- OOppéérraattiioonnss de conversion Volume 1: - TTeecchhnniiqquueess ddee pprréésseerrvvaattiioonn Opérations Unitaires des Industries Agroalimentaires OPERATIONS UNITAIRES DES INDUSTRIES AGROALIMENTAIRES Par SSSSeeeerrrrggggeeee EEEE.... TTTTIIIIEEEENNNNTTTTCCCCHHHHEEEEUUUU B.Sc in Chemistry Master of Engineering in Food Processing Engineering Consultant © 2016 par TIENTCHEU E. Serge, collection Lavoie. 1st edition. Tous droits réservés. Selon la Loi N° 2000/011 du 19 décembre 2000 relative au droit d’auteur et aux droits voisins, en son Art. 80, est constitutive de contrefaçon : toute exploitation d’une œuvre littéraire ou artistique faite en violation de la présente loi, par représentation, reproduction, transformation ou distribution par quelque moyen que ce soit ; toute reproduction, communication au public ou mise à la disposition du public par vente, échange… réalisées sans l’autorisation, lorsqu’elle est exigée, de l’artiste-interprète; toute atteinte au droit à la paternité et au droit à l’intégrité de la prestation de l’artiste-interprète. Opérations Unitaires des Industries Agroalimentaires Tout procédé chimique, élaboré à toute échelle, peut être décomposé en une série ordonnée de ce qui peut être appelé opérations unitaires, comme : la pulvérisation, le séchage, la cristallisation, la filtration, l’évaporation, la distillation etc.… Le nombre de ces opérations unitaires n’est pas élevé et, généralement, seulement quelques-unes d’entre-elles interviennent dans un procédé déterminé. Arthur D. Little (MIT-1915) C’est avec ces mots du Professeur Arthur D. Little de l’Institut de Technologie du Massachusetts que je commence ce livre tout en ayant conscience que vous ne l’auriez pas, actuellement dans les mains, si votre expérience de vie (formations, désirs profonds, pensées…..) ne vous avait pas préparé à recevoir les connaissances qu’il regorge. Les opérations unitaires mises en œuvre dans les différentes industries de procédés constituent la colonne vertébrale de tout enseignement scientifique dont devrait bénéficier tout étudiant qui désire profondément évoluer dans les méandres du génie des procédés. Elles constituent l’application des trois concepts fondamentaux qui sous-tendent les phénomènes de transport à savoir : le transfert de matière, le transfert de chaleur et le transfert de la quantité de mouvement (écoulement des fluides). Développées originellement pout les liquides et gaz (fluides Newtoniens), ces théories sont appliquées, depuis plusieurs décennies, dans les industries agroalimentaires où l’on manipule les substances non-Newtoniennes et une adaptation a donc été nécessaire. Au cours des précédentes années où j’ai eu l’heureux privilège, il faut le dire, de me retrouver devant de jeunes étudiants avides de connaissances et pleins d’enthousiasme, quel n’a pas été mon agacement face à la triste réalité dont ils sont confrontés : une indisponibilité avérée et même caractérisée de documents scientifiques écrits en langue française et, non pour le moins à la portée de leurs bourses, qui leur permettrait d’assimiler avec beaucoup plus d’aisance et moins de gymnastiques intellectuelles, les précieuses notions qu’ils souhaitent tant acquérir. J’ai, pour ainsi dire, dû prendre mes responsabilités (en effet ne suis-je pas également Opérations Unitaires des Industries Agroalimentaires responsable de cet état de choses ?). Il fallait mettre à la disposition de ces nombreux talents qui toquent aux portes des institutions offrant cet ordre d’enseignement, un outil susceptible d’étancher, ne serait ce qu’au millième, leur soif de connaissances. Ainsi est donc née l’idée d’écrire l’ouvrage « Opérations Unitaires des Industries Agroalimentaires » ; celui que vous avez dans les mains est le premier volume consacré aux opérations de conversion (04 chapitres) et aux techniques de préservation (06 chapitres). Un (01) chapitre supplémentaire, qui est en réalité une opération préliminaire, y a été inséré en raison de son importance dans la compréhension de la notion d’un régime d’écoulement qui est exploitée dans les autres chapitres : c’est le chapitre 2 dédié au transport des aliments fluides. Les principes théoriques que renferme ce volume fournissent des informations et aptitudes pour opérer, optimiser et innover les procédés rencontrés dans les industries chimiques, pharmaceutiques et agroalimentaires ; on cite : la réduction de taille des particules (chapitre 1) qui aboutit à une mouture ayant des propriétés particulières souhaitées ; le mélange & l’agitation (chapitre 3) où un transfert de matière entre phases a lieu pour aboutir à une uniformité locale (liquides) ou une uniformité globale (solides) ; la cuisson-extrusion (chapitre 4) où la denrée alimentaire est extrudée sous haute pression avec un supplément de chaleur, causant la gélatinisation de l’amidon et autres effets de cuisson, tout en la forçant à passer à travers une filière ; la réfrigération (chapitre 7) ou diminution de la température du produit suivie par un stockage à la température de réfrigération afin de contrôler la croissance des microorganismes de détérioration et réaliser l’augmentation de la durée de vie souhaitée, la congélation qui correspond à un enlèvement de l’énergie thermique additionnelle conduisant à la réduction des températures du produit en deçà du point de congélation de l’eau ; l’évaporation (chapitre 6) des produits qui élimine une bonne partie de l’eau d’un aliment liquide afin d’inhiber la croissance microbienne, le séchage (chapitre 9) qui conduit à l’obtention d’aliments ayant une teneur en eau généralement en dessous de 10% ; les traitements thermiques (chapitre 8) tels que : la pasteurisation qui est une opération unitaire utilisant une relation temps/température établie pour éliminer les microorganismes pathogènes végétatifs d’un produit ; le blanchiment qui est un procédé similaire à la pasteurisation mais avec une application spécifique aux fruits et légumes ; la stérilisation commerciale qui est l’utilisation d’une relation temps/température établie pour éliminer les spores pathogènes sélectionnés d‘un produit alimentaire. L’emballage et le conditionnement (chapitre 10) des aliments qui constituent une part majeure dans les procédés agroalimentaires dans la mesure où les produits alimentaires sont généralement livrés aux consommateurs dans des emballages individuels ; les opérations de nettoyage et désinfection (chapitre 11) qui sont d’une importance Opérations Unitaires des Industries Agroalimentaires capitale, la dégradation microbienne et les modifications chimiques de plusieurs produits manufacturés étant possibles au cours des procédés. A la fin de chaque chapitre, se trouvent des exercices destinés à fixer les idées et à assimiler les concepts qui y sont développés ; il est vivement conseillé de les aborder sous un angle pratique (désir profond de percevoir l’esprit qu’ils revêtissent : comprendre leurs applications industrielles) plus que sous celui « purement théorique » consistant à se donner bonne conscience d’avoir lu aussi un texte scientifique. .Je salue avec respect mes prédécesseurs qui ont développé le vaste réservoir de connaissances qui forment la base du présent ouvrage et remercie enfin mes contemporains qui m’ont inspiré et ont contribué à l’accomplissement de ce travail. TIENTCHEU E. Serge Douala, Cameroun Opérations Unitaires des Industries Agroalimentaires Figure 1.1 : Mécanismes pouvant entraîner une fragmentation ………………………………… 3 Figure 1.2 : Digramme contrainte-déformation de plusieurs types d’aliments ……………………. 4 Figure 1.3 : Distribution de taille des particules …………………………………... ………….. 8 Figure 1.4 : Concasseurs à mâchoires : (a) modèle de Dodge ; (b) modèle de Blake ; (c) modèle de Denver ………………………………………………………………… 12 Figure 1.5 : Diagramme giratoire d’un concasseur giratoire …………………………………… 13 Figure 1.6 : Concasseurs à rouleaux ………………………………………………………. 14 Figure 1.7 : Broyeur à marteau et Broyeurs à boules ………………………………………… 14 Figure 1.8 : Moulins à disque : (a) à disque unique ; (b) à disque double ; (c) moulin Burr ……… 15 Figure 1.9 : Appareils de découpe …………………………………………………………. 16 Figure 1.10 : Hachoirs à viande : (a) schéma ; (b) photo …………………………………… 16 Figure 2.1 : Profil de vitesse d’un fluide s’écoulant dans un tube ……………………………… 25 Figure 2.2 : Ecoulements laminaire et turbulent dans un tuyau ………………………………. 27 Figure 2.3 : Différentes forces s’exerçant sur un fluide qui s’écoule dans un tuyau ……………….. 28 Figure 2.4 : Section droite d’un tube cylindrique ……………………………………………. 29 Figure 2.5 : Profil de vitesse d’un fluide Newtonien en régime laminaire ……………………….. 30 Figure 2.6 : Le profil de vitesse pour les fluides de la loi de puissance en fonction de l’indice d’écoulement 32 Figure 2.7 : Profil de vitesse en régime turbulent ………………………………………….. 33 Figure 2.8 : Diagramme de Moody ……………………………………………………… 36 Figure 2.9 : Pertes de charges singulières ………………………………………………….. 38 Figure 2.10 : Abaques longueurs équivalentes de certains dispositifs …………………………… 40 Figure 2.11 : Longueurs équivalentes aux accidents de tuyauterie ……………………………… 40 Figure 2.12 : Ecoulement dans une portion droite d’un tube ………………………………….. 42 Figure 2.13 : Simple système de pompage « en charge » ……………………………………… 43 Figure 2.14 : Courbes caractéristiques d’une pompe …………………………………………. 44 Figure 2.15 : Montage des pompes en série …………………………………………………. 45 Figure 2.16 : Montage des pompes en parallèle ………………………………………………. 46 Figure 2.17 : Un venturi ………………………………………………………………… 47 Figure 2.18 : Un tube pitot ……………………………………………………………… 48 Figure 2.19 : Un rotamètre ………………………………………………………………. 49 Figure 2.20 : Viscosimètre à chute de bille ………………………………………………….. 50 Figure 2.21 : Viscosimètre à capillaires : (a) de type Ostwald ; (b) de type Cannon-Fenske ………….. 51 Figure 2.22 : Viscosimètre rotatif à cylindres co-axiaux (viscosimètre de type Couette) …………….. 52 Figure 2.23 : Viscosimètre cône-plan ……………………………………………………… 54 Figure 3.1 : Géométries d’une cuve agitée .……………………………………………. 69 Figure 3.2 : Types de dispersion des gaz …………………………………………………. 70 Figure 3.3 : Variation de la puissance en fonction du rapport d/D pour un résultat identique …….. 71 Figure 3.4 : Agitateurs à flux « axial » : (a) Hélice ; (b) Vortex ; (c) Hélice inclinée ; (d) pales 73 inclinées …………………………………………………………………….. Figure 3.5 : Agitateurs à flux « radial » : (a) Pales droites ; (b) Pales courbes ; (c) Turbine ; (d) 74 Opérations Unitaires des Industries Agroalimentaires Encre …………………………………………………………………… Figure 3.6 : Proportion entre débit de pompage et turbulence ………………………………… 74 Figure 3.7 : Nombre de puissance des mobiles d’agitation en fonction du nombre de Re …………… 77 Figure 3.8 : Orientation des tensio-actifs ……………………………………………………. 78 Figure 3.9 : Taille comparative des différents types d particules dispersées ………………………. 78 Figure 3.10 : Mélanges : (a) uniformité locale ; (b) uniformité globale ………………………… 81 Figure 3.11 : Mixeur planétaire …………………………………………………. ……… 8 2 Figure 3.12 : Courbe de l’indice de mélange en fonction du temps ……………………………… 86 Figure 3.13 : Géométries communes des malaxeurs de type « Tumbler » …………………………. 87 Figure 3.14 : Agitateurs convectifs : (a) à vis sans fin d’Archimède ; (b) de type « à ruban » ………. 88 Figure 3.15 : Malaxeurs à lames de type Z ou ……………………………………………... 88 Figure 3.16 : Agitateurs/malaxeurs « à encre »Σ et « à barrière » ……………………………… 89 Figure 3.17 : Types d’agitateurs à pales ……………………………………………………. 90 Figure 3.18 : Agitateurs à hélices : (a) vue de profil ; (b) tète tournante ; (c) agitateur en opération …. 90 Figure 3.19 : Types d’agitateurs à turbine : (a) à disques type Rushton ; (b) Hélice marine ; (c) à pales incurvées ……………………………..…………………………………….. 91 Figure 3.20 : Agitateur portable …………………………………………………………. 91 Figure 4.1 : Diagramme schématique d’une extrudeuse monovis …………………………….. 101 Configurations communes des vis d’extrudeuses monovis 103 Figure 4.2 : …………………………… Figure 4.3 : Géométrie du chenal d’une vis ………………………………………………… 104 Figure 4.4 : Vis d’une extrudeuse : (a) photo ; (b) diagramme schématique des paramètres d’une vis 105 Figure 4.5 : Fourreau d’une extrudeuse bivis ………………………………………………. 106 Figure 4.6 : Configurations de base des extrudeuses bivis ……………………………………. 107 Figure 4.7 : Vis corotatives : (a) filetage unique interpénétré ; (b) double filetage interpénétré ……. 108 Phases de croissance des microorganismes 119 Figure 5.1 : ………………………………………….. Figure 5.2 : Effet de la concentration initiale du substrat sur la concentration des cellules microbiennes à la fin de la phase exponentielle de croissance …………………………………….. 120 Figure 5.3 : Effet du taux de dilution sur la concentration des cellules en état stationnaire et la concentration résiduelle du substrat et la productivité …………………………….. 123 Figure 5.4 : Variation de la productivité en fonction du taux de dilution …………………….. 125 Figure 5.5 : Vitesse de consommation de l’oxygène par les levures à différentes concentrations en oxygène dissout ……………………………………………………………………… 127 Figure 5.6 : Mesure de par la méthode statique …………………………………………. 129 Figure 5.7 : Mesure de (cid:2)(cid:3)(cid:4) par la méthode dynamique ……………………………………… 130 Figure 5.8 : Systèmes m(cid:2)on(cid:3)(cid:4)o étagés : (a) réacteur fermé ; (b) réacteurs semi fermés ; (c) réacteur ouvert . 133 Figure 5.9 : Systèmes multi étagés …………………………………………………………. 133 Figure 5.10 : Fermenteur batch avec dispositif de contrôle et d’asservissement ……………………… 135 Figure 5.11 : Réacteur continu avec réglage de la biomasse ………………………………………. 136 Figure 5.12 : Deux fermenteurs continus parfaitement mélangés en série ………………………….. 139 Figure 5.13 : Colonne à bulles ……………………………………………………………… 140 Figure 5.14 : Fermenteur type piston ………………………………………………………… 141 Figure 5.15 : Colonnes à lit fluidisé ………………………………………………………….. 143 Opérations Unitaires des Industries Agroalimentaires Figure 6.1 : Schéma simplifié d’un évaporateur …………………………………………….. 155 Figure 6.2 : Diagramme de Dühring : température d’ébullition des jus en fonction de la température de l’eau …………………………………………………………………….. 158 Figure 6.3 : Evaporateur et ses annexes …………………………………………………. 160 Figure 6.4 : Evaporateur simple effet avec recompression thermique de la vapeur ………………. 162 Figure 6.5 : Evaporateur simple effet avec recompression mécanique de la vapeur ………………… 164 Figure 6.6 : Schéma d’un évaporateur à triple effet ………………………………………….. 166 Figure 7.1 : Circuit schématique du fluide frigorigène ……………………………………… 184 Figure 7.2 : Diagramme enthalpique du 185 Figure 7.3 : Différents types d’évaporateu(cid:5)rs(cid:6) :(cid:6) (a) plafonnier ; (b) mural ; (c) plaque eutectique ……. 186 Figure 7.4 : Condenseurs à refroidissement par air : (a) 2 tubes enfilés ; (b) multitubulaires …… 187 Figure 7.5 : Condenseurs à refroidissement par eau: (a) condenseur à tubes et à lamelles ; (b) condenseurs à air à soufflage horizontal …………………………………. 187 Figure 7.6 : Condenseur évaporatif ………………………………………………………. 188 Figure 7.7 : Groupe moto-pompe ………………………………………………………. 189 Figure 7.8 : Types de détendeur : (a) détendeur manuel ; (b) détendeur à flotteur ; (c) robinet d’injection ………………………………………………………………… 190 Figure 7.9 : Principe de fonctionnement d’un détendeur à flotteur haute pression ………………….. 190 Figure 7.10 : Principe de fonctionnement d’un détendeur à flotteur base pression ………………… 191 Figure 7.11 : Détendeur thermostatique …………………………………………………….. 191 Figure 7.12 : Représentation du cycle frigorifique dans un diagramme thermodynamique : (a) diagramme enthalpique ; (b) diagramme entropique ……………………………………… 192 Figure 7.13 : Classification des microorganismes en fonction de leur réponse à la température ……….. 194 Figure 7.14 : Effet de la congélation sur la texture …………………………………………….. 199 Figure 7.15 : Duree pratique de conservation en fonction de la température de conservation …………. 200 Figure 7.16 : Parois composites …………………………………………………………… 203 Figure 7.17 : Expérience de Plank pour la détermination du temps de congélation ………………… 207 Figure 7.18 : Coefficients de l’équation de Plank ……………………………………………. 209 Figure 7.19 : Paramètres du modèle de Pham ………………………………………………. 212 Figure 8.1 : Courbe des survivants pour une population microbienne ………………………….. 229 Figure 8.2 : Courbe de survivants en coordonnées semi-logarithmique …………………………. 230 Figure 8.3 : Courbe de résistance thermique ……………………………………………….. 233 Figure 8.4 : Principe du blanchiment « I.Q.B » ……………………………………………. 239 Figure 8.5 : Schéma de principe et blancheur à tambour …………………………………….. 240 Figure 8.6 : Blancheur tunnel …………………………………………………………… 241 Figure 8.7 : Système de pasteurisation en continu HTST ……………………………………. 243 Figure 8.8 : Echangeur de chaleur à plaques utilisé pour la pasteurisation ………………………. 246 Figure 8.9 : Echangeur de chaleur à tubes concentriques ………………………………………. 247 Figure 8.10 : Courbe de pénétration de la chaleur par chauffage conductif dans un aliment contenu dans une boîte …………………………………………………………………. 250 Figure 8.11 : Courbe du taux de létalité …………………………………………………… 252 Figure 8.12 : Méthode graphique de détermination de la valeur à partir de la courbe du taux de létalité ……………………………………(cid:7)(cid:8)……………………………….. 253 Figure 8.13 : Courbe de chauffage …………………………………………………………. 254 Figure 8.14 : Tracé semi-logarithmique d’une opération de chauffage …………………………….. 256 Figure 8.15 : Autoclave vertical avec plusieurs éléments de contrôle du procédé ……………………. 260 Opérations Unitaires des Industries Agroalimentaires Figure 8.16 : Autoclave longitudinal ……………………………………………………… 161 Figure 8.17 : Types d’autoclaves : (a) autoclave continu rotatif ; (b) diagramme schématique d’un autoclave « sans panier » …………………………………………………… 262 Figure 8.18 : Stérilisateur « hydrostatique » ……………………………………………….. 263 Figure 9.1 : Isothermes de sorption : (a) de quelques aliments ; (b) phénomène d’hystérésis ……… 273 Figure 9.2 : Courbe humidité en fonction de la teneur en eau ………………………………….. 274 Figure 9.3 : Représentation schématique du diagramme psychrométrique (diagramme de Carrier) …… 278 Figure 9.4 : Représentation des opérations de séchage sur un diagramme psychrométrique ………… 279 Figure 9.5 : Diagramme psychrométrique de l’air ……………………………………………. 281 Figure 9.6 : Isotherme de sorption de tranches de pomme et vitesse de séchage à différentes teneurs en eau 282 Figure 9.7 : Bilan d’une opération de séchage (contre –courant) ………………………………. 284 Figure 9.8 : Intégration graphique pour la détermination de la durée de séchage ………………….. 288 Figure 9.9 : Séchoir à cabine …………………………………………………………… 290 Figure 9.10 : Séchoir tunnel a aco-courant …………………………………………………… 291 Figure 9.11 : Séchoir à lit fluidisé ……………………………………………………….. 292 Figure 9.12 : Diagramme schématique d’un système d’atomisation : (a) avec gicleur à roue ; (b) avec gicleur à aiguille ……………………………………………………………. 293 Figure 9.13 : Deux (02) configurations d’un atomiseur ……………………………………….. 293 Figure 9.14 : Diagramme température/pression de l’eau ………………………………………. 295 Figure 9.15 : Schéma de principe d’un lyophilisateur ………………………………………….. 295 Figure 9.16 : Séchoir à double-cylindre : (a) photo ; (b) schéma ………………………………. 296 Figure 9.17 : Séchoir à cylindres alimenté par « trempette » : (a) monocylindre ; (b) double cylindre ….. 297 Figure 9.18 : Séchoir monocylindre avec alimentation par rouleaux applicateurs …………………… 297 Figure 9.19 : Schéma généralisé d’un séchoir à tambour rotatif ………………………………… 298 Figure 9.20 : Différents types de séchoirs : (a) ailette de formes croisées ; (b) ailettes carrées ; (c) ailettes radiales …………………………………………………………………… 298 Figure 10.1 : Les quatre niveaux de base de l’emballage et les deux types d’emballage ………………. 311 Figure 10.2 : Emballages en cartons pour liquides …………………………………………... 312 Figure 10.3 : Types d’ondulations des cartons : (a) paroi simple ; (b) double paroi ; (c) triple paroi … 313 Figure 10.4 : Exemples de papier et papier-carton pour emballages …………………………….. 313 Figure 10.5 : Schéma et photo de boites à trois pièces …………………………………………. 314 Figure 10.6 : Double agrafe communément utilisée pour sceller hermétiquement les couvercles sur les boîtes 315 Figure 10.7 : Schéma et photo des boites à deux pièces ………………………………………. 315 Figure 10.8 : Boites de conserve type à ouverture par le dessus …………………………………. 316 Figure 10.9 : Les parties d’un contenant en verre …………………………………………….. 317 Figure 10.10 : Différents types de fermetures des contenants en verre utilisés pour les aliments et les boissons 318 Figure 10.11 : Production des bouteilles en verre par le procédé « soufflage » ……………………….. 319 Figure 10.12 : Production des bouteilles en verre par le procédé « pression-soufflage » ……………….. 320 Figure 10.13 : Bouteilles en verre avec différents systèmes de fermetures …………………………… 321 Figure 10.14 : Photo d’une paraison obtenue par injection-moulage (préforme) …………………….. 322 Figure 10.15 : Emballages flexibles et semi-flexibles autoclavables ………………………… 322 Figure 10.16 : Principe de fabrication des bouteilles en plastique par le procédé « soufflage » ………….. 323 Figure 10.17 : Plateau de base (préforme) fabriqué par la méthode de formage ………………………. 326 Figure 10.18 : Exemples de barquettes en plastique pour les aliments conditionnés sous atmosphère 327