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FENOMENO DE OSMOSIS EN VINOS INGENIERÍA Y TECNOLOGÍA DE BEBIDAS ALCOCHOLICAS Y CARBONATADAS
VII CICLO INGENIERIA DE ALIMENTOS January 1, 2013
Perteneciente a: Yoselyn Salcedo Salguero
I. INTRODUCCION El fenómeno de la ósmosis inversa fue descrito por vez primera por Sir Charles E. Reid en el año 1953 para obtener agua potable procedente del agua del mar y constituir una fuente de agua potable. La propuesta de Sir Reid fue sometida a consideración por la Oficina de Aguas Salinas de EUA y aparecieron algunas objeciones a la idea. En una de ellas se consideraba a la ósmosis inversa como un proceso no práctico o de difícil logro y que en caso de funcionar, sería tan solo una curiosidad a modo de experimento didáctico de laboratorio. La controversia más dura a la propuesta de Reid fue cuando se demostró que se carecía, por aquel entonces, de una membrana de características y calidad adecuada para efectuar de forma eficiente el proceso de ósmosis inversa tal como se había descrito. Efectivamente, al aprobarse el proyecto de Sir Reid se determinó que era un problema enorme el hecho de conseguir una membrana osmótica que tuviera las capacidades físicas y químicas de realizar ese proceso sin sufrir alteraciones en su naturaleza ni interferir químicamente con el disolvente II. MARCO TEORICO 2.1. OSMOSIS El fenómeno de la Ósmosis está basado en la búsqueda del equilibrio. Cuando se ponen en contacto dos fluidos con diferentes concentraciones de sólidos disueltos se mezclarán hasta que la concentración sea uniforme. Si estos fluidos están separados por una membrana permeable (la cual permite el paso a su través de uno de los fluidos), el fluido que se moverá a través de la membrana será el de menor concentración de tal forma que pasa al fluido de mayor concentración. (Binnie et. al. 2002).
2.1.1. PROPIEDADES. La ósmosis u osmosis es un fenómeno físico-químico que hace referencia al paso de disolvente, pero no de soluto, entre dos disoluciones de distinta concentración separadas por una membrana semipermeable. La ósmosis es un fenómeno biológico de importancia para la fisiología celular de los seres vivos.Una membrana semipermeable es aquella que contiene poros de tamaño molecular. El tamaño de los poros es minúsculo, por lo que dejan pasar las moléculas pequeñas pero no las grandes. Si una de estas membranas separa un líquido en dos particiones, por ejemplo una de agua pura y otra de agua con azúcar, suceden distintos fenómenos que son explicados con los conceptos de potencial electroquímico y difusión simple.
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Los potenciales químicos de los componentes de una solución son menores que la suma del potencial de dichos componentes cuando no están ligados en la solución. Este desequilibrio hace que se produzca un flujo de partículas solventes hacia la zona de menor potencial, que se expresa como presión osmótica mensurable en términos de presión atmosférica. El solvente fluirá hacia el soluto hasta equilibrar dicho potencial o hasta que la presión hidrostática equilibre la presión osmótica. 2.2. OSMOSIS INVERSA La Osmosis Inversa consiste en separar un componente de otro en una solución, mediante las fuerzas ejercidas sobre una membrana semi-permeable. Su nombre proviene de "osmosis", el fenómeno natural por el cual se proveen de agua las células vegetales y animales para mantener la vida. En el caso de la Osmosis, el solvente (no el soluto) pasa espontáneamente de una solución menos concentrada a otra más concentrada, a través de una membrana semi-permeable. Entre ambas soluciones existe una diferencia de energía, originada en la diferencia de concentraciones. El solvente pasará en el sentido indicado hasta alcanzar el equilibrio. Si se agrega a la solución más concentrada, energía en forma de presión, el flujo de solvente se detendrá cuando la presión aplicada sea igual a la presión Osmótica Aparente entre las 2 soluciones. Esta presión Osmótica Aparente es una medida de la diferencia de energía potencial entre ambas soluciones. Si se aplica una presión mayor a la solución más concentrada, el solvente comenzará a fluir en el sentido inverso. Se trata de la Osmosis Inversa. El flujo de solvente es una función de la presión aplicada, de la presión osmótica aparente y del área de la membrana presurizada.
Figura: Esquema básico de un sistema de ósmosis inversa.
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2.2.1. MEMBRANAS DE OSMOSIS INVERSA.
Membrana perteneciente a la familia de las membranas semipermeables "composites" de capa fina (llamada TFC, Thin Film Composite).Se trata de un proceso con membranas. La ósmosis inversa es un tratamiento de enriquecimiento de muestras, por medio de un procedimiento de membrana, para eliminar el agua pura y, de esta forma, aumentar el contenido en azúcares y otros constituyentes en solución de los mostos de uva. Es un método físico de eliminación de una parte de agua de un mosto con ayuda de una membrana semipermeable bajo la acción de un gradiente de presión, a temperatura ambiente y sin cambio ni alteración de su estado. El equipo está constituido esencialmente de una bomba llamada “de gavaje” alimentando una
bomba de alta presión (p. ej., 100 bares) que permiten vencer la presión osmótica, de un bloque de membranas y de aparatos de control, caudalímetro, indicador y regulador de presión, etc. Una vez fabricada, la membrana atraviesa numerosos baños de extracción conteniendo agua a alta temperatura para eliminar cualquier traza de solventes y de monómeros residuales. En particular, no puede ceder, en condiciones normales o imprevistas constituyentes susceptibles de presentar un riesgo para la salud humana (principalmente en lo concerniente al compuesto más fácilmente medible, el cloruro de sodio, debe asegurar una tasa de retención superior al 99%). La membrana no debe entrañar una modificación inaceptable de la composición de mosto de uva (o de una solución conteniendo 170 g/l de azúcar, 5 g/l de ácido tartárico neutralizado a pH 3,5 con hidróxido de potasio) ni entrañar una alteración de los caracteres organolépticos. 2.3. USOS ALIMENTARIOS
-Fabricación de cerveza con bajo contenido en alcohol.- La cerveza fermentada con un bajo contenido alcohólico no posee ni un sabor ni un aroma satisfactorios. Por lo que es mejor producir una cerveza con un contenido alcohólico normal o alto y reducir o eliminar dicho contenido posteriormente. El proceso de la desalcoholización de la cerveza se basa en el hecho de que algunas membranas retienen difícilmente el etanol. La cerveza se bombea hacia la membrana de ósmosis inversa obteniéndose por un lado un permeado formado por agua, la mayor parte del alcohol y algunos ácidos orgánicos de bajo peso molecular y por otro un concentrado de cerveza. El agua no destilada, junto con los componentes de bajo peso molecular se mezclan de nuevo con la cerveza concentrada, dando lugar a la cerveza con bajo contenido en alcohol.
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-Fermentación alcohólica.- La ósmosis inversa puede utilizarse para producir alcohol a partir de los jugos azucarados. El contenido de la cuba de fermentación alcohólica se bombea constantemente membranas de ósmosis inversa permitiendo el paso de agua y alcohol que se destila separando el agua del alcohol. -Estabilización de vinos.-La estabilización del vino tiene por objeto eliminar un precipitado de tartrato potásico que disminuye generalmente su valor comercial y puede hacerse precipitando los tartratos de forma controlada, tras concentrar el vino por ósmosis inversa. Hacer pasar el vino a través de una ósmosis inversa, obteniéndose, por un lado, un permeado que representa aproximadamente el 60% del volumen inicial, y por otro, un concentrado que supone el 40% restante en el que los distintos productos que no pueden atravesar las membranas se encuentran concentradas 2,5 veces.
2.4. APLICACIÓN EN LA INDUSTRIA DEL VINO Y LA CERVEZA. Desde el comienzo de los años 90 se pusieron a disposición de las bodegas nuevas tecnologías de membranas de microfiltración y ósmosis inversa, acercando soluciones innovadoras al proceso de fabricación del vino.Dadas las condiciones específicas, los equipos exigen controles muy estrictos, requiriendo presiones muy altas y temperaturas que llegan a los 90ºC durante la sanitización de los mismos.Al definirse el momento de cosecha, teniendo en cuenta la madurez de las uvas, se determinan muchas variables del proceso de fabricación: una uva más madura implica mayor nivel de azúcar, mayor nivel de alcohol, menor nivel de ácidos y pH más alto.La ósmosis permite llegar a un balance adecuado, mejorando mostos que no tengan la composición deseada, a la vez constituye una herramienta fenomenal cuando las lluvias en época de cosecha "diluyen" la calidad del vino.
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El diagrama ilustra un proceso típico de concentración del vino mediante membranas (4) que sólo dejan pasar a la corriente 7 moléculas cuyo peso molecular es menor que 100. De este modo, en el tanque 1 se concentra el azúcar, color, sabor, t aninos y acidez, que conforman el "carácter" del vino. El permeado, que se almacena en el tanque 5, tiene la apariencia de agua y no contiene ácido tartárico, cítrico o málico. Está constituido primariamente por alcohol, agua, acetato de etilo y ácido acético. Es clave la selección de la membrana, ya que si no permea ácido y éstos se concentran como los azúcares, el resultado puede ser desfavorable. Los técnicos de la bodega finalmente deciden cómo se habrán de mezclar las corrientes separadas para lograr su objetivo final en la fabricación. La ósmosis inversa puede mejorar drásticamente la calidad de un vino, siempre que al adoptar este proceso, éste forme parte de una estrategia en la producción. Las nuevas tecnologías de membranas aplicadas a la concentración de mostos fueron rápidamente adoptadas en Estados Unidos y Australia. Al separar el jugo de uva se pierden azúcares presentes en el mosto, que bien pueden ser recuperados con fines de endulzamiento posterior o fermentación. En Francia la reticencia a adoptar estos procesos fue vencida, y ya puede hablarse de más de 50 instalaciones de ósmosis inversa en la zona de Bordeaux. El tema fue en principio tratado por los especialistas como una "cirugía estética" a los procesos naturales que hacen a la cultura vitivinícola y desembocan en la fermentación y elaboración del vino. La aceptación de tecnologías desarrolladas por el hombre incursionando en sectores reservados a la Naturaleza siempre asegura un debate prolongado. 2.5. EL PROCESO DE EXTRAER EL ALCOHOL DEL VINO Existen dos procesos que nos permiten extraer el alcohol sin repercutir demasiado en los aromas y sabor de este: MÉTODO DE ÓSMOSIS INVERSA
En este método, también llamado de ósmosis inversa, el vino fluye con gran presión a lo largo de una membrana con poros muy pequeños en vez de atravesarla. Las membranas-malla en los cilindros (ver paso 3) separan el vino en un sirope concentrado de una mezcla de alcohol y agua. Tras repetir este ciclo de 10 a 30 veces, se reintroduce agua al concentrado para obtener el producto final. A continuación puedes ver el proceso paso a paso:
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1.- El tanque base es llenado inicialmente con vino. 2.- Una bomba empuja el vino hacia la unidad de ósmosis inversa. 3.- Los cilindros tienen membranas que separan el sirope concentrado del alcohol y el agua. 4.- El agua y alcohol se trasvasan a un tanque almacén. El concentrado es retornado al tanque base y reciclado de 10 a 30 veces. Por último se añade agua al concentrado para crear el producto final. MÉTODO DE COLUMNA DE CONOS ROTATORIOS
A través de la técnica llamada Spinning Cone Column, al vino base se le extraen primero los aromas, posteriormente el alcohol, y una vez finalizada la extracción, se le añaden nuevamente los aromas que son completamente naturales:
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2.5. INTERVENCIONES A NIVEL DE LA FERMENTACIÓN ALCOHÓLICA Se están explorando dos vías básicas de investigación: -La desalcoholización parcial al inicio de la fermentación mediante los distintos procedimientos mencionados anteriormente o por stripping permitiría reaccionar antes de que los compuestos aromáticos debidos a la actividad fermentadora no se acumularan. En efecto, la idea de esta aproximación técnica se basa en los conocimientos adquiridos sobre la variedad de aromas y las cinéticas de producción de los compuestos aromáticos durante la fermentación alcohólica; las variedades aromáticas aparecen, para la uva, mayoritariamente en forma de precursores no volátiles que se revelan en las distintas etapas de la elaboración de los vinos, siendo los aromas de fermentación principalmente formados durante la fase estacionaria, sobre todo los esteres. Entonces concentramos todo el interés por intentar eliminar el etanol, sobre la base de sus propiedades de volatilidad, en las primeras fases de su producción aunque, la preparación concomitante de componentes volátiles podría tener consecuencias sobre el metabolismo de las levaduras que convendría estudiar simultáneamente (Trabajos dirigidos por Jean-Marie Sablayrolles, UMR Ciencias de la Enología, Montpellier).
Figura: Desalcoholización parcial al inicio de la fermentación -La riqueza de los mostos en sustratos fermentables condiciona el contenido de alcohol a la salida de la fermentación en función del rendimiento de conversión de los azúcares en etanol; cualesquiera que sean las cepas de levadura de S. cerevisiae. Este rendimiento de conversión es relativamente similar, convirtiendo la simple búsqueda de cepas de débil rendimiento, entre las cepas existentes, ineficaz para el objetivo deseado. El objetivo de las investigaciones a realizar es el de llegar a desviar en S. cerevisiae, una parte del metabolismo del carbono hacia otros metabolitos diferentes del etanol. La estrategia contemplada recae sobre la amplificación del flujo carbonado a través de la vía de las pentosas fosfato (VPP). El principio consiste en forzar la levadura a utilizar mejor las pentosas, consideradas como fuente de carbono pobre.
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Algunos mutantes adaptados al crecimiento sobre pentosas se buscan a partir de cepas enológicas industriales con la ayuda de un acercamiento a la adaptación dirigida a permitir acelerar la velocidad de selección natural. La caracterización fina de las cepas adaptadas pondrá en funcionamiento de manera integrada el análisis del transcriptoma, del proteoma, y de los perfiles metabólicos de las cepas. (Trabajos dirigidos por Sylvie Dequin, UMR Ciencias para la Enología, Montpellier) Distintos procedimientos de reducción de la concentración de etanol de los vinos son operacionales (SCC, ósmosis inversa / destilación o membranas de contacto) otros son más prospectivos ya que pretenden hacer menos costosa la operación de desalcoholización y preservar cada vez más las cualidades organolépticas. Dejando de lado estos criterios, la elección de las tecnologías dependerá de las posibilidades dadas por las normas. En los países vitícolas europeos la detención de alcoholes, el transporte de alcohol y la destilación de productos fermentados están muy reglamentados y, por otro lado, el «remojo» (añadir agua) está proscrito; finalmente, las membranas de ultrafiltración y de nanofiltración no están definidas por las legislaciones que influyen a las prácticas enológicas. Estas tensiones, según las disposiciones reglamentarias que se tomarán en el futuro, podrían restringir duramente un tiempo el campo de posibilidades técnicas ofrecidas. III.ESTUDIO EXPERIMENTAL 3.1. DESALCOHOLIZACIÓN PARCIAL DE VINOS ROSADOS DE NAVARRA POR ÓSMOSIS INVERSA. En la vendimia 2009 se estudio en EVENA la desalcoholizacion parcial de mostos y vinos, por el sistema de pervaporacion, que consiste en la desalcoholizacion parcial del mosto o vino mediante el paso directo por una membrana.La experiencia se realizo en la Bodega experimental del Departamento de Desarrollo Rural, Medio Ambiente y Administracion Local con mosto y vino de garnacha, Cosecha 2009. Se utilizo el equipo Master Mind Remove de JUCLAS Beveragesystem del Grupo VASON La membrana tiene unas caracteristicas especiales que le hace ser selectiva permitiendo el paso de alcohol. El alcohol pasa al agua que entra en una corriente en paralelo, pero la membrana al ser hidrofoba no permite el paso del agua evitando de esta manera su contacto con el vino (Figura 3). Fig. 3: Esquema de filtro de membrana del sistema de Pervaporación.
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3.2. El planteamiento de este estudio se basaba en tres experiencias: a). Desalcoholización de vino rosado en proceso de fermentación. Variedad Garnacha. Se procede a la eliminacion de alcohol cuando la densidad está a 1020 gr./L. b). Desalcoholización de vino rosado. Variedad Garnacha. Vino clarificado con bentonita (40gr./HL.) y filtrado por tierras (desbastado-abrillantado). c). Desalcoholización de vino tinto. Variedad Merlot. Vino no clarificado aunque filtrado por placas K200. Y las variantes para cada experiencia: _ Testigo sin eliminación de alcohol. _ Variante con eliminación de 2% Vol. _ Variante con eliminación de 25% Grado Alcohólico Volumétrico Adquirido. FERMENTACION
_ La desalcoholización en mosto-vino mejora los finales de fermentaciones difíciles de las vinificaciones en rosado. ANALITICAMENTE
_ La extracción parcial de alcohol mediante el paso directo por membrana afecta a la composición química tanto en vinos tintos como en rosados. _ Al eliminar parte del alcohol se produce un incremento de la acidez total y descenso de pH
_ La desalcoholización no afecta, significativamente y desde el punto de vista analítico, a la intensidad colorante de los vinos, pero si hay que destacar la influencia que tiene en la tonalidad de los mismos, disminuyendo la relacion DO420 / DO 520 a medida que aumenta la extraccion de alcohol. Los vinos mas desalcoholizados presentan tonos mas vivos que los testigos, debido fundamentalmente al aumento de la acidez total. _ No influye de forma significativa en el contenido de cationes. _ Disminuye el contenido en alcoholes superiores, esteres totales y acetato de etilo según aumentamos el grado de extracción de alcohol, lo que implica pérdida de fracción Aromática. _ Aumento del contenido en glicerina y extracto seco en los vinos parcialmente desalcoholizados, con mayor significación en vinos tintos.
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ORGANOLEPTICAMENTE
Vinos Rosados _ Los catadores valoran mejor el vino testigo que presenta más cantidad de aromas, mas complejidad y mejor estructura. _ El leve aumento en compuestos relacionados con la sensación de cuerpo, como la glicerina y extracto seco, no compensan la perdida de estructura sufrida por la eliminación de alcohol. _ En el vino más desalcoholizado (25% del Grado Alcohólico Volumétrico Adquirido), hay una pérdida de aromas muy importante, falta de estructura, sensaciones acuosas, exceso de acidez y desequilibrio de sabores. Vinos Tintos _ Los catadores valoran mejor el vino que soporta una desalcoholizacion intermedia (2% Vol.). Se valora muy positivamente la perdida de sensaciones ardientes y la mejor armonía respecto a las otras variantes. _ El aumento en compuestos relacionados con la sensacion de cuerpo, como la glicerina y el extracto seco, compensan la pérdida de estructura sufrida por la eliminacion de alcohol. _ El vino más desalcoholizado (25% del Grado Alcoholico Volumetrico Adquirido), presenta una perdida muy importante de aromas, falta de estructura, sensaciones acuosas, exceso de acidez y final amargo. 3.4. MATERIALES Y MÉTODOS El equipo utilizado para eliminar el alcohol funciona por el sistema de OSMOSIS INVERSA, que es un sistema de filtración muy fina que solo deja pasar partículas con tamaño inferior a 0,001 μm. 3.4.1. Tratamientos en Vino Rosado en Proceso de Fermentación La figura 4 muestra el proceso de desalcoholizacion en Vino Rosado en Proceso de Fermentacion, en lo sucesivo VRPF. El proceso es el siguiente: el VRPF pasa desde el deposito pulmon a un sistema de desbastado para reducir la materia en suspension y el CO2 disuelto. A continuacion, pasa por un recipiente que actua como equilibrador de la presion, para que la membrana del osmotizador pueda funcionar sin problemas.En el siguiente paso se realiza la osmosis inversa: el VRPF llega limpio y con presión equilibrada al sonorizador, que consta de una membrana que separa la fracción vino concentrado de un permeado que contiene agua, ácido acético y alcohol. El permeado se somete a destilación mediante una columna que permite separar el alcohol, obteniendo un permeado desalcoholizado, que se incorpora al VRPF de partida.
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Fig. 4: Funcionamiento del sistema de desalcoholización por ósmosis inversa en proceso de fermentación. 3.4.2. Tratamientos en Vino Rosado La figura 5 muestra el proceso de desalcoholización en Vino Rosado terminado. El proceso es el siguiente: el vino pasa directamente del depósito pulmón a la membrana de Ósmosis que separa la fracción vino del permeado de agua, ácido acético y alcohol. Después este permeado se somete a destilación, separando el alcohol por un lado, y el permeado desalcoholizado por otro, que se añade al vino inicial.
Fig.5: Funcionamiento del sistema de desalcoholización por ósmosis inversa en vinos.
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Equipos de ósmosis inversa: tecnologías para mejorar las características del vino
CONCLUSIÓN Las técnicas correctivas de reducción del contenido en azúcar de los mostos o del contenido en etanol de los vinos, no tienen que ser las únicas a ser tomadas en cuenta, no son más que una manera de adaptarse, a corto plazo, a una situación que no podría más que perdurar según las previsiones climáticas de las que disponemos. Por lo tanto debemos programar otras inversiones, más bien desde una perspectiva de acercamiento vitícola. Parece sensato, en efecto, examinar las condiciones de adaptación del comportamiento del viñedo a las nuevas condiciones climáticas abriendo así un amplio campo de investigación. La búsqueda, en los institutos de investigación, de variedades no explotadas de material vegetal cualitativo acumulando menos azúcares fermentables durante la maduración de la uva sigue siendo, también, una vía pertinente y técnicamente accesible.
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