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L’homogénéisation Haute Pression

mardi 4 février 2020, par AMROUCHE

L’Homogénéisation Haute Pression

L’homogénéisation Haute Pression(HP) peut être rangée dans les opérations unitaires de réduction de taille ou fragmentation des liquides plus ou moins visqueux.
C’est une opération mécanique qui vise à stabiliser les mélanges instables telles que les émulsions (lait entier, crèmes laitières, crème dessert…), mais aussi à développer les caractéristiques organoleptiques des sauces telles que le ketchup.

 1- Principe de fonctionnement de l’homogénéisation HP

Les homogénéisateurs haute pression se composent d’une pompe haute pression volumétrique à pistons , refoulant le produit liquide sous forte pression (entre 50 et 250 bars en industrie laitière ) sur une tête (ou clapet) d’homogénéisation.


Légendes

  • 1 : produit brut avec grosses particules
  • 2 : particules à réduire
  • 3 : siège
  • 4:clapet ou tête d’homogénéisation
  • 5 : produit homogénéisé
  • 6 : anneau de choc


Légendes

  • 1 : produit brut avec grosses particules
  • 2 : Produit homogénéisé
  • 3 : lumière (espace de passage = 0.1mm)
  • 4 : siège
  • 5 : clapet ou tête d’homogénéisation

La figure ci-dessus montre un clapet de type conventionnel (il en existe à bords tranchants pour le broyage cellulaire) , avec son siège. Le produit liquide brut entre dans la lumière axiale du siège situé au refoulement de la pompe positive à haute pression ; sa vitesse est de l’ordre de 5 m/s si sa pression est de 200 bars ; cette pression est le résultat de la combinaison de la pompe positive haute pression et de l’étranglement créé par l’appui du clapet sur son siège. La pompe positive crée un débit relativement constant et engendre dons des pressions variables suivant l’ouverture de la surface de contact entre siège et clapet.
Le liquide gicle le long de cette surface entre siège et clapet à très haute vitesse de l’ordre de 150 m/s si la pression est de 200 bars. Cet accroissement de vitesse est dû à une chute de pression au moment où le produit vient heurter l’anneau de choc ( rôle de protection du clapet contre l’usure hydrodynamique) et s’échappe homogénéisé. Les particules initiales ont subies une réduction de taille pour pouvoir franchir la lumière réduite (inférieure au diamètre des particules) existant entre le siège et le clapet.
La durée du traitement entre siège et clapet qui conduit à l’homogénéisation est de l’ordre de 50 microsecondes : la densité d’énergie dissipée dans le produit est considérable (600 à 800kw/ml) . Pendant cette courte durée des phénomènes de turbulence, de cisaillement et de cavitation se produisent et ont pour résultats la réduction de la taille des particules (globules gras en industrie laitière) à moins de un micron.
Selon la théorie de la cavitation, le liquide subit une cavitation intense à cause de la perte de charge qui intervient dans le clapet. La tension de vapeur du liquide est atteinte et le fluide cavite. C’est l’implosion des bulles cavitantes qui crée les ondes de choc dans le liquide et qui dispersent les globules dont la taille a été réduite .
Une autre théorie de l’homogénéisation et la turbulence : il y aurait création dans le liquide d’intenses tourbillons de même taille que les gouttelettes. L’intense énergie de cette turbulence et de profonds gradients locaux de pression font éclater les gouttelettes, réduisant leur taille globulaire.
On conçoit que les effets associés de la turbulence et de la cavitation sont du même ordre, ce qui rend difficile la distinction entre eux.

 2- Intérêt de l’homogénéisation à double effets

La méthode habituelle fait intervenir une seule tête d’homogénéisation ou toute la perte de charge est concentrée sur un étage. L’efficacité de l’homogénéisation peut être améliorée par application d’une faible contre pression sur le simple étage. La contre pression imposée naturellement par les stades suivants du procédé est souvent suffisante.

L’homogénéisation à double étage est toutefois nécessaire pour certains produits ; c’est notamment le cas pour les produits laitiers gras. Des fragments de globules gras minuscules sont formés dans le premier étage, mais ils constitueraient des agrégats qui pourraient augmenter la viscosité et affecter la stabilité. Le second étage assure la dispersion de ces agrégats.


Légendes

  • 1 : produit brut avec grosses particules
  • 2 : clapet ou tête d’homogénéisation du 1er étage
  • 3 : clapet ou tête d’homogénéisation du 2ème étage
  • 4:produit homogénéisé

Pour la plupart des émulsions huile /eau simples tels les produits laitiers de faible grammage
(ex : lait) le second étage n’est que l’auxiliaire de réglage du premier : la pression du second étage doit être entre 10 et 15 % de la pression d’homogénéisation totale .
Une expérimentation avec du lait a prouvé que le passage à travers le second étage ne modifie pas en soi la qualité de l’émulsion, alors que des produits différents de simples émulsions (formulation complexe) voient leur aspect et viscosité modifié par le deuxième étage.

 3- Les paramètres de l’homogénéisation HP

On vient de voir que l’homo HP permettait d’obtenir un effet de micronisation et de dispersion des particules en suspension.
Ces effets varient selon les caractéristiques du produit et surtout selon la pression utilisée.

 31- Paramètres liés au produit :

  • dureté des particules (ex : globule gras du lait : d’autant moins dure que la température augmente ; (optimale=55°C)
  • diversité de la nature des particules : cellules ou agrégats de cellules, agrégats cristallins de sucres ou de sels, corpuscules divers (fibres), globules gras, globules d’huiles essentielles…
  • Caractère abrasif (une sauce ketchup, ou des nectars de fruits sont plus abrasifs que les produits laitiers ce qui provoque une usure prématurée des clapets d’Homo ; il est alors nécessaire d’utiliser un alliage résistant à l’abrasion pour la conception des têtes d’homogénéisation.

 32- Paramètres liés au Process &/ou au Matériel :

  • Pression : plus la pression est grande, plus l’effet de micronisation (réduction de taille à 0.5-2 microns)) sera important ; Ex : Sauce Ketchup=50 à 100 Bars ; yaourt : 140 à 200 Bars, jus de fruits, nectars : 100 à 180 bars
  • Température : important si la chaleur peut réduire la dureté des particules (cas des globules gras du lait) ; aucune influence dans les autres cas ; ( la sauce ketchup est homogénéisé à froid (T°C ambiante) )
  • 1 ou 2 étages : 2 étages intéressants pour les produits laitiers gras.
  • Forme du clapet d’homogénéisation : changer la géométrie de la tête d’homogénéisation permet d’adapter la pression et la vitesse et d’aller de la micronisation de globules gras jusqu’à la destruction de cellules (voir schéma ci dessous)

 33- Contrôle de l’efficacité :

L’efficacité de l’homogénéisation peut se vérifier immédiatement en déterminant l’indice d’homogénéisation. Une autre méthode peut être également utilisée consiste à mesurer, lors de l’examen microscopique d’un échantillon de lait, la taille des globules gras et leur répartition en fonction de leur diamètre.
Détermination de l’indice d’homogénéisation
L’homogénéisation doit être suffisamment efficace pour empêcher le crémage. Le résultat peut se vérifier immédiatement en déterminant l’indice d’homogénéisation ; ce dernier peut se déterminer de la manière décrite dans l’exemple ci-dessous :
Stockez un échantillon de lait dans un verre gradué pendant 48 heures, à une température de 4 à 6°C. Siphonnez la couche supérieure (1/10 du volume) et mélangez à fond le volume restant (9/10 du volume), puis déterminez la teneur en matière grasse des deux fractions. La différence de teneur en matière grasse entre les couches inférieure et supérieure, exprimée sous forme de pourcentage de la couche supérieure, est appelée indice d’homogénéisation.
Exemple : si la teneur en matière grasse est de 3,15% dans la couche supérieure et de 2,9% dans la couche inférieure, l’indice d’homogénéisation sera :
[(3,15 - 2,9)/3,15] x 100 = 7,9. L’indice du lait homogénéisé est compris entre 1 à 10.

 4- Les intérêts de l’homogénéisation HP

  • Augmenter la stabilité des mélanges (suspensions & émulsions) par une réduction de la taille des particules, ce qui ralenti les phénomènes de crémage et de décantation. On obtient aussi une meilleure homogénéité des mélanges grâce à une bonne dispersion des particules.
  • Mise en évidence des caractéristiques organoleptiques : car l’homogénéisation HP va disperser les éléments aromatiques et grâce à la micronisation augmenter les surfaces de contact avec les papilles gustatives.
    La structure « velouté » (des nectars, soupes…) et le gout « plein » sont des caractéristiques très recherchées par le consommateur.
  • Augmentation du degré de digestibilité : meilleure assimilation des principes nutritifs notamment pour les produits infantiles (petits pots blédina…) ou produits diététiques.

 5- Pour quels produits et quels process ?

 51- Quels produits ?

  • émulsions (lait entier stérilisé UHT, yaourt entier, crème laitière stérilisé UHT crème dessert,…)
  • suspensions (Nectars de fruits, soupes velouté, sauces ketchup, petits pots enfants,…),
  • mousses (mix de sorbet ou crème glacée)

 52- Cas de la sauce ketchup

Légendes du process Sauce Ketchup

  • 1 : Alimentation en amidon
  • 2 : Alimentation en ingrédients liquides
  • 3 : Cuves de mélange
  • 4 : Homogénéisateur HP
  • 5 : Pasteurisateur à plaques
  • 6 : Chambreur
  • 7 : Refroidisseur et dégazage par détente sous vide
  • 8 : Vers conditionnement

Analyse des étapes essentielles :

  • Mélange des ingrédients à T°C ambiante
  • Homogénéisation à T°C ambiante (P= 180 B)
  • Pasteurisation à 95°C – Chambrage = 30 sec. 2 objectifs : pasteurisation + cuisson de l’amidon (gélatinisation)
  • Refroidissement (70-80°C)-Dégazage (désaération) pour éviter l’oxydation et augmenter la densité pour faciliter le conditionnement.
  • Conditionnement à chaud.

 53- Cas du yaourt entier

Pour en savoir plus sur le process de fabrication du yaourt voir l’article sur le yaourt

Pour des raisons hygiéniques et pour éviter une contamination du lait, l’étape d’homogénéisation est généralement positionnée
avant le traitement thermique du mix ou au cours de sa montée
en température, vers 65-70 °C (ce qui ramollit les globules gras).
Le lait standardisé en matière grasse et matière sèche est préchauffé à 60°C puis envoyé dans l’homogénéisateur :

  • 200 Bars pour le premier étage : on a un effet de micronisation ; les globules gras voient leur taille passer de 4-5µm à 1µm.
  • puis 50 bars au niveau du 2ème étage ; cette contrepression permet de disperser les amas de fragments de globules gras qui ont tendance à se former à la sortie de la première tête d’homogénéisation.
  • . Le lait homogénéisé est ensuite pasteurisé à 95°C pendant 3 à 5 minutes, à l’issue de quoi il est refroidit à 45°C pour le préparer à l’ensemencement. Après le conditionnement, les pots sont étuvés à 45°C pendant 2.5 à 4H. Le refroidissement rapide des yaourts à 4°C puis leur stockage en chambre froide réfrigérée (4°C) terminent le process.
  • Contrôle qualité de l’homogénéisation du lait :
    Si l’homogénéisation s’est bien déroulée, la crème du lait ne remontera pas à la surface des yaourts (crémage).
    En outre, l’homogénéisation a aussi des effets positifs contre la synérèse du yaourt ( les yaourts homogénéisés exsudent moins de lactosérum)

 6- La machine

Les homogénéisateurs industriels HP sont constitués de deux éléments essentiels : un bloc de compression, qui permet de pomper le produit à haute pression ’pompe à 2 à 5 pistons), et une valve ou clapet d’homogénéisation qui micronise les particules dispersées de l’ordre des micromètres et des nanomètres, selon les caractéristiques du produit à obtenir et selon les résultats attendus.


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