It is estimated that concrete represents 5% of the anthropogenic CO2 emissions, mainly originating from the production of cement, the most essential component of concrete. The recent awareness to the environmental challenges facing our civilization has led the cement industry to consider substituting cement by mineral additions, by-products of existing industries. In this work, a combination of limestone filler and blast furnace slag is used to design an “eco-concrete”, defined as a concrete combining a massive decrease of the cement content as well as mechanical properties and potential durability equivalent to a normal strength concrete. This research reviews the main concrete mix design parameters and their importance when designing an eco-concrete, resulting in five compositions containing various amounts of water, limestone filler and slag. The independent and combined effects of these parameters are observed on the development of the main concrete properties through the use of specific experimental equipment. Continuous non-destructive methodologies to assess efficiently and accurately the properties of any cement-based materials are developed by combining adapted traditional measurements and ultrasonic testing. The question of the early age cracking risk of these concretes is introduced by studying the effect of temperature on the main concrete properties, and a unified model is proposed for taking its effect of the early age autogenous deformation. Finally, new experimental observations are made regarding the behaviour of concrete under fully restrained deformations. The proposed eco-concrete meets many of the requirements of a sustainable construction material. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur et technologie / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Glass-ceramics are of growing interest due to their enhanced properties compared to the base glasses. More specifically, the control of microstructures is a major challenge as the properties of glass-ceramics are the direct consequences of microstructures. Microstructures can be modified by forming specific crystal phases or by using a prior amorphous phase separation before crystallization. The PhD thesis objectives are to demonstrate that the properties of silicate glasses can be enhanced by controlling their microstructure genesis with composition and thermal process parameters. More specifically, two systems were studied and compared: the BaO-TiO2-SiO2 system and the soda-lime silica Na2O-CaO-SiO2 used industrially. Both systems exhibit a large zone of immiscibility allowing the study of the influence of phase separation on crystallization.<p>The first system BaO-TiO2-SiO2 has gathered interest from the interesting properties of fresnoite (Ba2TiSi2O8): piezo and pyroelectricity, second harmonic generation and blue/white photoluminescence. Many studies on the stoichiometric composition were conducted to understand and improve those promising properties. However, it was recently suggested that the photoluminescence can be improved with composition exhibiting phase separation. This indicates that the photoluminescence intensity can be improved through a microstructural control. The possible role of a prior amorphous phase separation on the subsequent crystallization has been however the topic of vigorous debates over the last decades and has not yet been clarified, especially regarding the role of the interfaces created by the phase separation. In this PhD, the effect of phase separation on fresnoite crystallization was studied. This had to pass through the calculation of the liquid-liquid immiscibility in the phase diagram in order to select suitable compositions to compare in a systematic study. The systematic study concludes to a surface crystallization mechanism for all non- stoichiometric compositions and shows no influence between amorphous droplets and matrix crystallization. This study was also completed with the investigation of the effect of composition (i.e. SiO2-excess), annealing temperature and prior heat treatment, i.e. heating rate, cooling rate or a prior isothermal step before annealing. It is shown that specific microstructures are obtained depending on the process parameters. Finally, selected compositions and heat treatment show how photoluminescence intensity can be improved by a microstructural control. The highest intensity is obtained with a high crystallization fraction and a maximization of the number of interfaces.<p>The results obtained in the study of the BaO-TiO2-SiO2 system are extended to the soda-lime-silica system in order to study the effect of phase separation on crystallization. It is shown that cristobalite forma- tion from the surface cannot be avoided and that the involved composition shift inhibits phase separation. It is consequently difficult to observe an interplay. Those studies lead to a general discussion about the criteria allowing to observe an interplay between phase separation and crystallization in oxide glasses. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Le travail présenté porte sur l’étude de la réactivité des scories de la métallurgie du cuivre et leur utilisation comme additions minérales actives en remplacement partiel au ciment. <p>Les scories étudiées appartiennent soit au système CaO-MgO-Al2O3-SiO2 (Scorie A épuisée en métaux « lourds »), soit au système CaO-FeO-SiO2 (Scories B, C, D et E) avec des teneurs en MgO, Al2O3 et ZnO appréciables ainsi que des proportions en métaux « lourds », autres que le Zn, non négligeables (Cu, Co et Pb). A l’exception de la scorie A, toutes les scories étudiées peuvent être classées comme « déchets dangereux » pour l’homme et pour l’environnement, car elles sont riches en métaux « lourds ». <p>La R.D.Congo regorge des quantités énormes de ces scories qui occupent des grands espaces avec tous les risques de pollution qu’elles présentent. En général, pour gérer ces types des matériaux, plusieurs techniques peuvent être utilisées. Dans ce travail, nous nous sommes proposés d’utiliser ces scories comme additions minérales actives au ciment afin de stabiliser leurs métaux « lourds », de les éliminer de la nature et de leur donner une valeur économique. Une telle étude n’a jamais été réalisée en R.D. Congo. De ce fait, trois axes d’études expérimentales ont été mis en œuvre :<p><p>- une étude théorique de la réactivité des scories fondée sur leurs caractéristiques chimiques et structurales.<p><p>- une étude de la réactivité intrinsèque des scories réalisée dans différents systèmes (NaOH, Ca(OH)2 et ciment), à partir de leurs verres. La méthode qui a été utilisée consiste à suivre la disparition des exothermes de cristallisation des verres de scories, lors de l’hydratation, par analyse thermique différentielle (ATD). A l’issu de cette étude, nous avons trouvé que toutes les scories ont un potentiel hydraulique qui dépend de la nature et de la proportion en verres qui les composent ainsi que des types d’activateurs utilisés. Les verres les plus réactifs sont ceux qui contiennent une grande quantité en éléments structuraux basiques (Si2O76-, Si2O88-, etc.) et en cations modificateurs de réseaux (Ca2+, Mg2+, Al3+ et Zn2+). <p>Le ciment, utilisé comme activateur, constitue un des meilleurs composés qui permet une hydratation facile et rapide des différents types de verres à 25°C. Lors de cette hydratation, il s’établit des interactions entre les verres des scories et les phases anhydres et/ou hydratées du ciment qui affectent directement l’évolution de l’hydratation des phases du clinker ainsi que les propriétés mécaniques des pâtes durcies des mélanges « scories-ciments ». <p>Les produits issus de l’hydratation des scories et/ou du ciment (C-S-H) sont les phases qui permettent de « stabiliser» les métaux « lourds » par insertion dans leur structure. <p>Toutes les scories étudiées peuvent être valorisées comme ajouts au ciment. Cependant, cette valorisation sera plus rentable si la scorie est épuisée en éléments recherchés en métallurgie tels que le Cu, le Co, le Ge et le Zn, comme c’est le cas des scories A et E. <p> <p>- une étude des ciments à base des scories A et E a porté sur leur cinétique d’hydratation afin de corréler leurs processus d’hydratation à l’évolution de la microstructure et des propriétés mécaniques de leurs pâtes durcies. Les temps de prise de ces ciments ont aussi été déterminés. <p> / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Dans l'industrie alimentaire, les procédés de production sont souvent mis au point de manière empirique, selon des règles de bonnes pratiques. Ces méthodes présentent des lacunes, notamment au niveau de la régularité de la production. Pour modéliser et optimiser ces procédés, il est nécessaire de déterminer les propriétés physico-chimiques du produit. Nous cherchons à optimiser l'étape de tempérage du chocolat. À cette fin nous étudions la rhéologie et la cristallisation du chocolat.<p>Nous réalisons des mesures de rhéologie du chocolat suivant la méthode standard. Les résultats de ces mesures nous permettent de caractériser le comportement rhéofluidifiant de notre chocolat. Pour évaluer l'effet de différents paramètres opératoires sur la rhéologie du chocolat, nous faisons des mesures à différentes températures et pour différentes quantités de beurre de cacao. Suite à une analyse statistique des résultats, nous avons déterminé les paramètres d'une loi en puissance décrivant le<p>comportement rhéologique du chocolat. Pour approfondir la compréhension des phénomènes régissant la rhéologie du chocolat, nous avons également évalué l'influence de chaque ingrédient du chocolat sur la rhéologie du beurre de cacao. Nous montrons qu'il existe des interactions entre les particules de sucres qui sont probablement responsables du comportement rhéofluidifiant du chocolat. Nous montrons également que la présence de l'émulsifiant est indispensable pour que le chocolat puisse s'écouler.<p>La cristallisation du chocolat est analysée par calorimétrie différentielle. Nous développons un modèle de cristallisation en considérant le transfert de chaleur comme phénomène limitant. Ce modèle nous permet de déterminer les différentes formes cristallines présentes dans un échantillon de chocolat. A l'aide du modèle nous obtenons également une évaluation de la vitesse de cristallisation des différentes formes cristallines considérées. C'est un paramètre essentiel pour le dimensionnement de procédé.<p>L'étude couplée de la rhéologie et de la cristallisation nous montre que les formes cristallines les plus stables sont générées par les contraintes de cisaillement les plus élevées.<p>Enfin, dans le cadre d'applications industrielles, nous avons étudié le phénomène<p>de blanchiment du chocolat. Nous constatons que les variations de température accélèrent le phénomène de transformations polymorphiques solide-solide. Nous avons également étudié le procédé de production de la ganache. Nous avons mis en évidence que le transfert de chaleur est le phénomène déterminant de ce procédé. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

A fundamental step in the further developments of comprehensive modelling of the diffusive processes in liquids requires the possibility of obtaining reliable and accurate experimental data of the diffusion and thermodiffusion coefficients of multicomponent liquid systems. In the present work, we perform an experimental investigation of the diffusive properties of binary and ternary liquid systems. Two experimental techniques, the ‘Open Ended Capillary’ technique and the ‘Transient Interferometric Technique’ have been developed. Those techniques have been used for the experimental characterization of several systems composed of 1,2, 3,4-Tetrahydrnaphtalene, Isobutylbenzene and Dodecane at ambient temperature. Those particular species were selected as a simplified multicomponent system modelling the fluids contained in natural crude oils reservoirs. <p>For each of these techniques, experimental set-ups were designed, implemented and calibrated. The procedures for identifying the ternary diffusion coefficients from the measured compositions fields were studied in details. <p>The Open Ended Capillary Technique was applied under gravity condition to study isothermal diffusion binary and ternary systems. Difficulties related to a new procedure for interpreting the data collected at short times of the experiments are highlighted and its implication in the generalization of the technique for the study of multicomponent systems is discussed.<p>The Transient Interferometric Technique was used to perform an experimental study of three binary systems under gravity conditions. It was also applied for the investigation of ternary systems under microgravity condition in the frame of the DSC on SODI experiment, which took place aboard the International Space Station in 2011. The experimental results are reported and the analysis of the accuracy of the technique is presented. The TIT is the first technique ever providing accurate experimental measurements of the complete set of diffusion and thermodiffusion coefficients for ternary liquid systems.<p> / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Le séchage de denrées alimentaires est une filière clé de la transformation des aliments, tant dans nos pays que dans les pays en voie de développement. Cette opération, largement utilisée dans l’industrie agro-alimentaire, permet d’augmenter significativement la durée et la diversité d’utilisation de nombreux aliments. Néanmoins, au cours d’une opération de séchage, l’élévation de la température et l’exposition à des débits d’air importants peuvent entraîner des altérations biologiques, chimiques et mécaniques du produit. La méthode, les conditions et le temps de séchage sont donc des facteurs influençant directement la qualité des produits séchés et doivent donc être bien contrôlés.<p><p>Dans ce travail de thèse, nous nous intéressons au séchage de tranches de mangues. L’ob- jectif principal est de contribuer au développement d’une nouvelle technologie de séchage, adaptée aux pays en voie de développement et fonctionnant entièrement à l’énergie solaire. Cette nouvelle technologie a pour but d’améliorer la qualité du séchage et la productivité des séchoirs.<p><p>D’après les techniques traditionnelles de séchage présentées dans la littérature, nous choi- sissons la structure générale qu’aura la nouvelle technologie de séchage :un capteur solaire couplé à une tour de séchage, alimentée en air par des ventilateurs placés à l’entrée du capteur solaire et reliés à un panneau photovoltaïque. Cette technologie fonctionne en mode indirect :les zones de chauffe de l’air et de séchage sont différentes. Les tranches de mangues à sécher sont placées sur des plateaux dans la tour de séchage et l’écoulement de l’air se fait perpen- diculairement à ces plateaux. Nous avons l’idée originale d’ajouter des éponges et un grillage métalliques afin d’augmenter les transferts de chaleur à l’intérieur du capteur solaire.<p><p>Un premier prototype de cette nouvelle technologie est dimensionné, sur base de l’expres- sion de bilans de matière et d’énergie. Un cahier des charges doit être rempli, notamment en termes de temps de séchage, de température de l’air sortant du capteur, d’humidité finale des mangues séchées et de masse de mangues fraîches à sécher.<p><p>D’après l’étude de ce prototype, imaginé et construit en collaboration avec la société Solvay, nous développons, pour la nouvelle technologie de séchage, un modèle du capteur solaire et un modèle de l’écoulement de l’air au sein de cette technologie. Le modèle du capteur solaire est utilisé pour déterminer le coefficient de transfert de chaleur par convection entre l’air au sein du capteur et ses parois. Nous montrons que ce coefficient est très élevé, à tel point qu’il est indissociable de celui qu’aurait un capteur idéal. Les performances du capteur solaire sont donc très bonnes. Nous montrons qu’elles sont particulièrement améliorées par l’ajout des éponges et du grillage métalliques dans le capteur. Le modèle de l’écoulement de l’air décrit le lien entre la puissance fournie à l’air et le débit d’air qui circule dans le séchoir. Nous l’utilisons pour déterminer le coefficient de perte de charges d’un plateau chargé de mangues.<p><p>A plus petite échelle, nous étudions la vitesse de séchage d’une tranche de mangue, au sein d’un petit séchoir disponible au laboratoire TIPs de l’ULB. Plusieurs expériences de séchage y sont réalisées dans des conditions bien contrôlées. D’après ces essais, nous développons un modèle mathématique original de la vitesse de séchage d’une tranche de mangue qui nous permet de prédire la vitesse de séchage de tranches de mangues dans des conditions opératoires données. Une très bonne correspondance est obtenue entre les simulations du modèle et les résultats expérimentaux. Il peut donc être utilisé pour prédire la vitesse de séchage de tranches de mangues pour une large gamme de conditions opératoires.<p><p>Ce modèle est couplé à des bilans de matière et d’énergie, relatifs à la tour de séchage. Nous obtenons dès lors un modèle de fonctionnement de la tour de séchage de la nouvelle technologie.<p><p>L’ensemble des modèles développés pour caractériser le fonctionnement du capteur solaire, l’écoulement de l’air dans la technologie de séchage et le fonctionnement de la tour de séchage sont alors combinés pour obtenir un modèle complet de fonctionnement de la nouvelle tech- nologie de séchage. Ce modèle est validé et le fonctionnement de cette nouvelle technologie est optimisé par l’ajout d’une phase de permutation des plateaux après la moitié du temps de séchage. Ce modèle complet de la technologie de séchage est alors utilisé pour dimensionner des séchoirs de terrain pour une période donnée de l’année, en un endroit donné.<p><p>Nous terminons ce travail de thèse en présentant une comparaison entre un séchoir de terrain de la nouvelle technologie et un séchoir Atesta, qui est la technologie traditionnelle de séchage de mangues la plus répandue en Afrique de l’Ouest. Nous concluons que la quantité d’eau évaporée par unité de temps est bien supérieure pour le séchoir de terrain que pour l’Atesta. Le coût de fonctionnement d’un séchoir de terrain est plus faible que celui d’un séchoir Atesta car le séchoir de terrain fonctionne entièrement à l’énergie solaire et non pas au gaz, comme c’est le cas pour le séchoir Atesta. La qualité des mangues séchées obtenues dans un séchoir de terrain est supérieure à celle obtenue dans un séchoir Atesta car il n’y a pas de contact avec les gaz brûlés et la convection de l’air y est forcée. Néanmoins, l’encombrement au sol des séchoirs de terrain reste un point négatif en comparaison avec le séchoir Atesta du fait de la grande taille du capteur solaire. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Bio-pharmaceutical industry is a vast growing market and recent recommendations of the Food and Drug Administration have put a large emphasis on the characterization of biological processes and models. As a consequence, there is a high incentive on developing modern sensors in order to more accurately monitor and control processes. In that way, Digital Holographic Microscopy (DHM) presents unique features thanks to the refocusing and quantitative phase contrast imaging capabilities. In this thesis we investigate the usage of DHM to monitor yeast cultures that are often used in both the bio-pharmaceutical and bread industries and lay the basis of a methodological framework for the study of in-line cell cultures in the context of process control. We begin with a description of Digital Holography and the microscopy setup used in the thesis as well as a detailed explanation of the image processing required to extract the holographic data and its implementation on GPU with some speed execution figures given for three popular programming paradigms. We then describe the flow setup used and infer the limitations on the dynamic range of the technique due to both Poisson statistics and overlapping phenomena. Finally, we describe an algorithm that extracts the cells position, count and morphological information such as the size, aspect ratio, circularity and refraction index. Some experimental results are presented for yeasts before drawing a general overview of the technology and its dependencies. We further end with some conclusions concerning the technology and a brief comparison with existing competitors. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

The study presented in this dissertation concerns the evaporation, in normal ambient conditions, of sessile droplets (pinned and freely receding) of various HFE liquids (instead of the widely used water), which are considered so far as environmentally friendly and are often used as heat-transfer fluids in thermal management applications. They are pure perfectly-wetting and volatile liquids with low thermal conductivity and high vapor density. These properties affect in their own way many aspects concerning droplet evaporation such as the evaporation-induced contact angles, evaporation rate of a droplet, contact line pinning and Marangoni flow, all of which are treated in the present dissertation.<p>In general, the thesis starts with a general introduction including but not limited to sessile droplets (Chapter 1). In Chapter 2 we provide a general overview of capillarity-related concepts. Then, in Chapter 3 we present the interferometric setup, along with the liquids and the substrate that is used in the experiments, and also explain the reasons why this particular method is chosen. In Chapter 4 we address, among others, the issue of evaporation-induced contact angles under complete wetting conditions. The behavior of the global evaporation rate is also examined here, whereas in Chapter 5 we discuss the influence of thermocapillary stresses on the shape of strongly evaporating droplets. Finally, before concluding in Chapter 7, we address in Chapter 6 the still open question of the influence of non-equilibrium effects, such as evaporation, on the contact-line pinning at a sharp edge, a phenomenon usually described in the framework of equilibrium thermodynamics. The experimental results obtained are also compared with the predictions of existing theoretical models giving rise to interesting conclusions and promising perspectives for future research.<p> / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

The development of molecular receptors for anion recognition has become an important aspect of supramolecular chemistry. In this thesis, we focused our attention to the study of systems for fluoride recognition in water. Fluoride is indeed an anion of interest due to its implication in environmental and health related issues. Furthermore, its small size and high hydration energy make its recognition in water particularly challenging.<p>Most of the synthetic systems reported for fluoride recognition have been extensively studied in organic solvents (DMSO, acetonitrile) using tetrabutylammonium fluoride (TBAF) as the source of fluoride. In many cases, titra- tion behaviours are observed that cannot be ascribed to a classical 1:1 binding isotherm, deprotonation problems of Brønsted-Lowry acid type of receptors aside. In the first part of our thesis we investigated, using a uranyl-salophen re- ceptor which recognizes fluoride via Lewis Acide/Base interactions, the origin of the unusual titration behaviour. Via UV/vis, 19F and 1H NMR spectroscopies, we have been able to highlight that the equilibrium between the fluoride and the corresponding bihalide ion, HF−2 ,which is inevitably generated along with the hydroxide anion in situ due to trace amounts of water, can be at the ori- gin of this singular behaviour. Our results put to light that when undertaking titrations with fluoride in DMSO, the fluoride–bihalide equilibrium can affect the data and that the latter species can even be the dominating species at low TBAF concentrations. When varying the solvent from DMSO to acetonitrile, the s-shape titration curves observed by UV/vis are no longer observed for the uranyl-salophene receptor that we studied. The fluoride-bifluoride equilibrium is still present but both of the anions generated in this process are recognised by the uranyl-salophene receptor with similar affinity constants above 10^6 M−1.<p>The second part of our work was devoted to finding ways to solubilize anion receptors that are efficient in organic solvents, into an aqueous environment. Two approaches were investigated: (i) grafting of the receptors onto silica nanoparticles and (ii) the micellar incorporation of the receptors. For the first strategy, we developed two silylated urea-based receptors. These receptors were first studied in organic solvents (DMSO and/or acetonitrile) where they showed selectivity, among halides, towards fluoride. Once grafted on the silica nanoparticles, due to the fact that hydroxyl groups and solvent molecules are present in the silica matrix, fluoride recognition was not possible.<p>We explored it with different simple H-bond based urea receptors in the second srategy. With the cationic surfactants, cetyl trimethyl ammonium chloride and bromide, the counter-ions of the micelles interfere with the fluoride recognition. With the neutral surfactant triton X-100, the incorporation of the anion receptors proved to be difficult. Moreover, the variations observed in the UV/vis spectra upon titrations were too small to be able to make any conclusions about fluoride recognition. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Le séchage est une opération unitaire pratiquée depuis des millénaires pour laquelle les connaissances scientifiques sont encore très incomplètes. Il est cependant de plus en plus nécessaire de « bien » sécher afin d’atteindre une combinaison optimale du temps de séchage, de l’énergie consommée et surtout de la qualité du produit final. Ceci est d’autant plus vrai dans le cadre du séchage alimentaire où de nombreux produits sont très sensibles à la température et à la déshydratation. C’est le cas de la levure de boulanger dont la capacité à dégager du CO2, pour faire gonfler la pâte à pain par exemple, diminue très souvent lorsque le séchage est réalisé dans des mauvaises conditions opératoires. L’utilisation de séchoirs particuliers tels que les lits à jet coniques devrait permettre d’améliorer le séchage en terme d’efficacité et de qualité finale. L’objectif principal de cette thèse est de contribuer à mieux comprendre et modéliser le séchage de levures en lit à jet conique en utilisant une approche multi-échelles. <p>Le séchage d’un grain de levure isolé est caractérisé à l’aide d’un nouveau dispositif thermogravimétrique dans lequel il est possible de mesurer l’évolution des dimensions du grain ainsi que sa température de surface. Les résultats obtenus sont alors utilisé pour construire et valider un nouveau modèle du séchage d’un grain de levure basé sur l’existence de trois types d’eau et permettant de prédire l’évolution du contenu en eau et de la température du grain. L’analyse combinée du modèle et des résultats expérimentaux permet de mettre en avant que le rétrécissement des grains de levures au cours du séchage n’a pas d’impact significatif sur la vitesse de séchage et qu’il est essentiel de modéliser correctement la température du grain.<p>L’écoulement de solides dans le lit à jet conique est caractérisé expérimentalement au moyen de la technique de poursuite de particule radioactive (RPT). Un post-traitement des données brutes (évolution temporelle de la position du traceur) est développé pour déduire un certain nombre de paramètres liés à l’écoulement du solide :forme des régions du lit à jet (jet, anneau et fontaine), distributions de l’écoulement des solides entre les régions, distribution de temps de séjour des solides dans le lit, vitesses et débits moyens des solides, et taux de gaz dans le jet et l’anneau. Les résultats expérimentaux ont notamment permis de montrer que la forme du jet ne dépend quasiment pas de la vitesse d’injection de l’air; de même, le rapport du débit volumique de solides d’une région du lit à l’autre avec la vitesse moyenne du solide dans l’anneau donne une valeur constante pour une hauteur de lit stagnant donnée. Des corrélations empiriques sont également développées pour prédire les vitesses et débits moyens de solides ainsi que les temps de séjour moyens des solides dans les différentes régions du lit.<p>L’écoulement du gaz dans le lit à jet conique est caractérisé expérimentalement par la mesure des distributions de temps de séjour (RTD) du gaz dans le lit par l’injection et la détection d’un gaz radioactif dans le lit à jet en opération. L’existence d’un écoulement non négligeable du gaz dans l’anneau du lit est mise en évidence. Les vitesses moyennes du gaz dans le jet et l’anneau ainsi que la portion du débit total qui passe dans le jet sont déduites des courbes de RTD. Il est identifié que le gaz circule au moins deux fois plus vite dans le jet que dans l’anneau, ce qui mène à des échanges de matières entre un solide et le gaz plus intenses dans le jet que dans l’anneau.<p>Des expériences de séchage de levure sont réalisées dans un lit à jet conique afin de caractériser l’effet des conditions opératoires sur le séchage. Un nouveau modèle multi-échelles décrivant le séchage de levure en lit à jet est présenté; celui-ci est basé sur les résultats des caractérisations expérimentales et des modélisations du séchage d’un grain de levure isolé et de l’écoulement solide-gaz dans le lit à jet conique. Le modèle phénoménologique ne possède qu’un seul paramètre et permet de très bien reproduire les résultats des expériences de séchage de levure en lit à jet conique. Il tient notamment compte du fait que dans un lit à jet, la saturation de l’air en vapeur d’eau au passage du lit peut être un phénomène limitant pour la vitesse de séchage, surtout en début de séchage.<p>La caractérisation de l’évolution au cours du séchage de la capacité de la levure à dégager du CO2 dans une pâte à pain a également été réalisée pour un grain de levure isolé et pour le séchage en lit à jet conique. Des conclusions similaires sont présentées dans les deux cas. En effet, la dégradation de la levure est liée à l’enlèvement de l’eau intracellulaire (type D, fin du séchage en-dessous de contenu en eau d’environ 0,5 (d.b.)) et c’est avant tout la vitesse avec laquelle cette eau est enlevée qui contrôle la qualité finale du produit. L’enlèvement de l’eau intercellulaire (type E, début du séchage) n’a pas d’influence significative sur la dégradation de la levure. Dans tous les cas, la dégradation est amplifiée lorsque la température du solide dépasse 40°C.<p>/<p>Drying is a unit operation that is practiced since thousands of years and which for scientific knowledge is still very incomplete. However it is more and more necessary to dry « well » in order to reach an optimal combination between drying duration, consumed energy and also final product quality. This is even truer in the case of food drying involving a lot of products that are very sensitive to temperature and dehydration. Baker’s yeast often encounters a drastic decrease of its gassing power, which makes for instance inflate bread dough, when drying is operated in wrong conditions. Using special driers such as conical spouted beds should allow improving drying in terms of efficiency and final quality. The main objective of this thesis is to contribute to better understand and model Baker’s yeast drying in a conical spouted bed by using a multiscale approach.<p>Drying of a single Baker’s yeast pellet is characterised by using a new thermogravimetric set up where the evolution of the pellet dimensions and surface temperature can be measured during drying. The obtained results are then used to develop and validate a new model of the drying of a Baker’s yeast pellet. The model is based on the existence of three types of water in yeast and it allows predicting the evolution of the pellet’s moisture content and temperature during drying. The combined analysis of the model and the experimental results permits to put forward that pellet’s shrinkage during drying have no significant influence on the drying rate and that it is really essential to correctly model the pellet’s temperature.<p>Solid flow in the conical spouted bed is experimentally characterised by using a radioactive particle tracking technique (RPT). A post-treatment of rough data (time-evolution of the tracer position) is developed in order to predict a series of parameters linked to the solid flow: shape of the bed regions (spout, annulus and fountain), distributions of solid flow in the bed regions, residence time distribution of the solids in the bed, mean solids velocities and flowrates, and voidage in the spout and annulus. Experimental results allowed to show that the shape of the spout is nearly not influenced by inlet air velocity; also, the ratio of volumetric solid flowrate between the different regions of the bed and of the mean solids velocity in the annulus has a constant value for a given static bed height. Empirical correlations are also developed in order to predict the mean solids’ velocities and flowrates, and the mean residence time of the solids in each region of the bed.<p>Gas flow in the conical spouted bed is experimentally characterised by measuring gas residence time distributions (RTD) in the bed through the injection and detection of a radioactive gas tracer into the operated spouted bed. The existence of non-negligible gas flow in the annulus of the bed is highlighted. Mean gas velocities in the spout and annulus, and the part of the total gas flow going to the spout are deducted from the RTD curves. It is identified that gas moves at least twice faster in the spout than in the annulus, which leads to mass exchanges between solid and gas that are more intense in the spout than in the annulus.<p>Baker’s yeast drying experiments are done in a conical spouted bed in order to characterise the effects of operating conditions on drying. A new multiscale model, describing Baker’s yeast drying in conical spouted bed, is presented; it is based on experimental results and on the models of a single pellet drying and of gas-solid flows in the conical spouted bed. This phenomenological model has only one unknown parameter and permits reproducing the experimental results of Baker’s yeast drying in conical spouted bed. It takes into account the fact that, in a spouted bed, vapour saturation of the air during its residence time in the bed can be a limiting phenomena for the drying rate, especially in the beginning of the drying.<p>The characterisation of the evolution of the Baker’s yeast gassing power in a bread dough during the drying has also been done in the case of a single pellet drying and in the case of spouted bed drying. Similar conclusions are presented for both cases. Indeed, yeast degradation is linked to intracellular water removal (type D, end of the drying below a moisture content of around 0,5 (d.b.)) and it is mostly the rate of this water removal that controls the final quality of the product. Intercellular water removal (type E, beginning of the drying) has no significant influence on yeast degradation. In all the cases, degradation is amplified when solid temperature is higher than 40°C.<p> / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished