólogo de Bodegas Insulares. Completando el

equipo los promotores del Proyecto Renuvia D. Pierre José López y D. Victor Bonales. También debemos reconocer la colaboración de las

bodegas que nos han facilitado mostos para realizar las pruebas pertinentes.

INTRODUCCION YOBJETIVOS

Cada día es más evidente que para la obtención de buenos vinos es necesario, además de tener una alta calidad de uvas, contar con

los profesionales y las técnicas de elaboración adecuados. Bien es sabido que en la actualidad todo el proceso de fermentación se sigue

controlando a través de la lectura de la temperatura y de la densidad del mosto, pero también es sabido que esos parámetros no nos

garantizan en todo momento la fermentación, pues debido a las inercias que intervienen en el sistema nos podemos encontrar con

paralizaciones o aceleraciones de la fermentación, que cuando las detectamos por las lecturas que actualmente nos dan los sistemas

instalados en las bodegas, podemos asegurar que ha pasado un tiempo más o menos largo, que va a influir en la calidad futura del vino. Con

este fin el proyecto Renuvia ha desarrollado los principios de medición adecuados para que estos profesionales tengan conocimiento de lo

que ocurre en sus cubas de fermentación en cada instante. Con el sistema propuesto, de medición refleximétricas no sólo vamos a controlar

la marcha de la fermentación segundo a segundo, sino que nos podemos adelantar a su parada o aceleración, poniendo los medios

adecuados para que siga su ritmo normal preestablecido: Todo ello se debe determinar después de realizar un examen en profundidad de

las características de la bodega que nos ocupe.

Por todo ello nos permitimos afirmar que este sistema de medición con su correspondiente programa corrector viene a resolver una

problemática que se viene detectando en la fermentación de los mostos con la consiguiente mejora en la calidad de los vinos. Preocupados

por esta problemática un grupo de enólogos de grandes bodegas sugirieron buscar un sistema que fuese capaz de medir de una manera

directa y continua la transformación de azúcares, presentes en el mosto, en alcohol. Siguiendo con esta idea se procede a buscar una

solución y para ello se desarrolla el SENSOR REUNUVIA.

CCOONNTTRROOLL OOPPTTOOMMÉÉTTRRIICCOO DDEE FFEERRMMEENNTTAACCIIÓÓNN DDEE MMOOSSTTOOSS

I I CINSTRUMENTACIÓN INDUSTRIAL CANARIA S.L. e-mail: CRIIC@telefonica.net

LABORATORIO ENOLÓGICO ICIA

MATERIAL Y METODOS El equipo medidor de la fermentación de mostos ( premiado con la Medalla de Oro de VINOTEC 2000 en Burdeos ante el Comité Científico y de Innovación Tecnológica) consta de una sonda optométrica sumergible que incorpora una célula de medida con un interruptor temporizado y un terminal electrónico PSION equipado con un receptor numérico de alta frecuencia, que permite recibir los datos procedentes de la sonda, completándose el equipo con un cargador de baterías. Opcionalmente se puede integrar un software al terminal que permite el traslado de los datos hacia un PC. También se puede instalar un sistema de control electrónico de todo el proceso de fermentación, instalando un equipo de medida continua en bucle cerrado. Esta sonda va equipada con una célula de medida optoelectrónica estática de estado sólido, una fuente de luz monocromática òptica de onda pulsada variable hace operar el equipo, el cual está dotado de un compensador de temperatura. Las funciones automáticas de medida, tratamientos de las lecturas, cálculo y gestión de todos los datos son realizados por un multiprocesador, el cual efectúa la puesta a cero automáticamente, realizando las medidas en tiempo real inferior a un segundo. Gama de medidas: Azúcares: 2-400 g/l Temperaturas: 5-50o C Conversión de densidades: 970-1165 Grado alcohólico: 0-15 Resolución: Azúcares: 1 g/l Temperatura: 0.1 o C

Precisión: Azúcares: 0.5 g/l Temperatura: 0.5% de la plena escala. Alimentación:

Sonda: acumuladores recargables integrado en la sonda. Autonomía: mínimo 12 horas Terminal electrónico portátil PSION: pilas alcalinas (2 x AA) Estanqueidad: Sonda: IP68 (sumergible) Terminal electrónico portátil PSION: IP54 Dimensiones y temperatura de funcionamiento: Sonda: 2,00 metros en versión standar . Terminal electrónico portátil PSION: 180 x 190x 55 mm. Temperatura de funcionamiento: -10 o C a +50 o C . El equipo cumple con las exigencias de compatibilidad electromagnéticas de la C.E.

AZUCARES TEMPERATURAS CONVERSIÓN DE DENSIDADES

GAMA DE MEDIDAS 2 – 400 gr./l. 5 – 50 ºC 970 – 1.165

RESOLUCIÓN 1 gr/l. 0,1 ºC

PRECISIÓN 0,5 gr./l. 0,5 % de la plena escala

ALIMENTACIÓN

Sonda: acumuladores recargables integrados en la sonda Autonomía: mínimo 12 horas. Terminal electrónico portátil PSION: Pilas alcalinas (2 x AA)

ESTANQUIEDAD

Sonda: IP68 (sumergible) Terminal electrónico portátil PSION: IP54

DIMENSIONES Y TEMPERATURAS DE FUNCIONAMIENTO

Sonda: 2,00 mts. en versión standard Terminal electrónico portátil PSION: 180 x 90 x 55 mm. Temperatura de funcionamiento: -10 ºC a + 50 ºC

NORMAS: EL EQUIPO CUMPLE CON LAS EXIGENCIAS DE COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICAS DE LA C.E.

CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DE LA SONDA RENUVIA

RADIO FRT

485

RS 48 INVERSOR DE

SEÑAL 485

TRANSMISION SERIE

SALIDA Y ENTRADA DATOS SA

LID

A

AN

AL

OG

ICA

4

-20

mA

TR

AN

SMIS

ION

D

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CONTROL DE CARGA

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OPTICA DE ONDA PULSADA VARIABLE

PRINCIPIO ÓPTICO Y ESQUEMATIZACION ELECTRONICA DEL SENSOR RENUVIA

METODOLOGIA Para validar el equipo se hace necesario realizar una serie de pruebas de fermentación, en laboratorio, de mostos dormidos (mutados) o mosto tipo comercial, como primera experiencia para la puesta a punto del aparato. En ella se recopilaran las medidas efectuadas por el equipo electrónico, comparándolas con las materializadas en el laboratorio por la métodos tradicionales (físico-químico). Con estos datos se obtendrán los datos para validar el equipo y realizar una primera curva de fermentación. Una vez visto la mecánica y función de la sonda renuvia, explicaremos lo que se pretende con este trabajo. Se está creando una base de datos lo suficientemente amplia, que nos refleje las medidas absolutas de los azúcares, alcohol, densidad y temperatura, que se van produciendo a lo largo de la fermentación de un mosto. Estos datos son necesarios para crear un algoritmo matemático de procesamiento, fundamental para que la memoria del módulo de cálculo del procesador interno del sensor se alimente de esta base de datos. Para ello se han realizado una serie de mediciones empleando diversos métodos, unos oficiales y otros no. Los métodos empleados son: 1.- Método de Rebelein: con este método podemos obtener la concentración de azúcares reductores presentes en la muestra. Se trata de una valoración volumétrica con tiosulfato sódico y el almidón como indicador. El proceso se realiza con una reducción cupro alclaina. No se trata de un método oficial, aunque si muy preciso, ya que se han comprobado los resultados obtenidos con los realizados por métodos enzimáticos, ajustándose casi a la perfección, pues siempre hay que tener en cuenta que el error cometido por la mano es mayor que el cometido por la máquina, por lo menos en lo referente a la precisión de la medición de volúmenes. 2.- Destilación alcohólica: con ella determinamos el grado alcohólico de la muestra. La lectura se realiza con alcoholímetros y por medio de refractómetro. Este es el método oficial. 3.- Medida de densidad: se realiza por medio de densímetros.

CUADRO COMPARATIVO DE MEDIDAS

SECUENCIA DE MEDICIÓN DE LA BAJADA DE DENSIDAD DURANTE LA FERMENTACIÓN

ALCOHÓLICA DEL MOSTO

MEDICION CON SONDA RENUVIA

1.) EXTRACCIÓN DE MUESTRAS 2.) DESGASIFICACIÓN 3.) EQUILIBRAR TEMPERATURA A 20ºC –

ENFRIAR TINTO CALENTAR BLANCOS 4.) MEDIDA DE DENSIDAD – PRECAUCIÓN

EQUIPO FRÁGIL 5.) REPETICIÓN DE ESTE PROCESO 3 O 4 VECES

AL DÍA 6.) EL MUESTREO SECUENCIAL SE REALIZA

DURANTE EL DÍA 7.) RIESGO POTENCIAL DURANTE LA NOCHE

1.) MEDICION CONTINUA EN UN SISTEMA DE BUCLE CERRADO QUE PERMITE UN CONTROL CONTINUO Y PILOTADO

RESULTADOS Y DISCUSIÓN Como he comentado anteriormente, lo que estamos tratando de hacer es crear una base de datos lo suficientemente amplia para formar la memoria del sistema. Para ello procedemos al análisis de múltiples muestras de distintos mostos obtenidos durante las vendimias del año 201-2002. A continuación veremos una muestra representativa de los resultados obtenidos hasta el momento. Comenzaremos con mostos tintos obtenidos de diversos municipios durante la vendimia del 2002.

Mosto de Arafo

Dia Medida Tª G.A. A.R. Densida

d 1 1027 22,63 0 206,5 1086,22 1177 28,19 4,7 143 10563 1355 25,06 9,3 53 10204 1420 21,13 11,28 15 10035 1452 19,56 12 5,95 995,86 1455 18,4 12,25 3,05 994,57 1460 19,06 12,3 2,15 994,38 1467 18,77 12,3 1,95 994

0

50

100

150

200

250

1025 1125 1225 1325 1425

medida

azuc

ares

redu

ctor

es

En este gráfico podemos observar la evolución del azúcar con respecto a la medida eléctrica, se trata de una línea recta que termina por estabilizarse cuando la concentración de azúcar ya no varía, es decir, para concentraciones de azúcares muy próximos se obtienen lecturas electrónicas también muy próximas.

050

100150200250

0 2 4 6 8 10

dia

azuc

ares

En este otro gráfico podemos observar la evolución del azúcar respecto a los días de fermentación, se presenta un descenso recto hasta el final de la fermentación que lo podemos determinar por la constante que se produce en la concentración de azúcar.

0

50100

150200

250

0 4 8 12

grado

azuc

ar

En este gráfico lo que representamos es la variación de azúcar con respecto al alcohol, así podemos observar, que como era de esperar, a medida que desaparece el azúcar, aumenta la concentración alcohólica de la muestra, dibujando una línea recta perfecta.

02468

101214

1025 1175 1325

medida

grad

o

Aquí lo que podemos apreciar es la evolución de la medida eléctrica en función del grado alcohólico. Vemos que también se trata de una línea recta, que corresponde a la evolución de la fermentación, y al final se presenta una serie de puntos que forman una horizontal, mostrándonos que la concentración alcohólica es constante, lo que implica el final de la fermentación.

02468

101214

0 2 4 6 8 10

dia

grad

o

Al igual que con el azúcar representamos el grado frente al día y obtenemos una recta ascendente que finaliza con una recta horizontal que indica el final de la fermentación.

980

1000

1020

1040

1060

1080

1100

1025 1125 1225 1325 1425

medida

dens

idad

En este caso lo que nos registra la medida eléctrica es la variación de la densidad a lo largo del proceso. Su estabilización es lo que se usa en bodegas como indicador final de la fermentación.

050

100150

200250

990 1040 1090

densidad

azúc

ar

Aquí podemos observar como la densidad va bajando a medida que la muestra va perdiendo su contenido en azúcares reductores.

02468

101214

980 1000 1020 1040 1060 1080 1100

densidad

grad

o

Al contrario que en el caso anterior, en este gráfico podemos observar como disminuye la densidad a medida que aumenta el grado alcohólico. Ahora mostraremos las mismas representaciones con datos obtenidos de mostos procedentes de Arico.

Dia Medida Tª G.A. A.R. Densida

d 1 1040 24,19 1,8 167 10842 1183 22,56 5,8 99,5 1041,63 1352 20,56 9,47 43,5 1012,24 1459 1,81 12,4 3,75 9945 1463 19,44 12,43 2,45 993,76 1470 19 12,6 2 990,1

0

50

100

150

200

1035 1135 1235 1335 1435

medida

azúc

ar

0

50

100

150

200

0 2 4 6

dia

azúc

ar

0

50

100

150

200

0 2 4 6 8 10 12

grado

azúc

ar

02468

101214

1035 1135 1235 1335 1435

medida

grad

o

02468

101214

0 2 4 6

dia

grad

o

980100010201040106010801100

1035 1135 1235 1335 1435

medida

dens

idad

0

50

100

150

200

950 1000 1050 1100

densidad

azúc

ar

Ahora veremos los datos obtenidos en un Mosto tinto traído de la Perdoma.

Dia Medida Tª G.A. A.R. Densidad1 975 23,13 0 225,22 10902 1157 22,88 4,75 138,77 10603 1314 21 9,82 61,42 1031,54 1395 19,63 11,7 22,3 1005,15 1430 18,88 13,4 6,37 995,26 1438 17,75 13,2 1,2 991,4

0

5

10

15

950 1000 1050 1100

densidad

grad

o

050

100150200250

970 1070 1170 1270 1370

medida

azúc

ar

0

50

100

150

200

250

0 2 4 6 8

dia

azúc

ar

0

50

100

150

200

250

0 5 10 15

grado

azuc

ar

0

5

10

15

0 500 1000 1500 2000

grado

azuc

ar

0

5

10

15

0 2 4 6

dia

grad

o

980100010201040106010801100

975 1075 1175 1275 1375

medida

dens

idad

050

100

150200250

950 1000 1050 1100

densidad

azúc

ar

0

5

10

15

950 1000 1050 1100

densidad

grad

o

Ahora mostraré unos gráficos en los que se comparan los resultados de los distintos mostos entre sí.

Podemos observar como todas las rectas bajan con una pendiente muy similar, lo que nos indica la precisión del sensor a la hora de la determinación eléctrica. La evolución de la fermentación en todos los casos es muy similar.

0

50

100

150

200

250

950 1050 1150 1250 1350 1450medida

azúc

ar

En este caso lo que observamos es la variación del grado frente a la medida, y al igual que en el caso anterior las rectas se ajustan a la misma pendiente, esto quiere decir que para un mismo grado alcohólico obtendremos prácticamente la misma medida eléctrica independientemente del mosto del que se trate.

0

5

10

15

950 1050 1150 1250 1350 1450medida

grad

o

En el caso de la densidad las rectas no se ajustan tanto, ya que para la medida de la misma yo no procedo a desgacificar, con lo que la concentración gaseosa hará variar ligeramente las densidades. Aún así se observa una buena precisión en el método.

980100010201040106010801100

950 1050 1150 1250 1350 1450medida

dens

idad

Ahora pasaremos los datos obtenidos de algunos mostos blanco obtenidos durante las vendimias del 2001-2002.

dia medida Tª G.A A.R densidad1 1096 18,06 0 209 1080,52 1117 19,5 1,7 172 1080,83 1173 17,94 2,3 158 1070,34 1217 17,94 4,6 120 10555 1320 17,5 7,18 71,9 10276 1355 17 8,38 62 1018,57 1385 14,38 8,7 47,5 1010,78 1393 15,38 8,98 43 1008,89 1414 15,19 10 23,66 1003,8

10 1427 15,06 10,02 21,61 1001,211 1436 15,31 10,2 18,93 999,712 1442 14,75 10,38 14,79 997,513 1461 15 10,7 6,28 993,614 1478 15,75 11,5 2 992

Como se puede observar,la fermentación de los mostos blancos es más lenta, con lo que se pueden obtener un mayor número de datos al poderse tener más días para la toma de muestras.

Mostramos la concentración de azúcar frente a la medida eléctrica, de manera que obtenemos una recta. Podemos observar como algunos puntos se salen de la misma, ya que en la temporada de 2001 la óptica era de menor precisión, con lo que las curvas que veremos con estos no serán tan perfectas como en el caso de los mostos tintos de 2002.

050

100150200250

1090 1190 1290 1390 1490

medida

azúc

ar

050

100150200250

0 5 10 15

dia

azúc

ar

050

100150200250

0 5 10 15

grado

azúc

ar

0

5

10

15

1090 1190 1290 1390 1490

medida

grad

o

02468

101214

0 5 10 15

dia

grad

o

980100010201040106010801100

1090 1190 1290 1390 1490

medida

dens

idad

050

100150200250

980 1000 1020 1040 1060 1080 1100

densidad

azúc

ar

0

5

10

15

980 1000 1020 1040 1060 1080 1100

densidad

grad

o

dia medida Tª G.A A.R densidad1 1049 17,25 0 215 1086,22 1068 16 0,8 208 1085,33 1107 15,88 2,5 179 1083,74 1265 16,44 6,57 100 1037,55 1303 15,94 7,95 86 1027,56 1339 15,81 9,35 60 10187 1367 15,56 10,2 46 1010,88 1392 15,06 11,05 31,5 1004,29 1438 14,94 12,5 4,32 993,2

10 1445 14,63 13,08 2,68 990,611 1447 14,5 13 1 989,9

0

50100

150200

250

1000 1100 1200 1300 1400

medida

azúa

cr

0

50100

150200

250

0 5 10 15

dia

azúc

ar

0

50

100

150

200

250

0 5 10 15

grado

azúc

ar

0

5

10

15

1000 1100 1200 1300 1400

medida

grad

o

0

5

10

15

0 5 10 15

dia

grad

o

980100010201040106010801100

1000 1100 1200 1300 1400

medida

dens

idad

050

100150200250

950 1000 1050 1100

densidad

azúc

ar

dia medida Tª G.A A.R densidad1 1081 12,81 0,25 219 1078,52 1100 13,19 1,65 215 1076,153 1149 13,56 2,5 194 1066,94 1294 13,25 6 101 1036,55 1341 13,13 7 78 1026,56 1381 12,44 8,5 66 1016,87 1412 12,31 9,06 42 10108 1441 12,06 9,3 25 1003,89 1461 12,35 9,5 13 995

10 1481 13,38 9,81 6 99611 1493 13,69 9,93 3,7 994,312 1497 13,5 9,95 2,4 994,813 1512 14,19 10 1,55 995

0

5

10

15

950 1000 1050 1100

densidad

grad

o

0

50

100

150

200

250

1020 1120 1220 1320 1420 1520

medida

azúc

ar

050

100150200250

0 4 8 12

dia

azúc

ar

050

100150200250

0 2 4 6 8 10

grado

azúc

ar

050

100150200250

1020 1120 1220 1320 1420 1520

medida

grad

o

02468

1012

0 5 10 15

dia

grad

o

980100010201040106010801100

1020 1120 1220 1320 1420 1520

medida

dens

idad

0

50

100

150

200

250

980 1000 1020 1040 1060 1080 1100

densidad

azúc

ar

02468

1012

980 1000 1020 1040 1060 1080 1100

densidad

grad

o

Al igual que en el caso de los mostos tintos veremos unos gráficos en los que comparamos la medida eléctrica con los distintos parámetros, y los distintos mostos entre sí. En este momento es más evidente la imprecisión de la óptica con respecto a la que tenemos actualmente.

0

50

100

150

200

250

1000 1100 1200 1300 1400 1500

medida

azúc

ar

02468

101214

1000 1100 1200 1300 1400 1500medida

grad

o

IDEA DE FUTURO Una vez visto lo expuesto que además del sensor renuvia se han mostrado algunos datos obtenidos en la vendimia 2001-2002, y habiendo comprobado la realidad de las bodegas y las formas en que se sufre en ellas, sobre todo en épocas de vendimia, hacen de este equipo un soporte imprescindible para el enólogo. Además, viendo las prestaciones que realiza el mismo, se ha planteado la necesidad de contar con una bodega experimental totalmente automatizada y que disponga de los elementos precisos y necesarios para estudiar los problemas derivados de la fermentación, la transferencia de calor en la pared fría, la influencia del flujo frío en la

980100010201040106010801100

1000 1100 1200 1300 1400 1500medida

dens

idad

fermentación determina las temperaturas más convenientes para realizar una extracción de calor de manera progresiva ,y algunos otros parámetros que posiblemente salgan a la luz a medida que se va profundizando en estos capítulos. Como punto final les mostramos unos esquemas de bodega inteligente que al estar completada la instalación servirían de herramienta a los enólogos, pues con ella estarían informados en cualquier momento, no sólo en su propia bodega sino desde cualquier lugar a través de internet.

AAUUTTOOMMAATTIIZZAACCIIÓÓNN BBOODDEEGGAA IINNTTEELLIIGGEENNTTEE

I I CINSTRUMENTACIÓN INDUSTRIAL CANARIA S.L. e-mail: CRIIC@telefonica.net

LABORATORIO ENOLÓGICO ICIA

T T 1 4

T T 1 3

PhT 1 0

T T 1 0

Entrada agua fría

6º C

PLC 1

Visualizador local

Cuadro Control Cuba 1

Red de Datos RS 485

24 v

NIVEL 0

RT 1 0

T T 1 2

T T 1 1

T T 1 5

Retorno agua fría

VT 1 0

20 ºC

30 ºC

LEYENDA TT 10 = Transmisión temperatura ent. agua fría TT 11 = Transmisión temperatura sal. Agua fría TT 12 = Transmisión temperatura mosto N. 0,5 m TT 13 = Transmisión temperatura mosto N. 1,0 m TT 14 = Transmisión temperatura mosto N. 2,0 m TT 15 = Transmisión temperatura mosto N. 3,0 m RT 10 = Transmisión Control Renuvia PhT 10 = Transmisión Ph mosto VT 10 = Transmisión control válvula agua fría CT 10 = Transmisión control de nivel

C T 1 0

AUTOMATIZACIÓN DE FERMENTACIÓN DE MOSTOS PROCESO CUBA Nº 1

I I C

INSTRUMENTACIÓN INDUSTRIAL CANARIA S.L. e-mail: CRIIC@telefonica.net

PT 4 0

Fl T 4 0

T T 4 0

PLC 4

PLC 3

PLC 2

PLC 1 CUBA 1

CUBA 2

CUBA 3

CONTROLFRIO

Impresora Eventos Alarma

Registro de Históricos

C P U

Pantalla táctil

RS 232

RS 485

RS 485

RS 485

RS 485

Supervisor Eventos y Telemando

BODEGA INTELIGENTE AUTOMATIZACION

INTERFASE

VA

RIO

MA

TIC

PO 4 0

CO 4 0

LEYENDA VARIOMATIC = control velocidad bomba agua fría PO 40 = Bomba circulación agua fría CO 40 = Equipo de Frío PT 40 = Transmisión Presión equipo frío TT 40 = Transmisión Temperatura equipo frío

I I C

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