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

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1 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

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

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

4 Validation sur moûts synthétiques Variation de lazote initial à T = 24°C

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

6 Simulation Sinit=200g.L-1, Ninit=430mg.L-1, T=18°C

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

8 - Erreur globale calculée sur les cinétiques en fonction du temps (20 min) : OE_t = |dCO 2 /dt_exp - dCO 2 /dt_sim| / (dCO 2 /dt) mean - Erreur globale calculée sur les cinétiques en fonction de lavancement (0.01) : OE_fp = = |dCO 2 /dt_exp - dCO 2 /dt_sim| / (dCO 2 /dt) mean - Erreur sur le calcul de la durée de fermentation : E_d = |D exp – D sim | / D exp Evaluation des erreurs

9 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 %

10 Bilan moûts synthétiques, 1L N°N init (mg.L -1 )T (°C) D exp (h) D sim (h) OE_t (%) OE_fp (%) E_d (%) 1170Iso Iso *170Iso Iso Iso Iso *430Iso Iso Iso Iso Iso Iso Iso Iso Iso *70Iso Iso Iso * Mean Std dev

11 Validation : Simulation avec ajout dazote Sinit=200g.L-1, Ninit=170mg.L-1, T=24°C, + N (63 mg.L-1) at 40 g.L-1 CO2

12 N°t add (h) (1-S/S init ) add D exp (h) D sim (h) OE_t (%) OE_fp (%) E_d (%) * Mean Std dev Bilan des ajouts dazote N init =170 mg.L -1, T= 24°C. S init =200 g.L -1 S init =280 g.L -1

13 Validation sur moûts synthétiques Estimation des durées totales de fermentation.

14 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

15 Validation : 20 souches de levures Yeast strain (dCO 2 /dt) max (g.L -1.h -1 ) X max (*10 9 cell.L -1 ) D exp (h) D sim (h) OE_t (%) OE_fp (%) E_d (%) BM K EC EC L EC L IOC CSM D DV ALBAFLOR QA F CY UVA CM UVA CEG V IOC B Mean Std dev Milieu synthétique N init = 430 mg.L -1 T=24°C.

16 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

17 Validation : Échelle pilote et industrielle Comparaison 1L et 100L Milieu synthétique Comparaison 100 L (1 hL) et L (100 hL) Moût naturel Chardonnay

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

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

20 Comparison 100 L – L Moût Chardonnay, isoT = 22°C, ajout azote à 73h

21 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

22 Azote assimilable dans les moûts naturels Relation entre la vitesse maximale de production de CO2 et la teneur en azote assimilable

23 Kinetic profile of fermentation ClassicalSluggish Number of experiments4615 N init (mg.L -1 ) Mean value (std dev) From 90 to (130) From 120 to (70) S init (g.L -1 ) Mean value (std dev) From 159 to (21) From 183 to (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 naturels IsoT=24°C Comparaison entre fermentations classiques et languissantes moûts issus de 25 cépages et 6 régions : < 10% derreur destimation sur la durée de fermentation

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

25 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 doccupation des cuves) et des frigories: SOFA

26 Modèle thermique Introduction Objectif : Utiliser le modèle dynamique à léchelle de la cave pour prévoir les dépenses frigorifiques (frigories) Système : la cuve

27 Modèle thermique Introduction 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 dénergie nécessaire pour une cuve, puis pour n cuves

28 Modèle thermique Difficultés -Changement des propriétés physico-chimiques du moût au cours de la fermentation -Lhydrodynamique dans la cuve est rarement homogène (bulles de CO 2, gradients de T…) -Hétérogénéité des cuves industrielles (matériau, géométrie, système de refroidissement…) et de leur environnement (abritées à lintérieur ou soumises à des variations climatiques à lextérieur)

29 Modèle thermique Hypothèses -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 déchange A = 2 rH + r² r H

30 Modèle thermique Equation bilan, Conservation de lénergie P accumulation = P fermentation + P wall + P evaporation + Qc P accumulation : puissance accumulée par le moût P fermentation : puissance générée par la fermentation exothermique P wall : puissance échangée par les parois de la cuve P evaporation : puissance perdue par évaporation de léthanol et de leau Qc : la puissance nécessaire pour refroidir la cuve (frigories)

31 Modèle thermique P accumulation : puissance accumulée par le moût Densité du moût (El Haloui,et al. 1987) volume de moût chaleur spécifique du moût en fermentation Estimée (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 : lassimilation du moût à leau peut conduire à une surestimation du produit de 5 à 15 %.

32 Modèle thermique P fermentation : puissance générée par la fermentation Bouffard (1895) : cal / mole de sucres consommés

33 Modèle thermique P evaporation : puissance perdue par évaporation de léthanol et de leau Nombreux travaux -Dubrunfaut (1856), Bouffard (1895), Williams & Boulton (1983) avec étude de linfluence de nombreux paramètres (inoculation, concentration en sucre, temperatures…) mais modèle est peu précis. -Vannobel (1988) a suggéré le modèle suivant :

34 Modèle thermique P wall : puissance échangée par les parois de la cuve Equation de la convection U : coefficient global de transfert de chaleur T e : température de lair ambiant h i coefficient de convection sous la surface de la cuve h e coefficient de convection sur la surface de la cuve e lépaisseur 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 hihi hehe TeTe T

35 Modèle thermique h e coefficient de convection à la surface de la cuve air Conductivité thermique he est calculé avec le nombre de Nusselt (Nu) -En convection naturelle Ra: Nbre de Rayleigh Pr: Nbre de Prandtl - En convection forcée (pièce aérée, extérieur) Re: Nbre de Reynolds Sair: vitesse de lair Nuair viscosité cinématique de lair (20°C, dans Perry) r H r H

36 Modèle thermique Simulation cuve industrielle Cuve : V=20 m 3, T e =20 °C, s air =1.4 m.s -1 Moût : Ninit = 0.3 g.L -1 et So = 200 g.L -1

37 Modèle thermique Simulation Convection naturelle ( ) et forcée ( )

38 Modèle thermique Simulation Convection naturelle ( ) et forcée ( ) P accumulation = P fermentation + P wall + P evaporation + Qc ~ 10 %4%

39 Modèle thermique Discussion conduction de chaleur négligeable - !! Vinification rouges : gradient de T sous le chapeau - ok cuve polyester, cuve inox : erreur < 10% Influence des paramètres de convection :

40 Modèle thermique Comportement Augmentation Text (air) : baisse du coefficient global de transfert de chaleur, en convection naturelle seulement Convection naturelle ( ) et forcée ( )

41 Modèle thermique Comportement Augmentation de la vitesse de lair (5 à 20 km/h) : le coefficient global de transfert de chaleur double, en convection forcée seulement Convection naturelle ( ) et forcée ( )

42 Modèle thermique Comportement (2r/H), Géométrie de la cuve : pour un même volume, plus de dissipation pour une cuve large Convection naturelle ( ) et forcée ( )

43 Modèle thermique Validation Moût: Carignan, évolution libre de T (100 L) P accumulation = P fermentation + P wall + P evaporation + Qc

44 Modèle thermique Validation avec le modèle cinétique Moût: Carignan, modèle cinétique (1 L) Carignan, (100 L)

45 CONCLUSION Modèle cinétique validé ; Modèle thermique validé Durée doccupation des cuves Somme des frigories instantanées pour N cuves = gestion de la puissance frigorifique de la cave Simulateur SOFA


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