Effet de la proportion de résine

Les caramels riches en DAF sont produits par Suárez-Pereira et al. (2010) à partir de fructose, d’eau et de résine à raison de 0,18 g/gmélange. L’influence de la proportion de résine sur la cinétique de disparition du fructose est notable (tableau 18). Plus la proportion est faible, plus la consommation du fructose est rapide et importante.

Tableau 18 : Coefficients cinétiques en fonction de la proportion de fructose. kobs [g.s^-1] ka [g.s^-1] kb [g.s^-1] kc [s^-1]

0,09 0,00063 0,00050 0,00013 0,015

0,18 0,00045 0,00045 10^-6 0,012

0,27 0,00030 0,00023 0,00007 0,006

Cette tendance est traduite par les valeurs de kobs. La vitesse de consommation du fructose est divisée par 2 lorsque l’on compare les résultats obtenus pour 0,09 g/gmélange et 0,27 g/gmélange. Les coefficients calculés sont respectivement de 0,00063 g.s^-1 et 0,00030 g.s^-1.

Les résultats de la figure 38 montrent que la production de DAF est également défavorisée avec l’augmentation du pourcentage de résine. Cette tendance pourrait être attribuée à la diminution du pH du milieu, liée à une présence plus importante de catalyseur acide. D’après les études de Chu et Berglund (1990), l’augmentation du pH diminue la production de DAF.

Figure 38 : Effet de la proportion de résine : a) fructose, b) DAF.

Ces conditions favorisent aussi les réactions de déshydratation pour la production d’acide lactique et de HMF (Asghari et Yoshida, 2007). Cependant, cette tendance n’est pas observée dans notre étude car kb reste faible.

a) b) 0,27 g/gmélange R2= 0,98 0,27 g/gmélange R2= 0,94 0,18 g/g_mélange R2= 0,99 0,18 g/gmélange R2= 0,96 0,09 g/gmélange R2= 0,94 0,09 g/gmélange R2= 0,97

Enfin, une viscosité élevée défavorise la production de SP2 (tableau 19). Les valeurs de k_c sont de 0,015 g.s^-1, 0,012 g.s^-1 et 0,006 s^-1 pour des proportions de résines respectives de 0,09, 0,18 et 0,27 g/g_mélange.

Tableau 19 : Viscosité du sirop de fructose (7:1) + X% résine à 90°C.

X [%] 1 5 20

Viscosité [mPa.s] 43 55 859

Des études préliminaires ont mis en évidence que la viscosité du milieu est liée à la teneur en résine ; plus la teneur en résine est importante, plus la viscosité est importante (tableau 15). Par conséquent, une étude plus approfondie de ce paramètre physique est décrite dans le chapitre 3.

5. C

Afin de caractériser un procédé de synthèse de caramels prébiotiques catalysé par une résine échangeuse de cations, une étude de suivi cinétique a été menée. Elle repose sur l’influence de paramètres tels que la proportion de fructose, la température, la proportion de résine dans le milieu et la vitesse d’agitation. Les objectifs sont doubles : mesurer les effets de chacun et mesurer les paramètres cinétiques indispensables à l’extrapolation du procédé.

Cette étude a proposé un modèle mathématique pour décrire le procédé de caramélisation en phase hétérogène comme un système pseudo-homogène. Le procédé de caramélisation, qui est un procédé largement étudié, implique un ensemble de réactions multiples complexes, qui ne peut pas être étudié de façon indépendante. Néanmoins, le mécanisme réactionnel présenté dans cette partie a été largement simplifié afin de dégager un modèle traduisant une tendance cinétique.

Le modèle proposé pour décrire la consommation de fructose repose sur un modèle cinétique global d’ordre 2. Ce modèle met en évidence deux voies de consommation : une voie de génération de sous-produits comme le HMF, l’acide formique, l’acide lactique et une voie pour la production de DAF. L’évolution temporelle des DAF est modélisée par un système décrivant deux réactions successives : la production de DAF (réaction du deuxième ordre) et

la consommation de DAF (réaction du premier ordre). La seconde réaction a été déterminée à partir des DAF générés pendant la cinétique. Ce modèle permet une compréhension qualitative des phénomènes qui se produisent et une description quantitative de ces processus. Cet ensemble est traduit sous la forme de coefficients de vitesse. Même s’il ne peut pas fournir une description quantitative complète, ce modèle donne des informations sur la réaction de synthèse de caramélisation simplifiée car nous pouvons parfois négliger la valeur de la voie de production des sous-produits secondaires et prendre comme voie prédominante la production de DAF. La caractérisation du système à l’échelle laboratoire permet la compréhension de la réactivité du caramel en présence de résine alimentaire. Ainsi, une étude des propriétés physicochimiques du milieu réactionnel (viscosité et masse volumique) est présentée dans le chapitre suivant.

CHAPITRE 3

E

TUDE DE LA RHEOLOGIE

DES MELANGES MIS EN JEU LORS DE

LA SYNTHESE DES CARAMELS

1. I

Les produits alimentaires, naturels ou transformés, sont des fluides à rhéologie complexe. Dès qu’un produit est constitué de composés à fort poids moléculaire, sa rhéologie risque de devenir non-newtonienne et cette dernière influe sur les phénomènes de transfert ayant lieu au cours du procédé. Le développement de toute opération unitaire (opération de mélange, agitation, etc.) devient alors plus difficile car le caractère non newtonien des fluides ajoute une barrière de plus aux transferts de masse et d’énergie. L’agitation joue un rôle très important pour effectuer l’homogénéisation du mélange et favoriser le transfert de masse et de chaleur dans le système. Le mélange est nécessaire pour donner un mouvement au fluide afin d’assurer son renouvellement au contact d’un autre fluide, d’un gaz ou d’un solide. Dans la plupart des cas, l’opération de mélange est réalisée à l’aide d’un élément tournant fixé sur un arbre en rotation. Il existe une grande variété de modèles, chacun d’eux ayant un design adapté pour une application donnée. Ils sont classés en fonction de la direction du flux comme agitateurs axiaux, radiaux ou raclant (Xuereb et Poux, 2006).

Par exemple, dans les mélangeurs statiques, les phases circulent à co-courant. La caractéristique essentielle des mélangeurs est de favoriser l’homogénéité radiale des fluides tout en assurant un écoulement axial des phases en mode piston. Ainsi, il est impératif de définir l’hydrodynamique du système comme le type d’écoulement et les caractéristiques rhéologiques des fluides.

Pour développer un procédé industriel, il est nécessaire de définir les conditions d’opération déterminantes pour la mise en place d’une extrapolation. Cela implique de connaître les paramètres caractéristiques de l’agitation (nombre de puissance, nombre de Reynolds, taux de cisaillement, etc.) qui sont fonction de la viscosité et de la masse volumique du système.

2. E

La rhéologie est l'étude des changements de forme et de l'écoulement de la matière, comprenant l'élasticité, la viscosité et la plasticité. Elle permet de caractériser les écoulements d’un fluide ou les déformations d’un matériau sous l’action de contraintes. Ces déformations peuvent être proportionnelles aux contraintes ou proportionnelles aux vitesses de déformation.

C’est le cas des fluides newtoniens (ou idéaux) et non-newtoniens. D’un point de vue dynamique, les écoulements sont classés d’après la valeur du nombre de Reynolds (Dupuis et Wolff, 2008). Une des propriétés importantes de la rhéologie est la viscosité. Elle caractérise la résistance d'un fluide au glissement d'une couche par rapport à une autre ; elle est exprimée par un coefficient qui représente la contrainte de cisaillement nécessaire pour générer un gradient de vitesse de cisaillement.

Dans le cadre du développement d’un procédé industriel, il est nécessaire de redéfinir les conditions opératoires propres à l’extrapolation. Cela implique de connaître les paramètres caractéristiques de l’agitation (nombre de puissance, nombre de Reynolds, nombre de Weber, etc.), dont certains sont fonction de la viscosité et de la masse volumique du mélange réactionnel. De plus, la connaissance de ces données est indispensable pour initier des travaux de simulation numérique réalisée avec des logiciels de CFD.

Dans ce chapitre, nous étudierons deux des principaux paramètres rhéologiques nécessaires pour le dimensionnement des systèmes : la viscosité et la masse volumique. Pour cela il est essentiel de définir au préalable deux notions : le taux de cisaillement et le nombre de Reynolds.

2.1 Taux de cisaillement et nombre de Reynolds