Brevet FR2890973A1 — publié le 20070323

La présente invention a pour objet la fermentation alcoolique et sa mise en oeuvre dans une géométrie nouvelle de réacteur pour l'obtention d'un jus alcoolisé (vin, cidre, poiré, et autres vins de fruits). Les procédés sont bien connus, par exemple dans le cas de la vinification, les grappes de raisins, après réception, sont éraflées (séparation des rafles des grains), les grains foulés (éclatement des grains). Le moût obtenu composé de jus, de peaux, de pulpe et de pépins est envoyé dans une cuve de fermentation. Sous l'action des levures les sucres sont transformés en alcool (éthanol) et gaz carbonique. Le moût se sépare alors en deux couches distinctes, l'une constituée par le jus en cours de fermentation (2/3 du volume environ), l'autre surnageante constituée par la pulpe, les peaux, les pépins (1/3 du volume environ, volume qui dépend de la nature du raisin et qui évolue au cours de la fermentation) appelée chapeau . Les procédés utilisés qui peuvent varier ont au moins deux objectifs: -1transformation des sucres en éthanol par l'intermédiaire des levures, et production de molécules d'intérêts aromatiques ou structurantes. -2- extraction par les phases aqueuse ou hydro-alcoolique des matières colorantes et des tannins et éventuellement d'autres molécules contenues dans la pulpe. La transformation des sucres se fait sous l'action des levures déjà présentes dans le moût ou par apport de levures sélectionnées. Dans les deux cas, la pression osmotique, due à la concentration en sucre, et la concentration en alcool ont des effets néfastes sur la levure et en particulier sur l'intégrité de sa membrane. Pour palier à ces problèmes l'apport d'oxygène est parfois pratiqué. Cet apport d'oxygène peut être combiné avec l'extraction dans une même opération de remontage . Il s'agit alors de soutirer le jus en fermentation et de le remonter, à l'aide d'une pompe au sommet de la cuve de façon à arroser le chapeau pour faciliter l'extraction. L'oxygénation pouvant se faire au baquet ou à l'aide d'un venturi branché sur le circuit de recirculation. Une autre façon de procéder pour faciliter l'extraction est mise en oeuvre dans l'opération de pigeage qui consiste à faire redescendre, par des moyens mécaniques ou pneumatiques bien connus, le chapeau dans la phase liquide de façon à l'immerger temporairement dans le jus de fermentation. D'autres techniques permettant le brassage du chapeau avec le jus sont mises en oeuvre dans les cuves parallélépipédiques à ràteaux ou encore dans des cuves horizontales rotatives, ou parfois dans des cuves à chapeau immergé. D'autres techniques encore comme le délestage ou la saignée sont pratiquées. L'oxygénation des cuves, si nécessaire, se fait alors par injection directe d'oxygène ou d'air par des moyens appropriés bien connus. Une fois les sucres épuisés, une macération post-fermentaire peut être effectuée pour permettre une meilleure extraction, de même qu'une macération pré-fermentaire peut être effectuée dans le cas où ]'on recherche des arômes fruits, dans les deux cas la macération se fait sous atmosphère de gaz carbonique. 2890973 -2- A l'issue de ces différentes opérations, la phase liquide est soutirée (vin de goutte), le chapeau est pressé (vin de presse). Ces vins sont élevés séparément avant un assemblage éventuel. Les cuves sont des récipients à parois rigides, de forme cylindrique ou parallélépipédique, parfois elliptique ou tronconique. Elles sont construites en matériaux divers, bois, acier inoxydable, polyester armé, béton. Dans le cas du béton l'alimentante' du matériau est obtenue après traitement spécifique de la surface en contact avec le moût, l'alimentarite- peut également être obtenue par la mise en place d'un liner ou d'une poche souple de qualité alimentaire dans la cuve construite en matériau non alimentaire. Ce chemisage de la cuve est proposé par de nombreuses sociétés et présente des avantages hygiéniques importants car souvent conçu pour un usage unique. Les poches plastiques utilisées comme réacteurs biologiques ont trouvé des applications importantes dans la culture de cellules animales, végétales et microbiennes, ces poches présentent de nombreux avantages, elles sont souvent livrées stériles, elles sont à usage unique, et peuvent être munies des ports permettant le passage de liquides, suspensions, gaz et sondes de contrôle. Ces poches, dépourvues de systèmes d'agitation sont souvent fixées sur des plateformes agitées permettant d'améliorer les transferts de masse et d'améliorer ainsi les cinétiques réactionnelles. Ces poches ont d'abord été utilisées dans le stockage et le transport de liquides, il est rapidement apparu pour des raisons de commodités et de résistance mécanique dans le cas de volume significatif que ces poches devaient être introduites dans des containers rigides, d'où le nom bien connu de système Bag-in-Box. Après le stockage ou le transport d'autres utilisations ont été exploitées et en particulier la culture de cellules animales, végétales, et microbiennes, et plus précisément dans le cas qui nous intéresse la fermentation. La fermentation en sacs ou poches plastiques est pratiquée depuis longtemps par des amateurs produisant de la bière ou du vin maison. Dans le domaine de la vinification dès 1984 on a cherché à associer la fermentation alcoolique des moûts de raisin et autres à la fonction de pressage des parties solides des raisins, pulpe, peaux et pépins dans un système Bag-in-Box, la poche plastique était dans un container rigide, et après fermentation, le jus fermenté pouvait être extrait du système en appliquant une pression entre les parois de la poche et du container (FR 2563531). Plus récemment une cuve de vinification auto pressante a été décrite. Un réservoir souple et étanche, de mêmes forme et dimension que la cuve proprement dite, constitue un chemisage intérieur adapté au volume de la cuve de vinification (FR 2767530). Encore un système de fermentation Bag-in-Box avec une fonction de pressage et de lessivage du marc. Dans un brevet (WO 01/2889 Al) encore plus récent qui semble revendiquer la paternité du système Bag-in-Box, un dispositif de lessivage du chapeau par le jus en cours de fermentation est décrit et appliqué pour la première fois dans une cuve type Bag-in-Box de façon originale et simple. En résumé on a surtout cherché à reproduire la technique de fermentation ou à y adjoindre une autre fonction tel le pressage. Pourtant en vinification, les cuves constituent de véritables réacteurs pouvant faciliter l'extraction, la fermentation, les réactions entre les différents composants du raisin. Il est connu en génie chimique que la géométrie du réacteur peut grandement influencer les phénomènes cinétiques cités d'autant que l'on opère souvent dans des réacteurs statiques. Cette observation est également connue des spécialistes en vinification qui attachent une très grande importance à la géométrie des cuves utilisées. En particulier les cuves cylindriques verticales ont des rapports H/D souvent compris entre 1 et 5, pour les cuves parallélépipédiques les rapports Longueur/largeur/Hauteur sont plus variables. Les oenologues conseillent un bon étalement du chapeau c'est-à-dire une épaisseur 10 réduite de ce dernier pour en favoriser l'extraction. L'étalement du chapeau a ses limites en cuve ouverte, car il vient en contradiction avec une autre caractéristique de la fermentation qui conduit à craindre l'effet de l'oxygène sur le chapeau et les risques de piqûre acétique, surtout en fin de fermentation quand le dégagement de gaz carbonique devient faible et qu'il n'est plus capable d'assurer une couverture gazeuse suffisante. La vinification en rouge pour être efficace doit allier les points suivants: - 1- Contrôle de l'extraction du chapeau, mais protection du chapeau contre l'oxygène. - 2- Maintien de l'activité fermentaire des levures par oxygénation de la phase liquide. -3- Possibilité de contrôler la phase gazeuse pendant les macérations pré et/ou post- fermentaires. On a vu que la géométrie des cuves cylindriques verticales ou parallélépipédiques était caractérisée souvent par les rapports H/D ou L/1/H. Il serait peut-être plus intéressant de considérer le rapport section horizontale et volume du moût à la hauteur H. Ce rapport sera désigné par Section/Volume. Dimensions (m) Section (m2) Volume (m3) Section/Volume (m-1) 0,5.0,5.0,5 0, 25 0,125 2 1.1.1 1 1 1 2.2.2 4 8 0,5 3.3.3 9 27 0,3 4.4.4 16 64 0,25 Le même calcul effectué sur une cuve cylindrique verticale de rapport par exemple H/D de 2 montre que le rapport Section/Volume passe de 0,5 à 0,25 lorsque le diamètre passe de 1 à 2 m. Dans les deux cas ce rapport est égal à l'inverse de la Hauteur. Dans notre cas l'étalement du chapeau doit pouvoir conduire à une épaisseur de l'ordre de 0,35m pour obtenir une bonne extraction et un pigeage manuel ou mécanique aisé à travers un film souple. Ce qui correspond à une hauteur de moût initial de l'ordre du mètre. On peut envisager de travailler alors entre des hauteurs de moût comprises entre 0,2 et 1,30 m, soit des rapports Section/Volume compris entre 5 et 0,75 m-1. D'après notre approche, les cuves peuvent être classées en deux types: les cuves à section horizontale constante quelle que soit la hauteur et les cuves dont la section horizontale varie en fonction de la hauteur. Parmi les cuves à section horizontale constante en fonction de la hauteur, on peut citer: les cuves cylindriques ou elliptiques verticales et les cuves parallélépipédiques. Les données de la figure 1 permettent de faire une application numérique. Si l'on fixe la capacité de la cuve cylindrique à 2 m3, un rapport Section/Volume de 2,5 m-1 par exemple qui correspond à une bonne extraction du pinot noir, la Section de la cuve est donnée par S/2 = 2,5 m-1 soit S = 5 m2, soit un diamètre D = 2,52 m et une Hauteur de 0,4 m. On voit que l'on a une cuve très aplatie, qui serait difficile à utiliser si elle était construite totalement en matériau rigide et dont le pigeage serait difficile à mettre en oeuvre si la cuve était couverte pour protéger le chapeau, très étalé, contre les effets de l'oxygène. Parmi les cuves à section horizontale variable en fonction de la hauteur du liquide on peut citer: les cuves cylindriques ou elliptiques horizontales, sphériques, tronconiques. Les données de la figure 2 permettent de faire une application numérique dans le cas d'une cuve trapézoïdale, pour une hauteur H de moût de 1 m, une base 1 del m, un angle de 45 et un volume de 2 rn3, le rapport Section/Volume calculé est de1,5 m-1. Les cuves utilisées en vinification rouge ont souvent des rapports Section/Volume inférieurs à 1 et souvent compris entre 0,5 et 0,2.m-1 Un exemple intéressant tiré de la fabrication du Porto peut être donné pour montrer l'importance du rapport Section/Volume. Les lagares traditionnelles utilisées jadis avaient d'après des données recueillies des sections de l'ordre de 10 à 16 m2 et une hauteur de l'ordre de 0,8 al m, donc des rapports Section/Volume de l'ordre de 1 à 1,25.m-1. Cette géométrie permettait de mieux extraire la couleur et les arômes fruits. La difficulté d'industrialiser ces cuves fait que l'on utilise aujourd'hui des cuves autovinificatrices dont le remontage du jus en fermentation est assuré grâce à la pression développée à l'intérieur de la cuve par le dégagement de gaz carbonique. Une exception cependant, la société GRAHAM a industrialisé la technique en utilisant des cuves en acier inoxydable de même géométrie que les lagares et en automatisant un foulage mimant le foulage avec les pieds apportant l'oxygène nécessaire à la stabilisation de la couleur. Mais la vinification d'un moût de raisin est différente selon que l'on recherche à faire du vin ou du Porto (vin fortifié). Dans le cas de la production de Porto on ne craint pas l'effet de l'oxygène sur le chapeau car la fabrication du Porto implique l'arrêt de la fermentation avant l'épuisement des sucres à une période où le dégagement de gaz carbonique est intense et assure une bonne couverture gazeuse. L'objet de l'invention est donc de construire des cuves de fermentation: 1- avec des rapports Section/Volume compris entre 0,75 et 5 m-1, -2permettant de contrôler la nature de la phase gazeuse au-dessus du chapeau, -3- permettant le pigeage de la cuve de façon simple par pression, -4- permettant l'oxygénation du jus en fermentation. La façon la plus simple pour réaliser ce type de cuve, consiste à fermer la cuve avec un film souple muni de bondes qui peuvent être maintenues ouvertes ou fermées pour assurer le passage du moût et des gaz, et qui permet par simple pression manuelle ou à l'aide d'un dispositif mécanique ou pneumatique d'enfoncer le chapeau de façon à l'immerger dans le jus en fermentation. Figure 3. Le film souple (4) est fixé de façon étanche sur la cuve lors de la fermentation. Trois zones sont définies, la zone gazeuse (1), le chapeau (2), le jus en fermentation (3). Une autre façon simple pour réaliser ces cuves consiste à utiliser la méthode bien connue du système Bag-in-Box modifié ou non qui consiste à réaliser tout d'abord une cuve enveloppe ayant une géométrie permettant d'avoir le rapport Section/Volume recherché. Différents types de poche peuvent être envisagés, la poche classique, qui épouse de par sa conception la forme de la cuve, elle est munie des orifices nécessaires à la conduite du réacteur (entrée et sortie des liquides et des gaz, installation de sondes de contrôle de paramètres chimiques, physiques ou physico-chimiques. Figure 4. On distingue la cuve enveloppe (4), la poche (3) qui pour des raisons de visibilité du dessin ne colle pas à la cuve comme cela est le cas dans la réalité, les zones 1, 2 et 3 représentent respectivement la phase gazeuse, le chapeau, et le jus. La poche constituée par une gaine, obtenue par extrusion ou par soudure de deux feuilles, épouse naturellement la forme de la cuve, elle est fermée à l'une de ses extrémités par un tube dont la circonférence est égale à deux fois la largeur de la gaine, ce tube est muni d'un couvercle avec les orifices nécessaires à la conduite de la fermentation ou des macérations pré et/ou post-fermentaires, il permet également de maintenir l'extrémité de la poche à un niveau supérieur à celui du moût contenu dans la partie de la gaine qui épouse la cuve, il est fixé par exemple sur une potence, ou, mieux, maintenu à la hauteur désirée par l'intermédiaire d'un palan. La poche constituée par une gaine dont les deux extrémités sont terminées chacune par un tube déjà décrit est fixée à ses deux extrémités par l'intermédiaire d'une potence ou d'un palan, la partie centrale contenant le moût épousant la forme de la cuve. Ces différentes réalisations ont permis de satisfaire le critère rapport Section/Volume. Le fait que la poche sous l'une ou l'autre de ses réalisations puisse être fermée, permet de maintenir une atmosphère gazeuse sous forme de gaz carbonique pendant les macérations pré ou postfermentaires par apport de gaz carbonique. La nature souple de la poche et en particulier de sa surface supérieure, permet par simple écrasement manuel ou mécanique d'immerger le chapeau partie par partie et ainsi de le déstructurer, ce qui conduit encore à augmenter l'interface liquidesolide et d'assurer le renouvellement de cette interface. Ce type de réalisation permet également d'oxygéner le moût en début de fermentation. En effet après avoir chassé le gaz carbonique par de l'air ou de l'oxygène une immersion rapide du chapeau permet de brasser la phase gaz et liquide et permet ainsi d'assurer une oxygénation rapide du moût. Le moût a également été oxygéné en assurant sa recirculation à l'aide d'une pompe montée sur un circuit comprenant un venturi permettant l'aspiration d'air. Une autre forme d'oxygénation a été réalisée en soudant une feuille de polyéthylène basse densité sur le fond d'une poche, cette nouvelle poche formée est reliée à une bouteille d'oxygène permettant de maintenir une surpression de 30 à 100 mbar. Basée sur le même principe une autre forme d'oxygénation a été réalisée en introduisant dans la poche une gaine en polyéthylène de faible diamètre gonflée à l'oxygène et reliée comme précédemment à une bouteille d'oxygène. Différents exemples sont donnés à titre d'illustration. Exemple 1 Un exemple permet d'illustrer l'invention. Dans une cuve parallélépipédique, munie d'une bonde, à double enveloppe permettant sa régulation thermique, de dimensions intérieures 2 m de long, 1 m de largeur et 0,5 m de profondeur (hauteur), donc d'un volume de 2 x 1 x 0,5 = 1 m3 donc ayant un rapport S/V de 2 m-1, munie d'une bonde, on introduit une poche parallélépipédique de mêmes dimensions remplie de 0,8 m3 de moût de pinot noir et de grains de pinot noir non éclatés, le S/V devient égal à 2,5 m-1. La poche est munie de trois bondes, deux sur sa partie supérieure et une sur la partie inférieure. La poche est remplie de gaz carbonique avec une surpression de 50 mbar, la température est régulée à 10 C, après 7 jours de macération carbonique (figure 5), la température est remontée progressivement à 25 C après ensemencement par des levures oenologiques, les deux bondes supérieures sont ouvertes (figure 5), le mélange du chapeau et du jus en fermentation est assuré manuellement en appuyant à l'aide des deux mains et en les déplaçant sur toute la surface extérieure de la poche, et ce trois fois par jour pendant 10 minutes (figure 6), la fermentation est terminée quatre jours après l'inoculation. L'oxygénation est assurée par recyclage du moût à l'aide d'une pompe sur le circuit muni d'un venturi. Un vin de qualité couleur et fruité a été obtenu. Exemple 2 La même cuve a été utilisée pour la production de pinot noir, avec une poche de dimensions identiques mais comprenant une poche constituée en soudant sur le fond de la poche, une surface de polyéthylène basse densité de 0,5m2 ayant une perméabilité à l'oxygène de 4000 cm3 par m2 par atmosphère et par 24 heures reliée par l'intermédiaire d'un tube à une bouteille d'oxygène avec une surpression de 30 mbar. Ce dispositif permet de libérer 2000 cm3 d'oxygène par 24 heures soit 2,5 cm3 par litre et par 24 heures. La fermentation qui a duré jours a été prolongée d'une macération post-fermentaire de 15 jours. Un vin plus tannique de belle couleur a été obtenu. Le pigeage a été effectué 3 fois par jour pendant 10 minutes à l'aide d'une planche en bois de largeur 20 cm et de longueur 0,95 m qui permettait d'enfoncer par pression le chapeau de 0,15 à 0,2 m à l'intérieur de la poche. Exemple 3 La même expérience que 2 a été réalisée en replaçant la poche à oxygène de 0,125 cm de largeur et de 2 m de longueur soudée aux deux extrémités et reliée par l'intermédiaire d'un tube a une bouteille d'oxygène et gonflée avec une surpression de 30 mbar après introduction dans la poche de fermentation. Le même type de vin a été obtenu. Le pigeage a été effectué à l'aide d'un rouleau plastique de 0,4 m de diamètre et de 0,90 m de largeur que l'on déplaçait d'un bout à l'autre de la cuve 3 fois par jour pendant 10 minutes. Exemple 4 La même cuve a été utilisée, une gaine de 5,2 m de longueur et de 1,3 m de largeur, terminée par deux tubes de diamètre 0,8 m munis chacun de bondes est déposée dans la cuve, une extrémité de la gaine est fixée et soulevée à 1,2 m du fond de la cuve par l'intermédiaire du tube à un palan situé à 1 m de l'aplomb de l'extrémité de la cuve. La gaine est remplie de 0,8 m3 de moût de pinot noir, la deuxième extrémité de la gaine est fixée et montée à 1,2 m au-dessus du fond de la cuve. La fermentation est conduite à 25 C sans ensemencement et sans oxygénation elle a duré 10 jours. Exemple 5 Une autre fermentation a été effectuée de la façon suivante, dans la cuve en acier inoxydable de qualité alimentaire utilisée dans les expériences précédentes. Après avoir introduit 0,8 m3 de moût de pinot noir, un film plastique souple ayant les dimensions suivantes, Longueur 2,2 m, largeur 1,8 m, muni de deux bondes permettant le passage de phases liquide et gazeuse est fixé de façon étanche sur les parois de la cuve à l'aide d'un ruban adhésif. Les dimensions ont été calculées pour permettre la fixation (0,1 m de chaque côté), le pigeage (la hauteur du moût étant de 0,4 m, on a choisi de pouvoir descendre le chapeau de 0,2 m, il faut donc que le film puisse descendre de 0, 3m dans la cuve soit sa largeur totale de 1 + 2x0, 1 + 2x0,3 soit 1,8m. L'oxygénation a été réalisée par recirculation du jus en fermentation, la cuve a été maintenue à 25 C, la fermentation a duré 6 jours, le pigeage a été effectué manuellement en enfonçant le chapeau 3 fois par jour pendant 15 minutes. La fermentation a été suivie d'une macération post-fermentaire sous gaz carbonique pendant 12 jours. En conclusion, l'originalité de l'invention réside dans la géométrie nouvelle de cuve et dans sa mise en oeuvre avec des poches fabriquées en matériaux souples, ou par sa fermeture avec un film plastique. Ces réalisations permettent le contrôle de l'atmosphère située au-dessus du chapeau, permettent l'étalement du chapeau et son immersion dans le jus en fermentation par simple pression sur la poche, la gaine ou le film. Cette mise en oeuvre permet également d'appliquer sur la cuve toutes les techniques de régulation thermique par double enveloppe, par faisceaux de tubes. Elle permet également d'utiliser des techniques classiques d'oxygénation des moûts et de conduites de fermentation (délestage, saignée....) REVENDICATIONS 1. Cuve de fermentation rigide, munie au moins d'une bonde de soutirage, avec une géométrie permettant d'obtenir au niveau supérieur du moût un rapport Section/Volume compris entre 0,8 et 5 m-1, destinée à la fermentation alcoolique pour l'obtention d'un jus alcoolisé (vin, cidre, poiré, et autres vins de fruits) et fermée par un film souple, muni de bondes, permettant un contrôle de la phase gazeuse située au-dessus du moût pendant les phases de macérations pré ou post-fermentaire et fermentaire, et l'opération de pigeage par pression sur le film souple conduisant à l'immersion totale ou partielle du chapeau. 2. Cuve de fermentation selon la revendication 1 où la cuve de fermentation est à section constante et dont le volume ne dépend que de la hauteur de liquide. 3. Cuve de fermentation selon la revendication 1 où la section et le volume varient en fonction de la hauteur de liquide. 4. Cuve de fermentation selon l'une quelconque des revendications 1, 2 et 3 caractérisée en ce que le film souple est remplacé par une poche souple conçue pour en épouser la forme après remplissage partiel de moût et comprenant différents orifices pour contrôler l'introduction de moût, de liquide ou de gaz ou le maintien d'une phase gazeuse. Le pigeage se faisant en exerçant une pression sur les parois de la poche pour enfoncer le chapeau en maintenant une bonde ouverte. 5. Cuve de fermentation selon l'une quelconque des revendications 1, 2 et 3 caractérisée en ce que le film souple est remplacé par une gaine souple capable d'en épouser la forme après remplissage partiel de moût et terminée à chacune de ses deux extrémités par un tube muni de différents orifices pour contrôler l'introduction de moût, de liquide ou de gaz ou le maintien d'une phase gazeuse. Le pigeage s'effectuant en exerçant une pression sur les parois de la gaine pour enfoncer le chapeau en maintenant une bonde ouverte. 6. Cuve de fermentation selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce qu'elle dispose d'un système de régulation thermique permettant de réguler la température du moût à l'intérieur de la cuve, de la poche ou de la gaine. 7. Poche, gaine suivant les revendications 4 et 5 caractérisées en ce qu'une autre poche intérieure obtenue en soudant une feuille en matériau souple sur la face inférieure de la poche ou de la gaine, laisse diffuser l'oxygène. Cette poche est gonflée à l'oxygène par l'intermédiaire d'un tube et maintenue en légère surpression. 8. Poche, gaine ou enceinte suivant les revendications 4, 5 et 6 caractérisée en ce que 35 l'oxygénation du moût est obtenue en introduisant une gaine en matériau poreux à l'oxygène, reliée à une source d'oxygène et maintenue en légère surpression. 9. Poche, gaine ou enceinte suivant les revendications 4, 5 et 6 caractérisée en ce que l'oxygénation du moût est assurée par la recirculation du jus au baquet ou à l'aide d'un venturi branché sur le circuit de recirculation.