validation du modèle cinétique -Échelle laboratoire, moût synthétique (1 l) -avec différentes...

Validation du modèle cinétique-Échelle laboratoire, moût synthétique (1 L)-Avec différentes souches de levures-Échelle pilote et industrielle-Moûts naturels(Colombié et al. AJEV 2005)

Utilisation du modèle pour une cave-Modèle thermique-Validation(Colombié et al. FC 2007)

Du modèle cinétique au simulateur Sofa

Validation sur moûts synthétiquesVariation de la température (isoT), Ninit = 170 mg/L

Simulation Sinit=200g.L-1, Ninit=430mg.L-1,AnisoT 18°C - 28°C (dT/dS=0.1°C.g-1.L)

Validation sur moûts synthétiquesVariation de l’azote initial à T = 24°C

Simulation Sinit=200g.L-1, Ninit=170mg.L-1, T=24°C

- Erreur globale calculée sur les cinétiques en fonction du temps (20 min) :

OE_t = |dCO2/dt_exp - dCO2/dt_sim| / (dCO2/dt)mean

- Erreur globale calculée sur les cinétiques en fonction de l’avancement (0.01) : OE_fp = = |dCO2/dt_exp - dCO2/dt_sim| / (dCO2/dt)mean

- Erreur sur le calcul de la durée de fermentation : E_d = |Dexp – Dsim | / Dexp

Evaluation des erreurs

Validation : Simulation Sinit=200g.L-1, Ninit=70mg.L-1, T=28°C

OE_t=12.8 %

OE_fp=19.4 %

E_d=5.6 %

Bilan moûts synthétiques, 1L

N° Ninit (mg.L-1) T (°C)

Dexp (h)

Dsim

(h)OE_t (%)

OE_fp (%)

E_d (%)

1 170 Iso 18 283 300 7.8 10.9 6.1

2 170 Iso 21 262 241 6.8 11.6 7.9

3 * 170 Iso 24 174 187 4.6 8.0 7.7

4 170 Iso 27 147 159 5.2 6.8 8.2

5 170 Iso 28 139 157 6.8 8.5 12.9

6 170 Iso 30 129 140 5.0 7.1 8.6

7 * 430 Iso 18 138 151 3.8 5.9 9.4

8 430 Iso 21 107 116 5.0 6.0 8.7

9 430 Iso 24 108 106 4.3 5.5 1.8

10 430 Iso 27 72 82 5.8 6.7 14.4

11 430 Iso 28 75 82 4.7 13.5 9.2

12 430 Iso 30 63 71 7.9 11.3 12.6

13 70 Iso 24 378 406 12.2 20.9 7.5

14 290 Iso 24 118 131 4.5 5.1 11.0

15 570 Iso 24 82 90 6.1 7.7 8.9

16 * 70 Iso 28 312 329 12.8 19.4 5.6

17 300 Iso 28 115 106 6.8 11.2 7.5

18 570 Iso 28 65 72 5.4 13.8 9.9

19 70 18-28 356 382 12.9 16.0 7.1

20 170 18-28 169 193 9.8 11.3 14.6

21 290 18-28 132 140 8.3 13.3 6.1

22 * 430 18-28 101 112 9.6 14.2 10.9

23 570 18-28 93 104 12.2 21.5 11.1

Mean 7.3 11.1 9.1

Std dev 2.9 4.9 3.0

Validation : Simulation avec ajout d’azote

Sinit=200g.L-1, Ninit=170mg.L-1, T=24°C, + N (63 mg.L-1) at 40 g.L-1 CO2

N° tadd

(h) (1-S/Sinit)add Dexp

(h)Dsim

(h)OE_t (%)

OE_fp (%)

E_d (%)

1 0 0 134 149 5.4 6.4 11.5

2 32 0.22 125 129 6.2 8.7 3.6

3 44 0.36 123 135 4.2 6.1 8.7

4 39 0.33 125 131 5.4 5.8 4.3

5 * 54 0.43 126 141 6.9 8.0 10.6

6 54 0.30 237 207 13.9 18.1 13.2

7 87 0.47 247 223 24.9 17.1 10.0

8 109 0.54 258 231 14.5 18.3 10.3

Mean 9.6 10.0 8.8

Std dev 7.5 5.3 3.6

Bilan des ajouts d’azote

Ninit=170 mg.L-1,

T= 24°C.

Sinit=200 g.L-1

Sinit=280 g.L-1

Validation sur moûts synthétiquesEstimation des durées totales de fermentation.

Validation : 20 souches de levures

Yeast strain(dCO2/dt)max

(g.L-1.h-1)Xmax

(*109 cell.L-1)Dexp

(h)Dsim

(h)OE_t(%)

OE_fp(%)

E_d(%)

BM45 2.26 114 91 99 5.3 5.7 7.7

K1 2.45 188 89 97 5.8 8.4 8.4

EC 118 2.25 173 93 99 7.3 9.4 6.7

EC8 2.37 162 90 99 7.0 9.5 9.3

L 2056 2.30 179 87 96 8.1 9.6 9.6

EC7 2.24 135 99 102 9.4 11.2 3.3

L 2056 2.45 163 86 95 7.2 11.2 9.9

IOC2 2.46 157 90 97 6.7 11.4 7.6

CSM 2.05 152 96 98 7.8 13.3 1.7

D47 2.33 154 83 93 11.9 15.8 10.3

DV10 2.05 151 91 97 12.0 16.1 5.7

ALBAFLOR 2.50 144 88 98 10.6 16.3 9.9

QA 23 2.25 154 90 101 13.0 16.6 10.7

F10 2.36 137 98 94 15.3 17.9 4.7

CY3070 2.47 150 95 97 10.6 18.5 1.7

UVA CM 2.45 149 86 99 12.2 18.7 12.9

UVA CEG 1.85 120 109 109 15.1 20.3 0.3

V1116 2.44 185 80 95 14.5 21.0 15.4

IOC1 2.52 156 84 99 14.5 22.6 14.7

71B 2.51 176 81 102 21.2 35.5 20.2

Mean 2.33 154.9 90.3 98.1 10.8 15.5 8.5

Std dev 0.18 19.6 6.84 3.5 4.1 6.7 5.0

Milieu synthétique

Ninit= 430 mg.L-1

T=24°C.

Validation : Échelle pilote et industrielle

Comparaison 1L et 100L Milieu synthétique

Comparaison 100 L (1 hL) et 10 000 L (100 hL) Moût naturel Chardonnay

Comparison 1 L – 100 LSinit=200g.L-1, Ninit=170 mg.L-1, T=24°C, + N (50hr)

Comparison 1 L – 100 LSinit=200g.L-1, Ninit=170 mg.L-1, AnisoT 18°C - 28°C (dT/dS=0.1°C.g-1.L)

Comparison 100 L – 10 000 LMoût Chardonnay, isoT = 22°C, ajout azote à 73h

Azote assimilable dans les moûts naturels

Relation entre la vitesse maximale de production de CO2 et la teneur en azote assimilable

Kinetic profile of

fermentationClassical Sluggish

Number of experiments 46 15

Ninit (mg.L-1)

Mean value (std dev)

From 90 to 600

240 (130)

From 120 to 350

230 (70)

Sinit (g.L-1)

Mean value (std dev)

From 159 to 239

197 (21)

From 183 to 245

217 (17)

OE_t (Std dev.) (%) 8.9 (3.2) 7.7 (2.3)

OE_fp (Std dev.) (%) 9.8 (3.7) 11.7 (3.5)

E_d (Std dev.)(%) 8.5 (5.7) 24.3 (14.1)

Moûts naturelsIsoT=24°C

Comparaison entre fermentations classiques et languissantes

moûts issus de 25 cépages et 6 régions : < 10% d’erreur d’estimation sur la durée de fermentation

Cas des fermentations languissantes

Sinit=280g.L-1, Ninit=285mg.L-1, T=24°C

Conclusion

Simulations satisfaisantes

Validation des principaux mécanismes physiologiques, sur tous les moûts, avec différentes souches et à toutes les échelles.

Utilisation du modèle

pour le contrôle des fermentations : optimisation en-ligne

pour la simulation dans les caves: Optimisation de la cuverie (durée d’occupation des cuves) et des frigories: SOFA

Modèle thermiqueIntroduction

Objectif :Utiliser le modèle dynamique à l’échelle de la cave pour prévoir les dépenses frigorifiques (frigories)

Système : la cuve

Modèle thermiqueIntroduction

Principe

Hypothèses + Lois physiques pour: -Estimer la quantité de chaleur produite par une cuve en fermentation-Estimer les pertes de chaleur (évaporation, parois…) lors de la fermentation-Estimer la quantité d’énergie nécessaire pour une cuve, puis pour n cuves

Modèle thermiqueDifficultés

- Changement des propriétés physico-chimiques du moût au cours de la fermentation

- L’hydrodynamique dans la cuve est rarement homogène (bulles de CO2, gradients de T…)

- Hétérogénéité des cuves industrielles (matériau, géométrie, système de refroidissement…) et de leur environnement (abritées à l’intérieur ou soumises à des variations climatiques à l’extérieur)

Modèle thermiqueHypothèses

- Homogénéité du moût pendant toute la fermentation

- Le transfert de chaleur par radiation et par conduction est négligeable, seulement de la convection

- Géométrie : Cylindre vertical Aire d’échange A = 2 rH + r²

r

H

Modèle thermiqueEquation bilan, Conservation de l’énergie

Paccumulation = Pfermentation + Pwall + Pevaporation + Qc

Paccumulation : puissance accumulée par le moût Pfermentation : puissance générée par la fermentation exothermiquePwall : puissance échangée par les parois de la cuvePevaporation : puissance perdue par évaporation de l’éthanol et de l’eauQc : la puissance nécessaire pour refroidir la cuve (frigories)

Modèle thermiquePaccumulation : puissance accumulée par le moût

Densité du moût (El Haloui,et al. 1987)

volume de moûtchaleur spécifique du moût en fermentationEstimée (886 cal.kg-1.°C-1) pour un moût à 200 g.L-1 de sucre et 866 cal.kg-1.°C-1 pour un vin correspondant (MatéVi).

Vitesse de changement de température du moût

Rque : l’assimilation du moût à l’eau peut conduire à une surestimation du produit de 5 à 15 %.

must

mustCpV

dt

dT

Modèle thermiquePfermentation : puissance générée par la fermentation

dt

dCOVP onfermentati

2

180

17.2*23500

Bouffard (1895) : 23500 cal / mole de sucres consommés

Modèle thermiquePevaporation : puissance perdue par évaporation de l’éthanol et de l’eau

Nombreux travaux -Dubrunfaut (1856), Bouffard (1895), Williams & Boulton (1983) avec

étude de l’influence de nombreux paramètres (inoculation, concentration en sucre, temperatures…) mais modèle est peu précis.

-Vannobel (1988) a suggéré le modèle suivant :

Modèle thermiquePwall : puissance échangée par les parois de la cuve

Equation de la convection

U : coefficient global de transfert de chaleur Te : température de l’air ambianthi coefficient de convection sous la surface de la cuvehe coefficient de convection sur la surface de la cuvee l’épaisseur de la cuve Conductivité thermique du matériau constituant la cuve

En convection naturelle ou forcée, he est calculé avec le nombre de Nusselt (Nu) air Conductivité thermique

, e

hi he TeT

Modèle thermiquehe coefficient de convection à la surface de la cuve

air Conductivité thermiquehe est calculé avec le nombre de Nusselt (Nu)

-En convection naturelleRa: Nbre de Rayleigh

Pr: Nbre de Prandtl

- En convection forcée(pièce aérée, extérieur)

Re: Nbre de ReynoldsSair: vitesse de l’airNuair viscosité cinématique de l’air (20°C, dans Perry)

r

H

r

H

Modèle thermique Simulation cuve industrielle

0

2000

4000

6000

8000

10000

0 20 40 60 80 100 120

Time (h)

T (

°C)

16

18

20

22

24

26

28

30

Pfe

rmen

tatio

n (

kcal

.h-1

)

Cuve : V=20 m3, Te=20 °C , sair=1.4 m.s-1 Moût : Ninit = 0.3 g.L-1 et So = 200 g.L-1

Modèle thermiqueSimulation

0

250

500

750

1000

0 20 40 60 80 100 120Time (h)

Pw

all,

Pev

apor

atio

n (

kca

l.h-1

)

Convection naturelle ( ) et forcée ( )

Modèle thermique Simulation

0

2000

4000

6000

8000

10000

0 20 40 60 80 100 120

Time (h)

Pac

cum

ulat

ion, Q

c (k

cal.h

-1)


Paccumulation = Pfermentation + Pwall + Pevaporation + Qc ~ 10 % 4%

Modèle thermiqueDiscussion

conduction de chaleur négligeable- !! Vinification rouges : gradient de T sous le chapeau - ok cuve polyester, cuve inox : erreur < 10%

Influence des paramètres de convection :

Modèle thermiqueComportement

Augmentation Text (air) : baisse du coefficient global de transfert de chaleur, en convection naturelle seulement



Augmentation de la vitesse de l’air (5 à 20 km/h) : le coefficient global de transfert de chaleur double, en convection forcée seulement



(2r/H), Géométrie de la cuve : pour un même volume, plus de dissipation pour une cuve large


Modèle thermiqueValidation

Moût: Carignan, évolution libre de T (100 L)

Paccumulation = Pfermentation + Pwall + Pevaporation + Qc

Modèle thermiqueValidation avec le modèle cinétique

Moût: Carignan, modèle cinétique (1 L)

Carignan, (100 L)

CONCLUSION

Modèle cinétique validé ; Modèle thermique validé

Durée d’occupation des cuves

Somme des frigories instantanées pour N cuves = gestion de la puissance frigorifique de la cave

Simulateur SOFA

validation du modèle cinétique -Échelle laboratoire, moût synthétique (1 l) -avec différentes...

Documents