Granulométrie laser : application aux sucres et

AVH Association – 8th Symposium – Reims, March 2001
Granulométrie laser :
application aux sucres
et produits de sucrerie
R. DELGOVE, J.-M. HOCHART
Laboratoire Central Beghin-Say, 59239 Thumeries
➔ Elle fait appel comme la plupart des méthodes
à une hypothèse de sphéricité des objets. Seule
l’analyse d’images échappe à cette règle.
I. INTRODUCTION
Le Laboratoire Central Beghin-Say est équipé
d’un granulomètre Laser Mastersizer S de
Malvern Instruments SA depuis 1997
➔ Cette technique ne nécessite pas de calibration préalable à la mesure : la validité de la
réponse de l’instrument est certifiée par la mesure d’étalons corrélés avec des étalons internationaux.
L’acquisition de ce matériel a été motivée pour :
Assurer un contrôle granulométrique performant sur des produits traditionnels ou nouveaux
pour lesquels le tamisage est difficile :
Alvéo-sucres, sucre microcristallisé, fructo-oligosaccharides, sucre glace, etc.
Avec ces produits fins (50 à 300 µ), le pourcentage de « fines » est généralement sous estimé
par tamisage, du fait des interactions électrostatiques entre grosses et petites particules.
2. Système
Les principaux éléments sont :
• Le banc optique constitué :
➔ de l’émetteur : source laser
➔ de la zone d’échantillonnage :
– lentilles interchangeables en fonction de la
plage étudiée
– cellules de mesure (voie sèche et voie humide)
➔ du récepteur : ensemble de photodiodes
Assurer des contrôles granulomètriques sur
des sucres humides, de texture collante type
sucres roux, sucres blancs sortie turbines, etc.
Assurer des contrôles granulomètriques sur
des produits du process sucrier ou co-produits :
• Optimisation des semences de grainage en
cuite ;
• Granulométrie des boues de première et
seconde carbonatation ;
• Résines échangeuses d’ions (contrôle à réception – vieillissement) ;
• Sulfate de potassium extrait de vinasse, etc.
• Les accessoires de préparation :
➔ voie sèche (dispersion assurée par de l’air)
➔ voie humide (circulation des particules dans
un dispersant)
• Le système informatique avec logiciel assurant
le traitement des données brutes.
3. Les principales étapes de la
mesure
II. INSTRUMENTATION
• Alignement du faisceau au centre du détecteur
(environ 10 s) ;
• Zéro électronique et zéro optique (bruit de
fond) (environ 6 s) ;
• Introduction de l’échantillon pendant une
période de « mesure inspection » correspondant
1. Principe
Le granulomètre Laser est basé sur les éléments
fondamentaux développés dans les théories :
• de diffraction de Fraunhoffer ;
• de diffusion de Mie et Rayleigh.
63
Association AVH – 8e Symposium – Reims, mars 2001
La résolution d’une analyse granulométrique
Laser porte sur une cinquantaine de classes granulométriques alors qu’en tamisage classique,
elle est en général de l’ordre de 10 classes.
Exemple :
3 500
3 000
2 500
2 000
• Tableau des classes granulométriques Laser
1 500
Taille
(µm)
0,49
0,58
0,67
0,78
0,91
1,06
1,24
1,44
1,68
1,95
2,28
2,65
3,09
3,60
4,19
4,88
5,69
6,63
7,72
9,00
10,48
12,21
14,22
16,57
19,31
1 000
500
0
0
3
6
9
12
15
18
21
24
27
30
33
36
39
N° Détecteurs
Figure 1 : Image de diffusion type.
à une concentration optimale de poudre au
niveau de la cellule. L’optimisation souhaitée est
donnée sous forme de barre graphe.
• Déclenchement de la mesure :
➔ sous forme de capture de l’image de diffusion
du faisceau traversé par les particules (données
brutes).
Pour 8 000 à 10 000 balayages, la durée de la
mesure est d’environ 20 s.
➔ conversion des données brutes en données
exploitables par le logiciel intégré.
4. Résultats - Interprétation
À partir des courbes de fréquence, on peut, selon
les besoins :
• éditer des courbes et des tableaux divers ;
• comparer diverses courbes : superposition –
soustraction, etc.
La durée d’une analyse granulométrique est de
l’ordre de 2 min.
Volume
passant (%)
0,00
0,09
0,27
0,50
0,74
0,99
1,23
1,47
1,70
1,94
2,21
2,52
2,92
3,42
4,09
4,95
6,08
7,53
9,37
11,64
14,40
17,64
21,36
25,50
29,99
Taille
(µm)
22,49
26,20
30,53
35,56
41,43
48,27
56,23
65,51
76,32
88,91
103,58
120,67
140,58
163,77
190,80
222,28
258,95
301,68
351,46
409,45
477,01
555,71
647,41
754,23
878,67
Volume
passant (%)
34,76
39,72
44,81
49,94
55,04
60,07
64,96
69,66
74,16
78,38
82,27
85,79
88,90
91,56
93,79
95,59
97,02
98,14
98,98
99,57
99,91
100,00
100,00
100,00
100,00
• On peut réaliser une édition « client » plus synthétique en ne conservant que les classes les plus
intéressantes.
Taille
(µm)
2,00
5,00
10,00
20,00
30,00
40,00
50,00
65,00
18
16
14
12
10
8
Volume
passant (%)
1,98
5,11
13,50
31,07
44,23
53,88
61,21
69,43
Taille
(µm)
80,00
100,00
160,00
200,00
250,00
300,00
400,00
500,00
Volume
passant (%)
75,50
81,40
91,18
94,39
96,72
98,10
99,49
99,94
6
• Principales données retenues
D (v ; 0,1) = taille de particule pour laquelle 10 %
de l’échantillon se trouve en dessous de cette
dimension.
D (v ; 0,5) = taille de particule à laquelle 50 % de
l’échantillon a une taille inférieure et 50 % de
4
2
0
10,0
100,00
1 000,00
10 000,00
Figure 2 : Courbe de fréquence.
64
AVH Association – 8th Symposium – Reims, March 2001
l’échantillon a une taille supérieure.
C’est le diamètre médian (MMD mass median
diameter)
• D (v ; 0,9) = taille de particule pour laquelle
90 % de l’échantillon se trouve en dessous de
cette dimension.
• D (4 ; 3) = diamètre moyen (volume).
• D (3 ; 2) = diamètre moyen pondéré en surface (diamètre de Sauter).
Span = mesure de la largeur de la distribution
Span = D (v ; 0,9) – D (v ; 0,1)/D (v ; 0,5) (forme
de CV)
Aire de surface spécifique (SSA) = surface totale
des particules/poids total
Il faut fixer la densité de l’échantillon.
6
5
4
3
2
1
0
1
10
III. EXEMPLES D’APPLICATION
EN SUCRERIE
Glace A
100
1000
Glace B
Figure 4 : Courbe de fréquence.
1. Contrôle « Qualité » de 2 sucres
glaces A et B
• Les courbes de fréquence (sucre A) montrent
une distribution moins homogène en particulier
la présence d’une population de grosses particules (> 200 µm) dont l’origine peut être recherchée.
❐ Analyse par voie sèche (figures 3 et 4)
Sucre A
7,05 µm
36,0 µm
225,3 µm
79,7 µm
6,06
D (v ; 0,1) (passant à 10 %)
Diamètre médian
D (v ; 0,9) (passant à 90 %)
Diamètre moyen
Span
Sucre B
8,1 µm
35,7 µm
149,5 µm
62,1 µm
3,96
2. Contrôle de 2 lots de semence
pour grainage
Les 2 sucres glace A et B sont :
• peu différents :
– par leur diamètre médian D(v ; 0,5) ;
– par leur courbe de passants.
❐ Analyse par voie humide en milieu isopropanol (figure 5)
12
100
90
10
80
8
70
60
6
Glace A
50
Glace B
40
4
30
2
20
10
0
0,1
0
1
10
100
1
10
1000
Semence A
m
Figure 3 : Courbe des passants.
Semence B
Figure 5 : Analyse de 2 semences dans l’isopropanol.
65
100
Association AVH – 8e Symposium – Reims, mars 2001
❐ Résultats :
D (v ; 0,1)
Diamètre moyen
D (v ; 0,9)
Span
1 000
Semence A Semence B
7,6 µm
2,8 µm
23,1 µm
8,9 µm
44,8 µm
19,7 µm
1,61
1,89
950
900
850
❐ Nota : Les 2 semences sont préparées selon la
méthode Ditmar mais avec des conditions de travail et de matériel différentes.
800
750
CRTX
MC
AVT
TURB
Après ENT
TURB SECH
STIE STIE
SECH 1 SECH 2
STIE Tapis
EGRUP
ENT
CEL
Ces données permettent une optimisation de la
qualité et de la quantité de semences à utiliser.
Figure 7 : Évolution du diamètre moyen.
3. Évolution de la granulométrie
le long d’une chaîne
de cristallisation
❐ Résultats :
– Évolution du diamètre médian (figure 6) ;
– Évolution du diamètre moyen (figure 7).
❐ Circuit étudié
D médian
926
944
921
912
801
877
823
860
847
824
CRTX MC
AVT TURB
APRES TURB
ENT SECH
STIE SECH 1
STIE SECH 2
STIE EGRUG
TAPIS
ENT CEL
STIE CEL
Cristaux Masse Cuite Coulée
"
Cristaux Masse Cuite Avant Turbinage
"
Cristaux Masse Cuite Après Turbinage
"
Sucre entrée Sécheur
# $
Sucre sortie sécheur 1 Sucre Sortie Sécheur 2
$ #
Sucre Sortie Egrugeonneur
"
Sucre Tapis vers Silo
"
Sucre Entrée Silo
"
Sucre Sortie Silo
STIE
CEL
D moyen
948
967
961
945
840
914
858
898
878
858
On constate une dégradation globale de 100 µm
sur l’ensemble de la chaîne localisée en particulier dans le sécheur 1 de technologie différente.
La soustraction des courbes permet d’analyser
les classes de population modifiées (figure 8).
Mesure :
– par voie liquide pour les sucres humides (dispersant iso propanol)
– par voie sèche pour les sucres secs
4. Granulométrie de carbonate de
calcium en chaudière de seconde
carbonatation
L’usine C présentait des problèmes de filtration
en seconde carbonatation.
975
950
925
❐ Comparaison avec 2 autres usines A et B
équipées de matériel similaire (figure 9).
900
875
850
825
800
775
D (v ; 0,5) médian
D (4, 3) moyen
D (v ; 0,9)
Span
750
725
700
CRTX
MC
AVT
TURB
Après ENT
STIE STIE
STIE Tapis
TURB SECH SECH 1 SECH 2 EGRUP
ENT
CEL
STIE
CEL
Figure 6 : Évolution du diamètre médian.
66
A
13,2 µm
13,9 µm
24,0
1,4
B
13,9 µm
15,1 µm
26,0
1,5
C
28,5 µm
37,0 µm
60,7
1,8
AVH Association – 8th Symposium – Reims, March 2001
Figure 8 : Différence de populations (en %).
❐ Des mesures complémentaires réalisées dans
l’usine C sur carbonate sortie filtre, sortie chaudière, sur filtrat désaturé ont mis en évidence un
problème de répartition de gaz dans la chaudière confirmé par un examen en intercampagne
(figure 10).
14
12
10
%
8
6
4
2
0,1
1
10
100
0
1 000
m
Usine A
Usine B
5. Contrôle granulométrique
des résines
Usine C
Figure 9 : Carbonate de calcium (2e carbo) des usines A, B
et C.
❐ Suivi du vieillissement des résines (figure 11)
12
10
50
45
8
40
35
30
%
6
25
20
4
15
10
2
5
0
200
0,1
1
CaCO3 (chaudière)
10
CaCO3 FTD
100
0
1 000
315
400
500
630
800
1 000
1 250
m
Résines usagées
CaCO3 (sur.)
Figure 10 : Analyse de carbonate de calcium (2e carbo) de
l’usine C à 3 endroits différents.
Résines neuves
Figure 11 : Analyse par voie humide (dispersant eau),
comparaison résines.
67
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Passant 630 µm
Résines neuves
28 %
Résines usagées
41,8 %
OM
❐ Comparaison avec une technique « à balayage de courant de particules » (réalisée sur 24
échantillons de résines) (figure 12).
Dans la technique « à balayage de courant de particules », celles-ci sont observées, comptées et classées par taille d’après la quantité de lumière
occultée ou diffusée lors de la traversée du faisceau.
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
Balayage de
particules
590
795
718
731
746
559
631
571
677
791
782
683
729
788
632
687
628
783
652
467
529
667
770
696
4
6
8
10
LC
12
14
16
18
20
22
24
26
Autre
Figure 12 : Comparaison entre techniques d’analyses granulométriques (LC : balayage de champ).
• rapide : le temps de mesure standard est de
l’ordre de quelques dizaines de secondes.
• résolutive : 50 classes granulométriques peuvent être déterminées.
• sensible : 0,1 ppm de particules de 10 µm dans
le dispersant permet d’obtenir une image de
diffraction suffisamment nette pour être analysée.
Dans ces conditions, cette technique permet de
mesurer un grand nombre de particules en
particulier de petite taille, et d’acquérir des
informations intéressantes par rapport à la
technique classique de tamisage :
– par voie liquide, on prend de 1 à 3 g d’échantillon ;
– par voie sèche, on peut examiner de 1 à 100 g
voire plus compte tenu de la rapidité de la
technique.
Comparaisons entre deux techniques d'analyses
granulométriques au niveau du diamètre médian
Balayage de
champ (LC)
583
785
745
733
774
586
656
590
682
762
793
696
775
839
630
685
635
759
639
500
501
654
785
699
2
Échantillon N∞
Dans la technique « à balayage de champ » (granulométrie Laser), la distribution granulométrique
est déduite de l’interaction entre un ensemble de
particules et le rayonnement incident.
Résines
900
800
700
600
500
400
300
200
100
0
Différence
en %
– 1,2
– 1,3
3,6
0,3
3,6
4,6
3,8
3,2
0,7
– 3,8
1,4
1,9
5,9
6,1
– 0,3
– 0,3
1,1
– 3,2
– 2,0
6,6
– 5,6
– 2,0
1,9
0,4
❐ Le granulomètre laser fait partie des instruments récents disponibles dans le domaine de la
caractérisation granulométrique de systèmes
divisés.
Ces appareils nouveaux fonctionnent sur la base
de principes physiques qui ont tous leurs particularités.
À la différence d’autres domaines analytiques,
l’analyse granulométrique est essentiellement
relative, le granulomètre Laser n’est qu’une
réponse possible parmi un ensemble de réponses
potentielles.
IV. CONCLUSIONS
❐ Le granulomètre laser introduit dans un laboratoire de contrôle de sucrerie apporte une technique :
• polyvalente : quelle que soit la nature des
échantillons à analyser, il existe toujours un
mode de dispersion approprié.
On gardera à l’esprit que tout résultat d’analyse
granulométrique n’est que la traduction de
répartitions de dimensions, de formes, de
natures de particules à travers un principe physique après un certain échantillonnage et une
procédure de dispersion particulière.
68