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Les produits alimentaires concentrés par évapo-concentration

mercredi 20 novembre 2019, par AMROUCHE

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

 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  

B-)Activités : B-)

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 DTeb. 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.

B-)Activité 1 : B-)

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 .

B-)Activité 2 : B-)

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 : Ceau = 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.

B-)Activité : B-)

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 1er effet ? du second effet ?
4- Calculer la capacité évaporatoire (CE) de l’installation, puis la CE du 2ème effet.

B-)Activité 2 : B-)
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)

B-)Activité : B-)
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 :

  7- Exemples de process de concentration