Automatization of membrane contactors and applications for the management of dissolved gases in wines

¹ Changins, Rte de Duillier 50, 1260 Nyon, Switzerland
² Inter Rhône, 2260 Rte du Grès, 84100 Orange, France
³ Hepia Biotech, Ch des Mines 9, 1202 Genève, Switzerland
⁴ Hefr, Bd de Pérolles 80, 1700 Fribourg, Switzerland

Abstract

Over the last decade, several distinct research groups tested possible uses of membrane contactors for the wine industry, notably for the management of dissolved gases in wines, adjustment of the CO₂ concentration while reducing the O₂ concentration at the same time. Other experiments were done with partial alcohol reduction and addition of N₂ to wines. The contactor's heart is its Liqui-Cel^™ membrane where the two separate circuits meet. The membrane's hydrophobic characteristics allows a liquid to get in contact with a gas, without dispersing into it. The directions that these gases take through the membrane depend on their partial pressure differences within the two circuits. However, other factors need to be considered to determine exact exchange rates for each target gas. The present article describes the new membrane contactor prototype that was co-developed by the University of applied Sciences and Arts, Viticulture and Enology at Changins, Switzerland, and the School of Engineering and Architecture at Fribourg, Switzerland. The prototype was designed for small scale operations. Flow rates, temperatures and internal pressures can be instantly measured and graphically visualized. Also, O₂ concentrations are measured inside the liquid. CO₂ concentrations in the liquid can be measured with a device that is connected to the liquid circuit through a bypass after the membranes.

Zusammenfassung

Während mehr als zehn Jahren testeten verschiedene Forschungsgruppen Einsatzmöglichkeiten von Membran-Kontaktoren für die Weinindustrie. Im Besonderen wurde die genaue Einstellung von gelösten Gasen im Wein untersucht, z. B. die Anpassung der CO₂-Konzentration und gleichzeitige Reduzierung der O₂-Konzentration. Teilweise Alkoholreduktion und Zugabe von N₂ zum Wein sind weitere Möglichkeiten. Das Herzstück des Kontaktors ist seine Liqui-Cel^™-Membran, wo sich zwei getrennte Kreisläufe treffen. Die wasserabstossenden Eigenschaften der Membran ermöglichen es einer Flüssigkeit, mit einem Gas in Kontakt zu treten, ohne sich darin zu verteilen. Die Richtung, die diese Gase durch die Membran nehmen, hängt von ihren unterschiedlichen Partialdrücken innerhalb der beiden Kreisläufe ab. Es müssen jedoch noch andere Faktoren berücksichtigt werden, um den genauen Austausch für jedes Gas zu ermitteln. Dieser Artikel beschreibt den neuen Prototyp eines Membran-Kontaktors, der von den Fachhochschulen für Weinbau und Önologie in Changins, Schweiz, und für Technik und Architektur in Freiburg, Schweiz, entwickelt wurde. Der Prototyp ist für die Anwendung mit kleinen Mengen vorgesehen. Fliessgeschwindigkeiten, Temperaturen und interner Druck können inline gemessen und grafisch dargestellt werden. Auch die O₂-Konzentration kann im Flüssigkeitskreislauf gemessen werden. Die Konzentration von CO₂ in der Flüssigkeit kann mit einem Gerät, welches nach den Membranen über einen Bypass an den Flüssigkeitskreislauf angeschlossen ist gemessen werden.