ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERA
MECÁNICA Y ELÉCTRICA
SECCIÓN DE ESTUDIOS DE POSGRADO E
INVESTIGACIÓN
“DISEÑO DE UN SISTEMA DE CONTROL
PARA EL PROCESO DE FERMENTACIÓN
DEL MEZCAL “
TESIS DE MAESTRÍA
QUE COMO REQUISITO PARA OBTENER EL GRADO DE MAESTRO EN CIENCIAS CON ESPECIALIDAD EN INGENIERÍA MECÁNICA
PRESENTA:
ING. ESTHER LUGO GONZÁLEZ
DIRIGIDO
POR:
M. EN C. LUÍS SILVA SANTOS
CO-DIRECTOR:
M. EN C. GABRIEL VILLA Y RABASA
CARTA CESiÓN DE DERECHOS
En la Ciudad de México, Distrito Federal, el dia 21 del mes Noviembre del año ~ el (la) que suscribe Esther Luao González alumno(a) del Progrcvna de MAESTRíA EN CIENCIAS EN INGENIERíA MECÁNICA. OPCiÓN DISEÑO con número de registro AO30680 adscrito a la Sección de Estudios de Posgrado e Investigación de la ESIME Unidad Zacatenco, manifiesta que es autor(a) intelectual de! presente Trabajo de Tesis bajo la dirección del M en C. Luis Silva Santos V co-director M. en C. Gabriel Villa V ~ Y cede los derechos del trabajo titulado "DISEÑO DE UN SISTEMA DE CONTROL PARA EL PROCESO DE FERMENTACiÓN DEL MEZCAL ". Al Instituto Politécnico Nacional para su difusión, con fines académicos y de investigación.
Los usuarios de la información no deben reproducir el contenido textual, gráficas o datos de! trabajo sin el permiso expreso del autcr y/o director del trabajo. Este puede ser obtenido escribiendo a la siguiente dirección: estherl~latínmaü.com
Si el permiso se otorga, el usuario deberá dar el agradecimiento correspondiente y citar la fuente del mismo.
AGRADECIMIENTOS
Al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACYT)
Al Instituto Politécnico Nacional (IPN)
A la Sección de Estudios de Posgrado e Investigación (SEPI-ESIME-IPN)
Al Centro Interdisciplinario de Investigación para el Desarrollo Integral Regional, delegación
Oaxaca (CIIDIR-IPN-OAXACA).
Al personal de la producción Rural Antequera Siglo XX1 por su asesoramiento y las facilidades otorgadas para el conocimiento de su proceso.
Al Dr. Guillermo Urriolagoitia Calderón por el apoyo brindado durante todo el tiempo que permanecí cursando la maestría.
Al Dr. Luís Héctor Hernández Gómez, por su asesoria para la realización de esta tesis, así como por todas las recomendaciones, el apoyo y la amistad brindados.
A mis directores de tesis el M. en C Gabriel Villa y Rabasa y el M. en C. Luís Silva Santos, por su asesoramiento y paciencia, además de la amistad brindada.
A todos los sinodales por el apoyo en cuanto a las revisiones y comentarios de esta tesis.
A todos los profesores de la Sección de Estudios de Posgrado e Investigación por el apoyo brindado para mi formación académica.
A mis amigos y compañeros que me apoyaron y brindaron su amistad.
A todo el personal que me brindo su ayuda para la realización de esta tesis.
A mi familia por el cariño, apoyo y confianza que siempre me han dado para salir adelante.
GRACIAS
TESIS DE GRADO i
ÍNDICE GENERAL
INDICE GENERAL ___________________________________________________________ i RESUMEN _________________________________________________________________ iv ABSTRACT _________________________________________________________________ v JUSTIFICACIÓN ____________________________________________________________ vi OBJETIVO ________________________________________________________________ viii INDICE DE FIGURAS ________________________________________________________ ix INDICE DE TABLAS __________________________________________________________ x GLOSARIO _________________________________________________________________ xi SIMBOLOGIA _____________________________________________________________ xiv INTRODUCCIÓN____________________________________________________________ xv ANTECEDENTES ____________________________________________________________ I
CAPÍTULO I
FABRICACIÓN DEL MEZCAL
TESIS DE GRADO ii
CAPÍTULO II
CONTROL DE UN PROCESO
2.1. Generalidades ____________________________________________________________ 22 2.2. Procesos Industriales_______________________________________________________ 22 2.2.1 Clasificación de procesos __________________________________________________ 23 2.3 Instrumentación. __________________________________________________________ 24 2.3.1 Clases de instrumentos.____________________________________________________ 24 2.3.2 Diagrama de Tubería e Instrumentación (DTI)_________________________________ 25 2.4. Sistemas de control de procesos.______________________________________________ 26 2.4.1. Control sobre un proceso __________________________________________________ 28 2.4.2. Tipos de controladores____________________________________________________ 30 2.4.2.1. Controladores industriales analógicos. ______________________________________ 30 2.4.2.2. Controladores secuenciales. ______________________________________________ 35 2.4.2.3. Controladores para el sistema. ____________________________________________ 36 2.5. Selección del sistema de control ______________________________________________ 37 2.6. Sistemas automatizados. ____________________________________________________ 38 2.7. Simulación. ______________________________________________________________ 38 2.8. Sumario. ________________________________________________________________ 39 2.9. Referencias. _____________________________________________________________ 40
CAPÍTULO III
DISEÑO DEL SISTEMA DE CONTROL
TESIS DE GRADO iii
CAPÍTULO IV
DISEÑO DETALLADO DEL SISTEMA DE CONTROL.
4.1. Generalidades.____________________________________________________________ 64 4.2. Diseño detallado. _________________________________________________________ 65 4.2.1. Metodología para el diseño detallado ________________________________________ 65 4.3. Diseño detallado del sistema de control . _______________________________________ 66 4.3.1.Cambios de equipo dentro del proceso. _______________________________________ 67 4.3.1.1. Diagrama de flujo de proceso. ____________________________________________ 67 4.3.1.2. Diagrama de tuberia e instrumentación. _____________________________________ 68 4.3.2. Programación del PLC. ___________________________________________________ 68 4.3.2.1. Lazos de control._______________________________________________________ 69 4.3.2.1.1 Control de nivel. ______________________________________________________ 69 4.3.2.1.2 Control de temperatura._________________________________________________ 72 4.3.2.2. Grafcet. ______________________________________________________________ 76 4.3.2.3. Guía GEMMA. ________________________________________________________ 77 4.3.2.4. Diseño del sistema basado en Grafcet y GEMMA._____________________________ 77 4.3.2.5. Simulación del programa de Control del PLC. ________________________________ 79 4.3.3. Panel de control. ________________________________________________________ 80 4.3.3.1. Partes del sistema.______________________________________________________ 80 4.3.3.2. Instalación del sistema. __________________________________________________ 81 4.3.3.3. Puesta en Marcha. ______________________________________________________ 82 4.3.3.4. Mantenimiento del sistema de control. ______________________________________ 83 4.4. Sumario. ________________________________________________________________ 84 4.5. Referencias. _____________________________________________________________ 85
CAPÍTULO V
EVALUACIÓN ECONÓMICA Y ANÁLISIS DE RESULTADOS.
5.1. Generalidades.____________________________________________________________ 87 5.2. Evaluación económica del sistema de control. ___________________________________ 87 5.2.1. Costos de producción. ____________________________________________________ 89 5.2.1.1. Costos de materiales. ___________________________________________________ 89 5.2.1.2. Costos de mano de obra. _________________________________________________ 92 5.2.1.3. Costos de utilización del sistema de control. _________________________________ 92 5.3. Análisis de resultados. _______________________________________________________ 5.4. Sumario. __________________________________________________________________ 5.5. Referencias. _______________________________________________________________
TESIS DE GRADO iv
RESUMEN
En la presente tesis se diseña un sistema de control para la automatización de la fase de fermentación en el proceso de fabricación del mezcal, esta se realiza con la intención de dar una propuesta que pueda ayudar a los productores de las antequeras industrializadas a obtener un mayor aprovechamiento del agave durante la elaboración del mezcal, además de un proceso mas homogéneo y controlado, ya que la fase de fermentación es la más crítica dentro de la elaboración del mezcal y a partir de esta se obtiene la calidad y consistencia adecuada del producto.
Se realizo el estudio de las variables principales que afectan la producción de dicha bebida, obteniendo con esto la información necesaria para el diseño de este sistema de control, para lo cuál se tomo como base el diseño mecánico, diseño de un sistema de control y diseño de un proceso industrial.
También se hizo el estudio económico, ya que es importante el conocer el costo total de este equipo, que en este caso es aproximado ya que conforme pasa el tiempo puede haber cambios en los costos de algunos equipos que se integran para la elaboración del sistema de control completo.
Los resultados obtenido se emplearán en el proyecto “Estudio cinemático y dinámico de mecanismos para el diseño de equipo para la industria mezcalera en el estado de Oaxaca” con número de registro de la CGPI 20040130 bajo la dirección del M. en C. Luís Silva Santos, así como en el proyecto “Validación numérico-experimental del esfuerzo en elementos constituidos por materiales biológicos, materiales compuestos y materiales metálicos ” con número de registro de la CGPI 20040508 bajo la dirección del M. en C. Gabriel Villa y Rabasa.
TESIS DE GRADO v
ABSTRACT
In the present thesis a system of control for the automation of the phase of fermentation in the process of manufacture of the mezcal is designed, this is made with the intention to give a option that can help the producers of the industrialized antequeras to obtain a greater advantage of the agave during the elaboration of the mezcal, in addition to a process but homogenous and controlled, since the phase of fermentation is most critical within the elaboration of the mezcal and from this it obtains the quality and suitable consistency of the product.
I am made the study of the main variables that affect the production of this drink, obtaining with this the necessary information for the design of this system of control, for which volume as it bases the mechanical design, design of a control system and design of an industrial process.
Also the economic study was made, since the total cost is important knowing this equipment, that in this case is approximated since in agreement it spends the time can have changes in the costs of some equipment that is integrated for the elaboration of the system of complete control.
The results obtained will be used in the project “cinematic and dynamic Study of mechanisms for the design of equipment for the mezcalera industry in the state of Oaxaca” with record number of CGPI 20040130 under the direction of the M. in Cs. Luis Silva Santos, as well as in the project “numerical-experimental Validation of the effort in elements constituted by bacteriological agents, material compound and material metalists” with record number of CGPI 20040508 under the direction of the M. in Cs. Gabriel Villa y Rabasa.
TESIS DE GRADO vi
JUSTIFICACIÓN
La producción de mezcal es una actividad que ha crecido en los últimos años, ya que se ha logrado una mayor cantidad de exportaciones; pero existe una problemática, que los productores de mezcal, por falta de tecnología adecuada en sus procesos de fabricación, no pueden cubrir en un cien por ciento la demanda del mercado, lo que ha propiciado que busquen alternativas para cubrir estas necesidades.
En base a visitas realizadas a las comunidades productoras de mezcal, se observó que los procesos realizados en forma artesanal son de baja eficiencia debido a que existen muchas pérdidas por falta de tecnología y en lo que se refiere a la producción industrial, se pudo ver que las plantas productoras con las que están trabajando actualmente no fueron diseñadas del todo para producción de mezcal, sino para otras bebidas como la producción del tequila o el ingenio azucarero, por lo que presentan algunos problemas en la producción.
TESIS DE GRADO vii
TESIS DE GRADO viii
OBJETIVOS
Objetivo general
Desarrollar un sistema de control con el cual se puedan manipular y control las variables (principalmente temperatura, tiempo y coordinación de equipos periféricos), para realizar la fase de fermentación del agave cocido en el proceso de fabricación del mezcal, para lograr así elevar el rendimiento en la obtención de dicha bebida y tener un producto mas homogéneo y si es posibles de mejor calidad.
Objetivos específicos:
Diseñar un sistema de control que cumpla con las siguientes características:
• Accesible a los productores industriales de mezcal que lo requieran.
• Bajo costo de adquisición y de mantenimiento.
• Operación sencilla.
TESIS DE GRADO ix
ÍNDICE DE FIGURAS
Antecedentes
1. Mapa de la región __________________________________________________________ II
CAPITULO I
1.1 Siembra de agave __________________________________________________________ 5 1.2 Piña de Agave _____________________________________________________________ 6 1.3 Horno a flor de tierra ________________________________________________________ 7 1.4 Molino de piedra tipo Chileno _________________________________________________ 8 1.5 Barrica para Fermentación ___________________________________________________ 10 1.6 Alambique de cobre ________________________________________________________ 11 1.7 Almacenamiento de mezcal __________________________________________________ 12 1.7 Autoclave________________________________________________________________ 13 1.8 Tanques para fermentación __________________________________________________ 14 1.9 Equipo para destilación _____________________________________________________ 14
CAPITULO II
2.1 Elementos básicos de un sistema de control sensores, procesadores y actuadores ________ 26 2.2 Elementos generales de un sistema de control ____________________________________ 29 2.3 Diagrama de bloques de sistemas de control automatico____________________________ 34
CAPITULO III
3.1 Diagrama de flujo de la fermentación.__________________________________________ 48 3.2 Diagrama de flujo de operación de la fermentación. _______________________________ 48 3.3 Tablero de control electromecánico. ___________________________________________ 52 3.4 Sistema empleando control empleando control distribuido con microcontrolador. ________ 54 3.5 Pantalla para control de proceso. ______________________________________________ 55 3.6 Tablero de control empleando PLC ____________________________________________ 57 3.7 Sistema de control con PLC__________________________________________________ 57
CAPITULO IV
TESIS DE GRADO x
ÍNDICE DE TABLAS
Antecedentes
1. Destino de las exportaciones del Mezcal _________________________________________ III 2. Consumo nacional aparente y exportaciones _____________________________________IV
Capitulo I
1.1 Variedades del Mezcal_______________________________________________________ 3 1.2 Formas de producción del mezcal ______________________________________________ 4
Capítulo II
2.1 Tipos de sistemas de control _________________________________________________ 27 2.2 Guía de selección de un sistema de control ______________________________________ 35
Capitulo III
3.1 Características de los sistemas de control _______________________________________ 59
Capítulo IV
4.1 Caracteristicas del PLC._____________________________________________________ 68 4.2 Asignación de variables de entrada y salida analógicas y digitales __________________ 78
Capitulo V
TESIS DE GRADO xi
GLOSARIO
Abocado: Procedimiento para suavizar el sabor del mezcal, mediante la adición de uno o más productos naturales, saborizantes o colorantes permitidos en las disposiciones legales correspondientes.
Agave: Vegetal mejor conocido como maguey que pertenece a la familia de las agavaceas.
Alcance (span): Es la diferencia algebraica entre los valores superior e inferior del campo de medida del instrumento
Campo de medida (range): Espectro o conjunto de valores de la variable medida que están comprendidos dentro de los límites superior e inferior de la capacidad de medida o transmisión del instrumento
Colas: Producto residual de la destilación.
Controlador: Permite a los procesos cumplir su objetivo de transformación del material y realiza dos funciones esenciales:
1. Compara la variable medida con la de referencia o deseada para determinar el error. 2. Estabiliza el funcionamiento dinámico del bucle de control mediante circuitos especiales
para reducir o eliminar el error.
Cordón: Conjunto de burbujas o perlas que se generan en la actividad empírica para determinar el grado alcohólico del mezcal.
Destilación: Proceso que consiste en calentar un líquido hasta que sus componentes más volátiles pasan a la fase de vapor y, a continuación, enfriar el vapor para recuperar dichos componentes en forma líquida por medio de la condensación.
Error: Es la diferencia algebraica entre el valor leído o trasmitido por el instrumento y el valor real de la variable medida.
Grado alcohólico.- “ el grado alcohólico de un licor corresponderá al licor alcohólico que contiene la mitad de su volumen de alcohol con densidad de 0.7939 a 15°c”. En forma más simple la cifra de grado alcohólico siempre es el contenido alcohólico en volumen.
TESIS DE GRADO xii
Hidrolizar: es la acción de efectuar una hidrólisis. Hidrólisis es el "desdoblamiento de la molécula de ciertos compuestos orgánicos, ya sea por exceso de agua, ya sea por la presencia de una pequeña cantidad de fermento o de ácido"
Histéresis: Es la diferencia máxima que se observa en los valores indicados por el índice o la pluma del instrumento para el mismo valor cualquiera del campo de medida, cuando la variable recorre toda la escala en los sentidos ascendente y descendente. Se expresa en tanto por ciento del alcance de la medida.
Horno de cocción: Es una construcción rústica troncocónica cavada en bajo relieve en la tierra que tiene sus paredes recubiertas de material regional que sirven como material refractario.
Índice de desempeño: Es un número que indica la bondad del comportamiento del sistema. Se considera que un sistema de control es óptimo, si los valores de los parámetros se eligen de modo que el índice de desempeño elegido sea mínimo o máximo, según el caso.
Jima: Corte de las pencas con hacha, coa , etc. y extracción de las piñas.
Levadura: Hongos microscópicos, unicelulares que son empleados en los procesos de fermentación, en la síntesis de compuestos orgánicos y como suplemento de la alimentación.
Mosto: Es el jugo del maguey cocido antes de fermentar.
Palenque: Es la fábrica de mezcal, aquí se realiza esta bebida de una manera rústica y artesanal.
Perturbación: Es una señal que tiende a afectar adversamente el valor de la salida de un sistema de un sistema.
Piña: Se le llama así al agave cosechado el cuál a sido rasurado de todas sus pencas, quedando el corazón del agave en forma de piñas.
Plantas: Es un equipo o piezas de una máquina funcionando conjuntamente, cuyo objetivo es realizar una operación determinada.
Puntas o cabezas: Expresión empleada por los productores de mezcal para la primera fracción de destilación de mayor grado alcohólico (65 a 30 G.L.).
Puntas de tepache: Primera fracción alcohólica producto de la destilación, generalmente contiene alcoholes y compuestos ligeros (metanol aldehídos, ésteres, etc.)
Receptor: Acepta las señales que representan la variable del proceso utilizándola para realizar funciones de indicación y/o registro y/o control.
TESIS DE GRADO xiii
Sistema: Es una combinación de componentes que actúan conjuntamente y cumplen determinado objetivo.
Transmisor: Transforma una variable del proceso (presión, nivel, flujo, etc) en una señal apropiada de salida que es empleada por el receptor.
Variable controlada: Es la cantidad o condición que se mide y controla
Variable manipulada: Cantidad o condición modificada por el controlador, a fin de afectar la
Zona muerta: Es el campo de los valores de la variable que no hace variar la indicación o la señal de salida del instrumento, es decir, que no produce su respuesta. Esta dada en tanto por ciento del alcance de la medida.
TESIS DE GRADO xiv
SIMBOLOGÍA
º GL = Grados alcohólicos. ºC = Grados Centígrados.
PH=Grado de acidez en el mosto.
º BRIX= Contenido de azúcar en el mosto. P= Control proporcional
PI= Control proporcional + integral. PD= Control proporcional + derivativo.
PID= Control proporcional + integral+ derivativo. u (t)= Señal de salida del controlador.
e (t)= Señal de error.
Kp= Ganancia proporcional. Ki = Constante ajustable. Ti= Tiempo de integración. Td= Tiempo derivativo. C(s)= Variable de salida. R(s) = Variable de entrada. N(s)= Variable de perturbación. us= Microsegundos.
Kv= Coeficiente de caudal. A= Área de la base del depósito. H= Altura del nivel de líquido. qe= Caudal de entrada.
qs= Caudal de salida.
R= Restricción, en este caso válvulas. C= Nivel de líquido.
Q= Caudal.
v= Temperatura de salida. c= Calor específico.
tt= Temperatura del fluido.
Φ= Temperatura de salida.
θa= Temperatura de entrada.
θ= Temperatura de salida.
θv= Temperatura de agua caliente. Ct= Costo Total
Cf= Cost Fijo.
Cv= Costo Variable.
X= Volumen de producción. Cvm= Costo variable medio.
DLR= Depreciación en línea recta.
Va= Valor de adquisición. VR= Valor de recuperación.
n= Vida útil.
TESIS DE GRADO xv
INTRODUCCIÓN
Desde épocas muy antiguas se ha venido elaborando el mezcal , esta tradición a pasado de generación en generación hasta nuestros días, pero como todo, ha tenido una evolución, se sigue realizando esta bebida de manera artesanal, pero ahora se busca tener una mayor eficiencia de dicho producto, por lo que se ha buscado mejorar en cuanto a la calidad de los equipos de fabricación, sin perder desde luego la esencia, las costumbres y la tradición de elaboración. Pero lo malo de esto, es que no se ha permitido la implementación de nuevas tecnologías y sistemas de calidad, por lo que este ha tenido que enfrentarse a algunas trabas dentro del mercado nacional e internacional, ya que exigen un estándar de calidad y los palenques todavía no los pueden cubrir al 100% principalmente porque no hay control de las variables involucradas, como son principalmente la temperatura ambiente, principal problema en la fase de fermentación.
Actualmente y debido a las exigencias del mercado, se esta trabajando con la fabricación industrial de esta bebida, se han formado algunas cooperativas o uniones rurales en las que se están buscando eficientar el proceso de producción en todas sus etapas (cocción, molienda, fermentación y destilación). Una forma de mejora esto es la introducción de nuevas tecnologías aplicadas a todas las fases; ya se ha diseñado equipo para el picado de los gajos de agave, la cocción (las autoclaves) y la molienda, pero faltan la fase de fermentación, destilación, envasado, etc.
En caso especifico, y debido a los antecedentes referente a la fabricación del mezcal, en esta tesis se estudiara y propondrán las tecnologías adecuadas para la tecnificación de la fase de fermentación a través de su automatización, es decir, se diseñará un equipo con el cuál se puedan manejar mejor las variables que principalmente afectan en esta fase, como son la temperatura, el nivel de líquidos y la cantidad de aire dentro de los tanques.
TESIS DE GRADO xvi
encuentran todos los conceptos teóricos necesarios para comprender lo que es el proceso, las formas para controlarlo y así mismo, para realizar la automatización. En el capitulo 3 se encuentra la metodología necesaria para realizar el diseño mecánico, diseño de proceso y diseño de control del proceso, aquí también se realizara lo que es el diseño prelimar del sistema de control para la fase de fermentación del mezcal. En el capitulo 4 se encuentra el diseño detallado de este sistema, aquí se encontraran todo el desarrollo correspondiente para obtener el sistema de control mas adecuado a las necesidades de los productores de mezcal. En el capitulo 5 se encuentra lo que es el estudio económico correspondiente.
TESIS DE GRADO I
ANTECEDENTES
El mezcal es una bebida alcohólica obtenida por destilación y rectificación de mostos preparados con los azucares extraídos del tallo y base de las hojas de algunos agaves (por ejemplo Angustifolia Haw, Esperrima Jacobi, Weberi Cela, Potatorum Zucc, etc). Según la Norma Oficial Mexicana NOM-070-SCFI-1994 ” Bebidas alcohólicas-Mezcal Especificaciones”[1] el
Mezcal es “Bebida alcohólica regional obtenida por destilación y rectificación de mostos preparados directa y originalmente con los azucares extraídos de las cabezas maduras de los agaves , previamente hidrolizadas y cocidas, y sometidas a fermentación alcohólica con levaduras , cultivadas o no, siendo susceptible de ser enriquecido, para el caso del mezcal tipo II , con hasta un 20% de otros carbohidratos en la preparación de dichos mostos, siempre y cuando no se eliminen los componentes que le dan las características a este producto , no permitiéndose las mezclas en frío”.
La aparición del Mezcal como bebida con alto contenido de alcohol corresponde a la era de la conquista española, haciendo que sea una bebida totalmente híbrida y mestiza al mismo tiempo que combina el pasado indígena de MesoAmérica con la contribución tecnológica y cultural de Europa.
La elaboración del mezcal en Oaxaca es una herencia familiar que es practicada en su mayoría
en la zona rural, por lo cual, la obtención de dicho producto es todavía un proceso artesanal. Esta bebida se produce puramente, sin algún químico, utilizando 100% agave y hecho a mano por artesanos. La elaboración de este producto tan antiquísimo y artesanal, se lleva a cabo en pequeñas comunidades productivas llamadas “palenques”, los cuales constan de un horno, área de maceración o molienda, dos tinajas de fermentación (mínimo) y alambique para destilación.[2]
Debido a sus orígenes similares, es muy común que exista una confusión entre el pulque, el mezcal y el tequila, por lo cual, se dará una breve descripción de cada una de estas bebidas:
El pulque es una fermentación del jugo de maguey, obtenido de la especie Agave Atrovirens,
TESIS DE GRADO II
El centro del cactus se retira sin dañar la planta y el líquido que supura se utiliza para hacer el pulque. El pulque se obtiene 24 horas después de que comience el proceso de su fermentación. El
tequila es una forma de mezcal. Su nombre viene de la ciudad llamada así en el estado de
Jalisco. Para esta bebida tiene que haber un mínimo del 60% de agave que se mezcla con otros licores salvo en algunas excepciones..[3] El tequila se realiza de forma industrial con 59% de
azucares provenientes del agave y con 41% de azucares ajenos (piloncillo y mascabo) al agave, esto es el mínimo permitido.
El mezcal, es posible obtenerlo en la región que comprende los estados de Oaxaca, Guerrero, Durango, San Luís Potosí y Zacatecas; y particularmente en la región del mezcal que se localiza en el Estado de Oaxaca y que comprende los distritos de Sola de Vega, Miahuatlán, Yautepec, Tlacolula, Ocotlán, Ejutla y Zimatlán (figura 1). Esta bebida a alcanzado su denominación de
[image:22.595.172.428.403.553.2]origen a nivel internacional reconocido como producto mexicano
Figura 1 Mapa de la región Fuente: [email protected]
TESIS DE GRADO III
Tabla 1 Destino de las Exportaciones del mezcal.
América Europa Asia
• Argentina • Bolivia • Canadá • Colombia • Chile • Ecuador • El Salvador • EUA • Guatemala • Honduras • Panamá • Paraguay • Perú • Uruguay • Venezuela • Alemania • España • Francia • Grecia • Italia • Países Bajos • Portugal • Reino Unido • Suecia • Suiza • Hong Kong • Japón • Taiwán • Turquía
Fuente: Ramales Osorio, Martín Carlos y Barragán Ramírez, María Luisa (2002) "La industria del mezcal y la
economía oaxaqueña" en Observatorio de la Economía Latinoamericana.
Como puede observarse, el mezcal tiene una gran presencia en el mundo, por lo cuál, es de suma importancia, que siempre conserve su calidad y sabor para permanecer dentro del mercado nacional e internacional.
Debido a que el Estado de Oaxaca es el de mayor producción de esta bebida, se tomará como base de estudio y se comenzará con el estudio de su economía para tener una idea del grado de producción y comercialización del mezcal.
TESIS DE GRADO IV
Con esto puede deducirse que un poco mas de la mitad de la población de este Estado se dedica a la producción de esta bebida y su economía depende en su mayoría del mezcal, por lo cuál, si se mejora su producción, se notara un mayor beneficio para este sector de la población. Con una industrialización en la producción, no se trata solamente de optimizar rendimientos, sino de que la tecnología a usar sea compatible con los patrones culturales de los pueblos productores de mezcal y con los mercados artesanales. Los cambios tecnológicos que se quieren agregar a los procesos deberán respetar la esencia de la forma de producir el mezcal, adecuandose lo más posible, a las exigencias del mercado nacional e internacional.
Hablando de cifras, durante el periodo 1994-1999, la economía oaxaqueña creció en promedio al 1.6 por ciento, mientras que la economía nacional en su conjunto lo hizo al 3.1 por ciento. Esa diferencia en el crecimiento se debe a la ausencia de industrias en el territorio oaxaqueño. El 15.66 por ciento de la producción total de bienes y servicios de la entidad es generado por el sector primario, un 18.9 por ciento por el sector secundario y el resto (o sea, el 65.43 por ciento) por el sector terciario. Entonces tenemos que la economía oaxaqueña es una economía terciarizada, en donde la industria manufacturera (la más dinámica e importante del sector secundario o de transformación) es casi inexistente al generar únicamente el 13.5 por ciento del PIB de la entidad oaxaqueña, en la tabla 2, puede observarse cual es el consumo nacional aparente y las exportaciones del mezcla durante el periodo señalado anteriormente.
Tabla 2: Consumo Nacional Aparente y Exportaciones
Año Producción
nacional (litros)
CNA (litros)
CNA, % de la prod. total
Exportaciones (litros)
Exportaciones % de la prod.
nacional
1994 2 875 000 2 238 000 78.0 637 000 22.0
1995 4 109 820 2 997 594 72.9 1 112 226 27.1
1996 5 875 000 4 015 000 68.0 1 860 000 32.0
1997 7 220 000 3 940 000 54.6 3 280 000 45.4
1998 8 500 000 4 500 000 53.0 4 000 000 47.0
1999 9 000 000 4 300 000 47.7 4 700 000 52.2
2000 8 400 000 3 700 000 44.0 4 700 000 56.0
TESIS DE GRADO V
Cabe señalar que en los tres últimos años (1999-2001) el agave ha tendido a encarecerse como consecuencia de su acaparamiento por parte de productores de Tequila del estado de Jalisco, y en consecuencia, se ha disparado el precio del mezcal, lo que no ayuda a tener una buena posición en el mercado. [5]
El gobierno del estado de Oaxaca(1989) en el primer encuentro Estatal de Análisis y Perspectivas sobre el aprovechamiento Integral del Maguey , se expone la problemática en la elaboración del mezcal y sugiere alternativas de solución como la selección y control de la materia prima, así como de las operaciones que intervienen en el proceso para obtener un producto normalizado y mayores rendimientos en su elaboración ; actualmente esta propuesta se esta efectuando en coordinación con los productores de maguey y mezcal para garantizar el abasto de materia prima a los palenqueros. [6]
En base a esta problemática, la industria mezcalera, se han realizado trabajos sobre la fabricación del mezcal en diversas instituciones y organizaciones para dar soluciones.
El Instituto Tecnológico de Oaxaca ha trabajado en el “Programa de Desarrollo del Mezcal” en el cual sus objetivos han sido analizar y optimizar el proceso para su elaboración, abarcando desde el cultivo del agave hasta el control del producto final.
En la Universidad Autónoma Metropolitana (Unidad-Iztapalapa) Hugo Jarquín Caballero (1997), desarrollo un proyecto sobre “Diseño de una planta Productora de Mezcal”, en este proyecto se realiza un estudio sobre la caracterización de la fase de fermentación y del mezcal, ambos realizados en sus laboratorios y en la comunidad de Reforma Oaxaca.
TESIS DE GRADO VI
Estudio de la fase de molienda, diseño y construcción de un molino desgarrador de agave mezcalero horneado para el proceso artesanal (Silva, L. et al. 2002); y en Julio 2002-Junio 2004 se desarrollo un proyecto para el proceso de fabricación del mezcal, en el cual las metas fueron: el diseño de equipo para la fase de cocción, molienda, fermentación, destilación y transporte (Silva L. et al 2004).
TESIS DE GRADO VII
Referencias.
[1] Secretaria de Comercio y Fomento Industrial. Norma Oficial Mexicana NOM-070-SCFI-1994, Bebidas alcohólicas-Mezcal-Especificaciones. Pág. Internet. Oaxaca.gob.mx
[2] fuegolento.com Joseba Encabo. “Mezcal bebida de los dioses” Año II, Nº 39
[3] Ramales Osorio, Martín Carlos y Barragán Ramírez, María Luisa (2002) "La industria del mezcal y la economía oaxaqueña" en Observatorio de la Economía Latinoamericana. [email protected]
[4] [email protected] [5] item[3]
[6] Luís Silva Santos.2002.”Diseño de una máquina cortadora de agave para el proceso del
TESIS DE GRADO CAPÍTULO I 1
FABRICACIÓN DEL MEZCAL
En este capítulo se describen cada una de las etapas de
fabricación del mezcal, así como las formas de fabricación
TESIS DE GRADO CAPÍTULO I 2
1.1. Generalidades.
La palabra "mezcal" se deriva de las palabras náhuatl Melt e Ixcalli que significan "agave cocido al horno" [1.1]. De acuerdo con El Instituto Mexicano de la Propiedad Industrial, con fundamento
en los artículos 6º. fracción III y 163 de la Ley de la Propiedad Industrial, el "MEZCAL" es la bebida alcohólica obtenida por la destilación y rectificación de los mostos preparados con los azúcares, extraídos del tallo y base de las hojas de los agaves mezcaleros. Estos están especificados en la Norma Mexicana y están sometidos con anterioridad a fermentación alcohólica con levaduras, permitiéndose adicionar hasta un 40% de otros azúcares en la preparación de dichos mostos, siempre y cuando no se eliminen los componentes que le dan las características a ese producto. El "MEZCAL" es un líquido transparente con cualidades organolépticas particulares de olor y sabor característicos de acuerdo al tipo de agave(s) utilizado(s) y el proceso con el que es elaborado; es incoloro o ligeramente amarillo, si está añejado, reposado o abocado considerando la maduración o la transformación lenta que tiene lugar durante su permanencia en barricas de roble blanco o encino.[1.2]
Esta bebida se produce de las tres variedades de agave Potatorum, Angustifolia Haw y Esperrima Jacobi. Como característica sobresaliente, puede decirse que como todos los buenos vinos tienen un bouquet bien definido y aromático combinando sabores ahumado y aterrado según el agave con el cual fueron fabricados; además de que en adición de algún saborizante (coco, café, limón, etc.) se obtiene una bebida con un sabor muy especial y agradable para el paladar.
1.2. Tipos de Mezcal.
El mezcal como muchas otras bebidas tiene varias clasificaciones de acuerdo a su elaboración; a continuación se mencionarán los tipos de mezcal que existen:
• Tipo I Mezcal 100% de agave:
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• Tipo II Mezcal con otros azúcares:
Elaborado con un 80% de los mostos de los agaves, a los que se les adiciona un 20% de otros azúcares.[1.3]
Ambos tipos de mezcal pueden clasificarse según las siguientes categorías (Tabla 1.1. Variedades de Mezcal):
Tabla 1.1. Variedades de Mezcal
Nombre Descripción
Joven
Mezcal obtenido directa y originalmente con los azúcares extraídos de los agaves, susceptible de ser enriquecido, para el caso del mezcal tipo II hasta con 20% de otros azúcares.
Reposado
Mezcal que se almacena por lo menos 2 meses en recipientes de madera de roble blanco o encino para su estabilización, susceptible de ser abocado.
Añejo
Mezcal sujeto a un proceso de maduración por lo menos de un año en recipientes de madera de roble blanco o encino, susceptible a ser abocado.
Fuente: [email protected]
También se puede clasificar al mezcal de acuerdo al ingrediente que se le agregue para darle un sabor diferente, como pueden ser el de pechuga, el minero, la crema de mezcal, etc.
El mezcal conocido como pechuga, en el momento de su destilación, se añaden frutas como
plátanos, manzanas, ciruelas y ciruelas pasas, y dentro de lo más destacado se tiene la adición de pechugas de pavo o pollos, lo que hace a este tipo de mezcal diferente a los demás. El Tobalá es
conocido por ser producido por al Agave Potatorum que es un maguey más pequeño y salvaje cultivado en el área de Sola de Vega entre la ciudad de Oaxaca y Puerto Escondido. El Minero es
producido en Santa Catarina Minasen, región de Ocotlán.
Se dice que el mejor mezcal es el que tiene por lo menos un gusano añadido a la botella. En países como China lo piden con la adición de 20 gusanos por botella porque creen que posee más fuerza afrodisíaca. La crema de mezcal es más dulce y se prepara con la adición de miel y frutas,
TESIS DE GRADO CAPÍTULO I 4
1.3. Formas de producción del mezcal.
En lo que se refiere a la producción de esta bebida no solo se cuenta con la artesanal, sino que ahora, esta la tradicional y la moderna. En la tabla 1.2. Pueden observarse las diferentes variables que existen en las formas de producción.
Tabla 1.2. Formas de producción del mezcal.
Formas de producción/actividad Producción artesanal Producción tradicional Producción moderna
Especie (s) de agave Varias, sobre todo las silvestres
Una sola,
preferentemente el
espadín (agave angustifolia haw)
Uso exclusivo de maguey espadín
Cocimiento En horno de tierra En horno de piedra o
tierra En horno de piedra o autoclaves Molido o triturado Con mazos de madera
o de piedra
En molinos con rueda de piedra jalada por bestias de tiro
Con desgarradoras mecánicas
Fermentación En cueros de res, ollas
de barro o canoas En tinas de madera fabricadas ex profeso En recipientes cilíndricos de acero
Destilación En ollas de barro con
carrizo como tubería En alambiques de cobre con el uso de leña En alambiques de cobre o acero de mayor capacidad con uso de leña o gas
Producción Muy pequeña. Su uso
se reserva para las fiestas patronales, normalmente no se comercializa
Para consumo casero y
comercial Eminentemente comercial
Características del mezcal Inmejorable. Sabor suave y complejo. Olor característico. No produce resaca
De buena calidad. Fuertes variaciones en sus características en función del toque particular que cada productor le imprime
De buena calidad, sin grandes variaciones en sus características, con sabores menos
complejos y aromáticos.
Productores Indígenas zapotecos,
generalmente alejados de las vías de
comunicación principales
Principalmente indígenas zapotecos cercanos a las vías de comunicación y a los centros urbanos
Indígenas y mestizos que viven cerca de los centros urbanos más importantes
Nivel de marginación de
las comunidades Alto y muy alto Medio y alto Bajo y medio
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1.4. Proceso de fabricación del mezcal.
Las actividades que se consideran para el proceso de fabricación del mezcal son:
Preparación de la materia prima.
Cocción de la piña.
Seccionado del agave en estado de cocción.
Molienda o desgarre.
Fermentación.
Destilación.
Condensación.
Refinamiento.
[image:32.595.202.399.551.700.2]Este proceso tiene la característica de ser completamente artesanal y empírico, ya que la calidad de esta bebida la determina la experiencia del productor. Para lograr esta calidad es importante también la materia prima (agave, agua, combustible, etc.), y en este caso, la siembra de agave se desarrolla en forma natural (durante un período de entre 5 a 8 años mas los 3 años que están sembrados en el almacigo) ya que no se usan fertilizantes ni pesticidas durante su ciclo vegetativo (figura 1.1.).Estos agaves en plena maduración y en excelentes condiciones, tienen un contenido de azucares de hasta 32% y un 18% de fibra, con un 50% de humedad. En lo que se refiere al combustible se utiliza madera, la cuál es extraída de los bosques o cerros de la región productora; el agua es escasa en estas zonas, por lo cual, se tiene que llevar de otros lugares.
TESIS DE GRADO CAPÍTULO I 6
1.4.1. Etapas de fabricación.
El proceso de elaboración de mezcal comprende cuatro operaciones básicas: cocimiento u horneado, molienda, fermentación y por último la destilación. Aunque también deben tomarse como etapas la preparación de la material prima (el agave) y el refinamiento (Ver A-1.0 diagrama a bloques del proceso de producción).
1.4.1.1 Preparación de la materia prima.
Después de una larga espera, 8 a 9 años posteriores a la siembra del maguey, la planta llega a su madurez; son los campesinos los que conocen la edad adecuada del agave para cortarlo y utilizarlo en el procesamiento. Para la obtención del mezcal el maguey maduro es despojado de sus pencas y raíz mediante el jima [1.5]. Su cabeza o “piña” (figura 1.2.) es la principal materia
prima para fabricar esta bebida.
Figura 1.2. Piña de Agave.
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1.4.1.2. Cocción de la piña de agave.
El cocimiento tiene por objeto hidrolizar la inulina y disolver los azúcares fermentables. Sin embargo, el uso de altas temperaturas puede degradar los azúcares y formar compuestos no fermentables, el cual puede reducir el rendimiento del proceso. El cocimiento tradicional en los palenques mezcaleros se realiza en horno a flor de tierra de forma trunco - cónica revestido de piedras, cuya capacidad varía normalmente de 4 a 6 toneladas (figura 1.3. Horno a flor de tierra). Esta operación inicia con el calentamiento de piedras refractarias con leña, cuando se alcanza la temperatura máxima, se procede a colocar una capa de bagazo de maguey húmedo sobre las piedras, con el propósito de no exponer directamente el maguey sobre la fuente de calor. El cocimiento tiene una duración aproximada de 72 horas. Cuando las piñas se extraen del horno, presentan una coloración café pardusca y despide un aroma ahumado y dulce que se mantiene hasta la condensación del extracto alcohólico. [1.7]
Una alternativa empleada por la industria mezcalera es el cocimiento del maguey con calor húmedo en autoclaves industriales. Esta técnica es más rápida y eficiente; sin embargo, no produce los complejos cambios químicos que tienen lugar durante el cocimiento tradicional, y que determinan en gran medida los sabores clásicos del mezcal.
TESIS DE GRADO CAPÍTULO I 8
1.4.1.3. Molienda o desgarre.
[image:35.595.197.398.289.441.2]Cuando la cocción de las "piñas" llega al punto ideal, éstas son removidas del horno y son colocadas dentro de un aro de piedra (molino tipo Egipcio), de aproximadamente 5 metros de diámetro. En el centro de este molino de piedra hay un poste vertical que conecta un eje a una enorme rueda de piedra (de 200 Kg. aproximadamente). Esta rueda es arrastrada alrededor del aro por un burro o caballo para machacar el maguey (figura 1.4. Molino de piedra). Es importante hacer notar que para realizar el mezcal con el maguey Tobalá, es necesario dejar enmohecer las piñas antes de entrar a la molienda.
Figura 1.4. Molino de piedra tipo chileno.
1.4.1.4. Fermentación.
Ya que se obtiene el jugo de las piñas cocidas y machacadas, resultado de la molienda del agave, el líquido obtenido se deposita en barricas de madera (figura 1.5. Barrica para fermentación), aunque también pueden ser recipientes como las canoas (árboles corpulentos agujerados), ollas de barro (que se renuevan cada 2 meses) o el cuero de res en forma de recipiente. Existen dos formas de realizar la fermentación, la natural y la acelerada. La fermentación natural se efectúa sin la adición de alguna sustancia química al jugo obtenido. La fermentación acelerada se lleva a cabo adicionando al jugo sulfato de amonio o la cáscara del árbol conocido como timbre.
TESIS DE GRADO CAPÍTULO I 9
Amonio en aproximadamente 100 lts (solo si la fermentación que se busca es acelerada), así se deja otras 24 horas con el fin de que las levaduras se reproduzcan (cuando son muchas las levaduras se escucha un ruido de líquido efervescente que indica que ya comienza la fermentación). A estos depósitos se les adiciona agua tibia (unos 6 cm. por debajo de la máxima altura), para que así en conjunto con la piña machacada se forme el tepache. Posteriormente se bate con un palo; la fibra del agave se queda en el fondo en forma de cono y después de aproximadamente 30 hrs. sube y forma un especie de tapón o nata (llamado caballo), esta nata sirve como un aislante entre el medio y el proceso, lo cuál permite que la fermentación se lleve de manera anaeróbica (siendo esta la condición primordial). Esto no debe de moverse dentro de un periodo de 48 horas aproximadamente para que no se pare la reacción y no afecte el rendimiento del tepache.[1.8]
Para saber cuando el producto ya esta totalmente fermentado es necesario conocer perfectamente la fase. Dependiendo del tiempo que lleve en las barricas, el jugo va desprendiendo un olor característico; se puede observar el cambio de color de la piña y también se ven unas pequeñas burbujas del líquido al irse formando el tepache y al avanzar la fermentación, se escucha un ruido como el de un líquido cuando esta hirviendo. Para activar la fermentación se emplea la levadura, que no toma parte directa en la misma, sino que se agrega un fermento que en determinadas condiciones tiene la propiedad de actuar sobre el azúcar y convertirlo en alcohol y ácido carbónico, cuyo desprendimiento hace parecer que el líquido esta hirviendo. [1.9]
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Figura 1.5. Barrica para fermentación.
En la etapa de fermentación por efecto de microorganismos nativos sobre los azucares del agave, se produce el etanol junto con los alcoholes superiores y otros componentes que contribuyen al sabor final como son los ácidos y esteres. Los factores más importantes en esta etapa que influyen en la cantidad de alcoholes son: la cepa de levadura, aireación, composición del mosto, relación de carbono-nitrógeno, temperatura y sobre todo, la cantidad de etanol que se va formando. [1.11]
1.4.1.5. Destilación.
El tepache, con los sólidos y líquidos, es transferido a un alambique de cerámica o de cobre (figura 1.6. Alambique de cobre). Un sombrero de cobre se coloca arriba del alambique y la mezcla se calienta, evapora y condensa lentamente a través de un serpentín que gota a gota deposita el mezcal en un recipiente de recolección.
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Figura 1.6. Alambique de cobre.
En estas regiones productoras de mezcal, no se cuenta con alcoholímetros para la determinación del grado alcohólico, para realizar esta prueba se absorbe con una pipeta de carrizo en el recipiente en el cual se tiene la muestra, depositándolo en otro recipiente lentamente y alejándolo de este, observando el tamaño de burbuja o “perla”. Esto es lo que determina el grado de calidad según la experiencia del productor.
1.4.1.6 Refinamiento.
Ya que se realizó la destilación, el siguiente paso es limpiar el equipo y redestilar el común, es decir al redestilado con graduación mayor a 50°GL (grados alcohólicos). Ya que se formaron los vapores, estos se condensan a través de sus sistemas de enfriamiento. Lo que se obtiene son dos fracciones principales: las “puntas de tepache” que contienen un grado alcohólico de 30 a 40 °GL y las “colas de tepache” que contienen de 6 a 30° GL. Posteriormente las “colas de tepache” son destiladas y se fraccionan a su vez en dos partes, que son: puntas de refinado con un contenido de 45-75°GL y las colas de tepache. Para lograr el grado alcohólico final, se mezclan las puntas de tepache con las puntas de refinado.
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Figura 1.7. Almacenamiento del mezcal.
1.4.2. Fabricación industrial del mezcal.
Como en los procesos anteriores, el primer paso es la recepción y preparación de la materia prima, en este caso, la piña del maguey espadín azul. Enseguida se tiene el corte de la piña, el cuál se realiza con un hacha o un cortador especial (las cabezas se cortan de 3 a 4 partes). Las piñas en trozos se llevan al área de cocción en donde se tiene un transportador de paletas, en el cual, se llevan los trozos de piña a la compuerta de llenado del autoclave (horno giratorio, figura 1.8). Ya cargado el horno, se realiza el proceso de cocimiento por vapor durante un tiempo aproximado de 8 horas, a una temperatura constante de 120°C, este permanece sin movimiento y cada hora se le da una vuelta, a una presión de 1.25 kg/cm2 para tener un cocimiento uniforme.
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Figura 1.8. Autoclave.
Después de este tiempo es descargado el agave cocido en una fosa, para así pasar al área de desgarre y molienda. En esta se encuentra un transportador de paletas, el cual lleva los trozos de piña cocida de la fosa de descarga hacia la maquina desgarradora y de ahí al molino tipo trapiche (3 rodillos de presión-extracción, estriados radialmente) en donde son extraídos los jugos de agave cocido. Se captan estos jugos en una fosa a una temperatura de 60ºC, la cuál debe bajarse hasta 30ºC para así poder transportarlos a la siguiente fase del proceso. En el transcurso de esta etapa se agrega agua por aspersión para separar más fácilmente el jugo de la fibra.
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Figura 1.9. Tanques para fermentación.
[image:41.595.217.380.520.682.2]Debido al carácter exotérmico de la fermentación, las cepas cuya temperatura óptima es de 30 ºC deben de mantenerse siempre así, para lo cual necesitan de un buen intercambio de calor y el suministro de vapor según lo requiera el proceso, la temperatura tolerable para este proceso debe estar entre los 25 y 30 ºC. Una vez finalizada la fermentación, el siguiente paso es la destilación, esta debe de realizarse de manera inmediata a cuando más 72 horas ya que tiempo después se corre el riesgo de que se inicie una fermentación acética, que por mínima que sea alteraría el sabor y olor de toda la producción. Para realizar la destilación se tiene un calentavino (Tanque de acero inoxidable con un serpentín de cobre, como se muestra en la figura 1.10., en el cuál se emplea vapor como energía calorífica, los vapores de alcohol son condensados y posteriormente preenfriados) con el que se realiza la extracción de los vapores alcohólicos a la concentración mas conveniente para obtener así el producto final (mezcal de 55 GL ). Por último, pasa a un tanque de almacenamiento el producto terminado.
TESIS DE GRADO CAPÍTULO I 15
1.5. Caracterización de la fermentación.
Para que se tenga un buen proceso de fermentación se deben de tomar en cuenta las siguientes propiedades:
1. Ser capaz de fermentar el sustrato eficientemente. 2. Producir altas concentraciones de alcohol.
3. Poseer características estables y uniformes.
4. Mantener su eficiencia a valores de PH alrededor de 4 ya que con esto se elimina la posibilidad de una contaminación bacteriana.
5. Mantener su eficiencia a valores de temperatura alrededor de 30ºC.
6. Tener de 11 a 10 ºBrix al inicio de la fermentación y de 1 a 0.5º Brix al final de la fermentación.
En el caso del mezcal, se permite el 80% de maguey y el 20 % de otros azucares no producidos durante el proceso, es decir, el sabor de este tiene que ver con la cantidad de azucares producidas, es por esto que resulta tan importante cuidar la fermentación para mejorar la calidad de la bebida. La etapa fermentativa es crucial en el proceso ya que en esta parte los azucares se transforman en alcoholes además de otros compuestos importantes para el aroma y sabor del mezcal.
TESIS DE GRADO CAPÍTULO I 16
La velocidad de fermentación al comienzo depende estrechamente de las condiciones de aireación. Comienza mas aprisa y se desarrolla mas rápidamente cuando las levaduras están mejor aireadas. La utilización del oxigeno por levaduras solo tiene lugar al comienzo de la fermentación, ya que si se oxigena demasiado puede producir el proceso de descomposición y desviar el proceso alcohólico. En cuanto a la temperatura sobre la velocidad de fermentación se puede decir que a temperaturas ligeramente mayores a los 10 ºC la velocidad de fermentación suele ser moderada, creciendo linealmente con el aumento de temperatura. Esta velocidad se refiere a la cantidad de alcohol producida por unidad de tiempo. Esta aumenta o se acorta con la elevación de temperatura, pero cuando se alcanzan los 34-40 ºC se convierte en factor limitante, la fermentación se paraliza, parte de los azucares se quedan sin transformar y en consecuencia el grado alcohólico alcanzado es inferior. [1.16]
1.5.1. Control de la fermentación.
La incubación de microorganismos se mantiene de acuerdo a condiciones óptimas. Este proceso necesita de un control de algunas variables como pueden ser: [1.17]
• Temperatura: La fermentación transcurre con desprendimiento de calor. Las cubas de grandes dimensiones ofrecen el peligro de calentar en exceso el mosto y atascar la fermentación (llamado ebullición del mosto). Cuando el líquido fermentable alcanza una temperatura superior a los 30 º C, comienza a descender la capacidad fermentativa de la levadura, hasta detenerse por completo en los 40 º C.
• Aire: Cuando la levadura no se produce a la velocidad deseada y no activa debidamente la fermentación se debe “airear” el medio fermentable. El proceso de aireación, se realiza insuflando aire o por inyección del mosto mediante una tobera múltiple y el trasiego de una cuba poco o nada sulfurada. El acceso de aire permite una reproducción más rápida de las levaduras y cuando la sulfuración es demasiado fuerte activa la expulsión del ácido sulfúrico que, en cantidades excesivas, impide la fermentación del mosto.
TESIS DE GRADO CAPÍTULO I 17
ahora realizan los robots por medio de la automatización. Esta es una tecnología que se relaciona con el empleo de sistemas mecánicos, electrónicos y basados en sistemas computacionales en la operación y control de la producción. La automatización va a ser una herramienta importante para el control del proceso (en este caso la fase de fermentación).
Históricamente se ha mostrado que las técnicas empleadas para aumentar la eficiencia y productividad de las plantas industriales han conducido a mejores niveles de vida, salarios reales mas altos y mayor cantidad de fuentes de trabajo, por lo cuál, el mayor reto de la automatización es demostrar que puede darse un crecimiento económico real y por lo tanto mejores condiciones de vida.
De la automatización existen 3 clases del tipo industrial.[1.18]:
• Automatización fija: El volumen de producción es alto. Es adecuada para diseñar equipos especializados en el proceso de productos de alto rendimiento y con elevados índices de producción.
• Automatización programable: Se emplea cuando el volumen de producción es
relativamente bajo y hay una diversidad de producción a obtener.
• Automatización flexible: Incluye los sistemas de fabricación flexible e integrada por computadora.
TESIS DE GRADO CAPÍTULO I 18
1.6 Problemática en el proceso de producción del mezcal.
Durante la etapa de elaboración industrial del mezcal, existen varias variables a controlar para obtener la calidad final que actualmente es requerida para la comercialización de dicho producto; algunas de estas variables son la especie de agave, el grado de maduración de la piña, las etapas de fabricación (molienda, cocción, fermentación, destilación, refinamiento).
De acuerdo a las variables antes mencionadas dentro del proceso, se encontró la siguiente problemática en el mismo:
1. Cocción: En época de lluvia, el horneado de la piña se ve afectado por la humedad que predomina en el ambiente y las constantes precipitaciones pluviales en épocas de lluvia. Por lo que este fenómeno hace que se prolongue la cocción del agave más de lo normal. Teniendo como consecuencia un aumento en el costo de materia, aumento de tiempo de trabajo y desperdicio de insumos (madera, leña, etc.).
2. Molienda: En la molienda del agave existe una deficiencia del 30% en cuanto a su realización, ya que esta etapa se realiza en un molino chileno. La problemática con este molino es que no siempre se puede moler todo el agave cocido, lo cual los productores consideran como una pérdida. En la SEPI-IPN en conjunto con el CIIDIR-IPN-Oaxaca se han realizado algunos diseños para resolver esta problemática.
3. Fermentación: Está en función de la temperatura y de las enzimas. Esta fase se ve afectada por las lluvias o por la aparición de bajas temperaturas, lo que causa un retraso en la fermentación, por crearse un medio húmedo que hace que la temperatura disminuya. Además, se depende mucho de la experiencia del productor para determinar cuando está a punto para pasar a su aprovechamiento. Algunos productores para acelerar la fermentación usan sulfato de amonio, lo que altera el sabor del mezcal si se utilizan cantidades arriba de los dos kilos en cada uno de los tanques de fermentación.
4. Destilación: Tiene problemas técnicos en la parte de efectuar una buena condensación de
TESIS DE GRADO CAPÍTULO I 19
1.7 Caso de Estudio.
De acuerdo a información obtenida en visitas de campo y a las referencias obtenidas de la Tesis de grado del M en C Luís Silva Santos[1..19], para el control de la fermentación lo primero que hay que determinar es la temperatura óptima, entre otras variables, siendo esta la mas importante, el monitoreo bioquímico para la determinación de parámetros para su optimización y el no depender del empirismo, es decir de la experiencia del productor. La etapa de fermentación define la cantidad de alcohol en esta fase del proceso y como se observo anteriormente, existen algunas deficiencias que impiden que se cubra el objetivo de esta etapa. Los productores de mezcal requieren tener el control de la fase de fermentación ya que necesitan manejar el suministro de los insumos (jugos, aire, agua, etc.) de una manera eficiente, con lo cuál todas las operaciones que realicen puedan ser medibles y cuantificables; también necesitan que el proceso pueda seguir operando correctamente fuera de la jornada laboral de los trabajadores (8 horas), por lo que necesitan que este proceso pueda ser monitoreable y automático.
1.8 Sumario.
En este capitulo se comenzó por saber que es el mezcal desde un punto de vista mas amplio, siguiendo cuales son los tipos de mezcal y cuales son las formas de producción. Con esto se puede observar que es amplia la forma de producción y que a medida que este mercado crece, la necesidad de industrializarlo se hace mayor, por esta razón, algunas instituciones están buscando las formas mas adecuadas para la producción de esta bebida sin alterar en modo alguno la esencia de la misma. Para realizar esta industrialización más eficiente es importante conocer a fondo el proceso de producción tanto artesanal como industrial.
TESIS DE GRADO CAPÍTULO I 20
1.9 Referencias.
[1.1] [email protected]
[1.2] Denominación de Origen. www. Oaxaca.gob.mx/mezcal/spanish/denominación. [1.3] ítem [1.1]
[1.4] Internet Pág.: fuegolento.com Joseba Encabo. “Mezcal bebida de los dioses” Año II, Nº 39 [1.5] Vicente Fernández de Bobadilla.2003.”El mas mexicano de los licores mezcal la
borrachera del maguey”. Muy Interesante Año VIII No. 2-01091. 52-54 P
[1.6] Grupo Empresarial Oaxaqueño del Mezcal http://www.raises.org/mezcal-zekan.htm [1.7] ítem [1.2]
[1.8] Enciclopedia.1990. Recetario Industrial. Ed. Gustavo Gili S.A. 2ª edición. No. Pág. 249. [1.9] Franco Vidal Raúl. 1997. “Diseño de una Planta Productora de Mezcal”. Universidad Autónoma Metropolitana Unidad Iztapalapa. Tesis de Licenciatura..
[1.10]ítem [1.1]
[1.11] Araceli Vera Guzmán y otros. 2003. Artículo “La importancia de los compuestos volátiles en la calidad del Mezcal”. CIIDIR-IPN-OAXACA.
[1.12] ítem [1.4]
[1.13] Martín Hidalgo Reyes.2001.”Diseño de una máquina partidora de piñas de agave (A. Angustifolia haw) para la producción de mezcal en el Edo. De Oaxaca”. Tesis de Maestría en Ciencias. SEPI-IPN. México.
[1.14] Díaz Orozco Javier .2004.”Rediseño del Sistema de Control y de Potencia de la Planta Mezcalera Antequera Siglo XXI”. Reporte final de Residencia. Instituto Tecnológico de Oaxaca. [1.15]Suárez Lepe José Antonio. 1997. “Levaduras vínicas, funcionalidad y uso en bodega”. Ediciones Mundi-Prensa. 18-21 P
[1.16] Leyva Aguilar Alejandro. Octubre 2000.”Las levaduras”. Periodismo de Ciencia y Tecnología, revista”Línea Productiva” página de Internet [email protected]. [1.17] ítem [1.9]
[1.18] 2000.“Ingeniería de sistemas y automatización, Control de Robots y Sistemas Sensoriales”.Universidad Miguel Hernández. España.
TESIS DE GRADO CAPÍTULO II 21
CONTROL DE UN PROCESO
En este capítulo se definen los conceptos necesarios para
saber lo que es un proceso, su control y así mismo su
TESIS DE GRADO CAPÍTULO II 22
2.1. Generalidades.
Todos los procesos que se pretenden automatizar se pueden descomponer para su análisis en dos partes: una operativa, que comprende las acciones que determinados elementos realizan sobre el proceso y una de control que programa las secuencias necesarias para la actuación de la parte operativa. Con un sistema automatizado, se busca aumentar la eficiencia de los procesos, incrementando así, la velocidad y la calidad del mismo, además de disminuir posibles riesgos que puedan darse si el proceso se realiza en forma manual.
Para comenzar a estudiar la automatización de un proceso, es importante iniciar con el análisis de éste. El análisis de un proceso es la aplicación del método científico al reconocimiento y definición de problemas, así como al desarrollo de procedimientos para su solución. Este análisis comprende un examen global del proceso, de otros procesos posibles, así como su aspecto económico. Se hace resaltar este último porque al efectuar una solución de distintos esquemas posibles, los costos constituyen un elemento importante que no se debe ignorar. [2.1]
2.2 Procesos industriales.
Un proceso industrial está constituido por una serie de operaciones individuales o unitarias. Estas son operaciones mecánicas sobre la material prima y pueden alterar el estado físico de la materia, pero no sus propiedades químicas; son aplicables tanto a procesos físicos como químicos. Algunas de estas operaciones pueden ser destilación, filtración, secado, evaporación, etc., los cuales se pueden considerar como un proceso. Detrás de las operaciones unitarias hay un núcleo de 4 principios básicos que comprenden todos los problemas técnicos de ingeniera, que son conservación, equilibrio, cinética y control.
TESIS DE GRADO CAPÍTULO II 23
progresivamente continua, que consiste en una serie de acciones controladas o movimientos dirigidos sistemáticamente hacia determinado resultado o fin.[2.2]
Los procesos industriales a controlar pueden dividirse en tres categorías: procesos continuos (las materias primas están constantemente entrando por un extremo del sistema), discontinuos (Se reciben a la entrada del proceso las cantidades de las diferentes piezas discretas que se necesitan para realizar el proceso) y discretos (El producto de salida se obtiene a través de una serie de operaciones, muchas de ellas con gran similitud entre si). En estos tipos deben mantenerse en general las variables (presión, caudal, nivel, temperatura, etc.), bien en un valor deseado fijo, en un valor variable con el tiempo de acuerdo con una relación predeterminada o guardando una relación determinada con otra variable[2.3].
2.2.1 Clasificación de procesos[2.4]
1. Proceso intermitente o de lote: Es en donde se carga la alimentación a un sistema al inicio del proceso, eliminándose los productos de una sola vez tiempo después. La masa no atraviesa los limites del sistema entre el momento de alimentación y de vaciado del producto.
2. Proceso semi intermitente: Las entradas son casi instantáneas mientras que las salidas son continuas o viceversa.
3. Proceso continuo: Donde las entradas y las salidas fluyen continuamente durante todo el tiempo del proceso.
La evaluación del proceso consiste del análisis tanto de la ingeniería, como de la economía del proceso y en su sentido más amplio, es una operación continua. Un cuidadoso análisis de costos en una etapa inicial, indicará si el proceso es prometedor y también puede sugerir la dirección de las experimentaciones.
TESIS DE GRADO CAPÍTULO II 24
Los métodos de control seguros manuales o automáticos son importantes para que la industria trabaje adecuadamente. En este caso la aportación de los instrumentos se considera una necesidad absoluta, por lo cual la instrumentación en si es fundamental.
2.3 Instrumentación.
La instrumentación constituye la base de los modernos procesos industriales para controlar la calidad de un producto y mantener el proceso en condiciones de operaciones seguras y eficientes. Así también, reditúa beneficios económicos ya que ahorra trabajo, y con un control más preciso y más rápido, mejora la calidad del producto, reduce desperdicios, opera con mayor eficiencia y proporciona el control. Los instrumentos de control empleados en las industrias de procesos tienen su propia terminología; los términos empleados definen las características propias de medida y de control y las estáticas y dinámicas de los diversos instrumentos utilizados: indicadores, registradores, controladores, transmisores y válvulas de control.
2.3.1 Clases de instrumentos.
Se consideran dos clasificaciones básicas: la primera relacionada con la función del instrumento y la segunda con la variable del proceso.
1. En función del instrumento: Se tienen los ciegos, indicadores, registradores, elementos primarios, transmisores, convertidores, receptores, controladores, etc.
2. En función de la variable del proceso: Se dividen en instrumentos de caudal, nivel, presión, temperatura, densidad y peso especifico, humedad, punto de rocío, viscosidad, posición, velocidad, PH, conductividad, frecuencia, etc.
