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NUEVA PRENSA VERTICAL DE VINO BASADA EN COLCHN DE AIRE DISEADA MEDIANTE ESTUDIO POR ELEMENTOS FINITOS

Fco. J. Martnez de Pisn(p)(1), F. Alba Elas(2), E. P. Vergara Gonzlez(1)

(1) rea de Proyectos de Ingeniera. Departamento de Ingeniera Mecnica. Universidad de La Rioja. C/ Luis de Ulloa, 20. 26004, Logroo, (La Rioja).

(2) rea de Expresin Grfica y Proyectos. Departamento de Proyectos e Ingeniera Rural. Universidad Pblica de Navarra. Campus de Arrosada, 31006.

Pamplona, (Navarra). SUMMARY In this paper is presented a new concept of wine vertical press developed by the Compaa Vincola del Norte de Espaa (CVNE) and partially designed by the Universidad de La Rioja (UR) and the Universidad Pblica 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 comunicacin, se presenta un nuevo tipo de prensa vertical de vino desarrollada por la Compaa Vincola del Norte de Espaa (CVNE) en cuyo diseo han participado las Universidades de La Rioja y Pblica 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 sustitucin del tpico plato hidrulico por un colchn hinchable que es el encargado de prensar la uva. El colchn 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 presin homognea que ayuda a mejorar la calidad del vino prensado. Adems se consigue eliminar los costosos cilindros y bombas hidrulicas; incrementando considerablemente la capacidad de la prensa -ya que se reducen las limitaciones en la ingeniera de diseo de forma que se puede aumentar considerablemente las dimensiones del colchn y del cubillo-.

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1. INTRODUCCIN 1.1. El Proceso del Prensado en la Industria Vincola Prensar significa expulsar una sustancia slida, lquida 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 segn cmo se realice afectar de una forma o de otra al futuro sabor del vino. Adems, este proceso es muy importante porque representa un mximo de trabajo en un espacio breve de tiempo (dos o tres meses de vendimia). Es decir, este proceso consistente en la separacin de los compuestos slidos de la uva (hollejo, pulpa, levaduras muertas, semillas, ramas, etc.) con respecto al mosto, debe garantizarse con una produccin mxima sin influir en la calidad del futuro vino1. Adems, debe realizarse rpidamente porque si los orujos al prensar estn 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 rpido, garantizar una produccin mxima e influir lo menos posible sobre el mosto en cuanto a enturbiamiento y sustancias herbceas.

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 travs de un tornillo sinfn helicoidal o tornillo de Arqumedes que empuja los orujos contra un obturador mvil provisto de contrapesos. Este tipo de prensas poseen un husillo de gran dimetro que tiene rotacin lenta y un sistema de regulacin automtica de presin. Generalmente, disponen de distintas salidas de mosto que aseguran el fraccionamiento segn la calidad del mismo. En las prensas continuas la extraccin del mosto es muy rpida pero el prensado es muy violento y hace una trituracin excesiva de los orujos extrayendo sabores y olores herbceos no deseados. Las Prensas Horizontales, por otro lado, trabajan por rotacin y acercamiento de dos platos mviles. Tiene unos programadores que modifican la velocidad del prensado y lo detienen cuando alcanzan una determinada presin, procediendo automticamente al desmenuzado de los orujos. Este tipo de prensas someten la pasta a menor presin y por ello los mostos presentan un mejor calidad. Otro tipo de prensas horizontales son las denominadas Prensas Neumticas. stas utilizan un compresor de aire que infla una bolsa axial interior de caucho grueso que oprime la pasta contra la jaula cilndrica de acero inoxidable. De esta forma, el

1 Para ello, la separacin del mosto con respecto a los componentes slidos 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 tambin otros elementos como: levaduras muertas, residuos slidos, semillas, ramas, hojas u otras materias orgnicas, etc.; que pueden afectar sustancialmente a la calidad del vino obtenido.

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prensado se consigue gracias a la presin que libera el pastel de los orujos y la rotacin de la jaula de acero. Este tipo de prensas son muy utilizadas para la obtencin de mostos de calidad ya que mantienen una presin suave, con una extraccin progresiva del mosto, con lo que se consigue un mayor autofiltrado y una menor oxidacin del mosto. La desventaja principal de las prensas horizontales es que el mosto obtenido con ellas es ms turbio, y solo consigue un grado de claridad ptimo para la fermentacin si se le aaden separadores de clarificacin o si se le deja reposar. Por ltimo, nos encontramos con las Prensas Verticales, basadas en las prensas tradicionales de madera pero actualizadas con nuevos materiales y actuadores automticos (generalmente hidrulicos). As, hoy en da es usual encontrarnos con prensas neumticas 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 produccin es pequea. Este ltimo tipo de prensas la utilizan las bodegas que desarrollan vinos muy elaborados y que conjugan mtodos tradicionales con mecnica moderna. Lgicamente, la eleccin 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 mtodos tradicionales de prensado de la uva donde el manejo de la misma no pasa por las fricciones de numerosas mquinas 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 investigacin formado por ingenieros de la Universidad de La Rioja y de la Universidad Pblica 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 obtencin de mosto, conjuga las ventajas de este tipo con las horizontales de membrana y est especialmente diseada para obtener grandes producciones de mostos de gran calidad mediante la aplicacin de tcnicas tradicionales conjugadas con sistemas mecnicos modernos. La funcionalidad ms destacable estriba en el uso de colchones hinchables que pueden estar dispuestos encima y/o debajo de la masa a prensar y que

2 Lgicamente, cuanto ms rpidamente sea transportada, bombeada, prensada y removida la uva pisada, tanto ms turbio resultar el mosto. Adems a esto habr que aadir los gastos de mano de obra que sern mayores cuanto ms tiempo se necesite.

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distribuyen la presin de una forma ms homognea por toda la superficie de contacto. La idea inicial surgi a partir de la propia experiencia del personal de Bodegas C.V.N.E (sita en Haro (La Rioja)). stos observaron que con una misma prensa vertical tradicional y segn el modus operandi que se utilizara, se podan obtener mostos de diferentes calidades dentro de cada una de las fases del prensado.

Figura 1. Vista General de la Prensa Desarrollada.

2.1 Descripcin de la Prensa Desarrollada Esta nueva prensa vertical para uva con colchn de aire est compuesta por una tapa de prensa sujeta a una estructura, un colchn alimentado por bomba neumtica, un cubillo de inoxidable con rejilla para el filtrado y desage para el mosto.

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Figura 2. Esquema Bsico de la Prensa Propuesta.

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El sistema est compuesto por los siguientes elementos:

1. Tapa de la prensa sujeto a estructura metlica.

2. Colchn de lona elstica alimenticia que se hincha mediante bomba neumtica (puede situarse uno en la parte superior y otro en la parte inferior del depsito, o solamente uno en la parte superior).

3. Cubillo de Acero Inoxidable.

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

5. Desage 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 colchn elstico que se hincha mediante una pequea bomba neumtica.

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

Las ventajas fundamentales son:

1. Mediante el uso de un colchn de lona elstico la distribucin de la presin es mucho ms homognea en toda la superficie de prensado, ya que ste, al ser elstico, 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 lquido 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.

Colchn Masa para

Prensar Presin

Homognea

Burbuja de Aire o

Lquido

Figura 3. Prensado de Masa de Uva mediante colchn de lona elstica.

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2. Otra de las ventajas de este mtodo es que deshinchando el colchn podemos liberar las burbujas de lquido o aire que se generen relajando las presiones existentes dentro de la masa a prensar (figura 4).

Figura 4. Uva despus del prensado con el colchn de aire donde se observa como el colchn se ha

adaptado a la masa de uva.

3. Adems, claramente se advierte que con este mtodo de prensado se reducen las presiones necesarias y por lo tanto, la potencia de las bombas a utilizar. Efectivamente, mientras que en una prensa hidrulica actual toda la presin se transmite al plato mvil mediante uno o varios pistones de accionamiento que soportar presiones muy elevadas; en la prensa que se propone desarrollar, la presin ejercida se distribuye por toda la superficie del colchn usndose una bomba neumtica y unos elementos hidrulicos 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 relacin kg.de uva/kg. de acero de la prensa, as como el precio de los elementos actuadores, es sensiblemente menor que en las prensas actuales, lo que conlleva una reduccin muy significativa del precio final de la prensa pudindose obtener capacidades de prensado mucho mayores que las actuales prensas verticales.

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Esfuerzo soportado

por el pistn: aprox. 180

kg/cm2

Presin soportada en el colchn: aprox. 2 kg/cm2

Sistema hidralico o

mecnico 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 DISEO Y CONSTRUCCIN DEL PROTOTIPO Las especificaciones iniciales de diseo del prototipo trataban de aumentar la capacidad de produccin de una tpica prensa vertical pero sin mermar en la calidad del mosto obtenido. Las dimensiones del cubillo, 2,9 metros de dimetro y 1,5 metros de altura, permitiran 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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Lgicamente, el desarrollo del prototipo final ha requerido un considerable esfuerzo de coordinacin 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 investigacin y diseo, como en las fases de construccin de la estructura de la prensa, la construccin del cubillo y rejilla de acero, el diseo del colchn y el sistema neumtico, etc. Cada una de las empresas integrantes, gracias a un esfuerzo continuado y dedicacin plena, lograron conseguir el xito en la tarea que se le encomend. Adems, dadas las dimensiones del cubillo, se hizo necesario el diseo de un carro manipulador y un sistema de volcado para el vaciado del mismo (ver figura 6). 4. ANLISIS POR ELEMENTOS FINITOS Una vez planteadas las especificaciones de diseo, se comenz a trabajar mediante el estudio de elementos finitos a partir de los primeros planos de la estructura provenientes de la ingeniera bsica. El estudio de elementos finitos permita a los diseadores 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 ms 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 procedi a simular el comportamiento del mismo ante los esfuerzos mximos mayorados. Considerando presiones prximas 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 as como los refuerzos, forma y dimensiones de los diferentes elementos constructivos.

Figura 9. Tensiones Von Mises y desplazamientos mayorados.

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Finalmente, despus de 7 modelos de prensas desarrollados, se obtuvo un modelo donde se haban reforzado todos los elementos crticos reducindose considerablemente el peso total de la prensa. Las tensiones y deformaciones visualizadas por el modelo de elementos finitos no sobrepasaban los valores lmites con un amplio margen de seguridad. Este correcto comportamiento pudo comprobarse posteriormente en el prototipo final. 5. CONCLUSIONES La nueva prensa vertical -en cuyo diseo han participado ingenieros de la Universidad de La Rioja y la UPNA en colaboracin 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 homognea la presin sobre la uva3 adems de que permite aumentar considerablemente la capacidad de prensado y, por lo tanto, la produccin. 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 hidrulicas y, abaratar sus costes de fabricacin. Adems de esto, permite un control ms preciso en las diferentes fases del proceso de prensado pudindose 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 mximo 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 ayudar a la mejora de la calidad de la elaboracin del vino adems de que supondr para aquella bodega que la implante una ventaja competitiva frente a las dems. RECONOCIMIENTOS Este proyecto de investigacin ha sido parcialmente financiado por el Ministerio de Ciencia y Tecnologa Espaol dentro del proyecto DPI2001-1408 y del Plan Riojano de I+D+i del Gobierno de La Rioja. As mismo, los autores desean expresar su agradecimiento por toda la ayuda recibida dentro del proyecto CEUTIC del programa de cooperacin transfronteriza de la Unin Europea (UE INTERREG IIIA Espaa/Francia). BIBLIOGRAFA

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2. CIRCE (Centro de Investigacin del Rendimiento de Centrales Elctricas). Proyecto Profit (FIT 0-50000-200-56). nalisis y mejoras de los costes

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

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energticos y medioambientales de las Pymes del sector Vitivincola. 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. Enologa: Fundamentos Cientficos y Tecnolgicos. A. Madrid Vicente Ediciones. 2003.

CORRESPONDENCIA Francisco Javier Martnez de Pisn Ascacbar rea de Proyectos de Ingeniera. Departamento de Ingeniera Mecnica. Universidad de La Rioja. Edificio Departamental. C/Luis de Ulloa, 20. 26004. Logroo (La Rioja). Telfono: 941299232. fjmartin@dim.unirioja.es

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