Ingeniería básica de una planta de producción de vino tinto joven y crianza a partir de uva tinta tempranillo

Equation Chapter 1 Section 1 Trabajo Fin de Grado Grado en Ingeniería Química Ingeniería Básica de una Planta de Producción de vino tinto joven y crianza a partir de uva tinta Tempranillo Autora: Inmaculada Roldán Torres Tutora: Custodia Fernández Baco Dpto. Ingeniería Química y Ambiental Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2020 ii Trabajo Fin de Grado Ingeniería Química Ingeniería Básica de una Planta de Producción de vino tinto joven y crianza a partir de uva tinta Tempranillo Autora: Inmaculada Roldán Torres Tutora: Custodia Fernández Baco Profesora Colaboradora Dpto. de Ingeniería Química y Ambiental Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2020 iv A mi familia A mis amigos A mis maestros vi Agradecimientos Entregando el trabajo de fin de grado, es el último paso a dar para convertirme en ingeniera química de forma oficial, pensaba que no llegaría nunca. No tengo palabras para agradecer a tanta gente que me ha apoyado durante estos largos años. Transcurridos estos años ha habido días buenos y días no tan buenos, de agobios, de querer abandonar, pero ahí estaban ellos. Y con ellos me refiero a mi familia, en especial a mi madre, ya que es un apoyo incondicional, que ha estado día tras día apoyándome y animando en que yo podría con esto y con más, y también y no menos importante por ponerlos los segundos a mis amigos, en concreto a la familia que se ha formado con los amigos de la carrera porque es así es mi segunda familia, ya que con ellos estos últimos años he pasado más tiempo que con nadie, muchísimas tardes de estudio, muchísimas noches de bunker, muchas quedadas y alguna que otra fiesta (que no todo iba a ser estudiar), he tenido la suerte de conocer a gente maravillosa y sé que estarán conmigo para toda la vida. Por ello quiero dar mil gracias a todos ellos. Quería agradecer a los profesores que nos han impartido clase durante toda la carrera, porque sin ellos no hubiera llegado hasta aquí y en especial a mi tutora del TFG a Custodia la cual ha estado muy pendiente de mí y ha tenido mucha paciencia conmigo y nunca me ha metido prisas, por lo que se lo agradezco. Inmaculada Roldán Torres Julio, 2020 viii Resumen En este trabajo se ha elaborado la Ingeniería Básica de una planta de producción de vino tinto joven y crianza a partir de uva tinta Tempranillo. La planta tiene una capacidad de producir 98.350 litros anuales de los cuales 49.609 serán vino tinto joven y 48.741 vino tinto crianza. Para producir dichas cantidades se ha necesitado 150.000 kg de uva tinta Tempranillo. En primer lugar, se comentan las principales características del producto, así como su composición química al igual que la del mosto, la uva a utilizar en el proceso. Se explican las operaciones fundamentales de la planta y, además, se realiza un estudio de mercado. A continuación, se describe todo el proceso con sus respectivas operaciones, reflejado todas ellas en el diagrama de flujo, y se resuelven los balances de materia y energía de toda la planta. Además, se diseñan los equipos que aparecen en dicho diagrama. Asimismo, se realiza la evaluación económica de todo el proceso para ver si económicamente es rentable. A su vez, se estudiará la viabilidad de implantar una propuesta de mejora asociada a modificar el tiempo de operación de las fermentaciones que se realizan en el proceso, de esta forma se reduce los tiempos de residencia por lo que se podrá aumentar la producción, mejorando el rendimiento de la planta. Con esta modificación se consigue un incremento del 10% de la producción. Finalmente se comparan ambas posibilidades del proceso. xvi Tabla 74. Ingresos de venta a partir del tercer año con la mejora 123 Tabla 75. Ingresos de venta de los subproductos con la mejora 123 Tabla 76. Resultados del VAN y la TIR con la mejora 124 Tabla 77. Comparativa de las diferentes alternativas 124 Tabla 78. Lista de elementos del fermentador alcohólico 145 Tabla 79. Análisis de flujos de caja de los años 1 al 11 165 Tabla 80. Análisis de flujos de caja de los años 12 al 22 165 Tabla 81. Análisis de flujos de caja de los años 1 al 11 de la mejora 169 Tabla 82. Análisis de flujos de caja de los años 12 al 22 de la mejora 169 ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1. Estructura tridimensional del etanol 23 Figura 2. El ciclo de la vid 27 Figura 3. Componentes del grano de uva 27 Figura 4. Producción de uva en toneladas, año 2017 [9] 28 Figura 5. Racimo de uva tempranillo 29 Figura 6. Equilibrio químico del sulfito en los vinos [13] 30 Figura 7. Exportaciones internacionales de vino, año 2017. Datos: OEC [15] 33 Figura 8. Importaciones internacionales de vino, año 2017. Datos: OEC [15] 33 Figura 9. Evolución de producción mundial de vino desde 2001 al 2017 [16] 33 Figura 10. Evolución del vino en producción, exportación y consumo en España. 34 Figura 11. Evaluación de la población de levaduras a lo largo del proceso de fermentación [21] 38 Figura 12. Componentes del grano de uva importantes al momento de la maceración 40 Figura 13. Diagrama de bloques 44 Figura 14. Despalilladora 46 Figura 15. Estrujadora de rodillos 46 Figura 16. Equipo despalilladora-estrujadora 47 Figura 17. Comparativa de materiales para depósitos 48 Figura 18. Tipos de botella para vinos 51 Figura 19. Diagrama de flujo del proceso 53 Figura 20. Balance de materia 57 Figura 21. Transformaciones de la uva 59 Figura 22. Zona de recepción 60 Figura 23. Zona de preparación para la fermentación 61 Figura 24. Zona de fermentación y prensado de orujos 62 Figura 25. Zona de acondicionamiento del vino 64 Figura 26. Zona de almacenamiento y embotellado 65 Figura 27. Diagrama de Gantt con las secuencias de actividades que operan cuatro lotes de uva 67 Figura 28. Intercambiador de calor E-101 70 Figura 29. Intercambiador de calor E-102 70 Figura 30. Corrientes de entrada y salida del fermentador alcohólico 71 Figura 31. Evolución de la temperatura y densidad en el fermentador 73 Figura 32. Calores intervenidos en el proceso de fermentación 77 Figura 33. Parámetros a determinar para el diseño de una tolva. 78 Figura 34. Hélice de un tornillo sin fin 79 Figura 35. Dimensiones del fermentador 89 xviii Figura 36. Correlaciones de diseño impuestas por el código API-650 [37] 94 Figura 37. Dimensiones para el apilado de barricas con durmientes [14] 97 Figura 38. Tribloc 36/6/6 8000 botellas/h 104 Figura 39. Variación de viñedos en España por CCAA del 2007 al 2017 137 Figura 40. Velocidad de giro en r.p.m. recomendada en función del diámetro del tornillo y la clase de material 140 Figura 41. Coeficiente de K para bandas inclinadas 140 Figura 42. Qm en m3/h para v =1 m/s 141 Figura 43. Potenia neta en CV necesaria para el movimiento de la banda en vacío horizontal (W1) 141 Figura 44. Potencia neta en CV necesaria para el transporte horizontal de la carga (W2) 142 Figura 45. Potencia neta en CV necesaria para la elevación del material (W3) 142 Figura 46. Potencia a añadir por cada tripper de descarga, en CV (W4) 143 Figura 47. Factor de tensión en las poleas finales y del tensor 143 Figura 48. Valor del coeficiente K1 143 Figura 49. Despalilladora-estrujadora de la gama Delta E2 más elementos internos 144 Figura 50. Características técnicas despalilladora-estrujadora [45] 144 Figura 51. Fermentador alcohólico 145 Figura 52. Llenado y vaciado de los fermentadores 147 Figura 53. Prensa Smart Press cuba cerrada SPC 40 149 Figura 54. Dimensiones de la prensa 149 Figura 55. Características técnicas de la máquina de prensado 150 Figura 56. Llenado y vaciado de los depósitos de clarificación 151 Figura 57. Llenado y vaciado de los depósitos de estabilización tartárica 153 Figura 58. Filtro de placas 40x40 FIL-H 155 Figura 59. Características técnicas del filtro 155 Figura 60. Filtros tangenciales Flavy FX3 ICS 155 Figura 61. Características técnicas de las mangueras de la planta [47] 156 Figura 62. Catálogo bombas. AGP bombas: serie SM 157 Figura 63. Catálogo bombas. Saci pumps: serie NKP-G 157 Figura 64 Bomba de vendimia modelo “VIAR 600” 158 Figura 65. Características técnicas de la bomba helicoidal “VIAR” 158 Figura 66. Intercambiadores carcasa y tubo: características de los tubos [48] 159 Figura 67. Intercambiadores carcasa y tubo: diámetro de la carcasa y número de tubos en intercambiadores de placas tubulares fijas y de tubos en U [48] 160 Figura 68. Viscosidad dinámica del mosto en dependencia de la temperauta [49] 161 Figura 69. Conductividad del mosto en dependencia de la temperauta 161 Figura 70. Correcciones de conductividad del vino para temperaturas distintas de 20 ºC en microsiemens cm−1 162 Figura 71. Propiedades de los fluidos del intercambiador E-102 162 Figura 72. Factor de Lang para estimar la inversión total [43] 163 Figura 73. Ficha técnica: Levaduras “Viniferm 3D” [50] 167 Figura 74. Ficha técnica: Bacterías Lácticas “Viniferm OE AG-20” [51] 168 Ingeniería Básica de una Planta de Producción de vino tinto joven y crianza a partir de uva tinta Tempranillo 21 1 ALCANCE Y OBJETIVOS El objetivo de este proyecto es la realización de una Ingeniería Básica de una bodega de elaboración de vino tinto con una producción de 98.350 litros anuales a partir de uva tinta Tempranillo. Dicha producción se divirá en proporciones iguales en la obtención de vino tinto joven y vino tinto crianza. El alcance del Proyecto consta: ▪ La elaboración de un diagrama de flujo (PFD) que represente el proceso descrito, quedando fuera del alcance la realización del P&ID, y los conceptos relacionados con la instrumentación y el control de la planta. ▪ La resolución de los balances de materia y energía de las corrientes mencionadas en el PFD. ▪ El diseño de algunos de los equipos de la instalación. ▪ El análisis económico de la instalación. ▪ Proponer posibilidades de mejora para la planta, con el fin de elevar el rendimiento global de producción con relación al tiempo que conllevan sus etapas. ▪ Las hojas de especificaciones de los equipos que forman parte del proceso. Alcance y Objetivos 22 Ingeniería Básica de una Planta de Producción de vino tinto joven y crianza a partir de uva tinta Tempranillo 23 2 INTRODUCCIÓN Las bebidas alcohólicas son aquellas que contienen un porcentaje de etanol en su composición, dependiendo de la elaboración de dicha bebida se puede diferenciar dos grandes grupos que son, las bebidas producidas por fermentación alcohólica, llamadas bebidas fermentadas, que son principalmente el vino, la cerveza y la sidra, y las bebidas producidas por destilación como son los diferentes tipos de licores y aguardientes; normalmente estas últimas utilizan como materia prima un producto previamente fermentado. Una gran diferencia entre ambos grupos es el grado de alcohol, las primeras no suele superar los 15 grados, en cambio las otras tienen un valor superior. El alcohol de las bebidas fermentadas es obtenido mediante un proceso de fermentación microbiológico dentro del propio proceso del producto. En función de la materia prima de la que procede se puede obtener las diferentes bebidas mencionadas anteriormente, en el caso de la cerveza es la cebada, en el del vino es la uva y para la sidra es la manzana. El alcohol obtenido es el etanol, conocido como alcohol etílico, es un alcohol que en condiciones normales de presión y temperatura se encuentra como un líquido incoloro, inflamable, es miscible en agua en cualquier proporción, volátil y con un punto de ebullición de unos 78 ºC. Es el componente principal de todas las bebidas alcohólicas [1]. Su fórmula molecular es C2H5OH y en la Figura 1 se puede apreciar su estructura tridimensional, donde las esferas grises representan los átomos de carbono, los blancos los de hidrógeno y el rojo al átomo de oxígeno. Figura 1. Estructura tridimensional del etanol El etanol tiene multitud de usos en la industria, pero en este Proyecto se va a centrar en la generarión de bebidas alcohólica mediante la fermentación, en concreto la fermentación para la obtención del vino. 2.1 El vino El producto deseado de este proyecto es el vino, se consiguirá mediante diversos procesos que se irán describiendo a lo largo del trabajo. El vino es una bebida alcohólica muy producida y consumida. Se trata de una bebida que se obtiene exclusivamente mediante la fermentación alcohólica del zumo de la uva o mosto, la cual se produce gracias a la acción de las levaduras presentes en la piel de las uvas, su graduación alcohólica no será inferior a nueve grados y no será mayor a los quince grados. El vino, junto con la cerveza, son las bebidas fermentadas más elaboradas a nivel mundial. Como dato de interés el vino, es una bebida que tiene multitud de beneficios para la salud humana. Las características del vino provienen de los factores que afectan a los viñedos, como son, la region, el clima, el suelo, la topología, además del cuidado de los productores durante el proceso de elaboración. Introducción 24 24 2.1.1 Clasificación del vino Existe una gran variendad de clasificaciones de tipos de vinos, se destaca: - Según la variedad de uva: monovariental, variental y multivariental. - Según el color: tinto, blanco, rosado y clarete. - Según su envejecimiento: jóvenes, crianza, reserva y gran reserva. - Según el contenido de anhídrido carbónico: tranquilos, aguja, espumosos y gasificado. - Según el contenido en azúcares: secos, semisecos, abocados, semidulces y dulces. - Según el tipo de vinificación dependiendo de la parte del racimo fermentado. A continuación, dichas clasificaciones se irán desglosando. Según la variedad de uvas utilizadas en el proceso de vinificación se puede clasificar en: • Variental, se refiere al vino que al menos el 80-85% corresponde a un solo tipo de uva, siendo el resto del porcentaje de cualquier variedad de uva. • Monovariental, se refiere al vino que está elaborado en su totalidad con el mismo tipo de uva. • Multivariental, son aquellos vinos en los que intervienen dos o más cepas de uvas, sabiendo que el porcentaje de cada una de ellas tiene que ser inferior al 80%. Según su color se puede diferenciar entre blancos, tintos, rosados y clarete que se definen [2] [3]: • Vino blanco, es procedente de mostos de uva blanca o de uva tinta con pulpa no coloreada. En la elaboración de este vino no hay maceración, en el proceso de elaboración se procede a separar el mosto de los hollejos para evitar las materias colorantes, denominado desfangado. • Vino tinto, es procedente de mostos de uvas tintas con el adecuado proceso de elaboración para conseguir la difusión de la materia colorante contenida en los hollejos. La maceración confiere a estos vinos las características o cualidades que le distinguen de los vinos blancos, como son el color, taninos y aromas. La fermentación alcohólica de los vinos tintos se da a temperaturas más altas que los blancos, entre 25 y 30ºC, con el fin de conseguir una buena extracción polifenólica. Además, en estos vinos se produce una segunda fermentación denominada maloláctica. • Vino rosado, que se elabora a partir de uvas tintas fermentadas después de un leve contacto con las pieles. El mosto es siempre blanco, por tanto, el color característico lo adquiere de la piel de la uva tinta y su intensidad colorante es escasa dado el poco tiempo de contacto con los hollejos. • Vino clarete, se elaboran con mezclas de uvas blancas y uvas tintas. El mosto fermenta junto con el hollejo y se obtiene un vino “tinto” de bajo color, por consecuencia de las uvas blancas, por lo demás del proceso es igual al vino rosado. Según su evejecimiento, es decir, en función del tiempo de permanencia de vino en barrica y en botella, la clasificación es la siguiente [3]: • Joven. Este tipo de vino es comercializado una vez acabado el proceso de elaboración, sin permanecer en barrica para su envejecimiento, o bien dicha crianza es mínima, permanecen como mucho 6 meses. Son vinos que conservan muy bien las características varietales de las uvas de los que proceden. • Crianza. Se refiere a los vinos de calidad que han envejecido en barrica y en botella al menos dos años naturales. • Reserva. En vinos tintos y claretes deben de envejecer durante un período mínimo de 36 meses, al menos doce de los cuales tienen lugar en barrica de roble. Para los blancos y rosados se establece un período mínimo de 24 meses, seis de ellos en envase de roble. 25 25 Ingeniería Básica de una Planta de Producción de vino tinto joven y crianza a partir de uva tinta Tempranillo • Gran reserva. En tintos y claretes deben de envejecer durante un período de envejecimiento de 24 meses en barrica y 36 meses en botella. Para los blancos 48 meses entre roble y botella, con un tiempo mínimo en roble de seis meses. Según el contenido de gas carbónico [4]: • Tranquilo, se dice de aquel que no muestra ningún rastro de gas carbónico, es decir la cantidad de carbónico es residual y las burbujas son imperceptibles. • De aguja, son aquellos que por su origen o por su elaboración conservan una parte del gas carbónico procedente de la fermentación de azúcares. Este gas carbónico se desprende en forma de burbujas sin que llegue a producir espuma. Generalmente suelen ser rosados o blancos. • Espumoso, se caracterizan por su larga crianza y una segunda fermentación en botella que les confiere ese alto contenido en carbónico. En España el espumoso por excelencia es el Cava. • Gasificado, es un vino espumoso en cuyo caso, el gas carbónico no procede de la fermentación, sino que es añadido posteriormente de forma industrial, por ejemplo, el Lambrusco. Según el contenido en azúcares residuales, es decir, azúcar no transformado en alcohol en el proceso de fermentación, se clasifican [5]: • Secos, son aquellos que contienen <5 g/l de azúcares. • Semisecos, son aquellos que contienen 5-15 g/l de azúcares. • Abocados, son aquellos que contienen 15-30 g/l de azúcares. • Semidulces, son aquellos que contienen 30-50 g/l de azúcares. • Dulces, son aquellos que contienen >50 g/l de azúcares. La última clasificación, según el tipo de vinificación dependiendo de la parte del racimo fermentado: • Vinificación en virgen. Antes de que se de la fermentación alcohólica se separa la fase liquida de la fase solida del racimo de uva, como son los hollejos, pepitas y raspón, de esta forma se fermenta el mosto extraido de forma separada. Técnica muy practica para vinos blancos y rosados. • Vinificación del mosto, en presencia de determinadas partes sólidas del racimo, de los hollejos y de las pepitas. En esta técnica, además de la fermentación alcohólica, se produce una maceración de las partes sólidas en el líquido fermentadado. Esta técnica es reconocida como la fermentación tradicional, opera a temperaturas entre 22 y 27 ºC. • Vinificación de racimos enteros. En el depósito de fermentación se introduce el racimo entero, es decir, toda la parte sólida conjunta con la parte líquida. Esta técnica de vinificación se denomina maceración carbónica y se desarrolla en dos fases, la primera se produce los fenómenos del metabolismo intracelular, en anaerobiosis carbónica y la segunda se desarrolla una vez extraido el líquido, donde se produce la transformación de azúcares en etanol, con ayuda de las levaduras. La maceración carbónica trabaja a temperaturas más altas que la fermentación tradicional desde 24 a 35 ºC y en los depósitos de fermentación se producen una disminución de volumen, por ello se puede llenar por completo, justo lo contrario a la tradicional. Las características de los vinos obtenidos por maceración carbónica son, vinos con menos cuerpo, más ligeros, menos ácidos y con menos azúcar. Destacan por su potencia aromática y con aromas totalmente frutales. Pero se obtienen vinos menos estables para su futuro envejecimiento. Introducción 32 32 2.3 El mosto El mosto de uva es el producto que se obtiene al estrujar las mismas, es una de las primeras operaciones en la elaboración del vino, consiste en una masa de líquido espesa, que contiene el jugo y la parte sólida del grano de uva, que son los hollejos y las pepitas. La composición del mosto se encuentra recogida en la siguiente tabla: Tabla 4. Composición media aproximada del mosto de uva [8] Componentes Contenido en granos por litro Agua 720 a 860 Azúcares 130 a 250 Ácidos 10 a 26 Sustancias nitrogenadas 4 a 7 Sustancias minerales 0,8 a 2,7 Vitaminas 0,2 a 0,8 Como se puede observar en la Tabla 4, los componentes predominantes son el agua y los azúcares. Esta composición se corresponde con el mosto obtenido a partir de uvas con su maduración óptima. Una uva con poca maduración contiene menor nivel de azúcar y cambiaría por completo su composición. Los principales azúcares en el mosto son la glucosa y la fructosa. La concentración de azúcares es fundamental para el desarrollo de la fermentación con levaduras, ya que son el alimento de ellas. Los azúcares no consumidos en la fermentación son denominados azúcares residuales, como son la arabinosa, la ramnosa y la xilosa. Esta azúcar residual es importante en la tonalidad dulce de un vino, y la presencia de ella es la que da lugar a la clasificación entre secos, semisecos, abocados, semidulces y dulces. Los ácidos más importantes del mosto son ácidos málicos, tartáricos y cítrico, que son procedentes de la uva. Estos componentes tienen una capacidad de conservante del vino. En la fermentación las levaduras generan pequeñas cantidades de ácido acético, ácido láctico y ácido succínico y su concentración refuerza los olores y sabores. Como conclusión, la acidez total, es la suma de la ácidez fija que procede de la uva y de la acidez volátil originada tras la fermentación. Las sustancias nitrogenadas son utilizadas por las levaduras autóctonas de la uva para reproducirse y multiplicarse, estas son las albúminas y las globulinas y otras sales como las minerales presentes en el mosto son fosfatos de calcio, fósforo y magnesio, cloruro sódico y silicato potásico. Y por último para terminar con los componentes del mosto descritos en la tabla, se encuentran las vitaminas, el mosto es rico en vitaminas hidrosalusables (vitaminas B, PP y C) son solubles en el agua y carece de vitaminas solubles en las grasas. 2.4 Análisis de mercado En este análisis de mercado se estudiará de forma general tanto a nivel internacional como nivel nacional, demostrando así si el vino es un producto de interés, dicha de otra manera, para comprobar si la implantación de esta Ingeniería Basica merece la pena. 2.4.1 Analisis del mercado internacional Según los datos recogidos por “The Obserbatory of Economic Complexity” (OEC), el mercado del vino está dominado tanto a nivel de exportaciones como en importaciones por países europeos, como se puede observar en las Figura 7 y Figura 8. Con respecto a las exportaciones, más de la mitad está gobernado por el continente europeo con un valor de 25,1 billones de dolares, los países que se encuentran en cabeza son Francia, Italia, España y Alemania tanto a nivel 33 33 Ingeniería Básica de una Planta de Producción de vino tinto joven y crianza a partir de uva tinta Tempranillo de volumen como de importe. Figura 7. Exportaciones internacionales de vino, año 2017. Datos: OEC [15] Y con respecto a las importaciones, los continentes que más importan son Europa con un valor de 17.2 billones de dorales y Asia con un 8.38 billones de dorales, aunque los países en cabeza son todos países europeos; Reino Unido, Alemania, Paises Bajos y Bélgica-Luxemburgo. Figura 8. Importaciones internacionales de vino, año 2017. Datos: OEC [15] Lo analizado hasta ahora, es teniendo en cuenta el valor económico de las transacciones, en cuanto al volumen de producción, excluyendo zumos y mostos, se recoge en la siguiente gráfica la evolución de producción de vino a nivel mundial. Se comprueba que es una producción bastante estable, con un valor medio de 270Mill. hL, teniendo en 2004 la mayor producción y en 2017 supone una cifra historicaménte baja. Figura 9. Evolución de producción mundial de vino desde 2001 al 2017 [16] Europa 71% Oceanía 10% Asia 5% América del norte 4% América del sur 9% África 1% Europa 49% Oceanía 2% Asia 23% América del Norte 23% América del sur 2% África 1% Introducción 34 34 2.4.2 Análisis de mercado nacional España es un país que tiene una gran superficie dedicada al cultivo de la vid, según fuentes de la Organización Internacional de la Viña y el Vino (OIV) en 2017 es de 967 mha, de dicho cultivo un gran porcentaje corresponde a uva para la vinificación. La superficie de viñedo en España viene reduciéndose paulatinamente desde hace años (ver Anexo 1), aún así este potencial vitícola otorga a España ser el primer país en cuanto a superficie de viñedos del mundo, sin embargo, debido a que sus rendimientos medios están por debajo de otros países, España ocupa el tercer lugar en cuanto a volumen de producción de vino, esto es consecuencia en buena medida a que el viñedo ha ocupado tradicionalmente terrenos escasamente fértiles y en zonas de clima árido o semidesérticos. En España, aún teniendo un rendimiento menor que Italia y Francia mencionado anteriormente, la situación geográfica, las diferencias climáticas y la amplia variedad de suelos, la hacen ser un país privilegiado para la producción de uvas y vinos de características muy diversas. Se cultiva en la totalidad de sus 17 comunidades autónomas y más de la mitad de la superficie vitícola se concentra en Castilla La Mancha, siendo así la comunidad autónoma más productora, en el Anexo 2 se detalla en una tabla la producción de vino de las diferentes CCAA, de la última campaña recogida en OIVE. Realizando un estudio más exhaustivo de los 10 últimos años recogidos en la OIV, se representa en la Figura 10. Figura 10. Evolución del vino en producción, exportación y consumo en España. Analizando dicha figura, se obtiene que la producción de vinos en España en los últimos 10 años ha sido muy errática, con máximos de 45 millones de hectolitros y mínimo de 31 millones. Pese a la mínima producción del año 2017, entre los primeros 5 años y los últimos 5 de la década, la subida de la producción media ha sido de casi 4,2 millones de hectolitros entre media de 34,7 millones en 2007-2012 y los 38,9 del periodo 2013-17. Por CC.AA., Castilla-La Mancha produce el 55% del total del vino español frente al 8% de catalanes y extremeños, el 6% de Valencia y el 8,5% que se produce entre La Rioja, País Vasco y Navarra [17]. El consumo interior ha ido cayendo históricamente, pero se ha estabilizado en los últimos 7 años. Por causa de dicho descenso han aumentado las exportaciones. En los últimos 10 años, las exportaciones españolas de vino han aumentado en más de 1.000 millones de euros, hasta los 2.847 millones de euros que, si les sumamos mostos, vinagres y vinos aromatizados, superan los 3.186 millones [17]. En este periodo, el aumento en volumen ha sido de 8 millones de hectolitros, después de haber alcanzado un pico de casi 25 millones en 2015. España se sitúa como el primer exportador mundial en volumen y como el tercer exportador en valor por detrás de Francia y de Italia. Pese a ser el país que más hectolitros de vino exporta, España no consigue posicionarse en el primer puesto en cuanto a exportación en valor ya que sus precios unitarios de exportación son los menores de los grandes países productores y exportadores. Esto se debe, en parte, a que España sea el primer exportador mundial de vino a granel, el cual tiene un precio unitario bajo. Las exportaciones mayoritarias de España son a países de la Unión Europea; Alemania, Francia y Reino Unido. 35 35 Ingeniería Básica de una Planta de Producción de vino tinto joven y crianza a partir de uva tinta Tempranillo Como conclusión, el vino en España ha superado grandes transformaciones, a pesar de la disminución del consumo interior y aún con pérdida de la superficie de viñedo, ha mantenido e incluso aumentado la producción. Gracias a este aumento ha impulsado la buena marcha del mercado y un desarrollo extraordinario de las exportaciones de todo tipo de vinos, en línea con la creciente globalización e internacionalización del sector a nivel mundial, llegando a convertirse en el mayor exportador del mundo. Este fuerte crecimiento exterior se ha logrado por la buena marcha de las marcas y los vinos con DOP y la salida de gran cantidad de litros de vinos a granel, particularmente a otros países productores que lo necesitan para su comercialización. Por todo esto, la implatación de la planta de vino es una opción muy atractiva en la actualidad y también en un futuro porque gracias a un informe de la Unión Europea predice que habrá un aumento considerable de las exportaciones debido a la demanda de terceros países poco productores, además de una estabilidad del consumo interno. Operaciones fundamentales y operaciones de acabado 36 36 3 OPERACIONES FUNDAMENTALES Y OPERACIONES DE ACABADO En este apartado se desarrolla los conceptos teóricos de las operaciones fundamentales de la elaboración del vino, que son las fermentaciones y la maceración, ambos procesos decidirán las características organoléptcas claves del producto final. Además, se añaden los conceptos de las operaciones de acabado, que en ellas engloban las siguientes operaciones: clarificación, filtración y estabilización tartárica. 3.1 Operaciones fundamentales 3.1.1 Fermentación alcohólica La operación más importante para la elaboración del vino es la fermentación alcohólica, es un proceso espontáneo y anaeróbico. En este proceso el papel principal lo tienen las levaduras, que son microorganismos encargados de decomponer el azúcar del mosto y convertirlos en alcohol y dioxido de carbono. El mecanismo químico de fermentación del azúcar es de gran complejidad, se dan multitud de reacciones sucesivas, pero fundamentalmente se podría resumir en la siguiente reacción: 𝐶6𝐻12𝑂6 →2 𝐶2𝐻5𝑂𝐻+2𝐶𝑂2 Reacción 1 A parte de etanol y dióxido de carbono se forman otros productos secundarios, pero en menor cantidad, como son, glicerina (aporta cuerpo y suavidad en el paladar), ácido succínico, acético y láctico y alcoholes superiores. Dicha reacción es exotérmica, por lo que se desprende calor, libera 0,14 kcal/gazúcar, por lo tanto, hay que tener un estricto control de la temperatura. Este control se realiza con camisas de refrigeración, aprovechando la circulación de agua fría, ya que vienen incorporadas en los depósitos. Además de tener un estricto control de la temperatura, también hay que tenerlo con la densidad. Por ello, durante todo el proceso de fermentación es necesario anotar valores de densidad y temperatura para comprobar que el proceso no ha sufrido ninguna parada. Sabiendo que la densidad del mosto aproximadamente es de 1100 g/L y la del vino es en torno a 995 g/L y que la temperatura en la fermentación en tintos es más elevada que en blancos, siendo para los tintos 22-28ºC, siendo la óptima la de 25ºC, y para blancos 12-18ºC. En la vinificación en tinto nunca se debe sobrepasar temperaturas de 32-33ºC durante el periodo fermentativo, ya que se corren varios riesgos [18]: ▪ Inactivación de las levaduras responsables de la tranformación de los azúcares en alcohol y CO2. ▪ Pérdida de alcohol por evaporación, con la consiguiente pérdida de grado de alcohólico y de compuestos volátiles esenciales para las característivas organolépticas del vino. ▪ La toxicidad del etanol acumulable en la vinificación aumenta. ▪ Iniciación de fermentaciones indeseadas tales como las lácticas y butíricas. Por otro lado, las temperaturas excesivamente bajas no son recomendables, porque se puede producir la parada de la fermentación. Dentro de la fermentación se pueden distinguir, aproximadamente, las siguientes fases [19]: - Fase de inducción. Fase que ocupa el primer día y parte del segundo. Apenas se produce una variación de densidad. Dicha fase puede pasar inadvertida en las últimas etapas de vendimia dado que la alta 37 37 Ingeniería Básica de una Planta de Producción de vino tinto joven y crianza a partir de uva tinta Tempranillo concentración de levaduras favorece el arranque casi espontáneo del proceso - Fermentación tumultuosa: Fase que ocupa del tercer al quinto día. Se produce rápida subida de temperatura y acusado descenso de la densidad hasta 1000-1015g/L - Fermentación lenta: A partir del quinto día en adelante. La temperatura desciende y la densidad baja hasta 990-985g/L. El subproducto principal de la fermentación es el dióxido de carbono, CO2 (estado gaseoso) debido a su estado provoca el burbujeo, la ebullición y el aroma característico de una cuba de mosto en fermentación. Esta ebullición hace elevar a la superficie la parte sólida de la uva, los hollejos y pepitas, formando una capa en la parte superior del depósito llamado “sombrero”, la formación del sombrero es debido a la diferencia de densidad del mosto y los componentes sólidos y es denominado así por la forma que adopta. Al formarse el sombrero, durante la fermentación se producen los remontados de forma simultáneamente, el remontado consite en extraer el líquido por la parte inferior e introducirlo por la superior, estas subidas del vino se realizan con ayuda de una bomba de remontados, de esta forma se romper el sombrero y así hay una mayor interación entre el sólido y el líquido, ya que, en el proceso de fermentación ocurre simultáneamente a la maceración. Hay remontados en diversas fases del proceso de elaboración y todas ellas tienen una finalidad, como son [20]: - En la primera fase busca fundamentalmente homogenizar el contenido en azúcar y la concentración de las levaduras, aumentando su contenido al facilitar su multiplicación. - En la segunda fase o remontados siguientes se busca la oxigenación de las levaduras e incrementar la maceración con el sombrero en busca de color, ya que a medida que aumenta el alcohol se disuelve más materia colorante. - Los últimos remontados buscan generalmente homogenizar materia colorante y contenido en alcohol. La finalidad de los remontados fundamental es la aireación del mosto, sobre todo al principio de la fermentación, para favorecer el crecimiento y la supervivencia de las levaduras, aumenta la intensidad de la maceración eliminando las bolsas de CO2 retenidas que dificultan dicha operación y disipar el calor desprendido durante el proceso. La duración de proceso de fermentación alcohólica está comprendida entre 8-10 días aproximadamente. En la última fase de la fermentación, en el caso de vinos tintos, cuando se alcanza unas densidades de 950-1000 g/L el sombrero empieza a reemblandecerse y comienza a caer al fondo con las lías, es cuando se da por terminado este proceso. 3.1.1.1 Levaduras Las levaduras son microorganismos que se encuentran en los hollejos de las uvas, existen multitud de especies, de las cuales el género más conocido para dicha elaboración es Saccharomyces. Durante el desarrollo de la fermentación se pueden diferenciar dos grupos de levaduras, las levaduras no- Saccharomyces que se caracterizan por un bajo poder fermentativo y sensibilidad al etanol y las Saccharomyces cerevisiae que se caracterizan justo, por lo contrario, mayor capacidad fermentativa y tolerancia al etanol. Las no – Saccharomyces son las encargadas de arrancar la fermentación, a este grupo pertencen principalmente a los géneros Kloeckera y Hanseniaspora, estas levaduras estan limitadas a los primeros dos o tres días de fermentación, cuando comienza a aumentar la concentracion de alcohol y la temperatura estas desaparecen, cediendo su lugar a las levaduras pertenecientes a la especie Saccharomyces cerevisiae, siendo ésta la única especie capaz de metabolizar el azúcar en presencia de elevados niveles de etanol presentes al final del proceso como se puede apreciar en la Figura 11. Operaciones fundamentales y operaciones de acabado 38 38 Figura 11. Evaluación de la población de levaduras a lo largo del proceso de fermentación [21] Las fases que experimenta el ciclo de crecimiento de las levaduras y su cinética de fermentación, pudiéndose dividir en 4 fases [22]: • Fase de latencia: No se produce crecimiento celular. Corresponde a la fase de adaptación al medio y a las condiciones de cultivo. • Fase de crecimiento exponencial: Crecimiento constante de la población celular. • Fase estacionaria: Inhibición del crecimiento por diversos factores, las levaduras no se multiplican, permaneciendo la población estacionaria y activa durante un cierto tiempo. • Fase de muerte: Decrecimiento ligero de la población de levaduras (puesto que mueren más de las que se dividen). Lo más importante de las levaduras, es la cantidad de alcohol que nos proporciona en la fermentación, que es 1% (v/v) por cada 16 o 17 g de azúcar [23]. 3.1.2 Fermentación maloláctica La fermentación maloláctica es un proceso propio del vino tinto, es poco usual en vinos blancos, consiste en la transformación del ácido málico en ácido láctico por medio de las bacterias lácticas que se encuentran en las uvas de forma natural y, por tanto, también se encuentra en el fermentado. Es una fermentación al igual que la alcohólica que se produce espontáneamente siempre y cuando las condiciones de temperatura sean las adecuadas entre 19 y 23ºC. Este segundo proceso de fermentación se lleva a cabo a lo largo de un tiempo de entre 10 y 15 días. La finalidad de esta fermentación es modificar las propiedades organolépticas del vino al disminuir la acidez, ya que supone una descacificación, y la astringencia y otras propiedades, además con ésta se evita que se produzcan más fermentaciones cuando el vino este embotellado, es decir, estabiliza microbiológimante el vino. La reacción que se produce en esta fermentación es la siguiente: Á𝑐𝑖𝑑𝑜 𝑚á𝑙𝑖𝑐𝑜 →Á𝑐𝑖𝑑𝑜 𝑙á𝑐𝑡𝑖𝑐𝑜+ 𝐶𝑂2 Reacción 2 En esta transformación no se desprende energía en forma de calor como ocurría en la fermentación alcohólica. Para este proceso hay que llevar un control diario de ácido málico mediante análisis químicos, en concreto una cromatografía. Cuando éste baja a 0.3 g/l se enfría y se aplica SO2 [24]. Esta fermentación, además de la bajada de acidez fija, supone la subida de acidez volátil en 0.1 g/l y la pérdida e intensidad colorante en los tintos de un 10 a un 25% [24]. 39 39 Ingeniería Básica de una Planta de Producción de vino tinto joven y crianza a partir de uva tinta Tempranillo Consecuencias de la fermentación maloláctica [24]: - Pérdida de acidez total, entre 105 y 5 g/l expresado en ácido tartárico. - Aumento de acidez volátil, entre 0.15 y 0.3 g/l expresado en ácido acético. - Consumo de restos de azúcares. - Diminución del color. - Aumento de la fracción volatil. - Mayor suavidad, armonía y madurez. 3.1.2.1 Bacterias Lácticas [25] El número de bacterias lácticas durante la fermentación alcohólica normalmente es muy bajo, como mucho 102 por mililitro, ya que la mayoría son inhibidas por el etanol y por el SO2 añadido al mosto para controlar la población bacteriana, especialmente las acéticas. Cuando la alcohólica termina y las levaduras mueren, algunas bacterias lácticas pueden prosperar y conseguir un cierto crecimiento, en ocasiones, hasta 107 por mililitro. Las bacterias lácticas que están presentes en los mostos y vinos son de los géneros Lactobacillus, Pediococcus, Leuconostoc, Weissella y, sobre todo, de Oenococcus. Oenococcus oeni es la principal especie de este género, las características de esta bacteria son, su hábitat es exclusivamente en el mosto y el vino, pueden crecer al pH del vino (entre 3 y 4), y toleran el etanol, un 10 % (v/v) y más. 3.1.3 Maceración La maceración es una operación basada en la extracción sólido-líquido, consiste en el intercambio de sustancias entre las partes sólidas de la uva y el mosto. Se extrae principalmente antocianos y taninos, pero además se liberan sustancias aromáticas, polisacáridos, minerales, etc. En la Figura 12 se muestran los componentes importantes extraidos de las diferentes partes de la uva, el objetivo de esta operación es extraer de la parte sólida del mosto los aromas, el color y los taninos, y transpasarlos al futuro vino. Hablando técnicamente, las sustancias que se desean extraer durante este proceso son los antocianos, sustancias colorantes que se encuentra en los hollejos de la uvas tintas, éstos son los responsables de aportar el color a los vinos tintos, son faciles de extraer en fase acuosa, alcazando su valor máximo al cabo de 6 o 8 días desde su inicio, también están los taninos que son sustancias orgánicas de sabor astringente, se encuentran en los hollejos y las pepitas, éstos también se encuentra en los raspones. Los taninos también son extraidos desde el inicio de la maceración, pero de forma más lenta y son los responsables del color, aroma, estructura y otras características. Y también son extraidos los polisacáridos, son azúcares del vino solubles en alcohol [26]. A modo de resumen se muestra en la Figura 12, en ella se muestran los componentes del grano de uva que se intenta extraer en la maceración. Operaciones fundamentales y operaciones de acabado 40 40 Figura 12. Componentes del grano de uva importantes al momento de la maceración Una vez estudiado la maceración y la fermentación, hay que decidir el método de vinificación y maceración que se llevará a cabo para la obtención del producto. Los métodos son los siguientes: - Maceración a temperatura controlada. En este caso, el proceso de fermentación alcohólica y maceración tiene lugar simultáneamente a una determinada temperatura, temperatura que será estipulada. De esta forma se obtienen vinos en cuanto al aroma, frescos, buena acidez, colores vivos, sabores frescos y afrutados. El equilibrio existe de antocianos y taninos es óptimo. Esta técnica de vinificación tiene como inconveniente principal que no permite la extracción de más de un 20% de sustancias colorantes, aunque da buenos resultados en variedades típicas del país. Necesita depósitos acondicionados para realizar este tipo de proceso. - Termovinificación. Consiste en calendar hasta 65-75 ºC la uva una vez estrujada y dejarla macerar en caliente un tiempo determinado, conforme sea mayor la temperatura, menos es el tiempo de maceración; aproximadamente a 70 ºC se macera entre 30 o 40 minutos. Aumentando los tiempos se incrementa la cantidad de taninos, se logra un mosto intensamente coloreado. A estas altas temperaturas, hay una destrucción total de hongos y enzimas presente en la vendimia [27]. Puede obtenerse hasta un 90% del potencial del color en agua, dependiendo de la temperatura y del tiempo. Es muy efectiva en vendimias con alto porcentaje de podredumbre. Estudiadas las dos opciones, la fermentación alcohólica y la maceración se llevarán a cabo a temperaturas controladas, con una previa maceración prefermentativa. Se descarta la opción de termovinificación por ser una técnica muy costosa al suponer un gran gasto energético, además no es objetivo la busquedad de extraer la máxima intensidad colorante de las uvas, lo que se persigue es un vino de calidad, el cual se pueda controlar durante todo el proceso de vinificación. En la elaboración del vino principal, la uva o la pasta permanecerá 9 días en los fermentadores, por lo que la extracción de color también será alta, acentuándose aun más en el tiempo de crianza. Las temperaturas requeridas serán de 25-28ºC, parámetro que se controlará mediante mecanismos que más adelante se estudiarán. Lo más importante es el control de las temperaturas durante los días que dure la fermentación, ya que al ser un proceso exotérmico desprende calor que debe de ser disipado, además de tener que evitar posibles paradas por exceso de calor para las levaduras. 41 41 Ingeniería Básica de una Planta de Producción de vino tinto joven y crianza a partir de uva tinta Tempranillo 3.2 Operaciones de acabado En este subapartado además de describir dichas operaciones necesarias para acondicionar el vino para que sea apto para el consumo, también se citarán las alternativas que se pueden procesar en cada operación y también se eligirá la opción más correcta para la planta. 3.2.1 Clarificación La carificación es una operación que se realiza una vez finalizado todo el proceso fermentativo. Una vez finalizado dicho proceso los vinos se muestran turbios por tener en suspension diversas materias naturales como levaduras muertas, bacterias, etc. y es neceseario realizar una clarificación para conseguir un vino limpio, brillante y estable. Hay dos formas de realizar esta operación, de forma natural o provocada. - Clarificación natural. Consiste en la precipitación lenta y progresiva de las partículas en suspensión en el vino, estas partículas son gruesas y más pesadas caen al fondo del recipiente y serán eliminadas al realizar el trasiego. Esta forma de clarificar se logra mejor cuanto menor capacidad y altura tenga el recipiente. - Clarificación provocada. Consiste en añadir al vino unas sustancias clarificantes que son capaces de flocular y sedimentar arrastrando las partículas dispersas y suspendidas al fondo del depósito de forma más rapida que la anterior. Las sustancias empleadas para realizar esta operación son las gelatinas, el gel de sílice y las bentonitas. La opción mas conveniente para obtener un vino limpio en menor tiempo es la clarificación provocada, ya que con la natural puede que pase mucho tiempo y las partículas en suspención de menor tamaño no decanten y el vino siga estando turbio y esto retrasaría la comercialización del producto. Eligiendo la gelatina como sustancia clarificante, al ser una de las más usadas en vinificación en tinto, añadiendo de 10 a 15 g/hl [24]. 3.2.2 Filtración Para un aseguramiento de que el vino queda completamente limpio y libre de posibles materias en suspensión que no hayan floculado y hayan caido al fondo del depósito tras la clarificación se realiza una filtración, además hay otras dos filtraciones en el proceso, después de la estabilización tartárica y, por último, filtración esterilizante o amicróbica esta filtración se realiza antes del embotellado para que en la botella no haya ningún microorganismo y no haya problemas futuros. Los tipos de filtros que existen son, de tierra, placas y membranas, que se explican a continuación [20]: - Filtro de tierras. Estos filtros se forman depositando sobre un soporte una capa de tierras filtrantes, más usadas diatomeas o perlita, donde se quedan retenidas las impuerezas del vino. Las tierras de diatomeas tienen su origen en algas microscópicas en estado fósil que son calcinadas y limpiadas en caliente. Las perlitas es un silicato natural, inerte y está exento de materias organicas, además, puede expandirse ocupando de 10 a 20 veces su volumen incial, por lo que aumenta mucho su superficie y su capacidad de filtración. Los coloides, sustancias gelatinosas, proteínas, etc, son retenidas por absorción en este tipo de filtros sin llegar a colmatarse fácilmente. - Filtro de placas. Las placas filtrantes están constituidas por fibras de celulosa. Cuanto más finas sean éstas, tanto menores será los poros de la placa filtrante correspondiente, aumentado así su capacidad de retención de partículas de pequeño diametro. El efecto de filtración se debe más a los fenómenos de absorción de las fibras que al tamizado a través de las mismas. Las clarificaciones previas a la filtración son necasarias para que después se pueda conseguir una buena filtrabilidad en los aparatos de placas. De otro modo se colmatarían rápidamente. Memoria Descriptiva 48 48 mecanismos para llevar a cabo remontados automáticamente con ayuda de una bomba centrífuga y así aumentar la maceración y evitando de esta forma la oxidación del sombrero. Su fondo tiene forma cónica para que sirva de ayuda a la extracción del vino generado y también lleva un sistema de extracción de orujo tipo tornillo sin fin o una hélice. Lleva un conjunto de rejillas en la parte inferior para facilitar el sangrado y que quede retenidos ahí los orujos. Estos depósitos son de acero inoxidable, la selección de este material respecto al resto se debe a sus grandes ventajas entre las que destacan, fácil limpieza y desinfección, gran capacidad de intercambio térmico, aguanta rangos amplios de presiones, presenta un mantenimiento a bajo coste y, además, es un material inerte, no aporta al mosto sabores ni aromas, como se puede observar en la siguiente figura. Figura 17. Comparativa de materiales para depósitos Nota importante, en los depósitos se dejará un 20% de su capacidad sin cubrir, ya que cuando fermenta la pasta aumentará su volumen y es necesario disponer de espacio para que no rebose. Además de estos dépositos mencionados, es necesario también unos depósitos auxiliares para realizar el remontado con vaciado total, esta operación se realiza con el fin de oxigenar el mosto con el objetivo de airear la masa propiciando un mayor desarrollo de las levaduras. 4.4 Descube y prensado de orujos. Fermentación maloláctica Acabada la fermentación alcohólica, al pasar los días necesarios hasta conseguir unas densidades de 950-1005 g/L, se procede a realizar el descube, operación que consiste en separar la parte líquida, el vino, de la parte sólida, los orujos. Se extrae el líquido mediante el sangrado del depósito o se escurre por gravedad durante aproximadamente 24h, éste es denominado vino de yema, es el vino con mayor calidad. Es trasegado a otro depósito, normalmente se airea y no se sulfita para poder realizar correctamente la segunda fermentación ya que sino ésta se vería retrasada. El orujo, es la parte sólida del mosto que no tiene aprovechamiento para la elaboración del vino, como son los hollejos, las pepitas y las levaduras muertas, éste es sacado del depósito con ayuda de unas paletas y es traspasado a la prensa para aprovechar al máximo el vino que queda impremnado en él y desperdiciar lo menos posible. El vino de la primera prensada, aplicandole poca presión entre 0,2-3 bares, se podría considerer aún de gran calidad como el vino yema, por ello ambos se juntan, pero el vino de prensadas superiores es de menor calidad y éste será denominado vino prensa, que se venderá a granel a alcoholerías, donde gracias a la destilación adquieren un mayor valor. El prensado dura aproximadamente una hora, se realiza con una prensa horizontal neumática, ya que son las más adecuadas en función del precio, rendimiendo y calidad. El orujo prensado, es un residuo que es extraido de la planta mediante una cinta transportadora hacia los contenedores. De cada 100 kg de racimo se obtienen 72-75 litros de vino después de la fermentación alcohólica, de este vino se obtiene el vino yema en torno a 80-85% y el vino prensa 15-20%. El vino prensa posee más azúcares, más 49 49 Ingeniería Básica de una Planta de Producción de vino tinto joven y crianza a partir de uva tinta Tempranillo acidez volátil, mayor contenido en nitrógeno y es más rico en antocianos y taninos que el de yema. El vino prensa conviene separar dos prensadas, la primera obtiene el 10% del vino y la segundo el 5% restante [20]. Trasegados el vino yema junto con el vino de primera prensada a depósitos destinados para realizar espontáneamente la fermentación maloláctica a una temperatura comprendida entre 19 y 23 ºC, con el fin de modificar las propiedades organolépticas del vino al disminuir la acidez. Los depósitos para realizar esta fermentación son isotermos de acero inoxidable, sin la necesidad de que lleven camisas periféricas ya que en esta fermentación no hay desprendimiento de calor. Tras terminar la fermentación maloláctica, se realiza un trasiego que consiste en separar el vino limpio de las lías acumuladas en el fondo de los depósitos. Las lías no es más que los restos de parte sólida, las levaduras y bacterias muertas, residuos, etc. El vino limpio es traspasado a otros depósitos con ayuda de bombas y mangueras. 4.5 Acondicionamiento Tras terminar el proceso de fermentación, es decir, al acabar la fermentación alcohólica y la fermentación maloláctica, las levaduras y las bacterias lácticas mueren, liberando al medio en el que se encuentran los componentes del interior celular; la mayor parte caen al fondo del depósito, constituyendo las lías, pero algunos componentes son tan pequeños y ligeros que se quedan en suspensión, haciendo un vino turbio e inestable, por ello para poder ser consumido y comercializado tiene que pasar por unos procesos de acodicionamiento para ser apto. Estos componentes que son tan pequeños, prodrían llegar a causar problemas olfativos o gustativos como amargor o astringencia, por ello para que el vino este estable y limpio es necesario una clarificación. Esta es la primera operación de acondicionado, la clarificación. La clarificación consiste en dejar en reposo el vino en un depósito junto con un clarificante así provocar la floculación de dichos componentes que se encuentran en suspensión, para así obtener un vino limpio, transparente y estable, se utiliza para ello la gelatina como clarificante, con una dosis de 10 a 15 g/hl. El tiempo de esta estapa es de una semana. Al trascurrir dicho tiempo, el vino pasa por la primera filtración, con dicha filtración elimina las párticulas de suspensión formadas en flóculos gracias a la clarificación, llevando el vino desde los depósitos de clarificación al intercambiador de placas encargado de realizar la siguiente operación. Posterior a la primera filtración, da comienzo a la segunda operación de acondicionamiento, la estabilización tartárica mediante frío. Para ello el vino se enfría con ayuda de un intercambiador de placas, dicho equipo lleva el producto a la temperatura de estabilización, conociendo el grado de alcohol del vino y mediante la Ecuación 3.1 es conocida dicha temperatura, siendo esta de -5.5ºC, a esta temperatura el vino no llega a la congelación. Esta operación se realiza en depósitos isotermos con un aislamiento térmico con lana de roca de 30 mm de espesor, en ellos se introducen una siembra de cristales de bitartrato potásico molido de un tamaño de 50 micras, con una dosis recomendada de 30 a 40 g/hl provocando dichos cristales una precipitación en un tiempo aproximadamente de 6 días. Seguidamente se realiza la segunda filtración para eliminar los cristales formados en dicha operación. Una vez acabado los procesos de acondicionamiento, el vino determinado vino tinto joven ya estaría listo para pasar por el proceso de embotellado y ser comercializado, en cambio el vino tinto crianza será enviado a las barricas de almacenamiento, en dichas barricas se mantiene el vino el tiempo necesario hasta que se produce su expedición y posterior su venta. Aunque es super importante, antes de introducirlo por el proceso de embotellado el vino pasa por una última filtración con el objetivo de eliminar los microorganismos (mohos, levaduras y bacterias) para prevenir enfermedades de origen microbiano que procoquen alteraciones en botella, esta filtración es denominada filtración amicróbica. Consiste en hacer pasar el vino a través de una membrana porosa donde, por efecto del tamizado, quedan retenidos los microorganismos de mayor tamaño que los poros de la membrana. El diámetro de los poros oscila entre los 0,45-1,20 µm, valor que cumple con el límite inferior de 0,2 µm permitido por el reglamento. Es muy importante que el vino a filtrar por dicha filtración llegue a la membrana lo más limpio posible, por este motive, el vino se ha sometido previamente a dos filtraciones ya mencionadas. Memoria Descriptiva 50 50 4.6 Almacenamiento y conservación de vinos Una vez realizadas las operaciones de acabado mencionadas anteriormente, el vino ya esta listo para ser embotellado y posteriormente comercializado. De esta forma se obtendría un vino joven, pero para obtener un vino de más calidad, como son los de crianza, reserva o gran reserva, el vino tiene que estar un tiempo en conservación, en la Tabla 5 se recoge, de forma general, el período de tiempo que necesita los distintos vinos. Tabla 5. Período de tiempo de conservación de los diferentes vinos Tipo de vino Período de tiempo (mes) Joven - Crianza 24 Reserva 36 Gran reserva 60 Con ayuda bibliográfica, estudios experimentan cual es el material más favorable para la conservación de vinos de variedad tempranillo, siendo el material de estudio acero inoxidable, hormigón y madera. Los resultados del estudio concluyen que los vinos conservados en barricas (madera) tienen un mayor contenido en antocianos, taninos, polifenoles totales y grado de polimerización de los taninos, así como una mayor estabilización de la materia colorante y una mayor astringencia con relación a los conservados en acero inoxidable, situándose los de hormigón en una posición intermedia. En cuanto a los compuestos aromáticos, con el tiempo de conservación provoca la pérdida de algunos ésteres importantes, dicha pérdida es inferior en depósitos de acero inoxidable. La crianza de los vinos en barrica de roble da lugar a la aparición de los aromas terciarios, incrementando significativamente la intensidad y calidad aromática de los vinos, y este hecho junto con el mejor comportamiento cuantitativo y cualitativo de los polifenoles de los vinos conservados en barrica, es el motivo por el cual estos vinos son mejor valorados organolépticamente [32]. Como conclusión se podría decir que realizar la crianza o conservación en barrica es el método más recomendable para incrementar la calidad del vino de Tempranillo, tanto desde el punto de vista polifenólico, como aromático y organoléptico. 4.7 Embotellado Tanto si el embotellado es directo como si es tras el envejecimiento, el vino se lleva a la línea de embotellado, previamente se ha realizado una microfiltración como se comento en el apartado de filtración. El embotellado consiste, como su propio nombre indica, en llenar las botellas de un volumen preciso de vino, dejando espacio para el tapón, una vez taponadas las botellas se le realizan un vacio, para evitar que quede oxígeno dentro de la botella para prevenir posibles desarrollos de los microorganimos aerobios y una posible evolución incontrolada en la botella. A modo de resumen, en la línea de embotellado se realizan las siguientes operaciones: - Enjugado de botellas - Embotellado - Taponado y capsulado Se emplerán botellas tipo borgoña de 75 cl. Este tipo de botella es la que se encuentra en segunda posición de la Figura 18, este diseño de botella es el más antiguo que se conoce, da nombre a la ciudad de procedencia Borgoña y es cilíndrica con los hombros poco marcados y cuello alargado. 51 51 Ingeniería Básica de una Planta de Producción de vino tinto joven y crianza a partir de uva tinta Tempranillo Figura 18. Tipos de botella para vinos Las botellas que se usarán serán nuevas y de un solo uso, por lo que se dispondrá de máquinas enjuagadoras para retirar las impurezas que pudieran contener. Tras el enjuagado, es el turno de de las máquinas llenadoras de botellas o embotelladoras. El vino ha de llegar a la embotelladora totalmente estabilizado biológca y fisicoquímicamente, esto se asegura con la filtración amicróbica. Además, los niveles de SO2 libre deberán oscilar los 25-35 mg/l. Las embotelladoras introducen el vino en el interior de la botella alcanzando el nivel deseado en función de la capacidad nominal de dicha botella y su temperatura. Se emplea una llenadora isobarométrica de gravedad, funcionan a presión atmosférica, estando el depósito de líquido situado por encima de las boquillas de llenado, donde el liquido baja hacia las botellas por gravedad y con una velocidad dependiente de la altura de llenado del depósito. Inmediatamente después del llenado, se procede al taponado de las botellas. Se persigue cerrar herméticamente las botellas para conservar las condiciones de estabilidad en el producto terminado. Se emplea para ello, tapones de corcho natural entero por cuestiones de imagen para el consumidor que busca un producto de calidad. Las máquinas de taponadoras constan de una tolva y dispositivo de distribución de tapones, un mecanismo de posicionamiento de las botellas y unos cabezales de taponado donde se introducen los tapones comprimidos en el cuello de las botellas. Tras el taponado, se realiza el sobretaponado de las botellas o capsulado. La cápsula sirve de elemento de garantía del vino embotellado, completa la decoración y asefura la limpieza del tapón de corcho y del cuello de la botella. La máquina de sobretaponado consta de un dispositivo de acumulación de cápsulas y colocación de éstas en las botellas y un dispositivo de alisado sobre el cuello de las botellas. Se utilizarán cápsulas monopieza de estaño y aluminio. Para las operaciones de enjuagado, llenado y taponado se empleará un equipo tribloc, permite sincronizar las etapas de la línea de embotellado, facilita el trabajo y ahorra más espacio, dinero y energía que si se utilizaran los tres equipos por separado. Una vez embotelladas, las botellas de vino se introducen en cajas y se apilan en pallets para su comercialización. Memoria de cálculo 52 52 5 MEMORIA DE CÁLCULO En este apartado se realizará los cálculos correspondientes al balance de materia y energía de cada uno de los equipos, además de su diseño, incluyendo el cálculo de algún tiempo de operación necesario. 5.1 Bases de diseño La producción de vino depende exclusivamente de la materia prima que es la uva. La uva es un producto temporal, es decir, que se obtiene durante un período del año en concreto, entorno a los meses de septiembre y octubre. Por esta razón, el vino es producido por campañas, la campaña dura entorno a tres meses y las jornadas de trabajo durante ella son 12 horas al día, de los siete días de la semana, repartidos en turnos de 6 horas cada día, lo que hace un total de dos turnos al día. Por ello, la planta opera 1.116 horas al año. Durante la campaña, en el periodo de vendimia siendo éste de 20 días, llega un suministro de uva recien recolectadas, ya que ésta no puede ser almacenada porque perderían parte de su esencia hasta llegar a descomponerse y no ser aptas para la elaboración. La recepción de uva es a primera hora de la mañana. El viñedo de la planta está comprendido de 20 ha, para saber los kilogramos de uva que proporciona dicha parcela es necesario conocer el rendimiento por hectárea de dicha zona, dicho dato es cogido del Consejo Regulador de La Rioja, en el ultimo año es de 7.475 kg/ha, por ello, una estimación aproximada de la capacidad de la bodega según estos datos es de 149.500 kg de uva, redondeando a 150.000 kg uva al año. La recepción diaria de cada día es regular por ello, como la vendimia dura 20 días y teniendo un total de 150.000 kg de uvas, al día entran a la planta 7.500 kg de uva. Uno de los puntos claves de la planta son los tiempos de residencia de la uva o el mosto, en los diferentes equipos, de ellos dependerán su dimensionamiento, concepto que se estudiará en un subapartado 5.4. En la Figura 19 se muestra el diagrama de flujo del proceso detallado las corrientes del proceso. En este capítulo se realizarán los balances de materia y energía de todos los procesos, así como el diseño de los equipos que componen la instalación experimental. Ingeniería Básica de una Planta de Producción de vino tinto joven y crianza a partir de uva tinta Tempranillo 53 Figura 19. Diagrama de flujo del proceso Ingeniería Básica de una Planta de Producción de vino tinto joven y crianza a partir de uva tinta Tempranillo 55 La nomenclatura empleada en la Figura 19 se muestra en la siguiente tabla. Tabla 6. Descripción de los equipos existentes en el diagrama de flujo Etiqueta Equipo Cantidad H-101 Tolva de recepción 1 S-101 Tornillo sin fin 1 DE-101 Despalilladora-Estrujadora 1 CB-101 Cinta transportadora de raspones 1 P-101 Bomba de vendimia 1 DS-101 Dosificador de SO2 1 E-101 Intercambiador de calor de mosto 1 R-101 A/B Fermentador alcohólico 10 P-102 A/B Bomba de remontado 5 PM-101 Prensa neumátoca de orujos 1 CB-102 Cinta transportadora de orujos 1 TK-101 A/B Fermentador maloláctico 11 P-103 / P-104 / P-105 Bomba centrífuga 1/1/1 TC-101 A/B Tanque de clarificación 5 F-101 Filtro de placas 1 E-102 Intercambiador de calor de vino 1 TE-101 A/B Depósito isotermo-estabilización 4 F-102 Filtro abrillantador 1 B-101 A/B Barrica de roble 301 Embotelladora Embotelladora 1 A continuación, una vez descritas las bases de diseño y el diagrama de proceso, se van a realizar los balances de materia y los balances de energía correspondientes a los equipos de dicha planta, además de su diseño. Primero se analiza la planta de forma global por ello, en el siguiente apartado se comienza con un balance de materia global con el fin de determinar la producción anual, seguidamente se realizará el balance de materia por etapas, analizando corriente por corriente y posteriormente se realizarán el balance de energía de los equipos en los que intervienen calor. Memoria de cálculo 56 56 5.2 Balance global de materia En este apartado se calculará de forma global el balance de materia de toda la planta, se realizará a nivel de cantidades totales por campaña. 5.2.1 Especificaciones del balance de materia Para realizar el balance de materia de la planta es necesario conocer los rendimientos de las operaciones que se han asumido de datos bibliográficos. Los datos proporcionados son datos experimentales de una bodega de Córdoba llamanda “La Aurora”, con ellos se podrá calcular la producción de vino de la planta. - En el despalillado-estrujado se elimina el raspón que corresponde a un 6% del total de la uva recibida. - En la fermentación alcohólica hay una pérdida del 7% por formación de dióxido de carbono. El CO2 debe de ser expulsado al exterior, esto ocurre mientras se hace el remontado. - En el sangrado se obtiene vino de yema, que se separa de los orujos fermentados o también denominada pasta fermentada que forman el 21%. El orujo es posteriormente prensado obteniendo vino de primera prensada, vino de segunda prensa y orujos agotados, las proporciones de estos respectivamente son 10%, 5% y 85%. - En la fermentación malolática también se obtiene dióxido de carbono, que supone un 0,06% de la materia introducida en dicha fermentación. Y también se producen un 3% de lías que hay que eliminar. - Al vino se le somente unas operaciones de acondicionamiento que son clarificación, filtración y estabilización por frío en dichos procesos se eliminan las lías y sales (cristales de tartrato) que supone un 1,5% del vino después de la fermentación maloláctica. - En el proceso de crianza se producen unas mermas que puede considerarse como el 0,8% por año en la bodega en condiciones ideales de humedad y temperatura. En el periodo en que el vino se encuentra en la barrica bordelesa, se puede calcular una pérdida de vino por imbibición por parte de la madera del 1%. En total temenos una pérdida para los vinos de crianza del 1,8%. 5.2.2 Balance de materia de la planta En este apartado se trabajará con la totalidad de la materia prima que dispone la planta, es decir, con los 150.000 kg de uva, aunque hay que decir que toda la cantidad es procesada durante toda la campaña de forma regular, pero para conocer la producción de la planta se hará de esta manera. En la siguiente tabla se muestra el balance global expresado en kilogramos, de forma muy resumida. Tabla 7. Balance global de la planta durante la campaña Cantidad (kg) Uva 150.000 Entrada: 150.000 Raspón 9.000 Orujos agotados 25.169 Fango, lías y pérdidas 5.551 CO2 (Procedente FA y FM) 9870 + 63 Salida: 150.000 Vino prensa Productos finales - Vino tinto joven - Vinto tinto crianza 1481 49.882 48.984 57 57 Ingeniería Básica de una Planta de Producción de vino tinto joven y crianza a partir de uva tinta Tempranillo A continuación, en la Figura 20 se muestra el balance de materia de toda la planta teniendo en cuenta los datos proporcionados por la bodega remarcados en el apartado anterior, expresado cada corriente con la unidad necesaria para su mejor entendimiento. Figura 20. Balance de materia Memoria de cálculo 64 64 5.3.4 Balance de materia de la zona de acondicionamiento del vino El acondicionamiento del vino se trata como ya se ha dicho anteriormente de tres operaciones y tras ellas ya estaría destinado para la comercialización si se trata de tinto joven o para envejecimiento si se trata de tinto crianza. Tanto en la clarificación, primera operación de acondicionamiento, como en la filtración, no hay implicación de calor por ello, la temperatura se matiene constante. En cambio en la estabilización tartárica es mediante frío, es decir, antes de introducirlo en depósitos isotérminos donde se realiza dicha operación, es adecuado con ayuda de un intercambiador de calor a la temperatura de -5,5ºC, por ello, el vino experimenta un salto térmico de 26,5ºC. Figura 25. Zona de acondicionamiento del vino Tabla 12. Balance de materia de la zona de acondicionamiento del vino 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 Vino tinto (kg) 5.064 5.064 - 10.042 10.042 10.042 10.042 - 9.977 9.977 9.977 CO2 3 - - - - - - - - - - Gelatina (g) - - 1.260 - - - - - - - - Bitartrato potásico (g) - - - - - - - 4.218 - - - Heces (kg) 157 - - 86 86 - - - 65 65 - Presión (bar) 1,013 1,013 1,013 1,013 1,013 1,013 1,013 1,013 1,013 1,013 1,013 Temperatura (K) 294 294 298 294 294 294 267,5 298 275 275 280 65 65 Ingeniería Básica de una Planta de Producción de vino tinto joven y crianza a partir de uva tinta Tempranillo Aclaraciones: - En esta zona donde se esta realizando el balance de materia del acondicionamiento del vino, solo se encuentra el vino ya formado de las fermentaciones con algunos compuestos a eliminar siendo el conjunto de éstos denominados heces o también lías, y estos compuestos son eliminados en la operación de clarificación, filtración y estabilización tartárica siendo estas las operaciones de acondicionamiento del vino. - La clarificacición y la estabilización, ya explicadas en apartados anteriormente, se realizan con el almacenamiento de vino obtenido de dos fermentaciones consecutivas, con el hecho de ahorra espacio en la planta al tener así menos depósitos para realizar dichas operaciones, se refleja la Figura 56 del anexo 7. - El tiempo de estas operaciones son los siguientes, clarificación tiene una duración de una semana, la estabilización tartárica transcurre en seis días y las demás operaciones tales como la primera filtración, el enfriamiento previo a la estabilización y la segunda filtración, están regidas con el tiempo de vaciado de los depósitos de ambas operaciones, siendo dichos tiempos de vaciado iguales, de 2,4 horas. 5.3.5 Zona de almacenamiento y embotellado La zona de almacenamiento y embotellado, la último zona del proceso, en ella no hay una gran variación de temperatura, la pequeña variación que se produce es a causa de los trasiegos del vino. Lo único importante de esta zona, en concreto en el envejecimiento del tinto crianza es que debe de estar en una habitación clamatizada a una temperatura de 12-15ºC. Figura 26. Zona de almacenamiento y embotellado Tabla 13. Balance de materia de la zona de almacenamiento y embotellado 29 30 31 32 33 34 35 36 Vino tinto (kg) 9.977 4.988 4.988 4.898 - - 4.988 4.898 SO2 (g) - - - - 124 246 246 246 Vino tinto crianza (kg) - - - 4.898 - - - 4.898 Vino tinto joven (kg) - 4.988 - - - - 4.988 - Presión (bar) 1,013 1,013 1,013 1,013 1,013 1,013 1,013 1,013 Temperatura (K) 280 285 285 285 298 298 285 285 Memoria de cálculo 66 66 5.4 Secuencias de etapas del proceso Una vez resuelto el balance de materia de forma global, conociendo así la producción de la planta y los balances de materia por lote de cada etapa se va a realizar la definición de los tiempos de operación de los diferentes procesos que componen la planta. A partir de esta información se pondrán definir caudales en los distintos equipos para poder diseñar los equipos correctamente. En primer lugar, hay que tener en cuenta las bases de diseño, es decir, la planta trabajará 12 horas por día, y que en ellas se procesarán un lote de material, siendo éste de 7.500 kg de uva de variedad tempranillo. Para abordar esto se debe calcular los tiempos que trabajarán los equipos, aunque algunos de estos tiempos son recogidos de bibliografía, de la misma que proporcionó las especificaciones de los balances de materia (Bodega “La Aurora”), tales como, el tiempo de recepcionamiento, los tiempos de operación de las fermentaciones y los tiempos de las operaciones de acondicionamiento, el resto están calculados y dichos cálculos realizados se encuentran en el apartado de diseño de los equipos. Para plasmar el diagrama cronológico de la planta hay que tener en cuenta uno de los puntos claves de la planta, que son los tiempos de residencia de la uva o el mosto, en los diferentes equipos, de ellos dependerán su dimensionamiento. - El tiempo de las operaciones para convertir la uva en mosto refrigerado es de 6 h. - El tiempo de residencia del mosto en el fermentador es en total de 9 días, los dos primeros días efectua la maceración prefermentativa y posterior la fermentación alcohólica. En los fermentadores se tendrá un control estricto de la temperatura y de la densidad. - El tiempo del ciclo de prensado costa de varios parámetros temporales, como son el tiempo de llenado, durante el cual el mosto escurre una importante cantidad de vino de primera prensa, el tiempo de trabajo de prensado y el tiempo invertido en el vaciado y limpieza, siendo el sumatorio de todos ellos de un total de 3,7 horas. - El tiempo de residencia del vino yema junto con el vino de primera prensa en los depósitos isotérmicos encargados de realizar la fermentación maloláctica es de 10 días. - El tiempo del vino en los depósitos para acondicionarlo, primero para clarificarlo sería de 7 días y para estabilizarlo tartáricamente 6 días. - También hay que tener en cuenta, el tiempo de vaciado de los depósitos y el tiempo de limpiado de los mismos. El tiempo de vaciado será calculado mediante el teorema de Torrecelli y el tiempo de limpiado será impuesto con bibliográfica. En la siguiente tabla se recoge los valores calculados de los tiempos de vaciado de los depósitos de las diferentes operaciones. Tabla 14. Tiempos de vaciados de los distintos depósitos Tiempo de vaciado (h) Fermentador alcohólico 1,35 Fermentador maloláctico 1,14 Depósito de clarificación 2,4 Depósito de estabilización tartárica 2,4 Ingeniería Básica de una Planta de Producción de vino tinto joven y crianza a partir de uva tinta Tempranillo 67 Para que quede mejor reflejado los tiempos de funcionamiento a continuación se muestra un diagrama de Gantt, teniendo en cuenta que la planta opera en discontinuo, de manera que hay que acoplar temporalmente las etapas según las horas de trabajo al día de la planta. Hay que tener en cuenta que al día solo entra un lote de uva de 7.500 kg, pero en dicho diagrama se pondrá apreciar el trabajo en paralelo que se realiza en la planta. A continuación, se aprecia el diagrama de cuatro lotes que entran en cuatro días consecutivos, sabiendo que los demás lotes restantes hasta llegar a 20 operarían igual. Veinte es el número de lotes que entran a la bodega por campaña. Figura 27. Diagrama de Gantt con las secuencias de actividades que operan cuatro lotes de uva La planta está diseñada para producir como producto principal vino tinto joven y vino tinto crianza ambos en proporciones iguales, es decir, a partir de 150.000 kg de uva tinta transformarlo al 50% en ambos vinos, aunque durante el proceso también es producido el vino prensa que éste será vendido a granel a un menor precio al tener menor calidad que los mencionados. Dicha planta estará diseñada para producir en toda la campaña tantos litros como viene reflajado en la Tabla 8. Ingeniería Básica de una Planta de Producción de vino tinto joven y crianza a partir de uva tinta Tempranillo 69 5.5 Balance de energía El balance de energía de esta planta se basa en los intercambiadores de enfriamiento del mosto para realizar la maceración prefermentativa a una temperatura de 14ºC y de la estabilización tartárica y el encamisado de los fermentadores que realizan el control estricto de temperatura, debido a que en los fermentadores ocurre una reacción exotérmica. 5.5.1 Intercambiadores de calor Los dos intercambiadores de calor que hay en la planta, tanto el intercambiador encargado de enfriar el mosto y el encargado de realizar la estabilización tartárica, son de carcasa y tubo y, por tanto, se pueden resolver el balance de energía por medio de las mismas ecuaciones que se muestran a continuación. 𝑄=𝑚𝑐·𝐶𝑝𝑐·(𝑇𝑒𝑐−𝑇𝑠𝑐) Ecuación 5.1 𝑄=𝑚𝑓·𝐶𝑝𝑓·(𝑇𝑠𝑓−𝑇𝑒𝑓) Ecuación 5.2 Donde: • 𝑄 es el calor intercambiado entre el fluido frio y el fluido caliente (kW). • 𝑚 es el caudal másico alimentado al intercambiador (kg/s). • 𝐶𝑝 es el calor específico del fluido (kJ/kg·K). • 𝑇𝑒𝑐 y 𝑇𝑠𝑐 son las temperaturas de entrada y salida del fluido caliente, respectivamente (ºC). • 𝑇𝑒𝑓 y 𝑇𝑠𝑓 son las temperaturas de entrada y salida del fluido frío, respectivamente (ºC). La diferencia de ambos intercambiadores es el refrigerante a utilizar, para la refrigeración del mosto se utiliza agua y para la estabilización tartárica agua glicolada debido a las bajas temperaturas que se necesitan, es una mezcla de agua y glicol etilénico utilizada en este caso para evitar que se forme hielo en el intercambiador, ya que tiene un punto de congelación menor. Por tanto, como resultado del balance de energía, el intercambiador de refrigeración del mosto se obtiene: Tabla 15. Resolución balance de energía E-101 Caudal másico (kg/min) Condición de entrada Te (ºC) Condición de salida Ts (ºC) Q (kW) Agua refrigerante 22,1 10 18,5 13,12 Mosto 19,6 25 14 La resolución de dicho balance se ha conseguido con las ecuaciones descritas y conociendo la condición de entrada y salida del mosto ya que estas vienen impuestas por el proceso, la condición de entrada de agua e imponiendo la temperatura de salida de agua siendo ésta de 18.5ºC, tal y como viene reflejado en la Figura 28. Memoria de cálculo 70 70 Figura 28. Intercambiador de calor E-101 De igual forma para el intercambiador previo a la estabilización tartárica, sabiendo que el refrigerante cambiaría a agua glicolada se obtiene la Tabla 16 y la Figura 29 que se muestran a continuación. Tabla 16. Resolución balance de energía E-102 Caudal másico (kg/min) Condición de entrada Te (ºC) Condición de salida Ts (ºC) Q (kW) Refrigerante glicerol 90,36 -10 15 124,1 Vino 70,32 21 -5.5 Figura 29. Intercambiador de calor E-102 5.5.2 Fermentador alcohólico En este subapartado se estudiará la operación del fermentador alcohólico, es decir, se estudiará la evolución de temperatura y densidad, que son los parámetros fundamentales de dicho proceso, estos datos también son proporcionados por la bodega mencionada en el balance de materia, ya que solo se podrían obtener con la experiencia y además se realizará el balance de energía. 71 71 Ingeniería Básica de una Planta de Producción de vino tinto joven y crianza a partir de uva tinta Tempranillo 5.5.2.1 Control de temperatura y densidad De forma introductoria a este subapartado, se explicará de forma breve el balance de materia ya reflejado en el apartado anterior y después se explicará el control de temperatura y densidad con datos experimentales. En el fermentador se introduce la uva una vez despalillada, estrujada y sulfitada a una temperatura determinada, con un rango estipulado entre 14-20 ºC. No se añaden sustancias auxiliares, como son las levaduras comerciales ya que en esta bodega se operará con las levaduras autóctonas de la propia uva. Por lo tanto, la única entrada que tiene el fermentador es el mosto y la salida que se producen son, el CO2 formado que es expulsado a la atmósfera, los orujos fermentados y el producto que es el vino, tal y como se muestra en la siguiente figura. Figura 30. Corrientes de entrada y salida del fermentador alcohólico En este equipo es de vital importancia un control estricto de la temperatura y densidad para definir el procedimiento de la elaboración del vino, a continuación, en la siguiente tabla se encuentran los datos experimentales de una fermentación de la bodega mencionada anteriormente, donde transcurre los 7 días necesarios para finalizar la fermentación alcohólica, en dicho experimento se realizan dos medidas al día, una por la mañana (M) y otra por la tarde (T). Dejando a un lado los dos días previos a la fermentación, donde se produciría la maceración prefermentativa a una temperatura constante de 14 ºC, donde el mosto se mantiene en reposo sin realizar ninguna operación. Memoria de cálculo 72 72 Tabla 17. Transcurso de la fermentación alcohólica Días Temperatura (ºC) Densidad (kg/l) Tiempo de volteo (min) 1 2 - M 2 - T 3 - M 3 - T 4 - M 4 - T 5 - M 5 - T 6 - M 6 - T 7 - M 16,5 19,0 20,9 21,5 22,4 21,7 24,1 26,6 27,7 25,2 27,3 21,7 1100 1097 1095 1093 1086 1075 1063 1040 1030 1015 1010 1005 - 10 10 10 10 V. T. 60 V. T. 30 30 10 10 Durante los 7 días de fermentación a medida que va cambiando la densidad, se efectua una operación ya mecionada, el remontado para favorecer la extracción de las sustancias de los hollejos y sobre todo para propiciar su difusión por toda la masa de líquido, para evitar la oxidación del sombrero formado, homogenizar toda la masa y de esta forma también airear la masa propiciando un desarrollo mayor de las levaduras, es decir, una mayor actividad fermentativa. Estos remontados se realizan con ayuda de una bomba centrífuga, se extrae el vino por la parte inferior del fermentador y se vuelve a introducir por la parte superior. La duración de dichos remontados se encuentra en la última columna de la Tabla 17. Además, las iniciales V.T significa vaciado total, donde se extrae todo el líquido a un depósito auxiliar para después volverlo a introducir al fermentador, con el vaciado total se consigue oxigenar el mosto. En la Figura 31 se muestra una gráfica de la evolución de la temperatura y la densidad, donde se puede observar que a medida que transcurre los días la densidad va disminuyendo hasta que se mantine constante en un valor de 1005 kg/L, lo que indica el fin de la fermentación, Sobre la temperatura, sabiendo que es un factor fundamental para la vida de las levaduras, se observa que conforme va transcurriendo la fermentación ésta va aumentando debido a que las levaduras están realizando su correcto trabajo de convertir los azúcares en etanol, ya que la cantidad de azúcar que pueden transformar las levaduras o el grado alcohólico que pueden alcanzar depende de la temperatura. Y al igual que ocurre con el parámetro de la densidad cuando la fermentación finaliza la temperauta sufre un gran salto de temperatura. 73 73 Ingeniería Básica de una Planta de Producción de vino tinto joven y crianza a partir de uva tinta Tempranillo Figura 31. Evolución de la temperatura y densidad en el fermentador 5.5.2.2 Balance de energía El balance de energía del fermentador se realiza con bibliográfia y además se va a suponerque la temperatura permanece constante, siendo esta la temperatura óptima de los vinos tintos, con un valor de 25ºC. Primero hay que tener en cuenta que la refrigeración de los depósitos se realiza absorbiendo el calor producido por la fermentación de los azúcares, mediante la circulación de agua fría por camisas de refrigeración, este calor descrito se calcula con la Ecuación 5.3. 𝑄𝑓=𝑉𝑚 𝐴 𝑐𝑓 𝑇 Ecuación 5.3 Donde: • 𝑄𝑓 calor absorbido por la camisa de refrigeración, en kcal/h. • 𝑉𝑚es el volumen del mosto encubado en el fermentador, en litros. • 𝑐𝑓 es el calor de fermentación, siendo este de 140 kcal/kgazúcar. • 𝑇 duración de la fermentación, en horas. • 𝐴 concentración media de azúcares, medida en kgazucar/l. Para determinar la riqueza de azúcares, es decir el parámetro 𝐴, se utiliza el grado de Baumé (ºBé), coincide de manera aproximada con la gradución alcohólica probable del mosto. La riqueza probable en alcohol de un mosto se calcula en función del rendimiento de las levaduras de fermentación, que oscila entre 16 y 17 grados por litro de azúcares por cada grado alcohólico formado. Según la normativa europea, se utiliza el valor de 16,83 gramos por litro de azúcar por cada grado de alcohol [33]. Por tanto, la concentración media de azúcares sería de 218,79 gazucar/l. Obteniendo todos los parámetros, se puede obtener: 𝑸𝒇 (kcal/h) 1179,8 Memoria de cálculo 80 80 𝑆= 𝜆· 𝜋·𝐷2 4 Ecuación 5.17 Siendo: • S es el área de relleno del transportador en m2. • D es el diámetro del canalón del transportador en m. • 𝜆 es el coeficiente de relleno de la sección. El coeficiente de relleno (λ) deberá ser menor que la unidad con objeto de evitar que se produzca amontonamiento del material que dificultaría su correcto flujo a lo largo del canalón. En la siguiente tabla se indican los valores del coeficiente de relleno en función del tipo de carga que transporta el tornillo: Tabla 25. Coeficiente de relleno en función del tipo de carga Tipo de carga Coeficiente de relleno, 𝝀 Pesada y abrasiva 0.125 Pesada y poco abrasiva 0.25 Ligera y poco abrasiva 0.32 Ligera y no abrasiva 0.4 La velocidad de desplazamiento (𝑣) del transportador es la velocidad con la que desplaza el material en la dirección longitudinal del eje del tornillo. Depende tanto del paso del tornillo como de su velocidad de giro. La expresión que permite conocer la velocidad de desplazamiento en un transportador de tornillo es la siguiente: 𝑣= 𝑝·𝑛 60 Ecuación 5.18 Siendo: • 𝑣 es la velocidad de desplazamiento del transportador en m/s. • 𝑝 es el paso del tornillo o paso de hélice en m. • 𝑛 es la velocidad de giro del eje del tornillo, en r.p.m. A su vez, la capacidad de transporte depende de varios parámetros de diseño, como se puede reflejar en la Ecuación 5.19. 𝑄=3600·𝑆·𝑣·𝜌·𝑖 Ecuación 5.19 Donde: • 𝑄 es el flujo de material transportado, en t/h. • 𝑆 es el área de relleno del transportado, en m2. • 𝑣 es la velocidad de desplazamiento del transportador, en m/s. • 𝜌 es la densidad del material transportado, en t/m3. • 𝑖 es el coeficiente de disminución del flujo de material debido a la inclinación del transportador. En la Tabla 26 se muestran los valores de dicho coeficiente que indica la reducción de capacidad de transporte debida a la inclinación. 81 81 Ingeniería Básica de una Planta de Producción de vino tinto joven y crianza a partir de uva tinta Tempranillo Tabla 26. Valores del coeficiente de disminución del flujo Inclinación del canalón 0º 5º 10º 15º 20º 𝒊 1 0,9 0,8 0,7 0,6 Por ultimo, el cálculo de la potencia de accionamiento (P) del tornillo sin fin se compone de la suma de tres componentes principales, según se refleja en la siguiente ecuación: 𝑃=𝑃𝑁+𝑃𝐻+𝑃𝑖 Ecuación 5.20 Donde: • PN es la potencia necasaria para el accionamiento del tornillo en vacío. • PH es la potencia necasaria para el desplazamiento horizontal del material. • Pi es la potencia necasaria para el caso de un tornillo sin fin inclinado. A continuación, se conocen las diferentes potencias que componen la potencia de accionamiento (P). La potencia necesaria para el accionamiento del tornillo en vacío se puede calcular con bastante aproximación mediante la siguiente expresión: 𝑃𝑁=𝐷·𝐿 20 Ecuación 5.21 Donde: • D es el diámetro de la sección del canalón de la carcasa del transportador, en m. • L es la longitude del transportador, en m. Normalmente, el valor nominal de esta potencia es muy pequeña en comparación con la potencia necesaria para el desplazamiento del material (PH), descrita a continuación. La potencia necesaria para realizar el desplazamiento horizontal del material se calcula: 𝑃𝐻=𝑐𝑜𝑄·𝐿 367 Ecuación 5.22 Donde: • Q es el flujo de material transportado, en t/h. • co es el coeficiente de resistencia del material transportado. Para conocer el valor de este coeficiente, se emplea la Tabla 27 obtenida empíricamente a partir de ensayos con materiales de distinta naturaleza. Tabla 27. Valores del coeficiente de resistencia Tipo de material Valos de co Harina, serrín, productos granulosos 1,2 Turba, sosa, polvo de carbón 1,6 Antracita, carbón, sal de roca 2,5 Yeso, arcilla seca, tierra fina, cemento, cal, arena 4 Memoria de cálculo 82 82 Y, por último, la potencia necasaria para el caso de un tornillo sin fin inclinado. Como su propio nombre indica, este componente se aplica en el caso que se use un transportador inclinado, donde exista una diferencia de cota (H) entre la posición de la boca de entrada del material y la boca de salida o de descarga. Dicha potencia viene expresada con la siguiente ecuación. 𝑃𝑖=𝑄·𝐻 367 Ecuación 5.23 Donde: • H es la altura de la instación, en m. Por tanto, calculando la velocidad de desplazamiento (Ecuación 5.18), conociendo la capacidad de transporte e imponiendo el resto de parámetros de la Ecuación 5.19 se halla de esta misma ecuación el área de relleno y a su vez al calcular el área de relleno con la Ecuación 5.17 se determina el diámetro del canalón del transportador. Imponiendo el resto de características geométricas (L y H), se pondrá calculary el resto de parámetros necesariso para definer el diseño del tornillo De este modo se obtiene: Tabla 28. Características del tornillo sin fin D (mm) L(m) H(m) S (cm2) v (m/s) Q (t/h) PN (W) PH (W) Pi (W) P (W) 77,1 4 1 11,66 0,417 1,25 15,42 54,50 3,41 73,33 5.6.1.3 Despalilladora-estrujadora La cantidad de uva a procesar por la despalilladora-estrujadora en esta planta será como máximo de 7.500 kg de uva al día, sabiendo el tiempo de operación de los equipos de recepción al díaes de 6 horas, se obtendría el caudal máximo, que sería de 1.250 kg/h, para conocer las necesidades de esta maquinaria se incrementa un 10% por motivos de serguridad. Tabla 29. Cantidad de uva a procesar aplicando el coeficiente de seguridad Cantidad de uva a procesar (kg/h) Despalilladora 1.375 Estrujadora 1.663,75 Modelo Delta E2 de Bucher Vaslin. Este modelo de despalilladora-estrujadora, la uva es tratada con cuidado ya que es tratada de forma progresiva y sin choque gracia a la velocidad idónea del despalillado, la higiene de esta máquina se realiza con enjuagues que se efectuan por tubos rotativos colocados en la parte superior del tambor, tiene multitud de características positivas. Hablando técnicamente y de características, la despalilladora está formada por hoyos con diámetros que varían entre 22-25 mm. Estos orificios tiene los bordes redondeados para conservar la integridad de los granos de uva y así evitar la liberación de sustancias herbáceas. La estrujadora está articula a un eje vertical, la distancia de los rodillos es adjustable, están fabricados con un material polémero de alta resistencia. Todas las características técnicas necesarias se recogen en el Anexo 4 [35]. 83 83 Ingeniería Básica de una Planta de Producción de vino tinto joven y crianza a partir de uva tinta Tempranillo 5.6.1.4 Cintas transportadoras Para el diseño de la cinta encargada de expulsar los raspones fuera de la planta, se utiliza las siguientes ecuaciones que se muestran a continuación. Dicha cinta tiene que transportar los raspones fuera de la planta, sabiendo que los raspones lo forman el 6% de la uva total recibida. Por tanto, de los 7500 kg de uva por lote, se obtiene 450 kg de raspones, que con 6h de operación se obtiene un caudal de 75 kg/h. 𝑄=𝑄𝑚·𝑣·𝐾 Ecuación 5.24 𝑄=𝑚 𝜌𝐵 Ecuación 5.25 Donde: • Q es el caudal volumétrico en m3/h. • Qm es un factor a definir y a partir del cual se obtienen datos estandarizados en una tabla en (m3/h)/(m/s). • v es la velocidad nominal de la cinta, se calcula por medio de la iteración, en un primer momento se supone de 1 m/s. • K es una constante que depende del ángulo de inclinación de la cinta (𝛿). Se obtiene según la Figura 41 del Anexo 3 que relaciona el ángulo de inclinación de la cinta obtenido segundo la Ecuación 5.26 y dicha constante. 𝛿=𝑎𝑟𝑐𝑡𝑔(ℎ𝑙) Ecuación 5.26 Siendo h la altura que tiene que superar la cinta y l la distancia que recorre, ambas en m. • m es el caudal másico expresado en t/h. • 𝜌B es la densidad aparente del material empleado en t/m3. Para comprobar que el valor de v supuesto se deberá acudir a la Figura 42 del Anexo 3 que relaciona el factor Qm con v (para velocidades de 1 m/s). Se escoge así el tipo de cinta a implantar y se calcula nuevamente dicha velocidad con el Qm de diseño. Para calcular la potencia de la cinta se acude a la Ecuación 5.27. 𝑊=(𝑊1+𝑊2+𝑊3+𝑊4)·(1+𝛽)·(1+𝐾1) Ecuación 5.27 Donde: • W1 es la potencia neta en CV necesaria para el movimiento de la banda en vacío horizontal para cada 30 m/min de velocidad, por tanto, como se tiene una velocidad distinta, el valor W1 que habrá que utilizar en la fórmula del cálculo de la potencia es el siguiente. 𝑊1=𝑊1,𝑡𝑢𝑏𝑢𝑙𝑎𝑑𝑜·(𝑣 0,5) Ecuación 5.28 Dicho valor de W1 tabulado se obtiene de la Figura 43 del Anexo 3 que relaciona el ancho de banda en mm con la distancia entre centros de tambores o poleas extremas en m. • W2 es la potencia neta en CV necesaria para el transporte horizontal de la carga. Este valor depende el caudal de alimentación en t/h y de la distancia entre centros de tambores o poleas extremas en m y se representa en la Figura 44 del Anexo 3. Memoria de cálculo 84 84 • W3 es la potencia en CV necesaria para la elevación del material. Este valor se calcula con la Figura 45 del Anexo 3 y depende del caudal másico de alimentación en t/h y de la elevación en m. • W4 es la potencia en CV a añadir por cada tripper de descarga. Se obtiene mediante la Figura 46 del Anexo 3 y relaciona el ancho de banda en mm y la potencia en CV. • 𝛽 es el factor de tensión en las poleas finales y del tensor, cuyo valor depende del tipo de accionamiento, del tipo de tensor y de los cojinetes finales usados. Se calcula usando la Figura 47 del Anexo 3. • K1 es un coeficiente cuyo valor depende del arco de contacto en grados y del tipo de tensor, ya sea de tornillo o de contrapeso. Se obtiene mediante la Figura 48 del Anexo 3. Teniendo como dato la distancia entre centros de tambores de menos de 15 metros y además se selecciona para la cinta un accionamiento simple, con poleas desnudas, tensor vertical automático y cojinetes finales de bola dichos datos para el factor de tensión y para el último parámetro, es decir, coeficiente K1, teniendo como dato un arco de contacto de 210º. La cinta queda definida de la siguiente manera: Tabla 30. Carácterísticas de la cinta transportadora para raspones Q (m3/h) L(m) H(m) Qm (m3/h)/(m/s) Tipo Ancho de banda (mm) v (m/s) 4,49 5 1,5 12 Banda planta 300 0,440 La cinta se ha seleccionado de banda plana porque además de cumplir con los requisites necesarios resulta más económica. Tabla 31. Potencia de la cinta transportadora para raspones W1 (CV) W2 (CV) W3 (CV) W4 (CV) 𝛽 K1 W (CV) W (kW) 0,264 0,1 0,05 0,4 0,110 0,4 1,265 0,93 A continuación, se muestra el diseño de la cinta transportadora para los orujos, que aunque no se encuentra en el grupo de equipos de recepción, se calcula de la misma forma. Para el diseño se necesita el caudal volumétrico a transportar, del balance de materia se obtiene la masa de orujo, pero no se conoce el tiempo de evacuación de orujos, este tiempo condiciona el ciclo de prensado, es importante dimensionar correctamente el rendimiento de extracción de los mismos, pues de alargarse este tiempo, aumentaría en consecuencia el ciclo de prensado, distorsionando gravemente el programa de prensado [14]. En consecuencia, el cálculo del sistema de evacución de orujos prensados se realiza de la siguiente forma: 𝑄𝑒𝑣=𝐷 𝑇𝑣·𝑅 100 Ecuación 5.29 Donde: • 𝑄𝑒𝑣 es el caudal de evacuación de orujos, en kg/h. • 𝐷 es la cantidad de vendimia encubada, bajo la hipótesis de utilizar una prensa para recibir la vendimia descubada de un depósito, en kg/depósito. • 𝑇𝑣 es la duración de la fase de vaciado de una prensa, en horas. 𝑇𝑣=0,5 h. • 𝑅 es el porcentaje de orujo, es decir, rendimiento de orujo entre vendimia despalillada, en %. 85 85 Ingeniería Básica de una Planta de Producción de vino tinto joven y crianza a partir de uva tinta Tempranillo Tabla 32. Carácterísticas de la cinta transportadora para orujos Q (m3/h) L(m) H(m) Qm (m3/h)/(m/s) Tipo Ancho de banda (mm) v (m/s) 8,027 6 2 12 Banda planta 300 0,787 Tabla 33. Potencia de la cinta transportadora para orujos W1 (CV) W2 (CV) W3 (CV) W4 (CV) 𝛽 K1 W (CV) W (kW) 0,472 0,1 0,05 0,4 0,110 0,4 1,588 1,167 5.6.1.5 Dosificador de SO2 Para calcular la cantidad de sulfito necesario para añadir al mosto antes de introducirlo al fermentador, teniendo en cuenta que dicho mosto proviene de uvas de una vendimia sana, una madurez y una acidez adecuada, ya que las uvas han pasado por un control para que cumplan dichos requisitos, por ello, a dicho mosto la cantidad necesaria sería de 5 g/hl de mosto, cogido dicho valor de la Tabla 1. Posteriormente, durante el periodo de almacenamiento y la fase de embotellado también se le añade una dosis recomendada como viene estipulada en Tabla 2 y Tabla 3. Teniendo las cantidades de mosto a fermentar, de vino a almacenar y embotellar del balance de materia, se podrá obtener la cantidad total de sulfito necesario por campaña como viene reflejado en la siguiente tabla. Tabla 34. Cantidad total de SO2 en la campaña Dosis de SO2 Cantidad de sulfito (g/campaña) Prefermentativa 5 g/hl 6.410 Almacenamiento 20 – 30 mg/l 1.241 Fase embotellado 20 – 30 mg/l 2.459 Total 10.109 A modo resumen, en toda la campaña se utiliza un máximo de 10,109 kg de SO2 por campaña. Hasta ahora se ha calculado la cantidad de sulfito para toda la campaña, pero como se dijo en apartados anteriores, la instalación de sulfitado viene con una serie de elementos y estos tienen que ser diseñados para suministrar las cantidades necesarias en cada punto de la planta. La instalación de sulfito está implentada de la siguiente forma, del depósito donde se almacena toda la cantidad de sulfito necesario para abastacer en todos los puntos de la planta, es decir, en la planta además de tener el depósito principal se necesita tres sulfitómetros, ya que son tres puntos en la planta donde se necesita la solución acuosa de sulfito. La instalación además tiene una bomba dosificadora y varios inyectores. Memoria de cálculo 86 86 La instalación se compra por catálogo, pero es necesario determinar la capacidad del depósito principal, de los tres sulfitómetros y el caudal de la bomba dosificadora, para elegir una buena instalación, y dichos parámetros se calculan a continuación teniendo en cuenta: - Caudal de la bomba de vendimia: 1.175 kg/h. - Densidad de la vendimia: 1,1 kg/l. - Dosis máxima de sulfito: 5 g/hl. - Riqueza de la solución de gas sulfito en agua: 50 g/l. - Cantidad total máxima de SO2: 10,109 kg/campaña. Los resultados se encuentra recogidos en la Tabla 35. Tabla 35. Parámetros de diseño para la instalación de sulfitado Parámetro de diseño Valor Depósitos principal Volumen (l) 202,2 Sulfitómetro prefermentativo Volumen (l) 128,2 Sulfitómetro almacenamiento Volumen (l) 24,8 Sulfitómetro embotellado Volumen (l) 49,2 Bomba dosificadora Caudal (l/h) 1,6 Obteniendo los resultados y acordes a ellos, se adquiere un dosificador de agua sulfitada modelo “Sulfitómetro automático MPB 25/250 l/h” de la casa commercial Maquinaria para Bodegas, S.L. (MPB). Se consigue una homogenización total del SO2, ya que la adición es controlada sobre las canalizaciones por donde circula la vendimia. Cuenta con un conjunto compuesto por una bomba dosificadora volumétrica, construida totalmente en acero inoxidable, calidad molibdeno titanio. Incluye doble menbrana, rendimiendo regulable en marcha, filtro de protección de impurezas posibles contenidas en la solución, cuadalímetro que permite el control del rendimiendo real de inyección, absorbiendo las pérdidas de carga acosacionas por la altura monométrica y la presion en el interior de la tubería de vendimia, depósito para la preparación de la solución sulfurosa y otro para la distribución por toda la planta [36]. 5.6.2 Fermentadores alcohólicos La fermentación se realiza en depósitos autovaciantes de acero inoxidable con camisas periféricas, para el cálculo del número de dépositos y volumen se debe tener en cuenta unas pautas: - En cuanto al volumen de los dépositos de fermentación hay que tener en cuenta al aumento del volumen debido a la formación del CO2, hay que mantener un 20% de espacio libre. - La fermentación alcohólica tiene una duración de 7 días. Añadiendo 2 días más para la maceración prefermentativa. - Se requiere de un tiempo para el encubado, es decir, el llenado del depósito y para el vaciado. Y también tiempo de limpieza. Con ayuda de estas pautas se puede estimar el volumen ocupado por le mosto en la Tabla 36, el volumen unitario de los depósitos de fermentación es muy importante tenerlo en cuenta, pues tiene una importante influencia en el proceso de elaboración de los vinos tintos, especialmente en los aspectos relativos a los fenómenos de maceración, por lo que es conveniente que éstos sean del volumen lo mas pequeño posible, armonizando como 87 87 Ingeniería Básica de una Planta de Producción de vino tinto joven y crianza a partir de uva tinta Tempranillo es lógico, por una parte la operacividad de la bodega y otra la inversión económica a realizar. Tabla 36. Estimación del volumen unitario de los depósitos Cantidad de uva diaria (kg) Uva despalillada (kg) Mosto (L) Volumen a considerar (+20%) (L) 7.500 7.050 6.471 7.762 El volumen ocupado por el mosto redondeado será de 8.000 L, por lo tanto, el fermentador tendrá un volumen total de 8.000 L. Y con respecto a la cantidad de fermentadores, se conoce la duración que se encuentra el mosto en los depósitos que es un total de 9 días (2 días macerando y 7 días fermentando), pero se desconoce el tiempo de vaciado de éste, para ello se aplica el Teorema de Torriceli. Por tanto, a partir de ese teorema se puede calcular el caudal de salida de un líquido por un orificio. “La velocidad de un líquido en una vasija abierta, por un orificio, es la que tendría un cuerpo cualquiera, cayendo libremente en el vacío desde el nivel del líquido hasta el centro de gravedad del orificio”. Este teorema o principio es una aplicación del principio de Bernoulli en los puntos (1) y (2) siendo estos puntos la superficie libre del líquido y el orificio de salida, respectivamente. ℎ1+𝑣12 2𝑔+𝑃1 𝜌𝑔=ℎ2+𝑣22 2𝑔+𝑃2 𝜌𝑔 Ecuación 5.30 Siendo: • ℎ1 y ℎ2 siendo las alturas en la superficie libre del líquido y en el orificio de salida del depósito, respectivamente, medidas en metros. Siendo el dos el punto de referencia, por lo tanto, ℎ2≈0. • 𝑣1 es la velocidad del fluido en la superficie libre, suponiendo ésta despreciable comparada con la velocidad del fluido en el punto de salida, 𝑣2. Ambas medidas en m/s. • 𝑃1 y 𝑃2 son las presiones en la superficie libre del fluido y en el orificio de salida del depósito, respectivamente, medida en Pa. Siendo estas presiones iguales ya que ambos puntos se encuentran en contacto con el aire. • 𝑔 es la gravedad, por lo tanto, tiene el valor de 9.8 m/s2. • 𝜌 es la densidad del fluido, siendo este el mosto. 𝜌=1,1 kg/l. Dicha ecuación especificada con las suposiciones impuestas quedaría: ℎ1=𝑣22 2𝑔 Ecuación 5.31 Despejando a la velocidad. 𝑣=√2𝑔ℎ Ecuación 5.32 Teniendo en cuenta también, que la variación del volumen del depósito respecto al tiempo es igual a menos la velocidad por el área del orificio por donde sale el mosto o vino, siendo negativo debido a que el volumen del mosto va dismunuyendo conforme se va vaciando. Cambiando la variación del volumen por la altura por área, quedaría de tal forma: Memoria de cálculo 88 88 𝐴 𝑑ℎ 𝑑𝑡 =−𝑣𝑎 Ecuación 5.33 La última ecuación, es una derivada que estudia como va cambiando la altura conforme se va desocupando el depósito con respecto el tiempo. Siendo A el área del depósito y a el área del orificio de salida del depósito, ambas medidas en m2. Introduciendo la Ecuación 5.32 en la Ecuación 5.33, queda: 𝐴 𝑑ℎ 𝑑𝑡 =−𝑎√2𝑔ℎ Ecuación 5.34 Integrando la Ecuación 5.34 e imponiendo los límites tales como, en t1 en el instante inicial (t1=0s) donde el tanque se encuentra lleno con una h1 y en t2 es el tiempo final en el que el depósito se encuentra vacio, por ello, h2=0 m. Resolviendo la integral e imponiendo los límites que son cero queda tal expresión. 𝑡=𝐴 𝑎√2ℎ 𝑔 Ecuación 5.35 El t es el tiempo total en vaciar el fermentador, este tiempo depende exclusivamente del área del depósito, el área del orificio de salida y la altura que alcanza el mosto cuando el tanque se encuentra lleno. A modo resumen, se está calculando el tiempo de vaciado para conocer el número de fermentadores necesarios en la planta, ya que cada día de la vendimia se llena un fermentador, es decir, que al día 9 de llenarlo ya estaría listo para ser vaciado y ser llenado de nuevo, por ello, se necesita conocer tanto el tiempo de vaciado como el tiempo de limpiado, siendo este último buscado en bibliografía, para ver si esos tiempos son de gran magnitud. Para el calcular el tiempo de vaciado de los fermentadores se necesita las dimensiones de éste, es decir, su diseño. Para diseñar los depósitos de fermentación con la capacidad descrita (8000 L), al tratarse de un proceso discontinuo, el tamaño del tanque sólo depende de la capacidad, no hace falta ecuaciones de diseño referentes a la cinética y transferencia de materia. Por lo tanto, el tamaño del tanque podrá ser calculado sólo con referencias geométricas. El tanque es de forma cilindro-cónica, formado por un cono en su parte inferior que sirve de ayuda para vaciarlo, un cilindro y una cabeza semielipsoidal. Por lo tanto, las diferentes partes del depósito tiene los siguientes volúmenes que se muestran en las siguientes ecuaciones. 𝑉𝑐𝑜𝑛𝑜=𝜋·𝑟2·ℎ1 3 Ecuación 5.36 𝑉𝑐𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑜=𝜋·𝑟2·ℎ2 Ecuación 5.37 𝑉𝑐𝑎𝑏𝑒𝑧𝑎=2·𝜋·𝑟2·ℎ3 3 Ecuación 5.38 Donde 𝑟 es el radio (m) y las diferentes h son las alturas señaladas en la Figura 35 (m). 89 89 Ingeniería Básica de una Planta de Producción de vino tinto joven y crianza a partir de uva tinta Tempranillo Figura 35. Dimensiones del fermentador Además, se deben de cumplir las siguientes relaciones para un correcto diseño [33]: - El cono debe de tener un ángulo de 75º, para así tener el tanque lo más próximo al suelo. Por tanto, de esta imposición se deduce que: 𝑟 ℎ1=𝑡𝑔 (37.5) Ecuación 5.39 - La relación altura/diámetro debe ser 1, este valor es necesario para que la altura del sombrero de orujo formado sea lo más baja posible, con el fin de optimizar al máximo los fenómenos de extracción que se produce durante las operaciones de remontado. ℎ2 2·𝑟=1 Ecuación 5.40 - El volumen del mosto lo contiene el cilindro y el cono: 𝑉𝑐𝑜𝑛𝑜+𝑉𝑐𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑜= 𝑉𝑚𝑜𝑠𝑡𝑜 Ecuación 5.41 Por tanto, el volumen de la cabeza semielipsoidal (𝑉𝑐𝑎𝑏𝑒𝑧𝑎) ocupa la diferencia del volumen total del tanque con el volumen del mosto. Con todas las ecuaciones de volumenes expuestas y las relaciones de diseño, se consigue el diseño del tanque, que no es más que calcular los parámetros de altura (H), sumatorio de todas las alturas calculadas y diámetro (D), los resultados se encuentran en la Tabla 37. Memoria de cálculo 96 96 Y para terminar con esta operación se necesita calcular la cantidad necesaria de siembra de bitartrato de potasio para cada depósito y la cantidad total necesaria para la toda la campaña ambos resultados se recogen en la Tabla 45. Tabla 45. Cantidad necesaria de bitartratos de potasio en estabilización Estabilizante Dosis (g/hl) Cantidad de bitartratos por depósito (g) Cantidad total de bitartratos por campaña (kg) Bitartrato potásico 35 4.218 16,9 5.6.5.3 Filtración El sistema de filtrado a instalar será de placas de celulosa dado los motivos explicados anteriormente, este sistema será usado tras la operación de clarificación y la estabilización tartárica. Conociendo el volumen que tiene que procesar la filtradora, dicho dato proporcionado por el balance de materia, siendo este de 10.100 litros y sabiendo que el tiempo de filtrado debe ser de seis horas aproximadamente, se puede conocer el caudal con el que trabaja dicha filtradora así poder selecionar de catálogo cual sería la idónea para la planta. Estudiando dicho parámetro se ha seleccionado el modelo “filtro de placas 40x40 FIL-H 2000 l/h” con 20 elementos filtrantes de la casa comercial de Magusa. El filtro está fabricado enteramente en acero inoxidable AISI 304, vienen montados sobre un chasis que hace de apoyo de la bomba y con ruedas para su fácil manejo, ya que dicho filtro hay que transportarlo para realizar la filtración tras las dos operaciones mencionadas. La bomba monofásica incorporada a la instalación tiene una potencia de 220V. Todas las carácterístias técnicas se encuentran recogidas en el anexo 9. En todo el proceso se realizan tres filtración, dos de ellas se realizan mediante la filtración por placas con el equipo mencionado pero la última filtración que tiene como objetivo dejar el vino completamente transparente y brillante para su posterior embotellado, se realiza por filtración por membranas mediante un equipo de microfiltración de filtración tangencial donde se retienen los microorganismos y partículas más pequeñas, con un tamaño de 10 micras. El filtro encargado para realizar esta filtración se ha seleccionado de la casa commercial Bucher Vaslin el filtro tangencial “Flavy FX3 ICS 12-20 hl/h” este consta de una superficie de filtración de 36 m2. Dicha elección ha sido porque la técnica de estos filtros permite garantizar una calidad de vino óptima y constante, caudales de filtración estables y un bajo índice de colmatado [38]. 5.6.6 Barricas de almacenamiento El vino destinado a crianza una vez acabado las operaciones de acabado o acondicionamiento se introducen en barricas de madera, en concreto en barricas de roble de una capacidad máxima de 330 litros, en la que permanecerá el tiempo estipulado en la Tabla 5, siendo el de crianza de 24 meses. Para el cáculo del número de barricas se realiza en función de la siguiente ecuación. 𝑏=𝑉 𝑡 𝑣 Ecuación 5.51 Donde: • 𝑏 es el número de barricas, uds. • 𝑉 es el volumen de vino a envejecer, en litros. • 𝑣 es la capacidad unitaria de las barricas, siendo este de 330 l/barricas. 97 97 Ingeniería Básica de una Planta de Producción de vino tinto joven y crianza a partir de uva tinta Tempranillo • 𝑡 es el tiempo de crianza, en años. Sabiendo que la planta va a producir vino joven y vino de crianza en igualdad de proporciones, es decir de la totalidad de materia prima que entra a la planta el 50% es destinado a vino joven y el otro 50% es para vino de crianza. Por ello, el total de vino a envejecer es de 49.634 litros y por consecuencia, el número de barricas es de 301 unidades. Las barricas se almacenarán apiladas en diferentes alturas, para ello se utiliza durmientes para el apilado de barricas, la necesidad de éstos se calcula fácilmente dividiendo el número de barricas, entre las barricas que soporta un durmiente, tal y como se refleja en la Ecuación 5.52, generalmente suele ser de dos barricas por durmiente. 𝑁° 𝑑𝑒 𝑑𝑢𝑟𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒𝑠= 𝑏 𝑛° 𝑑𝑒 𝑏𝑎𝑟𝑟𝑖𝑐𝑎𝑠 𝑝𝑜𝑟 𝑑𝑢𝑟𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 Ecuación 5.52 Por tanto, la cantidad de durmientes es 151 unidades. El dimensiondo del conjunto de barrica y durmiente será tal y como se muestra en la siguiente figura. Figura 37. Dimensiones para el apilado de barricas con durmientes [14] 5.6.7 Equipos de intercambio de energía mecánica y calor En este subapartado se estudiará el diseño tanto de las bombas necesarias en la planta como el diseño de los dos intercambiadores de calor. 5.6.7.1 Bombas En la planta cuenta con varias bombas encargadas de la impulsion del mosto o vino, exceptuando la bomba de vendimia que es una bomba helicoidal las demás son centrífugas. La bomba de vendimia será elegida de catálogo. Las bombas centrífugas son equipos que vienen definidos por cinco parámetros fundamentales. Estos son: el caudal a impulsar, la altura que son capaces de dar, la potencia consumida, el rendimiento y el NPSH. A continuación, se va a explicar como se obtiene cada uno de estos parámetros. Memoria de cálculo 98 98 Se comienza conociendo el caudal volumétrico (m3/h) que deberá impulsar la bomba, que se hace con la siguiente ecuación: 𝑄=𝑚 𝜌 Ecuación 5.53 Donde: • 𝑚 es el caudal másico en kg/h. • 𝜌 es la densidad del fluido en kg/m3. Para el dimensionado de las bombas de remontado, se realiza calculando el número de bombas necesarias para realizar esta operación, y estimando también el caudal unitario de cada una de ellas. Generalmente se sigue el criterio de remontar el volumen total de mosto que contiene un depósito cada vez que se realiza una operación de remontado, y de utilizar una bomba para atender el remontado de uno a cuatro depósitos como máximo [14], por tanto para las bombas de remontado el número de unidades de ella y el caudal es calculado con fórmulas específicas que viene descritas a continuación: 𝑛°𝑏𝑜𝑚𝑏𝑎𝑠= 𝑛°𝑑𝑒𝑝ó𝑠𝑖𝑡𝑜𝑠 𝑛°𝑑𝑒𝑝ó𝑠𝑖𝑡𝑜/𝑏𝑜𝑚𝑏𝑎 Ecuación 5.54 𝑄𝑟=𝑉 𝑉𝑢 𝑅 100 𝐻 𝑛°𝑑𝑒𝑝ó𝑠𝑖𝑡𝑜/𝑏𝑜𝑚𝑏𝑎·𝑛°𝑟𝑒𝑚𝑜𝑛𝑡𝑎𝑑𝑜/𝑑í𝑎 Ecuación 5.55 Donde: • 𝑉 es la capacidad unitaria de los depósitos de fermentación (litros/depósitos). • 𝑉𝑢 es el volumen útil del depósito: 0,80 a 0,85. • 𝑅 es el rendimiendo vendimia despalillada, siendo este 94%. • 𝐻 jornada diaria de trabajo, siendo de 12 h/día. • nº de depósito por bomba, siendo 1 a 4 depósitos por bomba. • nº de remontados por día, siendo este de 1 a 2 veces por día. En la siguiente tabla se recogen los caudales volumétricos de cada bomba. Tabla 46. Caudal a impulsar de las distintas bombas P-102 A/B/C/D/E P-103 P-104 P-105 Q (l/h) 1.946 4.420 4.199 4.163 Para el cálculo de la altura desarrollada por la bomba se emplea la ecuación de Bernoilli que se muestra en la Ecuación 5.56. 𝐻𝑏=𝑃𝑜𝑢𝑡−𝑃𝑖𝑛 𝜌+𝑢𝑜𝑢𝑡 2−𝑢𝑖𝑛 2 2+ℎ𝑜𝑢𝑡−ℎ𝑖𝑛 Ecuación 5.56 99 99 Ingeniería Básica de una Planta de Producción de vino tinto joven y crianza a partir de uva tinta Tempranillo Donde: • 𝐻𝑏 es la altura que da la bomba (m2/s2). Es necesario dividirla entre la gravedad g (9.8 m/s2) para obtener su valor en metros. • 𝑃𝑖𝑛 es la presión del fluido en la zona de aspiración, en Pa. • 𝑃𝑜𝑢𝑡 es la presión del fluido en la zona de impulsión, en Pa. Su valor se determinará a partir de la pérdida de carga calculada en cada equipo. • 𝑢𝑖𝑛 es la velocidad del fluido en la zona de aspiración (m/s). Si la bomba aspira el fluido de un tanque dicha velocidad se puede considerar despreciable, en el caso contrario, se supondrña una velocidad típica del fluido de 1 m/s [39]. • 𝑢𝑜𝑢𝑡 es la velocidad del fluido en la zona de impulsión (m/s). En este caso, se supondrá una velocidad típica del fluido de 2 m/s [39]. • ℎ𝑜𝑢𝑡 y ℎ𝑖𝑛 son las alturas del fuido en las zonas de aspiración e impulsión, respectivamente en m. Para calcular las presiones de los fluidos se va a utilizar la ecuación de Darcy plasmada a continuación: ∆𝑃=𝑓·𝐿 𝐷·𝜌𝑣2 2 Ecuación 5.57 Donde: • 𝑓 es el factor de fricción, adimensional. • 𝐿 es la longitud de la línea, en metros. • 𝐷 es el diámetro interno de la tubería, en metros. • 𝜌 es la densidad del fluido que circula por la tubería, en kg/m3. • 𝑣 es la velocidad media del fluido, en m/s. Siendo el factor de fricción (𝑓 ) calculado mediante la Ecuación 5.58. 1 𝑓0,5=−0,86·𝑙𝑛(2,51 𝑅𝑒·𝑓0,5) Ecuación 5.58 Donde 𝑅𝑒 es el número de Reynols (adimensional) calculado tal y como se refleja a continuación: 𝑅𝑒=𝐷·𝑣·𝜌 𝜇 Ecuación 5.59 Siendo 𝜇 la viscosidad dinámica del fluido, medido en kg·s·m-1. Teniendo en cuanta que la altura desarrollada de la bomba calculada con la Ecuación 5.56 puede ser simplificada simplemente con la pérdida de carga calculada mediante la ecuación de Darcy ya que el resto de los términos son insignificantes con respecto al mencionado e incluso se desconoce las diferencias de cota entre los tramos de impulsión y aspiración de las bombas debido a que no se ha realizado la implantación de la instalación ya que estaría fuera del alcance del proyecto, por tanto, se supone dichos términos nulos. Añadiendo un 30% de seguridad a la pérdida aportada por la longitud de las mangueras, en la bodega el mosto o vino es transportando mediante mangueras, ver anexo 10 las características técnicas de las mangueras seleccionadas para la planta donde se puede apreciar que la longitud de éstas son de 20 m. A continuación, en la siguiente tabla se obtiene la altura desarrollada de las bombas de la planta. Memoria de cálculo 100 100 Tabla 47. Altura desarrollada de las distintas bombas P-102 A/B/C/D/E P-103 P-104 P-105 Hb (m) 0,053 0,408 0,375 0,370 Una vez calculados el caudal y la altura, ya es posible determinar la potencia suministrada por la bomba al fluido (𝑊), calculada mediante la siguiente ecuación. 𝑊=𝜌·𝑔·𝑄·𝐻𝑏 Ecuación 5.60 Dicha potencia de las diferentes bombas se recoge en la siguiente tabla. Tabla 48. Potencia teórica de las distintas bombas P-102 A/B/C/D/E P-103 P-104 P-105 W (W) 0,285 4,938 4,31 4,213 Sin embargo, como el rendimiento de las bombas no es del 100% para calcular la potencia real de la bomba es necesario utilizar la Ecuación 5.61. 𝑊𝑟𝑒𝑎𝑙=𝑊 𝜂 Ecuación 5.61 El valor del rendimiendo de la bomba (𝜂) es dado por el fabricante. En algunos casos, el fabricante proporciona directamente la potencial real. Por último, el parámetro NPSH que permite conocer lo cerca que se encuentra una bomba de la cavitación. El NPSH disponible ( Ecuación 5.62) es la altura mínima que requiere la succión de una bomba para que no haya cavitación, si la presión en algún punto del circuito es menor que la presión de vapor del líquido tendrá lugar la cavitación, lo que puede causar daños en el equipo. 𝑁𝑃𝑆𝐻𝑑=𝑃𝑖𝑛−𝑃𝑉 𝜌 Ecuación 5.62 Siendo 𝑃𝑉 la presión de vapor del fluido en pascales. Los resultados de dicho parámetro se reflejan en la Tabla 49. Tabla 49. Altura neta positiva de succión disponible de las distintas bombas P-102 A/B/C/D/E P-103 P-104 P-105 NPSHd (m) 0,524 4,002 3,676 3,625 El NPSH disponible se calcula antes de llevar a cabo el diseño de la bomba. Posteriormente, se busca en catálogos una bomba cuyas características concuerden con las requeridas por las condiciones del proceso. En este catálogo, el fabricante proporciona como dato el NPSH requerido de la bomba. Como criterio, se elige una bomba cuyo NPSH requerido cumpla la condición mostrada en la Ecuación 5.63. 101 101 Ingeniería Básica de una Planta de Producción de vino tinto joven y crianza a partir de uva tinta Tempranillo 𝑁𝑃𝑆𝐻𝑟≥𝑁𝑃𝑆𝐻𝑑 1,2 Ecuación 5.63 Tabla 50. Altura neta positiva de succión requerida de las distintas bombas P-102 A/B/C/D/E P-103 P-104 P-105 NPSHr (m) 0,437 3,335 3,064 3,021 Y, por último, en la Tabla 51 se recogen las carácterísticas de las bombas y el modelo elegido, escogidas del catálogo que se localiza en el anexo 11. Tabla 51. Modelo seleccionado para cada bomba Bomba Caudal (l/h) Altura (m) Potencia consumida (kW) Modelo P-102 A/B/C/D/E 1.946 91 5,5 MSVA-3/5,5 P-103 4.420 13 0,75 NKP-G 32-125.1-102-0.75 AA P-104 4.199 13 0,75 NKP-G 32-125.1-102-0.75 AA P-105 4.163 13 0,75 NKP-G 32-125.1-102-0.75 AA Debido al bajo caudal y a la pequeña altura, las bombas escogidas han sido las más pequeñas y las que consumen la menor potencia possible. Como se dijo al principio de este subapartado, la bomba de vendimia es una bomba diferente a las diseñadas ya que es una bomba helicoidal. Por tanto, ésta va ser directamente seleccionada de catálogo, teniendo en cuenta que su parámetro de diseño es el caudal a impulsar. Este parámetro es proporcionado por la balance de materia, que sería de 1.175 kg/h, para conocer las necesidades de la bomba se incrementa un 10% por motivos de seguridad. Obteniendo el parámentro característico de la bomba, se adquiere una bomba helicoidal del modelo “Bomba VIAR 600” de la casa comercial Magusa S.L. Ha sido la mejor elección para un trato cuidadoso para el mosto. El cuerpo de la bomba está fabricado en acero inoxidable, anclado a un chasis fabricado también en acero inoxidable. Con ruedas que facilitan el transporte de la bomba. Motor de 1 velocidad a 380V y 50 Hz. Cuadro eléctrico de acero inoxidable incorporado al chiasis de la bomba, con protección térmica, inversos de giro y variador electrónico. Tiene incluso dos campanas expansoras en acero inoxidable AISI 304 con presostato de seguridad, en el anexo 11 se puede apreciar las demás características técnicas. 5.6.7.2 Intercambiador de calor Para el diseño de los intercambiadores, el área de transferencia (A) se puede obtener por medio de la Ecuación 5.64. 𝑄=𝐴·𝑈·𝐹·𝐷𝑇𝐿𝑀𝑐𝑒 Ecuación 5.64 Donde: • 𝑄 es el calor intercambiado entre el fluido frio y el fluido caliente (kW). • 𝑈 es el coeficiente global de transferencia (kW/m2·K), que depende de los coeficientes de película de Memoria de cálculo 102 102 ambos fluidos, se calcula mediante correlaciones. • 𝐹 es un factor corrector que se calcula por correlaciones con el EES. • 𝐷𝑇𝐿𝑀𝑐𝑒 es la diferencia de temperatura logarítmica media de ambos fluidos en un intercambiador contracorriente equivalente (ºC), se determinar con la Ecuación 5.65. 𝐷𝑇𝐿𝑀𝑐𝑒=(𝑇𝑒𝑐−𝑇𝑠𝑓)−(𝑇𝑠𝑐−𝑇𝑒𝑓) 𝑙𝑛(𝑇𝑒𝑐−𝑇𝑠𝑓 𝑇𝑠𝑐−𝑇𝑒𝑓) Ecuación 5.65 Para calcular el coeficiente global de transferencia (U) se va a utilizar la Ecuación 5.66, dicho parámetro depende de los factores de ensuciamiento y los coeficientes de película de ambos fluidos. Cabe destacar, que para determinar este parámetro no se ha tenido en cuenta la resistencia de conducción a través del espesor de los tubos del intercambiador, debido a que esta resistencia se puede considerar despreciable con respecto a las de transferencia por convección. 𝑈 = 1 𝑑𝑒 ℎ𝑖·𝑑𝑖+𝐹𝑠𝑖·𝑑𝑒 𝑑𝑖+𝐹𝑠𝑒+1 ℎ𝑒 Ecuación 5.66 Siendo: • 𝑑𝑖 y 𝑑𝑒 son el diámetro interno y externo del tubo, respectivamente (m). Para dichos diámetros se han empleado medidas normalizadas, se muestran en el anexo 12. • 𝐹𝑠𝑖 y 𝐹𝑠𝑒 son los factores de ensuciamiento interno y externo, respectivamente (m2·K/kW). Su valor será de 0,0002 m2·K/W cuando se trate de fluidos orgánicos, y 0,0001 m2·K/W para el resto de los fluidos [40]. • ℎ𝑖 y ℎ𝑒 son los coeficientes de película de los fluidos que circulan por el intercambiador (W/m2·K). Para el cálculo de dichos coeficientes se utiliza la Ecuación 5.67. ℎ=𝑁𝑢·𝑘 𝑑 Ecuación 5.67 Donde: • 𝑘 es la conductividad térmica de los fluidos (W/m·K). • 𝑁𝑢 es el número adimensional de Nusselt. El número de Nusselt depende del régimen en que se encuentre el fluido y es calculado por medio de correlaciones [41]. En cualquier caso, este parámetro es función de los números adimensionales de Prandtl y Reynolds, que vienen definidos mediante las Ecuaciones 5.68 y 5.69. 𝑅𝑒=𝜌·𝑣·𝑑 𝜇 Ecuación 5.68 𝑃𝑟=𝐶𝑝·𝜇 𝑘 Ecuación 5.69 Siendo 𝑣 la velocidad del fluido (m/s), obtenida mediante la Ecuación 5.70. 𝑣= 𝑚 𝜌·𝐴𝑝𝑎𝑠𝑜 Ecuación 5.70 103 103 Ingeniería Básica de una Planta de Producción de vino tinto joven y crianza a partir de uva tinta Tempranillo Se tienen en cuenta las velocidades típicas de circulación de fluidos pocos viscosos en líneas de conducción por lo que deben estar en el rango de 1,2 – 2,4 m/s [40]. Esto es solo una aproximación, luego las velocidades pueden ser distintas a las marcadas en un primer momento en función de los diámetros de las mangueras comerciales. Teniendo en cuenta que el área de paso del fluido que circula por el interior de los tubos viene definida por la Ecuación 5.71. 𝐴𝑝𝑎𝑠𝑜 (𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟)=𝑛𝑡𝑢𝑏𝑜𝑠 𝑛𝑝𝑎𝑠𝑜𝑠·𝜋·𝑑𝑖2 4 Ecuación 5.71 Mientras que el área de paso del fluido que circula por la carcasa se calcula con la Ecuación 5.72. 𝐴𝑝𝑎𝑠𝑜 (𝑒𝑥𝑡𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟)=(𝑝𝑖𝑡𝑐ℎ−𝑑𝑒)·𝐷𝑠·𝐿𝑏 𝑝𝑖𝑡𝑐ℎ Ecuación 5.72 Donde: • 𝐷𝑠 es el diámetro de la carcasa del intercambiador (m2). • 𝐿𝑏 es la distancia entre los bafles del intercambiador (m2). • 𝑝𝑖𝑡𝑐ℎ hace referencia a la distancia entre los tubos del intercambiador (m). Es recomendable que el pitch sea 1,25 veces el diámetro externo del tubo [40]. Para calcular el diámetro de la carcasa y la distancia entre los bafles se van a emplear las Ecuaciones 5.73 y 5.74 [40]. 𝐷𝑠=𝑑𝑒·(𝑛𝑡𝑢𝑏𝑜𝑠 𝑘1)1 𝑛1 Ecuación 5.73 𝐿𝑏=𝐷𝑠 5 Ecuación 5.74 Siendo n1 y k1 constantes que toman un valor u otro en función del número de pasos por tubo. En este caso, se suponen que los tubos de los intercambiadores darán dos pasos, por tanto: n1=2,207 y k1=0,249 [40]. Para calcular la longitud es necesario fijar el número de tubos del intercambiador. Conociendo el número de tubos se puede calcular el área de un tubo y con ésta la longitud, mediante las siguientes ecuaciones: 𝐴𝑡𝑢𝑏𝑜𝑠=𝐴 𝑛𝑡𝑢𝑏𝑜𝑠 Ecuación 5.75 𝐴𝑡𝑢𝑏𝑜𝑠=𝜋·𝐿·𝑑𝑒 Ecuación 5.76 La longitud del intercambiador debe ser entre 5 y 10 veces el diámetro de la carcasa, intentando no superar los 6 metros [41]. Debido que la pérdida de carga no es muy elevada, ambos intercambiadores de la planta serán carcasa y tubo tipo E, con un paso por carcasa y dos pasos por tubos. Además, los tubos tendrán forma de U, para facilitar la limpieza y los bancos de tubos [40]. La disposición de los tubos en el interior de los intercambiadores serán triangular, de este modo se puede conseguir aumentar el área de transferencia en un 15% [41]. Y por motivos de seguridad, será el fluido caliente el que circula por el interior de los tubos, mientras que el fluido frío lo hará por la carcasa, aunque en esta planta no se alcance temperaturas elevadas se dispondrán así. Con las ecuaciones mencionadas anteriormente se estiman los valores de los parámetros de diseño de los intercambiadores. Pero para normalizar estos valores se ha seguido la norma TEMA (ver anexo 12). En la Tabla 52 se muestran los resultados obtenidos acerca de los parámetros de diseño de los intercambiadores. Memoria de cálculo 104 104 Tabla 52. Resultados del diseño de los intercambiadores Intercambiador Diámetro externo Nº tubos (uds) Diámetro carcasa (in) Longitud (m) Área (m2) Pulgadas BWG E-101 5/8 14 5 2,434 3,865 0,964 E-102 5/8 14 5 2,434 35,75 8,916 5.6.8 Embotelladora El proceso de embotellado es el último por donde pasa el vino para su posterior comercialización, como se dijo anteriormente en la memoria descriptiva la línea de embotellado tiene varias operaciones como son enjuagado, llenado y taponado y todas ellas se realizan con un mismo equipo denominado el tribloc, así de esta manera ahorrar espacio, dinero y energía, facilitando el trabajo por tener una sincronización de las tres estapas. Para este equipo será seleccionado de catálogo de la empresa Irundin S.L, empresa especializada en maquinarias de embotellado. Seleccionado a la máquina “Tribloc 36/6/6” con un rendimiento de hasta 8000 botellas por hora, siendo este el parámentro de diseño de la máquina. Las características técnicas de esta máquina son [42]: - Compuesto por llenadora enológica de 36 caños de llenado, encorchadora de 6 cabezales y capsuladora de 6 cabezales. - Bancada de la máquina y chasis en INOX AISI 304. - Construcción muy robusta, un mínimo mantenimiento y gran fiabilidad. - Sistema de engrase afectuando mediante tuberías INOX centralizafo en la regleta general de engrase. - Cuba, conducciones y caños de llenado en INOS AISI 316. - Cambios rápidos de formado. - Máquina de minimo mantenimiento. Figura 38. Tribloc 36/6/6 8000 botellas/h Ingeniería Básica de una Planta de Producción de vino tinto joven y crianza a partir de uva tinta Tempranillo 105 5.7 Calendario anual del proceso Por ultimo, tras conocer todo el proceso, haber calculado los balances de materia, los balances de energía y los diseños de los equipos se muestra en la Tabla 53, un calendario genérico de las diferentes actividades que se llevarán a cabo en la bodega. Tabla 53. Calendario planificación del proceso de elaboración de vino tinto joven y crianza Fase Sept. Oct. Nov. Dic. En. Febr. Mzo. Abr. My. Jun. Jul. Agt. Recepción Fermentación alcohólica Descube y prensado Fermentación maloláctica Clarificación y 1º filtración Estabilización y 2º filtración Microfiltración joven Embotellado joven Envejecimiento crianza Microfiltración crianza Embotellado crianza Distribución Evaluación económica 112 112 Hay equipos que no han sido dimensionados, han sido seleccionados directamente de catálogo, o incluso algunos equipos dimensionados no se han encontrado correlaciones para calcular su precio de compra, y todos ellos también forman parte del coste de inversión inicial de la compra de equipos y éstos se enumeran a continuación en la siguiente tabla con sus respectivos precios. Tabla 59. Coste de equipos comprados ($) Equipo Descripción Cantidad Coste unitario (€) Coste corregido ($) Tolva de recepción Para la recepción de la vendimia 1 1.913,30 2.156,53 Tornillo sin fin Transportador de vendimia 1 1.500,00 1.690,69 Despalilladora estrujadora Para el despalillado y estrujado de la uva 1 7.304,82 8.233,47 Dosificador automatico de SO2 Adición de sulfuroso a la uva estrujada y despalillada 1 1.215,00 1.369,46 Cinta transportadora de rapones Transportadora de raspón 1 1.000,00 1.127,13 Cinta transportadora de orujos Transportadora de orujos 1 1.000,00 1.127,13 Prensa horizontal neumátia Prensado de orujos tras realizar la fermentación alcohólica para extraer el vino de ellos 1 16.595,21 18.704,93 Filtro de placas Se realiza para el filtrado 1 7.256,13 8.178,59 Filtro amicróbico Para realizar la microfiltración 1 12.744,50 14.364,68 Barrica de roble Empleadas para el envejecimiento del vino de crianza 301 600,00 203.559,32 Tribloc de enjuagado, llenado y taponado Para el embotellado del vino 1 25.000,00 28.178,20 COSTE EQUIPOS ($) 288.690 $ Por tanto, el total de coste de compra de todos los equipos que hay en planta es: COSTE DE EQUIPOS TOTAL ($) 1.214.621 113 113 Ingeniería Básica de una Planta de Producción de vino tinto joven y crianza a partir de uva tinta Tempranillo Para el cálculo de los costes fijos de la planta se ha utlizado el factor de Lang para fluidos y sólidos, puesto que ambos estados se tratan en la planta, dicho valor se encuentra en el anexo 14. Dicho parámetro a calcular depende del coste de los equipos tal y como se refleja en la Ecuación 6.1. 𝐶𝐹=𝐹𝐿𝐴𝑁𝐺·𝐶𝐸𝑄𝑈𝐼𝑃𝑂𝑆 Ecuación 6.1 Donde: • 𝐶𝐹 es el coste fijo del proyecto, en M$. • 𝐹𝐿𝐴𝑁𝐺 es el factor de Lang, siendo este de 4,28. • 𝐶𝐸𝑄𝑈𝐼𝑃𝑂𝑆 es el coste total de compra de equipos, en M$. El resultado de aplicar dicha ecuación se encuentra en la siguiente tabla. Tabla 60. Coste fijo de la planta Coste total de los equipos (M$) Coste fijo (M$) 1,21 5,20 Una vez calculado los costes fijos, ya se puede calcular también los costes de los terrenos. Este coste es presencial para llevar el proyecto adelante, ya que se necesita un terreno para ubicar la planta. Es por ello qué este coste representa un porcentaje de los costes fijos. Para este proyecto, el coste de los terrenos representa un 6% de los costes fijos. Tabla 61. Costes de terrenos Coste de terrenos (M$) 0,31 Por último, se calcula el último parámetro que depende del coste de inversion, el capital circulante. Este parámentro depende exclusivamente del coste de operación, ya que el capital circulante se estima como el coste de operación de 2 meses. COSTE CIRCULANTE (M$) 0,052 El coste de operación será calculado y especificados en el siguiente subapartado. 6.1.1 Coste de operación Para calcular el coste de operación hay que tener presente las horas al año que está operativa la planta, siendo de 1.116 horas al año. Hay que recordar que esta planta no opera las 8.000 horas al año que es lo que suelen operar las plantas químicas ya que la bodega es operativa solo cuando hay suministro de materia prima, siendo la uva un producto temporal, es decir, solo es proporcionada en unos meses concretos al año. Evaluación económica 114 114 Mediante la Ecuación 6.2 se puede estimar los costes de operación. 𝐶𝑂𝑃=𝑀𝑂+𝐶𝑀𝑃+𝐶𝑆 Ecuación 6.2 Donde: • 𝐶𝑂𝑃 es el coste de operación, en M$/año. • 𝑀𝑂 es el coste de la mano de obra, en M$/año. • 𝐶𝑀𝑃 es el coste de materias primas, en M$/año. • 𝐶𝑆 es el coste de los servicios, en M$/año. Con respecto al coste de mano de obra (𝑀𝑂) en la siguiente tabla se especifica los trabajadores necesarios junto con su salario bruto anual. Tabla 62. Coste de mano de obra ($/año) Cargo Número Sueldo bruto anual (€) Suelgo bruto anual crorregido ($) Director técnico enólogo 1 20.000 22.400 Administrativo y contable 1 13.000 14.560 Encargado de almacén y de materia auxiliar 1 15000 16.800 Encargados elaboración, embotelladora, barrica y almacén 3 45.000 50.400 Encargado de limpieza 1 13.000 14.560 COSTE DE MANO DE OBRA TOTAL ($/año) 118.720 115 115 Ingeniería Básica de una Planta de Producción de vino tinto joven y crianza a partir de uva tinta Tempranillo Para determinar los costes de materia primas (𝐶𝑀𝑃), al igual que el coste de mano de obra, se dispone de una tabla donde se muestra tanto la materia prima principal como la materia auxiliar necesaria para la planta, la cantidad de unidades de cada una de ellas con su respectivo precio unitario para así poder calcular el coste de materia prima total. Tabla 63. Coste de materia prima ($/año) Concepto Unidad €/Ud. Total (€) Total corregido ($) Uva 150.000 kg 0,32 €/kg 48.000 54.055,92 Sulfito 101,09 hg 1,93 €/hg 195,10 218,52 Botella 75 cl 131.150 Ud. 0,19 €/Ud. 24.919 27.908,72 Tapón corcho 131.150 Ud. 0,11 €/Ud. 14.427 16.157,68 Cápsula 131.150 Ud. 0,20 €/Ud. 26.230 29.377,60 COSTE DE MATERIA PRIMA TOTAL ($/año) 127.422 Y, por último, para determinar los costes referentes al consumo de servicios hay que conocer el consumo de electricidad, ya que dicho coste solo depende de dicho consumo. Por tanto, el consumo de electicidad se calcula con la siguiente ecuación. 𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑑𝑒 𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑=𝑊· 𝐻 Ecuación 6.3 Donde: • 𝑊 es la potencia consumida por las bombas centrífugas, expresado en kW. • 𝐻 son las horas de trabajo al año, siendo 1.116 h/año. Aplicando la Ecuación 6.3 se obtiene que el consumo de electricidad por año o campaña y en la siguiente tabla se especifica el precio y el coste de los servicios. Tabla 64. Coste de los servicios ($/año) Consumo Ud. $/Ud. Total ($) Electricidad 11.997 kWh 0,06 $/kWh 719,82 COSTE TOTAL DE SERVICIOS ($/año) 719,82 Evaluación económica 116 116 Por tanto, teniendo todos los parámetros que aparecen en la Ecuación 6.2, es decir, el coste de mano de obra (𝑀𝑂), el coste de materias primas (𝐶𝑀𝑃) y el coste de los servicios (𝐶𝑆) se puede calcular el coste de operación. COSTE DE OPERACIÓN (M$/año) 0,247 6.2 Viabilidad económica Para determinar la viabilidad económica de la planta, se ha realizado el cálculo de los flujos netos de caja anuales, base para el cálculo del VAN y la TIR. Para ello, se han tenido en cuenta tanto los datos proporcionados a continuación, como los costes de inversión inicial y operación, así como las ganancias por la venta de productos de la planta. La planta empieza a construirse en 2020 y tarda 2 años en estar acabada. La inversión inicial (I0) se divide en los dos primeros años de la planta, cuando aún se encuentra en fase de construcción. En esta inversión inicial se contabiliza el coste del terreno, el capital circulante y los costes de inversión de los equipos (40% el primer año y 60% el segundo). La depreciación o amortización se supone lineal y se aplica al capital depreciable (capital fijo sin incluir terreno) en un periodo de 10 años, suponiendo un valor residual nulo. Por último, debe tenerse en cuenta que la vida útil de la planta es de veinte años. Las ganancias por la venta de productos de la planta es necesario determinar el precio de venta, y se tendrá en cuenta la actividad de la bodega. Los ingresos no serán homogéneos todos los años, ya que durante el primer y segundo año no sale al mercado el vino crianza, debido a su costosa elaboración en tiempo. En esta planta además de vender los productos que son el vino tinto joven, el vino tinto crianza y el vino tinto prensa, se venden los subproductos como son los raspones, orujos y heces o lías, ya que son materias primas para otras plantas. A continuación, en las siguientes tablas se muestran las ganancias por venta de los dos primeros años, de a partir del tercer año y de la ganancia de los subproductos. Tabla 65. Ingresos de venta en el primer y segundo año Producto Botellas (Ud.) Precio por botella (€/bot) Total (€/año) Total corregido ($/año) Tinto joven 66.150 4,7 310.905 348.213,60 Producto Granel (l) Precio por litros (€/l) Total (€/año) Total corregido ($/año) Vino prensa 1.473 1,8 2.651,4 2.969,57 TOTAL ($/año) 351.183 117 117 Ingeniería Básica de una Planta de Producción de vino tinto joven y crianza a partir de uva tinta Tempranillo Tabla 66. Ingresos de venta a partir del tercer año Producto Botellas Precio por botella (€/bot) Total (€/año) Total corregido ($/año) Tinto joven 66.150 4,7 310.905 348.213,60 Tinto crianza 65.000 5,8 377.000 422.240,00 Producto Granel Precio por litros (€/l) Total (€/año) Total corregido ($/año) Vino prensa 1.473 1,8 2.651,4 2.969,57 TOTAL ($/año) 773.423 Tabla 67. Ingresos de venta de los subproductos Subproducto Cantidad (kg/año) Precio de venta (€/kg) Total (€/año) Total corregido ($/año) Raspones 9.000 0,03 270,00 302,40 Orujos 25.469 0,05 1.273,45 1.426,26 Lías 4.654 0,62 2.885,48 3.231,74 TOTAL ($/año) 4.960 Una vez calculado los ingresos de venta al año, se puede calcular el 𝐵𝐴𝐼𝑖, tal y como aparecen en la Ecuación 6.4. 𝐵𝐴𝐼𝑖=𝑉𝑖−𝐶𝑖−𝐷𝑖 Ecuación 6.4 Donde: • 𝐵𝐴𝐼𝑖 es el beneficio antes de impuestos cada año. • 𝑉𝑖 son las ventas obtenidas cada año. • 𝐶𝑖 son los costes de la planta cada año. • 𝐷𝑖 es la depreciación anual de la planta. Evaluación económica 118 118 Tras obtener el 𝐵𝐴𝐼𝑖 para cada año y, tras haber calculado los impuestos a pagar cada año, se pueden definir los 𝐵𝐷𝐼𝑖 (Ecuación 6.6) 𝐼𝑚𝑝𝑖=𝐵𝐴𝐼𝑖·𝑡 Ecuación 6.5 𝐵𝐷𝐼𝑖=𝐵𝐴𝐼𝑖−𝐼𝑚𝑝𝑖 Ecuación 6.6 Donde: • 𝐼𝑚𝑝𝑖 son los impuestos anuales a pagar. • 𝑡 es la tasa impositiva del 25%, igual todos los años. • 𝐵𝐷𝐼𝑖 corresponden a los beneficios después de impuestos. Por último, para obtener los flujos de caja netos (𝐹𝑁𝐶𝐼), habría que sumar la depreciación anual de la planta junto al beneficio despues de impuestos (Ecuación 6.7) 𝐹𝑁𝐶𝐼=𝐵𝐷𝐼𝑖+𝐷𝑖 Ecuación 6.7 Todo lo explicado hasta ahora en este apartado queda resumido en la Tabla 79 y la Tabla 80 que se muestra en el anexo 14. 6.2.1 Cálculo del VAN y TIR. Como se dijo anteriormente, para medir la viabilidad de la planta es necesario calcular el VAN y el TIR. El primer término es el Valor Actual Neto y permite calcular el valor presente de un determinado número de flujos de caja futuros originados por una inversión. Es un índice de rentabilidad que se basa en calcular la suma de los valores actualizados de los flujos netos de caja. Si el resultado es positivo el proceso es viable, ya que se obtienen beneficios, mientras que si el resultado es negativo el proceso no es viable puesto que existen pérdidas. Dicho valor se calcula con la siguiente ecuación: 𝑉𝐴𝑁=−𝐴+∑𝐹𝑁𝐶𝑖 (1+𝑘)𝑛 Ecuación 6.8 Donde: • 𝐴 es el reembolso de la inversión inicial, en M$. • 𝐹𝑁𝐶𝑖 son los flujos de caja netos de cada año. • 𝑘 es el valor mínimo de rentabilidad fijado, se estima del 10%. • 𝑛 son los años en que se estima la vida de la planta, siendo en este caso 20 años. Y el segundo término es la TIR, tasa interna de rentabilidad, es la media geométrica de los rendimientos futuros esperados de dicha inversión. Matemáticamente, es el valor que debe tener la tasa de rentabilidad mínima para hacer nulo al VAN, como se refleja en la Ecuación 6.9. 0=−𝐴+ ∑𝐹𝑁𝐶𝑖 (1+𝑇𝐼𝑅)𝑛 Ecuación 6.9 119 119 Ingeniería Básica de una Planta de Producción de vino tinto joven y crianza a partir de uva tinta Tempranillo Este valor indica como de rentable es un proyecto: si la rentabilidad mínima exigida (𝑘) es menor que la TIR el proyecto se considera viable, mientras que si es mayor no. A continuación, en la Tabla 68 se obtiene el resultado de ambos indicadores de rentabilidad. Tabla 68. Resultados del VAN y la TIR VAN (M$) TIR (%) 2,41 23 A modo de conclusión, tras realizar los cálculos se observa que la planta podría resultar rentable en el mercado actual debido a que el valor actual neto (VAN) es mayor que 0, concretamente 2,43 millones de dólares. A su vez, se podría comparar la tasa interna de rentabilidad exigida (k), que es del 10%, con el TIR obtenido, 23%. Al ser mayor el TIR que la k, el proceso es rentable económicamente. Tanto el VAN como la TIR son medidas que indican con fiabilidad la viabilidad de la planta a lo largo de su vida, teniendo en cuenta la evolución del valor del dinero, la depreciación, etc. 6.2.1.1 Cálculo de Pay Back (PB) El pay back o período de retorno es el tiempo que se debe transcurrir para recuperar la inversion inicial del proyecto. Este parámetro se calcula de dos formas teniendo en cuenta como son los FNC, si éstos no son lineales se calcula restando año a año los FNC a la inversión inicial hasta que dé un número menor que el próximo FNC, cuando eso ocurra se dividirá dicho valor restante entre el del FNC próximo. De dicha manera se obtiene el año exacto que se obtiene la recuperación. Si FNC es lineal, se divide directamente la inversión inicial entre el FNC. Como en el caso a estudiar los FNC no son constantes, se aplica el primer método, por lo que el PB es de 4,66 años. Dicho resultado quiere decir que tras pasar esos años con la planta en funcionamiento en las condiciones establecidas la inversión inicial se ha recuperado. Planteamiento de mejoras de la planta 120 120 7 PLANTEAMIENTO DE MEJORAS DE LA PLANTA El procedimiento estudiado hasta ahora es el método convencional para la obtención del vino, debido a que la fermentación alcohólica y maloláctica se producen de manera espontánea a partir de las levaduras y bacterias intrínsecas de la uva. Estas fermentaciones, que son las etapas limitantes, son lentas. En este apartado se evaluará otra manera de realizar ambas fermentaciones, manteniendo el diseño de la planta, simplemente habrá cambios en la operación del proceso, tales como, añadir levaduras y bacterias comerciales para acelerar ambas fermentaciones. Se estudiará su viabilidad económica para poder realizar la comparativa con el proceso principal descrito. 7.1 Fermentación alcohólica En esta operación el papel principal lo llevan las levaduras y el tipo de levaduras condicionará las caracteríticasde la fermentación. Están las levaduras autóctonas, las que se han empleado en el diseño del proceso bajo estudio, que provienen del propio viñedo, es decir, de la uva, y con dichas levaduras lo único que hay que hacer es dejar que el mosto comience una fermentación espontánea, asegurando unas condiciones óptimas para su correcto desarrollo. Por otro lado estánlas levaduras seleccionadas o comerciales con ellas se reliza una la fermentación inoculada, siendo un proceso más controlado, reproducible y homogéneo. A continuación se describirá las principales características de ambas. 7.1.1 Fermentación espontánea Fermentación espontánea es aquella que se lleva a cabo con las levaduras presentes de forma natural en los hollejos de la uva, se trata de una fermentación en la que participan gran cantidad de levaduras, que van creciendo y desarrollándose secuencialmente. Dicha fermentación tiene un periodo de tiempo de 7 días, durante dicho periodo las levaduras van pasando por diferentes fase. Si es cierto, que con dichas levaduras autóctonas hace que el vino consiga una identidad de la zona geográfica donde se haya elaborado. Aunque no todo es bueno en esta elección ya que las variaciones de poblaciones de levaduras pueden alterar el correcto desarrollo de la fermentación alcohólica. Ya que las levaduras autóctonas en el viñedo están expuestas a los fenómenos climatológicos y puede causar cambios en la ecología del viñedo que a su vez puede acarrear grandes alteraciones en la dinámica de la fermentación alcohólica. Uno de los ejemplos más claros de estos cambios es el que puede causar la lluvia. Las levaduras crecen sobre las pieles de las uvas por lo que la lluvia es capaz de arrastrar gran cantidad de ellas, dejando las uvas muy pobres en levaduras capaces de fermentar. Si al entrar en bodega no hay suficiente carga microbiológica en las uvas el inicio de la fermentación puede retrasarse, quedando el mosto expuesto a posibles contaminaciones. Aunque en el proceso de la planta, las uvas que entran están supervisadas con un previo estudio para analizar que estén en el estado óptimo. 7.1.2 Fermentación inoculada En cambio, la fermentación inoculada es aquella que se realiza con levaduras comerciales seleccionadas y cultivadas en el laboratorio. La inoculación con levadura seca activa (LSA) asegura casi con total certeza que el mosto se va a transformar en vino y además lo hará en un espacio de tiempo reducido. En el caso de las levaduras que se utilizan para inocular se seleccionan en primer lugar en base a sus actividades fermentativas y en segundo en base a la producción de metabolitos secundarios. Con el procedimiento de inoculación se puede terminar la fermentación alcohólica del vino en aproximadamente cinco días, en cambio una fermentación espontánea se necesita mínimo una semana o más. Conseguir una rápida fermentación conducida por inóculos de LSA implica un importante ahorro de tiempo que se traduce a su vez en ahorro de dinero y optimización del proceso. Es muy importante liberar los fermentadores tan pronto como se posible para continuar vinificando. Además, también se asegura una homogeneidad fermentativa en toda la bodega. 121 121 Ingeniería Básica de una Planta de Producción de vino tinto joven y crianza a partir de uva tinta Tempranillo El mayor problema, y a su vez la mayor virtud, que presenta la fermentación inoculada es la homogeneidad que se consigue en sus vinos. La homogeneidad en ciertas tipologías de vino es signo de calidad. Vinos fermentados con la misma LSA pueden tener, en muchas ocasiones, un perfil organoléptico muy similar. El riesgo de la eliminación de las diferencias es que nos puede llevar a una excesiva homogeneidad con la consiguiente pérdida de tipicidad regional o varietal. Ni la enología ni la biotecnología respaldan que una fermentación sea mejor o peor que la otra, simplemente dicen que son diferentes. Diferentes tanto en su proceso como en el vino que producen. La calidad del vino depende de multitud de factores y no tendría ningún sentido centrarla exclusivamente en la fermentación alcohólica y los microorganismos implicados en ella. Éste es únicamente uno de los muchos puntos en los que el enólogo decide cómo quiere elaborar su vino, ya que el enólogo es quien en última instancia decide cómo llevar su elaboración y todo depende principalmente del vino que se quiera elaborar. Lo que si se debe dejar claro de entrada es que con ambos tipos de fermentación alcohólica se pueden producir y de hecho se producen vinos de calidad. 7.2 Fermentación maloláctica Para no extender estos apartados teóricos y que no sea repetitivo, solo saber que con la fermentación maloláctica ocurre lo mismo que con la fermentación alcohólica, simplemente que su papel fundamental en vez de ser levaduras son bacterias. Usando bacterias autóctonas se consigue una fermentación maloláctica espontánea y con bacterias seleccionadas se consigue una fermentación maloláctica inoculada. Además saber que, con el procedimiento de inoculación se puede terminar la fermentación maloláctica del vino en aproximadamente ocho días, en cambio una fermentación espontánea se necesita 10-15 días. 7.3 Opción elegida para la mejora de la planta Una vez estudiado los conceptos teóricos, la mejora de la planta va ser realizar tanto la fermentación alcohólica como la fermentación maloláctica mediante fermentación inoculada. Recordando que con ambas fermentaciones se obtiene un vino de calidad. Usando esta vía menos convencional de fermentación se comprueba que, de ambas fermentaciones se reducen dos días de operación, casi un 30% con respecto a la tradicional. Como la planta está diseñada para unas condiciones y no se quieren cambiar, para aprovechar esos días excedentes se introducirán más suministro de materia prima, en concreto dos lotes de uvas, uno cada día, y así aumentar la producción. Se analizará si el coste adicional tanto de levaduras y bacterias comerciales como el aumento de suminstro de materia prima es rentable y es compensado por el beneficio obteniendo por la mayor producción. Lo primero de todo es la selección de levaduras y bacterias comerciales; se ha elegido tanto para vino tinto joven como vino tinto crianza, las levaduras seleccionadas de la cepa Saccharomyces cerevisiae var. Cerevisiae, carácter “Viniferm 3D (ver en el anexo 15 la ficha técnica) y en cuanto a las batericas lácticas se han seleccionado las cepas Oenococcus Oeni (ver en el anexo 16 la ficha técnica). En la Tabla 69 se muestra las cantidades necesarias en toda la campaña de ambas especies. Tabla 69. Cantidad necesaria por campaña de levaduras y bacterias comerciales Dosis recomendada Cantidad por campaña Levaduras activa 20 – 30 g/hl 35.250 g Bacterias lácticas 0,1 ml/l 11.436 ml Hojas de especificaciones 128 128 HOJA DE ESPECIFICACIÓN DE FERMENTADOR MALOLÁCTICO HOJA 1 DE 1 Proyecto: PLANTA PRODUCCIÓN DE VINO TINTO A PARTIR DE UVA TEMPRANILLO TAG EQUIPO TK-101 A/B CANTIDAD 11 DATOS GENERALES DENOMINACIÓN EQUIPO Fermentador maloláctico DESCRIPCIÓN Depósito donde se lleva a cabo la fermentación maloláctica, se introduce el vino producido en el fermentador alcohólico y el vino de primera prensa. DATOS DE OPERACIÓN FLUIDO Vino TEMPERATURA ENTRADA (ºC) 21 TEMPERATURA SALIDAD (ºC) 21 PRESIÓN (bar) 1,013 DENSIDAD (kg/m3) 1.005 VOLUMEN ÚTIL (%) 80 AISLAMIENTO No DATOS TÉCNICOS VOLUMEN (m3) 5,5 DIÁMETRO (m) 1,77 ALTURA (m) 2,65 POSICIONAMIENTO Vertical MATERIAL DE CONSTRUCCIÓN Acero inoxidable 129 129 Ingeniería Básica de una Planta de Producción de vino tinto joven y crianza a partir de uva tinta Tempranillo HOJA DE ESPECIFICACIÓN DE TANQUE HOJA 1 DE 2 Proyecto: PLANTA PRODUCCIÓN DE VINO TINTO A PARTIR DE UVA TEMPRANILLO TAG EQUIPO TC-101 A/B CANTIDAD 5 DATOS GENERALES DENOMINACIÓN EQUIPO Tanque de clarificación DESCRIPCIÓN Depósito en el que se almacena el vino tras la fermentación maloláctica y se produce la primera operación de acondicionamiento, la clarificación. DATOS DE OPERACIÓN FLUIDO Vino TEMPERATURA ENTRADA (ºC) 21 TEMPERATURA SALIDAD (ºC) 21 PRESIÓN (bar) 1,013 DENSIDAD (kg/m3) 1.005 VOLUMEN ÚTIL (%) 80 AISLAMIENTO No DATOS TÉCNICOS VOLUMEN (m3) 12,1 DIÁMETRO (m) 2,03 ALTURA (m) 3,05 POSICIONAMIENTO Vertical MATERIAL DE CONSTRUCCIÓN Acero inoxidable Hojas de especificaciones 130 130 HOJA DE ESPECIFICACIÓN DE TANQUE HOJA 2 DE 2 Proyecto: PLANTA PRODUCCIÓN DE VINO TINTO A PARTIR DE UVA TEMPRANILLO TAG EQUIPO TE-101 A/B CANTIDAD 4 DATOS GENERALES DENOMINACIÓN EQUIPO Tanque de estabilización tartárica DESCRIPCIÓN Depósito en el que se almacena el vino tras la clarificación y se produce la segunda operación de acondicionamiento, la estabilización tartárica mediante frio. DATOS DE OPERACIÓN FLUIDO Vino TEMPERATURA ENTRADA (ºC) -5,5 TEMPERATURA SALIDAD (ºC) -3 PRESIÓN (bar) 1,013 DENSIDAD (kg/m3) 1.005 VOLUMEN ÚTIL (%) 80 AISLAMIENTO Si DATOS TÉCNICOS VOLUMEN (m3) 12,1 DIÁMETRO (m) 2,03 ALTURA (m) 3,05 POSICIONAMIENTO Vertical MATERIAL DE CONSTRUCCIÓN Acero inoxidable 131 131 Ingeniería Básica de una Planta de Producción de vino tinto joven y crianza a partir de uva tinta Tempranillo HOJA DE ESPECIFICACIÓN DE INTERCAMBIADOR DE CALOR HOJA 1 DE 2 Proyecto: PLANTA PRODUCCIÓN DE VINO TINTO A PARTIR DE UVA TEMPRANILLO TAG EQUIPO E-101 CANTIDAD 1 DATOS GENERALES DENOMINACIÓN EQUIPO Intercambiador de carcasa y tubos DESCRIPCIÓN Enfriamiento del mosto de entrada al fermentador alcohólico (R- 101 A/B). DATOS DE OPERACIÓN LOCALIZACIÓN FLUIDO TUBOS CARCASA FLUIDO Mosto Agua CAUDAL (kg/min) 19,6 22,1 DISPOSICIÓN DE FLUIDOS Caliente Frío TEMPERATURA ENTRADA (ºC) 25 10 TEMPERATURA SALIDAD (ºC) 14 18,5 PRESIÓN (bar) 1,013 1,013 DENSIDAD (kg/m3) 1.100 999,2 VISCOSIDAD (Pa·s) 0,00137 0,00116 CONDUCTIVIDAD TÉRMICA (W/(m·K)) 0,440 0,576 FACTOR DE ENSUCIAMIENTO (m2·K/W) 0,0002 0,0001 VELOCIDAD DEL FLUIDO (m/s) 1,112 2,416 CALOR INTERCAMBIADO (kW) 13,12 13,12 DATOS TÉCNICOS ÁREA (m2) 0,964 LONGITUD (m) 3,865 NÚMERO DE TUBOS 5 DIÁMETRO DE LA CARCASA (in) 2,434 MATERIAL DE CONSTRUCCIÓN Acero inoxidable Hojas de especificaciones 132 132 HOJA DE ESPECIFICACIÓN DE INTERCAMBIADOR DE CALOR HOJA 2 DE 2 Proyecto: PLANTA PRODUCCIÓN DE VINO TINTO A PARTIR DE UVA TEMPRANILLO TAG EQUIPO E-102 CANTIDAD 1 DATOS GENERALES DENOMINACIÓN EQUIPO Intercambiador de carcasa y tubos DESCRIPCIÓN Enfriamiento del vino de entrada al depósito de estabilización tartárica (TE-101 A/B). DATOS DE OPERACIÓN LOCALIZACIÓN FLUIDO TUBOS CARCASA FLUIDO Vino Agua glicolada CAUDAL (kg/min) 70,32 90,36 DISPOSICIÓN DE FLUIDOS Caliente Frío TEMPERATURA ENTRADA (ºC) 21 -10 TEMPERATURA SALIDAD (ºC) -5,5 15 PRESIÓN (bar) 1,013 1,013 DENSIDAD (kg/m3) 1.005 1.053 VISCOSIDAD (Pa·s) 0,0025 0,0034 CONDUCTIVIDAD TÉRMICA (W/(m·K)) 0,6 0,43 FACTOR DE ENSUCIAMIENTO (m2·K/W) 0,0002 0,0001 VELOCIDAD DEL FLUIDO (m/s) 4,37 9,35 CALOR INTERCAMBIADO (kW) 124,1 124,1 DATOS TÉCNICOS ÁREA (m2) 8,916 LONGITUD (m) 35,75 NÚMERO DE TUBOS 5 DIÁMETRO DE LA CARCASA (in) 2,434 MATERIAL DE CONSTRUCCIÓN Acero inoxidable 133 133 Ingeniería Básica de una Planta de Producción de vino tinto joven y crianza a partir de uva tinta Tempranillo HOJA DE ESPECIFICACIÓN DE BOMBA HOJA 1 DE 4 Proyecto: PLANTA PRODUCCIÓN DE VINO TINTO A PARTIR DE UVA TEMPRANILLO TAG EQUIPO P-102 A/B CANTIDAD 5 DATOS GENERALES DENOMINACIÓN EQUIPO Bomba centrífuga DESCRIPCIÓN Bomba centrífuga encargada de realizar los remontados del fermentador alcohólico. DATOS DE OPERACIÓN FLUIDO Mosto CAUDAL (kg/h) 1.946 TEMPERATURA DE TRABAJO (ºC) 25 TEMPERATURA DE DISEÑO (ºC) 45 PRESIÓN DE ASPIRACIÓN (bar) 1,013 PRESIÓN DE IMPULSIÓN (bar) 1,013 DENSIDAD (kg/m3) 1.100 VISCOSIDAD (Pa·s) 0,00137 POTENCIA CONSUMIDA (kW) 5,5 DATOS TÉCNICOS MODELO MSVA-3/5,5 DIÁMETRO INTERNO (m) 0,0515 ALTURA (m) 91 NPSH REQUERIDO (m) 0,437 MATERIAL DE CONSTRUCCIÓN Acero inoxidable Hojas de especificaciones 134 134 HOJA DE ESPECIFICACIÓN DE BOMBA HOJA 2 DE 4 Proyecto: PLANTA PRODUCCIÓN DE VINO TINTO A PARTIR DE UVA TEMPRANILLO TAG EQUIPO P-103 CANTIDAD 1 DATOS GENERALES DENOMINACIÓN EQUIPO Bomba centrífuga DESCRIPCIÓN Bomba centrífuga encargada de impulsar el vino desde el fermentador maloláctico al depósito de clarificación. DATOS DE OPERACIÓN FLUIDO Vino CAUDAL (kg/h) 4.420 TEMPERATURA DE TRABAJO (ºC) 21 TEMPERATURA DE DISEÑO (ºC) 41 PRESIÓN DE ASPIRACIÓN (bar) 1,013 PRESIÓN DE IMPULSIÓN (bar) 1,013 DENSIDAD (kg/m3) 1.005 VISCOSIDAD (Pa·s) 0,0025 POTENCIA CONSUMIDA (kW) 0,75 DATOS TÉCNICOS MODELO NKP-G 32-125.1-102-0.75 AA DIÁMETRO INTERNO (m) 0,0515 ALTURA (m) 13 NPSH REQUERIDO (m) 3,335 MATERIAL DE CONSTRUCCIÓN Acero inoxidable 135 135 Ingeniería Básica de una Planta de Producción de vino tinto joven y crianza a partir de uva tinta Tempranillo HOJA DE ESPECIFICACIÓN DE BOMBA HOJA 3 DE 4 Proyecto: PLANTA PRODUCCIÓN DE VINO TINTO A PARTIR DE UVA TEMPRANILLO TAG EQUIPO P-104 CANTIDAD 1 DATOS GENERALES DENOMINACIÓN EQUIPO Bomba centrífuga DESCRIPCIÓN Bomba centrífuga encargada de impulsar el vino desde el depósito de clarificación hacia el filtro de placas (F-101). DATOS DE OPERACIÓN FLUIDO Vino CAUDAL (kg/h) 4.199 TEMPERATURA DE TRABAJO (ºC) 21 TEMPERATURA DE DISEÑO (ºC) 41 PRESIÓN DE ASPIRACIÓN (bar) 1,013 PRESIÓN DE IMPULSIÓN (bar) 1,013 DENSIDAD (kg/m3) 1.005 VISCOSIDAD (Pa·s) 0,0025 POTENCIA CONSUMIDA (kW) 0,75 DATOS TÉCNICOS MODELO NKP-G 32-125.1-102-0.75 AA DIÁMETRO INTERNO (m) 0,0515 ALTURA (m) 13 NPSH REQUERIDO (m) 3,064 MATERIAL DE CONSTRUCCIÓN Acero inoxidable Hojas de especificaciones 136 136 HOJA DE ESPECIFICACIÓN DE BOMBA HOJA 4 DE 4 Proyecto: PLANTA PRODUCCIÓN DE VINO TINTO A PARTIR DE UVA TEMPRANILLO TAG EQUIPO P-105 CANTIDAD 1 DATOS GENERALES DENOMINACIÓN EQUIPO Bomba centrífuga DESCRIPCIÓN Bomba centrífuga encargada de impulsar el vino desde el depósito de estabilización tartárica hacia el filtro de placas (F-102). DATOS DE OPERACIÓN FLUIDO Vino CAUDAL (kg/h) 4.163 TEMPERATURA DE TRABAJO (ºC) 2 TEMPERATURA DE DISEÑO (ºC) 22 PRESIÓN DE ASPIRACIÓN (bar) 1,013 PRESIÓN DE IMPULSIÓN (bar) 1,013 DENSIDAD (kg/m3) 1.005 VISCOSIDAD (Pa·s) 0,0025 POTENCIA CONSUMIDA (kW) 0,75 DATOS TÉCNICOS MODELO NKP-G 32-125.1-102-0.75 AA DIÁMETRO INTERNO (m) 0,0515 ALTURA (m) 13 NPSH REQUERIDO (m) 3,021 MATERIAL DE CONSTRUCCIÓN Acero inoxidable 137 137 Ingeniería Básica de una Planta de Producción de vino tinto joven y crianza a partir de uva tinta Tempranillo ANEXOS ANEXO 1. Evolución de la superficie de viñedos en España desde 2007 al 2017 Figura 39. Variación de viñedos en España por CCAA del 2007 al 2017 Anexos 144 144 ANEXO 4. Catálogo de despalilladora-estrujadora Figura 49. Despalilladora-estrujadora de la gama Delta E2 más elementos internos Figura 50. Características técnicas despalilladora-estrujadora [45] 145 145 Ingeniería Básica de una Planta de Producción de vino tinto joven y crianza a partir de uva tinta Tempranillo ANEXO 5. Fermentador alcohólico. El llenado y vaciado de los fermentadores de la planta Figura 51. Fermentador alcohólico Tabla 78. Lista de elementos del fermentador alcohólico Nº Elementos Nº Elementos 1 Válvula de doble efecto 8 Hélice evacuación de orujos 2 Tapa superior 9 Motor hidráulico para accionamiento de la hélice evacuadora 3 Difusor de remontado 10 Central hidráulica 4 Termómetro 11 Puerta en guillotina con apertura de émbolohidráulica: puerta de salida de orujos en guillotina con cierres herméticos de seguridad y apertura de accionamiento hidráulico 5 Válvula de bola 12 Puerta circular central de apertura exterior 6 Bomba de remontado 13 Camisa de refrigeración 7 Cuadro eléctrico de automatización remontado 14 Nivel de acero inoxidable y metacrilato Ingeniería Básica de una Planta de Producción de vino tinto joven y crianza a partir de uva tinta Tempranillo 147 Figura 52. Llenado y vaciado de los fermentadores FAx,y: Fermentación alcohólica FMx,y: Fermentación maloláctica V_L: Vaciado y limpieza del fermentador Subíndices: x → número de fermentación realizadas y → días de fermentación Ingeniería Básica de una Planta de Producción de vino tinto joven y crianza a partir de uva tinta Tempranillo 149 ANEXO 6. Prensa [46] Figura 53. Prensa Smart Press cuba cerrada SPC 40 Figura 54. Dimensiones de la prensa Anexos 150 150 Figura 55. Características técnicas de la máquina de prensado Ingeniería Básica de una Planta de Producción de vino tinto joven y crianza a partir de uva tinta Tempranillo 151 ANEXO 7. Operación de clarificación Figura 56. Llenado y vaciado de los depósitos de clarificación FMx,y: Fermentación maloláctica (especificado al completo en el Anexo 5) Cx,y: Clarificación V_L: Vaciado y limpieza de los depósitos Subíndices: x → número de operaciones realizadas en cada depósito y → días de fermentación/clarificación Ingeniería Básica de una Planta de Producción de vino tinto joven y crianza a partir de uva tinta Tempranillo 153 ANEXO 8. Operación de estabilización tartárica Figura 57. Llenado y vaciado de los depósitos de estabilización tartárica Cx,y: Clarificación (especificado al completo en el Anexo 7) Ex,y: Estabilización tartárica V_L: Vaciado y limpieza de los depósitos Subíndices: x → número de operaciones realizadas en cada depósito y → días de clarificación/estabilización