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Validation du modèle cinétique Échelle laboratoire, moût synthétique (1 L)

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

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Validation du modèle cinétique Échelle laboratoire, moût synthétique (1 L)

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  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 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 l’azote 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. 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 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

  9. Validation : Simulation Sinit=200g.L-1, Ninit=70mg.L-1, T=28°C OE_t=12.8 % E_d=5.6 % OE_fp=19.4 %

  10. Bilan moûts synthétiques, 1L

  11. 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

  12. Bilan des ajouts d’azote Ninit=170 mg.L-1, T= 24°C. Sinit=200 g.L-1 Sinit=280 g.L-1

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

  14. 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)

  15. Validation : 20 souches de levures Milieu synthétique Ninit= 430 mg.L-1 T=24°C.

  16. 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)

  17. 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

  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 – 10 000 L Moût Chardonnay, isoT = 22°C, 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 Moûts naturels IsoT=24°C moûts issus de 25 cépages et 6 régions : < 10% d’erreur d’estimation 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 d’occupation des cuves) et des frigories: SOFA

  26. Modèle thermique Introduction Objectif : Utiliser le modèle dynamique à l’échelle 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 d’énergie nécessaire pour une cuve, puis pour n cuves

  28. Modèle thermique Difficultés • 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)

  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 d’échange A = 2 rH +  r² r H

  30. Modèle thermique Equation bilan, Conservation de l’énergie 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 l’éthanol et de l’eau 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 : l’assimilation du moût à l’eau 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 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 :

  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 l’air ambiant hi coefficient de convection sous la surface de la cuve he coefficient de convection sur la surface de la cuve e l’épaisseur de la cuve  Conductivité thermique du matériau constituant la cuve hi he Te T , e 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 • heestcalculé 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 l’air • Nuair viscosité cinématique de l’air (20°C, dans Perry) r r H H

  36. Modèle thermique Simulation cuve industrielle 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

  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 < 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 l’air (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 d’occupation des cuves Somme des frigories instantanées pour N cuves = gestion de la puissance frigorifique de la cave Simulateur SOFA

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