LGS-TPE-VIN - La fermentation alcooliqueVoici notre blog sur les conditions optimales d'une fermentation alcoolique.Cowbloghttp://lgs-tpe-vin.cowblog.frMon, 28 Feb 2011 09:29:01 +0100180CONCLUSIONMon, 28 Feb 2011 09:29:00 +0100Mon, 28 Feb 2011 09:29:00 +0100http://lgs-tpe-vin.cowblog.fr/conclusion-3089822.htmlLGS-TPE                                    Lors de ce TPE, nous avons réalisé des expériences sur une solution de levures que nous avons fait fermenter dans un bio réacteur avec du glucose. Ces expériences nous ont permis de reproduire une fermentation alcoolique et de comprendre celle qui a lieu chez le raisin. Les levures représentants la pellicule du fruit et le glucose, la pulpe de celui-ci. De nos expériences, nous avons pu tirer nos propres conditions optimales de fermentation que nous avons mis en parallèle avec les véritables conditions optimales de fermentation chez le vin. En effet, nous avons trouver une condition optimale de 40 degré pour la température mais celle-ci est moins élevé pour le vin rouge ( 30 degré ) et encore moins pour le vin blanc ( 20 degré ) . De plus, nous avons, grâce à nos graphes, découverts l'importance du glucose dans la fermentation donc du jus de raisin qui est responsable de la production d'éthanol et donc de la fermentation alcoolique. Expérimentalement, notre condition optimale est 8g de glucose pour une solution de 125mL contenant 10g de levures. Ces deux facteurs influants le déroulement d'une bonne fermentation,nous avons essayer de voir s'il n'en exister pas d'autres. Nous avons donc réalisés des expériences pour le pH mais nous avons remarqué que quelque soit le pH de notre solution,la production d'éthanol avait lieu. ¨Pourtant d'après nos recherches dans le domaine du vin, nous avons appris que le pH joue beaucoup dans la fermentation qui suit a fermentation alcoolique , c'est-à-dire la fermentation malolactique qui dégrade l'acide malique en acide lactique et gaz carbonique. C'est là que la notion de pH intervient. En effet, une fermentation malolactique est favorisée par un pH élevé.Le pH va influencer sur le goût du vin et sa couleur . Nous réalisons donc le travail d'un vinificateur qui est de juger de la maturité optimale des raisins puis de contrôler la température et le sucre contenu dans moût du raisin afin d'avoir des conditions optimales pour réaliser une vinification dont la première étape est la fermentation alcoolique. Quant au pH , il devra rajouter des substances afin de régler celui-ci comme ce que l'on a effectuer au cours de nos expériences avec la soude et l'acide chlorhydrique. Ces conditions optimales étudiées sont des facteurs essentiels à une bonne fermentation. Etre vinificateur ou oenologue ne doit pas être un travail facile et nécessite des connaissances absolues au sujet du raisin et du vin.
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III . LA GRAPPE ET LE GRAIN DE RAISINMon, 28 Feb 2011 00:36:00 +0100Mon, 28 Feb 2011 00:36:00 +0100http://lgs-tpe-vin.cowblog.fr/iii-la-grappe-et-le-grain-de-raisin-3089770.htmlLGS-TPE                         La vinification est l'ensemble des opérations nécessaires à la transformation du moût (nom du jus de raisin) en vin. C'est l'ensemble des opérations nécessaires à l'élaboration des vins. ...  Il existe donc différentes étapes à cette vinification. Nous avons étudier dans ce TPE , la fermentation alcoolique. Mais nous allons voir que le rôle du vinificateur n'est pas seulement de veiller aux conditions optimales de fermentation alcoolique , il doit également juger de la maturité optimale des raisins afin de choisir le moment opportun de la récolte. En effet, tout au long de sa maturation,degré de fermentation des fruits, la composition du grain de raisin évolue. Pour comprendre la fermentation chez le raisin , nous allons décrire la structure d'un raisin .


                                                                                STRUCTURE D'UNE GRAPPE DE RAISIN :
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                                        La grappe du raisin est constituée par la rafle, partie ligneuse ramifiée, supportant les grains. La rafle est essentiellement constituée d'eau, de fibres, de tanins qui sont des substances d'origine organique que l'on trouve dans toutes les parties des végétaux. La rafle est également constituée de matières minérales.

                                       Quant au grain de raisin appelé également baie, il est constitué par :
    - la pellicule qui enveloppe le fruit ; elle est recouverte d'une poussière cireuse, la pruine , qui retient la pellicule non mouillable et retient notamment les levures intervenant lors de la fermentation donc celles que nous avons étudiées. La pellicule contient des matières odorantes et colorantes mais également des tanins plus fins que ceux de la rafle.
-la pulpe, dont les cellules renferment le moût ou jus de raison, est constituée essentiellement d'eau, de sucres et d'acides. On peut donc dire que c'est celui qui contient le glucose que nous avons utilisé pour pratiquer une fermentation.
   - les pépins qui sont au nombre de 1 ou 2 en général renferment des tanins et des huiles non recherchées pour l'élaboration du vin.


                                                                    COUPE SCHEMATIQUE D'UNE BAIE DE RAISIN A LA MATURITE :
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                                        La pédicelle est une tige ou une petite pédoncule portant le raisin .
                                  Le pinceau provient du latin " peniculus " et signifie petite queue.

 

   

 

                         Le vin est une boisson résultant de la fermentation du raisin frais (avec ou sans rafle) ou du jus de raisin frais.

Par fermentation, on entend fermentation alcoolique (transformation du sucre en alcool éthylique) suivie de la fermentation malolactique (transformation de l'acide malique contenu dans le moût en acide lactique et en acide carbonique). Cette deuxième fermentation, de nature purement biologique, se produit sous l'action de certains micro-organismes et est une désacidification permettant l'assouplissement et l'affinement du vin à tous les points de vue. Un vin terminé  se compose de trois éléments : alcool, eau et d'extrait sec qui est ensemble des matières solides constitutives d'un vin.

                   La fermentation alcoolique du vin se déroule dans une cuve.
C'est une sorte de combustion dégageant du gaz carbonique de manière intense. C'est une phase essentielle dans la naissance d'un vin : le sucre naturel du raisin, sous l'action des levures de fermentation (présentent naturellement dans le moût ou ajoutées par le vigneron) va se transformer progressivement en alcool, en gaz carbonique... et en chaleur.

                   Son équation chimique est :

C6H12O6
>
2 C2H5OH
+
2 CO2
+
Q
1 molécule de sucre
>
2 molécules d'alcool éthylique
+
2 molécules de gaz carbonique
+
chaleur
180 g
>
2 x 46 = 92 g
+
2 x 44 = 88 g
+
33 kcal
             

 

 

 

 


                 Cette réaction est exothermique (libère de l'énergie) et produit un volume important de gaz carbonique (44.8 litres), ce qui explique :

                       -le bouillonnement qui se produit dans le moût en fermentation

                       -l'augmentation de la température de la cuve,

                       - la nécessité de ventiler les cuves et les caves afin d'éviter les risques d'asphyxie dus au CO2 et  de prévoir des dispositifs de réfrigération pour maintenir la température des cuves.

Cinq semaines sont nécessaires pour que le sucre des raisins se transforme en alcool. Pour éviter qu'il y est un oxydation de la matière première, le vinificateur doit agir sur la température du milieu afin qu'il y est un départ rapide de fermentation.

 

                     En effet, la température de la cuve doit se situer entre 25 et 28 °C. A la température du raisin encuvé, s'ajoute la température de fermentation alcoolique du moût. On a calculé que pour une production de 3° d'alcool, la température s'élève de 7 °C. Au bout de trois jours, l'élévation serait de plus de 20 °C s'il n'y avait pas de perte de chaleur. Compte tenu de l'étalement dans le temps de la fermentation, du dégagement gazeux et de la dispersion thermique, l'élévation de température n'est pas aussi importante que pourrait le laisser craindre cette théorie. Néanmoins, il faut faire attention à ce que la température critique de 32 °C ne soit pas dépassée car alors, les levures seraient détruites et des arrêts de fermentation, des accidents microbiens tels que la piqûre lactique ou acétique seraient possibles.

                  On peut également, par suite d'effets climatiques indésirables, obtenir des températures de fermentation trop basses et donc une fermentation trop lente. L'opération d'éraflage provoque une élévation de température pouvant atteindre 5 °C. La température critique (32 °C) peut donc être atteinte alors qu'elle ne l'est pas pour une même vendange non éraflée.

                   Il est donc essentiel que le vinificateur suive de près la fermentation et procède régulièrement (deux fois par jour) à la mesure simultanée de la température et de la densité du contenu de la cuve.

 

                  Le viticulteur s'assure de la transformation des sucres par un calcul de densité (appareil de mesure = mustimètre) . La densité est le rapport entre la masse d'un corps et celle d'un même volume d'eau . Un liquide sucré tel que le moût est plus lourd que l'eau, il a donc une densité plus élevée.

                 Le travail des levures est de faire disparaître peu à peu le sucre (transformé en alcool, de densité inférieure à celle de  l'eau). La densité du moût diminue donc progressivement jusqu'à atteindre un chiffre entre 0.993 et 0.995 à la fin de la fermentation.

 



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Graphe pHSun, 27 Feb 2011 20:09:00 +0100Sun, 27 Feb 2011 20:09:00 +0100http://lgs-tpe-vin.cowblog.fr/graphe-ph-3089698.htmlLGS-TPE        Nous avons réalisés une fermentation alcoolique sur nos deux solutions . On peut observer sur notre graphique que le taux d'éthanol est plus élevé lorsque la solution est basique . Mais on peut voir que quelque soit le pH de la solution, il y a production d'éthanol et ce de façon élevé . On peut donc en déduire que le pH n'a pas un rôle essentiel dans la fermentation alcoolique.


        Analyse des courbes :
-soude : de 0 à 3 minutes, la courbe forme un plateau à 0.5g/L d'éthanol . A trois minutes, le taux d'éthanol augmente subitement après l'ajout de glucose à 3 minutes. Puis on peut voir que la courbe devient plus stable et moins pentue, en effet le taux d'éthanol augmente toujours mais moins rapidement. L'éthanol produit maximal au bout de vingt minutes est de 3.5g/L.

-acide chlorhydrique : tout comme la courbe de la solution contenant de la soude, la courbe représentative de la solution acide forme un plateau jusqu'à l'ajout du glucose donc jusqu'à 3 minutes. Puis celle-ci croît de manière fluide tout au long de la fermentation alcoolique. En effet , entre 3 et 20 minutes, elle passe de 0.5g/L à 1.8g/L d'éthanol.


http://lgs-tpe-vin.cowblog.fr/images/pH.jpg
              Un des facteurs de la qualité gustative d’un vin est son acidité ou plutôt sa perception acide. Le vin contient un nombre important d’acides organiques divers, chacun d’eux contribuant à l’acidité titrable et au pH mais chacun ayant aussi une saveur propre.



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Solution basique :Sun, 27 Feb 2011 19:01:00 +0100Sun, 27 Feb 2011 19:01:00 +0100http://lgs-tpe-vin.cowblog.fr/solution-basique-3089671.htmlLGS-TPE         Afin de rendre la solution basique , nous avons ajouter à la solution de la soude . Pour cela, nous avons pris un peu de notre solution de levures que nous avons mise dans le bio réacteur. Nous avons ensuite rajouter quelques gouttes de soude dans la solution. Nous obtenons un pH de 9.9 qui est donc bel et bien basique.

     http://lgs-tpe-vin.cowblog.fr/images/IMG0193.jpg
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Solution acide :Sun, 27 Feb 2011 18:59:00 +0100Sun, 27 Feb 2011 18:59:00 +0100http://lgs-tpe-vin.cowblog.fr/solution-acide-3089670.htmlLGS-TPE
           Un milieu acide  présente une forte concentration en ions oxonium,il correspond à un pH faible . Une solution aqueuse est considérée comme acide quand elle contient plus d’ions H3O+ que l’eau pure. Afin de rendre la solution encore plus acide qu'au départ , nous avons rajouter de l'acide chloridrique qui est une solution aqueuse ayant pour solutés des ions oxonium et des ions chlorure . Notre sonde a pH nous indique un pH de 2.13 . Notre solution acide obtenue, nous avons fermé le bio réacteur et pratiqué notre protocole expérimental afin d'obtenir une courbe représentant l'évolution du taux d'éthanol au cours de la fermentation.

  http://lgs-tpe-vin.cowblog.fr/images/IMG0195.jpg
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3. Le pHSun, 27 Feb 2011 18:55:00 +0100Sun, 27 Feb 2011 18:55:00 +0100http://lgs-tpe-vin.cowblog.fr/3-le-ph-3089667.htmlLGS-TPE

              Le pH, abréviation de potentiel hydrogène,est une mesure,c'est la teneur en ions hydrogène sur une échelle de 0 à 14 . Entre 0 et 7 , on dit que le pH est acide . Lorsque le pH est à 7 , on dit qu'il est neutre . Entre 7 et 14 , il est dit basique . Il est possible de mesurer le pH à l'aide de papier pH, voici les différentes couleurs qui servent à déterminer l'acidité,la neutralité ou le caractère basique d'une solution.

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            Nous avons mesurer le pH initial de notre solution de levure à l'aide d'une sonde à éthanol . Celle-ci nous indique un pH de 4,68 . On peut donc dire que la solution est acide . Toutes nos expériences ont été réalisé suivant cette solution acide.




http://lgs-tpe-vin.cowblog.fr/images/IMG0191.jpg
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Graphes TempératureSun, 27 Feb 2011 18:31:00 +0100Sun, 27 Feb 2011 18:31:00 +0100http://lgs-tpe-vin.cowblog.fr/graphes-temperature-3089659.htmlLGS-TPE

 

 

             Observation : Nous pouvons voir de nouveau une incohérence au niveau de deux courbes : celle de 10 degré et celle de la glace car logiquement la courbe représentant une fermentation dans un milieu à 0 degré devrait être en dessous de celle à 10 degré. Ce graphe nous montre une condition optimale de température à 40 degré.

             Analyse des courbes :
- glace : la courbe représentant l'évolution de l'éthanol pour une température de 0 degré est constante durant toute la fermentation. Son taux d'éthanol est inférieur à 1g/L .
-10 degré : la courbe représentant l'évolution de l'éthanol pour une température de 10 degré est également constante mais surtout nulle. Il n'y a pas d'éthanol produit.
-30 degré : de 0 à 5 minutes , le taux d'éthanol produit est constant et inférieur à 1g/L. A l'ajout du glucose, la courbe augmente rapidement jusqu'à 6g/L d'éthanol en dix minutes. Ensuite, la courbe forme un plateau et le taux d'éthanol produit se stabilise à 6g/L durant les trois dernières minutes.
-40degré : tout comme les courbes de la glace et de 30 degré, la courbe représentatrice de l'évolution d'éthanol au cours de la fermentation est tout d'abord constante et inférieure à 1g/L d'éthanol. Ensuite le taux d'éthanol augmente subitement et rapidement jusqu'à 7g/L à 15 minutes. Puis le taux d'éthanol continue d'augmenter mais de manière moins rapide. Il atteint les 7.5g/L . 

 

            Conclusion : La condition optimale de température de notre fermentation est 40 degré. Cela est plus élevé que les données trouvées dans nos recherches ; on peut expliquer cette différence par le réglage de la sonde à éthanol pas toujours précis et par la température de l’eau mise dans le bio réacteur qui ne peut rester la même durant 20 minutes. On peut donc dire que la condition optimale de température est au alentours de 30 degré faute de pouvoir garder une température élevée à 40 degré tout au long de notre fermentation. De plus, nos recherches nous ont permis de mettre en parallèle nos résultats trouvés expérimentalement avec les conditions optimales de fermentation des vins. Elle est de 28-30 degré pour les rouges et un peu moins élevé pour les blancs : 20-22 degré. Nos résultats sont donc à peu près en accords avec la fermentation alcoolique des vins.

 

                La température est donc un facteur qui influe sur le déroulement d'une bonne fermentation. Durant la fermentation, il y a dégagement de chaleur, on dit que c'est une réaction exothermique. C'est pourquoi, la température doit donc être réguler et contrôler durant la fermentation .En effet ,la fermentation est immédiate lorsque la température est supérieure à 15 degré .En revanche, une température trop élevée peut arrêter une fermentation , pour cela il existe des appareils de refroidissement par ruissellement (on fait circuler le moût dans des tuyaux sur lesquels ruisselle de l'eau froide) ou des échangeurs de température à drapeaux (il s'agit de deux tôles juxtaposées formant une canalisation dans laquelle on fait circuler de l'eau froide, et que l'on plonge dans la cuve).Les cuves en inox possèdent souvent un système de double paroi qui permet la circulation d'eau .Au contraire, à une température trop faible, la fermentation alcoolique risque de ne pas démarrer. Pour éviter cela on utilise les mêmes appareils servants à diminuer la température sauf qu’au lieu de mettre de l’eau froide, on met de l’eau chaude. Des cannes chauffantes sont également utilisées.

 

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2. La température :Sun, 27 Feb 2011 18:29:00 +0100Sun, 27 Feb 2011 18:29:00 +0100http://lgs-tpe-vin.cowblog.fr/2-la-temperature-3089658.htmlLGS-TPE 

          Ces expériences nous ayant permis de trouver le taux de glucose nécessaire pour faire une fermentation alcoolique , nous avons pu faire varier d’autres facteurs .Celui qui nous a paru comme déterminant après le glucose était la température .En effet , suivant les températures, nous avons pu constater différents taux d’éthanol produits . Comme pour le glucose, nous avons réalisés plusieurs expériences que nous avons regroupées sur un même graphique. Au départ, nous avions réalisés une fermentation durant 20 minutes sur chaque température et activer les sondes seulement à la fin de ces fermentations. Mais cela ne représenté en aucun cas l’évolution de l’éthanol en fonction du temps, nous avons donc recommencer ces expériences.


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Graphiques glucose :Sun, 27 Feb 2011 18:24:00 +0100Sun, 27 Feb 2011 18:24:00 +0100http://lgs-tpe-vin.cowblog.fr/graphiques-glucose-3089655.htmlLGS-TPE

 

 

 

              Observation : analyse des courbes : - 5g pour 125mL : la courbe montre un taux d'éthanol nul pendant les dix premières minutes, la courbe augmente seulement de 0.5g/L d'éthanol dans les dix dernières minutes. Lorsque l'on met peu de glucose, l'éthanol produit est donc très faible.
                                                                       - 2.5g pour 125mL : de O à 5 minutes, la courbe est constante et nulle. Le glucose n'a pas encore été ajouté à la solution. Lorsqu'il est inséré à l'aide d'une seringue dans la solution de levure, on peut constater que la courbe augmente considérablement : de 5 à 13 minutes, le taux d'éthanol augmente de 2,5 g/L. On a ensuite une pente presque constante pendant 7minutes avec une très faible augmentation d'éthanol. Au bout de 20 minutes, le taux d'éthanol est de 3g/L.
                                                                       -8g pour 125 mL : de 0 à 5 minutes, la courbe nous montre un taux d'éthanol largement inférieur à 1g/L. A l'ajout de glucose,c'est-à-dire à 5 minutes, la courbe augmente considérablement jusqu'à 15 minutes pour un taux d'éthanol élevé à 6.5g/L. Les cinq dernières minutes,la courbe est constante : le taux d'éthanol s'est stabilisé à 6.5g/L.

             Nous pouvons voir une erreur dans nos expériences et une certaine imprécision puisque celles-ci sont réalisées dans des laboratoires avec des sondes pas toujours parfaitement réglées. Ce graphe nous montre donc une contradiction entre la courbe représentant l’évolution d’éthanol pour 2.5g de glucose pour 125ml d’eau distillée et la courbe représentant l’évolution d’éthanol pour 5g de glucose pour 125ml d’eau distillée. Logiquement les courbes seraient inversées. En tous les cas, nos expériences nous permettre de constater que plus l’on ajoute du glucose dans la solution de levure, plus le taux d’éthanol produit est élevé.


           Conclusion : Ce graphe nous permet donc de confirmer que le glucose est le moteur de la fermentation. Sans lui, il n’y a pas d’éthanol formé. De plus, nous avons réalisé une autre expérience avec un taux de glucose supérieur à 8g pour 125 ml qui nous a donné une courbe similaire à celle de 8g pour 125 ml. Cela signifie qu’au delà d’une certaine quantité de glucose, le taux d’éthanol n’augmente plus .Nous pouvons donc dire que 8g de glucose pour 125mL  d’eau distillée est la condition optimale de notre fermentation alcoolique .D’après les TP de fermentation de levures de notre lycée La Bruyère, la fermentation est réalisée à 5g pour 125 mL de solution. Nous avons donc préférer réaliser les expériences suivants ces valeurs à cause de l’imprécision de notre matériel expérimental.

 



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II . FACTEURS INFLUENCANTS LA FERMENTATION :Tue, 15 Feb 2011 23:07:00 +0100Tue, 15 Feb 2011 23:07:00 +0100http://lgs-tpe-vin.cowblog.fr/ii-facteurs-influencants-la-fermentation-3086830.htmlLGS-TPE                       A l’aide de nos expériences, nous avons fait varier différents facteurs tels que la température, le glucose et le pH afin de voir quel rôle ceux-ci ont dans la fermentation.

                       Le facteur qui nous a paru le plus important était le glucose puisque nous nous demandions si en l’absence de glucose donc de sucre, une production d’éthanol était possible .Pour cela, nous avons donc laisser fermenter une solution de levure sans glucose. Comme prévu, au bout de vingt minutes, le taux d’éthanol produit était nul. Nous en avons donc déduit que le glucose joue un rôle essentiel dans la fermentation, il en est même le moteur. De plus, nous avons fait varier différentes quantités de glucose afin de savoir quelle dose de glucose mettre pour une fermentation optimale et pouvoir ensuite faire varier d’autres facteurs .Nous avons donc pratiquer une dilution sur une solution de glucose. Voici les graphes obtenus suivant trois solutions de glucose différentes.


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