GENIE INDUSTRIEL ALIMENTAIRE 2010 - 2011
Loubna FIRDAOUS IUT A – département Génie Biologique Laboratoire ProBioGEM Polytech’Lille, Aile C Tél: 03 20 41 75 65
[email protected]
Réception des matières premières
Entrée de l’usine
Liquide
Solide
Écoulement
Transport Séparation
Broyage
Mélange
Refroidissement
Chauffage
Évaporation Liquide – produit concentré – mélange liquide solides
Solide sec
Liquide Pasteurisation ou stérilisation
Pasteurisation ou stérilisation
Sortie de l’usine
Congélation
Déshydratation
Emballage
Solide
Solide congelé
OBJECTIFS DU COURS 1. Décrire un échangeur de chaleur et ses principes d’application 2. Appliquer les transferts thermiques au traitement des aliments 3. Évaluer un traitement thermique 4. Établir le bilan de matière et d’énergie dans le procédés de concentration par évaporation 5. Définir et évaluer les propriétés de l’air humide 6. Déterminer les conditions de séchage des aliments
TRANSFERTS THERMIQUES ET ECHANGEURS DE CHALEUR
Généralités sur les transferts de chaleur, théorie des échangeurs, différents types d’échangeurs de chaleur
Transferts thermiques Les échangeurs de chaleur dans l’industrie alimentaire: ♠ Pasteurisation pour les produits liquides (lait, jus…), ♠ Stérilisation pour les produits liquides (procédé UHT pour le lait), ♠ Refroidissement des liquides après stérilisation ou pasteurisation, suivi d’un conditionnement aseptique, ♠ Chauffage d’un liquide alimentaire dans un évaporateur, ♠ Chauffage d’un liquide alimentaire pour provoquer une réaction comme la réaction de Maillard entre les protéines de lait et le sucre lors de la fabrication des caramels, ♠ Etc…
Transferts thermiques Flux de chaleur Source CHAUDE Température ɵc
Chaleur
ɸ
Source FROIDE
(Avec ɵc > ɵf)
Température ɵf
Modes de transmission de la chaleur ♠ Conduction : transfert dans la masse (solides) Le transfert se fait sans déplacement des particules de matière les unes par rapport aux autres.
♠ Convection : transfert par transport (fluides) Le transfert implique le mouvement des particules de matière.
♠ Rayonnement : transfert à distance Les corps émettent de l’énergie par leur surface sous forme de radiations électromagnétiques.
Transferts thermiques Combinaison des différents modes de transfert de chaleur Transfert de chaleur entre deux fluides dans un échangeur de chaleur Convection forcée
ɸ
Fluide froid
Conduction Fluide chaud
Convection forcée Entre le fluide chaud et la paroi intérieure du tube
Convection forcée
+
Conduction Dans le tube
+
Convection forcée Entre le fluide froid et la paroi extérieure du tube
Transferts thermiques Notion de la résistance thermique Électricité
Transfert de chaleur
U
∆T Tc
R
Rth
I Différence de potentiel U Intensité du courant (flux d’électrons) I Résistance électrique R Loi d’Ohm U=RI
Résistance thermique
TF
ɸ Différence de température entre les sources chaude et froide ∆T=TC-TF Flux de chaleur ɸ Résistance thermique Rth Par analogie avec l’électricité ∆T=Rthɸ
ΔT R th = Φ
Transferts thermiques Définitions ♠ Chaleur spécifique, Cp : Quantité de chaleur nécessaire pour produire une augmentation
de température de 1 degré.
Unité SI : KJ.Kg-1.K-1 En absence d’un changement d’état, la quantité de chaleur Q nécessaire à la masse m pour augmenter de la température T1 à la température T2 : ṁC ṁF TC1 TF2
Q = mC p (T2 − T1 )
Bilan énergétique
TC
TF Q
ṁC TC2
ṁF TF1
•
•
•
Q = m C C p (TC1 − TC 2 ) = m F C p (TF 2 − TF 1 )
Transferts thermiques Définitions ♠ Conductivité thermique, κ : Mesure la facilité avec la quelle la chaleur circule à travers un matériau.
Unité SI : W.m-1.K-1 •
Q=
Loi de Fourrier
κAΔT e
La conductivité thermique intervient dans les transferts de chaleur par conduction. ♠ Diffusivité thermique, α : Définit la vitesse avec laquelle la chaleur diffuse par conduction à travers un matériau composite.
Unité SI : m2.s-1
κ α= ρC p
Transferts thermiques ♠ Coefficient de transfert de chaleur, h : propriété thermique associée au transfert de chaleur par convection.
Unité SI : W.m-2.K-1
Q = hA(T1 − T2 ) Le coefficient de transfert de chaleur h dépend de la vitesse de circulation du fluide, des propriétés du fluide, des caractéristiques de surface du solide et de la géométrie de la situation.
Transferts thermiques Transfert de chaleur entre deux fluides séparés par une paroi : coefficient de transfert de chaleur global 2 modes de transfert de chaleur : convection et conduction e
Le transfert de chaleur entre les fluides chaud et froid se réalise en 3 étapes en série: T1
•Convection entre le fluide chaud et la paroi intérieure •Conduction dans la paroi •Convection entre le fluide froid et la paroi extérieure
T2 Fluide chauffant TC, hC
κ Fluide chauffé TF, hF
Échangeurs de chaleur Un échangeur de chaleur est un appareil où s’effectuent des échanges thermiques d’un fluide à un autre fluide. Ces échanges se font par l’intermédiaire d’une paroi. Échangeurs compacts
Échangeurs tubulaires Échangeur double tube
Surface d’échange importante
Échangeur à faisceau tubulaire
Échangeurs de chaleur Types de fonctionnement Co-courant
TF2
Fluide chaud
TC1
TC2
Fluide froid
TF1
Contre-courant
TF1
Fluide froid
Fluide chaud
TC1
TC2
TF2
Échangeurs de chaleur TC1
TC1 Fluide chaud
TC2 TF2
∆T1
∆T2
∆T1
Fluide chaud
TC2 ∆T2
TF1
Fluide froid
Fluide froid
TF1 Co-courant
Contre-courant
Profils de température dans un échangeur tubulaire
Relation générale de transfert de chaleur
Φ = U e Ae ΔTm
TF2
TRAITEMENTS INDUSTRIELS DE DESTRUCTION THERMIQUE DES MICRO-ORGANISMES
Lois de destruction thermique, stérilisation, pasteurisation
Traitements thermiques
Eau
Sol
Air
Emballages
Mains
Matières premières
Insectes Surfaces
Animaux
Objectifs des traitements thermiques
1) Stabilisation biologique des aliments, c’est-à-dire à la destruction des micro-organismes sous forme végétative ou sporulée (bactéries, levures et moisissures) ¾ Engendrant la détérioration ¾ Pathogène (rend malade) ¾ Toxinogène (empoisonne) 2) Aucune modification sensorielle (couleur, odeur, goût, texture), 3) Conservation des valeurs nutritives (vitamines, acides aminés, acides gras non saturés, produits minéraux, oligo-éléments)
Stérilisation et pasteurisation La stérilisation et pasteurisation se distinguent par leur intensité et leurs objectifs : La stérilisation : traitement thermique relativement long à haute température, supérieure à 100°C (105°C à 130°C), capable de détruire toutes les formes microbiennes présentes, y comprises les formes sporulées. ¾ légumes, potages ¾Conserves de viande, conserves de poisson ¾Plats cuisinés, pâtes cuisinées
La pasteurisation : traitement thermique court à basse température (entre 70°C et 100°C) visant la destruction des formes végétatives thermosensibles (levures, moisissures et bactéries végétatives) qui, si le pH le leur permet, peuvent germer et altérer le produit. ¾Condiments, jus de fruits, confitures ¾ Produits laitiers pasteurisés, pâtés de viande, foie gras, légumes précuits
Notions de thermobactériologie Thermobactériologie = Etude de l’impact des traitements thermiques sur la survie ou la destruction des différentes formes de micro-organismes.
Loi cinétique de destruction
dN = −kN dt
N (cellules vivantes/mL)
N0
N : concentration en cellules vivantes à un instant t, dN : variation de la population au cours du traitement de durée dt, à la température fixée et maintenue constante, K : constante de la vitesse de la réaction.
0
Temps
Loi cinétique du premier ordre
Notions de thermobactériologie Destruction thermique en fonction de la durée du traitement
DT est le temps nécessaire pour détruire 90% des microorganismes
N (cellules vivantes/mL) N0
10n 10n-1
⎛ N0 ⎞ t = DT log⎜ ⎟ ⎝ N ⎠
10n-2 10n-3 0
DT Temps
Courbe de survie des micro-organismes à une température de traitement donnée
Notions de thermobactériologie Destruction thermique en fonction de la température N (cellules vivantes/mL) La vitesse de destruction des micro-organismes augmente avec la température.
N0
10n T1>T>T2
10n-1 10n-2
T1
T
T2
10n-3 0
t1
t
t2
Temps
Notions de thermobactériologie Destruction thermique en fonction de la température
log DT 1 − log DT 2
T2 − T1 = Z
15
Ou
DT 1 = 10 DT 2 DT1,
DT2
Temps (min)
T2 −T1 Z
: durées de réduction décimale observées respectivement aux températures T1 et T2, Z : paramètre d’activation thermique; augmentation de la température permettant de réduire la durée du traitement thermique au dixième de sa valeur, F : temps en minutes permettant d’obtenir la stérilité recherchée lorsque le chauffage est conduit à 121,1 °C.
z 10
F 1
110
115
120 121,1
Température (°C) Courbe de destruction thermique
Notions de thermobactériologie Choix de températures de référence :
DT = DTref 10
Tref −T Z
Tref : température de référence choisie comme « point central » de
comparaison des traitements, DTref : (min) durée de réduction décimale de la cible à la température Tref.
Valeurs stérilisatrices :
Traitement isotherme
F = t.10
T −121,1 Z
Notions de thermobactériologie Résistance des micro-organismes Groupe des micro-organismes
Résistance à la chaleur (minutes) D121,1°C
1. Aliments faiblement acides (pH>4,6) Thermophiles • Bacillus stearothermophilus • Clostridium thermosaccharolyticum • Clostridium nigrificans Mésophiles • Clostridium botulinum • Clostridium sporogenes 2.Aliments acides Thermophiles •Bacillus coagulans Mésophiles •Bacillus polymyxa et Bacillus macerans •Clostridium pasteurianum 3. Aliments hautement acides (pH<4) • Lactobacilles, moisissures et levures
D100°C
D65°C
4,00 à 5,00 3,00 à 4,00 2,00 à 3,00 0,10 à 0,20 0,10 à 1,50
0,01 à 0,07 0,10 à 0,50 0,10 à 0,50 0,50 à 1,00
Plus D est grand, plus le micro-organisme est résistant à la chaleur
Notions de thermobactériologie Log N
Courbe de survie des micro-organismes à une température de traitement donnée
4
⎛N ⎞ t = DT log⎜ 0 ⎟ ⎝ N ⎠
3 2 DT
Temps (min)
Log DT 1
DT (min) est le temps nécessaire pour détruire 90% des micro-organismes (temps de réduction décimale), elle est exprimée en minutes. Courbe de destruction thermique
log DT 1 − log DT 2 =
0
T2 − T1 Z
Z (°C) paramètre d’activation thermique; augmentation de la température qui diminue la valeur D de 90%.
-1 Z
T (°C)
Outils d’évaluation des traitements thermiques Afin de permettre une comparaison facile de différents traitements (isothermes ou non isothermes), la valeur stérilisatrice « F » est définie comme une « échelle d’intensité de traitement thermique ».
Hypothèses: 1. La destruction thermique des spores microbiennes présente une valeur de Z proche de 10°C; 2. La température de 121,1°C (250 °F) est retenue comme référence internationale pour la stérilisation; 3. La valeur stérilisatrice totale d’un traitement non isotherme peut être exprimée comme la somme des valeurs stérilisatrices de chaque instant passé aux différentes températures.
Outils d’évaluation des traitements thermiques Valeurs stérilisatrices :
t
Traitement non isotherme de durée t
F = ∫ 10
T −121,1 Z
dt
0
Avec T=f(t)
Mesure instrumentale ou exploitation graphique
n
F = ∑10
Ti −121,1 Z
i =1
Formule de Bigelow, Tref=121,1°C, z=10
Δt
Traitements industriels de destruction thermique des micro-organismes Les appareils industriels: autoclaves discontinus
♠ Enceintes fermées hermétiquement ♠ Alimentation en fluide chauffant (chaudière) ♠ Alimentation en air comprimé (compresseur) ♠ Alimentation en eau froide ♠ Échangeurs ♠ Régulateurs
Traitements industriels de destruction thermique des micro-organismes Évolution des températures en stérilisation
Milieu chauffant : vapeur, vapeur +air, eau surchauffée en immersion ou en ruissellement, etc. Température>110°C Comportement thermique des aliments en stérilisation ֥ Diffusion de chaleur par convection : mode de chauffage rapide, températures homogènes, produits liquides (sauces à faible viscosité, graisses…) ou particules solides de petite dimension dans un liquide (petits pois, petits fruits au sirop…) Convectif
֥ Diffusion de chaleur par conduction : mode de chauffage lent, températures rarement homogènes, aliments solides (pâtés, foie gras…), en purée épaisse (épinards hachés…), liquides de viscosité très élevées (soupe de poissons…) Conductif
֥ Comportement thermique mixte : échauffement par convection et par conduction, produits constitués par de grosses particules dans un liquide (poireaux, cœurs de céleri…) ou dans une sauce (coq au vin, bœuf en daube…) Mixte
Traitements industriels de destruction thermique des micro-organismes Représentation graphique des différentes phases d’un traitement discontinu classique Autoclave
Liquide
Cycle comportant 4 phases :
Température (°C)
T1 Solide
T0 CUT
T1 CUT T0
Barèmechauffage
(°C) (min) (°C)
♠ Purge de l’autoclave ♠ Montée en température ♠ Maintien de la température ♠ Refroidissement
Temps Refroidissement
: température constante de régime de l’autoclave, : Come Up Time ou délai de mise en régime, : température initiale au point critique du produit.
Traitements industriels de destruction thermique des micro-organismes Évolution des températures en stérilisation
140
Température (°C)
120 100 80 60 40 20 0 0
20
40
60
80
Temps
Traitements industriels de destruction thermique des micro-organismes Caractérisation de l’évolution de la température : j et fh Log(T1-T) 10
Log(T1-T*) 1 0
Temps (min) 1 unité Log
20
40
60
fh 0,1
Courbe de pénétration de chaleur au chauffage
La partie linéaire de la courbe est caractérisée par sa pente et son ordonnée à l’origine qui représente un écart (T1-T*).
Traitements industriels de destruction thermique des micro-organismes Caractérisation de l’évolution de la température : j et fh Équation de la courbe de pénétration de chaleur au chauffage :
1 log(T1 − T ) − log(T1 − T ) = t fh *
Définition du paramètre j :
T1 − T * t = f h log T1 − T
T1 − T * j= T1 − T0
Facteur de retard
⎡ T1 − T0 ⎤ t = f h log ⎢ j ⎥ − T T ⎣ 1 ⎦ La phase de chauffage est entièrement définie par les valeurs T1 et T0 connues de l’opérateur et les paramètres fh et j mesurés expérimentalement.
•fh
s’exprime en min et représente la vitesse de pénétration de la chaleur dans un couple emballage/produit donné. Elle est reliée à la fois aux caractéristiques de diffusion de chaleur (convection et/ou conduction) et à la géométrie de l’emballage.
•j
(sans dimension) exprime le caractère plutôt convectif (j est alors proche de 1) ou plutôt conductif (j se rapproche de 2) du chauffage.
Traitements industriels de destruction thermique des micro-organismes Calcul des barèmes de stérilisation Un barème de stérilisation est défini par la durée tc et la température de palier TR de la phase de chauffage. Il doit combiner à la fois: •La définition de l’objectif d’intensité thermique/efficacité décontaminante à atteindre : valeur stérilisatrice objective F0; •La prise en compte de la vitesse de pénétration de la chaleur dans le produit; •Le choix de la température de traitement en palier; •La température initiale du produit; •Les caractéristiques du matériel (autoclave) mis en œuvre.
Traitements industriels de destruction thermique des micro-organismes Calcul des barèmes de stérilisation ֥ Caractéristiques thermiques du couple produit/emballage ֥ Choix de la température de travail
Définition de la durée du barème
֥ Méthode de Bigelow (méthode graphique) : courbe d’évaluation du facteur de Bigelow en fonction du temps, ne nécessite pas la connaissance de fh et j; (méthode graphique)
֥ Méthode de Ball (méthode prédictive) : nécessite la connaissance de fh et j, requiert l’usage des tables de Ball.
Traitements industriels de destruction thermique des micro-organismes Calcul des barèmes de stérilisation: méthode de Bigelow
F0 Temps (min)
Température constante
Facteur de Bigelow
10T‐121,1/Z
10T‐121,1/Z
Fb = 10
T −121,1 Z
F0 Temps (min)
Température variable
Traitements industriels de destruction thermique des micro-organismes Calcul des barèmes de stérilisation: méthode de Ball 1. Données : T1, T0, F 2. Détermination des paramètres de pénétration de chaleur : fh, j (obtenus à partir d’un relevé de température obtenu dans des conditions expérimentales strictes) 3. Détermination de fh/U :
fh fh = 10 U F
T1 −121,1 10
4. Détermination de log g à partir de la table de Ball 5. Calcul de B : 6. Détermination de Bt :
⎡ T −T ⎤ B = f h log ⎢ j 1 0 ⎥ ⎢⎣ T1 − Tg ⎥⎦
Bt = B − 0,42CUT
Traitements industriels de destruction thermique des micro-organismes Valeurs de D et Z pour certains microorganismes Température de référence (°C)
D
Z (°C)
Clostridium Botulinum
121,1
0,2 min
10
Clostridium Sporogenes
121,1
0,1 à 1,5 min
10
Mésophiles dans le lait entier
121,1
11 s
10,5
Thermophiles le lait entier
dans
121,1
25 s
10,5
Mésophiles dans la crème à 30%
121,1
31 s
10,5
Thermophiles dans la crème à 30%
121,1
46 s
10,5
Microorganismes
Traitements industriels de destruction thermique des micro-organismes La pasteurisation Action par voie thermique sur la flore d’un produit ֥ Objectif bactériologique ♠ Détruire la flore pathogène ♠ Réduire la flore banale ♠ Éviter de nouvelles proliférations ♠ Éviter les recontaminations ֥ Objectif organoleptique ♠ Respecter l’intégrité du produit ♠ Préserver ses qualités
Traitements industriels de destruction thermique des micro-organismes Exemples de barèmes de pasteurisation Aliments
Durée
Température (°C)
30 min 15 à 40 s 1à4s
62 à 65 °C 71°C 85 à 90°C
16 à 20 s
85°C
Vin et bière
1 à 2 min
80 à 90°C
Jus pasteurisé dans un échangeur de chaleur
30 à 60 s
90°C
3,1 min
60°C
Lait
Mélange glacée
pour
crème
Œufs liquides entiers
Traitements industriels de destruction thermique des micro-organismes Pasteurisation : modalités de mise en oeuvre
Pasteurisation en batch
Pasteurisation en continu
Traitements industriels de destruction thermique des micro-organismes Pasteurisation en batch
♠ Barème de stérilisation : 63°C, 30 min ♠ Chauffage du produit dans une large cuve ♠ Contrôle et affichage de la température ♠ Agitation pour un chauffage régulier ♠ Cycles de chauffage et de refroidissement automatisés ♠ Nettoyage manuel
°C
Traitements industriels de destruction thermique des micro-organismes Pasteurisation en continu
♠ Barème de stérilisation : >70°C, 10-40 s ♠ Grands débits, économies d’énergie par récupération ♠ Faible volume des circuits
courte durée de séjour
Traitements industriels de destruction thermique des micro-organismes Pasteurisateurs à plaques
♠ Fonctionnement : les échangeurs sont constitués de plaques ondulées ne ménageant qu’un passage mince entre plaques pour les fluides. La surface d’échange est composée de ces plaques métalliques, équipées de joints, serrées les unes contre les autres. Les ondulations accroissent la turbulence des fluides, les joints préviennent les fuites. ♠ Avantages : Grande compacité, démontage facile, possibilité de modification de la surface d’échange. ♠ Inconvénients : Faible nettoyabilité, ne convenant pas pour le traitement de fluides visqueux ou contenant des morceaux solides.
Traitements industriels de destruction thermique des micro-organismes Pasteurisateurs à plaques
Plateau fixe, plateau mobile
Traitements industriels de destruction thermique des micro-organismes Pasteurisateurs à plaques : récupération de chaleur
T0
T3
T2
T1 T0 Refroidissement
Récupération de l’énergie
Chauffage
T2
T1 −T 0 R= T 2−T0
Le taux de récupération est la quantité de chaleur récupérée rapportée à la quantité de chaleur totale nécessaire pour chauffer le produit.
Concentration par évaporation Point critique
Notions de base Pression de vapeur d’eau Quelle que soit la température, l’eau liquide exerce une certaine pression de vapeur d’eau.
7258,2 ⎛ ⎞ − 7,3037 ln(T ) + 4,1653.10 −6.T 2 ⎟ p = exp⎜ 73,649 − T ⎝ ⎠ Relation valable entre 273,15 K et 674 K ( de 0 à 374°C)
T : température (K) p : pression absolue (Pa)
Relation entre la température de l’eau et la pression de vapeur d’eau
Concentration par évaporation Notions de base Température d’ébullition de l’eau (absence de solutés)
L’eau pure est dite « à sa température d’ébullition d’équilibre » quand la pression de vapeur exercée par celle-ci est égale à la pression ambiante.
θ=
1168,4 + 228,42 ln( p ) 11,727 − ln( p )
θ : température (K) p : pression absolue (bar)
Lien pour l’eau entre température et pression dans le domaine des basses pressions
Concentration par évaporation Notions de base Enthalpie de l’eau liquide L’enthalpie est la quantité d’énergie contenue dans un corps. Par convention, l’origine de l’échelle des enthalpies est l’eau liquide à 0°C. L’enthalpie de l’eau liquide est déterminée à partir de la capacité thermique massique et de la température: θ °C
(H L.eau )θ
=
∫ (C
) dθ
p .eau θ
0° C
Chaleur latente de vaporisation La chaleur latente de vaporisation représente la quantité d’énergie qu’il faut fournir pour passer une quantité de solvant de l’état liquide à sa température de vapeur saturante à l’état vapeur saturée. La connaissance des enthalpies de l’eau bouillante et de la chaleur latente de vaporisation à la température de vapeur saturante permet de déterminer l’enthalpie de la vapeur saturante :
H v.saturée = H L.eau .bouillante + ΔH vap.eau
Concentration par évaporation Évaporation : définition L’évaporation est l’opération consistant à concentrer une solution ou une suspension de composés essentiellement non volatils « matière sèche » par ébullition du solvant qui est lui volatil (en général l’eau). Évaporation : objectifs ♠ Pré-concentration d’un aliment liquide avant séchage, congélation ou stérilisation pour la diminution du poids et du volume; ♠ Augmentation de la teneur en matières sèches (confiture, mélasse, sirop d’érable…) pour la diminution de l’activité de l’eau et par conséquent la conservation du produit; ♠ Réduction du volume et du poids pour diminuer les coûts de transport, d’emballage et de stockage (concentrés de jus de fruits, lait, extraits de viande, etc.); ♠ Concentration pour changer la saveur et la couleur de l’aliment (bonbon au caramel, sirop caramélisé).
Concentration par évaporation Circuits d’un évaporateur simple effet ֥ Circuit de la vapeur de chauffage : Introduction de la vapeur de chauffage dans la partie « chauffe », transfert de chaleur vers le produit et condensation de la vapeur de chauffage via des purgeurs ou une pompe connectés dans la partie basse de la zone de chauffe; ֥ Circuits du liquide à concentrer et de la vapeur émise; ֥ Circuit de condensation de la vapeur émise et obtention du vide : aspiration de la vapeur émise vers un système de condensation, fonctionnement sous vide pour obtenir l’ébullition du produit (IAA) à une température suffisamment basse pour limiter sa dégradation; ֥ Circuit de refroidissement de l’eau de condensation : élimination d’une manière satisfaisante la chaleur afin d’assurer le vide.
Concentration par évaporation Principe d’un évaporateur simple effet L0 : entrée solution d’alimentation (produit à concentrer) xL0
Dispositif de répartition
Échangeur de chaleur V0 : vapeur de chauffage
C1 : condensats issus de V0
VE1 : vapeur émise par le produit
Séparateur
L1 : sortie produit concentré xL1
Concentration par évaporation Calcul des évaporateurs : écriture des bilans V0
Vapeur
mV0=kg/h TV0=°C HV0=KJ/Kg
C1
VE1 mVE1=kg/h TVE1=°C HVE1=KJ/Kg
Liquide à concentrer
mC1=kg/h TC1=°C HC1=KJ/Kg
L0 mL0=kg/h xL0=% TL0=°C HL0=KJ/Kg
L1 mL1=kg/h xL1=% TL1=°C HL1=KJ/Kg
Schématisation de l’évaporateur pour l’écriture des bilans
Concentration par évaporation Bilan matière sur l’évaporateur Le bilan matière d’un évaporateur est relativement simple à établir puisqu’il répond à l’équation suivante: Solution d’alimentation = solution concentrée + eau évaporée
Bilan matière côté liquide •
•
•
m L 0 = m L1 + mVE1 Bilan matière côté vapeur •
•
mV 0 = mC1 Bilan matières sèches
•
•
m L 0 xL 0 = m L1 xL1
Concentration par évaporation Bilan énergétique sur l’évaporateur Pour établir le bilan énergétique, on écrit l’égalité de l’énergie thermique totale des éléments entrants et de celle des éléments sortants. Débit d’enthalpie entrante = Débit d’enthalpie sortante ֥ À l’entrée : ¾L’enthalpie massique de la solution d’alimentation : HL0 ¾L’enthalpie massique de la vapeur de chauffage : HV0 ֥ À la sortie : ¾L’enthalpie massique de la solution concentrée : HL1 ¾L’enthalpie massique des vapeurs émises : HVE1 ¾L’enthalpie massique du condensat des vapeurs de chauffe : HC1
•
•
•
•
Q = mV 0 ΔH V 0 = mL 0 (H L1 − H L 0 ) + mVE1 ΔH VE1
Concentration par évaporation Bilan sur le condenseur VE1 mVE1=kg/h TVE1=°C HVE1=KJ/Kg
C2 mC2=kg/h TC2=°C HC2=KJ/Kg
•
•
Sortie eau
Vapeur émise
mE2=kg/h TE2=°C HE2=KJ/Kg
Eau de refroidissement
•
Entrée eau mE1=kg/h TE1=°C HE1=KJ/Kg
Q c = mVE1 ΔH VE1 = mE C p (TE 2 − TE1 )
Concentration par évaporation Surface du condenseur
•
Qc Ac = hc ΔTutile
Surface du condenseur = f(hc, ∆Tutile)
hc : coefficient de transfert moyen du condenseur;
∆Tutile : écart logarithmique moyen de température entre la vapeur en condensation et l’eau.
ΔTutile
( TVE1 − TE1 ) − (TVE1 − TE 2 ) = = ⎛ TVE1 − TE1 ⎞ ⎟⎟ ln⎜⎜ ⎝ TVE1 − TE 2 ⎠
TE 2 − TE1 ⎛ TVE1 − TE1 ⎞ ⎟⎟ ln⎜⎜ ⎝ TVE1 − TE 2 ⎠
Concentration par évaporation Estimation du coefficient de transfert de chaleur global Vapeur de chauffage
Paroi
•
Q=h
G
AΔT
∆T Liquide à concentrer
hV hp hL
Q: flux de chaleur échangée pour l’évaporateur (W) hG : coefficient de transfert global de chaleur de l’évaporateur (W.m-2.°C-1) ∆T : écart de température utile au transfert de l’évaporateur (°C)
ΔT = TV 0 − TL1 1 1 1 1 1 ep 1 = + + = + + hG hV h p hL hV λ p hL
Concentration par évaporation Efficacité énergétique L’efficacité énergétique est liée au rapport suivant :
Débit d’eau évaporée (t/h) Efficacité énergétique =
Débit de vapeur de chauffage (t/h)
mVE Efficacité = mV 0
Concentration par évaporation Évaporation simple effet Vapeur de chauffe V0
TE2: eau
VE1
tiède
Condenseur
TE1: eau froide
C2
C1 Alimentation produit L0, xL0
L1=produit concentré, xL1
Évaporation à multiple effet Vapeur de chauffe V0
VE1
VE2
TE2: eau
VE3 Condenseur
tiède
TE1: eau C1
C2 L1, xL1
Alimentation produit L0, xL0
C3 L2
CC
froide
L3=produit concentré, xL3
Concentration par évaporation Évaporation multiple effet Comparaison des paramètres de fonctionnement d’évaporateurs à simple et à multiple effet pour l’évaporation de 1000 Kg d’eau
Vapeur de chauffage consommée (Kg) Vapeur émise rejetée (Kg) Condensats à 100°C Condensats retournés à la chaudière (% en masse)
Simple effet
Double effet
Triple effet
1230 1000 1121
680 456 1136
490 281 1209
91
167
246
Consommation de vapeur de chauffage Augmentation du nombre d’effets pour une même évaporation
Quantité de vapeur rejetée Quantité d’eau pouvant être retournée à la chaudière Coût d’investissement de l’installation
Séchage des aliments Définition Le séchage est l’opération ayant pour but d’éliminer, par évaporation, l’eau d’un corps humide (solide ou liquide), le produit final obtenu étant toujours un solide.
Objectifs ♠ Accroître la durée de conservation des produits; ♠ Amortir le caractère saisonnier de certaines activités; ♠ Diminuer la masse et le volume des aliments, pour réduire leur encombrement et faciliter leur transport; ♠ Donner une présentation, une structure ou une fonctionnalité particulière au produit (flocons de purée de pomme de terre, café lyophilisé); ♠ Stabiliser des co-produits industriels pour l’alimentation animale (pulpes de sucrerie, drêches de brasserie, farine de viande et de poisson, lactosérum…).
Problèmes techniques liés au séchage ♠ Risque d’altération du produit (forme, texture, qualités nutritionnelles); ♠ Consommation énergétique considérable.
Séchage des aliments
Produits agricoles peu hydratés Céréales, graines oléagineuses, etc. (séchage complémentaire de stabilisation) Produits agricoles très hydratés Laits et dérivés, fruits et légumes, plantes aromatiques et médicinales, (allègement et stabilisation) viandes et poissons, œufs et dérivés, etc. Produits issus de transformations Extraits de café et de thé, pâtes industrielles (stabilisation et alimentaires, charcuteries, sauce, sucre, etc. présentation) Sous-produits industriels
Pulpes de betteraves, drêches de brasseries, lactosérum, etc.
Principaux types de produits agricoles et alimentaires séchés
Séchage des aliments Produit =
matière sèche Non volatile, reste constante au cours du séchage
+
eau Se vaporise et quitte le produit sous forme de vapeur
Vapeur émise
1 Kg
W2 final
W1 initial (Kg d’eau par Kg de produit) Mat.sèche P1 (débit mp1) état initial (base humide)
Mat.sèche Mat.sèche P2 (débit mp2) état final
Teneur en eau finale (base humide)
Séchage des aliments Teneur en eau du produit X (Kg d’eau par Kg de matière sèche) Total : (1+X) Kg 1 Kg
W initial (Kg d’eau par Kg de produit) Mat.sèche (1-W) W base humide
W X= 1−W
1 Kg de matière sèche
X base sèche
X W= 1+ X
Séchage des aliments Conservation de la matière sèche ֥ Avec la notation en W
•
•
m p1 (1 − W1 ) = m p2 (1 − W2 ) ֥ Avec la notation en X
• 1 1 m P1 = m P2 X +1 X +2 •
Séchage des aliments Notion d’équilibre et d’activité de l’eau Eau libre
H20g H20g
Constituants organiques, minéraux et eau liée
aw
H20g
HR
Solide humide
Atmosphère
Activité de l’eau
À l’équilibre
H20g
HR = aw
a
w
=
Tair = Tproduit
P Pe
Séchage des aliments Notion d’équilibre et d’activité de l’eau Air HR = 60%
Eau Produit sec (biscuit, poudre, etc…) 0,2
Eau Produit humide (légumes, viandes, etc…) 0,9
aw = 0,6 Produit en équilibre avec l’air
Relation entre l’activité de l’eau et l’humidité de l’air
Séchage des aliments Notion d’équilibre et d’activité de l’eau Micro-organismes
aw minimale
Bactéries
0,910
Levures
0,187
Moisissures
0,70
Valeurs minimales de l’activité de l’eau permettant la croissance des principaux types de micro-organismes
Le séchage permet d’obtenir un produit stable, mais non stérile!
Séchage des aliments Séchage convectif par air chaud, par entraînement
Air A de séchage (chaud et sec) : Ta, εa, va
Flux de chaleur
Transfert de chaleur
Produit
Produit humide : Tp, Xp, mp Flux de matière
Transfert d’eau
Ta>Tp
Séchage des aliments Propriétés de l’air humide : diagramme enthalpique de l’air humide Le diagramme enthalpique de l’air humide permet de représenter toutes les propriétés d’un air donné (humidité relative εa, teneur en eau Ya, enthalpie Ha, etc.) par un point caractéristique tel que A, à partir de deux données.
¾Humidité absolue (teneur en eau)
¾Humidité relative (taux de saturation)
mV YA = m AS
mV ε= mVsat
Séchage des aliments Température humide Ts (sec) en amont
Air humide
Th (humide) en aval
Air à caractérise r
Principe de fonctionnement d’un psychromètre L’air humide circule dans la canalisation où il rencontre successivement un thermomètre normal s, dit thermomètre sec donnant une température Ts (température sèche), puis un thermomètre h, dit thermomètre humide, entouré d’une mèche imbibée d’eau liquide. Le séchage de la mèche humide fait que ce second thermomètre indique une température Th
Séchage des aliments Bilan sur les séchoirs
Y2, Ha2 P1
A2
ma ms X1
ms
Séchoir Y1, Ha1
X2 A1
ma Chauffage de l’air Y0, Ha0
ma
A0
P2
Séchage des aliments Bilan de l’eau L’eau que perd le produit est gagnée par l’air, le débit d’eau s’écrit alors : •
•
•
meau = ma (Y2 −Y1) = ms ( X1 − X2 ) Bilan enthalpique •
•
•
•
m a H a1 + m p1 H P1 = m a H a2 + m p2 H p2 Le bilan de l’eau et le bilan enthalpique dans un sécheur permet de calculer la quantité d’air nécessaire au séchage du produit. Consommation énergétique Elle correspond à la quantité de chaleur à fournir à un séchoir pour sécher 1 Kg d’eau (J.Kg-1)
