Doctorat sur le contrôle en temps réel de la synthèse des arômes en fermentation œnologique

• Contexte

Les bioprocédés agroalimentaires sont encore largement sous-optimisés. Ils doivent cependant répondre à des exigences de plus en plus strictes en termes de productivité, de robustesse et de qualité des produits. Dans le contexte actuel de changement climatique, de sobriété énergétique et de hausse des coûts de l’énergie, il est également essentiel de minimiser l’impact environnemental de ces pratiques. Afin d’atteindre les objectifs de production tout en répondant aux nombreuses contraintes du procédé, le recours au contrôle devient indispensable. La théorie du contrôle a été largement utilisée dans les bioprocédés, mais a rarement été appliquée à la fermentation alcoolique pour la production de vin. La fermentation du vin est un bioprocédé réalisé dans un fermenteur, où les levures convertissent le sucre du raisin en éthanol et CO2, et la synthèse d’autres métabolites (glycérol, acides organiques, composés aromatiques, etc.) qui constituent le profil aromatique du produit final. Ces derniers comprennent les esters – et, dans une moindre mesure, les alcools supérieurs – qui contribuent directement à l’arôme fruité des vins. Jusqu’à présent, les pratiques industrielles étaient essentiellement dictées par des considérations pratiques de gestion de cave. L’objectif est généralement d’accélérer la fermentation, c’est à dire d’accélérer la conversion des sucres résiduels, plus lente en fin de fermentation (lorsque le stress éthanolique est le plus élevé pour les levures). Pour atteindre cet objectif, deux pratiques sont couramment utilisées : 1) l’ajout d’azote en début ou pendant la fermentation, et 2) la gestion anisothermique de la fermentation, qui consiste généralement à élever la température en fin de processus. Dans des travaux récents, il a été montré que ces pratiques influencent également la teneur aromatique finale du vin, avec des impacts très différents selon chaque composé aromatique. En régulant la quantité et le moment de l’ajout d’azote et en ajustant la température en temps réel, il est possible de contrôler la synthèse des arômes pendant la fermentation alcoolique et d’atteindre un objectif d’arôme et d’énergie prédéfini.

• Objectifs du projet de doctorat

L’objectif de ce projet de thèse est de contrôler la synthèse des arômes dans le vin en développant des stratégies innovantes de contrôle en temps réel du processus de fermentation alcoolique basées sur des modèles mathématiques prédictifs . Ces stratégies devront également prendre en compte de nombreuses contraintes liées au schéma de contrôle, et à la consommation énergétique de la fermentation, qui doit rester suffisamment faible. Dans des travaux antérieurs, un modèle dynamique de fermentation alcoolique du vin a été développé, qui représente les principales cinétiques, la synthèse des principaux arômes et la consommation énergétique du processus. A partir de ce modèle, une simple boucle MPC (Model Predictive Control) a été conçue et testée sur le procédé réel, ce qui constitue une preuve de concept de la démarche. En fonction du parcours et des intérêts du doctorant, plusieurs questions de recherche sont ouvertes à explorer :

• Modélisation biologique : développement de modèles mécanistiques orientés contrôle représentant la production de multiples composés aromatiques, et calibration à partir de données expérimentales. Diverses méthodes d’identification du système pourraient être envisagées et proposées ici. De plus, des techniques de réduction de modèles peuvent être testées, notamment basées sur une décomposition des dynamiques lentes/rapides (en considérant la différence de vitesses entre les voies métaboliques de l’azote et du glucose).
• Contrôle temps réel : conception de nouvelles lois de contrôle, prenant en compte des aspects tels que la performance et la robustesse face à l’incertitude du modèle. La gamme de méthodes peut varier des lois de contrôle par rétroaction non linéaires et éventuellement adaptatives pour les systèmes avec contraintes d’entrée, aux algorithmes de contrôle basés sur l’optimalité (comme les boucles MPC). Les problèmes d’observabilité sont également intéressants pour l’estimation d’état en ligne dans des implémentations en temps réel.

Le projet impliquera une étude théorique du problème mathématique, des simulations numériques et une validation expérimentale des lois de contrôle à appliquer et tester sur le procédé réel situé à l’Unité Expérimentale Pech Rouge à Gruissan.

• Mots clés

Théorie du contrôle, fermentation du vin, synthèse des arômes, modèles biologiques, système dynamique

• Compétences requises

Nous recherchons une formation en modélisation biologique , en automatique ou en mathématiques appliquées avec un goût pour les applications. La connaissance des processus ou systèmes biologiques n’est pas requise, mais recommandée. De bonnes compétences en programmation sont requises (Python et/ou Matlab et/ou R).

• À propos du centre de recherche

Le doctorant sera basé à l‘ UMR MISTEA (Mathématiques Informatique et Statistiques pour l’Environnement et l’Agronomie), sur le campus Gaillarde de Montpellier SupAgro . Le stage sera encadré par Agustin Yabo et Céline Casenave, tous deux chercheurs à l’INRAE ​​(Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement) travaillant dans le domaine de la modélisation et du contrôle des systèmes biologiques. Le projet se déroulera en collaboration avec l’UMR SPO (Sciences pour l’Œnologie), l’Unité Expérimentale INRAE ​​Pech Rouge et potentiellement des partenaires privés.

• informations générales

Durée : 36 mois
Localisation : Montpellier, France
Salaire brut mensuel : 2100€ (1ère année), 2200€ (2ème année) et 2300€ (3ème année) ¹
Date d’entrée : Entre septembre et décembre 2024
Avantages : tarif réduit cantine, gratuit transports publics ² , sécurité sociale, congés payés, horaires de travail flexibles

• Contacts

Agustin G. Yabo :  agustin.yabo@inrae.fr  –  www.agustinyabo.com.ar

Céline Casenave :  celine.casenave@inrae.fr  –  celinecasenavefr.wordpress.com

• Les références

Beaudeau et coll. (2023). Modélisation dynamique des effets de l’ajout d’azote assimilable sur la synthèse des arômes lors de la fermentation du vin. Transactions de génie chimique , 102 , 301-306.

Casenave, C. et Montseny, E. (2017). Simplification de problèmes dynamiques par transformation temporelle : application à la commande non linéaire avec contraintes positives d’entrée. Congrès mondial de l’IFAC 2017.

Casenave et coll. (2019). Stratégie de linéarisation entrée-sortie anti-enroulement pour le contrôle d’un fermenteur continu à plusieurs étages avec contraintes d’entrée. Transactions IEEE sur la technologie des systèmes de contrôle , 28 (3), 766-775.

Godillot et coll. (2023). Analyse des cinétiques de production de composés volatils : étude de l’impact de l’ajout d’azote et de la température lors de la fermentation alcoolique. Frontières en microbiologie , 14 , 1124970.

Yabo, AG et Casenave, C. (2022).  Synthèse des arômes et consommation d’énergie dans la fermentation du vin : une approche d’optimisation multi-objectif. Congrès mondial de l’IFAC 2024.

Ritonja, J. et coll. (2023). Approches pratiques du contrôle de la fermentation du lait avec les grains de kéfir. IntechOpen.