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Resumen: Los sistemas de gestión de gases mediante contactores de membrana se utilizan cada vez más en la producción y el embotellado de vino. En comparación con los procedimientos convencionales, estos sistemas permiten reducir los tiempos de proceso y el uso de productos auxiliares, además cumplir con mayor precisión los estrictos requerimientos del mercado, como por ejemplo el contenido de CO2. Sin embargo, existen determinados requisitos para la limpieza de las membranas y, en cierta medida, para el control de los sistemas. Por otro lado, ofrecen además una modalidad especial de funcionamiento que permite reducir el contenido de alcohol en el vino o el contenido de dióxido de azufre en el mosto.
Palabras clave: Contactores de membrana, vino, gestión de gases, oxígeno, dióxido de carbono, alcohol
Desde hace casi tres décadas, el uso de contactores de membrana para el tratamiento de líquidos ha incrementado cada vez más [1]. Hoy en día son tecnología de vanguardia, principalmente en diversas áreas del tratamiento del agua, incluida la producción de agua ultrapura para aplicaciones farmacéuticas. También se utilizan en diversos sectores de la industria de bebidas.
1. Gestión de gases en la enología
1.1 Situación inicial
Los enólogos son conscientes desde hace décadas de la importancia de los gases disueltos en el vino. En la mayoría de los vinos tintos, el contenido de dióxido de carbono (CO2) debe ser bajo. Los vinos blancos vivaces tienden a tener un mayor contenido de CO2. Concentraciones aún más altas de este gas son característicos de los vinos espumosos o de aguja.
A diferencia del CO2, que se genera durante el proceso de fermentación, el oxígeno (O2) proviene de la atmósfera en contacto con el vino provocando la oxidación de sus componentes. El O2 tiene un efecto sensorial más indirecto y retardado sobre el vino, influyendo significativamente en su evolución durante el proceso de envejecimiento.
Los métodos tradicionales utilizados en las operaciones de bodega a menudo no permiten un uso económico de los recursos, y las concentraciones de gas deseadas no se ajustan con precisión; lo que en ocasiones conlleva incluso a una sobresaturación no deseada de nitrógeno (N2).
1.2 Gestión de gases mediante contactores de membrana.
A lo largo de los últimos años, los contactores de membrana se emplean cada vez más para la gestión de los gases en los procesos de tratamiento en vinos [2-7]. Esta tecnología de membranas puede actuar sobre varios gases simultáneamente [8].
La Figura 1 muestra un sistema típico de gestión de gases con contactores de membrana. El flujo de vino se divide en dos contactores conectados en paralelo, mientras que el flujo de gas de barrido, también conectado en paralelo, circula en contracorriente. Las conexiones de salida del gas están acopladas a una bomba de vacío. En general, la eficiencia de este sistema se puede controlar ajustando el nivel de vacío y/o el flujo de gas de barrido.
Además, la Figura 1 ilustra cómo se transfiere el O2 desde el vino hasta el flujo de gas. Asimismo, utilizando CO2 como gas de barrido, se puede aumentar o reducir la concentración de este gas en el vino
1.3 Principio de funcionamiento
Para el tratamiento del vino, se utilizan contactores de membrana de fibra hueca caracterizados por una alta densidad de empaquetamiento y patrón de flujo ordenado. El material de la membrana utilizado es tan hidrófobo y el tamaño de los poros tan pequeño que los poros no se humedecen por la presión del vino y permanecen llenos de gas.
La Figura 2 muestra un ejemplo de un contactor de este tipo. El contactor contiene un cartucho de capilares de membrana, enrollado en un tubo interior con orificios, por los que fluye el vino. Gracias a los orificios, el vino se distribuye radialmente alrededor de las fibras huecas, desde el centro hacia el exterior. El deflector situado en el centro desvía el líquido hacia el interior del tubo, garantizando así un contacto homogéneo con los capilares a lo largo de todo el contactor.
En contracorriente por la cavidad interior del capilar, lumen, se introduce un gas de barrido y, además, puede aplicarse vacío. Esto crea un gradiente de concentración entre la fase de líquida, el vino, y la fase gaseosa, que induce la transferencia de gases disueltos en el vino, hacia la fase gaseosa. Según la ley de Henry, la concentración de un gas disuelto en el vino es proporcional a la presión parcial del gas en contacto con él. El factor de proporcionalidad, llamado coeficiente de Henry, es específico del gas y dependiente de la temperatura [9]. La Figura 3 compara el coeficiente de solubilidad de Henry para diferentes gases a 10 °C y 50 °C.
Los contactores de membrana pueden acomodar grandes superficies de intercambio en un aparato compacto. El volumen de gas requerido en las fibras huecas (diámetro interno de aproximadamente 0,2 mm) es pequeño y el recorrido de difusión de los gases disueltos a través de la fase líquida es corto. Dado que las presiones del líquido y del gas se pueden ajustar de forma independiente, el intercambio de gases puede ocurrir en línea. La eficacia se puede ajustar regulando el nivel de presión del gas (positivo o negativo) y/o el flujo del gas de barrido.
1.4 Razones para usar contactores de membrana para la gestión de los gases.
Los inyectores porosos se utilizan tradicionalmente para la gestión de gases en la producción de vino. Mediante esta tecnología se inyectan burbujas de gas, por ejemplo, nitrógeno (N2), para eliminar oxígeno o CO2 con el fin de enriquecer o ajustar su concentración, y como resultado se produce un intercambio de gases en la superficie de las burbujas [10]. En general, cuando se trabaja con inyectores, el ajuste de las concentraciones de los diferentes gases debe realizarse uno tras otro. Además, es necesario realizar fases de inertización de los tanques con N2 para evitar la transferencia de oxígeno atmosférico al vino.
En 2011 A. Blank [10] estableció en un estudio comparativo el alcance de la reducción del uso de gases mediante el tratamiento con contactores de membrana. El estudio compara ambas tecnologías, con el objetivo de añadir una concentración especifica de CO2 mientras se reduce la del O2. Los inyectores porosos se operaron en dos etapas: en la primera se aplicó nitrógeno para reducir el O2 y en la segunda, se añadió CO2 para reajustar el CO2.
El funcionamiento de los contactores de membrana se realizó combinando CO2 como gas de barrido y aplicando vacío en el otro extremo del lumen de la membrana. La principal diferencia entre los dos métodos es el consumo de gas, como se muestra en la Tabla 1.
Otras ventajas del uso de contactores de membrana para las operaciones de bodega o de embotellado son:
- Ahorro de tiempo en el proceso gracias a la ejecución simultánea de varios tratamientos (reducción del O2 y al mismo tiempo ajuste del CO2).
- Evita la sobresaturación no deseada de nitrógeno.
- Cumplimiento de especificaciones rigurosas para la concentración de gases disueltos en el vino (en particular CO2).
Además, los sistemas de gestión de gases se pueden instalar en distintos puntos del proceso.
- Durante la descarga desde un camión a un tanque o desde un tanque a un contenedor para el transporte.
- Durante el bombeo de un tanque a otro.
- Directamente en el flujo de filtrado en un sistema de filtración tangencial.
- Directamente aguas arriba de una planta de embotellado.
Esta última ubicación es interesante y exigente porque influye en el producto final sin la función amortiguadora de los contenedores. La propia línea de embotellado suele generar fluctuaciones breves del caudal. Por lo tanto, en este punto se requiere una tecnología de control del más alto nivel.
En la actualidad, los sensores de CO2 de alta precisión funcionan con un tiempo muerto considerable en relación con los cambios de caudal a corto plazo que se producen durante el funcionamiento de una planta de embotellado. Para ello, algunos fabricantes de sistemas han desarrollado conceptos avanzados de regulación y control. La empresa francesa Ymelia ha patentado una combinación de contactores de membrana con control en cascada (concentración de gas à presión de gas) [11].
Por razones de velocidad, la empresa alemana KH-tec [2] no emplea un control de retroalimentación típico, sino un concepto de cálculo para las variables del proceso basado en un gran número de mediciones junto con un factor de ensuciamiento o fouling, implementado para el estado de la membrana.
En otros puntos del proceso puede bastar con una tecnología de control más sencilla. También se utilizan sistemas manuales, sobre todo en operaciones más pequeñas [12].
Es bastante habitual que las pequeñas bodegas no instalen las líneas de tratamiento y embotellado en sus propias fábricas, sino que las subcontraten a proveedores de servicios con sistemas móviles [13].
2. Limpieza de las membranas
Para la aplicación de tratamiento del vino con contactores de membrana, el proceso de limpieza es mucho más importante que cuando se trata agua pura. Ciertas fases de limpieza se llevan a cabo con regularidad, en especial después del final de una fase operativa, por ejemplo, antes de la parada del proceso. El mantenimiento de los contactores de membrana es importante, ya que los residuos de vino pueden provocar olores o sabores indeseables a causa de las transformaciones microbianas. Gracias a los materiales empleados en las membranas y los contactores, la limpieza puede realizarse en todo el intervalo de pH, incluso a temperaturas elevadas (normalmente entre 40 °C y 60 °C). Es preciso evitar la limpieza oxidativa periódica para no acortar la vida útil de la membrana.
Lo más importante es que los limpiadores químicos que se utilicen no contengan ni siquiera pequeñas trazas de agentes tensioactivos, ya que provocarían la humectación de la membrana de poros hidrófobos. Un uso moderado de oxidantes puede conllevar a una disminución de la hidrofobicidad de la superficie de la membrana. En la fase inicial de la oxidación, dicha membrana puede no permitir el paso del agua (fugas), sin embargo, podría mostrar fugas cuando se opera con vino, que tiene una tensión superficial ligeramente menor debido al contenido de alcohol. A medida que avanza la oxidación, la hidrofobicidad deja de ser suficiente para retener incluso el agua pura; también se pueden producir rupturas de fibras debido a la disminución de la resistencia mecánica de la estructura microporosa.
Otra particularidad cuando se trata del vino es la necesidad de limpiar periódicamente el lumen (cavidad interior del capilar), de lo contrario, hasta el mínimo residuo de ingredientes volátiles del vino podría actuar como nutriente para la degradación microbiana.
Con el tiempo, algunos ingredientes del vino pueden provocar un efecto humectante, que puede controlarse mediante un régimen de limpieza adecuado. Algunos fabricantes de equipos utilizan regularmente el secado parcial con flujo de gas (aire) a través de la estructura porosa, combinado en ocasiones con la limpieza.
3. Aplicaciones Líquido/Líquido
Además de la gestión de gases, existen aplicaciones en las que en lugar de gas se utiliza un líquido en el lado secundario de la membrana, dejando sólo los poros de ésta, llenos de gas. Esto permite eliminar del vino ingredientes con una solubilidad muy alta, tal como el alcohol (ver Figura 3).
3.1 Ajuste del contenido de alcohol
Como consecuencia del cambio climático, varias zonas vitícolas han producido en los últimos años uvas con un mayor contenido de azúcar, lo que en el proceso de fermentación da lugar a niveles de alcohol atípicos e indeseables para los respectivos vinos. Además, las normativas fiscales de los distintos países pueden motivar a los productores de vino a reducir el contenido de alcohol por debajo de determinados límites.
Los técnicos de bodega buscan métodos que permitan ajustar el contenido de alcohol en los vinos de la forma más moderada posible. Con este objetivo, se utilizan contactores de membrana en modo per(s)tracción con una corriente de agua en el lado secundario [14].
La Figura 4 (a) presenta un diagrama de flujo típico del proceso. Las corrientes de vino y agua fluyen en contracorriente para maximizar la tasa de transferencia de alcohol. El grado de reducción de alcohol se ajusta para una superficie de membrana y temperatura determinadas mediante la relación entre el caudal de vino y el del agua. La temperatura puede regularse mediante un intercambiador de calor.
La Figura 4 (b) detalla lo que ocurre dentro de los poros de la membrana, ilustrando la transferencia de vapor de alcohol hacia la corriente de agua. Como efecto secundario, se transfiere una pequeña cantidad de vapor de agua al vino. Para evitar un aumento del contenido de oxígeno en el vino, se debe utilizar agua con un contenido bajo de O2.
3.2 Eliminación de dióxido de azufre del mosto
KH-tec introdujo hace unos años una nueva aplicación para los contactores de membrana [15]. Se trata de reducir el contenido de dióxido de azufre (SO2) de la reserva dulce o mosto. Tradicionalmente se utilizan procesos térmicos para eliminar el dióxido de azufre. Sin embargo, a temperaturas superiores a 100 °C se producen cambios indeseables en el sabor, así como un consumo energético elevado durante el proceso.
Los contactores de membrana permiten una eliminación eficaz del SO2 a temperaturas significativamente más bajas en el modo de funcionamiento TransMembrane ChemiSorption (TMCS). La Figura 5 ilustra una ampliación de una fibra hueca y la reacción química que se produce entre el jugo o mosto dulce rico en SO2 fuera del capilar en contacto con el NaOH a través de la fase secundaria. El SO2 que se difunde a través de los poros reacciona inmediatamente con el NaOH y, por lo tanto, la concentración de SO2 disuelto en la solución de NaOH es esencialmente cero, formándose así una solución de sulfito sódico (Na2SO3) fuera de la fase secundaria.
4. Aspectos normativos
La producción de vino está sujeta a diversas normativas alimentarias.
La gestión de gases para el oxígeno y dióxido de carbono, mediante el uso de contactores de membrana está reconocida como método en el reglamento Oneo 499-2013 del «Código Internacional de Prácticas Enológicas» (OIV). Los propios dispositivos de membrana deben estar aprobados por la FDA o por la EC1935 dentro de la Unión Europea (UE) para su uso con bebidas alcohólicas.
Por lo que respecta a la idoneidad de los contactores de membrana para la producción de vino ecológico, existen varios criterios que están en fase de discusión. La tecnología se basa en un principio físico general: el intercambio de gases para establecer el equilibrio de Henry, fenómeno que tiene lugar también en muchos procesos naturales. No hay reacciones químicas ni impacto de un material sintético. La membrana sólo sirve para definir el límite entre las fases gaseosa y líquida. Gracias a sus propiedades hidrofóbicas, el vino no lo humedece en absoluto.
Además, desde nuestro punto de vista, este proceso es preferible porque preserva inalterada la verdadera naturaleza del vino, evitando los efectos no deseados de otros procesos ya aprobados para el vino ecológico, como la sobresaturación de nitrógeno. El tratamiento con membrana minimiza el consumo de gases auxiliares con un consumo moderado de energía eléctrica. La gestión de gases mediante contactores de membrana permite a los enólogos alcanzar la calidad de vino deseada sin los inconvenientes de los métodos de tratamiento tradicionales.
Hay que tener en cuenta que actualmente la eliminación parcial del alcohol está prohibida por el reglamento de la UE para la producción de vino ecológico [16].
5. Resumen
La gestión de gases mediante contactores de membrana ofrece diversas ventajas económicas y de gestión para las bodegas y plantas embotelladoras. En comparación con otras prácticas y métodos, se puede considerar como técnica respetuosa con la calidad del producto vitivinícola y también con los recursos.
Varios fabricantes especialistas en este campo han desarrollado conceptos para sus equipos que permiten una integración sencilla y segura dentro del proceso enológico mediante estrategias adaptadas de control y limpieza.
Iniciando desde Europa, las bodegas de todo el mundo, en las diferentes áreas vitivinícolas, están ya dotadas de sistemas de contactores de membrana.
Para más información o para asesoramiento técnico :
Maria Fernanda Ramirez
mramirez5@solventum.com
Sales Engineer OEM Business EMEA,
Filtration and Liqui-Cel™ Gas Exchange
Purification and Filtration Business
Filtración para vino | 3M España
[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 Enologyhttps://www.infowine.com/es/art%C3%ADculos_t%C3%A9cnicos/gesti%C3%B3n_de_gases_disueltos_en_enolog%
C3%ADa_mediante_contactores_de_membrana_estado_del_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
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