Étude comparative expérimentale des opérations d’atomisation et d’autovaporisation : application à la gomme arabique et au soja

Comparative experimental study of spray drying and autovaporization operation : application to the gum arabic and soybean

• Auteur / Autrice : Duc Quang Nguyen
• Direction : Karim Allaf
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés industriels
• Date : Soutenance le 26/06/2014
• Etablissement(s) : La Rochelle
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et ingénierie des matériaux, mécanique, énergétique et aéronautique (Poitiers ; 2009-2018)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des Sciences de l’Ingénieur pour l’Environnement (La Rochelle)
• Jury : Président / Présidente : Václav Sobolík
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Václav Sobolík, Abdellah Arhaliass, Jean-Louis Lanoisellé, Sabah Mounir
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Abdellah Arhaliass, Jean-Louis Lanoisellé

Mots clés

Mots clés contrôlés

Soja

Gomme arabique

Poudres alimentaires

Aliments -- Séchage

Détente instantanée contrôlée

Mots clés libres

Détente Instantanée Contrôlée (DIC)

Autovaporisation

Atomisation

Poudre de la gomme arabique

Poudre du soja

Instant controlled pressure drop (DIC)

Autovaporization

Spray drying

Gum arabic powder

Soybean powder

Résumé

De nos jours, la nécessité d’atteindre la stabilité à long terme et la facilité d'utilisation, en plus d’une plus grande fonctionnalité, implique que de nombreux produits alimentaires et ingrédients liquides ou solides sont déshydratés ou transformés mécaniquement en poudre. Les procédés de fabrication des poudres alimentaires exigent toujours la satisfaction d’une série de critères tels que la performance du procédé et la qualité du produit. La technologie d’atomisation est toujours considérée comme la principale technologie de production des poudres dans plusieurs domaines variés grâce à ses avantages prépondérants. Néanmoins dans quelques cas, l’atomisation se montre moins efficace car les frais d’investissement initiaux et de production sont trop élevés ; le besoin d’aboutir à une grande surface spécifique des poudres entraîne beaucoup de problèmes complexes concernant le transport, le nettoyage, la récupération du produit, les risques d’explosion et la dégradation thermique du produit. Tandis que, de nombreux travaux de recherche sur le phénomène d’autovaporisation par DIC (Détente Instantanée Contrôlée) ont montré que la technologie DIC est capable de résoudre de nombreuses problématiques industrielles, menant par la suite à l’obtention de produits finis de très hautes qualités et à la réduction de la consommation d’énergie. Cependant, les applications de la technologie DIC dans la fabrication des poudres alimentaires restent encore restreintes, et la comparaison des propriétés de la poudre obtenue grâce à la DIC avec les autres méthodes de production n’est pas encore effectuée systématiquement. Dans un tel contexte, ce travail de thèse est réalisé en vue de contribuer à résoudre quelques problèmes concernant le contrôle et l’amélioration de la qualité de poudre alimentaire ainsi que l’efficacité du transfert de chaleur dans les opérations d’atomisation et d’autovaporisation (traitement DIC). Afin d’atteindre ces objectifs, deux matières premières principales examinées sont la gomme arabique et le soja. Cinq principales recherches effectuées dans cette thèse consistent en : premièrement, l’étude comparative des procédés de production de la poudre de gomme arabique et les impacts du traitement DIC sur les propriétés du produit fini ; deuxièmement, l’optimisation des conditions opératoires de l’atomiseur dans la fabrication du mélange de poudres de gomme arabique (GA) et maltodextrin (MD) en tant qu’un matériau de parois pour la technologie d’encapsulation ; troisièmement, l’étude comparative des procédés de production de la poudre de soja et les impacts du traitement DIC sur les propriétés du produit fini ; quatrièmement, l’optimisation des conditions opératoires de l’atomiseur dans la fabrication de la poudre de soja ; et finalement, les impacts du taux (GA/MD) dans la fabrication de la poudre de soja par atomisation. Les résultats obtenus ont indiqué que la technologie DIC peut être utilisée à la place de l’atomisation pour fabriquer les poudres de haute qualité de la gomme arabique et du soja. Les propriétés de ces poudres ont été contrôlées et améliorées à travers le réglage des conditions opératoires de l’atomiseur et du traitement DIC. Les paramètres opératoires optimaux dans chaque cas ont été trouvés grâce à l’optimisation de processus en termes de qualité du produit fini et d’efficacité de transfert de chaleur dans la chambre de séchage.

Nowadays, the need to achieve long term stability and usability, in addition to greater functionality, implies that many food products and liquid or solid ingredients are dehydrated or mechanically transformed into powder. The manufacturing processes of food powders always require the satisfaction of a series of criteria, such as process performance and product quality. The spray drying technology is always considered the main method used for producing the powders in many varied fields thanks to its preponderant advantages. However, in some cases, the spray drying shows less effective because the initial investment and production costs are too high ; the need to reach a large specific surface area of the powders causes a lot of complex problems relating to the transportation, cleaning, product recovery, explosion risk and thermal degradation of final product. Whereas, many research work on the autovaporization phenomenon by DIC (Instant controlled pressure drop) showed that the DIC technology is able to solve many industrial problems, eventually leading to obtaining the very high-quality finished products and reducing the energy consumption. However, applications of the DIC technology in the manufacture of food powders are still restricted, and the comparison of the properties of the powder obtained by DIC with other production methods is not yet performed systematically. In such a context, this thesis work is performed in order to contribute to solving some problems concerning the control and improvement of the food powder quality as well as the heat transfer efficiency in the spray drying and autovaporization operations (DIC treatment). In order to attain these objectives, two main raw materials consisting of gum arabic and soybean were examined. Five main researches carried out in this thesis consist of : firstly, comparative study of methods for producing the gum arabic powder and the impacts of DIC treatment on the properties of finished products ; secondly, optimization of the spray drying operating conditions for producing the powder mixture of gum arabic (GA) and maltodextrin (MD) as a wall material for encapsulation technology ; thirdly, comparative study of methods for producing the soybean powder and the impacts of DIC treatment on the properties of finished products ; fourthly, optimization of the spray drying operating conditions for producing the soybean powder ; and finally, impacts of ratio (GA/MD) in the manufacture of soybean powder by spray drying. The obtained results showed that the DIC technology can be used instead of the spray drying to produce the high quality powders of gum Arabic and soybean. The properties of these powders were improved and controlled by adjusting the operating conditions of spray dryer and DIC treatment. The optimal operating parameters for each case were found thanks to the process optimization in terms of product quality and heat transfer efficiency in the drying chamber.