Prédiction de l'encrassement et du nettoyage des installations thermiques laitières a l'aide de méthodes numériques.

PREDICTION OF FOULING AND CLEANING OF DAIRY THERMAL INSTALLATIONS WITH COMPUTATIONAL METHODS

• Auteur / Autrice : Deniz Yilmaz
• Direction : Guillaume Delaplace
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Biotechnologies agroalimentaires, sciences de l'aliment, physiologie - UMET
• Date : Inscription en doctorat le 01/02/2024
• Etablissement(s) : Université de Lille (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la matière, du rayonnement et de l'environnement
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Unité Matériaux et Transformations (Lille ; 2010-....)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Processus aux Interfaces et Hygiène des Matériaux

Mots clés

Mots clés libres

Nettoyage

Encrassement

Nep

Beta-lactoglobulin

Modéles predictives

Dynamique des fluides computationnelle

Cleaning

Fouling

Cip

Beta-lactoglobulin

Predictive modeling

Computational fluid dynamics

Résumé

Les processus de nettoyage réalisés à travers les systèmes Nettoyage-En-Place (NEP) jouent un rôle crucial dans les sites industriels agroalimentaires, assurant l'hygiène des lignes de traitement et la sécurité des produits alimentaires. Malheureusement, ces opérations de nettoyage contribuent significativement à la consommation d'eau et d'énergie (vapeur et électricité), générant des volumes substantiels d'eaux usées, incluant des détergents chimiques agressifs pour l'environnement, représentant jusqu'à 90% des effluents industriels dirigés vers les stations de traitement. En optimisant les conditions de traitement thermique, en définissant des séquences de nettoyage appropriées et en régulant les temps de nettoyage, les volumes d'eau et de détergent, les efficacités des stations NEP peuvent être améliorées. Les logiciels de dynamique des fluides computationnelle peuvent être utilisés pour simuler le colmatage par le lait et le processus de nettoyage dans un système d'échangeur de chaleur à plaques basé sur des principes hydrodynamiques et thermodynamiques. La recherche proposée implique la modélisation tridimensionnelle d'équipements critiques de traitement agroalimentaire, tels que les échangeurs de chaleur, pour prédire la dynamique de colmatage et la cinétique de nettoyage. En optimisant les conditions de traitement thermique, en définissant des séquences de nettoyage appropriées et en régulant les temps de nettoyage, les volumes d'eau et de détergent, cette recherche vise à améliorer l'efficacité des stations NEP. Cela peut être réalisé en incorporant des modèles théoriques pour prédire la dynamique du colmatage pendant la pasteurisation et la cinétique de nettoyage. Par conséquent, l'objectif principal de cette thèse sera de mieux comprendre le phénomène d'encrassement des protéines du lait et du lactosérum et de développer i) un modèle de prédiction d'encrassement et ii) un modèle de prédiction du nettoyage, formalisant une connaissance mécanistique. D'un point de vue théorique, elle vise à répondre aux questions scientifiques suivantes : Quelles sont les limitations des modèles actuels de formation de dépôts? Quels paramètres clés affectent la cinétique de formation de dépôts par le lactosérum, et comment proposer des corrélations prédictives des constantes de dépôt basées sur les paramètres du processus (ρ, μ, Q, t, historique de température...), les concentrations des espèces protéiques obtenues par CFD ([CN], [CU], [CA]), et la concentration initiale en [Ca]? Prédiction du nettoyage : Quelles sont les limitations des modèles actuels de prédiction du nettoyage? Quels sont les paramètres clés affectant la cinétique de nettoyage, en dehors de la température, du débit et de la concentration?

Cleaning processes conducted through Clean-In-Place (CIP) systems hold a pivotal role in agro-food industrial sites, ensuring the hygiene of processing lines and the safety of food products. Unfortunately, these cleaning operations contribute significantly to water and energy consumption (steam and electricity), generating substantial volumes of wastewater, including environmentally aggressive chemical detergents, accounting for up to 90% of industrial effluent directed to treatment plants. By optimizing the thermal treatment conditions, defining appropriate cleaning sequences, and regulating cleaning times, water, and detergent volumes, CIP station efficiencies can be enhanced. Computational fluid dynamics software can be used to simulate the milk fouling and cleaning process in a plate heat exchanger system based on hydrodynamic and thermodynamic principles. The proposed research involves 3D modeling of critical agro-food processing equipment, such as heat exchangers to predict fouling dynamics and cleaning kinetics. By optimizing the thermal treatment conditions, defining appropriate cleaning sequences, and regulating cleaning times, water, and detergent volumes, this research aims to enhance CIP station efficiency. This can be achieved by incorporating theoretical models for predicting fouling dynamics during pasteurization and cleaning kinetics. Therefore, the main objective of this thesis will be to better understand the phenomenon of fouling of milk and whey proteins and to develop i) a fouling predictive model and ii) a cleaning predictive model, formalizing a mechanistic knowledge. From a theoretical standpoint, it aims to address the following scientific questions: What are the limitations of the current deposit formation models? What key parameters affect the kinetics of deposit formation by whey, and how can predictive correlations of deposit constants be proposed based on process parameters (ρ, μ, Q, t, temperature history...), concentrations of protein species obtained by CFD ([CN], [CU], [CA]), and initial [Ca] content? Prediction of cleaning: What are the limitations of the current predictive cleaning models? What are the key parameters affecting the cleaning kinetics, apart from temperature, flow rate, and concentration?