Soutenance mémoire
Importance de la cristallisation et du foisonnement lors de la production d’un sorbet ou d’une crème glacée
Du point de vue de sa structure, une crème glacée est un arrangement complexe de différentes phases avec des éléments de différentes tailles. A l’échelle microscopique on distingue quatre phases : une phase liquide aqueuse, une phase solide constituée des cristaux de glace, une phase gaz représentant les bulles d’air et une phase lipidique constituée de globules et d’agrégats (clusters). Un sorbet à une structure légèrement plus simple car on n’y trouve quasiment pas de matière grasse.
Les cristaux de glace sont obtenus par cristallisation de l’eau contenue dans la phase liquide. La quantité de cristaux et leur distribution de tailles déterminent de nombreux attributs du produit fini : cuillerabilité (spoonability), dureté/onctuosité (hardness/smoothness), effet rafraichissant (cooling effect), vitesse de fonte (meltdown rates) qui font qu’un produit est apprécié ou non des consommateurs. Le plus souvent, les cristaux ont une taille comprise entre 1 et 100 µm et occupent environ 30% du volume d’une crème glacée. Par ailleurs, les bulles sont de formes quasiment sphériques et sont finement dispersées dans le milieu. Leur taille va de quelques microns à plus de 100 microns avec une moyenne souvent comprise entre 20 et 25 microns dans le produit fini. Comme dans beaucoup d’aliments, les bulles d’air sont introduites avant tout pour favoriser une texture légère mais elles peuvent affecter également d’autres propriétés. Les propriétés rhéologiques qui, d’une part, traduisent la texture en bouche et, d’autre part, conditionnent les écoulements dans les équipements dépendent directement des fractions volumiques de solide et de gaz ainsi que de la distribution granulométrique de ces phases dispersées.
Cette étude s’intéresse plus particulièrement aux sorbets. Ils contiennent au moins 25% de fruit et une forte concentration en sucre. Ils peuvent être stabilisés par du blanc d’œuf, de la pectine ou des ‘gommes’. Il faut noter que si de faibles concentrations de stabilisant sont utilisées, comme on ne bénéficie pas des effets structurants des protéines laitières et de la matière grasse, la fraction volumique d’air incorporé ne dépasse souvent pas 20% alors qu’elle peut facilement atteindre 50% dans une crème glacée.
Le procédé de fabrication de crèmes glacées ou de sorbets comprend plusieurs opérations unitaires . En général, après le mélange des différents ingrédients (eau, sucre, lait, jus de fruits, stabilisants, émulsifiants et matière grasse pour la crème glacée) qui forment un « mix » de crème glacée ou de sorbet, celui-ci est pasteurisé, homogénéisé puis refroidi pour maturation pendant plusieurs heures. Après maturation, le mix est introduit, avec de l’air, dans un échangeur de chaleur à surface raclée (ECSR) où il est alors congelé et foisonné. A la sortie de l’ECSR (à une température comprise entre -4 et -6°C), le produit formé est stocké à basse température (environ -23°C) pour durcissement. Dans cette étude nous nous focaliserons sur l’étape de précongélation/foisonnement (freezing/foaming). C’est dans cette étape que les cristaux de glace et les bulles sont formés. Dans les étapes ultérieures (conditionnement, durcissement, stockage), on ne crée en général pas de nouveaux cristaux ou de nouvelles bulles. Les bulles peuvent éventuellement coalescer et les cristaux continuent de croître pendant la congélation finale (augmentation de la fraction de glace lorsque la température diminue) et lors du stockage (augmentation de la taille des cristaux par murissement d’Ostwald à fraction de glace constante).
La finesse des cristaux et des bulles dépend donc principalement de l’étape de précongélation/foisonnement qui constitue le cœur du procédé, c’est le seul endroit où de nouveaux cristaux sont formés et où la phase gazeuse est dispersée. Dans les procédés industriels cette étape se déroule en continu dans des échangeurs de chaleur à surface raclée.
Etudes de la cristallisation de l’eau et du foisonnement dans des échangeurs de chaleur à surface raclée
Les échangeurs de chaleur à surface raclée sont utilisés depuis les années 1970 pour produire des sorbets et des crèmes glacées, mais ils sont également utilisés pour produire des coulis de glace à des fins énergétiques, pour cuire et pasteuriser des produits alimentaires liquides ou pâteux (crèmes dessert, soupes…). Ils sont également utilisés dans l’industrie chimique et cosmétique. Ils ont été l’objet de nombreuses études mais il y en a relativement peu dans le domaine de la production de sorbets et quasiment aucune étude ne porte sur la combinaison de la cristallisation et du foisonnement.
Contexte et objectif de l’étude
D’un point de vue scientifique, l’étude de la production d’un sorbet foisonné au sein d’un échangeur à surface raclée offre l’opportunité d‘explorer un procédé multiphasique dans lequel les phénomènes simultanés d’écoulement et de transfert thermique conduisent directement à la création d’une microstructure observable. La phase gazeuse est incorporée (whipped) dans le milieu par la rotation du rotor et des lames, fragmentant et dispersant les bulles initiales. Simultanément, les cristaux de glace sont produits sur la surface d’échange à partir de la phase liquide, ils sont ensuite arrachés par les lames et mélangés au reste du produit. L’interaction entre les 3 phases et l’évolution drastique des propriétés du mélange lors de la congélation rendent l’étude du système à la fois complexe et très riche en potentialités.
Cette étude s’inscrit dans la continuité d’études antérieures menées dans l’unité de recherché Génie des procédés frigorifiques (GPAN) d’IRSTEA (Institut national de recherche en sciences et technologies pour l’environnement et l’agriculture) pour mieux comprendre et maîtriser les phénomènes ayant lieu lors de la production de sorbets (et coulis de glace) dans des échangeurs à surface raclée et leurs influences sur la microstructure des aliments.
➤ Arellano, M. (2012). « Caractérisation expérimentale et modélisation de systèmes multiphasiques au cours du procédé de congélation à l’échelle pilote. Application à la fabrication de sorbets dans des échangeurs à surface raclée ». AgroParisTech. Paris, France.
➤ Gonzalez, J.E. (2012). « Contribution au contrôle par la modélisation d’un procédé de cristallisation en continu ». AgroParisTech, France
➤ Cerecero, Rosalia (2003). “ Etude des écoulements et des transferts thermiques lors de la fabrication d’un sorbet à l’échelle du pilot et du laboratoire”. Institut National Agronomique Paris Grignon, France.
Ces travaux portaient uniquement sur le cas de produits non foisonnés. La principale avancée attendue de cette étude est de voir l’influence des conditions opératoires en présence d’une injection d’air sur les écoulements, les transferts, la cristallisation et le foisonnement.
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Table des matières
TABLE OF CONTENTS
LIST OF FIGURES
LIST OF TABLES
1. INTRODUCTION
1.1 Importance de la cristallisation et du foisonnement lors de la production d’un sorbet ou d’une crème glacée
1.2 Etudes de la cristallisation de l’eau et du foisonnement dans des échangeurs à surface raclée.
1.3 Contexte et objectif de l’étude
2. SYNTHESE BIBLIOGRAPHIQUE
TRANSPORT PHENOMENA IN SCRAPED SURFACE HEAT EXCHANGERS
2.1 Hydrodynamics within SSHEs
2.1.1 Single liquid phase flow patterns
2.1.2 Two-phase gas/liquid flow
2.1.3 Residence time distribution studies
CRYSTALLIZATION IN SSHES
FOAMING
2.2 Foams. Classification and basic characteristics
2.3 Foaming. Equipment and operation
2.4 Foam characterization
2.4.1 Air volume fraction
2.4.2 Bubble size distributions (BSD)
2.5 Foam stability
2.6 Influential operating conditions on foaming
2.7 Theory of deformation and rupture of bubbles
2.7.1 Viscous shear stress
2.7.2 Turbulent shearing
2.7.3 Shearing-off and interfacial instabilities
2.8 Influence of the formulation
2.9 Ice crystallization modelling. Population balance approach
2.9.1 Highlighted applications relevant to ice cream or sorbet production
CONCLUSIONS
3. MATERIELS ET METHODES
3.1 Mix de sorbet
3.2 Pilote de production de sorbet
3.3 Microscopie en ambiance contrôlée
3.3.1 Conception d’une boîte à gants réfrigérée
3.3.2 Prise des images microscopiques du sorbet et analyse
3.3.3 Traitement des données
3.4 Mesure de la distribution des temps de séjour
3.4.1 Plan d’expériences pour la DTS
3.4.2 Mis en place du système d’injection dans le freezer
3.4.3 Méthodologie d’obtention de la DTS
3.4.4 Ajustement de paramètres des modèles de DTS aux données expérimentales
4. EFFECT OF PROCESS PARAMETERS ON ICE CRYSTALS AND AIR BUBBLES SIZE DISTRIBUTIONS OF SORBETS IN A SCRAPED SURFACE HEAT EXCHANGER
4.1 Introduction
4.2 Materials and methods
4.2.1 Sorbet production
4.2.2 CSD and BSD measurement
4.2.3 Operating process parameters
4.3 Results and discussion
4.3.1 Repeatability of the experimental measurement
4.3.2 Effect of refrigerant temperature on the CSD and BSD
4.3.3 Effect of air flowrate on the CSD and BSD
4.4 Conclusion
5. INFLUENCE OF OPERATING CONDITIONS ON RESIDENCE TIME DISTRIBUTIONS IN A SCRAPED SURFACE HEAT EXCHANGER DURING AERATED SORBET PRODUCTION
5.1 Introduction
5.2 Materials and methods
5.2.1 The crystallization-foaming process equipment
5.2.2 The working fluid
5.2.3 The working conditions
5.2.4 The RTD measurement
5.2.5 Data treatment
5.3 Results and discussion
5.3.1 Effect of mix and air flowrates on the liquid phase RTD
5.3.2 Effect of refrigerant fluid temperature on the liquid phase RTD
5.4 RTD models fitting
5.4.1 Description of RTD models
5.4.2 RTD model adjustment
5.4.3 RTD modelling results
5.5 Conclusion
6. CONCLUSION
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