The aim of this research is to understand the solid state physical properties of inulin in regards to the spray-drying treatments. In this context, inulin powders were produced by pilot spray-drying a commercial inulin dispersion under various feed (Tfeed) and inlet air (Tin) temperatures. More particularly, the amorphous and crystalline properties of the powders were studied by developing different fine characterization tools, such as modulated differential scanning calorimetry or powder X-ray diffraction. When the temperature of the inulin water systems increased, the crystallinity of the powder decreased. To a smaller extent, this tendency is also observed with the increase of the inlet air temperature of the spray drier. For example, an amorphous powder is obtained with a Tfeed of 90°C whatever the Tin (comprised between 120 and 230°C); whereas for a Tfeed of 80°C, a Tin of 230°C is necessary to obtain the same result. Adsorption isotherms were established on four powders covering a large range of crystallinity (crystallinity index from 0 to 92). The Guggenheim Anderson de Boer model was fitted to the experimental data. As the water content of the powders increased, the glass transition of inulin decreased. When the Tg droped below the storage temperature (20°C for example), the powders crystallized and underwent clumping phenomenon. Under these conditions, a continuous hard mass was observed for the amorphous powders; while their semi-crystalline counterparts were agglomerated but friable. To understand these changes, a kinetic study of the physical properties evolution and stability of an amorphous powder as a function of its water content was realized. These results allowed to correlate the Tg water content relationship to the evolution of the powders behaviour, such as stickiness or hardening during storage.

L’augmentation de la demande en lait infantile génère une forte croissance de la production mondiale de lactose. En raison d’exigences accrues sur la qualité du produit, le mottage, ou prise en masse spontanée de la poudre, est une non-conformité pouvant s’avérer très coûteuse. En utilisant une approche procédé – produit, ce projet vise à identifier les paramètres critiques et comprendre les mécanismes de mottage du lactose, pour donner les moyens aux industriels de prévenir le mottage. Les résultats obtenus sur des poudres produites à l’échelle pilote montrent le rôle déterminant des impuretés (i.e. composés autres que le lactose) et de la granulométrie. En effet, les impuretés renforcent l’hygroscopicité et le mottage. De plus, en augmentant la teneur en impuretés, la surface spécifique et le nombre de points de contact, une diminution de la taille des particules et une hétérogénéité de tailles accrue intensifient le mottage. L’analyse des poudres commerciales a confirmé ces résultatUn autre résultat marquant de ce travail est le développement d’un test de mottage accéléré, qui permet de classer des poudres de lactose en fonction de leur tendance au mottage en moins d’une journée, après un stockage à 50°C et 60% d’HR. Un test similaire implémenté sur chaque site de production permettrait l’identification rapide des lots à risque avant expédition. Grâce à la meilleure compréhension des mécanismes de mottage fourni par ce travail, les industriels peuvent cibler les étapes critiques du procédé à optimiser pour prévenir le mottage du lactose. / Driven by the growth in the infant formula market, lactose production is increasing worldwide, and the requirements for the product quality are becoming stricter. Caking, or the unwanted agglomeration of lactose powder particles, is synonym of poor quality for the customers and should therefore be prevented to avoid large economic loss. Focusing on the process–product relationship, this PhD project aimed at finding the critical parameters and understanding the caking mechanisms in lactose powder in order to establish means to limit caking. In samples from pilot production, impurities (i.e. non-lactose components) were shown to increase moisture sorption and caking. The particle size distribution of the powder also exhibited a large effect on caking. Indeed, smaller particles and a broader distribution were characterized by enhanced moisture sorption and stronger caking, which were explained by a larger impurity content and surface area and more contact points.Analyses on the commercial powder confirmed these results and revealed the instability of the water activity during storage of the powder after drying, which was linked to caking in the bags. This PhD project also addressed an essential need in the dairy industry, i.e. the development of an accelerated caking test. Samples from different production sites were discriminated in terms of caking in less than a day, using appropriate test conditions (50°C and 60% RH). A similar test implemented at all sites would highlight batches with a high caking tendency before shipment to the customers. The better understanding of th

Cette thèse porte sur le problème fondamental du mottage des poudres suite aux mécanismes de transition de phase. Le projet vise à étudier l'impact des facteurs intrinsèques (structure moléculaire des matériaux, propriétés physiques et/ou physicochimiques, etc.) ou des facteurs environnementaux (conditions de stockage ou paramètres de procédé) sur la stabilité de la structure des poudres. Plus précisément, notre étude a mis en évidence le rôle prépondérant du phénomène de cristallisation et des transitions entre les différents polymorphes du lactose. L'accent a été mis sur le rôle des phénomènes de cristallisation et de la transition de phase dans l'apparition du mottage des poudres de lactose. Deux cas ont particulièrement retenu notre attention: (1) des poudres de lactose monohydrate contenant une fraction de particules amorphes et (2) des échantillons de poudre anhydre composés des anomères α et β du lactose. Dans les deux cas, le mottage a été induite par l'exposition des échantillons à l'air humide, soit dans un dispositif de sorption dynamique de vapeur (SPS), soit par des tests accélérés utilisant deux appareils conçus et réalisés dans notre laboratoire (CLAIR & OLAF). Nos résultats ont montré que, dans les deux cas, la principale cause de prise en masse était la formation de lactose monohydrate, qui est la forme la plus stable parmi tous les polymorphes de lactose. Cependant, les mécanismes élémentaires, les étapes limites et la cinétique du processus de transformation étaient différents dans chaque cas. Les paramètres les plus déterminants étaient l’humidité relative et la température alors que la pression n’a pas eu d’effet significatif. La résistance mécanique des échantillons mottés était étroitement liée au taux et à la cinétique de cristallisation. Enfin, des simulations numériques basées sur la méthode des éléments discrets (DEM) de la résistance mécanique des échantillons mottés ont été réalisées. Le modèle permet de décrire le comportement des échantillons mottés soumis à des contraintes mécaniques de compression ou de traction. / This PhD study focuses on the fundamental problem of powder caking due to phase transition mechanisms. The project aims to study the impact of intrinsic factors (molecular structure of materials, physical and/or physicochemical properties, etc.) or environmental factors (storage conditions or process parameters) on the stability of the structure of powders. More precisely, our study has highlighted the preponderant role of the crystallization phenomenon and the transitions taking place between the different polymorphs of lactose. Emphasis was placed on the role of crystallization phenomena and phase transition on the advent of lactose powder caking. Two cases attracted particular attention: (1) lactose monohydrate powders containing a fraction of amorphous particles and (2) anhydrous powder samples composed of ð and anomers of lactose. In both cases, the caking was induced by exposure of the samples to moist air, either in a Dynamic Vapor Sorption device (SPS) or in accelerated caking tests using two home-made equipment (CLAIR & OLAF). Our results showed that in both cases, the main cause of caking was the formation of lactose monohydrate, which is the most stable form among all lactose polymorphs. However, the elementary mechanisms, the limiting steps and the kinetics of the transformation process were different in each case. The more influencing parameters were the relative humidity and the temperature whereas the pressure has no significant effect. The yield stress of caked samples was closely linked with crystallization extent and kinetics. Finally, numerical simulations based on Discrete Element Method (DEM) of mechanical resistance of caked samples were performed using the "beam model". The model allows describing the behavior of the caked samples subjected to compressive or tractive mechanical stresses.

Le mottage ou l’agglomération non désirée des cristaux déliquescents est un phénomène récurrent dans l’industrie, notamment au cours du transport et du stockage. Les variations des conditions environnantes sont fréquemment responsables de la dégradation de ce type de poudres. En particulier, les fluctuations de l’humidité ambiante conduisent à la formation d’une solution saturée par déliquescence du solide puis à la formation de ponts solides par évaporation de l’eau. Dans cette étude, on se concentre sur le chlorure de sodium. L’équilibre avec la vapeur d’eau et les cinétiques de prise et perte en eau sont analysés et reliés au comportement mécanique macroscopique des cristaux. Le contact avec des cristaux de différente nature tels que le sucrose met en évidence le phénomène de déliquescence mutuelle. Le modèle des solutions régulières appliqué aux systèmes ternaires comportant du NaCl, du sucrose et de l’eau permet de mieux comprendre la chute de déliquescence. La présence des molécules d’eau à la surface des cristaux et la condensation capillaire à faible humidité relative provoque la déliquescence de NaCl et du sucrose simultanément. L’évaporation de l’eau et la recristallisation des cristaux à partir de la solution ainsi formée sont inhibées, en particulier à la composition solide du point eutonique. Le comportement singulier à cette composition qui s’apparente à celui d’un corps pur montre une recristallisation partielle du mélange "eutonique" associée à la formation d’une phase amorphe dans les conditions de l’expérimentation. Afin d’éviter le renforcement au mottage, l’étude de différents agents anti-mottants révèle l’efficacité du stéarate de magnésium. / Caking or undesired agglomeration of deliquescent crystals is a recurrent phenomenon in industry, especially during transportation and storage. The variation of environmental conditions is often pointed out as a cause of the degradation of this kind of powders. More precisely, the fluctuations of ambient humidity lead to the formation of a saturated solution by deliquescence followed by the formation of solid bridges when water evaporates. Sodium chloride is chosen as a model substance in this study. The equilibrium with water vapor and the kinetics of water uptake and loss are analyzed and related to the mechanical macroscopic behavior of crystals. The contact with crystals of different nature such as sucrose highlights the phenomenon of mutual deliquescence. The model of regular solutions applied to ternary systems containing NaCl, sucrose and water allows a better understanding of deliquescence lowering. The presence of water molecules and capillary condensation at low relative humidity lead to the deliquescence of NaCl and sucrose simultaneously. Water evaporation and recrystallization of solid from such solution is compromised, especially at the solid composition of the “eutonic point”. The singular behavior at this composition which resembles to the one of a pure substance shows a partial recrystallization of the “eutonic” mixture and the formation of an amorphous phase under the experimental conditions applied. In order to avoid caking reinforcement, the study of differentanti-caking agents reveals the efficiency of magnesium stearate.