Diffusion du dioxyde de carbone dissous dans les vins de Champagne par dynamique moléculaire

par Mohamed Ahmed Khaireh

Projet de thèse en Physique

Sous la direction de Gérard Liger-Belair et de David Bonhommeau.

Thèses en préparation à Reims , dans le cadre de Sciences Fondamentales - Santé , en partenariat avec GSMA - Groupe de Spectroscopie Moléculaire et Atmosphérique (laboratoire) depuis le 01-10-2018 .


  • Résumé

    Le cycle de vie d'une bulle dans une flûte remplie de champagne passe par de nombreuses étapes, de sa formation au niveau d'aspérités du verre ou à l'intérieur de fibres creuses de cellulose, à son grossissement dans le liquide sous l'effet du transfert de dioxyde de carbone à l'interface bulle/champagne, jusqu'à son éclatement final au niveau de l'interface champagne/air à l'origine de la libération dans l'atmosphère d'un nuage de gouttelettes aux propriétés organoleptiques. Parmi, ces trois principales étapes de la vie d'une bulle les deux premières sont intimement liées à la capacité qu'ont les molécules de dioxyde de carbone (CO2) de se mouvoir, que ce soit au travers de la paroi des fibres de cellulose ou dans le liquide. A ce jour, les travaux théoriques consacrés à l'évaluation des coefficients de diffusion du CO2 dans les vins de Champagne se sont limités à l'étude de champagne bruts, c'est-à-dire avec de faibles concentrations en sucres, pour des températures allant de 4°C à 20°C. Ces champagnes étaient modélisés en première approximation comme des solutions hydro-alcooliques carbonatées et les coefficients de diffusion du CO2 étaient extraits de simulations de dynamique moléculaire par application directe des formules caractérisant la diffusion moléculaire dans les fluides simples. Des expériences de résonance magnétique nucléaire (RMN) réalisées sur le même type de champagnes ont permis de confirmer les résultats théoriques obtenus pour des températures au-delà de 8°C. Cependant des désaccords persistaient à basse température (T=4°C) et l'influence de la concentration en sucres sur le phénomène de diffusion moléculaire n'avait pas été considérée. Le projet DISCOVER vise à combler ces lacunes tout en étendant pour la première fois l'étude de la diffusion du CO2 à la formation des bulles au centre des fibres de cellulose. Dans un premier temps nous étudierons l'effet des divers modèles d'eau et champs de force sur les résultats de simulations de dynamique moléculaire en l'absence de sucres en fonction de la température. En plus des coefficients de diffusion du CO2, la viscosité du mélange sera également déterminée pour en déduire une estimation du rayon hydrodynamique de la molécule de CO2. Des boîtes de simulation contenant du glycérol (5g/L) et du sucre, en concentration semblable à celle des champagnes bruts (<12g/L) et des champagnes doux (>50 g/L), seront alors préparées pour quantifier l'effet d'une forte concentration en sucre sur la diffusion du CO2 et, par conséquent, sur la vitesse de dégazage des vins de Champagne. On s'attachera aussi à vérifier si l'hypothèse d'isotropie et d'homogénéité du mélange est satisfaite pour de fortes concentrations en sucres. Pour ce faire, on pourra notamment appliquer nos approches théoriques à la détermination des coefficients de diffusion de molécules telles que l'eau et l'éthanol dont les propriétés expérimentales sont bien connues. Dans un second temps, il s'agira de modéliser des fibres de cellulose hydratées, ensemble de polymères de glucose appelés « microfibrilles », à l'aide d'un champ de force propre aux hydrates de carbones. La boîte de simulation contiendra donc quelques microfibrilles immergées dans une solution modélisant les propriétés de champagnes bruts ou doux, avec pour objectif d'évaluer le coefficient de diffusion du CO2 entre les microfibrilles. Les résultats obtenus devraient permettre une avancée importante dans la compréhension des mécanismes expliquant la formation et le grossissement des bulles de CO2 dans les vins de Champagne. Les données théoriques obtenues dans le liquide seront comparées à des mesures tirées d'expériences de RMN, de viscosimétrie et de densitométrie en partie réalisées au sein de notre équipe. Bien que ce projet porte sur les vins de Champagne, la méthodologie suivie s'appliquerait pareillement à l'étude d'autres vins effervescents.

  • Titre traduit

    Diffusion of carbon dioxide in Champagne wines by molecular dynamics


  • Résumé

    The life cycle of a bubble in a flute filled with champagne goes through many stages, from its formation at the level of glass asperities or inside hollow fibers of cellulose, to its magnification in the liquid under the effect of the transfer of carbon dioxide at the bubble / champagne interface, until its final burst at the champagne / air interface at the origin of the release into the atmosphere of a droplet cloud with organoleptic properties . Among these three main stages of the life of a bubble, the first two are intimately linked to the ability of carbon dioxide (CO2) molecules to move, whether through the wall of cellulose fibers. or in the liquid. To date, the theoretical work devoted to the evaluation of CO2 diffusion coefficients in Champagne wines has been limited to the study of raw champagne, that is to say with low concentrations of sugars, for temperatures ranging from 4 ° C to 20 ° C. These champagnes were modeled in first approximation as carbonated hydro-alcoholic solutions and the CO2 diffusion coefficients were extracted from simulations of molecular dynamics by direct application of the formulas characterizing the molecular diffusion in simple fluids. Nuclear magnetic resonance (NMR) experiments carried out on the same type of champagnes confirmed the theoretical results obtained for temperatures above 8 ° C. However, disagreements persisted at low temperature (T = 4 ° C) and the influence of the sugar concentration on the molecular diffusion phenomenon was not considered. The DISCOVER project aims to fill these gaps while extending for the first time the study of the diffusion of CO2 to the formation of bubbles in the center of cellulose fibers. First, we will study the effect of various water models and force fields on the results of molecular dynamics simulations in the absence of sugars as a function of temperature. In addition to the CO2 diffusion coefficients, the viscosity of the mixture will also be determined to derive an estimate of the hydrodynamic radius of the CO2 molecule. Simulation boxes containing glycerol (5g / L) and sugar, in a concentration similar to that of raw champagnes (<12g / L) and soft champagnes (> 50 g / L), will then be prepared to quantify the effect. a high concentration of sugar on the diffusion of CO2 and, consequently, on the degassing speed of Champagne wines. It will also be examined whether the isotropy and homogeneity assumption of the mixture is satisfied for high concentrations of sugars. To do this, we can in particular apply our theoretical approaches to the determination of the diffusion coefficients of molecules such as water and ethanol whose experimental properties are well known. In a second step, it will be a question of modeling hydrated cellulose fibers, a set of glucose polymers called "microfibrils", using a force field specific to carbohydrates. The simulation box will therefore contain some microfibrils immersed in a solution modeling the properties of crude or mild champagnes, with the objective of evaluating the coefficient of diffusion of CO2 between the microfibrils. The results obtained should allow a significant advance in the understanding of the mechanisms behind the formation and growth of CO2 bubbles in Champagne wines. The theoretical data obtained in the liquid will be compared with measurements drawn from NMR, viscometry and densitometry experiments, partly carried out within our team. Although this project deals with Champagne wines, the methodology followed would apply equally to the study of other sparkling wines.