Proposition de stage

Proposition de stage
Sujet:
vin
Modélisation et contrôle de la fermentation alcoolique du
Encadrant: C. Casenave (chargée de recherche INRA)
Service d’affectation:
INRA de Montpellier
UMR MISTEA (Mathématiques, Informatique et Statistique pour l’Environnement et l’Agronomie)
Lieu: INRA de Montpellier, campus de la Gaillarde, 2 place Pierre Viala, 34060 Montpellier.
Durée: De 3 à 6 mois en fonction de la demande de l’étudiant(e)
Rémunération: ∼ 500e par mois
Profil recherché: automatique et/ou mathématiques appliquées.
Contact: Céline Casenave, 04 99 61 26 96, [email protected]
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Contexte
La fermentation alcoolique est une étape cruciale de la vinification. Généralement réalisée en réacteur batch1 , elle
consiste principalement en la bioconversion du sucre (issu du raisin) en éthanol et divers métabolites apportant
au vin une partie de ses caractéristiques organoleptiques (glycérol, acides organiques, composés d’arômes, etc).
Ce sont les levures qui effectuent cette conversion, dont elles tirent de l’énergie pour leur croissance. L’ajout
d’azote en cours de fermentation est une pratique fréquemment utilisée dans l’industrie car elle permet d’accélérer
les fermentations. Récemment, des chercheurs de l’UMR SPO2 (Sciences pour l’Oenologie) ont montré que ces
ajouts d’azote ont également un impact sur la production d’arômes [5]. Les fermenteurs sont également régulés
en température. Alors que les pratiques actuelles tendent à imposer un profil de température isotherme tout au
long de la fermentation, des expériences ont montré que ce n’était pas le profil le plus favorable à la production
d’arômes.
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Problématique
L’UMR MISTEA, en collaboration avec l’UMR SPO, s’intéresse au problème du contrôle de la fermentation
alcoolique, et en particulier du contrôle de la production d’arômes au cours de la fermentation. L’objectif final
est d’atteindre une composition prédéfinie en arômes, en jouant sur la température et sur l’azote (instant d’ajout
et quantité à ajouter). On souhaite que ce contrôle se fasse de manière automatique et en temps réel, c’est à
dire au moyen d’une loi de commande adaptée. Le travail d’élaboration de cette loi de commande passe par une
première étape de modélisation.
2.1
Modélisation
Pour l’instant, le modèle qui a été développé [6] permet de reproduire, à partir des valeurs initiales d’azote et de
température, les cinétiques de production de 5 arômes fermentaires et la cinétique de consommation de frigories,
dans le cas d’une fermentation sans ajout d’azote. Le fonctionnement du modèle est décrit dans la figure 1.
L’objectif est de compléter ce modèle en ajoutant l’effet d’un ajout d’azote en cours de fermentation sur la
cinétique principale et la production d’arômes ainsi que l’effet d’une gestion non isotherme de la température
(déjà partiellement étudié, mais qui devra être consolidé). Le modèle ne sera a priori utilisé que pour un seul
moment d’ajout d’azote mais devra pouvoir gérer différentes doses d’azote ajoutée. Toutefois, en fonction des
résultats obtenus lors des expériences préliminaires visant à explorer différents moments d’ajout de l’azote, le
modèle pourrait être construit de manière plus générique.
L’effort de modélisation portera donc principalement sur:
1 Un
réacteur batch (ou réacteur discontinu) est un réacteur fermé, qui n’a aucun flux d’entrée ou de sortie.
SPO regroupe des chercheurs et enseignants-chercheurs de l’INRA, Montpellier Supagro et de l’Université Montpellier 1
2 l’UMR
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Figure 1: Modèle MODAPEC.
• la remise à plat du modèle simulant la croissance des levures,
• l’effet de l’ajout d’azote sur la cinétique principale,
• l’effet de l’ajout d’azote et de la température sur la synthèse des arômes (en fonction des mesures
disponibles au moment du stage).
Le modèle sera construit sous une forme adaptée au problème de contrôle, c’est à dire, dans notre cas, un
système d’équations différentielles ordinaires non linéaire de la forme dx
dt = f (x, u); y = h(x), où y est la
quantité à contrôler, u est la commande et x l’état du système. Pour représenter l’impact de l’ajout d’azote sur
la cinétique principale, on se basera sur trois modèles distincts de fermentation alcoolique déjà publiés [4, 3, 1],
et qui ont chacun une plage de validité bien définie.
2.2
Contrôle
En fonction des demandes de l’étudiant, un stage plus axé sur le contrôle pourra être proposé. En effet,
en parallèle du projet de contrôle des arômes, nous travaillons également sur le problème complémentaire
de contrôle d’un fermenteur continu multi-étagé (FCME). Ce procédé, qui a été mis au point par l’UMR
SPO, est composé de 4 réacteurs continus (chemostats) en série (voir figure 2). L’objectif de cet outil est
à la fois d’obtenir des levures dans des états physiologiques stables et de reproduire, en régime permanent,
les différents stades transitoires de la fermentation en réacteur batch. En effet, le FCME permet de passer
d’une échelle temporelle à une échelle spatiale avec la possibilité, par exemple, d’obtenir simultanément, dans
les différents réacteurs, des levures en phase de croissance et en phase stationnaire, dans un environnement
et un état physiologique stable dans le temps. Grâce au FCME, il est possible d’étudier les levures et leur
physiologie, qui sont au coeur du processus de fermentation alcoolique. Le contrôle du FCME est donc un
problème d’intérêt. Il a été montré expérimentalement qu’en faisant varier les débits d’entrée de chacun des
réacteurs du FCME, on pouvait “choisir” la concentration en sucre atteinte, en régime permanent, dans chacun
des réacteurs. Ce contrôle se faisait jusqu’à présent de manière manuelle. Une loi de commande a été mise au
point pour contrôler automatiquement la concentration en sucre dans chacun des réacteurs [1]. L’étape suivante
est de généraliser au cas de fermentations avec ajout d’azote. Cette stratégie pourra être inspirée de celles
proposées pour le contrôle du FCME sans ajout d’azote [1, 2]. Elle incluera (1) un observateur permettant
d’estimer les variables non mesurées, notamment la concentration en sucre dans les réacteurs; (2) un système
permettant de respecter la contrainte d’ordonnancement des débits entre les réacteurs, le débit d’entrée d’un
réacteur devant être nécessairement plus petit que le débit de sortie du réacteur précédent.
Références
[1] C. Casenave, D. Dochain, J. Harmand, M. Pérez, A. Rapaport, and J.-M. Sablayrolles. Control of a MultiStage Continuous Fermentor for the study of the wine fermentation. In IFAC World Congress 2014, Cap
Town (South Africa), 2014.
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Figure 2: Fermenteur continu multi-étagé de l’UMR SPO.
[2] C. Casenave and M. Perez. Control of a class of nonlinear cascade systems with input-dependent saturations.
In CCDC 2015, Qingdao, China, 2015.
[3] R. David, D. Dochain, J.-R. Mouret, A. Vande Wouwer, and J.-M. Sablayrolles. Nitrogen-backboned modeling of wine-making in standard and nitrogen-added fermentations. Bioprocess and Biosystems Engineering,
February 2013.
[4] S. Malherbe, V. Fromion, N. Hilgert, and J.-M. Sablayrolles. Modeling the effects of assimilable nitrogen
and temperature on fermentation kinetics in eonological conditions. Biotechnology and Bioengineering,
86(3):261–272, May 2004.
[5] J.-R. Mouret, V Farines, J.-M. Sablayrolles, and I.C. Trelea. Prediction of the production kinetics of the
main fermentative aromas in winemaking fermentations. (103):211–218.
[6] J.R. Mouret, C. Camarasa, M. Angenieux, E. Aguera, M. Perez, V. Farines, and J.M. Sablayrolles. Kinetic
analysis and gasâĂŞliquid balances of the production of fermentative aromas during winemaking fermentations: Effect of assimilable nitrogen and temperature. 62:1–10.
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