Contacteurs membranaires pour la maîtrise des gaz dissous dans le vin

Membrane contactors for control of dissolved gases in wine

• Auteur / Autrice : Paul Beirnaert
• Direction : Jean-Christophe Remigy
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés et de l'environnement
• Date : Soutenance le 15/03/2019
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Teneur en gaz

Vin

Contacteurs électriques

Mots clés libres

Contacteur membranaire

Vin

Gaz dissous

Fibre creuse composite

Mouillage

Couche dense

Résumé

L'utilisation de contacteurs membranaires gaz/liquide à fibres creuses pour l'ajustement des concentrations en O2 et CO2 dissous dans le vin à l'embouteillage se développe depuis une dizaine d'années comme substitution à l'injection de gaz par bullage. La principale limitation de ce dispositif est le mouillage progressif des pores de la fibre microporeuse en opération résultant d'interactions entre le vin et la membrane et conduisant à une diminution des flux de gaz transférés. L'objectif de cette thèse est de concevoir des fibres composites constituées d'un support microporeux et d'une couche dense de faible épaisseur et hautement perméable aux gaz permettant d'établir une barrière physique au passage du vin dans les pores tout en limitant la résistance additionnelle au transfert de matière. A l'aide d'un pilote d'enduction/séchage, des dépôts de couches denses en Teflon AF 2400(r) et en PMP sont fabriquées sur des fibres microporeuses en PP et PvDF. L'étude des lois décrivant le dépôt d'un film de liquide sur une fibre en mouvement permet de fixer des conditions opératoires conduisant à la formation de couches denses d'1 µm d'épaisseur environ. Le comportement des fibres microporeuses et composites est étudié au contact du vin rouge. Les fibres microporeuses sont rapidement mouillées par le vin en raison d'une baisse d'hydrophobicité provoquée par l'adsorption de polyphénols et polysaccarides et voient leurs perméances aux gaz diminuer significativement. A l'inverse, les fibres composites maintiennent leurs coefficients de transfert constants, illustrant l'efficacité des couches denses à protéger le support microporeux du mouillage. Les fibres sont ensuite testées en contacteur membranaire gaz/liquide. En parallèle, un modèle de transfert de matière est développé. L'ensemble des résultats montre que la phase liquide constitue la résistance principale au transfert et que le gain apporté par la couche dense sur les flux de gaz transférés est significatif en opération lorsque le coefficient de transfert de la phase liquide est suffisamment élevé.

The use of gas/liquid hollow fiber membrane contactors for the adjustment of dissolved O2 and CO2 concentrations in bottled wine has been developed over the past ten years as an alternative to the bubbling gas injection. Nevertheless, the main limitation of this device is the progressive wetting of the microporous pore of hollow fiber in operation resulting from interactions between the wine and the membrane and leading to a decrease of the transferred gas flows. The objective of this thesis is to design composite fibers consisting of a microporous support and a thin and highly permeable dense polymer layer to establish a physical barrier to the passage of wine in the pores while limiting the additional mass transfer resistance. Using a coating/drying pilot, deposits of dense AF 2400(r) Teflon and PMP layers are performed on microporous PP and PvDF fibers. From the laws describing the coating of a liquid film on a moving fiber, one can set the operating conditions leading to the formation of dense layers of approximately 1 µm thickness. The behavior of microporous and composites fibers is studied in contact with red wine. The microporous fibers are rapidly wetted by the wine because of a decrease in hydrophobicity caused by the adsorption of polyphenols and polysaccharides. The resulted gas permeance significantly decrease. In contrast, composite fibers maintain their initial mass transfer coefficients, illustrating the effectiveness of dense layers to protect the microporous support from wetting. The fibers are then tested as a gas/liquid membrane contactor. In parallel, a mass transfer model is developed. All the results show that the liquid phase constitutes the main resistance to the transfer and that the gain provided by the dense layer on the transferred gas flows is only significant in operation when the transfer coefficient of the liquid phase is sufficiently high.