Rhéologie et stabilité de suspensions d’objets dans un fluide gélifié : application au procédé de fabrication des préparations de fruits

Rheology and stability of suspensions of objects in a gelled fluid : application to the manufacturing process of fruits preparations

• Auteur / Autrice : Laurent Jossic
• Direction : Albert Magnin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides et transferts
• Date : Soutenance en 2001
• Etablissement(s) : Grenoble INPG
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale mécanique et énergétique (Grenoble ; 199.-2008)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire rhéologie et procédés (Grenoble)
• Partenaire(s) de recherche : Entreprise : Pernod Ricard
• Jury : Président / Présidente : Jean-Michel Piau
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Benoît Biquet
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Jean Boisson, André Briguet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Viscoplasticité

Applications industrielles

Suspensions (chimie)

Rhéologie

Mots clés libres

Suspensions

Irmn

Écoulement

Stabilité

Gel

Résumé

Les préparations de fruits sont des mélanges de fruits, entiers ou en morceaux, dans des sirops de sucre gélifiés. Les procédés de fabrication se heurtent fréquemment à des inhomogénéités dans les réservoirs de stockage et aux connaissances très limitées, concernant le comportement d’objets en fluides viscoplastiques. Les travaux présentés ici apportent des résultats novateurs et des connaissances de base sur la mécanique des fluides et le traitement des suspensions en fluides viscoplastiques, en statique et en écoulement. La caractérisation rhéométrique de deux types de sirops de sucre gélifiés représentatifs, a permis d’établir des procédures permettant d’obtenir des mesures fiables, et d’obtenir les caractéristiques d’un fluide viscoplastique non-thixotrope pour les « gels cassés » et d’un fluide thixotrope pour les « gels faibles ». Le critère de stabilité pour des objets isolés, sphériques et de formes diverses, en milieu infini, a été évalué en mesurant les coefficients de traînée, à des vitesses infiniment lentes. La mise en œuvre de gels modèles, finement caractérisés, et la maîtrise des conditions de glissement ou d’adhérence à l’interface fluide-objet, ont permis de proposer des résultats fiables. Sur la base du calcul de la similitude du procédé de fabrication, un dispositif expérimental à l’échelle 1/20 a été instrumenté. Des suspensions modèles, de masse volumique et de seuil d’écoulement réglables, ont été élaborées. L’IRMN a permis d’obtenir des images de la répartition spatiale de la matière au sein des suspensions. Le transport en conduite et le remplissage d’un réservoir ont été considérés. La répartition de la matière a été examinée en fonction de la concentration volumique ainsi que des paramètres d’écoulement et rhéométriques. Des situations de crémage, de ségrégation et de migration sous écoulement ont été identifiées. Enfin, nos efforts ont porté sur l’analyse de l’homogénéité du produit soutiré durant la vidange du réservoir

Fruits preparations are mixtures of whole or cut fruit in gelled sugar syrups. Manufacturing processes are often hampered by lack of homogeneity in storage tanks and by inadequate knowledge of the behavior of objects in viscoplastic fluids. This work presents some innovative results and fundamental information concerning fluid mechanics and the treatment of suspensions in static or flowing viscoplastic fluids. By determining the rheometric characteristics of two representative gelled sugar syrups, it was possible to define procedures for obtaining reliable measurements and hence the characteristics of a non-thixotropic viscoplastic fluid for “pseudogels” and of a thixotropic fluid for “weak gels”. The stability criterion for isolated spheres or objects of various shapes in an infinite medium was evaluated by measuring drag coefficients at infinitely slow speeds. By using model gels of well-defined characteristics and carefully controlling slip and adherence conditions at the fluid-object interface, it was possible to obtain reliable results. The 1:20 experimental set-up fitted with measuring instruments was based on similitude calculations for the manufacturing process. Model suspensions with adjustable densities and yield stresses were prepared. Images of the spatial distribution of matter within the suspensions were obtained by NMRI. Pipe transport and tank filling were also considered. The distribution of matter was examined as a function of the volume concentration, and flow and rheometric parameters. Situations of creaming segregation and migration during flow were also identified. Lastly, product homogeneity during tank emptying operations was also analysed