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Contatto: Gabriele Beltrami, gbeltrami1@solventum.com
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Abstract: I sistemi per la gestione dei gas che utilizzano contattori a membrana sono sempre più utilizzati nella produzione e nell’imbottigliamento del vino. Rispetto ai procedimenti convenzionali, si risparmia in termini di tempo di processo e di sostanze ausiliarie e si possono soddisfare in modo più affidabile i rigorosi requisiti di mercato, come ad esempio il contenuto di CO2. Tuttavia, esistono requisiti speciali per la pulizia delle membrane e, in parte, per il controllo dei sistemi. In una modalità di funzionamento speciale, è anche possibile ridurre il contenuto di alcol nel vino o il contenuto di anidride solforosa nei succhi.

Key-words: Contattori a membrana, Vino, Gestione dei gas, Ossigeno, Anidride carbonica, Alcool 

I contattori a membrana sono sempre più utilizzati per il trattamento dei liquidi da quasi 3 decenni [1]. Oggi sono all’avanguardia, soprattutto in molti settori del trattamento delle acque, compresa la produzione di acqua ultrapura per applicazioni farmaceutiche. Sono utilizzati anche in vari settori dell’industria delle bevande.

1. La gestione dei gas in enologia

1.1    Situazione iniziale

Gli enologi sono consapevoli da decenni dell’importanza dei gas disciolti nel vino. Nella maggior parte dei vini rossi, il contenuto di anidride carbonica (CO2) dovrebbe essere basso. I vini bianchi vivaci tendono ad avere un contenuto di CO2 maggiore e livelli di CO2 ancora più elevati, sono caratteristici dei vini spumanti o frizzanti.

Rispetto alla CO2, che si genera durante il processo di fermentazione, l’ossigeno (O2) proviene dall’atmosfera a contatto con il vino e porta all’ossidazione degli ingredienti del vino. Ha un effetto sensoriale più indiretto e ritardato sul vino, influenzando in modo significativo il comportamento di invecchiamento.

Con i metodi tradizionali utilizzati nelle operazioni di cantina, spesso le risorse non vengono utilizzate in modo economico e le concentrazioni di gas desiderate possono essere impostate in modo impreciso, portando talvolta anche a una sovrasaturazione indesiderata di azoto (N2).

1.2    Gestion dei gas mediante contattori a membrana

Negli ultimi anni, i contattori a membrana sono sempre più utilizzati per la gestione dei gas negli impianti di trattamento del vino [2-7]. I contattori a membrana possono influenzare diversi gas in un unico passaggio [8].

La Figura 1 mostra un tipico sistema di gestione dei gas con contattori a membrana. L’alimentazione del vino si divide in due contattori collegati in parallelo, mentre la linea del gas di lavaggio, anch’essa collegata in parallelo, scorre in controcorrente. Le porte di uscita del gas sono collegate a una pompa a vuoto. In generale, l’efficienza del sistema può essere controllata regolando il livello di vuoto e/o il flusso di gas di lavaggio.

Inoltre, la Figura 1 illustra come l’O2 viene trasferito dal vino al flusso di gas. Allo stesso tempo, se si utilizza la CO2 come gas di strippaggio, la sua concentrazione nel vino può essere aumentata o ridotta.

Figura 1. Sistema del trattamento del vino con Contattori a Membrana 3MTM Liqui-CelTM

1.3    Principio di funzionamento

Per il trattamento del vino si utilizzano contattori a membrana a fibra cava, altamente efficaci grazie alla loro elevata densità di impaccamento e al modello di flusso ordinato. Il materiale della membrana utilizzato è così idrofobico e la dimensione dei pori così piccola che gli stessi non vengono bagnati dalla pressione del vino e rimangono pieni di gas.

Un esempio di contattore a membrana di questo tipo è illustrato nella Figura 2.

Il contattore contiene una cartuccia a membrana capillare, avvolta attorno ad un tubo interno forato, attraverso cui scorre il vino. Dai fori, il vino scorre radialmente intorno alle fibre cave dal centro verso l’esterno. Il deflettore posizionato centralmente devia il liquido verso il tubo, assicurando così un contatto omogeneo con i capillari lungo tutto il contattore.

Figure 2. Rappresentazione schematica dei contattori a membrana 3MTM Liqui-CelTM [1].

In controcorrente sul lato del lumen può essere applicato il vuoto oltre all’introduzione di un gas di lavaggio. In questo modo si crea un gradiente di concentrazione tra la fase del vino e la fase gassosa, che determina il trasferimento dei gas disciolti dalla fase liquida (vino) alla fase gassosa. Secondo la legge di Henry, la concentrazione di un gas disciolto nel vino è proporzionale alla pressione parziale del gas a contatto con lo stesso. Il fattore di proporzionalità, chiamato coefficiente di Henry, è specifico del gas e dipendente dalla temperatura [9]. La Figura 3 confronta il coefficiente di solubilità di Henry per diversi gas a 10 °C e a 50 °C. Nei contattori a membrana, grandi aree di scambio (gas – liquido) possono essere ospitate in un dispositivo compatto. Il volume di gas richiesto nelle fibre cave (diametro interno di circa 0,2 mm) è ridotto e il percorso di diffusione dei gas disciolti attraverso la fase liquida è breve. Poiché le pressioni del liquido e del gas possono essere regolate in modo indipendente, lo scambio di gas può avvenire in linea. L’efficienza può essere regolata gestendo il livello di pressione del gas (positivo o negativo) e/o il flusso del gas di lavaggio.

Figura 3. Coefficiente di solubilità di Henry per vari gas a 10 °C e 50 °C

1.4    Perché utilizzare i contattori a membrana per la gestione dei gas

Gli iniettori porosi sono tradizionalmente utilizzati per la gestione dei gas nella produzione di vino. Con questa tecnologia vengono iniettate bolle di gas, ad esempio N2, per rimuovere l’ossigeno o CO2, per arricchire o regolare la sua concentrazione. Con questa tecnologia lo scambio di gas avviene sulla superficie delle bolle [10]. In genere, quando si lavora con gli iniettori, la regolazione delle diverse concentrazioni di gas deve avvenire singolarmente una dopo l’altra. Inoltre, sono necessarie fasi di inertizzazione dei serbatoi con N2 per evitare il trasferimento di ossigeno atmosferico al vino.

Già nel 2011, A. Blank [10] ha determinato in uno studio comparativo in che misura l’uso di gas può essere ridotto utilizzando contattori a membrana. Lo studio confronta entrambe le tecnologie, con l’obiettivo di aggiungere CO2 a una concentrazione definita riducendo l’O2. Gli iniettori porosi sono stati fatti funzionare in due fasi: nella prima fase è stato applicato azoto per ridurre l’O2 e nella seconda fase è stata aggiunta CO2 per riadattare la CO2.

I contattori a membrana sono stati azionati combinando la CO2 come gas di lavaggio e applicando il vuoto all’altra estremità del lumen della membrana. La differenza principale tra i due metodi è il consumo di gas, come illustrato nella Tabella 1. 

Tabella 1. Confronto tra l'utilizzo del gas con gestione tradizionale e con gestione del gas con un contattore a membrana [9].

Ulteriori vantaggi per le operazioni di cantina o di imbottigliamento del vino con i contattori a membrana sono:

  • risparmio di tempo nel processo grazie all’esecuzione contemporanea di più fasi (riduzione dell’O2 e regolazione della CO2);
  • evitare la sovrasaturazione indesiderata con azoto;
  • il rispetto di dei valori restrittivi di concentrazione dei gas disciolti nel vino (in particolare della CO2).

Inoltre, i sistemi di gestione dei gas possono essere disposti in momenti fasi diverse del processo:

  • durante lo scarico da un camion a una vasca o da una vasca a un container per la spedizione;
  • durante il pompaggio da una vasca all’altra;
  • direttamente nel flusso del filtrato di un sistema di filtrazione Cross-Flow;
  • direttamente a monte di un impianto di imbottigliamento;

L’opzione direttamente a monte di un impianto di imbottigliamento può essere la più complessa di tutte le precedenti. Influenza il prodotto finale senza la predisposizione di alcun buffer. La stessa linea di imbottigliamento genera spesso fluttuazioni di portata di breve durata. Pertanto, in questo punto è necessario sviluppare una tecnologia di controllo molto efficiente.

Oggi i sensori di CO2 precisi lavorano ancora con un tempo morto considerevole in relazione alle variazioni di flusso di breve durata che derivano dal funzionamento di un impianto di imbottigliamento. I singoli produttori di sistemi hanno sviluppato metodi di regolazione e controllo avanzati. La società francese Ymelia ha brevettato una combinazione di contattori a membrana con un controllo a cascata (concentrazione di gas a pressione del gas) [11].

Per motivi di velocità, l’azienda tedesca KH-tec [2] non si affida a un tipico controllo in retroazione, ma a un sistema di calcolo delle variabili di processo basato su un elevato numero di dati di misura con un fattore di fouling implementato per le condizioni della membrana.

Negli altri punti del processo, può essere sufficiente una tecnologia di controllo più semplice. Vengono utilizzati anche sistemi manuali, soprattutto negli impianti più piccoli [12].

È abbastanza comune che le piccole aziende vinicole non installino le linee di lavorazione e imbottigliamento nelle proprie strutture, ma le affidino a fornitori di servizi con sistemi mobili [13].

2.    Pulizia delle membrane

Rispetto alle applicazioni con acqua pura, la pulizia dei contattori a membrana è molto più importante quando si utilizza il vino. Alcune fasi di pulizia vengono eseguite regolarmente, soprattutto al termine di una fase operativa, ad esempio prima dell’arresto del processo. La manutenzione dei contattori a membrana è importante poiché i residui di vino possono generare odori e sapori indesiderati a causa della proliferazione microbica. Grazie ai materiali utilizzati per le membrane e i contattori, è possibile operare nell’intero intervallo di pH per la pulizia, anche a temperature elevate (in genere 40-60°C). La pulizia ossidativa regolare deve essere evitata per non ridurre la vita utile della membrana.

Molto importante è il fatto che i detergenti chimici utilizzati non devono contenere nemmeno piccole tracce di tensioattivi, poiché causerebbero la bagnatura della membrana a pori idrofobici così come anche un uso moderato di ossidanti può generare una diminuzione dell’idrofobicità della superficie della membrana. Nella fase iniziale dell’ossidazione, tale la membrana può non consentire il passaggio dell’acqua (leak), ma può mostrare perdite quando viene utilizzata con il vino, che ha una tensione superficiale leggermente inferiore a causa del contenuto di alcol. Con il progredire dell’ossidazione, l’idrofobicità non è più sufficiente a trattenere nemmeno l’acqua pura, che a questo punto passa nella fase gas, inoltre si possono avere rotture delle fibre dovute alla diminuzione della resistenza meccanica della struttura microporosa.

Un’altra caratteristica particolare nell’uso del vino è la necessità di pulire il lumen delle fibre cave a intervalli regolari, poiché anche le minime tracce di ingredienti volatili presenti nel vino possono agire come nutrienti per la degradazione microbica.

Con il tempo, alcuni ingredienti del vino possono provocare un effetto di bagnatura, che può essere superato con un’adeguata gestione operativa (regime di pulizia). Alcuni produttori di impianti utilizzano regolarmente un’essiccazione parziale con flusso di gas (aria) attraverso la struttura dei pori, talvolta combinata con la pulizia.

3.    Applicazione liquidi

Oltre alla gestione del gas, esistono anche applicazioni in cui al posto del gas viene utilizzato un liquido sul lato secondario della membrana, lasciando solo i pori della membrana stessa pieni di gas. Ciò consente di rimuovere dal vino ingredienti con una solubilità molto elevata, come l’alcol (vedi Figura 3).

3.1    Regolazione del contenuto d’alcool

A causa dei cambiamenti climatici, negli ultimi anni diverse aree di coltivazione hanno prodotto uve con un maggiore contenuto di zuccheri, che nel processo di fermentazione portano a livelli di alcol atipici e indesiderati per i rispettivi vini. Inoltre, le normative fiscali dei singoli Paesi possono indurre i produttori di vino a cercare di scendere al di sotto di determinati limiti di contenuto alcolico.

I maestri cantinieri cercano un metodo per regolare il contenuto alcolico dei vini nel modo più delicato possibile. A questo scopo, i contattori a membrana sono utilizzati in modalità liquido–liquido con un flusso d’acqua sul lato secondario (lumen)[14].

La Figura 4 (a) presenta un tipico diagramma di flusso del processo. I flussi di vino e acqua scorrono in controcorrente per massimizzare il tasso di trasferimento dell’alcol. Il grado di riduzione dell’alcol è regolato, per una data area e temperatura della membrana, dalla relazione tra la portata del vino e quella dell’acqua. La temperatura può essere controllata da uno scambiatore di calore.

Approfondendo ciò che avviene all’interno dei pori della membrana, la Figura 4 (b) illustra il trasferimento dell’alcol, in fase di vapore, nel flusso d’acqua. Come effetto secondario, una piccola quantità di vapore acqueo viene trasferita nel vino. Per evitare un aumento del contenuto di ossigeno nel vino, si dovrebbe utilizzare acqua con un contenuto di ossigeno altrettanto basso.

Figura 4. Regolazione del contenuto di alcol tramite l’utilizzo di contattori a membrana

3.2      Rimozione dell’anidride solforosa dal mosto

Una nuova applicazione del contattore a membrana è stata introdotta da KH-tec qualche anno fa [15]. Si tratta di ridurre il contenuto di anidride solforosa (SO) dalla riserva dolce o dal mosto in alternativa ai tradizionali processi termici che richiedono un elevato consumo energetico e a temperature superiori a 100 °C, innescano alterazioni indesiderate del gusto. 

I contattori a membrana consentono un’efficace rimozione dell’anidride solforosa a temperature significativamente più basse in modalità di funzionamento Trans Membrane Chemi Sorption (TMCS). La figura 5 illustra un ingrandimento di una fibra cava e la reazione chimica che si verifica tra il succo dolce o il mosto, ricchi di SOall’esterno del capillare in contatto con NaOH attraverso la fase secondaria. L’anidride solforosa che si diffonde attraverso i pori reagisce immediatamente con l’NaOH, quindi la concentrazione di SOdisciolta nella soluzione di NaOH è sostanzialmente nulla, formando una soluzione di solfito di sodio (NaSO3) fuori dalla fase secondaria.

Figura 5. Principio del ChemiSorbimento transmembrana per la rimozione dei solfuri

4.     Aspetti normativi

La produzione di vino è soggetta a diverse normative alimentari.

La gestione dei gas mediante contattori a membrana per l’ossigeno e l’acido carbonico è riconosciuta come metodo dalla norma Oneo 499-2013 del “Codice Internazionale delle Pratiche Enologiche” (OIV). Gli stessi dispositivi a membrana devono essere approvati dalla FDA o dalla CE1935 nell’UE per l’uso con le bevande alcoliche.

Sono in discussione diversi criteri relativi all’idoneità dei contattori a membrana per la produzione di vino biologico. La tecnologia si basa su un principio fisico generale, lo scambio di gas per stabilire l’equilibrio di Henry, che si verifica anche in molte situazioni in natura. Non vi è nessuna reazione chimica né alcuna influenza da parte di materiale sintetico. La membrana serve solo a definire il confine tra la fase gassosa e quella liquida. Grazie alle sue proprietà idrofobiche, non viene assolutamente bagnata dal vino.

Inoltre, dal nostro punto di vista, questo processo è preferibile perché conserva inalterata la vera natura del vino, evitando gli effetti indesiderati di altri processi già approvati per il vino biologico, come la sovrasaturazione di azoto. Il processo a membrana riduce al minimo il consumo di gas ausiliari con un consumo moderato di energia elettrica. La gestione dei gas mediante contattori a membrana consente agli enologi di ottenere la qualità desiderata del vino senza gli inconvenienti dei metodi di lavorazione tradizionali.

Si noti che attualmente la rimozione parziale dell’alcol è vietata dal regolamento UE per la produzione di vino biologico [16].

Gas management using membrane contactors for oxygen and carbonic acid is recognized as a method in Oneo 499-2013 of the “International Code of Oenological Practices” (OIV).

5.     Sintesi

La gestione dei gas mediante contattori a membrana offre diversi vantaggi economici e organizzativi alle cantine e agli impianti di imbottigliamento. Rispetto ad altre pratiche e metodi, può essere classificata come delicata per la qualità del prodotto vinicolo e altrettanto attenta alle risorse.

Diversi produttori di sistemi specializzati in questo settore hanno sviluppato concetti di apparecchiature che consentono un’integrazione semplice e affidabile nelle operazioni enologiche attraverso strategie di controllo e pulizia adeguate.

A partire dall’Europa, le cantine di tutto il mondo nelle diverse aree di coltivazione sono dotate di sistemi di contattore a membrana. 

Per ulteriori informazioni o consulenza tecnica:

Gabriele Beltrami
gbeltrami1@solventum.com
OEM Business EMEA, Filtration and Liqui-Cel™ Gas Exchange
Separation and Purification Sciences Division
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Letteratura

[1]     “3MTMLiqui-CelTM Advanced Dissolved Gas Control” (2023), 3M, https://www.3m.com/3M/en_US/liquicel-us/, May 31st, 2023.

[2]     “Wine / drinks technology”, (2023), KH-tech GmbH,  https://www.kh-tec.com/en/wein-getraenketechnik.php , May 31st, 2023.

[3]     “Romfil Gas Contactor”, (2022), Romfil GmbH, https://romfil.com/cms/other-solutions/romfil-gas-contactor/ , June13th, 2023.

[4]     “EquilibriO2”, (2023), VINEXT SRL, https://www.vinext.it/en/engineering/equilibri02/ , June13th, 2023.

[5]     Experti Srl, https://experti.it/chi-siamo/ , June13th, 2023.

[6]     Imeca Process Accueil – Imeca Process, ensemblier et spécialiste des techniques séparatives. (imecafrance.fr), June13th, 2023.

[7]     “MMR-Plus”, (2018), Juclas Advanced beverage systems, SMART MANAGEMENT OF WINE GASES – JUCLAS, June13th, 2023.

[8]     L.Mondot, J-C.Vidal: Bibliography on the dissolved gases management by membrane contactor in enology  ,  Internet Journal of Viticulture and Enology https://www.infowine.com/it/articoli_tecnici/gestione_dei_gas_disciolti_in_enologia_mediante_contattore_a_membrana_stato_dell_arte_sc_17648.htm

[9]     R. Sander: Compilation of Henry’s law constants (version 4.0) for water as solvent, Atmos. Chem. Phys., 15, 4399-4981, 2015

[10]   A.Blank, J-C Vidal: Development of a membrane contactor for the exact management of dissolved gases, ResearchGate 341985842, 2011

[11]   WO 2016/193586 A1:  Device for adjusting the concentration of a gas in a liquid.

[12]   “Membran Contactor”, (2021), G.A. KIESEL GmbH https://www.kiesel-online.de/download/membran-contactor/ , June13th, 2023.

[13]   “Gestão de Gases”, (2021), Wine On Wheels (WOW), https://wow.com.pt/gestao-de-gases/ , June13th, 2023.

[14]   “MASTERMIND® REMOVE”, (2018), Juclas Advanced beverage systems, https://www.juclas.it/index.cfm/en/products/mastermind-remove/, June13th, 2023.

[15]   “SO2 Membrane System”, (2018), KH Tech GmbH, https://www.kh-tec.com/de/so2-membran-system.php, June13th, 2023.

[16]   “Commission Implementing Regulation (EU) No 203/2012 of 8 March 2012 amending Regulation (EC) No 889/2008 laying down detailed rules for the implementation of Council Regulation (EC) No 834/2007, as regards detailed rules on organic wine”, (2012), Document 32012R0203, https://eur-lex.europa.eu/eli/reg_impl/2012/203/oj , June13th, 2023

[17]  Ramírez, M., Selzer, N., (2023), Membrankontaktoren in der Wein-Herstellung und -Abfüllung

(Kellereitechnik / Önologie, F&S Filtrieren und Separieren, 05/2023, https://www.vulkan-shop.de/f-s-filtrieren-und-separieren-05-2023

[18]  Ramírez, M.  (2023), Membrankontaktoren in der Wein-Herstellung und -Abfüllung (Kellereitechnik / Önologie. [Power Point presentation]. Deutsche Gesellschaft für Membrantechnik- (DGMT) Tagung 2023, Membranen in der Lebensmittel- und Pharmaindustrie.  28 February 2023, Kassel, Germany. https://dgmt.org/newsreader/dgmt-tagung-2023.html