Étude multi-échelle des transferts couplés de liquide et d’oxygène à travers la barrique en chêne et les douelles
Institution:
université Paris-SaclayDisciplines:
Directors:
Abstract EN:
The aging of wines and spirits in oak barrels modifies their organoleptic qualities by two main phenomena. Firstly, the wood releases volatile and non-volatile compounds that enrich the beverage, and secondly, the wood properties allow a slight oxidation throughout the aging process. In the latter case, the modes of oxygen transfer as well as the limiting factors are little known today, although they are of great importance in the quality of the final product. This thesis aims to provide a better understanding of the dynamics of oxygen transfer in oak, in the presence of the liquid impregnation front due to the contact between the liquid and the internal surface of the barrel. To this end, several original experimental set-ups have been developed.Initially, at the barrel scale, 4 instrumented barrels were placed in a cellar to study the transfers in real conditions. The loss of liquid during aging generates an internal underpressure. Thus, in addition to the diffusion of oxygen through the wood thickness, there is a phenomenon of air percolation towards the inside of the barrel from a certain threshold of the pressure gap. This percolation threshold can be reached during variations in relative humidity and temperature conditions in the cellar, which provoke dimensional changes of the barrel. Oxygen inputs between 10 and 100 µg/L per percolation event are observed. These contributions are not negligible compared to the quantity of oxygen that the wine receives during its aging.Secondly, at the stave scale, each mechanism is treated in a decoupled way: diffusion of oxygen on the one hand and monitoring of the imbibition front on the other. Oxygen diffusion is studied for sessile oak (Quercus petraea (Matt.) Liebl.) and pedunculate oak (Quercus robur L.) with various ring widths using an innovative experimental device. A numerical model based on the finite volume method is used to identify the diffusion coefficient. A good representation of the diffusion via simulation is observed. Next, the imbibition front is monitored by an X-ray imaging system on stave samples in contact with water and ethanol. An unsupervised image correlation algorithm is developed to monitor the progress of the liquid front over several months.Finally, the study of simultaneous transfers is carried out by combining the last two experiments. A strong decrease in oxygen diffusion is then observed with the advance of the imbibition front in the stave thickness. These results allowed us to better apprehend the complexity of the dynamics of oxygen transfer during the aging of wines and spirits in oak barrels.
Abstract FR:
L’élevage des vins et spiritueux en barrique en chêne modifie leurs qualités organoleptiques par deux phénomènes principaux. D’une part, le bois libère des composés volatiles et non volatiles qui enrichissent la boisson, et, d’autre part, les propriétés du bois permettent une légère oxydation tout au long du vieillissement. Dans ce dernier cas, les modes de transfert d’oxygène ainsi que les facteurs limitants sont aujourd’hui peu connus alors qu’ils sont d’une grande importance dans la qualité du produit final. Cette thèse vise à mieux comprendre la dynamique des transferts d'oxygène dans le chêne, et ce, en présence du front d'imbibition du liquide dû au contact entre le contenu et la surface interne de la barrique. À cette fin, plusieurs montages expérimentaux originaux ont été développés.Dans un premier temps, à l’échelle macroscopique, 4 barriques instrumentées dans un chai ont permis d’étudier ces transferts en conditions réelles. Il se produit une perte de liquide au cours de l’élevage du vin, ce qui génère une dépression interne. Ainsi, à la diffusion d’oxygène à travers la barrique, s’ajoute un phénomène de percolation de l’air vers l’intérieur de la barrique à partir d’un certain seuil de dépression. Ce seuil de percolation peut être atteint lors de variations des conditions en humidité relative et en température du chai, ce qui est expliqué par le changement dimensionnel de la barrique. On constate des apports d’oxygène entre 10 et 100 µg/L par événement de percolation. Ces apports ne sont pas négligeables par rapport à la quantité d’oxygène que le vin reçoit durant son élevage.Dans un second temps, à l’échelle microscopique, chaque mécanisme est traité de façon découplée : diffusion d’oxygène d’une part et suivi du front d’imbibition d’autre part. La diffusion d’oxygène est étudiée pour le chêne sessile (Quercus petraea (Matt.) Liebl.) et le chêne pédonculé (Quercus robur L.) de largeurs de cerne différentes grâce à un dispositif expérimental innovant. Un modèle numérique fondé sur la méthode des volumes finis est employé pour identifier le coefficient de diffusion. On constate une bonne représentation de la diffusion via la simulation. Ensuite, le suivi du front d’imbibition est réalisé par un système d’imagerie à rayons X sur des échantillons de merrains en contact avec de l’eau et de l’éthanol. Un algorithme de corrélation d’images non supervisé est développé pour suivre l’avancée du front de liquide, et ce sur plusieurs mois.Enfin, l’étude des transferts simultanés est réalisée en combinant les deux dernières expériences. On observe alors une forte diminution de la diffusion de l’oxygène avec l’avancée du front d’imbibition dans le bois. Ces résultats nous permettent de mieux appréhender la complexité de la dynamique des transferts d'oxygène lors du vieillissement des vins et spiritueux en barrique en chêne.