Contribución al proceso de industrialización de la tecnología de pertracción evaporativa para el ajuste del grado alcohólico de vinos blancos y tintos

Teniendo en cuenta esta problemática, la International Organisation of Vine and Wine (OIV) ha permitido el uso de distintas prácticas enológicas con el objetivo de reducir la concentración de etanol en los vinos. Entre las tecnologías más ampliamente utilizadas en el sector, se encuentran la columna de conos rotatorios (SCC) y las membranas de ósmosis inversa (RO). Los principales inconvenientes de estas técnicas son el elevado consumo energético y el efecto negativo de las condiciones de operación sobre la calidad del vino (Margallo et al. 2015, Meillon et al. 2010, 2009).

El presente trabajo, enmarcado dentro del Programa Oficial de Doctorado en Ingeniería Química y de Procesos de la Universidad de Cantabria, ha sido financiado por el Ministerio de Economía y Competitividad a través del proyecto INNPACTO ‘Reducción de oxígeno disuelto y desalcoholización en vinos mediante el uso de membranas hidrofóbicas’ (IPT-060000-2010-016). En este trabajo de tesis doctoral, se presenta la tecnología de pertracción evaporativa (en adelante PE) a escala de planta piloto como una técnica prometedora basada en el uso de contactores de membrana para la desalcoholización parcial de vinos. La PE opera a temperatura ambiente y presión atmosférica, minimizando así el consumo energético respecto de otros métodos de desalcoholización (Margallo et al. 2015).

El proceso de PE se basa en la transferencia de compuestos volátiles, como es el caso del etanol, entre dos fases acuosas (alimentación y extractante) a través de un módulo de membrana. La fuerza impulsora es el gradiente de presión de vapor de los compuestos volátiles entre las fases alimentación y extractante. El módulo de membrana es un contactor de fibras huecas hidrófobas, el cual, evita el contacto entre ambas fases. El vino circula por un lado de la membrana, mientras que por el otro lado de la membrana circula agua en contracorriente. La diferencia de presión parcial de los componentes volátiles entre ambas fases genera la fuerza impulsora necesaria para realizar la transferencia de materia (Diban et al. 2013). Por lo tanto, los compuestos volátiles se evaporan de la fase alimentación, atraviesan la membrana mediante difusión en la fase gas contenida en los poros y a continuación se disuelven en la fase extractante.

Uno de los principales inconvenientes encontrados, tanto a escala de laboratorio en trabajos anteriores como de planta piloto, es la disminución de la concentración de los aromas del vino (Diban et al. 2013). Teniendo en cuenta este escenario, el objetivo de este trabajo de tesis doctoral ha sido generar conocimiento que contribuya y facilite la industrialización de la tecnología de PE para la reducción del grado alcohólico en vinos. Con este objetivo, se ha llevado a cabo un importante esfuerzo en la investigación del proceso de separación mediante PE con la finalidad de reducir el contenido en alcohol etílico minimizando la pérdida aromática y poder así convertir en viable esta tecnología desde el punto de vista organoléptico e industrial.

Modelo matemático

Se ha desarrollado un modelo matemático que permite describir la influencia de las variables de operación en el grado de desalcoholización y la pérdida de contenido aromático tras la aplicación de la tecnología PE. Se han identificado los fenómenos de transporte de materia que intervienen en la desalcoholización mediante contactores de membrana y se han planteado los balances de materia en las distintas unidades del sistema.

Vinos utilizados

Se han analizado las condiciones industriales en la desalcoholización de vinos blancos y tintos trabajando con las siguientes variedades de vino blanco: i) Carel·lo (11.5% vol.), ii) Garnacha blanca (13.9% vol.) y iii) Chardonnay (12.3% vol.), mientras que las variedades de vino tinto utilizadas han sido: iv) Cabernet Sauvignon (14.0% vol.), v) Cariñena (14.5% vol.), vi) Tempranillo (13.4% vol.) y vii) Garnacha tinta (15.5% vol.). Se han definido los aromas impacto y se han determinado experimentalmente los valores de sus coeficientes de reparto para la modelización.

Validación teórica y experimental

Trabajando con una unidad piloto PE (Figura 2), con un área de membrana de 19.3 m2, se ha llevado a cabo el análisis teórico de influencia de variables a través del modelado matemático y posteriormente se ha procedido a la validación experimental del modelo. Se ha analizado la respuesta del proceso, expresada en términos de flujo de etanol y aromas, así como la calidad organoléptica de los vinos, a las siguientes variables i) caudal de las corrientes, ii) pH de la fase extractante, iii) relación volúmenes alimentación/fase extractante e, iv) estrategias de proceso (configuración de las corrientes, desalcoholización en exceso de menores volúmenes de alimentación y mezclado con vino sin procesar, etc.). En todos los casos, se ha perseguido el objetivo de conseguir la menor pérdida aromática con un grado de desalcoholización objetivo del 2% vol.

Viabilidad industrial

Se ha evaluado la viabilidad de implantación de la tecnología de PE a nivel industrial. Para ello se ha realizado: 1) un estudio de cargas ambientales mediante el análisis de ciclo de vida de la PE en comparación con otros procesos de desalcoholización, 2) un estudio de sensibilidad de la unidad piloto PE al tratamiento de volúmenes industriales de la fase de alimentación (vino) y de la fase extractante (agua).

A continuación, se destacan las principales conclusiones obtenidas en el trabajo.

1. Sobre el análisis teórico del proceso de transporte de materia y resultados del modelado del mismo, para el etanol, la mayor resistencia al transporte se encuentra localizada en la membrana y por tanto la influencia de los caudales de las corrientes es despreciable. Para los aromas, por el contrario, al estar en muy bajas concentraciones, las resistencias de las películas líquidas de ambas fases se ven notablemente influenciadas por el caudal de las corrientes y su configuración de trabajo. Como consecuencia de las simulaciones realizadas en el intervalo de variables estudiado, se selecciona un caudal de operación de 400L/h y una reducción del pH de extractante de 7.00 a 3.00, con el objetivo de conseguir una reducción del 20% en el coeficiente global de transferencia de materia de los aromas, sin alterar la extracción de etanol. Recirculando la alimentación por la carcasa y la fase extractante por el interior de las fibras, se consigue reducir en un 30% el coeficiente global de transporte de materia de aromas. En cuanto a la influencia de la relación de volúmenes fase alimentación / fase extractante sobre el gradiente impulsor del etanol y de los aromas, se ha visto que valores de esta variable de operación superiores a una relación 2:1 implican una reducción del gradiente impulsor de los aromas reduciendo de esta forma la pérdida aromática.

2. Sobre el análisis experimental en la planta piloto PE se concluye que, en cuanto a la validación del modelo matemático, se ha obtenido un buen ajuste para el etanol y los aromas del vino (Figura 3).

En cuanto a los experimentos donde se comparan el uso de una estrategia de desalcoholización directa de un 2% vol. frente a una estrategia de desalcoholización en exceso (4%) y mezclado 1:1 con fase vino sin desalcoholizar, se ha observado que la segunda estrategia afecta positivamente a la pérdida aromática (la reduce), sin embargo, no se han detectado cambios significativos desde el punto de vista organoléptico. Finalmente, como resultado del análisis organoléptico de un vino tinto de elevado grado alcohólico (15.5% vol.) tratado mediante PE, se obtiene que a pesar de que la reducción de un 2% vol. de etanol conlleva una pérdida aromática de hexanoato de etilo del 35% y de octanoato de etilo del 47%, se perciben con mayor intensidad atributos de calidad olfativos de los vinos tintos. Además, el grado de desalcoholización objetivo del 2% vol. no conlleva desequilibrio entre los distintos componentes del vino (acidez, taninos, calidez), en comparación con los resultados encontrados para otras técnicas de desalcoholización (Meillon et al. 2010, 2009). Por lo tanto, estos resultados confirman que la tecnología de PE es una técnica competitiva a nivel sensorial respecto otras técnicas presentes en la industria enológica.

3. Sobre la evaluación de la viabilidad de implantación industrial de la tecnología PE se concluye que el análisis del ciclo de vida basado en el consumo de recursos naturales (energía, agua y materiales) y las emisiones medioambientales comparando las tecnologías de desalcoholización PE, RO y SCC muestra que la tecnología de PE es la técnica de desalcoholización con menor consumo energético y de materiales, juntamente con un menor impacto medioambiental (Figura 4).

Teniendo en cuenta el empleo de agua como fase extractante en la PE, se ha procedido a estudiar la minimización del consumo de agua. En este estudio de minimización, se evalúa de forma teórica el tratamiento de 10.000 litros de vino, empleando el conjunto de variables de operación estudiadas que producen una menor pérdida aromática y asumiendo, por un lado, un grado de desalcoholización objetivo del 2% vol., y por otro lado, un área de membrana de 80 m2. Se obtiene un volumen de agua recomendable de 3800 litros (2.6:1), en un tiempo de operación asumible de 9 horas y unas pérdidas aromáticas inferiores al 30% viables a nivel organoléptico.

De las conclusiones individuales mostradas anteriormente se puede decir que el desarrollo del modelo matemático de PE y las simulaciones realizadas han permitido seleccionar las condiciones de operación más favorables para el objetivo del proceso (reducción de un 2% de contenido alcohólico con menor pérdida aromática). La validación experimental y posterior análisis de calidad de los vinos tratados confirman que la tecnología de PE es una técnica competitiva a nivel industrial respecto las presentes técnicas de desalcoholización de vinos que se encuentran en el mercado desde el punto de vista organoléptico y medioambiental.

Referencias bibliográficas

• Diban, N.; Arruti, A.; Barceló, A.; Puxeu, M.; Urtiaga, A.; Ortiz, I. Membrane dealcoholization of different wine varieties reducing aroma losses. Modeling and experimental validation. Innovative Food Science and Emerging Technologies, 2013, http://dx.doi.org/10.1016/j.ifset.2013.05.011
• Margallo, M.; Aldaco, R.; Barceló, A.; Diban, N.; Ortiz, I.; Irabien, A.; Life cycle assessment of technologies for partial dealcoholisation of wines. SPC, 2015, 29-39.
• Meillon, S.; Dugas, V.; Urbano, C.; Schlich, P. Preference and acceptability of partially dealcoholized white and red wines by consumers and professionals. Am. J. Enol. Vinic., 2010, 61 (1), 42-52.
• Meillon, S.; Urbano, C.; Schlich, P. Contribution of the Temporal Dominance of Sensation (TDS) method to the sensory description of subtle differences in partially dealcoholized red wines. Food Quality and Preference, 2009, 20, 490-499.
• Wine Intelligence, 2014. Recuperado de http://www.wineintelligence.com/