Génie Alimentaire

l'évapoconcentration des produits alimentaires

Amrouche — 2019-11-20T08:09:31Z

L'évapo-concentration est une opération unitaire de déshydratation ; à la différence du séchage, l'évapo-concentration utilise la technique d'ébullition pour éliminer l'eau, elle ne concerne que les produits fluides et va laisser une quantité d'eau finale non négligeable dans le produit fini concentré.
Cette opération unitaire a plusieurs objectifs dont celui de stabilisation microbiologique (conservation) si elle est associée à d'autres méthodes/facteur de stabilisation (pasteurisation par exemple)
Ce cours traitera aussi :

du principe de l'évapo-concentration
des paramètres de fonctionnement
des matériels
des optimisation du cout énergétique
des exemples de process
d'exercices d'application

Sommaire

L'évapo-concentration

L'évapo-concentration est une opération unitaire de déshydratation partielle par ébullition.

1- Définitions , objectifs & limites

L'évapo-concentration est une opération unitaire de stabilisation microbiologique qui consiste à diminuer le volume du produit en éliminant une partie de l'eau du produit par ébullition.

Cette opération a plusieurs objectifs :

diminuer le volume et donc les coûts liés à l'encombrement (stockage & transport)
stabilisation microbiologique (conservation) si elle est associée à d'autres opérations/facteurs de conservation : comme la pasteurisation, la réfrigération, la congélation...
préparer au séchage ou à la lyophilisation car plus rentable au niveau rendement énergétique.

Les limites de l'évapo-concentration :

concernent les produits liquides seulement, à l'exclusion des produits solides qui seront séchés ou lyophilisés. Tous les paramètres du produits qui limitent les transferts thermiques seront aussi des facteurs limitant de l'évapo-concentration (ex : viscosité…)
l'humidité résiduelle du produit concentré ne suffit pas à conserver seule le produit concentré ; l'évapo-concentration doit être associée à d'autres facteurs ou opérations de (stabilisation) conservation ; exemples : pasteurisation , séchage, sucrage, salage, congélation, acidité,…

L'évapo-concentration et la conservation

L'évapo-concentration fait partie des opérations de stabilisation microbiologique comme toutes les opérations de déshydratation ; en effet, en diminuant l'activité de l'eau (aw) des produits, ceux ci s conserveront plus facilement.

Voir ci dessous des exemples de produits avec leur aw respectifs !

ATTENTION : Bien qu'utilisant la chaleur pour éliminer l'eau par ébullition, l'évapo-concentration n'a aucun effet pasteurisateur !! d'où la nécessité d'y associer souvent la pasteurisation ou la stérilisation

On voit bien que l'évapo-concentration ne se suffit pas à elle seule pour assurer la conservation du produit fini ! Elle devraforcément associer d'autres facteurs et/ou d'autres opérations de stabilisation comme :
la pasteurisation,la stérilisation, la réfrigération, la congélation, l'acidification...

Activités :

A partir des exemples de produits concentrés ci dessous et de leur process de fabrication, préciser quels sont les autres opérations/facteurs de conservation associés :

Concentré de tomate :

Caractéristiques : pH<4 ; Taux de sucre= 28°Brix ; Texture pateuse
Process : lavage /Blanchiment/ Réduction en purée/ Raffinage/ Evapo-concentration sous vide/ Conditionnement/ Appertisation(pasteurisation)

Lait concentré non sucré

Caractéristiques :pH 6.5 ; EST= 25% ; aw >0.95
Process : standardisation en MG / Pasteurisation/ Evapo-concentration/ Conditionnement/ Appertisation(stérilisation)

Lait concentré sucré

Caractéristiques :pH 6.5 ; EST= 77% ; aw = 0.85
Process : standardisation en MG/ sucrage / Pasteurisation/ Evapo-concentration/ Conditionnement/Pasteurisation.

2- Les paramètres de fonctionnement

L'efficacité de l'évapo-concentration se mesure grace à la capacité évaporatoire de l'installation (CE)

21- La CE

La CE correspond au débit d'eau évaporée par l'installation et se mesure en kg/H ou tonne/H.

On peut calculer la CE de l'installation en se basant sur le flux produit :

CE= débit produit entrée - débit produit concentré en sortie

22- Expression de la concentration d'un produit

On peut exprimer de différentes façons la concentration d'un produit :

en % d'Extrait Sec (%ES) ou % de Matière Sèche ( %MS)

%ES= 100* kg ES/ [kg ES + kg eau]

en degré Brix (°B) ou % d'Indice Réfractométrique (% d'IR)pour les produits sucrés ( confiserie, confitures, jus de fruit..)
Le °Brix correspond au % d'extrait sec soluble (ESS) mesuré par réfractométrie ; c'est pour cette raison qu'on parle aussi de % d'IR. pour les produits sucrés que représentent lesjus de fruit, purée de fruit et autres confiseries, on l'assimile au taux de sucre (% de sucre).

°B= %d'IR= %ESS=100* kg ESS/ [kg ESS + kg eau]

On peut aussi calculer le facteur de concentration (FC) d'un produit :

FC= débit produit entrant / débit produit concentré sortant = concentration produit concéntré / concentration produit entrant

Evolution de la concentration du produit pendant l'évaporation :

Cette évolution est exponentielle comme le montre le graphique suivant pendant la concentration d'un lait concentré sucré

23- Les paramètres

Ce sont les facteurs liés au produit, au process et au matériel qui vont affecter l'efficacité de l'évapo-concentration, c'est à dire la valeur de la CE de l'installation.

La surface de chauffe de l'évaporateur : en l'augmentant on améliore la CE ; afin de reserver cette surface d'échange thermique uniquement à l'échange de chaleur latente d'évaporation, il faut alimenter l'évaporateur préchauffé à sa température d'ébullition !
La température et le débit de vapeur de chauffe
L'écart de température entre la vapeur de chauffe et la température d'ébullition du produit ; cet écart doit être suffisant pour ne pas limiter l'évaporation.
L'épaisseur de la paroi de l'échangeur de chaleur de l'évaporateur : elle doit être la plus faible possible pour ne pas limiter les transferts de chaleur
La conductibilité thermique du matériau de l'échangeur de chaleur.
La viscosité du produit : plus elle est faible, plus elle favorise les transferts de chaleur et augmente la CE ; l'agitation (convection forcée) des produits visqueux améliore les transferts thermiques et par conséquent la CE.
l'aw : plus la concentration progresse, plus l'aw diminue, plus la CE diminue (l'eau qu'il reste à évaporer est de plus en plus liée)
le mode de circulation du produit dans l'échangeur de chaleur : en couche mince et avec agitation, on améliore les transferts de chaleur et donc la CE.
La thermosensibilité du produit va limiter le temps de séjour et la valeur de la température d'ébullition qu'on peut abaisser en évaporant sous vide.

Retard à l'ébullition

La pression de vapeur saturante d'un mélange (soluté-solvant) diminue selon la loi de Raoult. Il en résulte que, à pression donnée, la température d'ébullition augmente légèrement par rapport à celle du solvant pur quand la concentration du soluté augmente. On appelle retard à l'ébullition ou élévation du point d'ébullition cet écart de température DT_eb. Physiquement, cela vient de ce que la présence du soluté gêne l'évaporation du solvant, qui ne peut être faite qu'à température plus élevée.

3- Constitution d'un évaporateur

Tout évaporateur est constitué de 3 parties :

1- L'échangeur de chaleur encore appelé cors de chauffe ou réchauffeur ;
L'échangeur peut être tubulaire, à plaques, à surface raclée ou sous forme d'une double paroi.
La vapeur de chauffe (ou vapeur primaire provient de la chaudière à vapeur) va céder ses calories au produit se trouvant de l'autre coté de la surface d'échange. Il se forme alors des buées (ou vapeur secondaire = l'eau évaporée du produit). Les buées et le produit concentré se retrouvent en bas du dispositif pour être séparés dans la deuxième partie de l'installation.

2- Le séparateur :
Le deuxième élément important de l'appareil est le cyclone ou séparateur : c'est un caisson dans lequel arrive la buée, chargée de gouttes de concentré. Le liquide s'écoule par le fond alors que les buées sont expulsées par le haut.

L'ensemble réchauffeur + séparateur constitue un effet .

3-Le condenseur : c'est un échangeur de chaleur refroidisseur qui permet de condenser les buées ; on obtient ainsi une dépression dans l'ensemble de l'effet et une diminution de la température d'ébullition.

4- Cas de l'évaporation sous vide

Pour baisser la température d'ébullition de l'eau du produit, on peut agir sur la pression d'évaporation en abaissant la valeur de la pression grâce à une pompe à vide.

Activité 1 :

Grâce à l'abaque suivante donnant la pression de vapeur saturante de l'eau en fonction de la température, déterminer à quelle pression manométrique (relative) on doit régler l'évaporateur pour concentrer le lait concentré à 60°C .

Activité 2 :

A partir de l'abaque suivante donnant l'évolution de la chaleur latente de vaporisation en fonction de la pression d'évaporation, justifier si évaporer sous vide à 60°C est plus économique qu'à 100°C sous pression atmosphérique !

5- L'économie d'énergie

L'évapo-concentration est une opération très énergivore. En effet, l'évaporation d'un kilogramme d'eau du produit nécessite un peu plus d'un kilogramme de vapeur de chauffe !

L'évaporation d'un kilogramme d'eau à 100°C nécessite 2257KJ ; cela correspond à la chaleur latente de vaporisation de l'eau : L= 2257KJ/Kg, ce qui représente une dépense d'énergie beaucoup plus importante que l'énergie à fournir à 1 kg d'eau pour l'amener de 0°C à 100°C = 418 KJ ; cela correspond à la chaleur sensible de l'eau : C_eau = 4.18KJ/kg/°C

Pour une installation d'évapo-concentration, le cout énergétique représente 95% du cout total d'exploitation hors main d'œuvre.

Les prérequis de l'économie d'énergie : d'abord calorifuger l'ensemble de l'installation, puis pour optimiser les surface de chauffage, penser à alimenter les évaporateurs avec le liquide alimentaire préchauffé à sa température d'ébullition.

51- Les installations multiple effets

On a vu que pour évaporer 1 kg d'eau du produit, il fallait utiliser un peu plus d'1kg de vapeur de chauffage provenant de la chaudière.

L'idée ici est de recycler les vapeurs secondaires (buées) émises par le produit pour chauffer un 2ème évaporateur (ou 2ème effet). On parle alors d'une installation double effet (ou à 2 effet).

On voit qu'avec une installation double effets, on arrive à évaporer un peu moins de 2 kg d'eau du produit à l'aide d'1 kg de vapeur de chauffe provenant de la chaudière.

On peut généraliser : une installation à n effets permet d'évaporer un peu moins de n kg d'eau du produit à l'aide d'1kg de vapeur de chauffe provenant de la chaudière.

Une installation à multiple effets ne peut fonctionner que s'il existe un gradient de température (T1>T2...>Tn) et de pression (P1>P2...>Pn) ; il faut donc installer une pompe à vide au niveau du dernier effet pour créer ce gradient de pression.

Le choix du nombre d'effet et une optimisation entre le cout des énergies fossiles (chaudière) et le cout d'investissement de l'installation.

Il est fréquent de trouver des installations à 6 effets notamment en sucrerie.

Activité :

A partir du schéma de l'installation d'évapo-concentration à multiple effets du jus de pomme ci dessus, répondez aux questions suivantes :
1- Légendez les 3 parties (1 à 3) constitutives de tout évaporateur
2- Combien y a t il d'effet ? comment sont ils chauffés ? quel en est l'intérêt ? Quelle est l'économie d'énergie réalisée ?
3- A quelle concentration sort le jus pré-concentré du 1^er effet ? du second effet ?
4- Calculer la capacité évaporatoire (CE) de l'installation, puis la CE du 2^ème effet.

Activité 2 :
Voici une animation expliquant le fonctionnement d'une installation multiple effet :

A partir de l'animation l'installation d'évapo-concentration à multiple effets dont l'image ci dessous est extraite , répondez aux questions suivantes :

1- Combien y a-t-il d'effet ?
2- Légendez (1 & 2& 3 & 4) les 2 parties de l'évaporateur, ainsi que les produits brut et concentré.
3- Quel type d'échangeur de chaleur (plaques, tubulaires ou double enveloppe ) est utilisé dans l'installation ?
4- Quel est le mode de circulation du produit (descendant ou grimpant) ? Quel est le mode de convection utilisé ? (naturel ou forcé )

52- La CMV

Un autre moyen d'économiser de l'énergie, est de recycler une partie des vapeurs secondaires émise par le produit en la réinjectant sous forme de vapeur de chauffe dans le même évaporateur.
Il est alors nécessaire de rehausser le niveau énergétique de la vapeur recyclée en la comprimant dans un compresseur mécanique des vapeurs (CMV)

Activité :
A partir du procédé de concentration du concentré de tomate ci dessous, répondre aux questions suivantes :

1- Nommer les trois parties constitutives de l'évaporateur. De quel type d'évaporateur s'agit il ?
2- A quelle température & à quelle pression a lieu l'évaporation ? Comment cela est rendu possible ?
3- Calculer la capacité évaporatoire (CE) de l'installation. Calculer le facteur de concentration du produit.
4- Quel est le dispositif mis en jeu pour optimiser le cout énergétique ?

6- Les matériels

61- La boule de concentration

Il s'agit d'une cuve à double enveloppe (chauffage vapeur) fermée et agitée qui permet de concentrer des produits pâteux comme la confiture, les pâtes de fruits...
Son fonctionnement est discontinu.

Légendes :

1 : double enveloppe de chauffage (ici abaissée pour le nettoyage)

2:séparateur

3:condenseur (réfrigérant à eau)

4:mélangeur

5:réservoir des condensats

6:pompe à vide

62- Évaporateurs tubulaires

Ils représentent la majorité des évaporateurs présents en Industries. Leur fonctionnement est continu ; Ils doivent leur nom à l'échangeur de chaleur qui est tubulaire. Le mode de circulation du produit peut être descendant (alimentation gravitaire par le haut) ou grimpant à l'aide d'une pompe de circulation (convection forcée).

Complétez la Légende à choisir parmi :

Séparateur / un effet/condenseur/échangeur de chaleur tubulaire

Voici une animation expliquant le fonctionnement d'un évaporateur à flot tombant :

Le séchage

Amrouche — 2014-02-05T18:10:50Z

1- Définition, objectifs, application, process

a- définition

Le séchage est une opération unitaire qui a pour but d'éliminer par vaporisation l'eau qui imprègne un produit (liquide ou solide) afin de le transformer en produit solide sec dont l'humidité résiduelle est très faible.

Le séchage se distingue de l'évapo-concentration qui ne traite que les produits liquides très humides (exemple : lait). Les produits liquides qu'on veut sécher (poudre de lait) sont d'ailleurs toujours préconcentrés au préalables par évapo-concentration qui est une technique de déshydratation moins couteuse en énergie que le séchage.

b- Objectifs

Le séchage est largement utilisé dans l'industrie alimentaire où il vient souvent en complément d'opérations comme l'évapo-concentration, la décantation, la filtration ou l'essorage. Il se pratique dans plusieurs cas :

l'humidité résiduelle est incompatible avec la suite du procédé
le produit humide se conserve mal (hydrolyse possible, modification de l'aspect physique par agglomération des grains)
le coût du transport est plus élevé en présence d'eau
le séchage permet outre l'élimination d'eau, la création de modifications de la structure interne du solide comme par exemple l'apparition d'une structure poreuse.

A cause du coût énergétique élevé du séchage, l'industriel cherche à avoir la plus basse teneur possible en eau à l'entrée du sécheur. La tendance est à n'utiliser le séchage que lorsque les procédés de séparation mécanique restent impuissants pour atteindre l'humidité résiduelle souhaitée. Le séchage des liquides est toujours précédé d'une autre opération de déshydratation moins couteuse en énergie : l'évapo-concentration.

c- Exemples de produits :

Une grande partie des aliments que nous consommons ont subi une opération de séchage.
Le séchage peut être une étape nécessaire à la production du produit ou un rôle dans la
conservation de l'aliment . On peut citer par exemple :

les pâtes alimentaires
la charcuterie : saucisson, jambon…
les fromages : séchage dans une ambiance contrôlée
les légumes (pois,…) et fruits secs (pruneaux, raisins, abricots…)
certains biscuits apéritifs sont produits par séchage à l'air chaud à partir d'une pâte
de maïs
le sel (gisement minier) est concassé, dissout, épuré avant d'être essoré et enfin
séché jusqu'à devenir du sel raffiné.
la conservation de beaucoup de types de grains ou de végétaux est assurée par le
séchage : café, cacao, riz et autres céréales, feuilles de thé, épices…
Certains produits liquides : lait, lactosérum…
des coproduits de l'industrie alimentaire souvent destinés à l'alimentation du bétail, ou l'industrie chimique (additifs…) : pulpe de betterave (sucrerie), tourteaux d'oléagineux (huilerie), drèches (brasserie, jus de pomme)…

Voici la composition comparée de divers laits déshydratés :

d- Séchage et stabilité du produit :

• Le séchage est souvent utilisé pour allonger la durée de vie du produit ; en effet en même temps qu'on diminue l'humidité résiduelle du produit, on diminue l'eau libre disponible pour les réactions d'altération, c'est-à-dire l'activité de l'eau (aw) qui diminue en dessous de l'activité minimale de développement des microorganismes (c'est-à-dire aw<0.7) ; il faut néanmoins souvent descendre à des aw beaucoup plus faibles afin d'inhiber les réactions d'altération d'origine chimique et enzymatique (oxydation des lipides, réactions de Maillards,…)

• Le séchage n'est pas une opération de sanitation, c'est-à-dire que le séchage n'a aucune valeur stérilisatrice ou pasteurisatrice ! Le produit sec n'est donc pas stérile. En effet, même si le produit est séché comme le lait en le mettant en contact avec de l'air chaud et sec à plus de 200°C, jamais la surface du produit n'atteint des températures létales, car l'évaporation intense rafraîchit la surface du produit. Il sera donc nécessaire de bien maitriser la qualité sanitaire du produit à sécher et surtout de faire précéder l'opération de séchage par une opération de sanitation qui est classiquement la pasteurisation, ou d'ajouter au produit des conservateurs chimiques (sel nitrité en charcuterie, sulfites pour les fruits secs)

e- Exemples de process :

un produit pâteux : la purée de pomme de terre

un produit liquide : le séchage du lait

un produit solide : les pruneaux d'Agen

Description de la fabrication du pruneau d'Agen :
La prune d'ente est une prune cultivée essentiellement dans le sud-ouest de la France (65 % de la production nationale est réalisée dans le département du Lot-et-Garonne). Ne se conservant pas telle quelle, elle doit être séchée et cuite pour donner le pruneau. Au cours de la cuisson, la chaleur provoque des transformations physico-chimiques qui conduisent à un produit organoleptiquement différent qui, par une déshydratation contrôlée, peut être conservé en l'état. Il s'agit d'une production saisonnière qui correspond à des tonnages importants (50 000 t produites annuellement, en moyenne ) par rapport à l'ensemble des autres fruits séchés (1 000 t/an environ).

■ Séchage
Après récolte, les prunes fraîches sont successivement lavées, triées (pour éliminer les fruits de mauvaise qualité) et calibrées par taille, en lots homogènes. Les prunes sont ensuite étendues sur des claies (grilles fines en acier inoxydable alimentaire, montées sur des cadres en bois), qui sont empilées sur des chariots et placées dans les tunnels pour le séchage. Puissamment ventilés, ces tunnels permettent de sécher, en un seul passage, jusqu'à 11 tonnes de prunes par jour. Il faut entre 3 et 3,5 kg de prunes d'ente fraîches pour obtenir, après séchage,pendant 20 à 24 heures dans des fours chauffés entre 70 et 80 °C, 1 kg de pruneaux d'Agen, dont le taux d'humidité ne peut dépasser 23 %.
Après le séchage, les fruits sont triés pour écarter ceux tarés, blessés ou tachés, et les fruits mal « cuits ». Cette opération s'effectue généralement à la main, sur des tapis de triage ou sur les claies de séchage.

■ Stockage
Une fois séchés, les pruneaux doivent être stockés, pour être vendus tout au long de l'année. Il faut donc les conserver dans un local fermé, à l'abri de la lumière, afin d'éviter tout développement de moisissures, dépôts de poussières ou agressions de prédateurs. Le stockage se fait dans de grandes caisses de bois appelées « palox » permettant le passage de l'air, entreposées dans de larges chambres froides (6 °C et 70 % d'hygrométrie).

■ Transformation
On appelle transformation la phase qui permet de préparer et de conditionner les pruneaux, livrés par les producteurs en vue de leur commercialisation. Celle-ci est effectuée par des entreprises de transformation. La réception chez les transformateurs des fruits livrés par les producteurs s'effectue entre les mois de septembre et de décembre.
Dès leur arrivée à l'usine, la qualité des pruneaux livrés est contrôlée. Un cahier des charges très précis, défini par l'UE,permet de n'accepter que les meilleurs pruneaux. Celui-ci fixe notamment le taux d'humidité (23 % maximum), la nature et la proportion de défauts réputés inacceptables. Ainsi, seuls les plus beaux pruneaux passent cette étape de sélection.
Pour obtenir le pruneau prêt à consommer ayant la texture souple que le consommateur exige de plus en plus, les pruneaux sont réhydratés dans de l'eau maintenue à 75/80 °C. Le temps de trempage est de 15 à 30 min. Les pruneaux d'Agen atteignent ainsi un taux d'humidité de 35 % maximum qui leur confère le moelleux recherché par le consommateur. Une réhydratation plus poussée (40 % et plus) permet d'obtenir des pruneaux dits « moelleux » ou « sur-humidifiés », mais qui ne peuvent plus prétendre à l'appellation « pruneau d'Agen ».

Opération de séchage de la prune d'ente
■ L'étape essentielle de la transformation de la prune consiste donc en un séchage par de l'air chaud. Le coût de cette opération est élevé, puisqu'il représente approximativement 30 % du coût total de production. Il doit prendre en compte les contraintes suivantes :
– la période de récolte est très courte (4 à 5 semaines) et présente des pointes de production importantes ;
– les fruits mûrs ne peuvent être stockés qu'en chambre froide.
Ce stockage doit être réduit au maximum, car il nécessite des investissements importants pour quelques jours par an.

■ Le séchoir doit donc permettre d'obtenir une capacité de production maximum, sans que la qualité du pruneau soit, pour autant, altérée. Il s'agit notamment d'éviter les accidents de fabrication, comme le coulage des prunes, provoqué par l'éclatement de la peau au cours du séchage, entraînant une perte de produit et un encrassement du séchoir (l'arrêt de l'installation pour nettoyage).
Un beau pruneau est, en outre, apprécié en fonction de la couleur de sa peau (noire et brillante), et de la couleur de sa chair (jaune d'or à ambrée, sans caramélisation).

■ Il existe trois types de séchoirs :
– les étuves. Les plus anciens séchoirs, réservés à de petites unités de verger ne produisant pas plus d'une quarantaine de tonnes de prunes. Leur rendement est aussi bon que celui d'un autre séchoir. Il s'agit d'enceintes ventilées à l'air chaud, à fonctionnement discontinu, dans lesquelles les prunes sont disposées sur des claies ;
– les tunnels à chariots traitent 50 % de la production. Les claies sont portées par des chariots, entrés et sortis à la suite les uns des
autres ;
– les tunnels à tapis.

2- Les différents modes de séchage

On rencontre une grande diversité dans les modes de séchage :

a) Séchage conductif : le produit est mis en contact avec des surfaces chaudes (cas du sécheur tambour rotatif)

Exemples : le séchage de pommes de terre ou de fruit ou légumes en flocons, de lait, de fécule de pomme terre, d'amidon…

b) Séchage convectif : on envoie sur le produit à sécher un courant d'air chaud qui fournit la chaleur nécessaire à l'évaporation de l'eau et entraîne la vapeur formée

Exemples : le séchage de plantes aromatiques, de fruits, de grains, de charcuteries…

c) Séchage par InfraRouge ou MicroOndes : un rayonnement électromagnétique est appliqué sur le produit.

Ce mode de séchage convient aux produits en plaques ou en films, donc de faible épaisseur. L'apport d'énergie s'effectue par ondes elctromagnétiques générées soit par des dispositifs électroniques (micro-ondes) soit par élévation de la température d'un émetteur infrarouge.
En infrarouge le chauffage se manifeste sur des épaisseurs très faibles (500
?m). Avec des micro-ondes on peut sécher à des épaisseurs plus importantes. Le champ électromagnétique véhiculé par ces fréquences excite les molécules d'eau :
l'agitation moléculaire qui en résulte provoque des chocs intermoléculaires. Cela entraîne un échauffement du produit et donc la vaporisation des molécules d'eau.

Exemples : le séchage industriel des pâtes alimentaires ; la dessiccation des légumes, des fruits, …

d) La lyophilisation : le produit est congelé (en dessous de -20°C) puis amené à très basse pression pour en sublimer (et non évaporer car la glace va passer à l'état vapeur sans passer par l'état liquide) la glace qu'il contient. Les produits de haute valeur ajoutée peuvent être lyophilisés ( café soluble, ferments, rations alimentaires pour randonneurs,…) car la technique de lyophilisation est très peu productive et très couteuse en énergie.

3) Ébullition ou entrainement

Le séchage est une opération unitaire mettant en jeu un transfert de matière (l'eau imprégnant le produit passe à l'état de vapeur et est récupéré par l'air) et un transfert thermique (une fourniture de chaleur permet le changement de phase du liquide).

Deux mécanismes peuvent être mis en œuvre pour évaporer l'eau d'un produit : l'ébullition ou l'entraînement.

L'idée la plus simple consiste à porter le produit à la température d'ébullition de l'eau, qui alors se vaporise. Mais pour obtenir une élimination poussée de l'eau sans altération excessive de la qualité des produits, on préfère bien souvent opérer à température plus basse en utilisant l'air comme gaz d'entraînement.
Quel que soit le mode de séchage, c'est la pression de vapeur d'eau dans le produit qui détermine les échanges entre l'air et le produit.

a) Séchage par ébullition

L'ébullition a lieu lorsque la température du produit est élevée (par conduction sur une surface chaude, par rayonnement, par de la vapeur d'eau surchauffée, par immersion dans de l'huile chaude) à une valeur telle que la pression de vapeur d'eau de ce produit est égale à la pression totale ambiante : p = pt
Il découle de cette définition que :
— la température d'ébullition dépend de la pression totale (elle est plus basse sous vide qu'à pression atmosphérique) et de l'activité de l'eau du produit (elle augmente lorsque aw diminue).

Le séchage par ébullition est mise en œuvre dans le cas du séchage par conduction, comme le sécheur cylindre (flocons de pomme de terre)

b) Séchage par entraînement

Lorsqu'un produit humide est placé dans un courant de gaz (air le plus souvent) suffisamment chaud et sec, il s'établit un écart de température et de pression partielle tel que :

l'air apporte au produit une partie au moins de l'énergie nécessaire à la vaporisation ;

l'eau est évaporée sans ébullition sous l'effet du gradient de pression partielle d'eau. La vapeur d'eau est transférée par conduction et convection du produit dans le milieu ambiant et est ensuite entraînée par l'air. Le produit se met spontanément à une température telle que les transferts de chaleur permettent l'évaporation d'un débit d'eau égal à celui capable de traverser la couche limite (compte tenu de ce qu'une petite partie de la chaleur est utilisée à échauffer le produit).

4) Paramètres influençant la capacité évaporatoire

Nous ne traiterons ici que la technique de séchage par l'air (entrainement) qui est la plus répandue par ailleurs.

On définit la capacité évaporatoire d'un séchoir comme étant le débit d'eau qu'il est capable d'enlever au produit. La capacité évaporatoire est donc un débit d'eau évaporée qui s'exprime en kg/h ou tonne/h .

La capacité évaporatoire d'un séchoir va ainsi dépendre des caractéristiques du produit à sécher mais aussi du matériel utilisé et donc des caractéristiques de l'air de séchage.

a) Les caractéristiques de l'air

a1- Humidité absolue et humidité relative d'un air

On définit l'humidité absolue d'un air comme la masse de vapeur d'eau en kg que contient 1 kg d'air sec. On la notera Y ou na.

a2- L'humidité relative (notée i ou HR)

HR s'exprime comme le quotient de la pression partielle de vapeur d'eau contenue dans l'air par la pression de vapeur saturante de la vapeur à la même température. L'humidité relative est souvent nommée degré hygrométrique et exprimée en %. L'humidité relative (HR) mesure donc le degré relatif de saturation d'un air. Un air saturé aura une HR égale à 100% ; cet air saturé ne peut plus accepter d'eau ;

Un air dont l'humidité absolue est constante, va voir son HR varier avec la température : plus sa température augmente plus l'HR diminue et inversement. La température à partir de laquelle la première goutte de condensation apparait est appelée point de rosée.

L'air doit être le plus sec possible pour avoir une capacité évaporatoire maximale ( Y et HR faibles)

a3) régulation de l'humidité absolue (Y) d'un air

Pour augmenter Y, il suffit d'envoyer de la vapeur d'eau ou de l'eau finement pulvérisée (atomisée) dans cet air.

Pour diminuer Y, il faudra envoyer cet air sur une surface froide (batterie froide) pour le refroidir à sa température (point) de rosée : l'air va perdre de l'eau.

a4) température sèche et humide

On nomme température sèche d'un air la température indiquée par une
sonde de température nue placée dans le courant d'air. Il s'agit de la température
de l'air au sens courant.

On nomme température humide (ou température de bulbe humide) la
température donnée par une sonde enrobée d'une mèche humidifiée placée dans un courant d'air . Il faut retenir que la température humide est la température prise par la surface du produit durant la phase de séchage à allure constante d'un séchage par entraînement (voir plus loin).

Remarque : on peut mesurer l'HR d'un air en mesurant la différence des 2 températures (Ts-Th) et en utilisant une abaque. En effet, la différences des température (Ts-Th) augmente lorsque l'HR de l'air diminue.

Il faut utiliser un air le plus chaud possible ; la limite dépend de la thermosensibilité du produit.

a5) Enthalpie (H) de l'air

L'enthalpie de l'air humide définit le contenu énergétique de cet air.

L'enthalpie notée H de 1 kg d'air sec associé à Y kg de vapeur d'eau à T°C
est la quantité de chaleur à fournir à ce mélange sous une pression constante pour l'amener de la température de référence 0 °C à la température de T°C

Les états de référence à considérer sont l'eau liquide et l'air sec à 0°C.

L'enthalpie de l'air humide H est la somme de l'enthalpie de l'air et de
l'enthalpie de l'eau.
H = Cpa . T+ Y . (Lv + Cpe . T)

où Cpa et Cpe sont respectivement les chaleurs massiques de l'air et de l'eau à l'état
gazeux et Lv la chaleur latente de vaporisation de l'eau à 0°C.

On obtient donc H = 1,01. T + Y . (2494 + 1,92 .T) avec H en kJ.kg-1

Le diagramme de Mollier permet la représentation de 5 grandeurs décrivant l'air humide (2 grandeurs suffisent à le définir totalement).

Pour le diagramme utilisable pour des températures sèches jusqu'à 300 °C,
on observe notamment les variables suivantes :

température sèche T (en °C) : les isothermes sont des droites légèrement croissantes en
fonction de l'humidité absolue avec graduations sur l'axe des ordonnées

humidité absolue Y ou na : les lignes d'humidité absolue constantes sont des verticales avec graduations sur l'axe des abscisses

humidité relative i ou HR : courbes croissantes en fonction de Y ou na

enthalpie H : les isenthalpes sont des droites parallèles décroissantes

Pour le diagramme utilisable pour des températures sèches jusqu'à 55 °C, on peut également lire la température humide de l'air.

Les diagrammes de l'air humide sont utilisés pour les calculs relatifs aux
humidités de l'air, pour les déterminations de points de rosée et de température humide ainsi que pour les calculs énergétiques relatifs au séchage.

Activité 1

Un air A (T=28°C et 28% d'HR) est chauffé à 92°C sur des résistances électriques (pas d'humidification) ; on obtient l'air noté B.
Cet air B est envoyé dans le séchoir pour déshydrater des fruits. Ce séchage est considéré comme adiabatique (= isenthalpique) ; l'air usé (appelé C) sortant du séchoir est à la température de 50°C.

1- Placer le point Asur le diagramme de Mollier. En déduire l'humidité absolue (n_a) de cet air A, et son humidité relative (%HR).
2- Placer le point B sur le diagramme de Mollier. Que vaut l'humidité absolue (n_a) de l'air B ? Que vaut l'humidité Relative (%HR) de l'air B ? Que vaut l'enthalpie (H_B) de cet air ?
3- Placer le point C sur le diagramme de Mollier. En déduire son humidité absolue (n_a)et relative (%HR). Comment évolue l'enthalpie de l'air usé (H_C) par rapport à l'air B ? Justifier.

b) Les caractéristiques du produit

b1) Humidité d'un produit ou teneur en eau (notée X ou Hp)

On définit l'humidité d'un produit ou teneur en eau comme la masse d'eau que contient le produit. On utilise fréquemment des pourcentages (%).

2 unités sont possibles (%) :

X ou Hp : en g d'eau / 100g de produit

X ou Hp : en g d'eau / 100g de Matière sèche

Remarque :

On peut aussi calculer la teneur en extrait sec (ES) ou matière sèche (MS) du produit ;
ES s'exprime aussi en % : en g de MS / 100 g de produit

b2) l'activité de l'eau

Pendant un séchage, c'est d'abord l'eau libre qui est évaporée ; plus le séchage se poursuit, plus l'eau qui reste dans le produit est difficile à évaporer car elle est de plus en plus liée.

b3) la surface spécifique

Plus la surface de contact avec l'air est importante, plus la capacité évaporatoire sera élevée. On parvient notamment à augmenter ce paramètre en augmentant la surface spécifique (m2/kg) du produit en le fragmentant ou le pulvérisant (spray pour les liquides).

5) Les allures de séchage

Si on considère un produit humide placé dans un courant d'air chaud et sec, on observe au cours de l'opération de séchage que l'eau s'évapore du produit à différentes vitesses ( CE = dX/dt) suivant la figure ci dessous avec trois périodes distinctes :

une phase de mise en température du produit (I)
une phase de séchage à vitesse constante (II)
une phase de séchage à vitesse décroissante (III)

a)La phase de mise en température

La chaleur amenée par l'air sert surtout à réchauffer le produit, lmais l'eau s'évapore petit à petit ; L'humidité du produit (X) diminue faiblement et le débit d'eau évaporée (CE=dX/dt) augmente progressivement avec le temps.

Remarque : cette phase est négligeable pour les produit fragmentés de petites tailles (poudre, liquide atomisée en spray)

b)La phase à allure constante

Le débit d'eau évaporée (CE) est à son maximum et constant ; c'est l'eau libre qui s'évapore à sa vitesse maximale (CE= cte)

Toute la chaleur amenée par l'air est utilisée pour évaporer l'eau du produit. on se trouve dans le cas où soit il y a beaucoup d'eau à la surface du solide soit la diffusion de l'eau de l'intérieur du solide vers la surface est suffisamment rapide.
Durant cette phase on considère que le séchage s'effectue de manière
adiabatique car il n'y aucun échange de chaleur avec l'extérieur. La chaleur latente de vaporisation de l'eau est entièrement fournie par le refroidissement de l'air chaud.
Le processus s'effectue donc à enthalpie constante. L'air chaud dans le diagramme de l'air humide va donc évoluer sur une isenthalpe (droite de saturation adiabatique) :
la chaleur perdue par refroidissement est entièrement compensé par l'apport de l'enthalpie de la vapeur d'eau composée d'un terme du à sa formation par évaporation et d'un terme beaucoup plus faible du à son réchauffement (l'échauffement du solide est négligeable dans cette phase si les températures de l'air ne sont pas trop élevées).

L'évaporation intense de l'eau du produit rafraichit sa surface (la couche de vapeur d'eau constitue une sorte de bouclier thermique) et la ramène à la température du thermomètre humide de l'air.
Pendant cette période la température du solide reste constante et égale à la température humide de l'air.

c)La phase à allure décroissante

On voit que le débit d'eau évaporée (CE) diminue, car l'eau qui reste est de plus en plus difficile à évaporée (eau de plus en plus liée) ;

La température de surface du produit augmente et se rapproche de la température sèche de l'air.

Il faut faire attention à protéger les produits thermosensibles pendant cette phase (augmenter l'humidité de l'air de séchage et baisser la vitesse et la température de l'air pendant cette phase où l'aw est faible…)

6) Bilans

On considère un séchoir continu à contre-courant.

La circulation à contre-courant est efficace au niveau énergétique, mais risquée pour les produits thermosensibles ,car le produit en fin de séchage (faible aw) n'est plus protégée par une évaporation intense de l'eau, et la température de surface se rapproche de la la température sèche de l'air !

L'air entre à un débit massique (V) avec une humidité absolue (Ye) et une enthalpie (He) ; il est réchauffé (enthalpie H ‘e > He) puis envoyé sur le produit. Il se charge de l'humidité du produit et ressort avec une humidité plus grande (Ys) et une enthalpie Hs peu différente de l'enthalpie qu'il avait à l'entrée (He) car le séchage peut être considéré comme isenthalpique.

Le produit humide entre dans le séchoir à un débit massique (Me) et une humidité (Xe) ; il ressort sec à un débit plus faible (Ms) avec une humidité résiduelle plus faible (Xs)

a)Bilan Matière

Permet de déterminer la capacité évaporatoire du séchoir (CE ) c'est-à-dire le débit d'eau évaporée du produit (en kg ou tonne d'eau par heure)

Le bilan matière sur l'eau permet notamment de déterminer le débit d'air sec permettant d'éliminer 1 kg d'eau :

On appelle M le débit de Matière sèche du broduit ;

M . X_E + V . Y_E = M . X_S + V . Y_S

donc si on note CE le débit massique d'eau évaporée qui est encore appelée capacité évaporatoire du séchoir (CE), on obtient :

du côté produit : CE= Me - Ms = M . ( X_E - X_S )
du côté de l'air : CE = V . ( Y_S - Y_E )
d'où :

M . ( X_E - X_S ) = V . ( Y_S - Y_E ) = CE

Ceci revient à dire que l'eau enlevée à la matière à sécher a été éliminée par l'air.

D'où pour éliminer 1 kg d'eau, il faut utiliser 1 / (Y_S - Y_E )kg d'air sec

et 1 kg d'air sec permet l'élimination de (Y_S - Y_E )kg d'eau.

Activité 2

On considère le séchage étudié dans l'activité 1

1- déterminer la différence d'humidité absolue Delta n_a existant entre l'air usé (C) et l'air neuf (A)
2- En déduire la capacité évaporatoire(CE) du séchoir pour un débit d'air sec de 1000 kg/h.

Activité 3

L'installation de séchage décrite ci après est à double étage : elle est constituée d'une tour d'atomisation couplée à un lit fluidisé.

Après avoir subit une pasteurisation suivit d'une évapo-concentration, le lactosérum obtenu est à une concentration de 32% de MS ; il alimente la tour d'atomisation à une température de 80 °C et à un débit horaire de 2 tonnes / h .
De l'air ambiant à 20 °C et d'humidité absolue 0,005Kg d'eau /Kg d'air sec, est envoyé dans la batterie de chauffage électrique (absence d'humidification) pour ressortir à 205°C et alimente la tour à un débit que vous déterminerez ; l'air usé ressort de la tour à 90 °C avec une humidité de 0,048 kg d'eau / kg d'air sec.
L'installation (tour + lit fluidisé) a une capacité évaporatoire globale de 1322 Kg / h.

Questions :

1- Justifier l'intérêt de la pasteurisation subit par le lactosérum à 5.5 % de MS avant la déshydratation.
2-Quels sont les intérêts de concentrer le lactosérum avant le séchage ? (la concentration n'a pas eu lieu sur le même site)
3- L'activité de l'eau (aw) du lactosérum a évolué de la façon suivante pendant sa transformation :

[/ aw (lactosérum 5.5%MS) = 0.99
aw (lactosérum 32%MS) = 0.80
aw (lactosérum poudre) = 0.10/]

Après avoir expliquer la différence entre aw et teneur en eau, expliquer l'intérêt de cette évolution d'aw.

4- Pourquoi le lactosérum ne risque -t- il pas de dégradation thermique au contact d'air à 205°C. Argumenter.
5- Le débit de poudre sortant de la tour d'atomisation a une concentration en matière sèche de 92%. Calculer le débit de cette poudre sortant de la tour d'atomisation grâce à un bilan matière. (1° étage)
Réponse (choisir parmi les suivantes : 70 t/h ; 700 kg/h 0.8 t/h ; )
6- Calculer l'humidité de la poudre (en g d'eau / 100 g de MS) sortant du lit fluidisé (2°étage)
Réponse (choisir parmi les suivantes : 5.3% 7 % ; 0.5% ; )
7- Placer les différents points de l'air de la tour sur le diagramme de Mollier. Le séchage est -il adiabatique ?Justifier la réponse .
8- Calculer le débit d'air à 205°C à envoyer dans la tour d'atomisation.
Réponse (choisir parmi les suivantes : 1.5 t/h 14.9 t/h ; 1500 t/h ; )

Activité 4

Lors de la préparation de saumon fumé, après les opérations de filetage suivi du salage, les filets de saumon sont séchés avant d'être fumés.

On veut sécher 400kg de filets de saumon à 70% d'humidité (0.70kg d'eau / kg de matière humide) en 4 heures. L'air utilisé a une température de 26°C et une humidité relative égale à 55%. Le débit d'air sec est de 3000kg d'air sec / heure. Au terme du séchage, les 400 kg de filet ont perdu 9% de leur poids.
Questions :

1- Calculez l'humidité finale du produit en % (en kg d'eau / 100kg de matière humide)
(réponse : à choisir parmi : 63.7% ; 67% ; 69%)
2- Calculez la capacité évaporatoire du séchoir. (en kg d'eau / h)
(réponse : à choisir parmi : 9 kg/h ; 12 kg/h ; 19 kg/h)
3- En vous aidant du diagramme de Mollier, calculer l'humidité absolue de l'air de sortie (en kg d'eau /kg d'air sec)
(réponse : à choisir parmi : 0.013 kg d'eau/kg ; 0.01 kg d'eau/kg ; 0.015 kg d'eau/kg)
4- Sachant que l'air usé (point S) sortant du séchoir a une température de 20°C, vous placerez les points d'entrée (point E) et de sortie (S) sur le diagramme de Mollier de l'air humide. Vous justifierez s'il s'agit d'un séchage adiabatique ou non.

b)Bilan thermique

Un cas d'étude intéressant concerne le séchage par convection dans la phase de vitesse constante. Si on se place dans l'hypothèse d'un processus adiabatique, on admet alors qu'il n'y a pas de pertes thermiques et que le solide ne subit aucune variation de température entre l'entrée et la sortie du sécheur.

Dans ce cas, la phase dans le sécheur proprement dit est adiabatique et le seul apport d'énergie est la puissance thermique au préchauffeur ?qui permet la vaporisation d'un débit massique d'eau CE. L'air humide « évoluant » sur une isenthalpe pendant ce séchage, on a :

H_S = H_E'

On en déduit :

P= V . (H_E' - H_E)

Dans ce cas la chaleur à fournir au préchauffeur pour vaporiser 1 kg d'eau est appelée CES (Consommation Énergétique Spécifique) en Kj/Kg d'eau évaporée) est :

CES = (H_E' –H_E) / (Y_S-Y_E)

7 les séchoirs

La classification des appareils peut s'effectuer suivant le procédé (continu,
discontinu), le mode de séchage (convection, conduction, rayonnement,
lyophilisation), ou le type de produits traités (solides en blocs, poudre, pâte , pulpe, film...).

On signalera que l'utilisation d'un procédé continu se fera préférentiellement
dans le cas d'une fabrication importante. Les sécheurs discontinus présentent
l'inconvénient majeur d'entraîner un coût énergétique supplémentaire à chaque fin
de cycle.

a) les sécheurs à cylindres

ils sont constitués d'un ou deux cylindres creux animés d'un lent
mouvement de rotation et chauffés à l'intérieur par un fluide caloporteur (vapeur).

La
matière à sécher est déposée à la surface du cylindre et encollée à l'aide de cylindres satellites qui servent aussi à réduire l'épaisseur du produit.

Ils conviennent pour les produits
pâteux tels que les fruits & légumes réduits en purée, les liquides concentrés .

Exemple de produits : purée de pomme de terre, purée de fruits ou légumes, fécule de pomme de terre, amidon pré-gélatinisé, lait, baby food,...

Caractéristiques : séchage continu par conduction.

Remarque : ce procédé peut être utilisé pour fabriquer de la poudre de lait qui ainsi fabriquée porte le nom de poudre de lait « hatemaker » qui est très apprécié par l'industrie de la chocolaterie, car ce produit a subi un traitement thermique poussé contrairement à la poudre de lait classique dite spray (voir atomisation).

Exemple de la fabrication de flocons de pomme de terre (purée déshydratée) ; temps de séjour du produit= 20 à 30 secondes ; Température de la surface du cylindre : 140 °C environ ; humidité résiduelle des flocons : 5 à 6%.

Exemple de process et de constructeur : GMF Gouda Drum Dryer

b)Cellule (ou étuve) de séchage

Le produit est posé ou accroché sur des chariot traversé par le courant d'air chaud et sec qui arrive par des tuyères disposés sur le plafond. L'air usé chargé de l'humidité du produit est repris par le plafond pour être recyclé.

Voir figure ci-dessous qui illustre le cas des cellules de séchage de saucissons ou jambons crus.

voir ICI la fabrication du saucisson sec.

c) Sécheur à lit fluidisé

Ce séchoir convient pour des poudres divisées ou des flocons de céréales qui
sont placées sur un support poreux. Un courant d'air chaud et sec est soufflé sous la couche de matière qui est mise en suspension dans le courant d'air, et un lit fluidisé s'établit ; les échanges thermiques sont alors intenses et l'efficacité du séchage est très grande. De plus cela permet d'éviter que les particules ne se collent entre elles !

Voir l'animation suivante très interresante

d) Sécheur par atomisation

1- Principe

Lors de la déshydratation par atomisation, le liquide est pulvérisé en fines gouttelettes, dans une enceinte cylindrique verticale (appelée tour qui peut atteindre 20 m de hauteur) au contact d'un courant d'air chaud et sec afin d'évaporer l'eau. La poudre obtenue est entrainée par le flux d'air usé jusqu'à un cyclone ou un filtre à manche qui vont séparer l'air de la poudre.

2- Pulvérisation (ou atomisation)

Le principe de ce séchage réside dans le fait qu'on parvient à augmenter la surface spécifique de contact du produit liquide avec l'air en le pulvérisant sous forme de spray ; la poudre obtenue par ce type de séchage est d'ailleurs appelée « spray »

Il existe trois technologies différentes de pulvérisation :

• Les turbines centrifuges : Le liquide est amené au centre d'une turbine entraînée par l'intermédiaire d'engrenages. Le liquide soumis à la force centrifuge est éjecté en fines gouttelettes.

• Les buses sous pression de liquide : la pulvérisation est effectuée par le passage du liquide à travers un orifice, l'énergie de dispersion étant apportée par le liquide lui-même, véhiculé sous pression .

• Les buses bifluide : le liquide est alimenté à une pression relativement basse. La dispersion en gouttelettes se fait par un jet d'air comprimé à haute vitesse (procédé intéressant pour les produits comme le lait qui ne tolère pas de forte pression).

Voir l'animation suivante :

3- Association avec un lit fluidisé

Un lit fluidisé (interne ou extern à la tour d'atomisation) est souvent associé. Il permet de refroidir la poudre et d'économiser de l'énergie. En effet, l'augmentation de l'extrait sec (ES) au-dessus de 90 % demande une consommation importante d'énergie dans la tour de séchage pour évaporer l'eau. En ajoutant un lit fluidisé, c'est ce matériel, qui consomme moins d'énergie, qui permet d'augmenter l'ES.

4- Produit séché par atomisation :

Le lait en poudre (air entre 200°Cet 250°C ; humidité résiduelle autour de 5%),lactosérum, le café soluble, boissons…

Exemple de process de fabrication de lait en poudre :

8- Séchage par lyophilisation

• Principe

L'eau est éliminée par sublimation : il faut donc passer par une étape de congélation. L'eau devenue glace se transforme en vapeur (sans passer par l'état liquide) dans des conditions précises de température et de pression ( (-20°C et sous vide proche du 0 bar ) suivant le diagramme de changement d'état de l'eau .

Quelle différence entre le séchage et la lyophilisation ?

• Les étapes

Congélation du produit à –20°C : on travaille en général sur des produits pré-concentrés afin de réduire la teneur en eau à éliminer, car le coût du traitement est proportionnel à la quantité d'eau éliminée. Exemple : cryoconcentration sur le café ou les jus de fruits.
Mise sous vide du lyophilisateur.
Sublimation : la vapeur d'eau est éliminée au fur et à mesure. On parle de « dessiccation primaire » qui se produit vers - 20 °C.
Désorption : l'évaporation sous vide se poursuit pour éliminer ce qui reste en eau fortement liée. On parle de « dessiccation secondaire ». La température remonte à +30 + 40 °C.
Cassage du vide pour revenir aux conditions ambiantes.

• Intérêts / limites

On obtient une très bonne qualité gustative des produits car il n'y a que l'eau qui est partie : ceci est marqué sur le café, si on compare du « café soluble atomisé » avec du « café lyophilisé ».

Le coût est très élevé car le procédé nécessite beaucoup d'énergie et est très long.

C'est pourquoi son usage est réservé aux produits « chers », comme le café ou les plats préparés cuisinés « de l'extrême » pour les sportifs de hauts niveaux (montagne, désert ou bateau).

• Procédé industriel

Procédé industriel de lyophilisation

L'appareil est un tunnel de 3 m de diamètre et 12 m de longueur. Le procédé peut être présenté en deux étapes.

La congélation du produit, de 10 à 15 mm d'épaisseur maximum, placé sur des plateaux, se fait par brassage de l'air froid créé par des batteries à - 40 °C, puis l'enceinte est mise sous pression réduite au moyen de pompes à vide.

Les plaques chauffantes situées entre les plateaux, sont parcourues par un fluide caloporteur à 80 à 90 °C. La vapeur d'eau (à -20 °C) se forme et va se condenser sur les batteries à - 40 °C et les recouvrir de glace. Des chariots porte-plateaux facilitent la manutention.

La plus grande partie de l'eau est extraite par sublimation : passage de l'état de glace à l'état de vapeur.

Actuellement, on réalise principalement la lyophilisation des champignons, celle des aromates, légumes, jus de fruits, café, thé, D'autres produits alimentaires, tels que viandes et produits de la pêche, sont lyophilisés en quantité très faible, leur consommation trop limitée ne justifie pas une production à l'échelle industrielle dans tous les pays.

II faut 15 à 20 heures pour traiter 2,5 tonnes de produit (faible productivité).

9 les modifications physicochimiques

Du fait de la très faible teneur en eau de l'aliment déshydraté, la croissance des micro-organismes est stoppée, l'activité enzymatique du milieu est fortement ralentie, de même que les réactions d'hydrolyse, le brunissement enzymatique et l'oxydation des lipides.

Cependant, les produits déshydratés ne sont pas stériles, et toute réhydratation accidentelle sera néfaste, voire dangereuse. Le conditionnement dans un matériau étanche à la vapeur d'eau est conseillé.

Néanmoins, les barèmes temps-températures des opérations de déshydratation ne sont pas suffisants pour détruire les micro-organismes. La déshydratation n'a pas d'effet pasteurisateur, encore moins strérilisant. Ce n'est pas une opération d'assainissement. Il convient donc de bien respecter l'hygiène de fabrication, la contamination initiale et éventuellement d'associer dans le process une opération d'assainissement (souvent pasteurisation)

a). Certaines réactions se produisent en cours de déshydratation

Elles retentissent sur les qualités organoleptiques, nutritionnelles, ou même fonctionnelles des protéines que contient l'aliment (le pouvoir de foisonnement du blanc d'œuf est diminué lors de séchage par atomisation).

Ces réactions peuvent être : évaporation de substances aromatisantes volatiles, oxydation des pigments, brunissement enzymatique, dénaturation des protéines, gélatinisation des grains d'amidon, brunissement non enzymatique par réaction de certains acides aminés (dont la lysine) avec divers composés carbonylés tels sucres réducteurs, vitamine C. Il en résulte une moins bonne assimilation de la lysine, acide aminé essentiel et la formation de composés aromatisants plus ou moins souhaitables.

L'oxydation des lipides et des pertes partielles des vitamines sensibles à l'oxy¬dation (C et A) ou à la chaleur (B1) se produisent aussi.
Cependant, une déshydratation bien conduite altère peu les propriétés nutritionnelles. Des analyses de laits écrémés totalement déshydratés montrent que la valeur biologique du lait est peu affectée et que les pertes en vitamines C et Bl sont respectivement de l'ordre de 30 et 10 %. Les pertes en vitamines sont moins importantes que lors de la stérilisation du lait en récipients.

Soumis à la déshydratation, un aliment se contracte et ceci d'autant plus que la déshydratation est lente. Par contre, si la déshydratation est rapide, une couche rigide se forme à la surface de l'aliment et va déterminer la forme et le volume définitifs du produit. À l'intérieur, suite à la déshydratation, la structure devient poreuse. Ces produits se réhydratent donc facilement, mais possèdent l'inconvénient d'être plus sensibles à l'oxydation et de présenter un volume coûteux au stockage.

b). Certaines réactions se produisent au cours de l'entreposage

Les réactions d'oxydation et de brunissement non enzymatique ( Maillard) peuvent se poursuivre au cours de l'entreposage ainsi que l'action de certaines enzymes.

Ces dernières peuvent être inhibées par le blanchiment préalable des légumes. L'addition de certains additifs, tels les dérivés du dioxyde de soufre, peut limiter le brunissement non enzymatique ou les réactions d'oxydation. Le conditionnement étanche sous vide ou sous atmosphère modifiée, en limitant l'oxydation, prolonge la durée de vie des aliments déshydratés, d'autant qu'il protège de toute réhydratation.

L'azote, substitué à l'oxygène dans l'emballage avant fermeture, permet une meilleure stabilité des pigments et des arômes. Inerte, inodore et peu soluble dans l'eau et les lipides, l'azote évite donc toute rétraction de l'emballage. On peut ainsi tripler, voire quadrupler, la durée de vie des flocons de pommes de terre, légumes déshydratés, graines oléagineuses stockées à température ambiante.

Un matériau d'emballage opaque à la lumière, une température d'entreposage maximale de 25 °C, voire 10 °C, conservent aux produits déshydratés leurs qualités alimentaires jusqu'à la date limite d'utilisation optimale (DLUO).

BIBLIOGRAPHIE

On pourra consulter les ouvrages suivants dont certaines figures ont été adaptées :

Technologie Génie Chimique (ANGLARET - KAZMIERCZAK) Tomes 2 et 3

Techniques de l'ingénieur : articles relatifs au séchage

Les opérations unitaires du Génie Industriel Alimentaire, M. MAFART

Conservation des aliments par réduction de l'aw

Amrouche — 2011-12-20T20:37:31Z

Sommaire

On peut réduire l'activité de l'eau d'un aliment par deux méthodes différentes.

La première est une méthode directe qui consiste à extraire l'eau de l'aliment par déshydratation.
La deuxième est une méthode indirecte qui consiste à lier l'eau disponible par ajout d'agents dépresseurs de l'activité de l'eau.

La déshydratation des aliments est réalisée par différentes techniques comme :

Ces techniques permettent de diminuer l'activité de l'eau d'un aliment à des valeurs proches de 0. Cependant, c'est une technique coûteuse de point de vue investissement matériel et de point de vue consommation énergétique.

Les agents dépresseurs de l'activité de l'eau n'appartiennent à aucune famille chimique particulière. L'activité de l'eau dépend de la nature et de la quantité des substances en solution dans la phase aqueuse de la denrée alimentaire (ou de la solution).
Les dépresseurs de l'aw les plus utilisés en industrie agroalimentaire sont les sels, notamment le NaCl, et les glucides, notamment les mono- et disaccharides. Le tableau ci-dessous donne quelques valeurs de l'aw de solutions de différentes concentrations de NaCl et de saccharose mesurée à 25 °C.

Aw de solution de NaCl et de saccharose (Concentration en g/100 g d'eau, aw mesurée à 25°C)
Aw	NaCl	Saccharose
0,99	1,75	11
0,96	7,01	25
0,94	10,34	93
0,92	13,5	120
0,90	16,5	144
0,85	23,6	208

L'utilisation des sels et des glucides est la technique la plus simple et la moins coûteuse pour réduire l'aw d'un aliment et améliorer ainsi sa conservabilité. Cependant, elle ne peut être envisagée que dans le cas de préparations spéciales où le sel ou le sucre jouent un rôle déterminant dans les caractéristiques organoleptiques de l'aliment. C'est le cas par exemple des anchois salés, des câpres au sel, des sirops et des produits de la confiserie.

Salage :

La conservation par le sel ou salage consiste à soumettre une denrée alimentaire à l'action du sel soit en le répandant directement à la surface de l'aliment (salage à sec) soit en immergeant le produit dans une solution d'eau salée (saumurage). En diminuant l'activité de l'eau du produit, ce procédé permet de freiner ou de bloquer le développement microbien. Cette technique est essentiellement utilisée en fromagerie, en charcuterie et pour la conservation de certaines espèces de poissons (harengs, saumon, …). Elle est parfois associée au fumage.

Sucrage :

Le sucrage ou l'ajout de sucre, notamment le saccharose, est une technique qui est aussi largement utilisée en IAA.
Le sucre est généralement utilisé comme ingrédients pour l'amélioration du goût, la couleur et/ou la texture de certains produits alimentaires comme les boissons, les sauces (Ketchup) et plusieurs autres préparations.
L'ajout de sucre à des proportions assez suffisante améliore la conservabilité des denrées alimentaires et ce grâce à son effet dépresseur de l'aw. La conservabilité de certains aliments comme les confitures, les pâtes de fruits, les bonbons et les sirops de glucose est due principalement à la présence de sucres.

Autres agents dépresseurs :

Outre les sels et glucides (lactose par ex) , on peut avoir recours à d'autres produits comme les protéines et/ou leurs dérivés et les alcools, sucre-alcool ou encore les sucro-esters, …pour abaisser l'aw d'un aliment quoique leur effet dépresseur soit limité. En plus le prix de ces produits est relativement élevé. Leur utilisation est dès lors plus souvent envisagée pour améliorer la valeur nutritionnelle d'une denrée ou pour renforcer le goût de celle-ci.

Le tableau suivant présente les principaux agents dépresseurs d'aw

Le tableau suivant présente les principaux agents dépresseurs d'aw dans divers aliments avec leur aw approximatives ( selon Clément & Guilbert)

L'activité de l'eau : aw

Amrouche — 2010-08-15T18:44:31Z

Sommaire

introduction

L' eau, de formule chimique H2O, est le constituant majeur de la plupart des aliments. Bien qu 'elle n' apporte aucune valeur énergétique aux aliments, son existence joue un rôle très important. Elle influence la structure, l' apparence, le goût des aliments et leur susceptibilité à la dégradation.

Molécule d'eau

La teneur en eau des aliments est très variable : 10 à 20% dans les céréales, 60 à 75% dans les viandes et chairs d'animaux, 80 à 90% dans les fruits et légumes frais.

Teneur en eau de certains aliments Aliments Teneur en eau (%)
Aliments Teneur en eau (%)

Viandes de bœuf 50 à 70

Viande de poulet 74

Poisson 65 à 81

Poires 80 à 85

Pommes, pêches, oranges 85 à 90

Tomates, fraises 90 à 95

Avocat, banane 74 à 80

Carotte, pomme de terre 80 à 90

Laitue, lentilles 90 à 95

Miel 20

Confiture 28

Farine, riz 12

Poudre de lait 4

La connaissance de la teneur en eau des produits alimentaires est souvent nécessaire et ce pour :

Nécessité technologique : La connaissance de la teneur en eau des aliments est nécessaire pour la conduite rationnelle des opérations de récolte, de séchage, de stockage ou de transformation industrielle. C'est un paramètre essentiel pour l'évaluation et la maîtrise des risques d'altération pendant l'entreposage des denrées alimentaires.
Nécessité réglementaire : Dans le cas où des textes réglementaires fixent la teneur limite en eau de certains aliments pour des raisons d'hygiène ou pour garantir la loyauté des transactions commerciale.
Nécessité contractuelle : Dans le cas où des contrats commerciaux exigent une teneur limite en eau dans un aliment.
Nécessité analytique : Les résultats d'analyse des produits alimentaires sont souvent exprimés par rapport à une base fixe (matière sèche ou teneur en eau standard).

L'eau a trois fonctions principales dans les aliments. Ces fonctions sont :

Fonction de solubilisation (ou dispersion) : L'eau dans les aliments est le solvant des constituants hydrophiles.
Fonction de structuration : L'eau joue un rôle essentiel dans la configuration des macromolécules alimentaires, notamment les protéines et les glucides. L'eau détermine également la structuration de certains constituants en micelle. C'est le cas, par exemple, des caséines dans le lait.
Fonction de mobilisation : L'eau, par rapport aux autres fluides, est le facteur de mobilité le plus répondu dans les produits alimentaires.

Teneur en eau

La teneur en eau, ou l'humidité, d'un aliment est la quantité d'eau perdue par la substance lorsqu'on l'amène en équilibre vrai avec une pression de vapeur nulle (Humidité relative égale à 0%). La quantité d'eau perdue est constituée de l'eau fixée par des liaisons hydrogène (eau de sorption, eau retenue par effet capillaire ou osmotique, eau des solutions, eau occluse dans des mailles cristalline et eau de cristallisation) ; l'eau chimiquement liée par des liaisons covalentes est exclue.

La teneur en eau d'un échantillon d'aliment s'exprime en % de la masse d'eau rapportée soit à la masse de matière sèche contenue dans l'échantillon, soit à la masse totale de la matière humide de l'échantillon.

L'activité de l'eau (aw) indique la disponibilité de l'eau d'un produit pour des réactions chimiques, biochimiques, un changement d'état ou un développement de micro-organismes.

L'activité de l'eau (aw) correspond au rapport entre la pression de la vapeur d'eau de l'aliment (pression de la vapeur d'eau à la surface du produit) et la pression de la vapeur d'eau pure à la même température .

La valeur de l'activité de l'eau varie entre 0 (produit sec au point que toute l'eau est liée à l'aliment, et donc sans qualité réactive) et 1 (eau pure et sans soluté, difficile à atteindre et surtout à maintenir).

L'aw d'une solution peut être calculée par la formule de RAOULT :

aw = n1/(n1 + n2)

n1 = nombre de moles du solvant (eau).

n2 = nombre de moles du soluté.

Le tableau ci-dessous donne la valeur de l' aw de solutions de différentes concentrations de NaCl et de saccharose, mesurée à 25 °C.

Aw de solution de NaCl et de saccharose (Concentration en g/100 g d'eau, aw mesurée à 25°C)

Aw NaCl Saccharose

0,99 1,75 1

0,96 7,01 25

0,94 10,34 93

0,92 13,5 120

0,90 16,5 144

0,85 23,6 208

L'activité de l'eau d'un aliment dépend de la température. Un changement de 10°C peut causer un changement dans l'aw de 0,03 à 0,2 dépendant du type du produit. Ainsi, la modification de la température peut avoir un effet sur la stabilité d'un produit et joue un rôle important dans la conservation des produits dans un emballage hermétique.

On étudie la relation entre la teneur en eau et l'activité de l'eau d'un aliment.

A l'équilibre, la relation entre la teneur en eau et l'activité de l'eau (aw) d'un produit alimentaire à une température constante peut être représentée par une courbe appelée isotherme de sorption. Pour chaque valeur de aw, l'isotherme donne la teneur en eau (Xeq) du produit à une température donnée.

Les isothermes de sorption sont divisés en trois zones :

Zone 1 (aw<0,3) : correspond à l'eau « fortement liée », dite aussi « de constitution ». L'eau est intimement liée aux composants biochimiques par des liaisons hydrogène et forces de Van der Waals et ne peut être séparée que par des techniques très sévères. Cette eau n'est pratiquement pas disponible comme solvant ou réactif et correspond à la première couche (monocouche) qui entoure la matière sèche d'aliments.
Zone 2 (aw entre 0,3 et 0,7) : correspond à l'eau « faiblement liée », sous forme de couches polymoléculaires (multicouche) recouvrant partiellement la surface du substrat sec. Bien qu'elle soit aussi disponible tant comme solvant que réactif, elle est moyennement réactive.
Zone 3 (aw>0,7) : correspond à l'eau « libre » ou « eau liquide » qui n'est retenue à la surface du substrat sec que par des forces capillaires . Cette eau est disponible tant comme solvant que réactif. C'est uniquement sous cette forme que l'eau est utilisée par les microorganismes et peut permettre les réactions enzymatiques.

On distingue deux types d'isothermes de sorption :

Isotherme d'adsorption si elle a été déterminée expérimentalement en partant d'un produit sec.
Isotherme de désorption si elle a été déterminée expérimentalement en partant d'un produit saturé en eau.

Les deux courbes sont en général différentes car le séchage d'un produit entraîne des modifications de structure et de porosité irréversibles.

Isothermes d'adsorption et désorption :

Risques de détérioration des aliments en fonction de l'activité de l'eau

L'importance de l'activité de l'eau pour la stabilité des denrées alimentaires lors de traitements et entreposage est illustrée de manière très évidente ci-après. D'une manière générale, une stabilité optimale est obtenue lorsque l'aw est située entre 0,2 et 0,3.

Activité de l'eau et les réactions d'oxydation

Le rancissement est une des principales réactions de détérioration des aliments à faible ou moyenne teneur en eau ; il s'observe même pour des activités d'eau comprises entre 0 et 0,2 environ (courbe en rouge).
L'oxydation des lipides constitue souvent le facteur limitant de la conservation de certains aliments déshydratés ou à teneur moyenne en eau. L'addition d'antioxydants ou une élévation de la teneur en eau peut modifier ces données et aboutir à faire dépendre la stabilité d'autres réactions d'altérations en particulier le brunissement non enzymatique.

Activité de l'eau et le brunissement non enzymatique (Réaction de maillard)

La vitesse de brunissement non enzymatique augmente rapidement avec l'activité de l'eau et atteint un maximum à des activités comprises entre 0,5 et 0,7 (courbe en gris). Au delà de ces valeurs, la vitesse de cette réaction diminue.

Tout comme l'oxydation des lipides, le BNE est souvent le facteur limitant de la conservation des aliments à teneur moyenne en eau. C'est aussi une réaction de détérioration gênante lors des opérations de déshydratation où il faut s'efforcer de traverser la zone critique le plus rapidement possible et à une température minimale.

Activité de l'eau et le brunissement enzymatique

L'activité enzymatique (courbe en orange) et le taux final d'hydrolyse s'élèvent considérablement lorsque l'activité de l'eau dépasse 0,7.

Pour éviter l'effet indésirable de l'activité enzymatique qui peut avoir lieu lors de l'entreposage des aliments même à l'état déshydraté ou congelé, on pratique généralement un blanchiment, avant la déshydratation ou la congélation, qui a pour but principal la destruction des enzymes.

Activité de l'eau et les activités microbiennes

La croissance des bactéries (courbe en noir) est généralement impossible lorsque l'aw < 0,90. Les moisissures et les levures (courbes en vert clair et vert foncé) sont inhibés respectivement vers une aw de 0,7 et 0,8 sauf certaines moisissures et levures osmophiles qui peuvent se développer jusqu'aux des aw de 0,6. Dans la plupart des cas, l'aw limite de croissance d'un microorganisme est différente de l'aw limite nécessaire pour la production de sa toxine .

Le tableau suivant montre l'effet de l'aw sur la croissance et la formation de mycotoxines par quelques moisissures :

Le tableau suivant présente l'aw limitant le développement microbien :

Le tableau suivant présente l'aw des aliments et les microorganismes impliqués :

Dans un aliment, une activité de l'eau de 0,7 est considérée comme une limite inférieure présentant toutes les garanties de stabilité microbienne.

Cependant 0,91 est une limite en dessous de laquelle le développement des microorganismes est très fortement freiné. C'est cette limite qui a été retenue par la directive communautaire de 1977 pour la conservation des aliments à température ambiante ; elle est même relevée à 0,95 à condition toutefois qu'elle s'accompagne d'un pH inférieur ou égal à 5,2.

Mais le plus utile à savoir c'est que

les bactéries « normales » ont besoin de beaucoup d'eau libre :
Bactéries 0,93 < aw < 0,99
les coques tolèrent mieux le sec que les bacilles, et S. aureus est la plus "dromadaire" des bactéries pathogènes
Staphylococcus aureus : aw limite 0.86 mais croissance au dessus de 0.90
les levures arrivent à croître au dessus de 0.8
les moisissures sont les plus résistantes au sec, et poussent au dessus de 0.7, mais lentement .

Pour les bactéries pathogènes les seuils minimaux de croissance sont

aw > 0.95 Clostridium perfringens
aw > 0.94 Salmonelles
aw > 0.93 Clostridium botulinum (correspond à 10% de NaCl)
aw > 0.90 Staphylococcus aureus (on trouve aussi la valeur 0.86
car il pouse au dessus de 0.90, mais « résiste » au dessus de 0.86, et ne fabrique de toxine qu'à + de 0.93)

Réglementation :
Préparation alimentaire stabilisée si aw≤ 0.91
Stable aussi si aw < 0.95 et pH < 5.2

7- La mesure de l'activité de l'eau

Auparavant, la mesure de l'activité de l'eau était longue et frustrante. Les nouvelles technologies de mesure ont grandement amélioré la rapidité, la précision et la fiabilité des mesures.

L'activité de l'eau dans un produit est le rapport entre la pression de vapeur d'eau à la surface du produit (pv) et la pression de vapeur de l'eau pure (vapeur saturée, ps) à la température T du produit.
aw = HRe/100.

L'activité de l'eau dans un produit est donc aussi l'humidité relative d'un air en équilibre (HRe) avec ce produit. L'intérêt de cette grandeur (HRe) est qu'elle varie faiblement avec la température alors que la pression de vapeur d'eau en surface (pv) varie fortement.

La valeur d'humidité relative est importante en génie des procédés, plus particulièrement dans les opérations unitaires faisant intervenir l'air comme agent séchant. En effet, c'est la valeur d'humidité relative de l'environnement, qui comparée à l'activité de l'eau d'un produit solide ou liquide va permettre de connaître le sens des échanges d'eau entre l'air et le produit ainsi que la valeur d'équilibre. Classiquement, l'air ambiant sera chauffé (diminution de son humidité relative et donc augmentation de son pouvoir séchant) avant d'être mis en contact avec le produit à sécher.

La mesure rapide de l'activité de l'eau par le point de rosée mesure l'équilibre de la phase liquide de l'eau d'un échantillon avec la phase vapeur, dans une chambre hermétique. Un échantillon est placé sur une coupelle insérée dans un bloc contenant des capteurs. Le capteur du point de rosée mesure la température du point de rosée de l'air alors que le thermomètre infrarouge mesure la température de l'échantillon. A partir de ces mesures, l'humidité relative est calculée en tant que rapport entre la température du point de rosée et la température de conservation de l'échantillon.

Cette méthode de mesure par le point de rosée présente deux atouts majeurs : la vitesse et la précision puisqu'on se base sur la détermination de la température (nota : une précision de 0, 01aw est généralement suffisante pour les applications liées au domaine alimentaire). Pour certaines applications, les lectures rapides permettent aux fabricants d'effectuer un contrôle en ligne de l'activité de l'eau d'un produit, en vue de réaliser les changements de traitement nécessaires en cours de production.

Aliments	Teneur en eau (%)
Viandes de bœuf	50 à 70
Viande de poulet	74
Poisson	65 à 81
Poires	80 à 85
Pommes, pêches, oranges	85 à 90
Tomates, fraises	90 à 95
Avocat, banane	74 à 80
Carotte, pomme de terre	80 à 90
Laitue, lentilles	90 à 95
Miel	20
Confiture	28
Farine, riz	12
Poudre de lait	4