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Chapitre III : Séchage OU2 III.1. Généralités Le séchage est une opération unit

Chapitre III : Séchage OU2 III.1. Généralités 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 aux préalables par évapo-concentration qui est une technique de déshydratation moins couteuse en énergie que le séchage. III.1.1. 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. III.1.2. Description du solide humide On définit l'humidité d'un solide comme la masse d'eau en kg associée à 1kg de solide sec (c'est en fait l'expression d'un rapport massique). On utilise fréquemment des pourcentages. Avant le séchage un solide humide peut se représenter schématiquement comme sur la figure suivante. Le solide a un film d'eau adhérant à sa surface externe par des forces superficielles. Une couche limite à la périphérie du solide est constituée par de l'air saturé en eau, c'est à dire de l'air contenant de la vapeur d'eau à une pression partielle égale à la tension de vapeur d'une eau qui serait seule présente dans une enceinte, à la même température. C'est la valeur maximale que peut prendre la tension de vapeur de l'eau à cette température. L'eau peut aussi se retrouver localisée à la surface ou au fond des pores: les forces qui la retiennent sont alors beaucoup plus fortes et ont trait à des phénomènes complexes de capillarité. Plus les pores sont de petites tailles, plus ces forces sont intenses 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)… 1 Chapitre III : Séchage OU2 III.1.2. Les caractéristiques du produit solide A/ 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 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 B/ 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. C/ 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). III.1.3. 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) III.2. Principes physiques du séchage 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. III.2.1. 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) III.2.2. 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 : 2 Chapitre III : Séchage OU2  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). Le séchage par entraînement consiste à placer un corps humide dans un courant d'air (ou autre gaz) suffisamment chaud et sec. Dans ces conditions, il s'établit spontanément entre le corps et le gaz un écart de température et de pression partielle d'eau tel que : Un transfert de chaleur s'effectue de l'air vers le produit, sous l'effet de la température Un transfert d'eau s'effectue en sens inverse du fait de la pression partielle d'eau entre l'air et la surface du produit (Figure) Le séchage par entraînement est le moyen de séchage le plus universel, tous produits et secteurs alimentaires confondus (lait, œuf, charcuterie, céréales et produits végétaux, fruits, etc...). III.3. Les différents modes de séchage On rencontre une grande diversité dans les modes de séchage : III.3.1. Séchage uploads/Industriel/ chapitre-3-ouii-2019.pdf