[0001] Domaine technique

[0002] La présente invention se rapporte à un dispositif pour la stabilisation microbiologique d’un liquide, à une utilisation de ce dispositif ainsi qu’à un procédé de stabilisation microbiologique d’un liquide.

[0003] La présente invention trouve des applications notamment dans le domaine de l’industrie agroalimentaire, et notamment dans le domaine de l’oenologie.

[0004] Dans la description ci-dessous, les références entre crochets ([ ]) renvoient à la liste des références présentées à la fin du texte.

[0005] Etat de la technique

[0006] À partir du raisin, les qualités du vin intègrent l’ensemble des développements microbiens provoqués ou subits durant son élaboration. Parmi ces métabolismes, certains sont nécessaires. C’est le cas de la fermentation alcoolique par la levure Saccharomyces cerevisiae et de la fermentation malolactique par la bactérie lactique Œnococcus Œni. D’autres activités participent également à enrichir les potentialités aromatiques du raisin. Toutefois, toutes les interventions microbiennes ne sont pas bénéfiques. En effet, certaines conduisent à des modifications physiques et/ou aromatiques préjudiciables. C’est pourquoi la stabilisation microbiologique des vins est nécessaire lors de leur élaboration.

[0007] La filtration est le procédé physique le plus utilisé actuellement en œnologie pour la stabilisation microbiologique. Il s’agit d’un procédé permettant de séparer les constituants d'un mélange qui possède une phase liquide et une phase solide au travers d'un milieu poreux. Ainsi, il est possible de retenir levures et bactéries présentes dans les vins en utilisant des filtres dont la dimension de pores est inférieure à 0,4 pm. Le principal problème de cette technologie est le colmatage de la membrane par les solides suspendus, comme les polysaccharides, les polyphénols et les protéines contenus dans les vins. Ce phénomène entraine une baisse de la perméabilité des membranes et donc des baisses de productivité et des coûts de maintenance supplémentaires (El Rayess et al., 2011 ([1])). Par conséquent, ce procédé est employé avant la mise en bouteilles, lorsque le vin contient peu de particules en suspension suites aux soutirages.

[0008] La stabilisation thermique consiste quant à elle à porter le moût ou le vin à une température suffisante pour éliminer tous les microorganismes qu’il contient. La vitesse de chauffe et la durée pendant laquelle la température consigne est maintenue sont les deux principaux paramètres qui vont déterminer l’efficacité du traitement. Généralement, les vins sont portés à 72 °C pendant 15 à 30 s et refroidis rapidement par la suite : c’est la flash pasteurisation, appelée aussi thermoflash. Cependant, ce traitement altère les qualités organoleptiques des vins.

[0009] D’autres procédés physiques existent, utilisant de hautes pressions ou des champs électriques pulsés, mais ils présentent des inconvénients tels qu’il est difficile de concevoir leur application à la filière vinicole.

[0010] Les rayonnements UV-C (100 à 280 nm) sont connus pour leur effet germicide et déjà appliqués dans le traitement de l’eau, du cidre (Koutchma et al., 2004 ([2])), le lait (Bandla, 2010; Bandla et al., 2012 ([3])), des jus de fruits (Baysal et al., 2013 ([4]); Franz et al., 2009 ([5]); Guerrero-Beltran et al., 2009 ([6]); Keyser et al., 2008 ([7]); Müller et al., 2011 ([8]); Murakami et al., 2006 ([9]) ou encore les œufs liquides (de Souza et al., 2014 ([10])). Dans tous ces cas, le traitement par UV-C est intéressant car il ne requiert pas de produits chimiques et ne produit pas d’effluents.

[0011] Toutefois, à cause de la faible capacité de pénétration du rayonnement UV-C dans certains liquides alimentaires, le rôle de ce procédé a souvent été limité à la désinfection des surfaces et des emballages (Koutchma, 2009 ([11])). En effet, les liquides absorbants, tels que le vin, limitent fortement la profondeur de pénétration du rayonnement et donc l’efficacité du procédé. Le développement de nouveaux réacteurs avec des paramètres hydrodynamiques optimisés ne permet pas aujourd’hui le traitement de liquides présentant une absorbance élevée de la lumière UV. En effet, la condition sine qua non pour que le procédé soit efficace est l’exposition des microorganismes aux photons UV-C (Bintsis et al., 2000 ([12])). Les microorganismes situés loin de la source de lumière dans un liquide absorbant peuvent être protégés de celle-ci par l’épaisseur de liquide entre eux.

[0012] Des études récentes se sont concentrées sur le traitement UV-C des jus de fruits (Islam et al., 2016 ([13])) ou de la bière (Mezui & Swart, 2010 ([14])). Jusqu'à présent, seules quelques études ont traité du moût de raisin ou du traitement du vin (Fredericks et al., 2011 ([15]) ; Rizzotti, Levav, Fracchetti, Felis et Torriani, 2015 ([16]), Junqua et al, 2020 ([17]), Diesler et al, 2019 ([18])). Ces études montrent (i) les capacités de stabilisation microbiologique des UV-C sur différents microorganismes avec les doses associées pour chaque cas et (ii) que le gout de lumière n’apparait pas à la suite de ces traitements.

[0013] Ainsi, les traitements UV-C sont reconnus mais aucun pilote ne permet de traiter les vins à échelle industrielle.

[0014] Il existe donc un réel besoin de fournir une solution technique permettant de traiter efficacement les liquides, notamment les liquides absorbant le rayonnement UV-C comme le vin ou le moût, pour tous les microorganismes, à l’échelle industrielle.

[0015] Description de l’invention

[0016] La présente invention a précisément pour but de répondre à ces besoins et inconvénients de l’art antérieur.

[0017] Les inventeurs ont en effet mis au point un dispositif et un procédé permettant de stabiliser les liquides, notamment les liquides absorbant le rayonnement UV-C comme les vins et les moûts, sans impacter les caractéristiques organoleptiques de ceux-ci.

[0018] Avantageusement, l’invention permet de réduire les concentrations d’intrants, comme le dioxyde de soufre, en œnologie, notamment à l’échelle industrielle.

[0019] Les inventeurs ont notamment réussi, au terme de travaux importants, à mettre au point un réacteur UV-C hélicoïdal, basé sur les propriétés hydrodynamiques des vortex de Dean, pour améliorer l’efficacité et l’homogénéité des traitements microbiologiques des liquides, notamment des vins et des moûts. [0020] Avantageusement, le procédé de l’invention est athermique, peu encombrant, ne nécessite pas un fort investissement, peut fonctionner en continu et possède un bilan énergétique particulièrement intéressant, notamment inférieur à celui des traitements physiques de stabilisation de l’art antérieur.

[0021] Ainsi, un premier objet de l’invention se rapporte à un dispositif pour la stabilisation microbiologique d’un liquide, comprenant

- un tube transparent de diamètre interne (di) compris entre 0,2 et 20 mm, de forme hélicoïdale, dans lequel le rapport entre le diamètre interne (di) du tube et le diamètre hélicoïdal (de) est compris entre 0,0025 et 0,6, et

- au moins une source émettant un rayonnement UV-C de longueurs d’onde comprises entre 100 et 280 nm.

[0022] On entend par « stabilisation microbiologique », au sens de la présente invention, l’élimination de tout ou partie des levures et/ou bactéries susceptibles d’altérer l’équilibre ou les propriétés visuelles, olfactives ou gustatives du liquide. Par exemple, il peut s’agir d’au moins une levure choisie parmi Saccharomyces cerevisiae, Candida vini, Pichia membranaefaciens, Brettanomyces bruxellensis, Zygosaccharomyces bailii et Saccharomycodes ludwigii, et/ou d’au moins une bactérie choisie parmi A.aceti, Lactobacillus hilgardii, Lactobacillus diolivorans, Pediococcus parvulus et Pediococcus damnosus. Avantageusement, l’élimination peut concerner une réduction de population, par exemple en passant de 10 ⁷ UFC/ml à moins de 10 UFC/ml.

[0023] On entend par « liquide », au sens de la présente invention, tout liquide, et notamment les liquides absorbant le rayonnement UV-C. Il peut s’agir par exemple des boissons alcoolisées, des jus de fruits et du moût, ainsi que leurs mélanges. Parmi les boissons alcoolisées, on peut citer notamment le vin, par exemple blanc, rosé, rouge ou liquoreux, ainsi que la bière. Il peut s’agir également de l’eau, de cidre ou de lait.

[0024] Avantageusement, le tube transparent peut être en toute matière transparente, c’est-à-dire qui laisse passer la lumière et paraître avec netteté le liquide qui se trouve dans le tube. Il peut s’agir par exemple du verre, du poly éthylène (PET) ou de l’éthylène propylene fluoré (FEP). La transparence du tube permet d’éviter une limitation de la profondeur de pénétration du rayonnement UV-C dans le liquide.

[0025] Avantageusement, le diamètre interne (di), la forme et le rapport entre le diamètre interne (di) du tube et le diamètre hélicoïdal (de) du tube transparent permettent de maîtriser la dynamique des fluides autour de la source UV-C et de traiter de manière homogène les liquides. Notamment, un rapport spécifique entre le diamètre interne (di) et le diamètre hélicoïdal (de) (correspondant au diamètre d’enroulement du tube autour de la lampe UV-C) permet la création de vortex de Dean (cellules tourbillonnaires contrarotatives) dans le tube, améliorant l’efficacité et l’homogénéité du traitement. Sachant que la profondeur de pénétration du rayonnement UV-C dans les liquides absorbants, notamment les vins, est très faible (de 0,2 à 2 mm suivant les vins), ces vortex permettent au liquide d’entrer en rotation dans le tube et ainsi de favoriser le contact liquide/lampe.

[0026] Le diamètre interne (di) correspond au diamètre entre les parois internes du tube, et est compris entre 0,2 et 20 mm, par exemple 0,5 et 18 mm, ou entre 1 ,0 et 15 mm, ou entre 2,0 et 12 mm, ou entre 4,0 et 10,0 mm.

[0027] Avantageusement, le rapport entre le diamètre interne (di) du tube et le diamètre hélicoïdal (de) est ajusté pour faciliter l’écoulement du liquide à travers le tube. Il est compris entre 0,0025 et 0,6, par exemple entre 0,15.

[0028] Avantageusement, le tube étant de forme hélicoïdale, la distance entre les spires de celui-ci peut être comprise entre 0 et 80 mm.

[0029] La source émettant un rayonnement UV-C de longueurs d’onde comprises entre 100 et 280 nm peut être toute lampe disponible dans le commerce. Par exemple, il peut s’agir d’une lampe lampes UV-C à amalgame basse pression. Avantageusement, il peut s’agir d’une lampe émettant à une longueur d’onde de 254 nm.

[0030] Avantageusement, la source émettant un rayonnement UV-C peut être à proximité du tube transparent, afin que les microorganismes soient suffisamment exposés aux photons UV-C. De plus, comme expliqué précédemment, la proximité entre la source de rayonnement UV-C et le tube est également assurée grâce à la maîtrise de la dynamique des fluides autour de la source UV-C, ce qui permet de traiter de manière homogène les liquides, notamment les liquides absorbants.

[0031] Avantageusement, le tube transparent peut être enroulé autour de la source UV-C, qui peut elle-même présenter la forme d’un tube. La forme hélicoïdale du tube permet avantageusement cet enroulement, et une proximité optimisée entre la source UV-C et le liquide à traiter.

[0032] Selon l’invention, le dispositif peut comprendre en outre un support, autour duquel le tube transparent est enroulé. Dans ce cas, la source émettant un rayonnement UV-C peut être supportée ou intégrée à ce support. Par exemple, le support peut être une gaine en quartz, notamment contenant la source de rayonnement UV-C.

[0033] Avantageusement, le dispositif de l’invention peut comprendre un nombre de sources émettant un rayonnement UV-C permettant l’obtention de l’effet recherché. Ce nombre peut dépendre de la dose d’UV-C émise par chaque source, et peut être déterminé par l’homme du métier au vu de ses connaissances générales. Le niveau de fluence UV-C peut en outre être ajusté pour chaque produit individuel en fonction de leurs caractéristiques, par exemple de leur viscosité, et des exigences de réduction microbienne. Ces sources peuvent être disposées en série ou en parallèle. Par exemple, le dispositif peut comprendre en outre de 1 à 200 unités de source émettant un rayonnement UV-C, notamment 3 à 170 unités, ou 10 à 150 unités, ou 20 à 120 unités, ou 50 à 150 unités. Chaque unité peut délivrer par exemple entre 50 et 20000 J/L, par exemple entre 100 et 15000 J/L ou entre 100 et 6000 J/L.

[0034] Avantageusement, le dispositif de l’invention peut comprendre en outre un moyen de contrôle du débit et/ou un moyen de contrôle de la température du liquide dans le dispositif. Ces paramètres peuvent être ajustés par l’homme du métier en fonction des caractéristiques de chaque liquide à traiter. Le débit peut être contrôlé par un débitmètre et la température par un thermomètre. Des capteurs peuvent être placés sur toute ou partie du dispositif. Avantageusement, un débit adapté peut entrainer une vitesse radiale dans le tube élevée et garantir ainsi un traitement homogène du liquide. Avantageusement, un débit supérieur à 200 L/h permet un traitement à l’échelle industrielle, tout en limitant les pertes de charge et la consommation énergétique. Le contrôle de la température peut avantageusement permettre d’éviter l’altération des qualités organoleptiques du liquide.

[0035] Le dispositif de l’invention peut en outre contenir tout élément nécessaire à la maîtrise des paramètres mentionnés ci-avant comme un tableau d’alimentation et de commande, une pompe, un réservoir ainsi que des vannes de contrôle.

[0036] Un autre objet de l’invention se rapporte à l’utilisation du dispositif de l’invention pour la stabilisation microbiologique d’un liquide tel que défini ci-avant, notamment un liquide absorbant le rayonnement UV-C.

[0037] Un autre objet de l’invention se rapporte à un procédé de stabilisation microbiologique d’un liquide, comprenant les étapes suivantes

- écoulement, dans un tube d’un dispositif de l’invention, d’un liquide tel que défini ci-avant,

- traitement, pendant l’écoulement, du liquide par un rayonnement UV-C de longueurs d’onde comprises entre 100 à 280 nm émis par au moins une source du dispositif.

[0038] Le débit d’écoulement du liquide peut être compris entre 0 et 1000 hL/h, de préférence supérieur à 200 L/h.

[0039] Ainsi, le procédé de stabilisation microbiologique d’un liquide au moyen d’un dispositif peut comprendre :

- un tube (1 ) transparent de diamètre interne (di) compris entre 0,2 et 20 mm, de forme hélicoïdale, dans lequel le rapport entre le diamètre interne (di) du tube (1 ) et le diamètre (de) hélicoïdal est compris entre 0,0025 et 0,6, ledit tube étant enroulé autour d’un support (3), et

- au moins une source (2) émettant un rayonnement UV-C de longueurs d’onde comprises entre 100 et 280 nm, ladite au moins une source (2) étant supportée ou intégrée audit support (3), ledit procédé comprenant les étapes suivantes :

- écoulement d’un liquide dans le tube (1 ),

- traitement, pendant l’écoulement, du liquide par un rayonnement UV-C de longueurs d’onde comprises entre 100 à 280 nm émis par l’au moins une source (2), dans lequel le débit de l’écoulement est supérieur à 200 L/h.

[0040] Les caractéristiques énoncées précédemment dans le cadre du dispositif de l’invention s’appliquent mutatis mutandis au procédé de stabilisation microbiologique.

[0041 ] D’autres avantages pourront encore apparaître à l’homme du métier à la lecture des exemples ci-dessous, illustrés par les figures annexées, donnés à titre illustratif.

[0042] Brève description des figures :

[0043] La Figure 1 représente des vortex de Dean dans un tube (1 ) hélicoïdal, de diamètre interne (di), diamètre de l’hélice (de) et distance entre les spires (b).

[0044] La Figure 2 représente un tube (1 ) en FEP de forme hélicoïdale, enroulé autour d’une source (2) (une lampe UV-C), ayant une entrée de liquide et une sortie de liquide telles qu’indiqué. Un agrandissement montre les vortex de Dean se formant dans le tube (1 ) de manière schématique.

[0045] Exemple

[0046] Exemple 1 : traitement d’un liquide au moyen d’un dispositif de l’invention

Des dispositifs pour la stabilisation microbiologique d’un liquide sont fabriqué, chacun composé de 1 à 50 unités identiques, disposées en série ou en parallèle, chaque unité comprenant

- un tube (1 ) transparent en éthylène propylène fluoré (FEP), de diamètre interne (di) compris entre 4 mm et 8 mm, de forme hélicoïdale, dans lequel le rapport entre le diamètre interne (di) du tube (1 ) et le diamètre (de) hélicoïdal est compris entre 0,0025 et 0,6,

- enroulé autour d’un support, consistant en une gaine en quartz de 42 mm de diamètre externe,

- une source (2), consistant en une lampe UVC à basse pression à amalgame d’une puissance de 45, 75 ou 100W (contenue dans la gaine en quartz), émettant un rayonnement UV-C de longueurs d’onde de 254 nm.

[0047] Chaque unité se compose en outre des éléments suivants: tableau d'alimentation et de commande, pompe, réservoir, débitmètre, chambre de lampes UV-C, capteurs et vannes de contrôle de processus.

[0048] L'unité UV-C commerciale délivre des photons lumineux à l'ensemble du volume de l'échantillon lorsqu'il est pompé (débit compris entre 200 et 5000 L.h’ ¹ ). Les débits, la puissance des lampes et leur nombre sont ajustés pour chaque liquide à traiter. Un écoulement à travers le tube (1 ) grâce au vortex de Dean est réalisé et permet à la lumière UV-C d'interagir avec le liquide. Le rapport di/dc a été ajusté pour faciliter l’écoulement et est compris entre 0.01 et 0.5. Le niveau de fluence UV-C peut être ajusté pour chaque liquide en fonction de ses caractéristiques et des exigences de réduction microbienne. Des niveaux de traitements variant de 100 J.L ^-1 à 6000 J.L ^-1 d'énergie ont été testés dans l'étude. Deux capteurs de température contrôlent la température de l'air et du vin dans la chambre UV-C, tandis que deux capteurs UV-C surveillent l'intensité incidente de la lumière UV-C qui est livré au produit traité. La viscosité des différents liquides a été prise en considération

[0049] Pour chaque matrice, le pilote est optimisé pour assurer la stabilisation microbiologique tout en limitant les pertes de charge associée et la consommation énergétique. Le diamètre du tube, la vitesse de circulation, les caractéristiques d’enroulement et le nombre de lampe sont adaptés pour chaque type de vin (blanc, rouge, rosé et liquoreux) et de moût.

Des essais de stabilisation microbiologique ont été réalisés au laboratoire et en conditions réelles (vins et moûts non sulfités avec population levuriennes et bactériennes indigènes). Une stabilisation microbiologique pour les levures (Saccharomyces Cerevisae) des vins rouges a été obtenue, notamment avec une dose UV-C de 4500-6000 J.L’ ¹ , avec une dose de 500-1000 J.L’ ¹ pour les vins blancs et rosés, et de 2500 J.L’ ¹ pour les liquoreux. Les doses UV-C nécessaires à l’inactivation totale de B.bruxellensis et A.aceti sont déterminées comme 25 et 60 % plus faibles que Saccharomyces Cerevisae. Les performances de stabilisation ont été validées en alternative au mutage par SO2 de moûts liquoreux et avant la mise en bouteille de vins finis. De plus, les analyses chimiques et sensorielles menées sur les vins traités ne montrent aucun impact sur la qualité des vins après deux ans de conservation. Des traitements sur plus de 15 liquides différents ont été réalisés et les analyses ont montré que le traitement de l’invention n’avait pas d’impact d’un point de vue physico-chimique et sensoriel sur les vins.