Stratégies de contrôle en temps réel de la production d’arômes en fermentation œnologique – STARWINE

Pour atteindre l’objectif général du projet, nous avons mis en place une approche multidisciplinaire basée sur les compétences scientifiques suivantes : gestion de bioprocédés, étude du métabolisme de la levure, conception de plans d’expériences, modélisation de bioprocédés, développement de stratégies de contrôle et mise en place de capteurs. Cette approche comporte 3 étapes :
- Etape 1 : preuve de concept de la stratégie de contrôle en temps réel à l'échelle laboratoire. Tout d'abord, nous développerons un modèle prédictif des impacts combinés de l'azote et de la température (les 2 leviers principaux identifiés en bibliographie) sur la cinétique de production des arômes. Ensuite, une stratégie de contrôle en temps réel basée sur ce modèle sera mise en place pour atteindre un profil aromatique prédéfini. Enfin, cette stratégie sera validée à l’échelle laboratoire.
- Etape 2 : faisabilité industrielle du suivi en ligne des arômes à l’aide du capteur industriel. L'équipement de laboratoire utilisé dans l'étape 1 ne peut pas être adapté à l'échelle industrielle. Parallèlement à l'étape 1, nous évaluerons donc la faisabilité industrielle de deux capteurs de surveillance d'arômes en ligne : un capteur physique pour l'analyse des gaz et un capteur numérique consistant en un observateur de variables d'état.
- Etape 3 : test de la stratégie de contrôle dans des conditions industrielles. Les résultats des étapes 1 et 2 seront combinés. Nous testerons la stratégie de contrôle développée à l'étape 1 en utilisant les capteurs validés à l'étape 2.
Le travail sera divisé en 5 WPs : WP1 (gestion du projet), WP2 (gestion des fermentations), WP3 (modélisation), WP4 (contrôle de procédé) et WP5 (faisabilité industrielle).

Au cours du projet, un nombre de données important a été généré et a permis d’évaluer l’impact de 2 nouveaux paramètres (ajout d’azote en cours de fermentation, gestion non isotherme de la température) sur le métabolisme levurien et la production d’arômes et de construire un modèle mathématique inédit grâce à la prise en compte de paramètres non modélisés jusqu’à présent. Ainsi, une stratégie de contrôle en temps réel du procédé de fermentation alcoolique en œnologie a été mise en œuvre avec succès. Plusieurs outils innovants réutilisables pour de futurs projets ont été développés : 1) Des méthodes innovantes de traitement statistique des données cinétiques. 2) Un modèle mathématique inédit. 3) Une stratégie de commande innovante couplant optimisation hors-ligne et loi de commande prédictive. 4) Un capteur industriel de suivi en ligne des arômes (validé à l’échelle 5hL). Ce projet ouvre de larges perspectives. D’un point de vue académique, un nouveau projet ANR a été déposé. Le projet STARWINE était centré uniquement sur la gestion des arômes alors que le nouveau projet ANR sera focalisé sur le compromis entre arômes et énergie pour réduire l’empreinte carbone du procédé œnologique (optimisation multi-critères) dans le cadre d’une démarche de type « jumeaux numériques ». Enfin, la démarche développée dans le projet STARWINE a séduit plusieurs industriels avec qui l’équipe du projet est en discussion pour la mise en place de collaborations fin 2024 / début 2025.

Le projet StarWine ouvre de larges perspectives en terme de recherche académique et de collaboration avec des partenaires industriels. D’un point de vue académique, plusieurs projets ont été déposés : 1/ demande de bourse de thèse à la région Occitanie, 2/ dépôt d’un projet auprès du consortium « ferments du futur » et 3/ dépôt d’un projet ANR. Le projet StarWine était centré uniquement sur la gestion des arômes alors que le nouveau projet ANR déposé sera focalisé sur le compromis entre arômes et énergie pour réduire l’empreinte carbone du procédé œnologique (optimisation multi-critères) dans le cadre d’une démarche de type « jumeaux numériques ». Enfin, la démarche développée dans le projet StarWine a séduit plusieurs industriels de la filière (Lallemand, Moet & Chandon, Parsec) avec qui nous sommes en discussions pour la mise en place de collaborations fin 2024 / début 2025.

Godillot, J.; Sanchez, I.; Perez, M.; Picou, C.; Galeote, V.; Sablayrolles, J.-M.; Farines, V.; Mouret, J.-R. The Timing of Nitrogen Addition Impacts Yeast Genes Expression and the Production of Aroma Compounds During Wine Fermentation. Front. Microbiol. 2022, 13, 829786.

Godillot, J.; et al. Analysis of volatile compounds production kinetics: A study of the impact of nitrogen addition and temperature during alcoholic fermentation. Front. Microbiol. 2023, 14.

Beaudeau, F.; et al. Modelling the effects of assimilable nitrogen addition on fermentation in oenological conditions. Bioproc. Biosyst. Eng. 2023, 46, 941–955.

Yabo, A. G.; Casenave, C. Aroma synthesis and energy consumption in wine fermentation: a multiobjective optimization approach. In Proceedings of IFAC World Congress 2023, Yokohama, Japan.

Depuis quelques années, les consommateurs recherchent des vins de plus en plus fruités. Par conséquent, dans un contexte de forte compétition internationale, l’industrie vitivinicole française a besoin de solutions pour augmenter les qualités aromatiques de ses vins pour maintenir sa compétitivité et conquérir de nouveaux marchés.
Pour répondre à cette question, l’objectif global du projet de recherche STARWINE est de contrôler l’arôme fruité des vins grâce au développement de stratégies innovantes de contrôle en temps réel du procédé fermentaire œnologique, en utilisant un modèle mathématique prédictif. Ce but sera atteint grâce à la mise en place d’une approche multidisciplinaire basée sur les compétences scientifiques suivantes : gestion de bioprocédés, étude du métabolisme de la levure, conception de plan d’expérience, modélisation de bioprocédés, développement de stratégies de contrôle et mise en place de capteurs.
L’azote et la température sont les principaux paramètres influant sur la synthèse des arômes, mais leur contribution relative et leurs interactions n’ont jamais été évaluées. A ce jour, les viticulteurs ne disposent pas de méthode pour suivre et ajuster ces paramètres au cours du procédé. Pour répondre à ce besoin, la première partie du projet, réalisée à l’échelle laboratoire, permettra de déterminer l'impact sur la production d'arômes d'une gestion combinée : (1) des ajouts d’azote en cours de fermentation et (2) des profils anisothermes de température. Les données obtenues seront utilisées d’une part pour mieux comprendre la physiologie de la levure et d’autre part pour construire un modèle mécanistique (représentatif des principales réactions du métabolisme levurien). Sur la base de ce modèle mathématique, une stratégie de contrôle en temps réel sera proposée et validée à l’échelle laboratoire en utilisant un outil de laboratoire basé sur un équipement de CPG (chromatographie en phase gazeuse) en ligne.
En parallèle de cette première partie, nous évaluerons les performances d’un capteur physique basé sur la spectrométrie photo-acoustique pour tester la faisabilité industrielle d’un suivi en ligne des arômes fermentaires. A la fin du projet, l’ensemble des résultats obtenus – à l’échelle laboratoire et avec le capteur physique – sera intégré pour évaluer la pertinence de cette stratégie de contrôle en conditions industrielles.
Le projet STARWINE contribuera au renouvellement de l'industrie vitivinicole grâce à l'optimisation du processus de production du vin et à l'adaptation aux exigences des consommateurs. L’objectif n’est pas de maximiser la teneur finale en arômes dans les vins mais d’atteindre un profil aromatique prédéfini grâce à un ajustement constant des paramètres de contrôle au cours du procédé fermentaire. Une telle gestion de la fermentation sera très novatrice car, en utilisant la loi de contrôle en temps réel développée dans STARWINE, il sera possible, pour un vigneron, de définir son propre « style » de vin et de s'adapter aux exigences des consommateurs.
Par conséquent, le projet STARWINE peut être considéré comme une preuve de concept (1) de la mise en œuvre de nouveaux dispositifs de suivi en ligne, (2) de stratégies innovantes pour une meilleure gestion des arômes dans les caves œnologiques et (3) de contrôle en temps réel des processus de fermentation utilisant des microorganismes. Les concepts et méthodes développés dans ce projet seront assez génériques pour être appliqués, après adaptation, à d’autres bioprocédés.