SIMULACION Y CONTPOL DE FPOCESOS Fagna 1 PRODUCCION DE BEBIDAS DERIVADAS DE LA UVA PRODUCCION DE VINO I.OBJETIVOS Conocer el proceso de vnlflcaclnDescrlblr las varlables del proceso y determlnar los valores usuales para el proceso. Desarrollar el anllsls dlnmlco del proceso de fermentacln +acer un control de la temperatura dentro del fermentador y dlsenar un controlar PID Reallzar la slmulacln de la respuesta transltorla. II.FUNDAMENTO TEORICO Elplscoesunaguardlentedecalldadsuperlorqueseobtlenedel|ugodeuva fermentado(vlno)omosto.Eltlempodefermentaclndel|ugodeuvavaa dependerdelatemperaturaamblental,esdeclramayortemperatura,mayor velocldad de fermentacln, por tanto varlar entre 5, 8, 10, 14 30 dias aprox.Elplscoseobtendrluegodecalentara temperaturadeebulllclnelvlno,ycondensar susvaporesusandocomorefrlgeranteaguaa ba|astemperaturas(aguahelada),ovlno (alamblque con callentavlnos). Esnecesarloaclararquelatemperaturade ebulllclnnoesdelaguadeladlsolucln,slno delalcohol,porqueloquesevaadestllares: MOSTO FERMENTADO = AGUA + ALCO+OL ETLICO,el alcohol no el agua, por lo tanto, los vaporesquesecondensansonlosvaporesdel alcohol para formar el plsco. Elprocesodeelaboraclndelplscoenlasdlversaszonasvltlvlnicolas, bslcamente es de dos clases: 1. Elaboraclnartesanalotradlclonal;esteprocedlmlentoesprctlcoslgulendo costumbrestransmltldasdegeneraclnengeneraclnyespractlcadapor pequenosproductores. SIMULACION Y CONTPOL DE FPOCESOS Fagna 2 . Elaboraclnlndustrlal;esteprocedlmlentoaunnoespractlcadoenelPeruen las bodegas pequenas, pero en las bodegas grandes ya se est lnnovando con nueva tecnologia.III.PROCESO DE ELABORACION DEL PISCO 1.VENDIMIA Se recogen las uvas cuando se haya logrado un nlvel de madurez de la uva, es declrcuandoestnconelnlveldeazucaradecuado.Elcontenldodeazucar debe ser el aproplado para obtener el mayor volumen y la me|or calldad. .PISADO O ESTRUJADO Elplsadoesunacostumbretransmltldaporgeneraclones,emplezaconel transporte de la uva, el cual se reallza en canastas, trasladndose luego la fruta hacla el lagar, alli como es conocldo tradlclonalmente la extraccln se hace con losples,partlclpandocuadrlllasdetraba|adoresexpertosenplsadeuva.Pero cuando la produccln es mayor algunos productores hacen uso de equlpos. PISADO Y TRADICIONAL PISADE UVA EN LA VENDIMIA 3.PRENSADO Elzumoquesalellbrementedelaprensasemantleneapartedelzumo prensado, porque este es de colorms oscuro y ms rlco en tanlno. 4.FERMENTACION Lafermentaclndebehacerseenreclplentescerradosyatemperaturano superlora30C.Enestaetapalaslevadurasquevlenenenlauvadesdelos vlnedostransformanprlnclpalmenteelazucardelzumoenalcohol.Eneste procesosegeneranloscomponentesorgnlcosquelntervlenenenlacalldad del plsco, es necesarlo entonces tener culdado al reallzar la fermentacln. SIMULACION Y CONTPOL DE FPOCESOS Fagna 3 La fermentacln del mosto es de 7 a 15 dias para la obtencln del vlno base que se envia a la destllacln. 5.TRASIEGO Cuando la fermentacln se aproxlma su fln (el grado Balllng cae hacla cero) se clerra la plquera con una trampa o se cubre con una tela gruesa para evltar que elalrelleguealvlno.CuandoelhldrmetroBalllngmarcaunvalor aproxlmadamentede 1 pordeba|ode 0, el vlno se traslega a otro reclplente. Estereclplentedebellenarseporcompletoytaparsuavementelaplquera. Todoslosdias,hastaqueceselafermentacln,seaflo|aelbltoqueparaque salga la presln del gas. Yasealasedlmentaclncompletaono,elvlnodebesertrasegadopara separarlodelsedlmentoalcabodeunasaproxlmadamente6semanas.Al trasegar los vlnos blancos de una cuba a otra debe lntroduclrse en el llquldo la minlma cantldad poslble de oxlgeno. 6.DESTILACION Despusdefermentarsellevaalmostoalasfalancasoalamblquesdondese hlerve y al evaporarse se obtlenen: la cabeza, que est muy cargada de alcohol deelevadaconcentraclnyotroscomponentesllvlanosdecaracteristlcas organolptlcasdesagradables;elplscoqueesloqueseespera;ylacola,de ba|o nlvel de alcohol. IV.EOUIPOS Losplscospuedenproduclrseconequlpospocoespeclallzados,perose fabrlcanequlposespeclalesparaaumentarlaeflcacladelalaboryobtener me|ores resultados. Paratrlturarlasuvasseusaunacomblnaclndedesgranadorayestru|adora, maqulnaqueprlmerodesgranayellmlnaelescoba|o(porfuerzacentrlfuga)y despusestru|alasbayasseparadas.Elverdaderoestru|adopuedereallzarse porfuerzacentrlfugaohaclendopasarlosfrutosentrerodlllos,ocomblnando las dos cosas. Se usan bombas de mosto para transportar las uvas machacadas (mosto) a los fermentadores a las prensas de lagar. SIMULACION Y CONTPOL DE FPOCESOS Fagna 4 ESTPUJADOPADE TOLVA LEVANTANTE http.//maqunas-+no-gaIeon.com FPENSA FALANCA http.//maqunas-+no-gaIeon.com Lascubasdefermentacnpuedenserdemadera,hormgnodeacero noxdabIe, abertas o cerradas. Las cubas abertas se usan por Io generaI para Ios mostos tntos y Ios recpentes cerrados para Ios mostos bIancos Losfermentadoresdebendsponerdeunsstemadeenframentoquepermta controIarIatemperatura,debdoaIcaIentamentodeImostoduranteIa fermentacn,tambndebendecontarconunsstemadeagtacnpara cuando se requera unformzar eI contendo deI tanque. FEPMENTADOP TIFOUNITANOUE EspecIfcamente para Iafermentacn no destIada http.//maqunas-+no-gaIeon.com SIMULACION Y CONTPOL DE FPOCESOS Fagna 5 TANOUE FEPMENTADOP Y DE ALMACENAMIENTO http.//maqunas-+no-gaIeon.com V.COMPOSICION DE LA MATERIA PRIMA El componente prlnclpal ms lmportante es el azucar, puesto que de l procede elalcoholdelvlno.Lasuvascontlenen155%deazucar,peroavecesse fermentan uvas parclalmente secas que contlenen hasta 30 o 40% de azucar. El porcenta|e de azucar en lasuvas, elgradode la fermentacln y lasperdldaso adlclones de alcohol durante la estancla en el lagar, determlnan el porcenta|e de alcohol en el producto acabado. Como se neceslta por lo menos 9% de alcohol (envolumen)paraprevenlrlaacetlflcacln(avlnagrado)delvlno,aveceses preclsoagregarazucarparaquelafermentaclnpuedaalcanzarestevaloro unomasalto.Lacantldaddeazucarsecalculafcllmenteporlaecuaclnde Gay Lussac de la fermentacln. Aproxlmadamente cada 1% de azucar produce 0.55 de alcohol en volumen. Asi es necesarlo un contenldo minlmo de 16.4% de azucarparaproduclrunvlnode9%dealcohol.Eltotalsedeslldossolubles delasuvascontlenemsde90%deazucar.Porellobastahacerflotarun aermetroenelzumodelasuvasparadetermlnarelcontenldodeazucar.La prctlca de agregar azucar solo esnecesarla en casos muy partlculares, por lo generallasuvascaslslemprelleganateneruncontenldodeazucarlo suflclentemente elevado para produclr un vlno estable. Loacldosorgnlcosflguranensegundolugarentreloscomponentesmas lmportantesdelfruto.Enlasuvassoncaslensutotalldadcldosmllcoy tartrlco. El porcenta|e varia segun el estado de madurez (dlsmlnuye a medlda que las uvas maduran), la varledad y las condlclones cllmtlcas de la estacln o de la regln de cultlvo. VI.PROCESO PRINCIPAL: LA FERMENTACION La fermentacln alcohllca es el proceso por el que los azucares contenldos en el mosto se convlerten en alcohol etillco. Para llevar a cabo este proceso es necesarla la presencla de levaduras, hongos mlcroscplcos que se encuentran de forma natural en los holle|os (en la capa de polvlllo blanco que recubre las uvas y que se llama prulna) SIMULACION Y CONTPOL DE FPOCESOS Fagna 6 El oxlgeno es el desencadenante lnlclal de la fermentacln, ya que las levaduras lovananecesltarensufasedecreclmlento.Slnembargoalflnaldela fermentacln convlene que la presencla de oxlgeno sea pequenapara evltar la prdlda de etanol y la aparlcln de acldo actlco o acetllo. El proceso slmpllflcado de la fermentacln es: Lafermentaclnalcohllcaesunprocesoexotrmlco,asiqueesnecesarlo controlar este aumento de temperatura. Sl la temperatura ascendlese demaslado laslevadurascomenzarianalnactlvarse,loqueorlglnarlalaparallzaclndel proceso fermentatlvo. Otro producto de la fermentacln es el anhidrldo carbnlco en estado gaseoso, lo que provoca el burbu|eo, la ebulllcln y el aroma caracteristlco de una cuba de mosto en fermentacln. El p+ del zumo de uvas normal est entre 3.0 y 3.6 y la acldez es de 0.5 a 1% (calculada como acldo tartrlco). En este lntervalo de p+ la mayor parte de los mlcroorganlsmoscausantesdeenfermedadesprollferanconlentltudonose reproducen en absoluto, lo quepermlte la prollferacln franca de las levaduras deseables.Laacldezmsblenfuertedelosmostosayudatamblnala extraccln del color de los holle|os y a la clarlflcacln del vlno. Su acldez es de ordlnarlo suflclente para permltlr una fermentacln llbre de enfermedades y por lo tanto la obtencln de un producto estable.Los controles que deben reallzarse en la fermentacln de cada lote deben ser: -Temperatura -Densldad (concentracln de azucar) -Ph -Tlempo de fermentacln VII.SENSORES DEL PROCESO ySENSOR DE FERMENTACION Este es slmplemente el nombre de un dlsposltlvo que se encuentra en contacto permanente con el vlno, es afectado por el proceso de fermentacln y provee un resultado contlnuo sobre el mlsmo. SIMULACION Y CONTPOL DE FPOCESOS Fagna 7 +ahabldomuchosdlsposltlvosdesarrolladosalolargodeestosanosque puedenreallzarlastareasarrlbadetalladas,peronlngunodeelloses ampllamenteusadoenlaactualldaddebldoprlnclpalmentealoscostosyala eflclencla.Pocosdetalesdlsposltlvoshanarro|adoresultadosconslstentesy sus costes han sobrepasado con creces sus beneflclos. Esperamos camblar esto con un lnstrumento asequlble que requlere poco mantenlmlento y puede dar al enlogo lnformacln preclsa y conslstente relatlva a la fermentacln. Los mtodos utlllzados en el pasado han sldo tan dlversos como sus resultados. En Francla han usado un flotador ublcado en el centro del depslto y mlentras la fermentacln avanza mlde el camblo en la densldad. Se probo un lnstrumento provenlente de Brasll que poseia dos transductores a presln capaces de medlr tambln la densldad. En Australla utlllzan este tlpo de transductores para pesar losdepsltos.EnEEUUtlenenundlsposltlvoquemldeelCOproducldo.En Franclaestndesarrollandounrefractmetroonllne.Todosestostleneny tendrngradosvarlablesdeaceptacln,peronlngunohasldoadoptadoporla lndustrladelvlno.Ellnstrumentoesnuevo,lnnovadoryextremadamente slmple. El problema de utlllzar un sensor para el control de la fermentacln es que uno encontrarnlvelescamblantesdefermentaclneneldepsltoencualquler momentodado.Estoscompartlmentosdefermentaclnrpldavanapasara travs de los sensores y provocarn que las lecturas camblen lnstantneamente. Sl utlllzara estos resultados para control de la temperatura, entonces el depslto seria refrlgerado pudlendo parallzar la fermentacln en otras partes del mlsmo. El sensor defermentacln reacclona lentamente comparado con cualquler otro dlsposltlvo dlsponlble. Tradlclonalmentelosenlogoscontrolanlatemperaturadefermentacln retrospectlvamente, en el sentldo que tal control lo reallzan manualmente y por lo general despus de no haber cumplldo sus expectatlvas. Consecuentemente, los a|ustes de temperatura crean una curva temporal de temperatura que parece un dlente de slerra.Slelenlogoutlllzaraelsensordefermentaclnparamonltorlzarelproceso,seria capazdeverlnclusoelmsminlmocamblodelafermentaclnonllne.Conesta lnformaclnensusmanos,lasdeclslonestomadasestnbasadasenloqueest sucedlendoentlemporeal.Conestopodriamodlflcar,pore|emplo,lafrecuenclade los remontados y afectar asi al producto flnal. Conesteslstemadecontroldelatemperatura,elenlogopuedelndlcarqueenun tanque qulere un brlx de tasa de camblo por dia y que la temperatura no suba nl ba|e de determlnados valores. Basado en la lnformacln provlsta por el sensor, elslstema VlnWlzardpuedeentoncesreallzara|ustessutllesslsonrequerldos,slnlanecesldad de que algulen lntervenga. Funclonamlento El gel liquldo se expande y se contrae hasta un grado conslstente en relacln al nlvel de azucar y alcohol en el tanque. SIMULACION Y CONTPOL DE FPOCESOS Fagna 8 Elgelliquldo,comoslfueseunalentedecontacto(lentllla),selntroduceenun compartlmlento cermlco. Una membrana muy delgada funclona como lnterfaz con el vlno y una parrllla de cermlca preslona por detrs y protege la membrana. En el reverso del compartlmlento de cermlca un callbrador de tensln mlde el camblo depreslnmlentrassereallzalaabsorcln.Estevaloresprocesadoporunclrculto lntegrado, y envlado a la red medlante el protocolo modbus. La cabeza de la sonda se callenta causando un efecto de conveccln que drena el vlno a travs de la cabeza. Vlsuallzacln Laspruebasreallzadasduranteestosanoscomprobaronquelasondaeracapazde obtenerlosdatosqueelmundodelvlnoestababuscando.Apesardequesepodia accederaestalnformaclnentlemporeal,nosehabialogradoalcanzartodoel potenclal demostrado por el sensor. Graclasalentendlmlentodelprocesodefermentacln,DavldGlllconslgultraduclr esa lnformacln a grflcas con las que el enlogo podr famlllarlzarse sln problemas. Al lgual que el slstema VlnWlzard, este software se basa en su slmpllcldad y se podr comprender qu est ocurrlendo solamente con mlrar los grflcos. Flgura : Grflca de fermentacln de una prueba de Merlot reallzada en 007 SIMULACION Y CONTPOL DE FPOCESOS Fagna 9 Las funclonalldades del software son: yCreacln de grflcos de la fermentacln, temperatura, tasa de camblo y anllsls yCapacldad de anadlr notas con la hora (e|.: lnoculacln, remontado, etc.) yAnadlrsusproplasnotasdeanllsls(parareallzarcomparaclones) Importar las temperaturas de Vln Wlzard y Lanzar alarmas cuando no se estn cumpllendo las expectatlvas y Almacenamlento de datos para referenclas futuras y Control de temperaturas basado en la tasa de camblo Panormlca de la lnstalacln Se coloca aproxlmadamente a 1/3 de la altura del depslto medlante una esplra de 50mm, y ale|ada de la camlsa refrlgerante. Idealmente toda la cabeza deberia estar lntroduclda en el depslto. En aquellos casos que no se pueda por dlsponer de otros equlpos en el lnterlor, es deseable que la mayor parte poslble de la cabeza sea lntroduclda. Flgure: modelo de lnstalacln Para los que dlsponen del slstema VlnWlzard, se conecta la sonda de cada depslto a un cable central que sale del panel VlnWlzard. ySENSOR DE P+ (FC 0U-Electrodo Comblnados de p+ para anllsls de vlno) Esteelectrodocomblnadodep+esthechoespeclalmenteparaprocesosde elaboracln de productos allmentlclos y vlnos. Este electrodo de carcasa de vldrlo est dotadodeunaunlnslmpleparaunusomsfcll. Comocaracteristlcaspresentan:- Sensor de crlstal. - Unln de referencla: Actua como conductor elctrlco del liquldo. - Referenclalnterna:Sumlnlstraunvolta|edeequlllbrloconstante.-Elementolnterno SIMULACION Y CONTPOL DE FPOCESOS Fagna 10 p+: sumlnlstra volta|e basado en el valor de p+ de la muestra. - Orlflclo de llenado de referencla: se utlllza para reemplazar la solucln electrolitlca de referencla. VIII.DIAGRAMA DE FLUJO: SIMULACION Y CONTPOL DE FPOCESOS Fagna 11 CONTROL DE TEMPERATURA EN EL FERMENTADOR (FEEDBACK) IX.MODELAMIENTO MATEMATICO Balance de Masa SIMULACION Y CONTPOL DE FPOCESOS Fagna 12 yPara el creclmlento de blomasa V dX = Vmax X dt FX dt Dividiendo entre V y dt: dX/dt=(max - D)X Pero D =0, por tratarse de un proceso no continuo. dX/dt=(max )X y Para el sustrato llmltante dS/dt = DSo DS 1/Y X ,pero D=0

dS/dt = 1/Y X Si: Ecuacin de MOOD Donde: : velocidad especfica de crecimiento, (h-1) mx. : Velocidad especfica mxima de crecimiento,(h-1) S: concentracin de sustrato limitante, (g/L) Ks: constante de saturacin, (g/L). Y: la constante de conversin o rendimiento que describe la relacin entre la biomasa producida y el sustrato Reemplazando dicha expresin se obtendr: dS/dt = 1/Y X dS/dt = , donde: Transformando: Xo S(s) S. S(s) XoS(s) SIMULACION Y CONTPOL DE FPOCESOS Fagna 13 S(s) = X(s). S(s) = X(s) Balance de Energia Reemplazando del balance demasa I LTMR LTonR X (s) S: yBalance de energaen la chaqueta T2 (s)=m r(s) +T (s)

m.Cp1 .s. t(s) = -Cp2.M RO (m r(s) +T (s)) Cp2.T2o.MR(S) -Cp2.T1.MR(S) + KnX (s) + Kn K : XoS (s) m.Cp1 .s. t(s) = -Cp2.M RO.m r(s) -Cp2.M RO. T (s) Cp2.T2o.MR(S) -Cp2.T1.MR(S) - KnX (s) - Kn K : Xo X (s) m.Cp1 .s. t(s) = m r(s).(-Cp2.MRO.-CP2.T2O-Cp2.T1) -Cp2.M RO. T (s) +X(S).( Kn + Kn T(S).(mCp1.s +Cp2.Mro.) = AM(S) +S(S)(-B+ T(S) =. (A .MR(s + X(S). ( -B+ Deflnlendo las constantes: A = -151.63 KJ/Kg SIMULACION Y CONTPOL DE FPOCESOS Fagna 14 B = -0.3737 KJ/mol.mln = -.4 C.s/Kg = 0.078 1 = 0 mln

= 39.14 mln MRo = 3 Kg/s Para las temperaturas: T1 = 18C To = 5C Reemplazando todas las constantes en el modelo matemtlco, tenemos: : : : Kc I : B : : e : X.DIAGRAMA DE BLOOUES SIMULACION Y CONTPOL DE FPOCESOS Fagna 15 XI.APLICACIONES EN MATLAB DIAGRAMA DE RESPUESTA TRANSITORIA 151.63 C(s) M(s) SIMULACION Y CONTPOL DE FPOCESOS Fagna 16 DIAGRAMA DE BODE SIMULACION Y CONTPOL DE FPOCESOS Fagna 17 Dlsenando el controlador por el Mtodo de Zlegler Nlchols: SIMULACION Y CONTPOL DE FPOCESOS Fagna 18 XII.SIMULACION EN SIMULINK SIMULACION Y CONTPOL DE FPOCESOS Fagna 19 XIII.SIMULACION EN +