expos

1

Du modèle cinétique au simulateur Sofa

• 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)

2
Validation sur moûts synthétiques
Variation de la température (isoT), Ninit 170
mg/L
3
Simulation Sinit200g.L-1, Ninit430mg.L-1, Aniso
T 18C - 28C (dT/dS0.1C.g-1.L)
4
Validation sur moûts synthétiques
Variation de lazote initial à T 24C
5
Simulation Sinit200g.L-1, Ninit170mg.L-1,
T24C
6
Simulation Sinit200g.L-1, Ninit430mg.L-1,
T18C
7
Simulation Sinit200g.L-1, Ninit70mg.L-1, T28C
8
Evaluation des erreurs
- 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 lavancement (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
9
Validation Simulation Sinit200g.L-1,
Ninit70mg.L-1, T28C
OE_t12.8
E_d5.6
OE_fp19.4
10
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
11
Validation Simulation avec ajout dazote
Sinit200g.L-1, Ninit170mg.L-1, T24C, N
(63 mg.L-1) at 40 g.L-1 CO2
12
Bilan des ajouts dazote
Ninit170 mg.L-1, T 24C. Sinit200 g.L-1
Sinit280 g.L-1
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
13
Validation sur moûts synthétiques
Estimation des durées totales de fermentation.
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Du modèle cinétique au simulateur Sofa

• 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)

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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 T24C.
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Du modèle cinétique au simulateur Sofa

• 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)

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Validation Échelle pilote et industrielle
Comparaison 1L et 100L Milieu synthétique Com
paraison 100 L (1 hL) et 10 000 L (100 hL) Moût
naturel Chardonnay
18
Comparison 1 L 100 L Sinit200g.L-1, Ninit170
mg.L-1, T24C, N (50hr)
19
Comparison 1 L 100 L Sinit200g.L-1, Ninit170
mg.L-1, AnisoT 18C - 28C (dT/dS0.1C.g-1.L)
20
Comparison 100 L 10 000 L Moût Chardonnay, isoT
22C, ajout azote à 73h
21

Du modèle cinétique au simulateur Sofa

• 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)

22
Azote assimilable dans les moûts naturels
Relation entre la vitesse maximale de production
de CO2 et la teneur en azote assimilable
23
Comparaison entre fermentations classiques et
languissantes
Kinetic profile of fermentation Classical 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 naturels IsoT24C
moûts issus de 25 cépages et 6 régions lt 10
derreur destimation sur la durée de
fermentation
24
Cas des fermentations languissantes Sinit280g.L-
1, Ninit285mg.L-1, T24C
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 CO2, 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

30
Modèle thermique Equation bilan, Conservation de
lénergie
Paccumulation Pfermentation Pwall
Pevaporation Qc Paccumulation
puissance accumulée par le moût Pfermentation 
puissance générée par la fermentation
exothermique Pwall  puissance échangée par les
parois de la cuve Pevaporation  puissance
perdue par évaporation de léthanol et de
leau Qc  la puissance nécessaire pour refroidir
la cuve (frigories)
31
Modèle thermique Paccumulation 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 Pfermentation  puissance
générée par la fermentation
Bouffard (1895) 23500 cal / mole de sucres
consommés
33
Modèle thermique Pevaporation  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 Pwall  puissance échangée par
les parois de la cuve
Equation de la convection
U coefficient global de transfert de chaleur
Te température de lair ambiant hi coefficient
de convection sous la surface de la cuve he
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
35
Modèle thermique he 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 (20C, dans
  Perry)

36
Modèle thermique Simulation cuve industrielle
Cuve V20 m3, Te20 C , sair1.4 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 ( ? )
Paccumulation Pfermentation Pwall
Pevaporation 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
lt 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)
Paccumulation Pfermentation Pwall
Pevaporation Qc
44
Modèle thermique Validation avec le modèle
cinétique
Carignan, (100 L)
Moût Carignan, modèle cinétique (1 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