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Advances in modelling wine distillation

Amphi 208 (campus de la Gaillarde) - Mardi 12 avril 2011, à 14h

Ricardo Perez, Université Catholique de Santiago (Chili)

Pisco is a young spirit made from the heart fraction of batch-distilled Muscat wine. This is a spirit which is highly consumed in Chile and Peru. Like many fruit distillates, Pisco contains methanol, a toxic compound that is regulated in several countries. One option to reduce methanol content in the heart fraction would be to recover as much methanol as possible in the head fraction. Therefore, it seems reasonable to explore different operation policies of the batch distillation equipment that could lead to high concentrations of methanol in the head fraction. However, exploring new operating strategies experimentally by trial and error is time consuming and not an easy task. In addition, it is impossible to ensure that an optimal strategy could be found. Consequently, we developed a science-based model able to capture the dynamics of the distillation process in a 50 L batch packed column for the ternary water-ethanol-methanol system. This model could be used later to explore operating strategies with state of the art optimization packages. The model consists of: (i) four ordinary differential equations that describe the boiler, (ii) four partial differential equations corresponding to mass and energy balances in the packed column, and (iii) four algebraic equations that model the partial condenser. These coupled equations lead to a system of partial differential algebraic equations (PDAE), which were solved using the method of lines analysis in MATLAB®. The resulting model was calibrated with experimental data obtained with operations under total reflux and zero reflux. Four parameters or functions were fitted: (i) the effective heating power in the boiler, (ii) the effective cooling power in the partial condenser, (iii) the heat loss function, and (iv) the packing efficiency factor. Comparison of model simulations with data from independent experiments shows that the model reproduces reasonably well the dynamics of key variables such as methanol and ethanol recoveries, boiler temperature and total distilled volume. Future work will be focused on expanding and applying the model to design distillation policies that reduce the concentration of toxic compounds such as methanol and acetaldehyde in Pisco.

I will also briefly talk about our current research regarding modelling oxygen transfer in wine fermentation tanks, and advances in building a pilot plant for essential oils and antioxidants extraction.