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Thèse de doctorat/ PhD Thesis Citation APA:

Bossart, L. (2006). Contribution à l'optimisation du séchage en lit fluidisé (Unpublished doctoral dissertation). Université libre de Bruxelles, Faculté des sciences appliquées – Chimie, Bruxelles.

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D 03461

lté Libre de Bruxelles (ULB)

Faculté des Sciences Appliquées / Ecole Polytechnique Service de Génie Chimique

Thèse

présentée en vue de l’obtention du titre de

Docteur en Sciences Appliquées

par

Laure Bossart

Contribution à T optimisation du séchage en lit fluidisé

Promoteurs de thèse :

Prof. Véronique Halloin (ULB - Bruxelles) Prof François Béra (Fsagx - Gembloux)

Examinateurs : M. Bogaerts (ULB - Bruxelles) M Thonart (Fsagx - Gembloux) M. Segers (ULB - Bruxelles)

Université Libre de Bruxelles

J’aimerais remercier toutes les personnes qui ont permis le bon déroulement de ce travail

Madame le Professeur V.L. Halloin, non seulement pour ses conseils et remarques judicieuses, mais surtout pour m'avoir donné l'occasion de mener à bien ce travail,

Messieurs les Professeurs Deroanne et Bera, de la Faculté des Sciences Agronomiques de Gembloux, Monsieur le Professeur Masin de la Faculté des Sciences de l’Université Libre de Bri4xelles, Monsieur le Professeur Muller de l'Université de Mons-Hainaut et leur équipe pour leur accueil et leurs conseils,

les membres du service de Génie Chimique pour leur aide,

ma famille et mes amis pour m'avoir soutenue,

encouragée et supportée durant la réalisation de ce

travail.

Table des matières. T,1

Table des matières.

Table des matières. T.l

Notations et symboles. N.l

Partie I. Cadre et obiectifs du travail I.l

I.l. Cadre du travail. 1.1

1.2. Objectifs du travail. 1.3

Partie IL Séchage de la levure : état de la question. II.l

II.l. La levure de boulangerie. II.2

II. 1.1. Généralités. II.2

II. 1.2. Fabrication et conditionnement de la levure. II.3

II.2. Le séchage. II.7

II.2.1 Equilibre entre l’humidité de l’air et le produit. II.7

II.2.1.1. Activité en eau d’un produit. II.7

II.2.1.2. Isothermes de sorption. II.9

II.2.1.3. Chaleur de désorption. 11.11

II.2.2. Courbes de séchage. 11.13

II.2.2.1. Phase transitoire. 11.13

II.2.2.2. Phase de séchage à vitesse constante. 11.14

II.2.2.3. Phase de séchage à vitesse décroissante. 11.15

II.3. Le séchage de la levure de boulangerie. 11.16

II.3.1. Intérêt du séchage des levures. 11.16

II.3.2. Types de séchage pour la production de levures sèches. 11.17

II.3.2.1. Anciennes techniques de séchage. 11.17

II.3.2.2. Techniques actuelles de séchage. 11.17

II.3.2.3. Séchage en lit fluidisé. 11.17

II.3.3. Evaluation de la qualité de la levure sèche. 11.20

II.3.3.1. La viabilité. 11.20

II.3.3.2. L’activité fermentaire. 11.22

II.4. Les outils permettant l’étude du séchage 11.23

II.4.1. Les modèles mathématiques 11.23

11.4.1.1. La phase de séchage à vitesse constante 11.24

II.4.1.2. La phase de séchage à vitesse décroissante. 11.24

Table des matières. T.2

II.4.2. L’expérimentation.____________________________________________________________ 11.32 11.4.2.1. La température.______________________________________________________________ 11.33 11.4.2.2. L’oxydation.________________________________________________________________ 11.35 11.4.2.3. La pression osmotique_______________________________________________________ 11.35 11.4.2.4. Le début de la troisième phase de séchage. ____________________________________ 11.35 11.4.2.5. La déshydratation.____________________________________________________________11.36 II.5. Conclusions.____________________________________________________________ 11.36

Partie III. Mise au point d’une installation expérimentale et protocoles de

mesure. _______________________________III. 1

III.l. Introduction et résumé des objectifs._____________________________________

III.2. Schéma général._________________________________________________________ III.2 III.3. Dimensionnement._______________________________________________________ III.3 111.3.1. Caractéristiques des produits séchés._____________________________________________ III.3 111.3.2. Lit fluidisé. ____________________________________________________________________ III.6 111.3.2. L Détermination théorique de la vitesse minimum de fluidisation {u^. __________III.6 111.3.2.2. Détermination théorique de la vitesse terminale des particules (w,).____________ III. 10 111.3.2.3. Porosité du lit fluidisé (^).________________________________________________ III.l 1 111.3.2.4. Perte de charge dans le lit de particules______________________________________ III. 13 111.3.2.5. Plaque distributrice de gaz__________________________________________________III. 15 111.3.2.6. Plans du lit fluidisé.________________________________________________________III. 17

m.3.3. Sécheur d’air. III. 19

III.4. Caractérisation de l’installation réalisée.________________________________111.20 111.4.1. Mélange dans le lit fluidisé._________________________________________________ III.20 111.4.2. Détermination expérimentale de la vitesse minimum de fluidisation.________ III.21 III.5. Instrumentations et régulations.________________________________________ III.24

111.5.1. Reffoidisseur.__________________________________________________________________ III.24 111.5.2. Collier chauffant.______________________________________________________________ III.24 111.5.3. Sondes d’humidité et de température.____________________________________________III.25

111.5.4. Mesure de la vitesse de l’air. 111.26

II1.6. Mesures off-line. ________________________________________ III.27 III.7. Pertes de charge dans l’installation.____________________________________ III.27 III.8. Surpresseur.___________________________________________________________ III.28 III.9. Protocoles de mesure.__________________________________________________ III.28 111.9.1. Matière sèche._________________________________________________________________III.28 111.9.2. Viabilité._____________________________________________________________________ III.28 111.9.3. Activité fermentaire.___________________________________________________________ III.29 111.9.4. Isothermes de sorption.________________________________________________________ III.30 III. 10. Conclusions.___________________________________________________________ III.30

Partie IV. Etude expérimentale du séchage de levures par fluidisation.___ IVl

IV.l. Analyse des courbes expérimentales de séchage.___________________________ IV.2 IV. 1.1. Phases de séchage.____________________________________________________________ IV.2 IV. 1.2. Humidité critique du solide.__________________________________________________ IV.4 IV. 1.3. Bilan de matière._____________________________________________________________ IV.8 IV. 1.4. Détermination du type de solide à partir des courbes de séchage.________________IV. 10

Contribution à l’optimisation du séchage en lit fluidisé.

Table des matières. T. 3

IV.2. Présentation des essais de séchage : étude paramétrique.__________________ IV.13 IV.2.1. Paramètres opératoires._______________________________________________________ IV. 13 IV.2.2. Tableaux récapitulatifs des données opératoires et des résultats expérimentaux des essais de séchage.__________________________________________________________________________ IV. 15 IV.2.3. Influence des modifications des caractéristiques de l’air de séchage._______________ IV. 17 IV.2.3.1. Etude de l’influence de la température de l’air à l’entrée du lit fluidisé. ________ IV.17 IV.2.3.2. Etude de l’influence de l’humidité de l’air à l’entrée du lit fluidisé._____________IV.18 IV.2.3.3. Etude de l’influence de la vitesse de l’air de séchage. ________________________ IV. 18

IV.2.4. Viabilité et activité fermentaire. IV. 19

IV.3 Elucidation des causes de perte de viabilité de la levure durant l’opération de séch âge.______________________________________________________________________ I V.21

IV.3.1. La viabilité et les caractéristiques de l’air de séchage.____________________________IV.21 IV.3.1.1. La température de l’air de séchage._________________________________________ IV.21 IV.3.1.2. L’humidité et la vitesse de l’air de séchage._________________________________ IV.22 IV.3.2 La viabilité et les autres paramètres résultants.___________________________________IV.23 IV.3.2.1. La durée du séchage._______________________________________________________ IV.23 IV.3.2.2. Le taux de matière sèche.__________________________________________________ IV.24 IV.3.3. La viabilité : évolution pendant l’opération de séchage en lit fluidisé.______________ IV.26 IV.3.3.1. La viabilité et les phases de séchage.________________________________________ IV.26 IV.3.3.2. La viabilité et la température à l’intérieur du lit fluidisé.______________________ IV.29 IV.3.3.3. La viabilité et la vitesse de séchage._________________________________________ IV.32 IV.4. Conclusions.______________________________________________________ VI.36

Partie V. Caractérisation expérimentale de Veau dans les grains de levures.

___________ V.l

V.l Introduction. V.l

V.2 Liaisons de l’eau avec la levure. V.3

V.2.1. L’eau. V.3

V.2.2. Composition de la levure. V.4

V.2.3. Hydratation de la levure. V.5

V.2.4. Types d’eau présents dans la leyure. V.6

V.3. Caractérisation de l’eau dans les grains. V.20

V.3.1. Analyse des échantillons de levure par RMN en phase solide. V.20

V.3.1.1. Mesure du temps de relaxation. V.20

V.3.1.2. La RMN solide du proton en rotation à l’angle magique. V.22

V.3.1.3. Résultats obtenus. V.22

V.3.2. Analyse calorimétrique différentielle (ACD) des échantillons de levure. V.28

V.3.2.1. Objectif. V.28

V.3.2.2. Appareil de mesure. V.28

V.3.2.3. Evaporation d’un échantillon d’eau. V.29

V.3.2.4. Evaporation de l’eau d’un échantillon de levures hydratées. V.31 V.3.3. Analyse des courbes de séchage obtenues en lit fluidisé. V.35

V.3.4. Conclusions. V.38

Partie VI. Modélisation mathématique de Vopération de séchage. VI.l

VI.l. Premier modèle. VI.2

VI. 1.1. Hypothèses VI.2

VI. 1.2. Equations. VI.4

VI. 1.2.1. Bilan de matière sur la phase gazeuse. VI.4

VI. 1.2.2. Bilan de matière sur la phase solide. VI.5

VI. 1.2.3. Bilan enthalpique sur le sécheur. VI.6

Table des matières. T.4

VI. 1.2.4. Expression de l’isotherme de sorption._______________________________________ VI.8 VI. 1.3. Conditions initiales et aux limites. ______________________________________________ VI.9 VI. 1.4. Paramètres du modèle. _________________________________________________________VI.9 VI. 1.5. Résultats obtenus par le modèle mathématique._________________________________ VI. 10

CXli9\^Il W'IILIV’ 1V<:> VV^Ul V/V>3 V/X^XV>llUWi3 tW «11V/V4V1V V-X VV/UI l/Wa lllIVlltC4IVi9.

___________________________________________________________________________________VI.IO VI.1.5.2. Etude de la valeur du coefficient de transfert de masse k. ______________________ VI.12 VI. 1.5.3. Etude de l'isotherme de sorption. ___________________________________________ VI. 17 VI. 1.6. Conclusions. ________ _____________________________ VI.20

VI.2. Second modèle.__________________________________________________________ VI.22 VI.2.1. Hypothèses du modèle._______________________________________________________ VI.23 VI.2.2. Equations du modèle. _________________________________________________________ VI.24

VI.2.2.1. Bilan enthalpique à l’interface._____________________________________________ VI.24 VI.2.2.2. Bilan massique à l’interface._______________________________________________ VI.25 VI.2.2.3. Bilan massique sur le gaz dans le lit fluidisé.________________________________ VI.26 VI.2.2.4. Bilan enthalpique sur le gaz dans le lit fluidisé.______________________________ VI.27 VI.2.2.5. Bilan massique sur le solide.________________________________________________ VI.27 VI.2.2.6. Rétrécissement de la surface d’échange._____________________________________ V1.28 VI.2.2.7. Equations supplémentaires._________________________________________________ VI.28 Vl.2.3. Conditions initiales.____________________________________________________________ VI.31 VI.2.4. Paramètres du modèle. ________________________________________________________ VI.33 VI.2.5 Résultats obtenus par le modèle mathématique.___________________________________ VI.36 VI.2.6 Conclusions.________________________________________________ VI.41 VI.3. Conclusions.____________________________________________________________ VI.42

Partie VIL Optimisation : le cas Gelkcu_______________________________ VILl

VII.l. Présentation de la société Gelka International S.A..______________________ VII.2 V1I.2. Séchage de la levure en lit fluidisé industriel.____________________________ VII.3 VII.2.1. Unité de séchage._____________________________________________________________ VII.3 VII.2.2. Protocole de séchage.__________________________________________________________ VII.3 VII.2.3. Essais de séchage.____________________________________________________________ VII.4 VII.3. Modélisation mathématique du séchage de levure en lit fluidisé industrieL VII.7 VII.3.1. Le modèle mathématique______________________________________________________ VII.7 VII.3.2. Conditions initiales et aux limites.______________________________________________VII.8 VII.3.3. Les paramètres du modèle._____________________________________________________ VIL8 VII.3.4. Résultats obtenus par le modèle mathématique.________________________________ VIL 10 VII.4 Conclusions._________________________________________________ VII.15

Partie VIL Conclusions générales et perspectives._____________________ VIILl Bibliographie__________________________________________________________ B.l

Annexes A.l

Contribution à l’optimisation du séchage en lit fluidisé.

Notations et symboles. N.l

Notations et symboles.

a ai, Ü2 Ow

A

Ac

A or

Arr b], b2 Bo Bi, B2 C b

^eau Ce C g

^pair

^pg Cpi

Cpp

Cpsol

^pvap C t

C d

dg dgn

dgr d,

dor dp

dsph D De

Dch

Deff

Ds

Ae

Surface spécifique d’échange solide-gaz Constantes

Activité en eau Amplitude

Aire sous la courbe Aire d’un orifice Surface de transfert Constantes

Champ magnétique statique Paramètres ajustés

Constante BET

Epaisseur de la couche d’eau entourant les grains Constante GAB

Constante GAB

Chaleur spécifique de l’air Chaleur spécifique du gaz

Chaleur spécifique de l’eau liquide Chaleur spécifique du plexiglass Chaleur spécifique du solide Chaleur spécifique de l’eau vapeur

Constante relative à l’augmentation de température Constante

Coefficient de frottement Coefficient d’orifice

Diamètre effectif des particules

Épaisseur de la couche stagnante de vapeur autour des grains Distance parcourue par la vapeur d’eau dans les pores Diamètre des grains

Diamètre du lit Diamètre des orifices Diamètre des particules

Diamètre équivalent d’une sphère

Coefficient de diffusion moléculaire de la vapeur d’eau Coefficient de diffusion capillaire

Coefficient de diffusion de chaleur Diffusivité effective

Débit volumique de gaz

déviation moyenne de la vitesse des molécules de vapeur d’eau par rapport à la vitesse moyenne des molécules du mélange

m^ m

kg d’eau min kg"' d’air m

T

m

J kg-' K-' J kg-' K-' J kg-' K-' J kg-' K-' J kg-' K-' J kg-' K-' K

m m m m m m m m m^ s'' m^ s'*

m^ s‘‘

m^s-' m^ s‘‘

m s

Notations et s\ mboles. N.2

E Æ

F

g

G

h hc hj-

Ho Hgau Hf Hfl dH„

H„^

Hn HR I Je Jy

k

ks

kc k’c

K1,K2 K h

L.

^air

^eou

rrip msoi rriT

^eau

n

^or N Ne Nsr Nor

Ap 4P«

4Pp/

P Pm

Pst

Pvair

Pvg

Pvsat

Pvsoi

Pw

Pa Pr

Erreur relative

Différence entre 2 niveaux d’énergie d’un proton Aire ouverte de la plaque distributrice

Accélération de la pesanteur Débit massique d’air humide Constante de Planck

Coefficient de transfert de chaleur par convection

Constante de Timmermann, indiquant le nombre de couches comprises dans le second état d’adsorption

Hauteur du lit fixe

Enthalpie molaire de sorption de l’eau pure Enthalpie de formation

Hauteur du lit fluidisé

Variation d’enthalpie du mélange solide-liquide Enthalpie molaire de sorption de la monocouche Enthalpie molaire de sorption des couches autres que la monocouche

Humidité relative Nombre de spin

Flux liquide dû à la capillarité Flux de vapeur d’eau

Coefficient de transfert de masse par diffusion à travers la couche limite

Constante de Boltzmann Constante GAB

Constante GAB Paramètres ajustés

Conductivité hydraulique insaturée Chaleur latente de vaporisation Masse d’air dans le sécheur

Masse d’eau présente dans le solide Flux d’évaporation

Masse de solide contenant l’unité de pore Masse de solide sec

Masse de l’échantillon de levure hydratée (masse totale) Masse molaire de l’eau

Nombre de points mesurés Densité d’orifices

Nombre de noyaux (*H) Nombre d’expériences Nombre de grains Nombre d’orifices

Perte de pression dans le lit de particules Perte de pression expérimentale

Perte de pression dans la plaque distributrice d’air

Distance entre les orifices sur une plaque distributrice d’air Pression de vapeur d’eau moyenne pendant le séchage Pression statique

Pression partielle de vapeur d’eau dans l’air Pression partielle de vapeur d’eau dans un gaz Pression partielle de la vapeur à saturation

Pression partielle de vapeur d’eau développée par une substance Pression partielle de vapeur de l’eau pure

Pression dans le lit fluidisé (= pression atmosphérique) Puissance de la résistance chauffante

% J

kg s‘‘

6,626 Js W m '^ K '

m J mol"' J kg-' m J J mol"' J mol"'

kg m'^ s"' kg m'^ s"'

1,38 10 ''^ J K '

m s"

Jkg-' kg kg kg m'^ s"' kgm'^

kg kg kg mole'*

Pa Pa Pa m Pa Pa Pa Pa Pa Pa Pa Pa W

Contribution à l’optimisation du séchage en lit fluidisé.

Notations et symboles. N.3

er inter Pt

<ls

rc rc

fgr

^ inter

ri fp R t téq T

Pair

T

Tt Ti Tréf Ts Tsol t- sr

T

U

Uo

^mf

^or Uj-

^eau

Vm

V V*

Vsr V,

^mair K

JC

^eau X X*

X*

Xo

Xar

Xe X,, Xmc Xs

y eau

Y

Pression totale Chaleur de sorption

Rapport des masses molaires de l’eau et de l’air Rayon de courbure des ménisques

Rayon d’un grain

Rayon de l’interface gaz-liquide Rayon du réacteur (lit fluidisé) Rayon du pore

Constante des gaz parfaits Temps

Temps mis par le gaz pour atteindre l’équilibre Température

Température de l’air

Température de l’air à l’entrée du lit fluidisé Température du gaz à l’entrée de la résistance Température de l’air à l’interface liquide/gaz Température de référence

Température de l’air à la sortie du lit fluidisé Température du solide

Température du gaz à la sortie de la résistance Vitesse de l’air dans le lit de particules

Vitesse superficielle de l’air à travers le lit de particules (mesurée sur base d’un tube vide)

Vitesse minimale de fluidisation

Vitesse du gaz dans les orifices de la grille distributrice Vitesse terminale

Vitesse moyenne des molécules de vapeur d’eau à l’interface Vitesse barycentrique moyenne des molécules du mélange vapeur d’eau-air à l’interface

Volume Volume moyen

Volume d’un grain de levure Volume du lit déposé

Vitesse moyenne des molécules d’air à l’interface Volume molaire de l’eau pure

Distance

Titre en eau ou fraction massique

Humidité absolue du solide, masse d’eau contenue par unité de masse de matière à sécher (matière anhydre)

Humidité absolue du solide estimée Humidité absolue moyenne du solide Humidité absolue initiale du solide Humidité absolue critique du solide

Humidité absolue du solide à l’entrée du lit fluidisé Humidité absolue du solide à l’équilibre

Humidité absolue du solide recouvert d’une monocouche d’eau Humidité absolue du solide à la sortie du lit fluidisé

Titre en eau de l’air de séchage

Humidité absolue de l’air de séchage, masse de vapeur d’eau associée à un kilogramme d’air sec

Humidité absolue de l’air de séchage à l’entrée du lit fluidisé Humidité absolue de l’air à l’interface

Pa J kg-' m m m m m

J mof* K ' ou J kg-' K ' s

s K K K K K K K K K m s"' m s'' m s -1 m s"

m s' m s"

m s"

m m ,«3 m m m s m^ mol m

„-i

-1

kg d’eau kg"' de M.S.

kg d’eau kg d’eau kg d’eau kg d’eau kg d’eau kg d’eau kg d’eau kg d’eau

kg"' de M.S.

kg-' de M.S.

kg-' de M.S.

kg-* de M.S.

kg-' de M.S.

kg-' de M.S.

kg-' de M.S.

kg-' de M.S.

kg d’eau kg-' d’air sec kg d’eau kg-' d’air humide

kg d’eau kg ' d’air

humide

Notations et s> mboles. N.4

Y, Humidité absolue de l’air de séchage à la sortie du lit fluidisé Ysat Humidité absolue de l’air à saturation

YR Humidité absolue de l’air à la surface humide du grain Z Direction du mouvement

Z i Hauteur de liquide dans un tube fin Zcai Valeur calculée

Zexp Valeur expérimentale

kg d’eau kg ' d’air humide

kg d’eau kg'* d’air humide

kg d’eau kg'* d’air humide

m

Symboles grecs.

Y Tension superficielle Nm'*

Yn Rapport gyromagnétique, constante caractéristique du noyau rad T''s'‘

E Porosité du lit fluidisé, degré de vide -

Eo Porosité du lit fixe -

Efl Porosité du lit fluidisé -

Egr Porosité des grains de levure -

0 Angle de contact liquide-solide rad

X Libre parcours moyen m

X th Conductivité thermique W m-' K■'

A/thair Conductivité thermique de l’air W m ' r'

li Moment magnétique nucléaire Am^

Pair Viscosité de l’air kg m‘‘ s'‘

M

Coefficient de résistance à la diffusion vapeur - P«au Potentiel chimique de l’eau dans le produit J mol'*

P eau Potentiel chimique de l’eau pure J mof'

Pg Viscosité du gaz kg m'* s''

Vo Fréquence de la radiation électromagnétique, fréquence de s'*

Larmor

Tlo Pression osmotique Pa

TTc Pression capillaire Pa

n Potentiel en eau Pa

Pair Masse volumique de l’air à l’interface kgm'^

Pd Concentration de la substance diffusante dans le solide kg m'^

Peau Masse volumique de l’eau kgm'^

Pg Masse volumique du gaz kgm'^

pi Masse volumique du liquide kgm'^

Pm Masse volumique du mélange vapeur d’eau-air à l’interface kg m'^

Psd Masse volumique du solide sec kgm'^

Pv Masse volumique de la vapeur kgm'^

pvair Concentration de vapeur d’eau dans l’air kgm'^

Pvsol Concentration de vapeur dans l’air à la surface du solide kgm'^

CT Tension superficielle Nm'*

CTp Ecart type des fluctuations de chute de pression Pa

X Diamètre moléculaire m

T

Tortuosité -

9 Facteur de forme, terme de sphéricité -

9 Potentiel capillaire ou succion kg m'^

Contribution à l’optimisation du séchage en lit fluidisé.

Notations et svmboles.

Nombres adimensionnels.

Ar Nombre d’Archimède

Fo Nombre de Fourier

=

Ps^ps ^gr Mv Nombre de masse volumique

P, Pr Nombre de Prandtl

Re* Nombre de Reynolds

_ Ps^P^

Pz

Sc Nombre de Schmidt _ P

pD

Sh Nombre de Sherwood kdp

D

' Rcmf : nombre de Reynolds à la vitesse minimale de fluidisation.

Cadre et objectifs du tra^'ail. 1,1

Partie I.

Cadre et objectifs du travail.

I.l. Cadre du travail.

Le point de départ de ee travail est l’étude du séehage par fluidisation de levures sélectionnées comme levures antagonistes pour leurs effets protecteurs des pommes et des poires vis-à-vis de maladies post-récolte telle que la pourriture grise qui est causée par un champignon, Botrytis Cinerea. Ces souches de levures proviennent de recherches effectuées par l’unité de Phytopathologie des Facultés Agronomiques de Gembloux. Ces biopesticides, produits par fermentation en bioréacteur, doivent être conditionnés. Ils sont donc séchés de manière à limiter leur dégradation et à feciliter leur transport et leur application ultérieure par l’arboriculteur.

Comparativement au séchage par lyophilisation, première technique de séchage utilisée dans le cadre de ce travail {Bioval, 1999-2002], la méthode de séchage par fluidisation s’est rapidement imposée, notamment par sa facilité de mise en œuvre, ses faibles coûts d’équipement et de fonctionnement, mais également en raison des premiers résultats encourageants quant à la viabilité des micro-organismes'.

L’intérêt de l’étude du séchage par fluidisation des levures dépasse le cadre restreint du séchage des deux souches de levures sélectionnées comme biopesticides. En effet, de nos jours les levures intéressent la plupart des grands secteurs de l’activité économique : chimie, pharmacie, alimentation, agriculture et environnement. L’engouement pour ces micro­

organismes est dû à leur capacité de produire, en quantité importante, des métabolites et des enzymes d’un grand intérêt industriel. L’ensemble de ces activités engendre un chiffre d’affaire considérable.

' Terme dépourvu de définition scientifique stricte, regroupe de nombreuses espèces disparates au plan taxonomique, dont le seul facteur commun tient à la petitesse de leur taille.

Contribution à l’optimisation du séchage en lit fluidisé.

Cadre et objectifs du travail. 1.2

La levure de boulangerie, par sa facilité d’approvisionnement, son faible coût et la similitude de son comportement pendant le séchage par rapport aux souches identifiées comme biopesticides, a vite été révélée comme matériel de base pour ce travail. Cependant, bien que la production industrielle de ces levures sèches soit déjà d’actualité, la qualité du produit fini (viabilité, activité) n’est pas constante, elle peut varier d’une production à l’autre.

La production mondiale la plus importante de micro-organismes concerne d’ailleurs la levure de boulangerie. Au cours de la dernière déceimie, sa production a atteint 2,5 millions de toimes par an dans le monde [Loïez ,2003]. Elle génère un chiffre d’affaire aimuel de 800 millions d’euros uniquement dans l’Union Européenne . Une grande partie de la production de levures de boulangerie se présente sous forme de pâte (levure pressée à 70% d’humidité), ce qui engendre d’énormes coûts de stockage et de transport en camions réfrigérants (nécessité de garder la pâte à une température de 4 à 7°C) ainsi qu’une durée de conservation limitée à 5 semaines avec les mêmes contraintes de température. Par contre, la levure sèche peut être stockée et transportée à température ambiante et conservée de 6 mois à 2 ans [Loïez ,2003]. Le séchage systématique de la levure de boulangerie permettrait donc de réduire les coûts de stockage et de transport et d’en augmenter la durée de conservation.

Malheureusement, l’activité fermentaire de la levure séchée par fluidisation varie d’une production à l’autre. Ce manque de reproductibilité conduit l’utilisation encore courante de la levure pressée dont l’activité fermentaire varie peu d’une production à l’autre. Une étude approfondie du mécanisme de séchage et des conditions favorisant l’obtention d’une matière sèche vivante et active s’impose donc. En effet, l’identification du ou des paramètres de séchage nuisant à la viabilité^ des levures permettra d’éviter d’imposer à la levure des conditions de séchage qui conduisent inévitablement à une perte de viabilité.

^ Le lien entre viabilité et activité fermentaire sera explicité au cours de ce travail.

Cadre et objectifs du travail. 1,3

1.2. Objectifs du travail.

Les objectifs de ce travail s’articulent autour de trois axes :

♦ l’obtention d’une levure sèche dont l’activité fermentaire est assurée,

♦ la détermination du ou des types d’eau présents dans les grains de levures hydratés,

♦ la mise au point d’un modèle mathématique permettant de simuler l’évolution de l’humidité et de la températvjre de l’air de séchage, d’une part et de l’humidité de la levure durant l’opération de séchage, d’autre part.

La partie expérimentale concernant l’étude du séchage de levures en lit fluidisé va permettre de déterminer les conditions opératoires provoquant la perte de viabilité des levures pendant le séchage mais également de déterminer par quel modèle de réacteur le lit fluidisé pourra être modélisé. Le modèle mathématique développé permettra d’observer l’influence de modifications des conditions opératoires, telles que le pourcentage d’humidité du solide avant séchage ou l’augmentation de la température de l’air de séchage, sur la durée du séchage et la viabilité de la levure sans nécessiter de nouvelles expériences. Quant à la caractérisation expérimentale de l’eau dans les grains de levures, elle doit aider à comprendre les raisons de la perte de viabilité des levures durant le séchage pour certaines conditions opératoires mais aussi à orienter les hypothèses du modèle mathématique.

Contribution à l'optimisation du séchage en lit fluidisé.

Cadre et objectifs du travail. 1,4

Le présent travail débute, partie II, par une présentation théorique de la levure de boulangerie, du séchage en tant que tel et des techniques employées pour le séchage de la levure de boulangerie. L’intérêt du séchage et les outils permettant son étude seront également évoqués.

Afin de mener à bien l’étude expérimentale, un dispositif de séchage en lit fluidisé instrumenté a été construit au laboratoire de Génie Chimique de l’ULB dans le cadre d’un financement de la Région Wallonne {Bioval, 1999-2002]. Il permet de suivre en continu les paramètres du séchage et de pratiquer des prélèvements de levures pendant celui-ci afin de déterminer l’évolution de la viabilité et celle de la matière sèche de la levure en cours d’opération. Ce dispositif est présenté dans la partie III de ce travail.

La partie IV décrit les résultats de l’étude expérimentale et tente de mettre en évidence des paramètres de séchage néfastes pour la levure de manière à établir un relevé des conditions opératoires appropriées pour l’obtention de levures sèches vivantes et actives.

Afin de comprendre l’influence des paramètres de séchage sur la viabilité de la levure, les liaisons eau-macro molécules ont été caractérisées à l’aide de deux techniques : la spectroscopie par résonance magnétique nucléaire (mesures réalisées au laboratoire de Matière condensée et Résonance magnétique de la Faculté des Sciences de l’ULB) et l’analyse calorimétrique différentielle (mesures effectuées au laboratoire de Technologies des industries agro-alimentaires de la Faculté des Sciences Agronomiques de Gembloux). Les résultats obtenus par ces deux techniques complètent l’analyse énergétique des courbes de séchage obtenues au laboratoire. La caractérisation expérimentale de l’eau dans les grains de levures constitue la partie V de ce travail.

La partie VI de ce travail présente les hypothèses et les équations à la base du modèle mathématique développé. Ce modèle permet, notamment, d’obtenir l’évolution temporelle de l’humidité des levures pendant le séchage, expérimentalement cette humidité ne peut en effet être obtenue que ponctuellement. Le modèle permet également d’observer l’impact de toute modification des conditions expérimentales sur la durée du séchage et la température dans le lit fluidisé.

La VII”"^ partie de ce travail présente dans le cas de l’unité de séchage de la société Gelka, productrice notamment de levures sèches actives, les apports des parties expérimentales et de modélisation sur la production industrielle de levures sèches actives.

La dernière partie sera consacrée aux conclusions feites sur les types d’eau présents dans la

levure et les conditions de séchage des levures permettant une viabilité élevée en fin

d’of)ération. Ce travail est clôturé par la présentation des perspectives ouvertes par la présente

étude en vue de produire de la levure sèche à activité fermentaire élevée.

Séchage de la levure : état de la question. II. 1

Partie II.

Séchage de la levure : état de la question.

Les levures (Figure II. 1) ont été utilisées par l’homme depuis des millénaires en particulier dans la febrication des boissons alcoolisées et du pain. Ce n’est qu’avec les travaux de Pasteur dans les aimées 1866-1876 que le rôle des levures dans la fermentation alcoolique a été mis en évidence. Les levures, en raison de leur facilité de culture et de l’innocuité d’un grand nombre d’espèces, sont les micro-organismes les plus utilisés pour la production de boissons alcoolisées et de produits de boulangerie, mais aussi comme source de protéines et de vitamines dans l’alimentation humaine et animale. Les bonnes connaissances de la biologie moléculaire des levures ainsi que les techniques du génie génétique ont permis d’utiliser des levures pour la production de protéines animales et humaines, comme la présure, l’hormone de croissance humaine, ou le vaccin contre l’hépatite B [Leveau, et al. ,1993].

Figure II. I : Photographie au microscope électronique de cellules de levures de boulangerie.

Saccharomyces cerevisae, espèce de levures à laquelle appartient entre autres la levure de boulangerie, est l’un des organismes modèles les plus utilisés dans les laboratoires universitaires de recherche pour des études biochimiques, physiologiques et génétiques car c’est l’eucaryote' le plus simple [Loïez ,2003].

‘ Cellule différenciée contaiant un noyau.

Séchage de la le\~ure : état de la question. II.2

11.1. La levure de boulangerie.

11.1.1. Généralités.

Les levures peuvent être définies comme des champignons unicellulaires se reproduisant par bourgeonnement ou fission \Kreger Van Rij ,1984\. Chaque cellule est de forme sphérique ou ovoïde dont la taille ne dépasse pas 6 à 8 microns.

Les levures regroupent les micro-organismes présentant des caractéristiques communes et appartenant aux 3 classes de champignons suivantes :

les ascomycètes, classe de champignons se reproduisant par un processus sexué dans un asque, organe en forme de sac allongé, après méiose,

les basidiomycètes, classe de champignons supérieurs chez lesquels la méiose, accomplie dans les basides (cellules reproductrices en forme de massue), donne naissance à 4 spores,

- les deutéromycètes, classe de champignons ne présentant pas de mode connu de reproduction sexuée.

A l’intérieur de ces classes, les levures sont regroupées en ordre, famille, sous-famille et, éventuellement, genres et espèces. La levure de boulangerie est un champignon unicellulaire, de la classe des Ascomycètes, du genre Saccharomyces (le nom réfère à son affinité pour le sucre) et de l’espèce Cerevisiae (le nom réfère à son rôle dans la fèbrication de la bière). Le nom Saccharomyces Cerevisiae a été donné à la levure de bière en 1838 par Meyer.

La levure de boulangerie appartient à un groupe relativement mineur de levures ; les levures aérobies fècultatives et fermentaires (anaérobiose), capables d’utiliser le glucose en présence ou en absence d’oxygène et de fermenter le glucose même en présence d’air (Figure II.2).

Figure II.2 ; Voies métaboliques de dégradation du glucose [Loïez ,2003] [Lehninger, et al. ,1993],

Séchage de la le\Tirc : état de la question. II.3

En absence d’oxygène (anaérobiose), les enzymes de levures fermentent le sucre en dégageant de l’alcool éthylique et du gaz earbonique, c’est la fermentation panaire. Le gaz carbonique provoque la levée de la pâte tandis que les métabolites secondaires contribuent à la création du goût et de l’arôme du pain. En présence d’oxygène (aérobiose), la dégradation du glucose se fait par l’intermédiaire de réactions enzymatiques spécifiques. L’énergie produite assure le maintien de la vie de la eellule mais permet également d’effectuer de nombreuses synthèses cellulaires pour la croissance et la multiplication. Cette voie est utilisée pour la fabrication industrielle de la levure.

En présence ou en absence d’oxygène, le glucose suit la voie de la glycolyse (Figure 11.2) et produit du pyruvate. Ensuite, le pyruvate est soit transformé en éthanol et gaz carbonique en absence d’oxygène, soit en acétyl-CoenzymeA en présence d’oxygène. L’acétyl-CoenzymeA permet l’entrée dans le cycle de Krebs et, de cette manière, permet la synthèse de composés riches en énergie, préeurseurs de lipides et de protéines.

En raison de son meilleur rendement énergétique, la voie respiratoire est utilisée préférentiellement par la levure. Cependant, si la coneentration en sucre du milieu augmente au delà de 100 mg f‘, il y a inhibition de la respiration par la fermentation et produetion d’alcool malgré la disponibilité d’oxygène. Ce phénomène a donné naissance au procédé d’alimentation continue (mode fedbatch^) pour la production industrielle de levures [Loïez ,2003].

II. 1.2. Fabrication et conditionnement de ia ievure.

La production de levures de boulangerie commerciale s’effectue à partir de souehes^ de levures qui vont subir une série de cultures dans des volumes de plus en plus grands (Figure 113). Les premières étapes de la culture sont réalisées au laboratoire dans des conditions de stérilité stricte. Elles sont réalisées en ballons agités, dans un milieu nutritif riche composé de saceharose et d’extrait de levures. Cette étape est appelée culture en ballons (Erlenmeyers).

Lorsque la quantité de levures est suffisante, elle servira à ensemencer un premier fermenteur de faible contenance et facilement stérilisable. Cette étape, appelée culture pure, peut être renouvelée afin d’augmenter progressivement la quantité de eellules de levures. L’étape de culture pure se déroule en fermentation batch'* * stérile, c’est-à-dire que tous les nutriments sont dans le fermenteur avant stérilisation et inoculation par les souches de levures. Lorsque la quantité de levures est suffisante, la suspension obtenue sert à ensemencer un premier fermenteur industriel (environ 500 g pour un fermenteur de 8 à 10 m^ [Chen, et al. ,1985]).

La fermentation industrielle commence. Le milieu nutritif change, le saccharose et l’extrait de levures sont remplacés par la mélasse de sucrerie ou de betterave qui présente l’avantage d’être bon marché et d’être constituée des éléments essentiels à la fermentation de la levure :

du sacchrarose (45-65 % de la matière sèche) comme source de carbone, des minéraux (Tableau IL I),

des oligoéléments (Tableau IL 1), des vitamines (Tableau U. 1).

^ Mode continu-discontinu, un des nutriments est amené en continu dans ie fermenteur.

^ Ensemble d’organismes d’une même espèce et provenant d’un même ancêtre.

* Mode discontinu.

Contribution à l’optimisation du séchage en lit fluidisé.

Séchage de la levure : état de la question. II.4

Sels minéraux Quantité Vitamines Quantité

K 2 SO 4 ^{24 g B1 25 mg}

MgS04, 7 H 2 O 12 g B2 1,25 mg

CaCb, 2 H 2 O 1,6 g B5 95 mg

Oligoélements B 6 12 mg

Fe(NH4)2(S04)2, 6 H 2 O 1025 mg Biotine 0,5 mg

ZnS04, 7 H 2 O 192 mg Acide p-aminobenzoïque 5,8 mg

C

S04,7H20 30 mg Acide nicotinique 40 mg

MnS04, H 2 O 17 mg Acide nicotinamide 40 mg

H 3 BO 3 ^{23 mg}

Na 2 Mo 04 , 2 H 2 O 23 mg Inositol 1440 mg

Kl 11 mmg Ribitol 43 mg

Tableau II. I : Besoins nutritifs de la levure pour sa croissance, pour un kilogramme de glucose dans le milieu (composition type de milieu, brevet de Plomb) [Loïez ,2003].

La fermentation industrielle est menée en mode fedbatch. La mélasse est introduite dans le

fermenteur progressivement, de manière à ce que les sucres ne s’accumulent pas dans le

milieu. La fermentation se termine lorsque la capacité du fermentem est atteinte (entre 10 et

18 h). Au dernier stade de la fermentation, la concentration en cellules atteint en moyenne 5 à

6% de la matière sèche. Les cellules de levures sont séparées du moût de fermentation par

centrifugation. Le résultat est la crème de levures à 18-20% de matière sèche qui est soit

utilisée telle quelle, soit concentrée par filtration (filtre rotatif sous vide ou filtre-presse). La

pâte obtenue contient de 27 à 34% de matière sèche, elle est soit extradée et pressée de

manière à obtenir des blocs compacts de levures, soit extradée en fins filaments (diamètre de

l’ordre du millimètre) afim d’être séchée.

Séchage de la leuire : état de la question. II.5

Figure II. 3 : Procédé de fabrication de la levure et principaux avantages et désavantages des différents produits finis.

Actuellement, il existe deux types de levures sèches actives :

> la levure sèche active à réhydrater (Tableau II.2), dont l’utilisation en panification doit être précédée d’une phase de remise en solution aqueuse afin d’être réactivée.

La levure sèche active à réhydrater date de 1930 [Taeymans, et al. ,1983], Elle se présente, en général, sous forme de granules de 1 à 1,5 mm de diamètre à 92-94 % de matière sèche.

Contribution à l’optimisation du séchage en lit fluidisé.

Séchage de la lewre : état de la question. II.6

> la levure sèche instantanée (Tableau U.2), apparue dans les années 1970. Ce type de levures sèches ne nécessite aucune phase de réhydratation avant son utilisation.

Son activité fermentaire est plus élevée que celle de la levure sèche à réhydrater en raison de son pourcentage en azote plus élevé [Langejan, 1976]. Une modification au niveau de la souche de levures a en effet permis d’obtenir une levure dont la composition en azote est plus élevée. Cette levure est séchée de manière à obtenir de petites particules sphériques de 0,5 mm de diamètre à 96% de matière sèche, présentant une composition homogène (pas de couche externe dure (coque)).

Avant son séchage, un émulsifiant (le monoester de sorbitan par exemple) est ajouté à la levure afin de feciliter sa réhydratation.

Levure pressée Levure sèche à réhydrater^

Levure sèche instantanée^

Aspect Blocs, granules Dépend du type de séchage employé

Sphères de 0,5 mm de diamètre Matière sèche

(%)

27-34 92-94 95-96

Protéine’ (%) 42-56 40-43 45-52

Activité

fermentaire (mi C02* *)

1050-1400 490-650 1015-1200

Durée de vie 3 à 5 semaines à ± 4°C

Minimum 1 an à température ambiante en paquets scellés

Minimum 1 an à température ambiante en paquets scellés Tableau 11.2 : Caractéristiques principales des principaux types de conditionnements de levures de

boulangerie produits, [van Dam ]

Dans le milieu des années 1980 est apparu un nouveau type de conditionnement de la levure de boulangerie : la levxu-e à humidité intermédiaire surgelée (LHIS). Préparée comme la levure sèche instantanée mais sans émulsifiant, elle est séchée en lit fluidisé jusqu’à des matières sèches de 78 ± 2% et puis surgelée et conservée à -18°C [Loïez ,2003], Ce type de levures présente l’avantage :

- d’avoir une activité fermentaire élevée car la perte d’activité due au séchage est peu importante tant que la teneur en matière sèche reste inférieure à 80%,

- de conserver son activité fermentaire pendant 2 ans ou plus,

de pouvoir être utilisée comme de la levure sèche instantanée grâce à sa caractéristique « fi'ee flowing* ».

Son principal désavantage est la nécessité de la maintenir à -18°C.

^ Active dry yeast (ADY), en anglais.

® Instant diy yeast (IDY), en anglais.

^ Macromolécule organique azotée. L’activité fermentaire de la levure est liée à son contenu en protéines. Plus faible est la teneur en protéines de la levure, sur une basse sèche, plus faible so3 son activité fermoitaire [Chen, et al. ,1985].

* Ecoulement facile, grâce à la présentation en petites particules de 0,6 mm de diamètre et quelques millimètres

de longueurs, durcies par le froid.

Séchage de la Icx-ure : état de la question. 11,7

11.2. Le séchage.

Le séchage est une opération unitaire ayant pour but d’éliminer par changement d’état (évaporation ou sublimation) im solvant imprégnant un solide ou un liquide [Charreau, et al.

,1991]. La déshydratation ne concerne que l’élimination de l’eau dans un solide ou dans un liquide. Dans le cadre de ce travail, le liquide à éliminer est l’eau, par conséquent les définitions suivantes se rapporteront exclusivement à l’eau et non à vm liquide quelconque.

L’énergie nécessaire à la vaporisation de l’eau (énergie d’évaporation’) et la chaleur dite de désorption doivent lui être apportées. La vapeur formée doit, quant à elle, être évacuée. Deux procédés généraux peuvent être utilisés, le séchage par ébullition et le séchage par entraînement avec différents modes et vitesses d’apport de la chaleur [Bernardo, et al. ,1990].

La distinction entre le séchage par entraînement et le séchage par ébullition est basée sur la valeur de la pression de vapeur de l’eau du produit p^soi, à l’endroit où elle se vaporise {Bernardo, et al. ,1990]:

si le produit est porté à ime température telle que pvsoi est égale à la pression totale ambiante, on parle de séchage par ébullition.

- si le produit est entouré d’un gaz où la pression de vapeur d’eau pvg est inférieure à Pvsoi avec Pvg<pvsoi<d*T, le départ de l’eau du produit est dû à un gradient de pression partielle d’eau dans le gaz qui entoure le produit à travers lequel l’eau doit diffuser.

Le gaz constitue le vecteur de la vapeur d’eau formée. Le séchage est dit par entraînement.

A ces deux modes de séchage s’ajoute le séchage par sublimation, qui consiste à transformer directement en vapeur le solvant préalablement congelé. Cette opération ne peut se faire que si l’on opère à ime température et ime pression d’équilibre inférieures à celles du point triple du corps à éliminer. Cette technique est appelée lyophilisation ou cryodessication.

II.2.1 Equilibre entre l'humidité de l'air et le produit.

II.2.1.1. Activité en eau d'un produit.

Uactivité en eau d’un produit a^ traduit le degré d’attachement de l’eau au support solide.

Elle se définit par rapport à im état de référence qui est celui de l’eau pure, pour laquelle l’activité est, par convention, égale à 1. L’activité en eau se définit à l’équilibre par rapport au potentiel chimique de l’eau [McQuarrier, et al. ,2000]:

f^eau(P,T) f^em4.P,T) RT\0%a^

(11.1)

OÙ

Peau : potentiel chimique de l’eau dans le produit (J moi'')

P 'eau

' potentiel chimique de l’eau pure à la même température (J mol ') R : constante des gaz parfaits (J mof' K'')

T : température (K)

^ Chaleur latente de vaporisation AHy.

Contribution à l’optimisation du séchage en lit fluidisé.

Séchage de la levure : état de la question. II.8

Bien que mesurées sur deux échelles analogues, l’humidité relative (de 0 à 100%) et l’activité en eau (de 0 à 1) n’ont pas la même signification physique. L’humidité relative se rapporte à la phase gazeuse tandis que l’activité en eau se réfère à la phase condensée de l’eau adsorbée et à la variation de potentiel chimique qu’elle a subi [Deymié, et al. ,1991].

Cependant, en supposant que la vapeur d’eau soit un gaz parfèit et que l’équilibre thermodynamique soit atteint, l’activité en eau dans un produit solide ou dans une solution est égale à l’humidité relative de l’atmosphère en équilibre avec la phase condensée, à la température considérée, avec une erreur inférieure à 0,2% [Deymié, étal. ,1991].

L’activité de l’eau d’un produit peut donc se définir par le rapport entre la pression de vapeur d’eau dans le produit et la pression de vapeur générée par de l’eau pure à la même température [Taeymam, étal. ]

=

ou

Pvsoi

P^T.) ûtw

Pvsol pw

(II.2)

activité en eau du produit (-)

pression partielle de vapeur d’eau d’une substance (Pa)

pression de vapeur saturante de l’eau pure à la même température (Pa) Etat de référence : activité de l’eau pure :

Pw(T)

Pvsat '■ pression de vapeur saturante (encore appelée tension de vapeur à l’équilibre), pression partielle de la vapeur d’eau à la saturation à la température sèche (Pa)

[Nadeau, étal. ,1995],

Si l’on considère im solide et une atmosphère (air) en équilibre l’un avec l’autre, leius pressions en eau et leurs températures sont égales (pas de transferts de masse et de température) ;

(Il 3)

Pvoir Pvsol ^ _ Pvsol _ Pvair _

P ~Psol P'<’(T

) Pvsat(T)

(U. 4)

Figure II.4 : Similitude entre l’humidité relative et l’activité en eau.

L’humidité relative HR, exprimée en pour cent, et l’activité de l’eau a^ sont des grandeurs directement proportionnelles (Figure 114).

L’humidité relative HR (= degré hygrométrique) précise le niveau d’humidité absolue de l’air par rapport au niveau d’humidité absolue maximal qu’il pourrait avoir, compte tenu de la température de l’air et de la {wession [Rozis ,1995]. L’humidité relative de l’air, exprimé en pour cent, est le rapport entre la pression partielle de la vapeur d’eau de l’air et la pression de vapeur d’eau à saturation à la même température, multiplié par 100.

Cette égalité est basée sur la supposition d’une solution idéale ainsi que de l’existence de l’équilibre

thermodynamique [Fennema, 1996].

Séchage de la levure : état de la question. II.9

II.2.1.2. Isothermes de sorption.

Une isotherme de sorption (Figure I15a) indique, à l’équilibre et pour une température donnée, la quantité d’eau retenue par im produit en fonction de son activité en eau, ou inversement.

Une isotherme de sorption (composée d’une courbe d’adsorption, humidification du solide, et d’une courbe de désorption, séchage du solide) générale est montrée en Figure II.5b, ainsi que des isothermes de désorption de Saccharomyces Cerevisiae établies à différentes températures (Figure IL 5c).

Figure II.5 : Isotherme de sorption sigmoïdale typique (a), isothermes de désorption et d’adsorption générales [Fennema ,1996] et isothermes de désorption de Saccharomyces Cerevisiae (c) [Josic ,1982],

Chaque isotherme de sorption d’un produit est représentative de la disponibilité de l’eau qu’il contient. Elle est obtenue expérimentalement en relevant les teneurs en eau du produit Xeq en équilibre avec différentes humidités relatives de l’air ambiant pour la température donnée.

Contribution à l’optimisation du séchage en lit fluidisé.

Séchage de la levure : état de la question. II.IO

La forme des isothermes de sorption de la levure est une sigmoïde (Figure 11.5) eomme pour la plupart des produits biologiques [Tome, et al. ,1978]. Cette courbe sigmoïdale eomporte trois zones (Figure II. 5a) qui correspondent à différents types de liaisons de l’eau au solide [Rockland ,1969] [Tome, étal. ,1978] [Fennema ,1996] [Leconte ,2000] :

- zone I : l’eau est adsorbée par liaison hydrogène sur des sites polaires du solide (les protéines de la levure par exemple). Ces molécules d’eau sont quasi immobilisées par ces liaisons hydrogène. Cette zone correspond à une monocouche d’eau liée au solide.

- zone II : les molécules d’eau sont liées entre elles, formant une ou plusieurs couehes additionnelles. La polarisation causée par les groupements polaires des macromolécules sm les molécules d’eau environnantes s’atténue avec la distance entre les molécules d’eau et les macromolécules du solide. En d’autres mots, plus il y a de couches d’eau moins elles sont « liées » au solide, moins elles sont influencées par les groupements polaires des macromolécules.

zone III : les molécules d’eau sont liées à d’autres molécules d’eau et ne sont plus influencées par les sites polaires du solide. L’eau est maintenue au sein du solide par des forces plus faibles telles que les forces capillaires pour les solides poreux.

Les courbes de désorption et d’adsorption ne se recouvrent pas et présentent une hystérésis pour une même activité de l’eau (Figure II.5b). La quantité d’eau contenue dans le solide est plus élevée en désorption qu’en adsorption. Plusieurs hypothèses ont été émises pour expliquer ce phénonrène [Labuza ,1968] [Nellist, et al ,1973] [Wolf, et al ,1972] [Yang, et al.

,1997]. Les trois explications les plus citées sont :

• la condensation de l’eau dans les pores du solide. Elle répond à la relation de Kelvin (II. 5) qui permet de calculer la pression partielle de vapeur en fonction du rayon de courbure du ménisque liquide Vc et de l’angle de contact liquide-solide 6 (dépendant des tensions interfeciales) [Rouquerol étal ,2003] :

Pyg _ 2a cos 6

^c^T'Peau

OÙ

Pvsat '■ pression partielle de la vapeur à saturation (Pa) a : tension superficielle (N m"')

9 : angle de contact liquide-solide (rad) Te : rayon de courbure des ménisques (m) R : constante des gaz parfaits (J mof' K'') T : température (K)

Peau '■ masse volumique de l’eau (kg m'^)

(11.5)

La désorption s’effectue à une pression plus feible que l’adsorption car l’angle de contact liquide-solide 6 est plus grand lorsqu’un liquide vient mouiller une surface sèche (adsorption) que lorsqu’il se retire d’une surface humide (désorption) [Labuza ,1968]. •

• la théorie de la bouteille d’encre de Rao [Rao ,1941]. Cette théorie suppose que les pores

sont en forme de bouteille, c’est-à-dire composés de cols étroits et de larges corps (Figure

116). En adsorption, le pore ne sera entièrement rempli que lorsque l’activité en eau

correspondant au rayon le plus large sera atteint. Par contre, lors de la désorption, le plus

petit rayon contrôle la vidange du pore. La vidange du pore se fera donc à une activité

plus basse que son remplissage, selon l’équation de Kelvin (I15).

Séchage de la le\~ure : état de la question. II. 11

Figure 11.6 : Vidange et remplissage des pores d’un solide poreux lors de la

déshydratation et de l'hydratation [Vanderschuren ,2000].

• Le réarrangement des composants du solide [Al-Muhtaseb, et al. ,2002], Lors de l’adsorption de l’eau par un solide, la modification de l’agencement des molécules constituant le solide augmenterait le nombre de sites polaires disponibles pour les molécules d’eau. Notamment lors de l’adsorption d’eau par des protéines, les chaînes polypeptidiques à l’intérieur des molécules de protéines se déforment de manière à ce que les sites d’adsorption polaires soient plus disponibles [Iglesias, et al. ,1976],

L’hystérésis observée entre les courbes d’adsorption et de désorption de la levure ne semble pas pouvoir s’expliquer par une seule des causes pré-citées. En effet, la condensation capillaire devient non-négligeable pour des pores de rayon égal ou inférieur à 10'*m. La théorie de la bouteille d’encre suppose que la majorité des pores présente une géométrie particulière. Quant au réarrangement des composants de la levure, son influence ne peut prévaloir pour des activités en eau a» élevées. En effet, seules les molécules d’eau composant les premières couches d’eau entourant le solide sont influencées par les groupements polaires des macromolécules du solide. La raison de l’hystérésis ne semble donc pas unique mais bien une combinaison de plusieurs causes.

II.2.1.3. Chaleur de désorption.

La chaleur de désorption est l’énergie requise pour casser les forces intermoléculaires entre les molécules d’eau et la surface du solide. La chaleur de désorption est considérée comme indicative des forces attractives intermoléculaires entre les sites de sorption et les molécules d’eau [Al-Muhtaseb, et al. ,2004], Elle peut être obtenue à partir des isothermes de désorption à différentes températures. En effet, pour une humidité donnée d’un solide, l’activité en eau de ce solide est fonction de la ten^rature. L’expression de la chaleur de désorption est obtenue à partir de l’équation de Clapeyron.

L’équation de Clapeyron permet d’évaluer la variation de la pression partielle de vapeur d’eau de l’eau pure en fonction de la température [Iglesias, et al. ,1976] [Tsami, et al. ,1990] :

dlnp„ K

R

où pw : pression partielle de vapeur de l’eau pure (Pa) T : température (K)

Lv : chaleur latente de vaporisation de l’eau pure (J kg’’) R : constante des gaz parfeits (J kg‘‘ K‘‘)

(II. 6)

Contribution à l’optimisation du séchage en lit fluidisé.

Séchage de la le\aire : état de la question. 11.12

Dans le cas d’un solide hydraté, la variation de la pression partielle de vapeur d’eau est donnée par [Iglesias, et al. ,1976\ :

L +a

R

où

pression partielle de vapeur d’eau du solide (Pa) T : température (K)

Z,v : chaleur latente de vaporisation (J kg"’) Qs : chaleur de désorption (J kg"')

R : constante des gaz parfaits (J kg" K' )

ai 7)

Or par la relation (77.:

Pvsoi ^wPw

La chaleur de désorption est alors exprimée par la relation aW ' dlr^^q^

,1 ' R

La chaleur de désorption est calculée à partir de la pente du graphique de In(ayv) en fonction de 1/T à différents contenus en humidité.

La détermination de la chaleur de désorption pour un solide à différents pourcentages d’humidité montre que la chaleur de désorption s’accroît lorsque le pourcentage d’humidité du solide diminue en deçà du pourcentage d’humidité correspondant à l’hydratation en couche monomoléculaire (Figure IL 7).

Figure II. 7 ; Chaleur de sorption en fonction de la teneur en eau.