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

Experimental characterization and modelling of multiphase systems during the freezing process at the pilot scale : Application to sorbet manufacturing in scraped surface heat exchangers

• Auteur / Autrice : Marcela Patricia Arellano Salazar
• Direction : Graciela Alvarez, Denis Flick
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des Procédés Alimentaires
• Date : Soutenance le 07/12/2012
• Etablissement(s) : Paris, AgroParisTech
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Agriculture, Alimentation, Biologie, Environnement, Santé (Paris ; 2000-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Ingénierie Procédés Aliments (2009-2019)
• Jury : Président / Présidente : Laurence Fournaison
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Graciela Alvarez, Denis Flick, Richard W. Hartel, Hayat Benkhelifa
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Francine Fayolle, Jean-François Maingonnat

Mots clés

Mots clés contrôlés

Appareils et matériel

Industries agroalimentaires

Desserts glacés

Mots clés libres

Cristallisation de la glace

Échangeur de chaleur à surface raclée

Distribution des temps de séjour

Viscosité apparente

Équations de bilan de population.

Ice crystallization

Scraped surface heat exchanger

Residence time distribution

Apparent viscosity

Population balance equations.

Résumé

La congélation partielle du mix dans un échangeur de chaleur à surface raclée (ECSR)est l'étape la plus critique dans la fabrication d'un sorbet, car c'est la seule étape où de nouveaux cristaux de glace se forment; par la suite ces cristaux ne font que grossir. L'objectif principal est de produire un grand nombre de cristaux les plus petits possibles afin d'obtenir une texture onctueuse. Pendant le procédé de congélation, le produit est soumis à des interactions couplées d'écoulement du fluide, de transfert de chaleur, de changement de phase et de cisaillement. Ces interactions sont déterminées par les conditions opératoires du procédé de congélation et affectent l'évolution de la distribution de taille des cristaux de glace, ainsi que la texture finale du produit. Ce travail présente la caractérisation expérimentale et la modélisation du procédé de congélation d'un sorbet. La congélation du sorbet à été effectuée dans un ECSR à l'échelle pilote. L'objectif principal de ce travail est l'étude de l'influence des conditions opératoires du procédé de congélation sur les caractéristiques finales du produit: distribution de taille de cristaux de glace, température du produit, fraction volumique de glace et viscosité apparente. Le comportement de l'écoulement du produit dans l'ECSR a été caractérisé par une étude expérimentale et une modélisation de la distribution du temps de séjour (DTS). Une approche de modélisation de la cristallisation de la glace couplant le modèle de DTS avec des équations de transfert de chaleur et de bilan de population des différentes classes de taille de cristaux a été développée. À partir d'une première estimation des paramètres, le modèle de cristallisation prédit de façon satisfaisante les tendances expérimentales et donne un bon aperçu de l'évolution de la distribution de taille des cristaux de glace au cours du procédé de congélation dans l'ECSR.

The partial freezing of the mix inside the scraped surface heat exchanger (SSHE) is the most critical step in sorbet manufacturing, since it is the only stage where new ice crystals are produced; further in the process these ice crystals will only grow. The main objective of the freezing process is to form the smallest possible ice crystals, so as to assure a smooth texture in the final product. During the freezing process the product is subjected to coupled interactions of fluid flow, heat transfer, ice phase change and shear. These interactions are determined by the freezing operating conditions and affect the evolution of the ice crystals size distribution (CSD) and the final texture of the product. This work presents the experimental characterization and the modelling of the initial freezing process of a sorbet. The freezing of sorbet was carried out in a SSHE at the pilot scale. The main objective of this work was the study of the influence of the freezing operating conditions on the final product characteristics: ice CSD, product temperature, ice volume fraction, apparent viscosity. The product flow behaviour in the SSHE was characterized by an experimental and modelling study of the residence time distribution (RTD) of the product. An ice crystallization modelling approach, taking into account the coupling of an empirical RTD model with heat transfer equations and a population balance of the different ice crystal size classes was developed. With a first set of estimated parameters, the ice crystallization model predicts satisfactorily the experimental trends, and made it possible to have an insight on the evolution of ice CSD during the freezing process in the SSHE.