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HAL Id: tel-02790198 https://hal.inrae.fr/tel-02790198 Submitted on 5 Jun 2020

HAL Id: tel-02790198 https://hal.inrae.fr/tel-02790198 Submitted on 5 Jun 2020 HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of sci- entific research documents, whether they are pub- lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers. L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d’enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés. Contribution a l’etude de la formation et de l’elimination de depots proteiques d’origine laitiere dans les zones de chauffage et de chambrage - developpement et etude d’un capteur d’encrassement et d’un melangeur statique tourbillonnaire Laurent Bouvier To cite this version: Laurent Bouvier. Contribution a l’etude de la formation et de l’elimination de depots proteiques d’origine laitiere dans les zones de chauffage et de chambrage - developpement et etude d’un cap- teur d’encrassement et d’un melangeur statique tourbillonnaire. Génie des procédés. Université des Sciences et Technologies (Lille 1), 2019. Français. tel-02790198 UNIVERSITE DE LILLE ECOLE DOCTORALE SCIENCE DE LA MATIERE, RAYONNEMENT ET ENVIRONNEMENT Spécialité Molécules et Matière Condensée Thèse de doctorat CONTRIBUTION A L’ETUDE DE LA FORMATION ET DE L’ELIMINATION DE DEPOTS PROTEIQUES D’ORIGINE LAITIERE DANS LES ZONES DE CHAUFFAGE ET DE CHAMBRAGE - DEVELOPPEMENT ET ETUDE D’UN CAPTEUR D’ENCRASSEMENT ET D’UN MELANGEUR STATIQUE TOURBILLONNAIRE Laurent BOUVIER Soutenue publiquement le 28 novembre 2018 Jury : Luc FILLAUDEAU, Directeur de recherche INRA, LISBP, Toulouse Président - Rapporteur Karine LOUBIERE, Directrice de recherche CNRS, LGC, Toulouse Rapporteur Guillaume DELAPLACE, Directeur de recherche INRA, UMET, Villeneuve d’Ascq Directeur de thèse Sylvain LALOT, Professeur des Universités, UVHC, Valenciennes Co-directeur de thèse Thèse de Laurent Bouvier, Université de Lille, 2018 © 2018 Tous droits réservés. lilliad.univ-lille.fr Thèse de Laurent Bouvier, Université de Lille, 2018 © 2018 Tous droits réservés. lilliad.univ-lille.fr Intitulé et adresse de l'unité où la thèse a été préparée : Univ. Lille, CNRS, INRA, ENSCL, UMR 8207, UMET, Unité Matériaux et Transformations Equipe PIHM, Processus aux Interfaces et Hygiène des Matériaux 369 rue Jules Guesde 59650 Villeneuve d’Ascq FRANCE Thèse de Laurent Bouvier, Université de Lille, 2018 © 2018 Tous droits réservés. lilliad.univ-lille.fr Thèse de Laurent Bouvier, Université de Lille, 2018 © 2018 Tous droits réservés. lilliad.univ-lille.fr REMERCIEMENTS Je tiens tout d’abord à remercier l’INRA et notamment mon département de tutelle CEPIA qui m’a autorisé à réaliser cette thèse en complément de mes activités d’ingénieur d’études à l’INRA. Je tiens également à remercier la région Hauts-de-France pour sa participation au fonctionnement de cette thèse à travers son aide apportée dans le cadre du programme CPER ALIBIOTECH. Je remercie mes deux directeurs de thèse Sylvain LALOT, professeur UVHC et Guillaume DELAPLACE, directeur de recherches INRA pour leur participation régulière aux réunions de travail et leur conseil dans la réflexion ainsi que pour la rédaction du manuscrit et des articles scientifiques. Enfin, je remercie tous mes collègues de l’équipe PIHM en activité ou en retraite qui ont œuvré pour que ce projet avance dans les meilleures conditions possibles. Thèse de Laurent Bouvier, Université de Lille, 2018 © 2018 Tous droits réservés. lilliad.univ-lille.fr Thèse de Laurent Bouvier, Université de Lille, 2018 © 2018 Tous droits réservés. lilliad.univ-lille.fr PUBLICATIONS ET COMMUNICATIONS EDITEES SUR LA PERIODE DE LA THESE Revues internationales avec comité de lecture [1] Bouvier L., Moreau A., Ronse G., Six T., Petit J., Delaplace G. A CFD model as a tool to simulate β-lactoglobulin heat-induced denaturation and aggregation in a plate heat exchanger, Journal of Food Engineering 136C, 2014, pp. 56-63. [2] Khaldi M., Blanpain-Avet P., Guérin R., Ronse G., Bouvier L., André C., Bornaz S., Croguennec T., Jeantet R., Delaplace G.. Effect of calcium content and flow regime on whey protein fouling and cleaning in a plate heat exchanger, Journal of Food Engineering, 2015; 147:68- 78. [3] Khaldi M., Ronse G., André C., Blanpain-Avet P., Bouvier L., Six T., Bornaz S., Croguennec T., Jeantet R. and Delaplace G.. Denaturation kinetics of whey protein isolate solutions and fouling mass distribution in a plate heat exchanger. International Journal of Chemical Engineering, vol. 2015, Article ID 139638, 10 pages, 2015. [4] Petit J., Moreau A., Ronse G., Debreyne P., Bouvier L., Blanpain-Avet P., Jeantet R., Delaplace G.. Role of whey components in the kinetics and thermodynamics of BLG unfolding and aggregation. Food and Bioprocess Technology. 2016. doi:10.1007/s11947-016-1726-x. [5] Blanpain-Avet P., André C., Khaldi M., Bouvier L., Petit J., Six T., Jeantet R., Croguennec T., Delaplace G.. Predicting the distribution of a whey protein fouling in plate heat exchanger using the kinetic parameters of the thermal denaturation reaction of beta-lactoglobulin and the bulk temperature profiles. Journal of Dairy Science, 2016, Vol. 99, pp. 9611-9630. [6] Khaldi M., Croguennec T., André C., Ronse G., Jimenez M., Bellayer S., Blanpain-Avet P., Bouvier L., Six T., Bornaz S., Jeantet R., Delaplace G., Effect of the calcium/protein molar ratio on β-lactoglobulin denaturation kinetics and fouling phenomena, International Dairy Journal, 2018, Vol.78, pp. 1-10, doi:10.1016/j.idairyj.2017.10.002. [7] Bouvier L., Delaplace G., Lalot S., Continuous Monitoring of Whey Protein Fouling Using a Non-Intrusive Sensor, Heat Transfer Engineering, Vol. 41, No. 2, 2018. Thèse de Laurent Bouvier, Université de Lille, 2018 © 2018 Tous droits réservés. lilliad.univ-lille.fr [8] Bouvier L., Fargnier I., Lalot S. et Delaplace G, Effect of swirl flow on whey protein fouling and cleaning in a straight duct, Journal of Food Engineering, Vol. 242, pp. 115-123, 2019. doi:10.1016/j.jfoodeng.2018.08.024. Communication dans un congrès international avec actes [9] Khaldi M., Ronse G., André C., Blanpain-Avet P., Bouvier L., Six T., Bornaz S., Croguennec T., Jeantet R., and Delaplace G., Relationship between β-lactoglobulin denaturation and fouling mass distribution in a plate heat exchanger, International Conference on Heat Exchanger Fouling and Cleaning XI, 7 au 12 juin 2015, Dublin, Irlande. Communication orale. Proceedings of International Conference on Heat Exchanger and Cleaning. Published online www.heatexchanger-fouling.com. [10] Bouvier L., Delaplace G., Lalot S., Continuous Monitoring of Whey Protein Fouling Using a Non-Intrusive Sensor, International Conference on Heat Exchanger Fouling and Cleaning XII, 11 au 16 juin 2017, Madrid, Spain. Communication orale. Refereed Proceedings, ISBN: 978-0-9984188- 0-3, Published online www.heatexchanger-fouling.com. [11] Delaplace G., Gu Y., Khaldi M., Bouvier L., André C., Petit J., Guerin R., Ronse G., Six T., Moreau A., Jimenez M., Bellayer S., Croguennec T., Jeantet R., Blanpain-Avet P., Influence of calcium/B-LG molar ratio on plate heat exchanger fouling for various whey protein solutions, International Conference on Heat Exchanger Fouling and Cleaning XII, 11 au 16 juin 2017, Madrid, Spain. Communication orale. Communication dans des colloques sans actes [12] Khaldi M., Blanpain-Avet P., André C., Ronse G., Bouvier L., Six T., Moreau A., Bornaz S., Croguennec T., Jeantet R., Delaplace G., Etude du lien entre la physico-chimie de dérivés laitiers et leur aptitude à l’encrassement lors du traitement thermomécanique en échangeur de chaleur, Journées Jeunes Chercheurs Journée des Jeunes Chercheurs GEPROC-UGéPE, le 23/10/2014, Mons, Belgique. Communication orale. [13] Bouvier L., Intérêt des turbulences induites par un mélangeur statique pour limiter l'adhésion de protéines. Journées Jeunes Chercheurs, 15 octobre 2015, Saint Quentin, France. Poster. [14] Bouvier L., Delaplace G., Lalot S., Dispositifs pour la mesure de la formation et de l'élimination d'un dépôt protéique. Journées de la Mesure et de la Métrologie de l’INRA, 8 au 11 octobre 2018, Saint Pierre d’Oléron, France. Communication orale. Thèse de Laurent Bouvier, Université de Lille, 2018 © 2018 Tous droits réservés. lilliad.univ-lille.fr LISTE DES ABREVIATIONS A β-lactoglobuline à l’état agrégé BLG β-lactoglobuline CEPIA Caractérisation et Élaboration des Produits Issus de l’Agriculture ECP Échangeur de Chaleur à Plaques INRA Institut National de la Recherche Agronomique MFN Mécanique des Fluides Numérique N β-lactoglobuline à l’état natif NEP Nettoyage En Place PIHM Processus aux Interfaces et Hygiène des Matériaux S β-lactoglobuline soluble U β-lactoglobuline à l’état déplié UMET Unité Matériaux et Transformations WPI Isolat de protéine du lactosérum (Whey Protein Concentrate) Thèse de Laurent Bouvier, Université de Lille, 2018 © 2018 Tous droits réservés. lilliad.univ-lille.fr TABLE DES MATIERES Introduction générale ................................................................................................................... 23 1 Contexte de l’encrassement des surfaces ........................................................................... 27 1.1 Préambule ....................................................................................................................... 27 1.2 L’encrassement des surfaces d’échange des équipements de transformation : une problématique multi-secteurs .................................................................................................................... 28 1.3 L’encrassement des surfaces d’échange dans l’industrie laitière : positionnement et enjeux 31 1.3.1 Importance du secteur laitier Français et enjeux de maitriser les encrassements 31 1.3.2 Importance des opérations de texturation et de stabilisation par traitement thermique dans le secteur laitier ....................................................................................................... 32 1.3.3 Impact environnemental et économique des encrassements laitiers ............... 33 2 Modélisation des mécanismes de dénaturation chaude de la BLG et de l’encrassement des échangeurs ............................................................................................................................................ 39 2.1 Bibliographie : études traitant de l’encrassement des échangeurs de chaleur par des solutions protéiques laitières ..................................................................................................................... 39 2.1.1 Composition chimique du lait et des dépôts laitiers .......................................... 39 2.1.1.1 Composition chimique du lait ...................................................................... 39 2.1.1.2 Composition chimique du dépôt laitier ....................................................... 40 2.1.2 Dénaturation chaude de la β-lactoglobuline dans les solutions protéiques du lactosérum 42 2.1.2.1 Composition en protéines du lactosérum ................................................... 42 2.1.2.2 Mécanismes de dénaturation chaude de la β-lactoglobuline .................... 43 2.1.2.3 Modèles uploads/Science et Technologie/ 2018-bouvier-1.pdf