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INSTRUMENTATION D’UNE DISTILLERIE
À L’ÉCHELLE PILOTE AVEC CAPTEURS EN LIGNE,
ACQUISITION DES DONNÉES ET SUPERVISEUR
G. FERRARI
B. GALY
A. SOMMIER
M. DECLOUX
C. CHIPEAUX
Station Viticole du Bureau National Interprofessionnel du Cognac
69, rue de Bellefonds - 16103 COGNAC CEDEX - FRANCE - Tél : 33 (0)5 45 35 61 00 - Internet : www.cognac.fr
1. Introduction
Le procédé charentais de double distillation, issu d’une très ancienne tradition qui remonte au XVI ème siécle,
La bonne chauffe regroupe trois étapes principales : la mise au courant, le coulage du cœur et sa coupe, le
se doit d’évoluer avec la contrainte de conserver les critères définis par les décrets de l’Appellation d’Origine
coulage des secondes et leur coupe.
Cognac, mais en bénéficiant des avancées technologiques les plus modernes.
Lors de la mise au courant, le passage des vapeurs au haut col et au bas col est contrôlé afin de régler la
De nouvelles contraintes sont apparues plus récemment en liaison avec les évolutions de la réglementation sur
puissance de chauffe et l’ouverture du registre.
les aliments : sécurité alimentaire, traçabilité, maîtrise et contrôle en continu du procédé sont aujourd’hui de
Avant l’instrumentation de l’atelier, la programmation de la puissance n’évoluait pas au cours du coulage du
rigueur.
cœur. Elle était fixée à une valeur moyenne de 25 %. Or, il est important de débuter doucement la chauffe
Pour étudier précisément l’application de ces contraintes et opportunités, la Station Viticole du BNIC, qui était
afin de favoriser le tri. Puis, il est nécessaire d’augmenter régulièrement la puissance pour activer certaines
déjà équipée d’un atelier de distillation à l’échelle pilote, a décidé de mettre en place un système d’acquisition
réactions propices à la qualité des eaux-de-vie et limiter la durée de la chauffe. En effet, au fur et à mesure de la
des données en ligne, couplé à un superviseur pour piloter différentes fonctions et optimiser le contrôle de la
chauffe, la chaudière contient de moins en moins d’alcool, il est donc nécessaire de chauffer plus pour obtenir
distillation et sa traçabilité.
un débit de coulage constant. En prenant en compte ces considérations, nous avons établi une évolution de
Un autre objectif était de valider la distillation à l’échelle pilote sous contrôle du superviseur par rapport à une
la puissance en fonction du TAV de brouillis et du temps P = f (TAVbr, t). La puissance est régulée par cette
distillation réalisée classiquement en alambic traditionnel de 25 hl de charge.
équation jusqu’à l’approche de la zone de coupe.
Afin de répondre à toutes ces questions, la Station Viticole a sollicité l’aide de l’ENSIA – MASSY (UMR GENIAL)
pour mettre en place une instrumentation fine et un système de contrôle commande robuste, ouvert, et évolutif.
Les boîtes de calcul disponibles dans LabVIEW nous permettent de réaliser des tests et de calculer en temps
Les alambics pilotes ont été instrumentés. LabVIEW (NI ®) a été choisi pour superviser l’application grâce à son
réel la puissance de chauffage optimale pour chaque alambic. Lorsque la masse d’eau-de-vie est atteinte,
interface utilisateur conviviale et du fait que le système est ouvert (on peux toujours rajouter un appareil de
le programme signale par un bip sonore et une alarme visuelle qu’il faut commencer à contrôler le TAV de
mesure ou une sortie pour piloter un périphérique).
l’eau-de-vie. Une fois la coupe réalisée, il y a passage au coulage des secondes ou arrêt de la chauffe. Pour le
coulage des secondes, le chauffage se fait au maximum de puissance soit 100 %. Un onglet « configuration »
permet à l’opérateur de passer en pilotage manuel et de choisir alors la puissance de chauffage adaptée.
2. Optimisation de la distillerie pilote
Toutes les données, ainsi qu’une fiche de suivi, sont stockées au format ascii, et peuvent être ainsi exploitées
Réaliser des essais en grand volume demande une
organisation et une mise en œuvre fastidieuses.
Réchauffe-vin
En vue de diminuer les quantités nécessaires et
Col de cygne
d’éviter les mélanges, l’idée de construire un atelier
Chapiteau
de distillation pilote qui reproduirait fidèlement le
Serpentin
et visualisées sous d’autres logiciels pour assurer la traçabilité du process.
De plus l’opérateur peut lancer le programme de la distillation ou bien en contrôler le bon déroulement à
distance.
Afin d’évaluer la qualité des eaux-de-vie produites par cette distillerie pilote, nous avons distillé le même vin
dans une distillerie traditionnelle équipée d’un alambic de 25 hl.
procédé, s’est imposée. Ainsi l’atelier de distillation
pilote dispose actuellement de 2 alambics de 70 L
Réfrigérant
Cucurbite
Porte alcoomètre
de charge pour la première chauffe (des vins), et
3. Résultats
de 4 alambics de 14 L de charge pour les bonnes
3.1 Analyse chimique des eaux-de-vie
chauffes (de brouillis).
Les composés volatils majoritaires ont été analysés par injection directe en chromatographie en phase gazeuse
couplée à un détecteur à ionisation de flamme. Les composés en concentration moindre ont été analysés après
une extraction à l’isooctane. Ces méthodes sont celles recommandées par l’Office International de la Vigne et
du Vin (O.I.V., 1994).
Description de l’alambic charentais traditionnel
Pour la majorité des composés chimiques la variation oscille entre – 20 et + 20 % en général. Nous ne pouvons
pas noter de différence significative. Quand les composés sont regroupés par familles, l’écart n’excède pas
2.1 Matériel et logiciel de supervision
15 %. Pour les alcools supérieurs, la différence moyenne de concentration est de 3,75 %, pour les esters
Les 2 alambics de 70 litres étant chauffés au gaz, un tableau technique de gestion a été installé en amont pour
éthyliques de 6 %, pour les acétates de 4,95 % et pour les terpènes de 13,4 %.
permettre le pilotage de l’arrivée du gaz grâce à un capteur de pression et des électrovannes. Les 4 alambics de
14 litres sont chauffés par des résistances électriques pilotées pour reproduire la courbe de chauffe recherchée
3.2 Analyse sensorielle des eaux-de-vie
par le distillateur.
Le jury de dégustation est constitué du personnel de la Station Viticole possédant une connaissance approfondie
Il a fallu ensuite choisir le matériel d’acquisition (capteurs) en fonction du cahier des charges (plage de
de l’eau-de-vie et un bon entraînement. Les essais ont été réalisés en duo-trio (Norme NF ISO 10399) en vue
mesure, précision... ) : 114 mesures de température réparties sur les 6 alambics, une vingtaine d’entrées
de comparer trois eaux-de-vie nouvelles (témoin = 25 hl - pilote 1 - pilote 2).
tension (capteur de pression, débit de gaz... ), pilotage de 6 balances pour calculer le débit massique du
Les notes oscillent entre 5,4 et 6,8 avec un maximum pour l’eau-de-vie de référence (alambic de 25 hl traditionnel)
distillat et effectuer les différentes opérations nécessaires à la distillation au moment opportun, piloter divers
mais la plage de notation observée est restreinte. Les échantillons ont été appréciés de façon identique ; les
composants (vannes, régulateurs…). Le nombre et la variété des entrées sorties nous a amené à choisir un
deux eaux-de-vie pilotes ne présentent pas de différence significative. En effet, la majorité du jury a perçu
boîtier déporté SCXI-1001 12 slots, équipé de cartes SCXI 1100 et 1102, ainsi que d’un terminal block pour
la différence comme peu sensible. Nous pouvons donc considérer que les eaux-de-vie produites en mode
faciliter la connexion des capteurs ou des actionneurs. Ce boîtier est connecté au PC qui comporte une carte
automatique sont perçues comme une eau-de-vie produite de manière artisanale.
entrée sortie 12 bits PCI 6023. Ce type de matériel ne nous limite pas non plus en vitesse d’acquisition.
3.3 Régularité de production
Laboratoire
Serveur
Lancement et
suivi à distance
de la Station
Viticole
Schéma de principe
de l’installation
% alc./vol final spirit
% alc./vol final spirit
75
75
73
73
71
71
69
69
y =0,2645x + 63,676
Station Viticole
2
67
65
4 balances RS232
4 régulateurs RS485
y =0,2215x + 64,923
R2 = 0,7284
67
R = 0,5953
65
20
25
Interface
série
30
35
20
TAV brouillis % alc./vol
25
30
35
TAV brouillis % alc./vol
Cartes d'acquisition
de données
TAV final des eaux-de-vie obtenues en mode manuel (gauche) et automatique (droite)
Ordinateur
de pilotage
120 capteurs
et
actionneurs
Conditionnement
de signaux
Les distillations conduites grâce au programme de pilotage présentent toutes un TAV final compris entre 70
Alambics de 70 l
et 72 % pour des TAV de brouillis compris entre 23 et 30 %. La cible est obtenue de manière plus constante en
automatique (R² = 0,73 contre 0,59 en manuel). Récemment le R2 en automatique a été porté à 0,98 en brouillis.
Une balance située en sortie de chaque alambic mesure la masse de distillat en continu. Les 6 balances
communiquent avec le PC via une liaison RS232. Une carte PCI-232/4 a ainsi été ajoutée pour étendre le nombre
de ports RS-232 à 6. Régulièrement cette masse est stockée en mémoire ainsi que les températures mesurées
sur les différents alambics, les puissances de chauffage... Une simple fonction nous permet de calculer le débit
massique du distillat. Lorsque la masse de produit à obtenir est atteinte, le programme signale à l’utilisateur
par un bip sonore et une alarme visuelle qu’il faut arrêter la récupération du produit. Ceci a pour but de
respecter le taux d’alcool volumique optimal et la qualité recherchée du distillat.
Affichage du superviseur : paramètres en temps réel,
alambics de 70 l
Enfin, l’un des alambics de 70 l a été équipé d’un capteur en ligne de TAV * (densimètre Anton PAAR) et la
gestion du refroidissement des serpentins et des registres de cheminées a été développée.
2.2 Programmation du pilotage des alambics de 14 L
4. Conclusion
Grâce aux campagnes de distillation réalisées en mode manuel, une base de données a permis d’établir les
calculs prévisionnels. Ces calculs déterminent à partir du TAV * du brouillis et de la charge de la chaudière, la
Après une première phase où le programme réalisé sous LabVIEW a permis d’assurer une meilleure reproductibilité
masse et le TAV de l’eau-de-vie à récupérer sachant que le cœur doit titrer 70 % v/v. Une relation entre le TAV
du procédé (30 % d’amélioration) et d’avoir une traçabilité détaillée, nous avons développé la partie « super
de l’eau-de-vie et celui du brouillis a été établie : TAVEDV = 0,19*TAVVbr + 65,6. Connaissant la quantité d’alcool
vision » pour piloter le process : il s’est vite imposé comme un outil convivial, évolutif, adaptable et robuste
pur et le TAV de l’eau-de-vie à récupérer, son volume et sa masse prévisionnels sont estimés. Ainsi au début
qui facilite le travail du distillateur.
de chaque distillation nous ouvrons une interface afin que le distillateur rentre la charge de chaque alambic et
Une stratégie de chauffage originale en bonne chauffe permettant de conserver un débit d’alcool constant
le TAV du brouillis correspondant. Ces valeurs sont les entrées du programme de pilotage principal.
en sortie d’alambic a été développée. Cette amélioration est d’autant plus importante qu’elle n’est pas au
détriment de la qualité du produit.
* TAV = titre alcoométrique volumique.
Les analyses réalisées (chimique et sensorielle) sur un produit standard et sur ceux obtenus par notre distillerie
pilote ne montrent pas d’écarts significatifs.
Crédit photos : © BNIC ◆ Réalisation : Atelier Infographie du BNIC ◆ Juin 2007