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NUEVA PRENSA VERTICAL DE VINO BASADA EN COLCHÓN DE AIRE DISEÑADA MEDIANTE ESTUDIO POR ELEMENTOS FINITOS

Fco. J. Martínez de Pisón(p)(1), F. Alba Elías(2), E. P. Vergara González(1)

(1) Área de Proyectos de Ingeniería. Departamento de Ingeniería Mecánica. Universidad de La Rioja. C/ Luis de Ulloa, 20. 26004, Logroño, (La Rioja).

(2) Área de Expresión Gráfica y Proyectos. Departamento de Proyectos e Ingeniería Rural. Universidad Pública de Navarra. Campus de Arrosadía, 31006.

Pamplona, (Navarra). SUMMARY In this paper is presented a new concept of wine vertical press developed by the Compañía Vinícola del Norte de España (CVNE) and partially designed by the Universidad de La Rioja (UR) and the Universidad Pública de Navarra (UPNA). This new prototype has been built by different wine sector industries - financed and coordinated by CVNE – and previosly simulated, using finite elements, by the UR and UPNA. The new press is cradle for the substitution of the hydraulic plate by a cylindrical pneumatic air mattress which press the grapes. This mattress is placed in the superior part of the press so that when it is swelling, conforms to the irregularities of the surface of the grape obtained a homogenous pressure which helps to improve the quality of the pressed wine. In addition, we eliminate the expensive cylinders and hydraulic pumps, increasing considerably the capacity of the press - since the limitations in the design engineering are reduced so that it is possible to be considerably increased the dimensions of the mattress and tank. RESUMEN En esta comunicación, se presenta un nuevo tipo de prensa vertical de vino desarrollada por la Compañía Vinícola del Norte de España (CVNE) en cuyo diseño han participado las Universidades de La Rioja y Pública de Navarra. La prensa prototipo ha sido construida por diversas empresas del sector -coordinadas y financiadas a su vez por CVNE- y simulada previamente mediante elementos finitos por personal de las Universidades anteriormente indicadas. La prensa se basa en la sustitución del típico plato hidráulico por un colchón hinchable que es el encargado de prensar la uva. El colchón se coloca en la parte superior de la prensa de forma que al hincharse se amolda a las irregularidades de la superficie de la uva hasta que se consigue una presión homogénea que ayuda a mejorar la calidad del vino prensado. Además se consigue eliminar los costosos cilindros y bombas hidráulicas; incrementando considerablemente la capacidad de la prensa -ya que se reducen las limitaciones en la ingeniería de diseño de forma que se puede aumentar considerablemente las dimensiones del colchón y del cubillo-.

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1. INTRODUCCIÓN 1.1. El Proceso del Prensado en la Industria Vinícola Prensar significa expulsar una sustancia sólida, líquida o gaseosa del espacio situado entre las superficies de prensado que se mueven una contra otra. Las bodegas que apuestan por la calidad cuidan mucho la fase del prensado porque según cómo se realice afectará de una forma o de otra al futuro sabor del vino. Además, este proceso es muy importante porque representa un máximo de trabajo en un espacio breve de tiempo (dos o tres meses de vendimia). Es decir, este proceso consistente en la separación de los compuestos sólidos de la uva (hollejo, pulpa, levaduras muertas, semillas, ramas, etc.) con respecto al mosto, debe garantizarse con una producción máxima sin influir en la calidad del futuro vino1. Además, debe realizarse rápidamente porque si los orujos al prensar están calientes y aireados, el vino obtenido puede resultar algo avinagrado [1,4]. De lo anteriormente descrito podemos deducir que el proceso de prensado debe ser rápido, garantizar una producción máxima e influir lo menos posible sobre el mosto en cuanto a enturbiamiento y sustancias herbáceas.

1.2 Tipos de Prensas Fundamentalmente, existen tres tipos de prensas de vinos [2, 3]: Prensas de Continuo, Prensas Horizontales y Prensas Verticales. Las Prensas de Continuo o Continuas trabajan a través de un tornillo sinfín helicoidal o tornillo de Arquímedes que empuja los orujos contra un obturador móvil provisto de contrapesos. Este tipo de prensas poseen un husillo de gran diámetro que tiene rotación lenta y un sistema de regulación automática de presión. Generalmente, disponen de distintas salidas de mosto que aseguran el fraccionamiento según la calidad del mismo. En las prensas continuas la extracción del mosto es muy rápida pero el prensado es muy violento y hace una trituración excesiva de los orujos extrayendo sabores y olores herbáceos no deseados. Las Prensas Horizontales, por otro lado, trabajan por rotación y acercamiento de dos platos móviles. Tiene unos programadores que modifican la velocidad del prensado y lo detienen cuando alcanzan una determinada presión, procediendo automáticamente al desmenuzado de los orujos. Este tipo de prensas someten la pasta a menor presión y por ello los mostos presentan un mejor calidad. Otro tipo de prensas horizontales son las denominadas Prensas Neumáticas. Éstas utilizan un compresor de aire que infla una bolsa axial interior de caucho grueso que oprime la pasta contra la jaula cilíndrica de acero inoxidable. De esta forma, el

1 Para ello, la separación del mosto con respecto a los componentes sólidos de la uva pisada debe realizarse de una forma muy cuidadosa debido a que dentro de la pasta que se prensa existen no solo la parte del hollejo y pulpa de la uva sino también otros elementos como: levaduras muertas, residuos sólidos, semillas, ramas, hojas u otras materias orgánicas, etc.; que pueden afectar sustancialmente a la calidad del vino obtenido.

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prensado se consigue gracias a la presión que libera el pastel de los orujos y la rotación de la jaula de acero. Este tipo de prensas son muy utilizadas para la obtención de mostos de calidad ya que mantienen una presión suave, con una extracción progresiva del mosto, con lo que se consigue un mayor autofiltrado y una menor oxidación del mosto. La desventaja principal de las prensas horizontales es que el mosto obtenido con ellas es más turbio, y solo consigue un grado de claridad óptimo para la fermentación si se le añaden separadores de clarificación o si se le deja reposar. Por último, nos encontramos con las Prensas Verticales, basadas en las prensas tradicionales de madera pero actualizadas con nuevos materiales y actuadores automáticos (generalmente hidráulicos). Así, hoy en día es usual encontrarnos con prensas neumáticas con plato de acero inoxidable y cubillo con rejilla de acero cuyas curvas de prensado son completamente programables. Su uso se orienta hacia vinos de muy alta calidad pero con el inconveniente de que las dimensiones de los cubillos son reducidas y, por lo tanto, la capacidad de producción es pequeña. Este último tipo de prensas la utilizan las bodegas que desarrollan vinos muy elaborados y que conjugan métodos tradicionales con mecánica moderna. Lógicamente, la elección de unas u otras depende de la calidad que se quiera conseguir y del tiempo que se quiera emplear (generalmente, tanto tiempo como calidad van inversamente relacionados2).

2. NUEVA PRENSA VERTICAL DE VINO El proceso de prensado reviste especial importancia cuando se pretende extraer el mayor rendimiento de la uva. Muchas bodegas que desarrollan vinos o cavas de alta calidad se decantan por los métodos tradicionales de prensado de la uva donde el manejo de la misma no pasa por las fricciones de numerosas máquinas y sobretodo porque se puede conseguir extraer un mosto de gran calidad. En el presente documento se muestran los trabajos desarrollados por un equipo de investigación formado por ingenieros de la Universidad de La Rioja y de la Universidad Pública de Navarra (UPNA) dentro de un proyecto conjunto con bodegas CVNE donde se ha desarrollado una nueva prensa de vino vertical. Este nuevo tipo de prensa vertical para la obtención de mosto, conjuga las ventajas de este tipo con las horizontales de membrana y está especialmente diseñada para obtener grandes producciones de mostos de gran calidad mediante la aplicación de técnicas tradicionales conjugadas con sistemas mecánicos modernos. La funcionalidad más destacable estriba en el uso de colchones hinchables que pueden estar dispuestos encima y/o debajo de la masa a prensar y que

2 Lógicamente, cuanto más rápidamente sea transportada, bombeada, prensada y removida la uva pisada, tanto más turbio resultará el mosto. Además a esto habrá que añadir los gastos de mano de obra que serán mayores cuanto más tiempo se necesite.

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distribuyen la presión de una forma más homogénea por toda la superficie de contacto. La idea inicial surgió a partir de la propia “experiencia” del personal de Bodegas C.V.N.E (sita en Haro (La Rioja)). Éstos observaron que con una misma prensa vertical “tradicional” y según el modus operandi que se utilizara, se podían obtener mostos de diferentes calidades dentro de cada una de las fases del prensado.

Figura 1. Vista General de la Prensa Desarrollada.

2.1 Descripción de la Prensa Desarrollada Esta nueva prensa vertical para uva con colchón de aire está compuesta por una tapa de prensa sujeta a una estructura, un colchón alimentado por bomba neumática, un cubillo de inoxidable con rejilla para el filtrado y desagüe para el mosto.

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Figura 2. Esquema Básico de la Prensa Propuesta.

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El sistema está compuesto por los siguientes elementos:

1. Tapa de la prensa sujeto a estructura metálica.

2. Colchón de lona elástica alimenticia que se hincha mediante bomba neumática (puede situarse uno en la parte superior y otro en la parte inferior del depósito, o solamente uno en la parte superior).

3. Cubillo de Acero Inoxidable.

4. Rejilla de acero inoxidable para el filtrado del mosto.

5. Desagüe con la salida del mosto obtenido.

La particularidad fundamental de este tipo de prensa estriba en que el prensado no se realiza con el plato de acero inoxidable sino que esta tarea es encomendada al colchón elástico que se hincha mediante una pequeña bomba neumática.

3. VENTAJAS DEL NUEVO SISTEMA A diferencia de los sistemas utilizados hasta el momento, la prensa se adapta mediante el colchón de aire a la irregularidad de la superficie de uva, hinchándose y deshinchándose hasta alcanzar la presión y calidad del mosto deseados.

Las ventajas fundamentales son:

1. Mediante el uso de un colchón de lona elástico la distribución de la presión es mucho más homogénea en toda la superficie de prensado, ya que éste, al ser elástico, se adapta mejor a la misma, y por lo tanto, se asegura una mejor calidad del mosto porque se evitan sobrepresiones en zonas de la masa donde existen burbujas de líquido o aire (ver figura 3). Este tipo de sobrepresiones es lo que se pretende evitar, ya que pueden producir efectos contraproducentes en el color, sabor y olor del mosto obtenido.

Colchón Masa para

Prensar Presión

Homogénea

Burbuja de Aire o

Líquido

Figura 3. Prensado de Masa de Uva mediante colchón de lona elástica.

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2. Otra de las ventajas de este método es que deshinchando el colchón podemos liberar las burbujas de líquido o aire que se generen “relajando” las presiones existentes dentro de la masa a prensar (figura 4).

Figura 4. Uva después del prensado con el colchón de aire donde se observa como el colchón se ha

adaptado a la masa de uva.

3. Además, claramente se advierte que con este método de prensado se reducen las presiones necesarias y por lo tanto, la potencia de las bombas a utilizar. Efectivamente, mientras que en una prensa hidráulica actual toda la presión se transmite al plato móvil mediante uno o varios pistones de accionamiento que soportará presiones muy elevadas; en la prensa que se propone desarrollar, la presión ejercida se distribuye por toda la superficie del colchón usándose una bomba neumática y unos elementos hidráulicos mucho menos costosos (ver figura 5).

4. Otra ventaja clara es que se puede aumentar enormemente la capacidad del cubillo sin tener que redimensionar la prensa. Es decir, la relación kg.de uva/kg. de acero de la prensa, así como el precio de los elementos actuadores, es sensiblemente menor que en las prensas actuales, lo que conlleva una reducción muy significativa del precio final de la prensa pudiéndose obtener capacidades de prensado mucho mayores que las actuales prensas verticales.

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Esfuerzo soportado

por el pistón: aprox. 180

kg/cm2

Presión soportada en el colchón: aprox. 2 kg/cm2

Sistema hidraúlico o

mecánico solamente necesario

para posicionar el

plato

Fig. a) Sistema Actual

Fig. b) Sistema

Propuesto

Figura 5. Esfuerzos soportados por el sistema actual y el propuesto

4. FASE DE DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DEL PROTOTIPO Las especificaciones iniciales de diseño del prototipo trataban de aumentar la capacidad de producción de una típica prensa vertical pero sin mermar en la calidad del mosto obtenido. Las dimensiones del cubillo, 2,9 metros de diámetro y 1,5 metros de altura, permitirían prensar unos 20.000 kg de uva con unas presiones cercanas a las 200tn (unos 3 kg/cm2).

Figura 6. Prensa desarrollada y soporte de volcado de cubillo.

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Lógicamente, el desarrollo del prototipo final ha requerido un considerable esfuerzo de coordinación y control entre las diferentes empresas integrantes del proyecto debido a que las especificaciones de funcionamiento eran muy exigentes. Este esfuerzo ha sido necesario tanto en las tareas de investigación y diseño, como en las fases de construcción de la estructura de la prensa, la construcción del cubillo y rejilla de acero, el diseño del colchón y el sistema neumático, etc. Cada una de las empresas integrantes, gracias a un esfuerzo continuado y dedicación plena, lograron conseguir el éxito en la tarea que se le encomendó. Además, dadas las dimensiones del cubillo, se hizo necesario el diseño de un carro manipulador y un sistema de volcado para el vaciado del mismo (ver figura 6). 4. ANÁLISIS POR ELEMENTOS FINITOS Una vez planteadas las especificaciones de diseño, se comenzó a trabajar mediante el estudio de elementos finitos a partir de los primeros planos de la estructura provenientes de la ingeniería básica. El estudio de elementos finitos permitía a los diseñadores simular el comportamiento de la estructura ante las enormes presiones que se iban a ejercer de tal forma que se pudieran reforzar aquellas zonas donde que más iban a sufrir. Inicialmente se desarrollo el modelo 3D y se definieron los espesores de cada una de las partes de la prensa.

Figura 7. Modelo 3D para el estudio de elementos finitos.

Una vez desarrollado el modelo tridimensional, se procedió a simular el comportamiento del mismo ante los esfuerzos máximos mayorados. Considerando presiones próximas a las 200tn.

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Figura 8. Modelo 3D de tensiones Von Mises.

Del resultado de las simulaciones se pudieron obtener diversas conclusiones que ayudaron a reducir considerablemente el peso final de la estructura así como los refuerzos, forma y dimensiones de los diferentes elementos constructivos.

Figura 9. Tensiones Von Mises y desplazamientos mayorados.

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Finalmente, después de 7 modelos de prensas desarrollados, se obtuvo un modelo donde se habían reforzado todos los elementos críticos reduciéndose considerablemente el peso total de la prensa. Las tensiones y deformaciones visualizadas por el modelo de elementos finitos no sobrepasaban los valores límites con un amplio margen de seguridad. Este correcto comportamiento pudo comprobarse posteriormente en el prototipo final. 5. CONCLUSIONES La nueva prensa vertical -en cuyo diseño han participado ingenieros de la Universidad de La Rioja y la UPNA en colaboración con un grupo de empresas del sector coordinadas por bodegas CVNE-, permite obtener mostos de gran calidad mediante el uso de colchones hinchables que distribuyen de forma homogénea la presión sobre la uva3 además de que permite aumentar considerablemente la capacidad de prensado y, por lo tanto, la producción. En resumen, esta nueva prensa reduce las presiones necesarias y la potencia de las bombas, permite aumentar la capacidad del cubillo, eliminar el uso de cilindros y bombas hidráulicas y, abaratar sus costes de fabricación. Además de esto, permite un control más preciso en las diferentes fases del proceso de prensado pudiéndose obtener mostos de mayor calidad con un mejor rendimiento. La viabilidad de la idea se respalda por los buenos resultados obtenidos y se orienta fundamentalmente hacia bodegas donde “prima” la calidad y el “aprovechamiento al máximo de la materia prima”. Efectivamente, la mejora de la calidad es uno de los objetivos prioritarios de la industria actual y como no, de la bodegas. El prototipo desarrollado ayudará a la mejora de la calidad de la elaboración del vino además de que supondrá para aquella bodega que la implante una ventaja competitiva frente a las demás. RECONOCIMIENTOS Este proyecto de investigación ha sido parcialmente financiado por el Ministerio de Ciencia y Tecnología Español dentro del proyecto DPI2001-1408 y del Plan Riojano de I+D+i del Gobierno de La Rioja. Así mismo, los autores desean expresar su agradecimiento por toda la ayuda recibida dentro del proyecto CEUTIC del programa de cooperación transfronteriza de la Unión Europea (UE INTERREG IIIA España/Francia). BIBLIOGRAFÍA

1. José Hidalgo Togores. Tratado de Enología. A. Madrid Vicente Ediciones. 2003.

2. CIRCE (Centro de Investigación del Rendimiento de Centrales Eléctricas). Proyecto Profit (FIT 0-50000-200-56). Ánalisis y mejoras de los costes

3 Esa presión homogénea sirve para evitar sobrepresiones en zonas de materia prima con burbujas de aire o líquido (que pueden modifican las condiciones de olor, color y sabor) mejorando la calidad final del mosto obtenido.

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energéticos y medioambientales de las Pymes del sector Vitivinícola. 2002. http://circe.cps.unizar.es/spanish/vitivinicola/res_1_4.html#f

3. Tom Cottrell. Pressed For Wine. How To Choose The Right Press For Your Winery. Vineyard & Winery Management. Edit. Campbell Technologyc Group. Vol 24, No. 1. 1998.

4. Claude Flanzy. Enología: Fundamentos Científicos y Tecnológicos. A. Madrid Vicente Ediciones. 2003.

CORRESPONDENCIA Francisco Javier Martínez de Pisón Ascacíbar Área de Proyectos de Ingeniería. Departamento de Ingeniería Mecánica. Universidad de La Rioja. Edificio Departamental. C/Luis de Ulloa, 20. 26004. Logroño (La Rioja). Teléfono: 941299232. fjmartin@dim.unirioja.es

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