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DOCUMENTO N1 MEMORIA

MEMORIA DESCRIPTIVA

DISEO DE UNA PLANTA INDUSTRIAL DE ELABORACIN INTEGRAL DE VINAGRE. Gema Quiones Flores

Memoria descriptiva

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1. PROPUESTA DE PROYECTO FIN DE CARRERA ...............................Pg. 5

2.OBJETO DEL PROYECTO..........................................................................Pg. 6

3. ANTECEDENTES .......................................................................................Pg. 7

3.1. Definicin de vinagre ........................................................................Pg. 7

3.1.1. Composicin qumica del vinagre..........................................Pg. 7

3.2. Fermentacin actica .......................................................................Pg. 13

3.2.1. Variables que influyen en la fermentacin actica.............Pg. 14

3.2.1.1. pH...............................................................................Pg. 14

3.2.1.2. Etanol .........................................................................Pg. 14

3.2.1.3. cido actica.............................................................Pg. 15

3.2.1.4. SO2 ..............................................................................Pg. 15

3.2.1.5. Densidad de poblacin............................................Pg. 16

3.2.1.6. Oxgeno disuelto ......................................................Pg. 16

3.2.1.7. Temperatura .............................................................Pg. 17

3.2.2. Fases de la fermentacin actica ...........................................Pg. 17

3.3. Elaboracin del vinagre .................................................................Pg. 20

3.3.1. Fermentacin en cultivo superficial .....................................Pg. 21

3.3.2. Fermentacin en cultivo sumergido.....................................Pg. 21

3.3.3. La materia prima.....................................................................Pg. 22

4. JUSTIFICACIN DEL PROYECTO .......................................................Pg. 24


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5. DESCRIPCIN GENERAL DEL PROCESO.........................................Pg. 26

6. DESCRIPCIN TCNICA DE CADA EQUIPO

Y SUS CONDUCCIONES............................................................................Pg. 29

6.1. Seleccin de materiales....................................................................Pg. 29

6.1.1. Recipientes sometidos a Presin y componentes ...............Pg. 29

6.1.2. Conducciones ..........................................................................Pg. 31

6.2. Depsito de almacenamiento de vino...........................................Pg. 31

6.3. Fermentadores..................................................................................Pg. 33

6.3.1. Antiespumante ........................................................................Pg. 34

6.3.1.1. Seleccin ....................................................................Pg. 35

6.3.1.2. Datos tcnicos ...........................................................Pg. 36

6.3.2. Aireador- agitador ..................................................................Pg. 37

6.3.2.1. Introduccin terica.................................................Pg. 37

6.3.2.2. Seleccin ....................................................................Pg. 38

6.3.2.3. Descripcin del funcionamiento ............................Pg. 40

6.3.2.4. Datos tcnicos ...........................................................Pg. 41

6.3.3. Sistema de refrigeracin.........................................................Pg. 42

6.3.3.1. Seleccin ....................................................................Pg. 42

6.3.3.2. Caractersticas y diseo del serpentn...................Pg. 43

6.4. Depsito de descarga.......................................................................Pg. 44

6.5. Sistema de microfiltracin tangencial ...........................................Pg. 45


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6.5.1. Introduccin.............................................................................Pg. 45

6.5.2. Seleccin ...................................................................................Pg. 46

6.5.3. Funcionamiento de la microfiltracin tangencial...............Pg. 47

6.5.4. Datos tcnicos ..........................................................................Pg. 48

6.6. Bombas de carga / descarga ..........................................................Pg. 49

7. Sistema de control .....................................................................................Pg. 50

7.1. Introduccin......................................................................................Pg. 50

7.2. Sistema de control de los fermentadores......................................Pg. 50

7.2.1. Control de temperatura..........................................................Pg. 51

7.2.2. Control de nivel.......................................................................Pg. 54

7.2.3. Control de oxgeno..................................................................Pg. 57

7.2.4. Control de acidez ....................................................................Pg. 59

7.3 Sistema de control en el depsito de descarga. ............................Pg. 62

8.VLVULAS ................................................................................................Pg. 65

9. PROTOCOLO DE LLENADO DEL FERMENTADOR .......................Pg. 67

9.1. Primera etapa: el arranque..............................................................Pg. 67

9.2. Segunda etapa: despus del arranque ..........................................Pg. 70

10. PREVENCIN DE RIESGOS. ...............................................................Pg. 72


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10.1. Normativa general de prevencin...............................................Pg. 72

10.2. Normativa especfica .....................................................................Pg. 74

10.3. Normativa sectorial .......................................................................Pg. 75

11.BIBLIOGRAFA........................................................................................Pg. 76


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2. OBJETO DEL PROYECTO.

La realizacin de este proyecto tiene como finalidad la obtencin del

proyecto fin de carrera para el ttulo de Ingeniero Qumico. Ha sido

tutorizado por los profesores Dr. D. Vctor Manuel Palacios Macas y Dr. D.

Ignacio de Ory Arriaga, del Departamento de Ingeniera Qumica, Tecnologa

de los Alimentos y Tecnologas del Medio Ambiente de la Facultad de

Ciencias de la Universidad de Cdiz.


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3. ANTECEDENTES.

3.1. Definicin de vinagre.

El vinagre es uno de los condimentos y conservantes ms antiguos que

se conoce; aporta aroma y sabor a los alimentos y mejora sus caractersticas

de conservacin.

Se denomina vinagres a los productos resultantes de la fermentacin

actica de diversos sustratos alcohlicos, aadiendo al nombre de vinagre el

del sustrato correspondiente, como vinagre de vino, sidra, de malta, etc.

Segn la Reglamentacin tcnico- sanitaria para la elaboracin y

comercializacin de los vinagres, se define como tal al lquido apto para el

consumo humano resultante de la doble fermentacin alcohlica y actica de

productos de origen agrario que contengan azcares o sustancias amilceas.

Por tanto, la designacin de vinagre de vino corresponde al producto de la

fermentacin actica del vino.

3.1.1. Composicin qumica del vinagre.

La composicin qumica del vinagre es tan variada y compleja como el

origen de su sustrato de partida, el tipo de fermentacin con que se ha

elaborado o el mtodo seguido para su envejecimiento, si es que lo lleva.

Parece evidente que no se encontrarn los mismos compuestos ni en la

misma cuanta si se analiza un vinagre de vino y otro de sidra, si se opera

con cultivos sumergidos o superficiales, en sistema abierto o cerrado a la

atmsfera, con envejecimiento por soleras en madera de roble o sin

maduracin ninguna, etc. Se han realizado multitud de trabajos de

investigacin en relacin a la composicin del vinagre que detallan con


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profundidad la influencia de todas las variables que afectan a la composicin

final del producto; sin embargo, para el presente trabajo resulta adecuado

referirse a aquellos que se centran en vinagres de vino. Algunos de estos

resultados se resumen a continuacin para cada uno de los componentes ms

caractersticos y comunes:

CIDO ACTICO. Es el principal componente de los vinagres

cualquiera que sea el sustrato alcohlico del que procedan y se expresa en

grados acticos (gramos de cido actico por 100 ml de vinagre).

En la acetificacin, es decir, en la transformacin del etanol en cido

actico por la accin de las bacterias acticas, no se consiguen altas

concentraciones de este cido puesto que inhibe el crecimiento de las

bacterias. Actualmente se pueden alcanzar hasta 12 acticos utilizando

bacterias seleccionadas por su resistencia al cido actico. Es imprescindible

identificar el proceso mediante el cual se ha obtenido, puesto que cada tipo

de vinagre tiene una consideracin comercial. En Espaa, el vinagre ha de

obtenerse de materias agrcolas y no se admite el cido actico procedente de

madera ni de sntesis qumica.

EXTRACTO SECO. Los valores del contenido en extracto seco que

fija la Reglamentacin en vigor, intentan abarcar la diversidad de

composicin de los vinos espaoles dedicados a acetificacin que en su

mayora, presentan bajos valores de extracto seco. La Reglamentacin

considera como valor mnimo del extracto seco de vinagres vnicos el de 1,55

g por litro y grado actico y no permite que sobrepasen los 3,2 g/ l/ actico.

La relacin entre el grado actico y el extracto seco debe entrar dentro de

unos lmites para que no supere el valor de 6,45.

CENIZAS. El vinagre, una vez evaporada el agua y los componentes

voltiles, se incinera para determinar las sales minerales que contiene. De


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esta forma se obtienen las cenizas cuyo contenido total est fijado en la

Reglamentacin. Ha de ser como mnimo de 1 g/l y como mximo de 5 g/l.

La relacin extracto seco/ cenizas, entre 3 como mnimo y 8 como mximo y

la acidez voltil/ cenizas, no menor de 10 ni mayor de 40, se ha fijado en la

Reglamentacin como resultado de los valores obtenidos sobre vinagres

espaoles.

ALCOHOL ETLICO RESIDUAL. En la fabricacin industrial de

vinagre se intenta lograr el mayor rendimiento en la transformacin de

etanol a cido actico. No es rentable agotar por completo el etanol porque

las bacterias acticas en ausencia del sustrato alcohlico pueden comenzar la

degradacin del actico producido. En los vinagres obtenidos en los

modernos sistemas industriales, queda nicamente una pequea porcin del

alcohol etlico inicial del vino. No as en vinagres artesanales en los que no es

posible ni deseable utilizar todo el etanol disponible, puesto que en general,

se envejecen y el etanol residual ( a veces 2-3 grados alcohlicos) se va

combinando lentamente con el cido actico para la produccin de steres.

La Reglamentacin en vigor mantiene para el etanol el lmite de 0,5,

como mximo, en un vinagre comercial.

METANOL. No existen datos del contenido de metanol en vinagres

de vino espaoles hasta el trabajo de Charro Arias (1963) que present en

una sesin de la Academia de Farmacia dedicada al problema de las

intoxicaciones con metanol la determinacin cualitativa, por cromatografa

de gases de metanol en vinagres y en escabeches.

Despus de diversos trabajos y como forma cautelar la

Reglamentacin adopt como valor lmite 1 g de metanol/ litro de vinagre.


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ACETONA. La acetona forma parte de las bebidas alcohlicas

procedentes de fermentacin y en algunas de ellas causa problemas cuando

se oxida a diacetilo. Durante la fermentacin actica se acumula en el vinagre

acetona. En vinagres procedentes de generadores con relleno, la acetona

alcanza valores de hasta 400 mg/ litro. Cuando la fermentacin se da en

cultivo sumergido el contenido en acetona es menor e incluso inferior a 100

mg/ litro. No obstante, el criterio de que los vinagres de vino deben contener

acetona en cantidades inferiores a 40 mg/ litro sin marcar los lmites

mximos, es el que prevaleci en la Reglamentacin, a pesar de que la

fabricacin de vinagres por mtodos artesanales puede dar lugar a

concentraciones de acetona elevadas.

CLORUROS. La determinacin de la presencia de cloruros en los

vinagres tiene inters porque es uno de los principales componentes del

extracto seco y las cenizas y cantidades excesivas de estos compuestos

pueden indicar intentos de adulteracin o fraude. Por ello la Reglamentacin

establece un contenido mximo de 1 g/l expresado en cloruro sdico.

METALES. Segn el cdigo alimentario y la Reglamentacin en

vigor, el contenido en As, Pb, Hg y otros metales txicos de los vinagres no

debe exceder de 1 mg/l. El vinagre que puede estar en contacto con

superficies metlicas no protegidas, dada su naturaleza corrosiva, podra ver

aumentado el contenido de estos cationes y en algn caso, rebasar los lmites.

GLICERINA. Durante la fermentacin alcohlica del mosto de uva y

en general, en la transformacin de glucosa en etanol se produce glicerina en

proporcin del 2 al 3 % del azcar fermentado.

La glicerina est presente en los vinos en cantidades variables,

dependiendo del tipo de levaduras y de las condiciones de fermentacin


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tales como temperatura, sulfitado, etc. apareciendo en concentraciones del

orden de 5 a 10 g/l. En vinos blancos licorosos obtenidos de uvas atacadas

por podredumbre noble, el contenido en glicerina se eleva notablemente

llegando incluso a 20 g/l. El establecer por tanto, el contenido en glicerina de

los vinagres puede ser indicio no slo de su procedencia vnica, sino tambin

de su calidad. La Reglamentacin espaola establece solamente que deberan

contener glicerina en cantidad apreciable, desprendindose de ello que

aquellos vinagres cuyo contenido sea nulo o excesivamente bajo pudieran ser

sospechosos de algn tipo de fraude.

ACIDEZ TOTAL. La totalidad de los cidos voltiles y fijos que

contiene el vinagre, expresada en gramos de cido actico por 100 ml de

vinagre.

ACIDEZ FIJA. La totalidad de los cidos fijos que contiene el

vinagre, expresada en gramos de cido actico por 100 ml de vinagre.

ACIDEZ VOLTIL. La diferencia entre los valores de la acidez total

y la acidez fija, expresada en gramos de cido actico por 100 ml de vinagre.

La siguiente tabla, muestra a modo de resumen, la composicin

qumica media de un vinagre de vino.


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COMPUESTO COMPOSICIN MEDIA

cido actico 60 g/L

Acidez fija 50-100 mg/L

Etanol 0,1-1,5 % v/v

Acetaldehdo 30-400 mg/L

Acetato de etilo 40-1500 mg/L

Metanol < 400 mg/L

Aminocidos totales 50-100 mg/L

Prolina 150-250 mg/L

Extracto seco total 0,07-0,15 mg/L

Cloruros 1 g/L

Sodio 60 mg/L

Polifenoles totales 200-600 mg/L

Glicerina 1-3 g/L

Acetona 10-150 mg/L

Diacetilo 5-15 mg/L

Cenizas totales 1,3-3,5 g/L

Mercurio < 0,5 mg/L

Arsnico < 0,5 mg/L

Plomo < 0,5 mg/L

Cobre y Zinc < 10 mg/L

Sulfatos < 2 g/L

Potasio 100-250 mg/L

Calcio 50-180 mg/L

Hierro 15-21 mg/L

Tabla 1. Composicin qumica media del vinagre de vino.1

1 Tabla obtenida de la tesis doctoral Diseo, puesta a punto y desarrollo de protocolos para la operacin de un acetificador de alto rendimiento a escala de planta piloto. Estudio de alternativas de operacin en rgimen continuo.. Ignacio de Ory Arriaga


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3.2. Fermentacin actica.

La fermentacin actica se puede definir como un proceso aerobio de

oxidacin biolgica (termodinmicamente favorecido), mediante el cual, un

sustrato con bajo contenido en etanol (50-100g/l) es oxidado parcialmente

por las bacterias acticas para dar cido actico y agua. Dicha oxidacin

transcurre de acuerdo con la ecuacin bsica siguiente:

OHCOOHCHOOHCHCH 23223 ++ mol/KJ495H =

El medio fermentativo de partida puede tener muy diversas

procedencias, siendo el vino el de mayor inters en Espaa, aunque tambin

han sido usados otros sustratos alcohlicos menos comunes. Se trata de

medios ricos y complejos que proporcionan el alcohol y los nutrientes

esenciales para el desarrollo de las bacterias.

El resultado del proceso es una disolucin con un alto contenido en

cido actico y pequeas cantidades residuales de etanol no convertido,

adems de una gran diversidad de compuestos secundarios, que proceden de

las distintas rutas metablicas de los microorganismos implicados. Dichos

compuestos secundarios, proporcionan las cualidades sensoriales del

producto final y, en ese sentido, tiene especial importancia la esterificacin

del etanol y cido actico para dar acetato de etilo.

Precisamente el acetato de etilo, ster de concurrencia negativa en la

apreciacin organolptica de cualquier vino, es el responsable de la acidez,

en tanto que el cido actico, con un umbral de percepcin mucho ms bajo,

comunica el carcter de acritud a los vinos picados.


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3.2.1. Variables que influyen en la fermentacin actica.

3.2.1.1. pH.

La influencia del pH sobre el metabolismo de las bacterias acticas es

menor del que podra esperarse inicialmente debido al mecanismo interno de

regulacin que stas poseen frente condiciones externas. El pH interno de las

Acetobacter ronda la neutralidad, debido a que contienen gran cantidad de

componentes celulares que son muy sensibles a los cidos y las bases.

La actividad metablica y el crecimiento de las bacterias acticas estn

favorecidos en el rango de pH comprendido entre 5,0 y 6,5, aunque se ha

documentado la capacidad de estas bacterias para sobrevivir y crecer entre

3,0 y 4,0. Se supone que esta capacidad de supervivencia disminuye cuando

el pH se aproxima a los valores mnimos y, por ejemplo, a pH 3,8 hay mucho

ms crecimiento de acetobacterias en vinos que a pH 3,4. Del mismo modo,

las necesidades nutricionales se incrementan cuando el pH desciende, as

como su sensibilidad a la concentracin de etanol en el medio.

3.2.1.2. Etanol.

Aunque el metabolismo del etanol es la cualidad que distingue a las

bacterias acticas y la base de su asociacin con la degradacin que sufren los

vinos, se han documentado en la bibliografa numerosos experimentos que

demuestran su carcter txico a partir de determinadas concentraciones. As,

se comprueba que a una concentracin de etanol del 15% es muy difcil

observar crecimiento de acetobacterias, y slo unas pocas lo haran por

encima del 10%.


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Tambin se ha estudiado el efecto de estas concentraciones lmite en

cultivos de Acetobacter tanto en discontinuo como en continuo. En cultivos en

discontinuo encontraron que la velocidad especfica de crecimiento del

microorganismo aumenta de 0,13 a 0,21 h-1 en el intervalo comprendido entre

0,5 y 6 g/L de concentracin inicial de etanol en el medio. A partir de aqu y

hasta 30 g/L la velocidad se mantiene aproximadamente constante y por

encima de 40 g/L el crecimiento se inhibe de manera considerable y la

velocidad cae.

3.2.1.3. cido actico.

El carcter activador-inhibidor del cido actico en la actividad del

microorganismo Acetobacter est ampliamente recogido en la bibliografa.

As, diversos autores han comprobado que a bajas concentraciones de

producto (< 10 g/L) se observa un efecto activador del crecimiento

microbiano y del consumo de etanol. Sin embargo, cuando se aumenta la

concentracin de cido actico en el medio, como producto de creciente

acumulacin en la operacin en discontinuo, comienza a prevalecer el efecto

inhibidor de dicho cido y, cuando su concentracin supera los 40 g/L, este

efecto es claramente contrario al crecimiento.

3.2.1.4. SO2.

Se trata de un antisptico y antioxidante utilizado con frecuencia en

las prcticas de vinificacin. A las concentraciones en las que se aade en

estos casos, no inhibe significativamente el crecimiento bacteriano. Se han

registrado datos de crecimiento de Acetobacter aceti en vinos tintos que

contienen 25 mg/L de SO2 libre, concluyndose que son necesarias

concentraciones totales de, al menos, 100 mg/L para inhibir el desarrollo de

estas cepas en vinos jvenes.


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3.2.1.5. Densidad de poblacin.

Como consecuencia de lo ya comentado, a la hora de abordar una

fermentacin ya sea a pequea escala o en la industria, se hace de vital

importancia trabajar con poblaciones bacterianas que se adapten fcilmente a

las duras condiciones que el alcohol y el cido actico imponen

habitualmente en este tipo de procesos. Pero este no es, desde luego, el nico

factor que sera necesario vigilar en lo que respecta a la poblacin de

bacterias del proceso. En aquellos casos en los que el objetivo es conseguir

procesos de conversin de vino en vinagre lo ms rpidos posibles, se

acumula en los fermentadores una importante carga bacteriana, que influye

de manera directa sobre las dems variables del proceso y, en definitiva,

sobre la propia velocidad del proceso fermentativo.

3.2.1.6. Oxgeno disuelto.

El metabolismo de las bacterias acticas es de tipo respiratorio; la

clula consigue la energa necesaria para su crecimiento mediante la

oxidacin de compuestos tales como el etanol y, en menor medida, azcares

y otros compuestos, siendo el oxgeno el aceptor ltimo de los electrones que

se ponen en juego.

Diversos autores han tenido en cuenta el efecto que las distintas

concentraciones, tanto de sustrato como de producto tienen a la hora de

establecer un ptimo de trabajo para el oxgeno disuelto. As, la

concentracin en el medio que maximiza la actividad respiratoria estara

entorno a 1 ppm, si en ste hay adems cido actico en concentraciones

superiores a 40 g/L, y entre 3-7 ppm en ausencia de l cido.


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3.2.1.7. Temperatura.

La temperatura ejerce una gran influencia en todos los procesos

biolgicos que ocurren en la naturaleza; controla las velocidades de reaccin,

influye en la solubilidad de los compuestos (entre ellos el oxgeno), afecta a

las difusividades, etc.

La temperatura mnima bajo la cual se considera que no es posible el

crecimiento (menos del 1% de la velocidad mxima) resulta ser de 8 C2. Por

otra parte, la temperatura mxima, por encima de la cual el crecimiento est

totalmente inhibido, se sita entorno a los 35 C. Finalmente el ptimo de

temperatura que maximiza la velocidad especfica de crecimiento mximo es

de 30,9 C3.

3.2.2. Fases de la fermentacin actica.

En base a resultados experimentales de estudios sobre el ciclo de

cultivo de estas bacterias, se hace la distincin de cuatro fases en el proceso

de multiplicacin de una bacteria en un medio adecuado de cultivo.

1- Fase de latencia.

Cuando se inocula una poblacin microbiana en un medio fresco,

generalmente el crecimiento no empieza de inmediato, sino despus de cierto

perodo de tiempo denominado fase de latencia y que puede considerarse

2 Dato obtenido de la tesis doctoral Diseo, puesta a punto y desarrollo de protocolos para la operacin de un acetificador de alto rendimiento a escala de planta piloto. Estudio de alternativas de operacin en rgimen continuo.. Ignacio de Ory Arriaga. 3 Dato obtenido de la tesis doctoral Diseo, puesta a punto y desarrollo de protocolos para la operacin de un acetificador de alto rendimiento a escala de planta piloto. Estudio de alternativas de operacin en rgimen continuo.. Ignacio de Ory Arriaga.


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como un perodo de adaptacin o aclimatacin de la biomasa a las nuevas

condiciones. Su duracin depende de muchos factores:

a) El primero de ellos es el cambio en la composicin de los

nutrientes. Generalmente, el medio de inoculacin en el que se cultivan los

microorganismos debe ser diluido en un reactor cuyo medio suele tener una

composicin de nutrientes distinta. Surge un perodo de adaptacin de los

microorganismos a este nuevo medio en el que son sintetizados los enzimas

necesarios para degradar el sustrato.

b) Otro factor a tener en cuenta es la edad del inculo como

claro reflejo de su estado fisiolgico. Un cultivo joven generalmente, si las

condiciones son adecuadas, se encuentra en estado de crecimiento

exponencial. As, la edad del inculo afecta de forma muy negativa al

desarrollo de la fermentacin, de modo que el tiempo de latencia ser ms

alto cuanto ms viejo sea el inculo.

c) Por ltimo, la fase de latencia depende tambin de manera

decisiva de la concentracin de etanol y de cido actico en el medio base. En

este sentido, se observ que la fase de latencia se prolonga en proporcin

directa a la concentracin de etanol.

2- Fase de crecimiento exponencial.

Al final de la fase de latencia los microorganismos se encuentran bien

adaptados a las nuevas condiciones ambientales y la velocidad de

crecimiento de las clulas aumenta progresivamente. Transcurrido un corto

perodo de tiempo, las clulas crecen a una velocidad constante.


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Cuando la concentracin de cido actico es del orden del 2-3 %, la

velocidad de crecimiento llega a ser mxima y se mantiene, hasta que la

concentracin de cido alcanza aproximadamente el 8% al final del proceso

fermentativo.

3- Fase estacionaria.

El aumento de la poblacin provoca tanto el consumo de nutrientes

como la excrecin de sustancias al medio, que afectan claramente a la

actividad de los microorganismos. Por tanto, la velocidad de crecimiento del

cultivo disminuye hasta hacerse cero por carencia de algn nutriente

esencial, por acumulacin de algn producto txico para el microorganismo,

o bien por la combinacin de ambos efectos.

La velocidad de crecimiento, entonces, se aproxima a cero, aunque la

poblacin es metablicamente activa. Esta fase se caracteriza por la

coexistencia de microorganismos en distintos estados fisiolgicos. As,

mientras algunos estn muriendo como consecuencia de falta de sustrato,

otras clulas estarn creciendo e incluso naciendo. Durante esta fase, la

velocidad de generacin de nuevos microorganismos se contrarresta con la

velocidad de muerte y el resultado neto global es el mantenimiento del

tamao de la poblacin viable. A todos los efectos, es como si la poblacin en

su conjunto usara el sustrato que consume exclusivamente para su

mantenimiento, sin crecimiento neto de la misma.

4- Fase de muerte exponencial.

En esta fase, los microorganismos han agotado algn nutriente

esencial del medio y la generacin de nutrientes por lisis de clulas muertas

no permite mantener una velocidad de crecimiento lo suficientemente alta


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como para contrarrestar la velocidad de muerte. As, el tamao de la

poblacin disminuye de forma exponencial. La existencia de gran proporcin

de biomasa viable con demanda de sustrato trae como consecuencia una baja

disponibilidad individual y una elevada tasa de muerte. En la etapa final,

una menor poblacin tiene menores demandas y se reducen las tasas de

muerte residuales.

Figura 1. Fases de crecimiento microbiano en cultivo discontinuo.

3.3. Elaboracin del vinagre.

La elaboracin del vinagre ha variado mucho a lo largo del tiempo. La

produccin del vinagre a partir del vino se ha llevado a cabo industrialmente

por dos mtodos: fermentacin en cultivo superficial y fermentacin en

cultivo sumergido.


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3.3.1. Fermentacin en cultivo superficial.

La fermentacin superficial se caracteriza porque las bacterias acticas

se encuentran en contacto directo con el oxgeno gaseoso, situadas bien en la

interfase lquido/gas (en fase filmgena), como es el caso del mtodo

Orlens, o bien fijadas a soportes de materiales tales como virutas, caso del

mtodo Boerhave. Este sistema esttico presenta una serie de desventajas

tales como elevadas prdidas de sustancias voltiles por evaporacin (del

orden del 10%); contaminacin del material de soporte, generalmente virutas

de madera, lo que requiere una limpieza peridica, conversiones muy bajas

del alcohol inicial (no ms de la mitad), con lo que el resultado es un vinagre

de baja concentracin de actico (4-5), etc. Pero es sobre todo la lentitud del

proceso lo que hace que este sistema haya sido relegado, en la actualidad, en

beneficio de la fermentacin sumergida.

3.3.2. Fermentacin en cultivo sumergido.

Este sistema consiste, bsicamente, en la presencia de un cultivo de

bacterias acticas que permanecen sumergidas libremente en el seno del

lquido a acetificar, en el que constantemente se insufle aire, el cual se

distribuye de forma homognea por toda la masa ayudado por un

dispositivo de agitacin. De este modo, se cubre ampliamente el

requerimiento bacteriano de oxgeno, prescindiendo de los soportes de

fijacin propios del cultivo superficial. Las clulas son mantenidas en

suspensin por efecto de la agitacin y la aireacin. Por otra parte, los

modernos aparatos que aplican este sistema van provistos de un sistema de

refrigeracin para controlar la temperatura.

A diferencia de los procesos de cultivo superficial, en los que se

aseguraba la permanencia de la poblacin celular en el interior del


Memoria descriptiva

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fermentador al estar adherida a soportes, en el cultivo sumergido existe el

problema de que, al descargar la masa de producto fermentado, se produzca

una prdida considerable de biomasa. Por este motivo se han descrito

protocolos que recomienda no descargar el total de la produccin, sino dejar

un buen porcentaje de cultivo como inculo para un posterior crecimiento

masivo. Es lo que se llama cultivo sumergido en rgimen discontinuo.

Un ejemplo claro de cultivo sumergido es el caso del Acetator Frings,

base de la tecnologa vinagrera actual. Consiste en un depsito vertical

provisto de agitacin donde una turbina consigue tanto la aireacin como la

mezcla de aire con el lquido. La turbina autoaspirante succiona lquido del

medio y lo mezcla con el aire que toma del exterior, lanzando posteriormente

esta mezcla a travs de un estator. La eficiencia de este sistema de aireacin

es muy buena y el gasto de energa muy bajo.

Este tipo de cultivo y, concretamente, el llevado a cabo por el tipo

Frings presenta ventajas sustanciales frente a mtodos clsicos de

acetificacin, tales como un gran rendimiento fermentativo, alcanzando hasta

un 95% sobre el valor terico, una mayor velocidad de acetificacin,

pudiendo llegar hasta 0,17/h, una calidad de producto uniforme, puesto que

se puede controlar adecuadamente la aireacin y la temperatura del proceso,

etc.

3.3.3. La materia prima.

Segn el Real Decreto 2070/1993, por el que se aprueba la

reglamentacin tcnico sanitaria para la elaboracin de vinagres, la materia

prima puede ser:

1. productos de origen agrario que contienen almidn o azcares,


Memoria descriptiva

23

2. vino, sidra, jugos de frutas o bayas y cebada malteada,

3. en la elaboracin de vinagre de vino podrn emplearse vino de

graduacin inferior a 9 y en los vinagres de sidra podrn emplearse

sidras cuya acidez voltil haya superado los lmites autorizados,

4. aguardientes, destilados, y rectificados de alcohol de origen agrario,

5. plantas aromticas, condimentos, especias y frutas enteras o no, o sus

aromas naturales,

6. zumos de frutas o sus concentrados.

En este caso en concreto la materia va a ser vino. La composicin

qumica de un vino y sus caractersticas dependen de la clase de uva, de la

localizacin y suelo de la via, del clima reinante durante el desarrollo y

maduracin, del grado de madurez de los racimos y del estado sanitario de

los mismos. Tambin influyen sobre la composicin y la calidad del vino, el

tratamiento del mosto, tipo de fermentacin, levaduras empleadas y los

cuidados prestados al vino durante la maduracin.


Memoria descriptiva

24

4. JUSTIFICACIN DEL PROYECTO

Hoy en da el vinagre forma parte de la alimentacin diaria, como

aromatizante y saborizante de, por ejemplo, todo tipo de ensaladas, salsas,

etc., especialmente en la dieta mediterrnea, tan en auge en estos tiempos.

Espaa es uno de los mayores productores mundiales de vinagre de

vino, junto con Italia y Francia, ya que los dems pases productores de

vinagre lo hacen a partir de malta, es el caso de Inglaterra, de alcohol, como

hace Alemania y Francia, etc, lo que hace que sea necesaria la adicin de

nutrientes para dar caractersticas organolpticas.

Espaa, con 1,2 millones de hectreas destinadas al cultivo de la uva

(de la que el 97 % se destina a produccin de vino), sigue siendo el pas con

mayor extensin de viedo de la Unin Europea y del mundo (ms de un

tercio de la superficie total de la UE, seguida por Francia e Italia con un 25 %

cada una, lo que representa ms de un 15 % del mundo)4. La vid ocupa el

tercer lugar en extensin de los cultivos espaoles, detrs de los cereales y el

olivar.

En Andaluca, la provincia de Cdiz es una de las principales

productoras de vino. Este ser el motivo por el cual, la planta se instalar en

el marco de Jerez, aunque no tendr que estar acogida a la Denominacin de

Origen de Jerez.

4 Ver datos en Tabla 2


Memoria descriptiva

25

SUPERFICIE DE VIEDO EN EL MUNDO (miles de has.)

Espaa 1.198 15,1

Francia 895 11,3

Italia 856 10,8

Total unin europea 3.632 45,9

Estados Unidos 391 4,9

Chile 187 2,4

Australlia 164 2,1

Total mundo 7.919 100,0

Tabla 2. Superfice y porcentaje mundial de los viedos espaoles5.

La instalacin de la planta ser como ampliacin de una bodega. La

propia bodega ser la encargada de proporcionar el vino como materia

prima, en el caso en que sea un producto excedente, pero adems, si la

empresa tuviera que abastecerse de vinos de otras bodegas, dicha ubicacin

es la mejor, por encontrarse cercana a ellas, haciendo el coste por transporte

ms econmico.

Como se ha visto en el apartado Antecedentes, el sistema sumergido

para la elaboracin de vinagre, es el ms adecuado, por el alcance de

velocidades de fermentacin ms altas. La instalacin de un innovador

aireador- agitador es una gran ventaja, por ser un sistema dispersador de la

fase gaseosa en la lquida, que proporciona una elevada transferencia de

oxgeno al medio fermentativo, pudiendo conseguir con ello grandes

producciones anuales de vinagre, con el consecuente beneficio.

5 Fuente O.I.V. (Organizacin Internacional de la Via y el Vino)


Memoria descriptiva

26

5. DESCRIPCIN GENERAL DEL PROCESO.

La planta industrial est diseada para una produccin aproximada

de 20.000hL/ ao de vinagre, operando en rgimen semicontinuo, es decir, se

descarga parte del producto obtenido en el fermentador, concretamente un

62% del volumen til, dejando el resto en su interior, para luego reponer con

materia prima.

La planta industrial consta de un depsito de almacenamiento de

vino, un depsito de descarga de vinagre producido en los fermentadores y

un depsito de almacenamiento de vinagre una vez filtrado, todos ellos de

una capacidad de 50 m3.

La materia prima del proceso ser vino con una graduacin alcohlica

de entre 10 y 12, un pH dentro del intervalo 3,5-4,0, una concentracin de

SO2 menor de 25 mg/L y ausencia de velo en flor.

El vino partir desde el depsito de almacenamiento hacia los dos

fermentadores, cada vez que sea necesario, impulsado por una bomba

centrfuga SHE con un caudal volumtrico de 4000 L/h.

Una vez en los fermentadores, el medio fermentativo debe mantenerse

a una temperatura ptima, alrededor de los 31 C. Para ello se instalar en

cada fermentador un serpentn por el que circular agua procedente de un

equipo de refrigeracin externo a la planta industrial, a una temperatura de

entrada de 12 C.

Cada fermentador, adems del serpentn tendr instalado un aireador-

agitador, que ser el encargado de suministrar el aporte de oxgeno necesario


Memoria descriptiva

27

al medio fermentativo y asegurar un buen contacto entre este y las bacterias

acticas, responsables de la fermentacin.

En el fondo superior de cada fermentador quedar instalado un

antiespumante, para evitar la acumulacin de espumas en el interior y

permitir una ptima fermentacin.

Las variables caractersticas de la fermentacin estarn controladas

mediante un sistema de control simple, ayudando a que la operacin se lleve

a cabo de manera estable y manteniendo una supervisin constante, para no

crear imprevistos.

Una vez finalizada la fermentacin, el vinagre obtenido se descarga

por medio de unas bombas centrfugas SHE con un caudal de 4.000 L/h,

situadas a la salida de cada fermentador. Este vinagre, es impulsado hasta un

depsito de descarga, del que partir hacia un sistema de microfiltracin

tangencial, en el que se llevar a cabo la clarificacin y filtracin, mediante

otra bomba centrfuga a 1000 L/h situada a la salida del depsito de

almacenamiento.

Cuando el vinagre queda filtrado y clarificado, se impulsa mediante

otra bomba centrfuga con el mismo caudal, 1000 L/h, a un depsito de

almacenamiento de vinagre finalizado, en el que permanecer hasta su

embotellamiento.


Memoria descriptiva

28

4.000 L/h

B

4.000 L/h

F1 F2

12 C

A

VINO

I2I1

C1 C2

1.000 L/h

E1

J1

E

G

VINAGRE DE

YEMA

H

1.000 L/h

VINAGRE FINALIZADO

Figura 2. Esquema de la planta industrial.

A: depsito de vino

B: bomba centrfuga de descarga /carga de vino

C1, C2: fermentadores

E: depsito de descarga

F1,F2: bombas centrfugas del depsito de descarga de vinagre

G: microfiltracin tangencial

H: depsito de vinagre

E1: bomba de descarga del depsito de descarga de vinagre.

J1: bomba de carga del depsito de almacenamiento de vinagre.


Memoria descriptiva

29

6. DESCRIPCIN TCNICA DE CADA EQUIPO Y SUS CONDUCCIONES

6.1. Seleccin de materiales.

6.1.1. Recipientes sometidos a presin y componentes.

El material a utilizar para la fabricacin de los depsitos de

almacenamiento de vino, vinagre y los fermentadores, debe ser un metal que

sea resistente a la oxidacin y corrosin, y a su vez debe tener resistencia

mecnica. El cromo, el nquel, el platino, el tntalo y el wolframio, entre

otros, son muy resistentes a la oxidacin y corrosin atmosfrica y a la accin

de muchos cidos, pero su elevado precio impide su utilizacin en estos

casos.

Se emplean mucho las aleaciones autoprotectoras, que son ms

econmicas y adems tienen en general, mejores caractersticas que los

metales puros. Las aleaciones que ms se usan son los aceros inoxidables y

las aleaciones de nquel.

Los aceros inoxidables, se acostumbra a clasificar en tres grupos con

arreglo a su constitucin:

- Aceros martensticos. Contienen del 13 al 17 % de cromo y del 0 al 2 %

de nquel, con porcentajes de carbono variables desde el 0.08 al 0.60 %.

Estos aceros resisten la corrosin de cidos dbiles y la oxidacin hasta

temperaturas de 700 C.

- Aceros ferrticos, son aceros al cromo, contenindolo hasta en un 27%,

resisten mejor la corrosin que los martensticos, y pueden calentarse

sin oxidarse hasta 1150 C.


Memoria descriptiva

30

- Aceros austenticos, son los ms resistentes a la corrosin de los tres

grupos. Estos aceros contienen entre un 16 y un 26% de cromo y de un

6 a un 22% de nquel. El contenido de carbono es bajo, un mximo de

0.08%, para minimizar la precipitacin de carburos. Se pueden fabricar

por cualquier mtodo estndar; sin embargo no son fciles de

maquinar; se endurecen con el trabajado y se necesitan mquinas muy

rgidas, cortes pesados y altas velocidades; sin embargo, las

soldaduras se realizan con facilidad, aunque el calor de soldadura

puede causar la precipitacin del carburo de cromo, que agota el

cromo disuelto en la aleacin y reduce su resistencia a la corrosin en

algunos ambientes especficos, sobre todo en el cido ntrico. Se

pueden eliminar la precipitacin del carburo por medio de

tratamiento trmico. Para evitar la precipitacin se han perfeccionado

aceros inoxidables especiales estabilizados con titanio, niobio o tntalo

(tipos 321,347,348). Otra forma de abordar este problema es el empleo

de aceros de bajo contenido de carbono, como son los tipos 304L y

316L, con un contenido del 0,03% mximo de carbono.

Una vez vista la clasificacin se seleccionar el acero inoxidable

austentico para la fabricacin de todos los recipientes. Segn bibliografa se

llega a la conclusin que el acero inoxidable ms idneo para fabricar el

depsito de almacenamiento de vino es el AISI 304L y para los

fermentadores y los depsitos de almacenamiento de vinagre, as como todos

sus componentes se usar el acero inoxidable AISI 316L, que puede soportar

unas condiciones ms duras y debido a la presencia de cido actico, es ms

conveniente utilizar este tipo.

Adems todos los componentes que estn en los fermentadores

estarn fabricados en ese mismo acero inoxidable, AISI 316L.


Memoria descriptiva

31

6.1.2. Conducciones.

Para la eleccin del material de la red de tuberas, se debe tener en

cuenta el fluido que circular por ellas. Se puede distinguir entre el vino y el

vinagre, pero para simplificar los clculos se tomar el ms corrosivo de

ellos, es decir, el vinagre, as que el material ser acero inoxidable 316L.

En cuanto al sistema de refrigeracin, dado que el serpentn va a estar

inmerso en el medio fermentativo, se disear del mismo material que el

fermentador, es decir, acero inoxidable 316L.

6.2. Depsito de almacenamiento del vino.

El depsito de almacenamiento de vino tendr un volumen til de

45,87 m3.. Est constituido por una envolvente o cuerpo cilndrico de 5,198 m

de altura y un dimetro interior de 3,170 m con un espesor de 13 mm. Los

fondos, tanto el superior como el inferior, sern de geometra toriesfrica,

tipo Korbbogen, del mismo espesor que la envolvente, 13 mm y de una altura

de 0,83 m cada uno. Cada fondo estar unido a la envolvente por una

pestaa de 45,50 mm de altura.

Este depsito est sustentado por un faldn de una altura total de

1,230 m, un dimetro exterior igual al dimetro exterior de la envolvente,

3,196 m y un espesor de 6 mm. El faldn estar anclado al suelo por unos

pernos situados en una base. Esta base tiene una anchura de 120,65 mm.

El conjunto del depsito formado por la envolvente, las pestaas, los

fondos y el faldn tendr una altura total desde el suelo de 7,978 m.


Memoria descriptiva

32

Como se ha mencionado en el captulo anterior Seleccin de

materiales, debido a que las caractersticas de corrosividad del lquido que

contendr son menos severas que las de vinagre, este depsito se disear en

acero inoxidable AISI 304L, SA-204.

Los principales accesorios con los que cuenta el depsito de

almacenamiento de vino son:

Tubo indicador de nivel.

Grifo de toma de muestras, para poder analizar el vino almacenado cuando

sea necesario. Se instalarn tres grifos de muestras a distinta altura.

Boca de hombre con geometra elptica de unas dimensiones de 410 510

mm, para poder acceder al interior del depsito.

Vlvula de flotador, para impedir la entrada de fluido cuando se llegue al

nivel mximo de capacidad del depsito.

Por la parte superior del depsito de almacenamiento se introducir el

vino. Aqu estar almacenado, a la temperatura ambiente, hasta que sea

necesario aadir materia prima a los fermentadores. Se supondr que el

interior de la bodega se encuentra aislado con el exterior. Esto hace que la

temperatura en invierno no sea demasiado baja, lo que sera un

inconveniente, encontrndose la temperatura ambiente comprendida entre

10-30 C.

La carga de los fermentadores se har con una bomba centrfuga de

forma automtica, de manera que cuando el sensor de nivel de los

fermentadores detecte el punto de consigna fijado, se pondr en

funcionamiento la bomba de descarga del depsito de almacenamiento del

vino.


Memoria descriptiva

33

6.3. Fermentadores.

La instalacin constar de dos fermentadores de 8,890 m3, cada uno,

para obtener una produccin prxima a 20.000 hL/ao.

Est constituido por una envolvente o cuerpo cilndrico de 2,33 de

altura y 2,04 m de dimetro interior, con un espesor de 8 mm. Los fondos,

tanto el superior como el inferior son de geometra toriesfrica tipo

Korbbogen, del mismo espesor que la envolvente, 8 mm y de una altura cada

un de 0,53 m. Cada fondo estar unido a la envolvente por una pestaa de 28

mm.

El vinagre es ms corrosivo que el vino, por lo que ahora las

condiciones son ms severas, as que se utilizar para la fabricacin de los

fermentadores acero inoxidable AISI 316L.

Cada fermentador estar sustentado por cuatro patas de apoyo tipo L

de dimensiones 150 150 16 mm, del mismo material del que est

fabricado el fermentador, acero inoxidable 316L. Las patas estarn

igualmente espaciadas a lo largo del permetro y soldadas a unas placas

cuadrangulares de 250 mm de lado y 12 mm de espesor, que se sujetarn al

suelo.

Los fermentadores tendrn instalados los siguientes accesorios:


Grifo de toma de muestras. Se instalarn tres grifos de muestra a distinta

altura para poder analizar la composicin del medio fermentativo.




Memoria descriptiva

34

Mirilla redonda segn DIN 28120, Vetrolux DN 200 o similar, para poder

observar lo que sucede en su interior, con un dimetro de 225 mm.

Suministrada por Max Meller, AG.

Adems de estos accesorios, se instalarn las siguientes conexiones, en

acero inoxidable AISI 316L:

Conduccin de carga de vino de dimetro nominal de 1 , cdula 10S.

Estar situada en el fondo superior, y conectada a la bomba centrfuga de

descarga de vino.

Conduccin de descarga de vinagre producido, de dimetro nominal de 1

, cdula 10S, situada en el fondo inferior, y conectada a la bomba

centrfuga de descarga de vinagre.

Conduccin de entrada y salida del agua de igual dimetro nominal que las

conducciones anteriores. La entrada de refrigerante se situar en la parte

inferior de la envolvente y la salida en la parte superior, para asegurar el

contacto superficial de toda la tubera y el medio fermentativo.

Los fermentadores constarn igualmente, de los componentes que se

describen a continuacin:

6.3.1. Antiespumante.

Un efecto frecuente en reacciones qumicas y bioqumicas es la

formacin de espuma. La eliminacin de dicha espuma se opta hacerla de

manera mecnica que es lo ms conveniente en este proceso.

Este antiespumante ha sido diseado para los posibles requerimientos

de esterilidad y limpieza del producto final.


Memoria descriptiva

35

El antiespumante se instalar en el fondo superior del fermentador

con la ayuda de una brida. Por medio de una tubera situada en el interior

del fermentador y unida al antiespumante, se aspira la espuma. Debido a la

fuerza centrfuga que genera el motor del antiespumante se puede separar el

aire libre, escapando al medio exterior, del fluido que ser retornado al

medio fermentativo, para que las prdidas sean menores. La carga mxima y

el flujo mximo de la espuma concentrada dependen de la frecuencia

elctrica. A 50 Hz se alcanza el lmite a un 50% de la fase lquida en la

espuma, y a 60 Hz, el porcentaje de lquido no debe exceder el 40%.

6.3.1.1. Seleccin.

Los tipos de antiespumante se diferencian esencialmente en su aptitud

para una limpieza interna CIP (Cleaning In Place). El tipo que satisface altas

exigencias de esterilidad est caracterizado por toberas integradas de

difusin, as como por una construccin abierta de la turbina. El fluido

separado vuelve al medio fermentativo. El tipo ideal para las exigencias

reducidas de esterilidad est caracterizado por una construccin ms

compleja de la turbina donde normalmente se elimina del

reactor/fermentador el lquido separado.

Para este caso y dada que la produccin de vinagre va a ser muy alta

se puede usar un antiespumante con recirculacin de fluido al medio

fermentativo, aprovechando as el mximo vinagre posible y teniendo las

menores prdidas.

Una de las ventajas de utilizar un antiespumante fsico frente a uno

qumico es la estabilizacin del curso de la reaccin y la aireacin continua

con un volumen ptimo de utilizacin, adems de la reduccin de la


Memoria descriptiva

36

utilizacin de agentes qumicos, prohibidos en muchas industrias

alimentarias.

Teniendo en cuenta el diseo del fermentador y las condiciones de

trabajo se opta por utilizar un antiespumante Frings tipo 600.

Figura 3. Esquema del antiespumante.

6.3.1.2. Datos tcnicos.

Las caractersticas tcnicas del antiespumante dependen,

fundamentalmente, de la cantidad de espuma que se forme, ya que en

funcin de dicho volumen las especificaciones sern ms o menos exigentes.

La formacin de espuma a su vez va en funcin de la entrada de aire

al fermentador y de la velocidad del aireador, que ser el que produce las

microburbujas para el contacto entre el lquido y el oxgeno.

Se supondr un caudal medio de aire contenido en la espuma de 100

m3/h6. El antiespumante que corresponde a este caudal de aire es el tipo 600,

que tiene una potencia de 5,5 Hz. La turbina tiene una velocidad angular de

1500 r.p.m.. la brida necesaria para su colocacin en la tapa-brida del

6 Ver tabla adjunta en anexos.


Memoria descriptiva

37

fermentador debe tener un dimetro de 480 mm y el dimetro de la salida

para el aire debe ser de 100 mm.

Figura 4. Antiespumante.

6.3.2. Aireador-agitador.

6.3.2.1. Introduccin terica.

Como se coment en el apartado los Antecedentes, la fermentacin

actica es la reaccin entre las bacterias acticas y el oxgeno. Por tanto, hay

que disponer de un sistema de aireacin que facilite la entrada de aire de una

manera eficiente, para que el grado de acidez deseado se alcance en el menor

tiempo posible, es decir, que la velocidad de acetificacin sea la mayor

posible.

Para ello lo fundamental es el contacto de las burbujas de aire con el

medio fermentativo.


Memoria descriptiva

38

Las distintas etapas en la transferencia de oxgeno, de forma general,

se pueden resumir en:

- Transporte desde el seno del gas a la interfase gas-lquido.

- Difusin a travs de la pelcula gaseosa. Normalmente esta pelcula es

muy fina y la etapa es muy rpida.

- Difusin a travs de la pelcula fluida. Esta etapa suele ser limitante y

determinar, por tanto, la velocidad del proceso global.

- Transporte en el seno del lquido. Normalmente no supone una

limitacin importante debido a la existencia de agitacin.

- Difusin a travs de la pelcula fluida adherida al flculo de biomasa.

Puede ser limitante en los casos de fluidos viscosos.

- Difusin a travs del flculo celular, hasta la superficie de la clula

receptora.

- Difusin a travs de las membranas celulares. Suele ser un paso muy

rpido, ya que las membranas de los microorganismos aerobios estn

especialmente preparadas para ello.

- Transporte en el citoplasma hasta el lugar de reaccin (enzimas

respiratorias). Normalmente es un fenmeno no limitante; sobre todo

si los enzimas estn distribuidos en el interior del citoplasma o ligados

a la membrana celular.

6.3.2.2. Seleccin del aireador-agitador.

Como se puede observar, son muchas las etapas que se dan en la

transferencia de oxgeno, por lo que sern muchas las resistencias a superar,

entonces se tendr que facilitar de alguna manera el contacto entre las

bacterias y el oxgeno, y eso se consigue haciendo que el dimetro de la

burbuja sea lo ms pequeo posible.


Memoria descriptiva

39

Un aireador de baja velocidad proporciona las condiciones ms

ptimas de transferencia de oxgeno, mezcla y eficiencia hidrulica, por eso

es un buen aliado en este proceso, ya que divide muy finamente el aire que

entra, a la vez de mezclar el lquido con el gas, lo que favorece enormemente

el contacto entre ambos.

El aireador a elegir debe ser sumergible, tipo Friborator, puesto que

son apropiados para cualquier reaccin gas-lquido a temperaturas y

presiones por debajo de los 70 C y 2 bar, respectivamente, especialmente

para trabajar con oxgeno.

El aireador ptimo en estas condiciones de trabajo es el Friborator

150, que es el que abarca el caudal de aire mximo necesario, 21,1 m3/h,

segn los clculos en el captulo, Aporte del oxgeno necesario, ya que puede

este aireador- agitador est diseado para alcanzar un caudal de 30 m3/h.

Figura 5. Aireador-agitador.


Memoria descriptiva

40

6.3.2.3. Descripcin del funcionamiento.

La capacidad de circulacin del aireador hace que este oxigeno se

disperse en toda la masa y evita la sedimentacin en el fondo del tanque.

Todo aireador debe realizar las siguientes funciones:

Aportacin de oxgeno.

Dispersin del oxgeno en la masa lquida.

Evitar sedimentaciones en el fondo del tanque.

El aireador se compone de un motor sumergible, un soplante y un

mezclador integrado en un solo bloque. Est formado por un impulsor en

forma de estrella directamente conectado al eje del motor, as como un

estator que rodea al impulsor y un tubo de ventilacin. El impulsor gira

dentro del estator, creando una depresin y, automticamente, gracias al

vaco que se produce, se da la aspiracin del aire a lo largo del tubo de

ventilacin, acoplado a dicho impulsor. Al mismo tiempo se produce una

mezcla absoluta entre el fluido que llega al impulsor y el aire, producindose

posteriormente una descarga radial a travs de los canales del estator. De

esta forma, el aire se descompone en finas burbujas. Lo que hace que el

contacto entre ambas fases sea el ptimo, crendose a su vez una agitacin

por todo el medio fermentativo.

El aireador- agitador est situado en el fondo inferior del

fermentador.


Memoria descriptiva

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Figura 6. Esquema del aireador- agitador.

6.3.2.4. Descripcin tcnica.

El aireador consta de un motor trifsico que trabaja a 400 V y 50 Hz y

a una potencia de 3 kw.

El eje del rotor se apoya sobre unos rodamientos de bolas de

lubricacin permanente libre de mantenimiento.

La estanqueidad del eje entre el motor y la zona del aireador, se

consigue por medio de una junta mecnica, de alta calidad realizada en

carburo de silicio, independiente del sentido de giro y resistente a cambios

bruscos de temperatura.

Para la vigilancia de la junta lleva incorporado un sistema DI, con un

sensor en la cmara de aceite que avisa anticipadamente del momento

adecuado de inspeccin, as como la posible entrada de lquido en el eje.

La temperatura del motor tambin ha de controlarse, y para ello tiene

incorporado un sistema de vigilancia TCS, Termal-Control- System con


Memoria descriptiva

42

sondas trmicas en el estator y en los rodamientos superiores e inferiores,

que avisa y desconecta el motor en caso de sobretemperatura.

6.3.3. Sistema de Refrigeracin.

Para mantener la temperatura del medio fermentativo en el punto

ptimo, se instalar un serpentn en el interior del fermentador.

6.3.3.1. Seleccin del sistema de refrigeracin.

La fermentacin actica es una reaccin exotrmica, es decir, produce

calor. Este aumento de calor provoca un incremento en la temperatura del

medio fermentativo haciendo necesaria la instalacin de un sistema de

refrigeracin para absorber el calor producido y mantener el interior del

fermentador en la temperatura ptima de refrigeracin, 30-31C.

Este calor producido se puede absorber de manera efectiva con la

instalacin de un serpentn en el interior del reactor, sin necesidad de la

utilizacin de una camisa de refrigeracin, lo que hace, adems que los costes

en la planta industrial se reduzcan.

Otra ventaja del uso del serpentn, es el mayor contacto que se crea

entre las paredes de su tubera y el medio fermentativo.

Una desventaja en la utilizacin de serpentn en lugar de camisa

refrigeradora, es la creacin de posibles residuos que pueden quedar

adheridos a la tubera del serpentn, creando una resistencia ms a superar a

la hora de la absorcin de calor del medio fluido. Sin embargo, gracias al

continuo movimiento del medio fermentativo debido a la agitacin

provocada por el aireador- agitador, la adherencia ser pequea. No


Memoria descriptiva

43

obstante, se detendr el funcionamiento de la planta una vez al ao para

limpieza y mantenimiento.

6.3.3.2. Caractersticas y diseo del serpentn.

El serpentn interno tiene una longitud de 57,8 m por el que circular

agua a una temperatura de entrada de 12 C, procedente de un equipo de

refrigeracin. Este equipo lo suministrar Industrias Cspedes, siendo el

modelo F390, capaz de abastecer hasta 33.300 frigoras/hora.

Est fabricado a partir de una tubera de acero inoxidable AISI 316L

con un dimetro nominal de 2 (Dimetro exterior 50,8 mm y Dimetro

interior 48,311 mm). La espiral que forma tiene un dimetro de 1,84 m y

consta de 10 vueltas repartidas a lo largo de la envolvente y de las dos

pestaas del fermentador, por lo que la altura entre los centros de cada

vuelta ser de aproximadamente, 242 mm.

La conduccin de entrada est situada en la parte inferior de la

envolvente y conectada al equipo de refrigeracin mediante una tubera de

acero inoxidable AISI 316L. en ella se instalar una electrovlvula conectada

al controlador de tal manera que, en funcin de la seal que mande el sensor

de temperatura a la que se encuentra el medio fermentativo, se abrir o se

cerrar dicha electrovlvula para que pueda circular el refrigerante y llegar a

la ptima temperatura de fermentacin. La conduccin de salida est situada

en la parte superior de la envolvente por el mismo lateral del fermentador, e

ir conectada al equipo de refrigeracin, al igual que la de entrada, para que

una vez all vuelva a adoptar la temperatura de 12 C de entrada.


Memoria descriptiva

44

6.4. Depsito de descarga y almacenamiento de vinagre.

Ambos depsitos tendrn un volumen til de 45,87 m3.. Estn

constituidos por una envolvente o cuerpo cilndrico de 5,198 m de altura y un

dimetro interior de 3,170 m con un espesor de 13 mm. Los fondos, tanto el

superior como el inferior, son de geometra toriesfrica, tipo Korbbogen, del

mismo espesor que la envolvente, 13 mm y de una altura de 0,83 m cada uno.

Cada fondo estar unido a la envolvente por una pestaa de 45,50 mm de

altura.

Estos depsitos estn sustentados por un faldn de una altura total de

1,230 m, un dimetro exterior igual al dimetro exterior de la envolvente,

3,196 m y un espesor de 6 mm. El faldn estar anclado al suelo por unos

pernos situados en una base. Esta base tiene una anchura de 120,65 mm.

El conjunto del depsito formado por la envolvente, las pestaas, los

fondos y el faldn tendr una altura total desde el suelo de 7,978 m.

Como se ha mencionado en el apartado Seleccin de materiales,

debido a que las caractersticas de corrosividad del lquido que contendr

son ms severas que las de vino, estos depsitos se fabricaran en acero

inoxidable AISI 316L.

Los principales accesorios con los que cuenta cada depsito son:


Grifo de toma de muestras, para poder analizar el vinagre almacenado

cuando sea necesario. Se instalarn tres grifos a distinta altura.




Memoria descriptiva

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Vlvula de flotador, para impedir la entrada de fluido cuando se llegue al

nivel mximo de capacidad del depsito.

Por la parte superior del depsito de descarga se introducir el

vinagre inmediatamente despus de salir de los fermentadores. Aqu estar

almacenado, a la temperatura ambiente, hasta que pase al sistema de

microfiltracin tangencial. Esto se har con una bomba centrfuga de forma

automtica.

A medida que el vinagre se va filtrando, va entrando en el depsito de

almacenamiento, detenindose cuando haga falta parar el equipo de

microfiltracin en caso de limpieza.

6.5. Unidad de microfiltracin tangencial.

6.5.1. Introduccin.

Una vez finalizada la fermentacin, el vinagre presenta slidos en

suspensin, como bacterias, protenas, etc, que le da cierta turbidez. Esta

turbidez se debe eliminar aplicando un sistema de clarificacin y filtracin.

La clarificacin, normalmente, se lleva a cabo mediante mtodos de

centrifugacin o adicin de floculantes o coadyugantes (tales como la

bentonita), sustancias que reaccionarn con los slidos colmatantes, y ya sea

por la fuerza centrfuga o por la sedimentacin, se podrn eliminar de forma

sencilla.

La filtracin es una operacin unitaria que tiene como objetivo la

separacin de uno o ms componentes de una corriente fluida.

Particularmente, se refiere a la separacin de partculas slidas que se

encuentran en un medio lquido. Se puede definir, por tanto, como el proceso


Memoria descriptiva

46

de separacin de slidos contenidos en un fluido mediante el paso de la

mezcla a travs de un medio permeable, el cual retiene las partculas slidas.

Para provocar el paso del lquido a travs del medio filtrante es

necesario aplicar un gradiente de presin. Este gradiente de presin se puede

obtener mediante la accin de la gravedad, vaco, presin, centrifugacin.

6.5.2. Seleccin.

En la filtracin tradicional, el producto a tratar es conducido

perpendicularmente al medio filtrante con la consiguiente formacin de

depsitos sobre el mismo. En la tcnica de filtracin tangencial, el producto a

tratar se hace circular paralelamente al medio filtrante, con el fin bsico de

reducir la formacin de depsitos sobre ste. Por tanto esta segunda tcnica

ser la tcnica a elegir. Concretamente ser un sistema de microfiltracin

tangencial, debido a que el tamao del poro de las membranas est entorno a

la micra.

La clarificacin se suele llevar a cabo antes de la filtracin, para evitar

la colmatacin de los filtros de un sistema de filtracin tradicional. La

microfiltracin tangencial, no sufre dicha colmatacin, por lo que se llevar a

cabo la clarificacin y la filtracin en un solo paso.

En lo que respecta a las membranas, hay una gran variedad, en

funcin de la biomasa a separar. Estas pueden tener una gran vida til, ya

que algunas pueden durar varios aos, lo que hace an ms econmico el

uso de este sistema de filtracin.

El sistema estar totalmente automatizado, de manera que una vez

que se llegue al punto de consigna que el controlador de nivel del depsito


Memoria descriptiva

47

de descarga tenga fijado, se pondr en funcionamiento la carga al equipo de

microfiltracin sin necesidad de estar supervisando el proceso

continuamente.

No necesita prefiltracin, llegando a obtenerse un vinagre adecuado

en lo referente a las cualidades fsico-qumicas, siendo la prdida de vinagre

de rechazo muy baja.

La microfiltracin tangencial con membranas trabaja sin la adicin de

productos qumicos, haciendo de sta, una tcnica con residuos de poco

impacto medio ambiental.

En concreto se usar un sistema de microfiltracin tangencial,

suministrada por Industrias Cspedes, modelo T40.

6.5.3. Funcionamiento de la microfiltracin tangencial.

El fundamento del sistema de microfiltracin tangencial son las

membranas polmeras microporosas, en concreto, membranas de

polipropileno, que son utilizadas en forma de mdulo (membrana en tubo

membranoso), y actan como filtro. Los procedimientos membranosos son

procesos netamente fsicos para la separacin de materia.

El vinagre que va ser filtrado es separado en una fase permeado y una

fase de concentracin. La fuerza motriz resultante se produce por causa de la

diferencia de presin transmembranosa, que es principalmente una funcin

de la velocidad de flujo y de la viscosidad.


Memoria descriptiva

48

Figura 7. Sistema de microfiltracin tangencial.

6.5.4. Datos tcnicos.

El modelo T40, consta de 4 mdulos, en los que estn instaladas las

membranas polmeras, especialmente adecuadas para la filtracin del

vinagre. En total tiene una superficie filtrante de 40 m2, y cada membrana

tiene un tamao de poro de aproximadamente 0,45 m. Se necesita una

potencia de 10 kW.

Las dimensiones son 3.0601.5002.300 mm y est dotado de un

control de turbidez, un sistema CIP (Clean In Place) de limpieza para los

mdulos y un tanque de filtrado, adems de una bomba de trasiego. No

necesita coadyugante de filtracin y tiene un depsito para los residuos

obtenidos.


Memoria descriptiva

49

Al igual que la mayora de los componentes de la planta est fabricado

en acero inoxidable 316L, y dispone de ruedas para su desplazamiento.

6.6. Bombas de carga/descarga.

Para la carga y descarga de los depsitos de almacenamiento y los

fermentadores se necesita una bomba centrfuga que impulse el fluido.

En cada caso, la bomba seleccionada por cumplir las caractersticas,

segn lo calculado en el captulo Clculo y seleccin de bombas de la Memoria

de Clculo ser SHE modelo 32-200/05, marca ESPA.

Las caractersticas de esta bomba son:

- Material de fabricacin: acero inoxidable 316L

- Dimetro de aspiracin: 50 mm

- Dimetro de impulsin: 32 mm, por lo que ser necesario el uso de un

ensanchamiento a la salida de la bomba para adaptar el dimetro al de

la tubera.

- Potencia: 0,55 kw.

- Altura til mxima: 12,5 m.


Memoria descriptiva

50

7. SISTEMA DE CONTROL.

7.1. Introduccin.

El sistema de control en la planta industrial es necesario para prevenir

riesgos, pudiendo cometerse accidentes que afecten al personal o la misma

planta industrial. La prevencin de estos riesgos se hace estudiando los

parmetros como la temperatura, el nivel y la presin en todo el sistema de

tuberas y en el interior de los depsitos.

Por otro lado se debe instalar un sistema de control para que la planta

opere de manera estable y automatizada, controlando las variables

necesarias, para obtener las mismas caractersticas en el producto final.

La implantacin del sistema de control supone un ahorro de tiempo y

dinero para la planta industrial, ya que no es necesario un personal

observando constantemente el funcionamiento de cada componente, sino que

desde un monitor se puede observar todo el proceso y habr alarmas que

saltaran en caso de algn posible riesgo.

7.2. Sistema de control de los fermentadores.

En los fermentadores es donde ocurre el proceso fundamental de la

planta industrial, por tanto, es en ellos donde se debe instalar la mayor parte

de sensores, para controlar las variables necesarias para una buena

fermentacin, y poder evitar cualquier imprevisto.

Concretamente se van a controlar:


Memoria descriptiva

51

- el nivel del depsito;

- la temperatura;

- la cantidad de oxgeno en el interior del fermentador;

- la acidez.

7.2.1. Control de temperatura.

Como se vio en el captulo Factores que influyen en la fermentacin

actica, del apartado Antecedentes de esta misma memoria, la temperatura

es una variable importante en la fermentacin actica. En el mismo captulo

se indic que la temperatura ptima de fermentacin est alrededor de 30,9

C, por lo que se debe mantener el medio fluido en esa temperatura.

Se impondr un sistema de lazo de control simple, que actuar sobre

una vlvula de control y esta a su vez regular la entrada del refrigerante que

atraviesa el serpentn instalado en el interior de cada fermentador.

La variable a controlar ser la temperatura del interior del

fermentador, la variable a manipular ser la entrada de caudal de

refrigerante al serpentn y habr una variable de perturbacin que ser la

temperatura del agua de entrada (12 C)7. Esta temperatura se conseguir con

la ayuda de un equipo de refrigeracin instalado en el exterior de la planta

industrial.

El lazo de control simple constar de:

sensor de temperatura digital, marca Kobold modelo DTM o

similar. Trabaja en un rango desde 30 a 50 C, controlado por un 7 Temperatura a la que se llega despus de hacer clculos, recogidos en el captulo 7. Diseo

del sistema de refrigeracin de la Memoria de Clculos.


Memoria descriptiva

52

microprocesador y construido en acero inoxidable con lminas de polister.

Muy aconsejable en la industria qumica, farmacutica y de alimentos.

controlador de temperatura, marca Cole-Parmer, modelo EW-

98609-60 o similar, que trabaja en un rango de temperatura de 10 a 60 C.

electrovlvula ON/OFF, marca Cole-Parmer, modelo EW-98165-10

o similar, fabricada en acero inoxidable.

Esto se puede reflejar de manera:

Agua de refrigeracin

ST

CT

Tr

Figura 8. Lazo de control de temperatura del fermentador.


Memoria descriptiva

53

FERMENTADOR

s

ACTUADORQ

Tr

CTTs

Tp

T TsST

Siendo:

Q: caudal de entrada de agua al refrigerador;

Tp: temperatura del agua de entrada (variable de perturbacin);

T: temperatura del medio fermentatitvo;

Ts: temperatura que mide el sensor;

Tr: temperatura de referencia (punto de consigna)

ST: sensor de temperatura;

CT: controlador de temperatura;

s: seal que se enva al actuador.

Cuando la temperatura en el medio fermentativo (T) sube, por el calor

generado por la reaccin, por encima del punto de consigna (Tr que se fijar

en 31 C) se manda una seal (s) al actuador que pone en funcionamiento la

vlvula de entrada de caudal de agua al interior del serpentn.

Cuando se consigue que la temperatura baje (hasta un punto de

consigna inferior recomendado alrededor de 29,5 C), la entrada de agua al

serpentn se detendr.


Memoria descriptiva

54

7.2.2. Control de nivel.

Segn la bibliografa, para un proceso de fermentacin con las misma

caractersticas de este sistema, la velocidad mxima de acetificacin se

obtiene cuando el medio fermentativo se encuentra a unos 2-3 acticos,

siempre que las condiciones necesarias sean las ptimas. Una vez que se

obtiene el vinagre de 8 acticos, deber descargarse el 62%8 del volumen til

total del fermentador, de manera que al reponer ese volumen con vino fresco,

se debe alcanzar los 3 acticos, aproximadamente, en el interior del

fermentador.

Una vez que se desaloja el 62% acordado, del total del volumen del

fermentador se pondr en marcha el caudal de entrada de vino a este, y al

llenarse hasta el nivel mximo fijado se volver a parar.

El lazo de control de nivel tambin ser sencillo y constar de:

sensor de nivel, marca Kobold, modelo NBK-R, tipo Bypass o

similar que que puede trabajar a ms 6 m de longitud y salida analgica 4-20

mA. Adems de tener la funcin de sensor, se usar como tubo de nivel.

controlador de nivel de fluido, marca Cole-Parmer, modelo LC40 o

similar, con interruptor y alarma, adems de un LED que indica los valores

que se miden.

electrovlvula ON/OFF, marca Cole-Parmer, modelo EW-98165-10

o similar, con dos vas, ideal para fluido agresivos.

8 Ver clculos en captulo 2. Velocidad de acetificacin y Estimacin anual en la Memoria de clculo.


Memoria descriptiva

55

electrovlvula ON/OFF, marca Cole-Parmer, modelo A-01348-12

de tres vas. Esta vlvula ser la que controlar la entrada de vino a uno u

otro fermentador, segn el control de nivel que haya actuado.

En este caso el lazo de control se puede esquematizar de la siguiente

manera:

Figura 9.. Lazo de control del nivel del fermentador.


Memoria descriptiva

56

FERM EN TAD OR

s

A CTUADORQ

N r

CNN s

N N sSN

Siendo:

Q: caudal de vino a la entrada del fermentador;

N: nivel en el interior del fermentador;

Ns: nivel medido por el sensor;

Nr: nivel fijado (punto de consigna);

SN: sensor de nivel instalado en el fermentador;

CN: controlador de nivel;

s: seal que envia al actuador.

Una vez que el sensor de nivel (SN) mida el nivel que se corresponda

con el punto de consigna inferior (el 38% del volumen til total) mandar

una seal (s) al actuador para detener la salida de vinagre del fermentador.

Acto seguido se pondr en funcionamiento la bomba de carga del

fermentador, para que entre materia prima, hasta completar el volumen

(punto de consigna superior) haciendo que se detenga la entrada de vino al

fermentador. Por otro lado, el actuador mandar otra seal a la

electrovlvula que fija la direccin del flujo de vino, ya sea el sensor de nivel

del primer fermentador o del segundo el que haya mandado la seal.


Memoria descriptiva

57

7.2.3. Control de oxgeno.

Como se mencion en el captulo Factores que influyen en la

fermentacin actica el valor de la concentracin en el medio fermentativo

debe encontrarse alrededor de 1 ppm, por tanto, habr que mantener el

medio fermentacin con una concentracin de oxgeno disuelto cercana al

puto ptimo, para que la reaccin no sufra alteraciones.

Tambin en este caso se impondr un lazo de control simple que

constar de:

sensor de oxgeno disuelto en el medio fermentativo para

lquidos, marca Cole-Parmer, modelo P-05726-26 o similar, con

compensacin de temperatura y 420 mm de inmersin y 19 mm de dimetro.

controlador de oxgeno, marca Cole-Parmer, modelo EW-53405-00,

DO 2000 Controller o similar, programable ON/OFF para control

proporcional o proporcional integral. Trabaja en un rango de 0 a 20 mg/L

(ppm). Tambin contiene compensacin automtica o manual de

temperatura y alarma.

electrovlvula ON/OFF, marca Cole-Parmer modelo EW-98615-10.

El esquema sera:


Memoria descriptiva

58

Figura 10. Lazo de control del oxgeno disuelto en el interno del fermentador.

FERMENTADOR

s

ACTUADORV

Or

CO Os

O OsSO

Siendo:

V: velocidad angular de la turbina (rpm) a regular;

O: concentracin de oxigeno disuelto en el fermentador;

Os: concentracin de oxgeno medido por el sensor;

Or: concentracin de oxgeno disuelto fijado como punto de consigna;

SO: sensor de oxgeno disuelto;


Memoria descriptiva

59

CO: controlador de oxgeno;

s: seal que enva al actuador.

Una vez que el medio fermentativo alcance el punto de consigna

superior (fijado, aproximadamente, en 1,5 ppm), se mandar una seal para

que la velocidad del agitador disminuya, crendose as un menor aporte de

oxgeno. Del mismo modo, cuando el valor que se mida de oxgeno disuelto

sea, alrededor de 0,8 ppm (punto de consigna inferior), la velocidad del

aireador debe aumentarse, aumentando por tanto el aporte de oxgeno.

7.2.4. Control de acidez.

La fermentacin actica consiste en la transformacin del etanol que

procede del vino en cido actico. La concentracin de cido actico del

vinagre final, depende del grado de acidez que se desee tener.

Para controlar el producto obtenido en los fermentadores, se

impondr un sistema de control de acidez, fijando un punto de consigna que

corresponda a los 8 acticos, que es la acidez deseada del vinagre de este

proyecto.

Se pondr un lazo de control simple con:

sensor de acidez, ser un titrador de acidez, 842 Titrando o similar.

Actuar de manera automtica, recogiendo muestras del interior del

fermentador cada cierto tiempo y analizndola hasta llegar al valor de 8 de

acidez.


Memoria descriptiva

60

controlador de acidez, marca Cole-Parmer, tipo EW-33120-24,

capaz de soportar una temperatura mxima de fluido de 60 C. tiene una

alarma ajustable, para la seguridad y una salida de corriente de 4-20mA.

electrovlvula, marca Cole-Parmer, tipo EW-98615-10 o similar, de

dos vas ideal para fluidos agresivos.

electrovlvula ON/OFF, marca Cole-Parmer, modelo A-01348-12

de tres vas. Esta vlvula ser la que controlar la salida de vinagre desde un

fermentador u otro, segn el control de acidez que mande la seal.

En este caso el esquema quedar:

B1

B2

SAc

CAc

Figura 11.. Lazo de control de acidez en el interior del fermentador.


Memoria descriptiva

61

FERMENTADOR

s

ACTUADOR Q

Acr

CAc Acs

Ac AcsSAc

Siendo:

Q: caudal de descarga del fermentador;

Ac: acidez en el interior del fermentador;

Acs: acidez medida por el sensor;

Acr: acidez fijada (punto de consigna);

s: seal que envia al actuador;

SAc: sensor de acidez

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