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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
Simulation Sinit=200g.L-1, Ninit=430mg.L-1, T=18°C
Simulation Sinit=200g.L-1, Ninit=70mg.L-1, T=28°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 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 : 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 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 : 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
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
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)
Convection naturelle ( ) et forcée ( )
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
Convection naturelle ( ) et forcée ( )
Modèle thermiqueComportement
Augmentation de la vitesse de l’air (5 à 20 km/h) : le coefficient global de transfert de chaleur double, en convection forcée seulement
Convection naturelle ( ) et forcée ( )
Modèle thermiqueComportement
(2r/H), Géométrie de la cuve : pour un même volume, plus de dissipation pour une cuve large
Convection naturelle ( ) et forcée ( )
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