Prise en compte des propriétés d'interface dans la prédiction de structure de mousses élaborées par battage en continu : Etude de produits modèles

Bubble size prediction : Impact of interface properties on foam structure produced in rotor-stator devices based on the study of model products

• Auteur / Autrice : Eugénie Seguineau de Preval
• Direction : Gérard Cuvelier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et procédés des aliments
• Date : Soutenance le 05/11/2014
• 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 : Guillaume Delaplace
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Gérard Cuvelier, Jean-Luc Courthaudon, Gholamreza Djelveh, Catherine Loisel, Valérie Alard, Samir Mezdour
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Jean-Luc Courthaudon, Gholamreza Djelveh

Mots clés

Mots clés contrôlés

Tests

Mousse (chimie)

Modèles mathématiques

Prévision

Bulles -- Dynamique

Analyse

Rhéologie

Mots clés libres

Foisonnement

Prédiction de taille de bulle

Propriétés d'interface

Analyse dimensionelle

Rotor-Stator

Whipping

Bubble size prediction

Interface properties

Dimensional analysis

Rotor-Stator

Résumé

L’objectif de ce travail a été de quantifier l’effet de propriétés d’interface sur la taille de bulle de mousses produites par battage en continu, et d’identifier de manière plus précise les mécanismes impliqués dans la structuration des mousses. Les interactions avec certaines variables de procédé - vitesse et pression de foisonnement - ont également été étudiées. Pour cela, nous avons formulé des solutions modèles Newtoniennes présentant des niveaux de viscoélasticité d’interface ainsi que des profils cinétiques de tension de surface différents. Six agents tensioactifs, à des concentrations allant de 0,1 à 1%, ont été utilisés en association avec du sirop de glucose : isolat de protéine sérique, caséinate de sodium, saponine, sucroester, cetyl phosphate de potassium et SDS. Les différences en longueur de chaîne, masse moléculaire et morphologie ainsi que des interactions distinctes entre ces molécules et le sirop de glucose ont permis d’obtenir des bases à foisonner diversifiées en terme de comportement rhéologique d’interface et de cinétique de tension de surface. Ces propriétés ont été quantifiées puis reliées aux propriétés macroscopiques des mousses préparées à l’échelle pilote à l’aide d’un foisonneur de type rotor-stator et dans des conditions opératoires contrôlées. Les résultats ont mis en évidence des effets à la fois des cinétiques d’interface et de la rigidité d’interface. La confrontation de nos données à des modèles développés par analyse dimensionnelle nous a permis de quantifier leur impact. Des vitesses élevées d’abaissement de tension de surface traduisent une structuration rapide de l’interface, ce qui facilite le fractionnement des bulles. Des modules viscoélastiques d’interface élevés résultent en des tailles de bulle plus petites, ce qui pourrait être dû à une capacité à la déformation sous la contrainte plus faible, et donc à une propension plus importante à la rupture.

The objective of this work was to quantify and model the individual impact of surface properties aside from the equilibrium surface tension on the bubble size of foam produced in an industrial device: surface tension kinetics and viscoelastic interface properties. Interactions with foaming pressure and mixing rate have also been studied. To do so we formulated a range of model products presenting different levels for these interface properties by using various surface active agents. Six surface active agents have been used: whey protein isolate, sodium caseinate, saponin, sucrose ester, potassium cetyl phosphate and SDS. Their concentration have been varied from 0.1% to 1.0% in a solution of glucose syrup. The size, molecular weight and structure differences between these molecules as well as their distinct interactions with the glucose syrup led to products covering a wide range of interface properties in terms of surface tension kinetics and interface rigidity. The bubble sizes obtained after whipping on an instrumented pilot line were linked to the above mentioned bulk properties and the operating conditions. Results highlighted the effect of surface tension kinetics and interface rheology. By using dimensional modelling, we have been able to quantify more precisely their impact. High surface tension rates leed to small bubbles, due to the sharper decrease of surface tension, which facilitates bubble rupture. High interface moduli generate smaller bubbles, which could be due to a lower deformation capacity under strain, and thus a higher propensity to rupture.