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INSAT Support de Cours : Génie-Alimentaire (Biologie-Industrielle 2) Enseignant

INSAT Support de Cours : Génie-Alimentaire (Biologie-Industrielle 2) Enseignant : FATTOUCH Sami Chapitre: Opérations Unitaires dans la Transformation des Aliments (suite du cours) Page 1 de 11 I. Introduction La compréhension des principes de base de l'ingénierie (ou génie) des procédés alimentaires permettra aux jeunes étudiants d’être en mesure de développer de nouveaux procédés alimentaires et de modifier ceux déjà existants. Les élèves-ingénieurs peuvent se passer de la conception des équipements de traitement et de transformation des produits alimentaires en détail, mais doivent impérativement comprendre le fonctionnement de cet équipement, notamment son principe de base. Seule une compréhension approfondie des sciences fondamentales et appliquées dans l'industrie alimentaire, particulièrement en mathématique, chimie, physique, biologie et ingénierie, peut préparer les jeunes-ingénieurs à intégrer le secteur des industries alimentaires qui devient, à nos jours, de plus en plus complexe. Ce cours de génie alimentaire servira d'introduction utile à des études plus spécialisées. Après avoir acquis les notions de qualité en industrie alimentaire, les aspects généraux d’altération et de préservation de la qualité des produits alimentaires, ce chapitre décrit les principes scientifiques sur lesquels repose la transformation des aliments et donne des exemples de l'application de ces principes de base à leurs processus dans les industries alimentaires. Par exemple, après avoir étudié les phénomènes de transfert de chaleur, l'élève-ingénieur sera capable d’étudier et optimiser le transfert de chaleur dans les industries de la stérilisation, de la conserve et de la congélation. II. Étude du génie des procédés alimentaires L'étude de l'ingénierie des processus est une tentative de combiner toutes les formes de traitement physique en un petit nombre d'opérations de base, appelées opérations unitaires. Les processus alimentaires, complexes et différents, peuvent être décomposés en un petit nombre d'opérations unitaires de base, chacune étant autonome et dépendant d’un principe physique (ou d’un petit groupe de principes associés). A titre d’exemple, le transfert de chaleur est une opération unitaire et le principe physique fondamental sous-jacent est que l'énergie thermique sera transférée spontanément des corps plus chauds aux plus froids. Ainsi, des relations quantitatives sous forme d’équations mathématiques peuvent être construites pour décrire ces opérations unitaires. Les équations permettront de suivre ce qui se passe dans le processus et de contrôler (modifier) le processus si nécessaire. Les opérations unitaires importantes dans l’industrie alimentaire visent à ①stabiliser les produits de l’agriculture et de la pêche (par séchage, traitements thermiques ou frigorifiques, salage, fumage, confisage, etc.), ②réduire la taille par hachage, broyage, etc. ③transformer par cuisson, fermentation, etc. ④extraire, séparer et purifier leurs constituants (sucrerie, huilerie, beurrerie, etc.), ⑤effectuer des mélanges pour obtenir les goûts et/ou les textures voulues (biscuiterie, charcuterie, etc.). III. Conservation de la masse et de l'énergie Généralement, les opérations unitaires mettent en jeu des transferts de masse, des transferts de chaleur et/ou des transferts de mouvement. Deux lois très importantes auxquelles toutes les opérations unitaires obéissent sont : # Loi de conservation de la masse qui stipule que la masse ne peut être ni créée ni détruite. Ainsi, la masse totale de matière entrant dans l’usine doit être égale à la masse totale de matière quittant cette usine à laquelle on soustrait toute accumulation restante dans l’usine. INSAT Support de Cours : Génie-Alimentaire (Biologie-Industrielle 2) Enseignant : FATTOUCH Sami Chapitre: Opérations Unitaires dans la Transformation des Aliments (suite du cours) Page 2 de 11 Par exemple, pour un lait introduit dans une centrifugeuse pour le séparer en lait écrémé et en crème, le nombre total de kilogrammes de matière (lait) entrant dans la centrifugeuse doit être égal au nombre total de kilogrammes de matériel (lait écrémé et crème) qui sort de la centrifugeuse. La loi de conservation est aussi vraie pour les débits massiques (çàd quantité par minute, par exemple). De même, cette loi de conservation de la masse s'applique à chaque composant des matériaux entrant. Par exemple, compte tenu de la matière grasse du beurre dans le lait entrant dans la centrifugeuse, le poids de la graisse du beurre entrant dans la centrifugeuse (par minute) doit être égal au poids de la graisse du beurre sortant de la centrifugeuse (par minute). Une relation similaire sera valable pour les autres composants, protéines, matière grasse, sucres de lait, etc. Comme conséquence pratique, dans le but d’optimiser (améliorer) un procédé, on peut : 1) Subdiviser de procédé en opérations unitaires; 2) Dessiner les limites de chaque opération unitaire afin de définir le système; 3) Inspecter les limites du système pour déterminer toute la matière entrante et ses flux de masse; 4) Inspecter les limites du système pour déterminer toute la matière sortante et ses flux de masse; 5) Durant l’état stationnaire d’une opération, on peut déterminer la masse du matériel accumulé dans le système; # Loi de conservation de l’énergie qui stipule que l'énergie ne peut être ni créée ni détruite. L'énergie totale dans les matériaux entrant dans l'usine de traitement, plus l'énergie ajoutée dans l'usine, doit être égale à l'énergie totale quittant l'usine. Ce concept est plus complexe que la conservation de la masse étant donné que l'énergie peut prendre diverses formes telles que l'énergie cinétique, l'énergie potentielle, l'énergie thermique, l'énergie chimique, l'énergie électrique, etc. Au cours du traitement, certaines de ces formes d'énergie peuvent être converties de l'une à l'autre. Par exemple, l’énergie mécanique dans un fluide (en mouvement) peut être convertie en énergie thermique (par frottement). Aussi, l'énergie chimique dans les aliments est convertie par les systèmes vivants (cellules, corps humain,...) en énergie mécanique. De ce fait, c'est la somme totale de toutes ces formes d'énergie qui est conservée. Prenons l’exemple du procédé de pasteurisation du lait dans une centrale laitière. Dans ce procédé, le lait est pompé dans un échangeur de chaleur et est d'abord chauffé puis refroidi. L'énergie peut être considérée soit sur toute la centrale (usine), soit uniquement sur le lait (le produit). Pour l'énergie totale de la centrale, on doit considérer : ①la conversion dans la pompe de l'énergie électrique en énergie cinétique et thermique, ② les énergies cinétiques et potentielles du lait entrant et sortant de l'usine, ③les différents types d'énergie dans les sections de chauffage et de refroidissement, ainsi que ④les énergies thermiques, cinétiques et potentielles existantes. Pour le technologue en alimentation, les énergies affectant le produit sont les plus importantes. Dans le cas du pasteurisateur, l'énergie affectant le produit est l'énergie thermique du lait. Cette énergie est ajoutée au lait par la pompe et par l'eau chaude (fluide chauffant) traversant l'échangeur de chaleur. L'eau de refroidissement (fluide réfrigérant) enlève alors une partie de l'énergie thermique, et une autre partie de l'énergie thermique est également perdue vers l'environnement. L'énergie thermique laissée dans le lait est donc égale à l'énergie calorifique du lait entrant dans le pasteurisateur, plus ou moins toute chaleur ajoutée ou enlevée au cours de l’opération. L’énergie thermique laissée dans le lait = énergie thermique initiale + énergie thermique ajoutée par la pompe + énergie thermique ajoutée dans la section de chauffage - énergie thermique extraite dans la section de refroidissement - énergie thermique perdue (dissipée) dans les environs INSAT Support de Cours : Génie-Alimentaire (Biologie-Industrielle 2) Enseignant : FATTOUCH Sami Chapitre: Opérations Unitaires dans la Transformation des Aliments (suite du cours) Page 3 de 11 La loi de conservation de l'énergie peut également s'appliquer à une partie d'un processus. Par exemple, on peut s’intéresser seulement au chauffage: compte tenu de la section de chauffage de l'échangeur de chaleur dans le pasteurisateur, la chaleur perdue par l'eau chaude doit être égale à la somme de la chaleur dégagée par le lait et de la chaleur perdue de l'échangeur thermique dans son environnement. A partir de ces lois de conservation de la masse et de l’énergie, un bilan des matière et de l’énergie peut être établi à tout moment pour le processus entier ou pour une opération unitaire donnée. # Traitement thermique du lait : Temps de la mort thermique Le traitement thermique d’une denrée alimentaire implique l'utilisation contrôlée de la chaleur pour augmenter, ou réduire selon les circonstances, les taux de réactions dans les aliments. Un exemple courant est l'autoclavage des aliments en conserve pour effectuer la stérilisation. Le but de cette stérilisation est de détruire tous les microorganismes (bactéries, levures et moisissures), dans l’aliment afin d’empêcher sa décomposition et éviter, ainsi, de la rendre peu attrayante ou non comestible. En outre, la stérilisation empêche tout organisme pathogène (induisant une maladie) de survivre et d’être ingéré avec la nourriture. Des toxines pathogènes peuvent être produites pendant le stockage de la denrée alimentaire si certains organismes sont encore viables. Les microorganismes sont détruits par la chaleur, mais la quantité de chaleur nécessaire pour tuer différents organismes varie. En outre, de nombreuses bactéries peuvent exister sous deux formes, la forme végétative ou en croissance et la forme de spore ou de dormance. Les spores sont beaucoup plus difficiles à détruire par traitement thermique que les formes végétatives. Des études ont permis de définir certains types de bactéries comme organismes indicateurs. Ce sont les plus difficiles à tuer, dans leurs formes de spores, c’est le cas d’un indicateur fréquemment uploads/Industriel/ cours-genie-alimentaire-suite-partie1-de-2-bio2-fattouch.pdf