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Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Agroalimentaire F 3 000 − 1 Séchage des produits alimentaires Principes par Catherine BONAZZI Chargée de recherche à l’Institut national de la recherche agronomique (INRA), UMR Génie industriel alimentaire, École nationale supérieure des industries agricoles et alimentaires (ENSIA) Ingénieur et docteur de l’Institut national agronomique de Paris-Grignon (INA – P-G) et Jean-Jacques BIMBENET Professeur émérite à l’École nationale supérieure des industries agricoles et alimentaires (ENSIA) e séchage est l’une des principales techniques de préservation des produits agricoles et alimentaires. C’est par ailleurs un procédé qui intervient dans la fabrication de nombreux produits alimentaires, comme étape à part entière de la transformation ou à titre accessoire (congélation, cuisson, ...). La compré- hension des phénomènes mis en jeu repose sur une bonne connaissance des équilibres entre l’air et le produit et sur la maîtrise des cinétiques de séchage et de transformation du produit. Cet article s’attache tout d’abord à rappeler les principes physiques du séchage et les calculs envisageables sur les séchoirs, tant du point de vue des durées de traitement (utiles au dimensionnement des installations) que des bilans énergé- tiques. Un exemple de bilan sur une tour de séchage par pulvérisation est d’ailleurs détaillé (§ 2.2.3). Un second article [F 3 002] décrira ensuite les spéciﬁcités des séchoirs utilisés dans les industries agroalimentaires (IAA) et l’incidence du procédé de séchage sur la qualité des produits biologiques. Une dernière partie sera également consacrée à l’étude de cas concrets : — le séchage industriel du maïs ; — le séchage par pulvérisation du lait ; — le séchage des prunes d’ente, étape clé de la fabrication du pruneau ; — et un exemple de séchage par ébullition sur cylindre. Le séchage des produits alimentaires fait l’objet de deux articles et une documentation : — Séchage des produits alimentaires. Principes [F 3 000] ; — Séchage des produits alimentaires. Applications et études de cas [F 3 002] ; — Séchage des produits alimentaires. Pour en savoir plus [Doc. F 3 003]. 1. Principes..................................................................................................... F 3 000 - 2 1.1 Pourquoi déshydrater des produits agricoles et alimentaires ? .............. — 2 1.2 Séchage et autres moyens de déshydratation.......................................... — 4 1.3 Modes de séchage....................................................................................... — 5 1.4 Transferts et phénomènes limitants........................................................... — 6 2. Calculs sur les séchoirs.......................................................................... — 7 2.1 Cinétiques de séchage................................................................................. — 7 2.2 Bilans sur les séchoirs................................................................................. — 9 Références bibliographiques ......................................................................... — 14 L SÉCHAGE DES PRODUITS ALIMENTAIRES ___________________________________________________________________________________________________ Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. F 3 000 − 2 © Techniques de l’Ingénieur, traité Agroalimentaire Notations et symboles Symbole Unité Définition A m2 Surface du produit à sécher Dapp m2/s Diffusivité apparente de matière Dt m2 · s−1 Diffusivité thermique H J/kg Enthalpie ∆Hv J/kg Enthalpie de vaporisation, énergie latente de vaporisation Q J Quantité de chaleur R Constante des gaz parfaits T K Température X kg eau/kg matière sèche Teneur en eau base sèche kg eau/kg produit % Teneur en eau base humide aw Activité de l’eau h Coefficient de transfert de chaleur kp kg eau · Coefficient de transfert de matière kg/s Débit de matière p Pa Pression de vapeur d’eau du produit humide Pa Pression de vapeur saturante θ ˚C Température ϕ Humidité relative de l’air θch ˚C Température de la source chaude θéb ˚C Température d’ébullition θh ˚C Température humide J kgµ1 – kµ 1 – ⋅ ⋅ X′ W mµ 2 – Kµ 1 – ⋅ ⋅ m 2 – s 1 – Pa 1 – ⋅ ⋅ m ˙ pθ ′ 1. Principes 1.1 Pourquoi déshydrater des produits agricoles et alimentaires ? Le séchage est un procédé très ancien de conservation des pro- duits agricoles et alimentaires. Il permet de convertir des denrées périssables en produits stabilisés, par abaissement de l’activité de l’eau (aw) jusqu’à une valeur inférieure à 0,5. La plupart du temps, ces produits sont stockés à température ordinaire, avant d’être réhydratés pour une utilisation dans un procédé industriel ou dans une préparation culinaire. L ’utilisation du séchage dans les IAA a de multiples buts : — accroître la durée de conservation des produits (viandes, pois- sons, fruits, graines, pâtes, épices, thé, champignons, ...) ; — stabiliser les produits agricoles (maïs, luzerne, riz, lait, ...) et amortir le caractère saisonnier de certaines activités ; — transformer les produits par des réactions biochimiques ou biologiques (produits de salaison, touraillage de malt, ...) ; __________________________________________________________________________________________________ SÉCHAGE DES PRODUITS ALIMENTAIRES Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Agroalimentaire F 3 000 − 3 — stabiliser des co-produits industriels pour l’alimentation ani- male (pulpes de sucrerie ou d’amidonnerie, drêches de brasserie, farines de viande et de poisson, lactosérum, ...) ; — produire des ingrédients ou des additifs pour une seconde transformation, également appelés Produits alimentaires intermé- diaires (PAI). Ce sont par exemple des légumes pour les potages, des oignons pour la charcuterie, des fruits pour la pâtisserie, des épaississants, arômes, colorants, ... . Le séchage permet de réduire considérablement la masse et le volume des produits, ce qui facilite leurs transport, stockage et manutention. Il sert aussi à donner une présentation, une structure ou une fonctionnalité particulière au produit (café instantané, ﬂo- cons de purée de pomme de terre, ...). À ce titre, l’opération de séchage peut être considérée comme une opération de formulation ou de texturation, qui, lorsqu’elle elle est convenablement conduite, est capable de fournir des produits nouveaux, faciles d’emploi. Il faut souligner que de nombreux produits alimentaires et biolo- giques subissent un séchage au cours de leur transformation et/ou de leur conservation. C’est souvent une opération qui intervient en ﬁn de fabrication, avant l’étape de commercialisation et qui contrôle en grande partie la qualité et les propriétés d’usage du produit. Le séchage peut également se produire à titre accessoire au cours de nombreuses opérations (cuisson, torréfaction, refroidissement, con- gélation, stockage à température ordinaire ou en entrepôt frigoriﬁ- que, broyage, ...). 1.1.1 Notion d’équilibre et d’activité de l’eau I L ’état de siccité d’un produit est caractérisé par sa teneur en eau. Celle-ci peut être exprimée par rapport à la masse totale de produit (et est notée ) ou par rapport à la masse de matière sèche (et est alors notée X). Les relations permettant de passer d’une déﬁnition à l’autre sont les suivantes : et avec teneur en eau base humide, exprimée en kg eau/ kg produit et souvent en pourcentage, X teneur en eau base sèche, exprimée en kg eau/ kg matière sèche. Certains industriels s’expriment en « points d’humidité », un point correspondant, par convention, à une variation d’humidité de 1 % en valeur absolue de la teneur en eau exprimée par rapport à la base humide de produit. I D’autre part, un solide n’est jamais isolé. Il est entouré d’une atmosphère contenant de la vapeur d’eau. Des échanges de molé- cules d’eau ont lieu entre le produit et l’atmosphère, échanges dont l’intensité dépend de l’écart à l’équilibre thermodynamique entre les deux phases. L ’eau contenue dans les produits n’est ni pure (elle contient des solutés), ni libre de liaisons avec des molécules insolu- bles, ni plane (ménisques dans les pores). Tous ces phénomènes, dits de sorption, sont résumés dans la notion d’activité de l’eau (notée aw), qui caractérise les liaisons de l’eau avec la matrice solide. Elle dépend de la composition du produit, de la teneur en eau et, dans une moindre mesure, de la température. Elle est liée à la pression de vapeur d’eau du produit humide, p (exprimée en Pa), par la relation : avec pression de l’eau pure, encore appelée pression de vapeur saturante, à la température θ. Les valeurs de sont données dans le tableau 1. aw varie entre 0 et 1. (0) L ’équilibre thermique et hydrique entre un produit et l’atmo- sphère qui l’entoure est déﬁni par les deux égalités suivantes : ϕ = aw avec ϕ humidité relative de l’air. Cet équilibre est caractérisé par les isothermes de sorption, repré- sentant les variations de aw en fonction de la teneur en eau base sèche (X) du produit, pour une température donnée. La ﬁgure 1 illustre l’inﬂuence de la température sur les courbes de sorption. Si aw est constant, une augmentation de la température provoque une diminution de la quantité d’eau adsorbée. Le maté- riau devient moins hygroscopique. L ’effet de la température peut être décrit à l’aide de la relation : où ∆Hs est l’enthalpie latente de sorption de l’eau et T la tempéra- ture exprimée en K. L ’abaissement de l’activité de l’eau par séchage permet d’obtenir une inhibition des phénomènes microbiens et une stabilisation des produits. Le tableau 2 donne à titre indicatif les valeurs minimales de aw pour la croissance des principaux types de micro-organismes. Exemple : un maïs entrant dans un séchoir avec une teneur en eau base humide de 35 % et ressortant à 15 uploads/Industriel/ produit-alimentaire.pdf