Desarrollo de un sistema de medida ultrasónico para monitorizar el proceso de fermentación maloláctica del vino tinto en un ambiente industrial

Abstract

This work is a contribution to a measuring system based on ultrasonic techniques to analyse and monitor, in real time, malolactic fermentation (MLF) in red wine, both at industrial and semi-industrial level. In the wine sector, MLF is of great importance due to its influence over wine organoleptic and sensory profiles, for it largely defines the quality of the final product. This process, whose main feature is that lactic acid bacteria (LAB) convert malic acid into lactic acid, is monitored, generally, in labs with analytical techniques. These techniques have several drawbacks, however, regarding costs, response times and chances to be included in production lines (they are off-line). On the contrary, the characteristics of the ultrasonic measuring method developed in this Thesis overcomes those and provides other advantages associated to this kind of technology (non-invasive, non-destructive, hygiene and accuracy among others). The main measuring instrument is the ultrasonic sensor, which has been designed and manufactured for measures ultrasonic propagation velocity. It is based on a transmission and reflection of ultrasonic waves technique (pulse-echo). Besides, a buffer rod is used to allow both signal conditioning (echoes) and also the coupling and start of the system in the big stainless steel tanks where the wine is kept during its production. Moreover, several methods to process the collected ultrasonic information are compared and classified according to their computing cost-precision relationship in order to facilitate selection depending on available resources. Regarding lab experiments, the system has proved an appropriate accuracy to detect variations when, in aqueous and hydroalcoholic solutions, lactic and malic acid levels of concentration are changed. It also works in the ultrasonic characterization of hydroalcoholic solutions when temperatures vary with different alcohol concentrations or to detect parameter changes such as turbidity. Regarding field tests, the behaviour of the ultrasonic propagation velocity is clearly related to several conventional parameters that are measured during MLF (malic and lactic acid concentrations, volatile acidity, bacteria population, etc.), which proves the usefulness of the system when predicting the end of the malolactic process on-line. This prediction shows a constant behaviour in ultrasonic propagation velocity when MLF is reaching the end, or none at all when LABs do not perform the process. The breaking point of the system in field tests is control over wine temperature. This parameter is influenced by variations on room temperature and changes generated by the process itself. Temperature must be precisely monitored in order to apply, when necessary, the corresponding compensations to ultrasonic results. The results confirm the feasibility of using ultrasonic waves to monitor the MLF of red wine, even the possibility to include them in a real time control system.

En este trabajo, se ha contribuido al desarrollo de un sistema de medida basado en técnicas de ultrasonidos para el análisis y monitorización, en tiempo real, de la fermentación maloláctica (FML) en el vino tinto elaborado a nivel semi-industrial e industrial. En el sector vinícola, la importancia e interés por la FML se debe a la gran influencia que ésta ejerce sobre los perfiles organolépticos y sensoriales del vino, ayudando a definir, en gran parte, la calidad del producto final. Caracterizado, principalmente, por la conversión del ácido málico en ácido láctico llevada a cabo por las bacterias ácido-lácticas (BAL), este proceso suele ser monitorizado a través de técnicas analíticas en laboratorios; técnicas que presentan algunos inconvenientes en cuanto a costes, velocidad de respuesta y oportunidad de ser incorporadas a líneas de producción (son off-line). Por el contrario, las características del método de medida por ultrasonidos desarrollado en esta Tesis, ofrecen la oportunidad de superar estas dificultades aportando, además, otras ventajas asociadas a esta clase de tecnología (no invasiva, no destructiva, higiene, precisión, etc.). Como pieza fundamental del sistema de medida, se lleva a cabo el diseño y fabricación de un sensor ultrasónico, que mide velocidad de propagación, basado en una técnica de transmisión y reflexión de ondas de ultrasonidos (pulso-eco). Igualmente, se aprovechan las ventajas aportadas por el mecanismo conocido como buffer rod para facilitar, por un lado, el acondicionamiento de las señales de interés (ecos) y por otro, el acoplamiento y puesta en marcha del sistema en los grandes tanques de acero inoxidable donde se deposita el vino durante su elaboración. Además, se realiza un estudio comparativo de diversos métodos aptos para el procesado de la información ultrasónica recopilada, clasificándolos por su relación precisión-coste computacional de tal forma que facilite una correcta elección de acuerdo a los recursos del sistema de medida donde se pretendan aplicar. En cuanto a los experimentos realizados, en laboratorio el sistema demuestra una adecuada sensibilidad para la detección de cambios cuando, sobre soluciones acuosas e hidroalcohólicas, se llevan a cabo variaciones en los niveles de concentración de los ácidos málico y láctico. Igualmente, su funcionamiento es adecuado para la caracterización ultrasónica de soluciones hidroalcohólicas cuando varía la temperatura ante diferentes concentraciones de alcohol o para detectar cambios en parámetros como la turbidez de las mezclas. A nivel de pruebas de campo, el comportamiento de la velocidad de propagación ultrasónica muestra una alta correlación con varios de los parámetros convencionales que suelen medirse durante la FML (concentraciones de ácidos málico y láctico, acidez volátil, población de bacterias, etc.), demostrando la utilidad del sistema en la predicción on-line del final del proceso maloláctico. Predicción que se caracteriza por un comportamiento prácticamente invariable de la velocidad cuando la FML va llegando a su final, o nulo cuando las BAL no cumplen con el proceso. Como punto crítico en la aplicación del sistema de medida en campo, encontramos el difícil control sobre la temperatura del vino, parámetro que se ve influenciado por las variaciones de la temperatura ambiente y por los propios cambios que genera el proceso en sí. Este aspecto obliga a monitorizar detalladamente dicho parámetro para, de ser necesario, aplicar las correspondientes compensaciones a los resultados ultrasónicos. Con todos los resultados obtenidos, se demuestra la viabilidad de utilizar ondas de ultrasonidos para la monitorización de la FML del vino tinto, con posibilidades de inclusión en un sistema de control en tiempo real.