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Approche multi-échelles du séchage convectif des grains de levure : Séchage en présence d’un matériel de support solide et séchage en régime intermittent

par Van Engeland, Charlotte
Président du jury Gilis, Dimitri
Promoteur Haut, Benoît ;Legros, R
Publication Non publié, 2021-04-02

Thèse de doctorat

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Résumé :

Le séchage est une opération industrielle complexe faisant intervenir des phénomènes de transport de masse et de chaleur à différentes échelles. Bien que cette opération permette d’éviter le gaspillage alimentaire en augmentant la durée de conservation et la facilité de la manutention, elle est consommatrice d’énergie et mène à la détérioration de nombreux produits, particulièrement les produits alimentaires. La finalité de cette recherche est de proposer des améliorations technologiques qui ont pour but d’intensifier les procédés de séchage agro-alimentaire dans une optique de réduction de la consommation d’énergie et d’amélioration de la qualité des produits. Pour ce faire, la compréhension des phénomènes se déroulant au cours du séchage des grains de levure doit être améliorée. Les levures, organismes vivants séchés sous forme de grains sphériques ou cylindriques formant un réseau poreux, sont sensibles à la température de séchage et à la déshydratation. Deux techniques encourageantes qui pourraient augmenter conjointement l’efficacité énergétique et la qualité des levures sont investiguées : le séchage en présence de matériel de support solide, plus précisément de farine, et le séchage en régime intermittent. L’influence de la farine, un matériel de support solide, sur la cinétique de séchage des grains de levure et sur la qualité des levures est caractérisée à l’aide d’expériences de séchage (partiel et complet) en séchoir tunnel. Pour des grains de levure contenant différentes quantités de farine de blé, l’évolution du contenu en eau, de la température de surface, des dimensions des grains de levure ainsi que de l’activité fermentaire des levures a été mesurée au cours du séchage. En parallèle de ces expériences, un modèle de cinétique de séchage a été développé et confronté avec succès aux résultats expérimentaux. L’analyse combinée des résultats expérimentaux et de la modélisation donne un aperçu clair des phénomènes se déroulant pendant le séchage de grains de levure comprenant un matériel de support solide. Les résultats observés mettent en évidence que l’ajout de farine de blé induit une augmentation de la vitesse de séchage et une diminution de la qualité en fin de séchage bien qu’il ne semble pas avoir d’impact sur la qualité des levures fraiches, avant séchage. L’influence de la redistribution de l’humidité par diffusion au sein de matériaux granulaires sur la cinétique de séchage en régime intermittent a été évaluée à l’aide de deux approches de modélisation : une approche continue et une approche de cœur humide rétrécissant. L’influence de la durée d’un cycle et de la proportion de séchage dans ce cycle, les deux paramètres caractérisant l’intermittence, est analysée de manière approfondie à l’aide de ces modèles. En comparant la dynamique du séchage intermittent au séchage stationnaire, des particularités ont été mises en évidences: trois régions différentes ont été identifiées dont une région de travail qui semble particulièrement avantageuse. Les prédictions des modèles permettent de mettre en évidence des meilleures stratégies et pratiques de séchage et donc de sélectionner les conditions opératoires les plus pertinentes afin d’améliorer l’efficacité énergétique sans augmenter substantiellement la durée totale du séchage par rapport à un séchage continu. En parallèle, l’évaporation, le transport capillaire et la gravité peuvent influencer la dynamique du liquide lors du séchage d’un milieu poreux. C’est pourquoi, la compétition entre l’imbibition capillaire, la gravité et l’évaporation au sein d’un milieu poreux est analysée. Un modèle analytique général pour la dynamique d’un front liquide dans un milieu poreux considérant les effets combinés de ces trois mécanismes est établi. Il met en évidence que deux nombres sans dimension contrôlent la dynamique du front liquide dans un milieu poreux : le nombre capillo-gravitaire G et le nombre d’évaporation E. Selon les valeurs de ces deux nombres sans dimension, le front liquide peut exhiber 7 régimes de dynamiques, classés en trois types de comportements. L’influence des propriétés des milieux liquides et poreux, ainsi que des conditions atmosphériques sur les valeurs des nombres sans dimension est également présentée. Finalement, l’intermittence est étudiée à l’échelle du séchoir à travers l’exploration d’un séchoir intrinsèquement intermittent : le séchoir rotatif aéré. L’écoulement solide au sein de ce séchoir est caractérisé au moyen d’un modèle couplant la méthode des éléments discrets (DEM) à la mécanique des fluides numérique (CFD). Quelques situations permettant de comparer la différence de comportement des particules et de leur distribution entre le début et la fin du séchage sont considérées. Une analyse comparative est menée. Néanmoins pour une analyse plus approfondie, il serait pertinent de lever les limitations de la méthode proposée. L’étude de la dynamique d’écoulements et de la distribution des particules solides souligne qu’une pseudo fluidisation du lit de grains de levure a lieu. Elle permet également d’estimer les deux paramètres caractérisant l’intermittence. Les résultats des simulations des différentes situations envisagées ont notamment permis de montrer que les variations de la taille et du poids des particules entrainent une variation significative de la dynamique d’écoulement au sein du séchoir rotatif aéré. Un modèle macroscopique décrivant la cinétique de séchage en se basant sur les simulations d’écoulement des grains de levure au sein du séchoir est suggéré. Ce modèle doit encore être validé et peut-être ajusté en conséquence.

Drying is a complex industrial operation involving mass and heat transport phenomena at various length scales in a multiphase system. Although this operation avoids food waste by increasing shelf life and ease of handling, it is energy consuming and leads to the deterioration of many products and particularly food products. The overall goal of this research is to propose technological improvements to intensify food drying processes in an effort to reduce energy consumption and to improve products quality. For this purpose, the understanding of the phenomena occurring during the drying of yeast pellets needs to be improved. Yeasts, living organisms dried in the form of spherical or cylindrical pellets forming a porous network, are sensitive to drying temperature and dehydration. Two promising techniques that could simultaneously increase energy efficiency and yeast quality are being investigated: drying in the presence of solid carrier, more precisely flour, and intermittent drying. The influence of the flour, a solid carrier, on the drying kinetics of the yeast pellets and on the quality of the yeast is characterized through drying experiments (partial and complete) in a tunnel dryer. For yeast pellets containing different amounts of flour, the evolution of water content, surface temperature, size of the yeast pellets as well as the fermentation activity of the yeast were measured throughout the drying process. In the meantime, a drying kinetics model was developed and successfully compared to the experimental results. The analysis of the experimental results combined with the modeling give an insight of the phenomena taking place during the drying of yeast pellets with a solid carrier. The results indicate that the addition of flour induces an increase in the drying rate and a decrease in quality at the end of the drying, but it does not seem to impact the quality of the fresh yeast before drying. The influence of moisture redistribution by diffusion within granular materials on drying kinetics of intermittent processes was evaluated using two modeling approaches: a continuous approach and a shrinking core approach. These models provide a comprehensive analysis of the influence of two parameters characterizing intermittency: the duration of a cycle and the proportion of drying in this cycle. Three regimes that can be encountered in the dynamics of intermittent drying when compared to stationary drying have been identified. The model predictions allow to highlight the best drying strategies and practices and thus to select the most relevant operating conditions to improve energy efficiency without significantly increasing the total drying time compared to continuous drying. In parallel, evaporation, capillary imbibition and gravity may influence the liquid dynamics during the drying of a porous medium. This is why, the competition between capillary imbibition, gravity and evaporation within a porous medium is analyzed. Considering the combined effects of these three mechanisms, a general analytical model for the dynamics of a liquid front in a porous medium is established. It shows that two dimensionless numbers control the dynamics of the liquid front in a porous medium: a gravity–capillary number G and an evaporation–capillary number E. According to the values of these two dimensionless numbers, the liquid front can exhibit 7 regimes of dynamics, classified into three types of behavior. The influence of the properties of liquid and porous media as well as atmospheric conditions on the values of the dimensionless numbers is also presented. Eventually, intermittency is studied at the dryer scale through the exploration of the roto- aerated dryer, an intrinsically intermittent dryer. The solid flow within this dryer is characterized using a model coupling the Discrete Element Method (DEM) to Computational Fluid Dynamics (CFD). A few situations allowing to compare the difference in particle behavior and particle distribution between the beginning and the end of the drying process are considered. A comparative analysis is carried out. Nevertheless it would be relevant to overcome the limitations of the proposed method for further analysis. The study of the flow dynamics and the distribution of solid particles underlines that a pseudo-fluidization of the bed of yeast pellets takes place. It also enables to estimate the two parameters characterizing intermittence. The results of the simulations of the different situations considered have shown that the variation of the size and weight of the particles leads to a significant variation in the flow dynamics within the roto-aerated dryer. A macroscopic model describing the drying kinetics based on the flow simulations of the yeast grains within this type of dryer is suggested. This model still needs to be validated and can be adjusted accordingly.