Conception et développement d’un système innovant de cuisson en continu de matrices céréalières (type cake) par chauffage ohmique visant une application en impression 3D

• Auteur / Autrice : Monique Khodeir
• Direction : Olivier Rouaud
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l'ingénieur
• Date : Soutenance le 11/12/2020
• Etablissement(s) : Nantes, Ecole nationale vétérinaire
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur, Géosciences, Architecture (Nantes)

Mots clés

Mots clés libres

Chauffage ohmique en continu

Cake

Simulation numérique

Impression 3D

Continuous ohmic heating

Cake

Modelling

3D printing

Résumé

Ce travail s’intéresse à un concept original de cuisson d'une matrice céréalière (cake). L’objectif visé est de proposer une tête d’imprimante 3D innovante dédiée à la fabrication additive. Afin de garantir à la fois écoulement et solidification du produit, le chauffage ohmique est choisi comme moyen de cuisson. Les différences entre chauffage classique (CC) et chauffage ohmique (CO) en batch ont tout d’abord été évaluées. Les deux cuissons se sont différentiées par des profils de température et de teneur en eau inversés, la cuisson par CO pouvant mener à la création d’une croûte au centre du cake. Les caractéristiques du cake après cuisson par CO ont validé le concept d’une cuisson à cœur avec des couches externes liquides permettant l’écoulement de la pâte. S’en est suivi une caractérisation complète du produit, élément indispensable au développement d’un modèle numérique utile au imensionnement de la buse. Une attention particulière a été portée sur la conductivité électrique et la viscosité, toutes deux fortement dépendantes de la température. Un dispositif expérimental a été réalisé, comprenant une première buse constituée d’un canal de section rectangulaire muni de deux électrodes parallèles et qui a servi d’outil de validation du modèle et de buse test. L’étude numérique et expérimentale a permis d’identifier les points bloquants et les solutions à mettre en œuvre pour assurer un écoulement et une cuisson sans colmatage. L’association d’un système de refroidissement et d’une modification de la géométrie – électrodes moins importantes que la largeur interne du canal – permet d’envisager l’utilisation de la deuxième buse développée comme système d’impression 3D.

This thesis deals with the development of an original concept of continuous baking of a cereal matrix(cake). The objective is to offer an innovative 3D printer head dedicated to the additive manufacturing of food products. In order to guarantee both flow and solidification, ohmic heating is the technology chosen for baking. The differences between conventional heating (CH) and ohmic heating (OH) in batch were first studied. The two baking methods were differentiated by reversed temperature and water content profiles, the OH baking can lead to the creation of a crust in the center of the cake. The characteristics of the cake after OH baking thus validated the concept of full baking at the core with outer liquid layers allowing the crumb to flow. A complete characterization of the cake dough followed with particular attention carried to electrical conductivity and viscosity, both of which are highly temperature dependent. Indeed, the knowledge of these properties is an essential element in the development of a numerical model useful for the sizing of the nozzle. A complete experimental device was thus produced; it includes a first nozzle, consisting of a rectangular channel provided with two parallel electrodes, making it possible to serve as a tool for validating the model and as a test nozzle. The numerical and experimental study made it possible to identify the obstacles and the solutions to be implemented to ensure flow and cooking without clogging. The combination of a cooling system and a modification of the geometry - with electrodes smaller than the internal width of the channel - allows to consider the use of the second nozzle developed as a 3D printing system.