sechage de produits alimentaires par thermofrigopompe

Journal des Sciences
SECHAGE DE PRODUITS ALIMENTAIRES PAR
THERMOFRIGOPOMPE
G. BOP, D. SOW, A G SOW, M D SALL
Laboratoire de Microbiologie Appliquée et de Génie Industriel
Ecole Supérieure Polytechnique B.P 16 819
Université Cheikh Anta DIOP Dakar - Fann, Sénégal [email protected]
RESUME : Le 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, etc.). La compréhension 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’articule sur le séchage de produits alimentaires à basse température (35°C) par thermofrigopompe. Nous
avons pu modéliser la cinétique de séchage de la banane et du thiacry* en nous appuyant sur la méthode numérique proposée
par Moyne (1984). Les courbes expérimentales obtenues présentent des similitudes avec des coefficients de corrélation très
proches de 1 avec le modèle numérique de Moyne. Enfin, la spécificité du séchage à basse température est la conservation des
propriétés organoleptiques des produits séchés. Un second article [F 2] 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.
MOTS-CLES : thermofrigopompe, teneur en eau, thiacry*, modélisation, cinétique de séchage.
Thiacry* : Farine de ceréales (mil) roulée et passée à la vapeur très utilisée en Afrique, particulièrement au Sénégal.
ABSTRACT : Drying is one of the main techniques for preserving food and agricultural products. It is also a process that
occurs in the production of many food products, such as full step processing or ancillary (freezing, cooking, etc.).. Understanding
of the phenomena involved is based on an understanding of the balance between air and fluid and control of drying kinetics and
product processing. This article focuses on the drying of food at low temperature (35°C) thermofrigopompe. We were able to
model the drying kinetics of banana and thiacry * by relying on the numerical method proposed by Moyne (1984). The
experimental curves obtained are similar with correlation coefficients very close to 1 with the numerical model of Moyne.
Finally, the specificity of low temperature drying is the preservation of the organoleptic properties of dried products. A second
article [F 2] then describe the specifics of dryers used in food industries (IAA) and the impact of the drying process on the
quality of organic products.
KEYWORDS : thermofrigopompe, water content, thiacry*, modeling drying kinetics.
Thiacry* : Flour (millet) rolled and steamed widely used in Africa, particularly in Senegal.
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1. Introduction
Le séchage des denrées alimentaires a pour objectif l’abaissement de la teneur en eau des produits pour
permettre un stockage longue durée tout en évitant le développement des moisissures et des bactéries. Au
cours de cette opération, différentes transformations physico-chimiques (modification structurale,
dégradations des constituants organiques, etc.) peuvent avoir lieu au sein du produit. L’étude entreprise
présente en premier lieu un aspect expérimental concernant l’influence de différents paramètres tels que la
température, l’humidité relative de l’air, la teneur initiale en eau du produit, la vitesse de l’air, etc., sur les
cinétiques de déshydratation du produit au cours du séchage à convection forcée. A partir d’expériences
réalisées, nous avons élaboré un modèle pour la cinétique de séchage basée sur les transferts simultanés
de matière et de chaleur à l’intérieur du produit et sur l’écriture des bilans globaux de matière et de
chaleur sur l’ensemble du séchoir. Ce modèle prédit convenablement les évolutions de la teneur en eau,
de la température et de la qualité du produit.
En pratique, il est difficile ou presque impossible de prévenir les contraintes au cours du séchage. Une
optimisation du processus de séchage est naturellement désirée pour assurer un séchage rapide tout en
maintenant la qualité du produit et en minimisant la consommation énergétique du séchoir. En termes de
qualité, on cherche normalement à s’assurer tout au moins que les contraintes développées au cours du
séchage n’excédent jamais le seuil de rupture, c'est-à-dire, à éviter les dégradations excessives par rapport
au comportement structural et à l’aspect visuel du produit [1].
2 - Méthodologies d’obtention des courbes de séchage.
L’obtention de la courbe caractéristique de séchage, et le calcul du flux massique d’eau nécessitent la
connaissance de la vitesse de séchage.
2-1- Calcul de la vitesse de séchage.
L’acquisition des données expérimentales sur la masse du produit permet de représenter la courbe
donnant la perte de masse (kg) en fonction du temps (s). Cependant on a coutume d’utiliser la teneur en
eau du produit sur base sèche (X, kg d’eau/kg de masse sèche) et non la masse, pour tracer la courbe de
séchage.
Selon l’usage, ces données sont transformées afin de tracer soit la courbe de vitesse de séchage soit la
courbe dite de Krischer [2] selon que la vitesse de séchage (-dX/dt) est représentée en fonction du temps
ou de la teneur en eau sur base sèche.
La dérivation de la courbe de séchage peut s’avérer délicate lorsque cette courbe est « bruitée ». En effet
cette opération est sensible « au bruit » et accentue celui-ci [3]. Pour éliminer ou réduire ce « bruit », il est
nécessaire d’effectuer des opérations de lissage ou de filtrage.
Il existe de nombreuses méthodes de filtrage dont :
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
la méthode de Lanczos (1956) qui propose une formule de dérivation numérique incluant un
filtrage. Cette méthode sacrifie les premiers et les derniers points de la courbe selon la longueur
du filtrage [4] ;

un autre type de filtrage consiste à utiliser un filtre à réponse impulsionnelle finie ou moyenne
mobile. Ce filtre appartient à la catégorie des filtres dynamiques qui constituent une sous - classe
des filtres linéaires ;

la méthode de décomposition par ondelette, plus récente, a été développée dans les années 80 [5].
Il s’agit d’une méthode d’analyse de signal non stationnaire qui permet d’analyser le contenu
fréquentiel d’un signal à un niveau local ;

une autre méthode consiste à allonger le pas de temps lors de la dérivation. Pour assurer la
réduction du bruit, de longs pas de temps sont nécessaires, entraînant une perte d’une partie de
l’information contenue dans les données initiales ;

une des méthodes les plus simples est l’ajustement d’un polynôme sur la courbe de perte de
masse [3].
Dans cette étude notre choix s’est porté sur la dernière méthode de l’ajustement d’un polynôme.
2-2- Méthode de détermination de la courbe caractéristique de séchage
L’intérêt de cette courbe est important, il suffit de connaître les valeurs de la teneur en eau initiale et
d’équilibre pour pouvoir décrire la cinétique du séchage dans n’importe quelle condition de l’air.
Le principe de la courbe caractéristique de séchage est de réduire l’ensemble des données expérimentales
de manière à pouvoir les mettre sous forme utilisable non seulement par l’expérimentateur lui-même ;
mais aussi par l’ensemble de la communauté scientifique [6]. Pour y parvenir, la démarche suivie consiste
en une normalisation en représentant le rapport de la vitesse de séchage en un instant t (-dX/dt) à la
vitesse de première phase (-dX/dt)1, dans les mêmes conditions de l’air en fonction de la teneur en eau
réduite Xr [7][8]. La teneur en eau d’équilibre Xeq est déduite de l’isotherme de sorption.
Les cinétiques de séchage sont représentées sous la forme :
 dX   dX 
     f (Xr )
 dt   dt 1
Equation I
Xr est la teneur en eau réduite définie par :
Xr 
X  X eq
X cr  X eq
 dX 

 est la vitesse de phase constante intervenant pour :
 dt 1
Equation II
X i  X r  X cr .
f ( X r ) est la vitesse de séchage réduite.
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On impose arbitrairement une expression mathématique à la fonction f(Xr) ; cette fonction doit vérifier les
propriétés suivantes :
f ( X r )  0 pour X r  0
0< f(Xr) <1 pour 0< Xr <1
En général, il est envisagé les fonctions de type polynomial ou de type de puissance pour représenter les
courbes caractéristiques.
Nous avons exploité dans le cadre de cette étude les fonctions type polynomial de degré 3 représentées
sous cette forme :
f  X r   A1 X r  A2 X r2  A3 X r3
Equation III
A1 ; A2 ; A3 : paramètres à déterminer expérimentalement.
Fonction définie en fonction de la teneur en eau en base humide donne :
f  X h   B1X h  B2 X h2  B3 X h3  K
Avec : X h 
Equation IV
me
me  ms
B1 ; B2 ; B3 ; K : paramètres à déterminer expérimentalement.
2-3- Détermination de la première phase et la teneur en eau critique
La teneur en eau critique Xcr est généralement fonction des conditions de séchage. Dans le cas des
produits biologiques, plusieurs auteurs relèvent qu’il est difficile de localiser une première phase de
séchage même pour les produits dont la teneur initiale en eau est important [9]. Ils identifient la teneur en
eau critique Xcr à la teneur initiale Xi. L’explication réside dans le fait que les parois cellulaires perturbent
la migration rapide de l’humidité vers la surface des produits [7]. Ainsi la phase à vitesse constante peut
être déterminée en utilisant une corrélation qui inclut les conditions aérodynamiques externes et en
prenant en compte le caractère déformable des produits biologiques ou en utilisant l’analogie des
transferts de chaleur et de masse à travers la couche limite d’une surface totalement mouillée (Equation
III).
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3- Matériel et Méthode
Le séchoir utilisé est composé de claies disposées verticalement de sorte que la circulation de l’air se
fasse du bas vers le haut. C’est un congélateur de 200 litres modifié en thermofrigopompe.
La figure 1 illustre le type de séchoir utilisé.
Claies de séchage
Condenseur
Figure 1 : Schéma du séchoir
La méthode utilisée est le séchage convectif de produits alimentaires. L’air de séchage est celui provenant
du condenseur qui sert à refroidir en même temps le compresseur et le condenseur. La circulation de l’air
est assurée par un ventilateur centrifuge. Un dispositif de contrôle, un thermomètre psychromètre permet
de suivre la température et l’humidité relative de l’air. Ce type de séchage est aussi appelé séchage à air
climatisé.
Le chauffage de l’air augmente sa capacité évaporatoire. Ainsi pour un couplage des conditions de
séchage et qualité du produit, nous avons séché des bananes et du thiacry avec de l’air à 49% et 55%
d’humidité relative à la température constante de 35°C.
La masse du produit à sécher est pesée toutes les heures afin de suivre la cinétique du séchage et ceci
jusqu’à ce que la masse reste constante. Pour cela nous avons utilisé une balance à affichage numérique
de sensibilité 1/10.
4- Résultats
La capacité évaporatoire du séchoir est de 1,54 kg d’eau/h pour une température de séchage de 35°C et
une humidité relative de 45% pour des produits séchés sortant à la température minimale de 25°C.
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L’évolution de la masse de thiacry en fonction du temps et de l’humidité relative est représentée par la
figure 2.
m=f(t);Hr=55%
m=f(t);Hr=49%
90
80
70
60
m(g)
50
40
30
20
10
0
0
1
2
3
4
5
6
7
t(h)
Figure 2 : Evolution de la masse de thiacry pour différentes valeurs d’humidité
Les courbes d’évolution de masse du thiacry au cours du temps présentent une partie linéaire durant les
deux premières phases de séchage et une courbure dans la troisième et dernière phase où le produit a
perdu sa presque totalité d’eau intervenant dans le séchage.
Les courbes sont nettement séparées et présentent une même allure.
La courbe représentative de séchage de la banane est représentée par la figure 3.
m=f(t);55%
m=f(t);49%
90
80
70
60
m(g)
50
40
30
20
10
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
t(h)
Figure 3 : Evolution de la masse de banane pour différentes valeurs d’humidité
Les courbes d’évolution de masse de la banane en fonction du temps présentent une allure linéaire très
brève au début du séchage et prennent une allure hyperbolique jusqu’à la fin du séchage. La banane est un
produit très riche en sucre qui inhibe les processus de développement bactériologique.
L’eau présente dans la banane est physiologiquement liée à cette dernière contrairement à celle présente
dans le thiacry qui est constituée d’eau libre essentiellement.
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5- Discussion
L’analyse de la cinétique de séchage du thiacry montre qu’il est très sensible à la variation d’humidité
comme nous le montre la figure 4.
V=f(t);Hr=55%
V=f(t);Hr=49%
18
16
14
V(10-²g d'eau/h)
12
10
8
6
4
2
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
t(h)
Figure 4 : Cinétique de séchage du thiacry
La durée de séchage de ces types de denrées (couscous, arraw, etc.) dont l’eau n’est pas
physiologiquement liée au produit présente les mêmes allures. Plus l’humidité de l’air de séchage est
faible, plus le temps de séchage devient réduit.
L’analyse de la courbe de séchage du thiacry montre que le séchage de celui-ci dépend énormément
des caractéristiques de l’air de séchage. La figure 5 illustre un tel comportement.
V=f(x);Hr=55%
V=f(x);Hr=49%
Polynomial (V=f(x);Hr=55%)
Polynomial (V=f(x);Hr=49%)
x(g d'eau/g de matière)
0,00
30
0,10
0,20
0,30
0,40
0,50
3
0,60
0,70
2
y = 1224,4x - 1501,8x + 606,49x - 67,723
2
R = 0,9637
25
V(10-²g d'eau/h)
20
15
10
3
2
y = 671,99x - 847,2x + 355,11x - 40,246
R2 = 0,9093
5
0
Figure 5 : Courbes de séchage du thiacry à 55% et 49% à 35°C
Quand à la banane, les résultats obtenus ont révélé que le séchage de cette dernière présente une zone
plus large dans laquelle la vitesse de séchage n’est pas assujettie aux caractéristiques de l’air de
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séchage. Autrement dit, les variations de température et d’humidité relative influent peu sur la
cinétique de séchage du produit contrairement au thiacry comme nous le montre les figures 6 et 7.
V=f(t);Hr=55%
V=f(t);Hr=49%
14
12
V(10-²g d'eau/h)
10
8
6
4
2
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
t(h)
Figure 6 : Cinétique de séchage de la banane
V=f(x),55%
V=f(x);49%
Polynomial (V=f(x),55%)
Polynomial (V=f(x);49%)
x(g d'eau/g de matière)
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
18
y = 300,52x3 - 390,72x2 + 171,33x - 22,594
2
R = 0,9857
16
14
y = 324,64x3 - 416,35x2 + 178,47x - 22,831
R2 = 0,9723
V(10-².g d'eau/h
12
10
8
6
4
2
0
Figure 7 : Courbes de séchage de la banane à 55% et 49% à 35°C
Les études menées sur la cinétique de séchage de la banane ont révélé une quasi constance des courbes de
séchage de la banane entre 35°C et 60°C [9] ; ce qui corrobore avec nos résultats.
Le procédé combiné de séchage par déshydratation imprégnation par immersion DII et séchage de la
banane permet une réduction de poids de 60,2% pour des humidités relatives inférieures à 60% [10] en un
temps réduit.
En comparant ces résultats avec les nôtres, nous constatons que notre méthode permet une dessiccation
plus avancée de la banane car le pourcentage de réduction de poids obtenu est de 69,2%, valeur nettement
supérieure à celle obtenue par la méthode DII et séchage.
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Certes la méthode que nous avons utilisée prend plus de temps mais permet aussi de garder la couleur du
produit comme la méthode DII et séchage, qui garde la couleur naturelle des aliments.
Enfin, les courbes de séchage ainsi obtenues présentent des coefficients de corrélation très voisins de 1, ce
qui nous permet d’affirmer que la conduite expérimentale adoptée est très efficace et que le séchoir, du
point de vue énergétique permet de sécher les produits alimentaires tout en conservant une bonne qualité
de ces derniers car les températures de l’air de séchage sont très basses (inférieures à 50°C).
Les figures 8 et 9 présentent les courbes de séchage à 49% et 55% à la température de 35°C ainsi que les
courbes de tendances correspondantes.
mb=f(t)
mt=f(t)
Polynomial (mb=f(t))
Polynomial (mt=f(t))
90
80
70
60
m(g)
50
y = -0,0308x3 + 0,9965x2 - 12,948x + 96,095
R2 = 0,9982
40
y = 0,2259x3 - 0,5008x2 - 15,912x + 101,47
R2 = 0,9997
30
20
10
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
t(h)
Figure 8 : Courbes de séchage de la banane et du thiacry à 35°C et 49%
mb=f(t)
mt=f(t)
Polynomial (mb=f(t))
Polynomial (mt=f(t))
90
80
70
60
m(g)
50
40
3
y = -0,0237x3 + 0,8521x2 - 12,128x + 95,464
R2 = 0,9979
2
y = 0,0737x + 0,0022x - 12,331x + 97,564
R2 = 0,9991
30
20
10
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
t(h)
Figure 9 : Courbes de séchage de la banane et du thiacry à 35°C et 55%
Les courbes de séchage ainsi tracées vérifient l’équation de séchage IV avec des coefficients de
corrélation très voisines de 1 (0,99) ; ce qui permet de conclure que la méthode utilisée corrobore avec la
méthode numérique citée plus haut.
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Les fruits sucrés comme la banane, la mangue, la papaye n’ont pas besoin d’être séchés entièrement ;
contrairement aux légumes, car leur teneur élevée en sucre joue le rôle d’agent de conservation.
La machine étant disposée dans un endroit sombre, à l’abri du soleil, les produits séchés gardent mieux
leur couleur naturelle et ainsi les vitamines et les sels minéraux se conservent [B1].
Enfin, le temps de séchage de la banane est compris dans la plage admise pour le séchage des fruits qui
est de 10h à 15h et celui du thiacry (des céréales) est inférieur à 10h.
A cela, il faut ajouter que les faibles températures de séchage ne permettent pas une destruction des
vitamines A et C nécessaires pour le bon fonctionnement de notre organisme, c’est ce qui justifie l’intérêt
du séchage des produits alimentaires à basse température.
6- Conclusion
La thermofrigopompe conçue et testée pour la conservation des aliments par abaissement de température
et par séchage a donné des résultats positifs.
La partie production de froid de la machine a répondu aux normes requises pour un congélateur destiné à
congeler et à maintenir des denrées alimentaires à des températures égales ou inférieures à -18°C. Il est en
effet admis que la température maximale de conservation des produits congelés de qualité est de -18°C.
Les essais de congélation réalisés ont consisté à congeler jusqu’à -18°C en 24 heures une masse d’eau de
4 kg correspondant à 7 kg de denrées alimentaires pour un volume utile de 100 litres.
L’utilisation de l’énergie dégagée par le condenseur de la machine a permis de réaliser des essais de
séchage de produits alimentaires dans un séchoir conçu et réalisé dans le cadre de cette étude. Les
résultats obtenus montrent que les produits séchés sont de bonne qualité. En effet, les conditions de
séchage de notre séchoir préservent les éléments nutritifs des aliments et ne favorisent pas les réactions de
Maillard qui sont à l’origine de la coloration des produits déshydratés tout en respectant les temps de
séchage et une réduction de poids de 69,2% contrairement à la méthode DII qui est de 60,2%.
Cette étude a permis de montrer qu’une thermofrigopompe est un moyen fiable d’économie d’énergie
dans les industries alimentaires. A partir d’une chambre froide ayant une machine frigorifique disposant
d’un condenseur à air, il est relativement aisé d’utiliser la chaleur de condensation comme source
d’énergie pour sécher des produits alimentaires.
La thermofrigopompe peut être recommandée aux industries alimentaires utilisant la conservation des
denrées alimentaires par le froid et par le séchage.
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7- Bibliographie
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8- Biblio Web :
[B1] : : http://www.fao.org/docre
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