Rhéologie et mécanique des fluides du conditionnement de produits semi-solides

Rheology and fluid mechanics of semi-solid products packaging

• Auteur / Autrice : Fanny Rasschaert
• Direction : Albert Magnin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides Energétique, Procédés
• Date : Soutenance le 28/02/2017
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire rhéologie et procédés (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Valéry Botton
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Maud Blanchemain, Émeline Talansier
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Huai Zhi Li, Gilmar Mompean

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fluides

Rhéologie

Mots clés libres

Jet

Remplissage

Procédé

Rhéologie

Fromages

Fluides à seuil

Jet

Filling

Process

Rheology

Cheeses

Viscoplastic fluids

Résumé

Le conditionnement, opération unitaire clé du processus industriel de fabrication des produits fromagers, consiste à remplir par un jet de façon homogène des emballages de formes variées par des produits à propriétés rhéologiques complexes tout en assurant des cadences optimisées. L’objectif de cette étude est de prédire le remplissage d’un emballage, à partir de la connaissance de la rhéologie des produits et des paramètres opératoires pour le dimensionnement de nouveaux procédés de conditionnement ou l’optimisation de procédés existants.Nécessaire à la poursuite de l’étude, le comportement rhéologique des produits fromagers dans les domaines de sollicitation du procédé à 80°C a été caractérisé comme rhéofluidifiant, à seuil de contrainte, élastique en-dessous et au-dessus du seuil d’écoulement.L’hydrodynamique des jets et du remplissage lors du conditionnement a été étudiée avec trois types de produits grâce au pilote à l’échelle laboratoire du procédé, dimensionné pour reproduire les conditions opératoires industrielles. Après avoir vérifié la cohérence des résultats obtenus avec le dispositif expérimental avec ceux de la littérature pour un fluide newtonien, l’étude s’est portée sur des fluides modèles viscoplastiques, gels de Carbopol®, et sur des produits fromagers.Cinq régimes d’écoulement ont été observés et caractérisés à partir des évolutions du diamètre de jet et de la vitesse d’atteinte des bords pendant le remplissage et de la hauteur de motte finale du dépôt après le remplissage, paramètre décisif de la qualité du conditionnement. Des diagrammes de fonctionnement adimensionnels d’observation des régimes ont été déterminés à partir des forces en jeu dans le système. Ainsi, le régime d’écoulement peut être prédit par ces diagrammes à partir des propriétés rhéologiques du produit et des paramètres géométriques et opératoires du procédé.

Packaging is a key step of cheese products industrial manufacturing process. It consists in filling containers of various shapes with non-Newtonian products while ensuring optimized rates. The aim of the present work is to describe the influence of cheese rheological properties as well as process parameters onto packaging, thereby contributing towards its optimization.Necessary for the study, the rheological behavior of cheese products on the process stress range at 80°C has been identified as shear-thinning with a yield stress, with elasticity both below and above the yield stress.Jets and filling hydrodynamics during packaging have been studied with three types of products by the means of the laboratory-scale process pilot, which is able to reproduce the industrial process conditions. After checking for consistency between experimental and litterature results for Newtonian products, the study focused on viscoplastic model fluids, Carbopol® hydrogels, and on cheeses.Five flow patterns have been observed and characterized through jet diameter, spread velocity during filling and final mound height after filling, which is a key factor of the packaging quality. Flow patterns dimensionless distributions have been determined from the forces involved in the system. Thus, the flow pattern can be predicted thanks to theses distributions from product rheological properties and geometrical and process parameters.