Le principal objectif de ce travail de recherche est de contribuer à la définition et optimisation de procédés traditionnels de séchage et congélation des piments, afin de valoriser ces produits tout en gardant leur qualité. Dans le cas du procédé de séchage, l’étude fondamentale des principaux phénomènes de transferts qui se produisent pendant cette opération, ainsi que l’identification des processus limitant, ont montré que malgré la simultanéité temporelle des processus de transfert de matière et de chaleur, leur action couplée sur l'élément moteur de l'opération est de type de causalité en série. C'est ainsi que, lors du séchage par entraînement du produit, le transfert de matière interne correspond au phénomène limitant. De cette manière, afin d’intensifier l’opération de séchage, le procédé « swell drying », couplage du séchage par air chaud à la technologie de Détente Instantanée Contrôlée (DIC), a été étudié. L’application du procédé « swell drying » sur les piments, a permis d’améliorer les cinétiques de séchage à travers l’augmentation de la diffusivité effective de l’eau et l’accessibilité initiale de la surface des produits. De même, grâce à la nouvelle structure expansée, ce procédé a permis d’augmenter la durée de vie des produits secs à travers la réduction de l’activité de l’eau et l’augmentation de la surface spécifique. Par ailleurs, les propriétés fonctionnelles (habilité de réhydratation et capacité de rétention d’eau) et les propriétés nutritionnelles (contenu d’antioxydants et capacité antioxydant) ont été aussi améliorées. Dans le respect du procédé de congélation traditionnel, et pour l’intensifier, une étape de séchage partiel, suivi du traitement DIC avant la congélation a été proposée. Ce couplage a permis d'augmenter l’extraction des antioxydants ainsi que leur capacité antioxydante, en état plus remarquable dans le cas de flavonoïdes. Finalement, avec ces résultats, il peut être conclu que le procédé DIC couplé au séchage par convection et à la congélation peut jouer un rôle important pour la valorisation et transformation des piments. / The present research work had as main objective to contribute to the comprehension, development and improvement of the traditional drying and freezing process applied to peppers. In the case of drying process, the fundamental study of the main transfer phenomena occurred during hot air drying and the identification of the limiting process, showed that even if there exist simultaneity of the four processes of heat and mass transfer, the whole process take place in causality series. Therefore, it has been highlighted the internal mass transfer as the mainly limiting process. In this manner, with the aim to intensify the drying operation, the “Swell drying” process, the hot air drying coupling to the Instant Controlled Pressure Drop (DIC process) was studied.The application of “swell drying” process on peppers, allowed enhancing the drying kinetics by increasing the effective diffusivity of water and the starting accessibility at the surface of the products. Furthermore, thanks to the new expanded structure, this process allowed to increase the shelf life of products by decreasing their water activity and increasing their specific surface area. Moreover, the functional properties (ability of rehydration and water holding capacity) and nutritional properties (antioxidant content and antioxidant capacity), were also improved. Regarding the freezing process, in order to intensify it, a stage of partial dehydration followed by the DIC treatment was inserted previous freezing. This coupling of processes, allowed to increase the antioxidant extraction and the antioxidant capacity of the products, being special important for flavonoids. Finally, with these results it can be concluded that the DIC process, coupling to traditional drying and freezing could play an important role on the valorization and transformation of peppers.

L’altération des matériaux poreux est attribuée en grande partie aux sels présents en solution dans l’espace des pores. Ce phénomène d’altération est classiquement associé à la cristallisation des sels dissous via la notion de pression de cristallisation. Le phénomène de cristallisation est quant à lui souvent très directement lié aux écoulements ou aux variations de saturation dus à l’évaporation auquel est soumis le milieu poreux. Une meilleure compréhension des phénomènes d’altération passe donc par une compréhension du transport des ions lors de l’évaporation et notamment de l’évolution de leur concentration locale. Dans ce contexte, ce travail consiste à étudier expérimentalement et numériquement le transfert des ions en solution dans un milieu poreux hétérogène pour deux situations de référence : la situation de mèche et la situation de séchage. Dans le cas de la situation de mèche, le milieu poreux est alimenté de façon continue en solution saline au cours de l’évaporation. Le milieu poreux reste complètement saturé tout au long de l’évaporation. En revanche, la situation de séchage est caractérisée par la diminution progressive de la saturation en liquide au cours du temps. Le sel considéré est le chlorure de sodium, un sel très présent dans un grand nombre d’applications. L’accent est mis sur l’étude de l’effet d’hétérogénéités macroscopiques, c’est-à-dire des variations spatiales de porosité et/ou de perméabilité, sur la position et la dynamique des maximums de concentration en sel à la surface évaporative du milieu poreux pour les deux situations de référence précitées. Les maximums de concentration correspondent en effet aux lieux les plus probables de la cristallisation. La première partie de ce travail porte sur la situation de mèche. Les expériences et les simulations numériques montrent que les maximums de concentration en sel sont anticorrélés avec les maximums de porosité et/ou de perméabilité aux temps longs. Ainsi le sel se dépose à la surface du milieu le moins perméable et le moins poreux si l’évaporation est uniforme à la surface du milieu poreux. La deuxième partie de cette étude est dédiée à l’étude de la situation de séchage. On trouve l’inverse du cas de la situation de mèche, c’est-à-dire une corrélation directe des maximums de concentration avec les maximums de porosité et de perméabilités. Ceci s’explique par la désaturation préférentielle des zones à plus fortes porosités et à plus fortes perméabilités lors du séchage. Nous avons également étudié des situations où le flux d’évaporation était plus marqué en périphérie de l’échantillon, ce qui conduit notamment à l’apparition des efflorescences en forme d’anneau de fée. Notre étude a également mis en évidence un effet notable de sursaturation ainsi que la nécessité de prendre en compte dans l’analyse l’augmentation de la porosité près d’une paroi dans le cas des milieux poreux formés par des empilements de particules. / Alteration of porous media is often due to the salts solution present in the pore space. This phenomenon is typically associated with the crystallization process of dissolved salts in relation with the concept of crystallization pressure. The salt crystallization phenomenon is in turn very often directly related to the flows or the saturation variation resulting from evaporation. A better understanding of alteration process thus needs a better understanding of the ions transport during evaporation and of the local evolution of ions concentration. In this context, this work presents an experimental and numerical study of sodium chloride transport in heterogeneous porous media. Two basic situations are considered: namely drying and wicking-evaporation. In the evaporation-wicking situation the sample is in contact at its bottom with an aqueous solution and the medium remains fully saturated by the solution during evaporation. In drying the limiting surfaces of the porous sample are in contact with impervious walls or exposed to evaporation. Since there is no supply of liquid to compensate the evaporation in this case, the overall liquid saturation decreases during the drying process. The focus is on the impact of porosity and permeability heterogeneities on the ion concentration maxima at the evaporative surface of a porous medium for the two reference situations. The ion concentration maxima correspond to the incipient spots of crystallization. The first part is devoted to the evaporation-wicking situation. Experiments and numerical simulations show that the salt concentration maxima are anticorrelated with the maxima in porosity and / or permeability in the long time regime. As a result the salt crystallizes at the surface of the less permeable and less porous medium if the evaporation is uniform at the surface of porous medium. The second part is devoted to the study of the drying situation. The drying situation is markedly different from the evaporation-wicking situation. The ion concentration maxima correspond to regions of greatest porosity and / or permeability because of the preferential decrease in saturation in the region of largest porosity / permeability. This is exactly the contrary of the evaporation-wicking situation. We also studied situations where higher evaporation fluxes along the periphery of the evaporative surface lead to the formation of an efflorescence fairy ring. The study also reveals a quite significant supersaturation effect and the impact of porosity variations near the wall on the ion concentration distribution and the first time of crystallization when the porous medium is formed by a packing of particles.

Les enjeux liés aux problématiques de développement durable encouragent de plus en plus d'industriels, dans le secteur du bâtiment, à se lancer dans une politique de réduction de la consommation énergétique de leurs procédés industriels. C'est dans ce cadre qu'est menée cette étude, où nous nous intéressons au cas particulier de la fabrication des plaques de plâtre, qui de par les qualités qu'elles présentent liées à leur caractère pratique et rapide à poser (temps pour le neuf que la rénovation), sont parmi les matériaux de construction les plus utilisés à l'heure actuelle. En effet pour leur fabrication, on récupère d'abord du gypse depuis la carrière que l'on calcine pour avoir de l'hémihydrate, que l'on mélange ensuite avec de l'eau pour en faire du gypse, que nous rencontrons dans les plaques de plâtre. Cependant, pour avoir une meilleure ouvrabilité lors de la préparation, on est obligé d'ajouter une quantité d'eau excédentaire par rapport à celle que nécessite la stoechiométrie de la réaction d'hydratation – quantité qu'il faudrait évacuer par la suite par séchage. Ainsi, la fabrication des plâtre s'avère être très énergivore ; c'est tout l'intérêt de la thèse où il s'agira de mieux comprendre la physique qui régit le séchage du plâtre de façon à réduire cette surconsommation énergétique. Pour mener cette étude, nous nous sommes d'abord intéressés au cas du séchage de milieux poreux assez simples (empilement de billes de verre, tubes capillaires), nous servir ensuite de la compréhension des mécanismes physiques qui régissent le séchage de ces dits-milieux, d'une part, et des observations locales (RMN, IRM, microtomographie), d'autre part, pour expliquer les différents mécanismes physiques qui entrent en jeu lors du séchage du plâtre. Cette démarche nous a donné la possibilité d'avoir une bonne maîtrise de la physique du séchage du plâtre, c'est-à-dire l'identification des différents leviers et paramètres qui régissent sa cinétique. Ceci nous a permis de mettre en place un modèle physique pour la prédiction de cette cinétique - modèle qui peut être utilisé pour une démarche d'optimisation énergétique de la fabrication des plaques de plâtre / Issues related to sustainability encourage more building material industries to engage policies in making processes energy consumption reduction. This study is conducted in this purpose, and is focused on the case of plasterboard. Indeed for plasterboard manufacturing, gypsum from quarry are first calcined to get hemihydrate, which is then mixed with water to make again gypsum we find in plasterboard. However, to get a good workability during the preparation process, it is necessary to add an excess amount of water relative to that required by the stoichiometry of the hydration reaction. This excess water should be evacuated thereafter drying. Thus, the manufacture of gypsum proved to be very energy intensive : that is the cornerstone of this thesis, during which we will try to understand the physics that govern the drying of plaster in order to reduce its energy consumption. To conduct this study, we are primarily interested in understanding of simple porous media drying (stack of glass beads, capillary tubes). Then based on our understanding of the physical mechanisms that govern their drying, on one hand, and on local observations (NMR, MRI, microtomography), on the other hand, we give an explanation to the different physical mechanisms of plaster drying. This allows us to establish a physical model to predict the drying kinetics of plaster - model that can be used for energy optimization approach during the manufacturing process of plasterboard. Its can also be used for the drying kinetics prediction of other building materials

L'auto-assemblage est une technique de structuration qui permet de contrôler la forme et la construction de systèmes organisés à différentes échelles de longueur. Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés à l'auto-organisation de films de savon formés dans des milieux confinés et structurés. Les supports de séchage sont constitués d'un réseau de plots cylindriques en PDMS dont les positions peuvent varier et ainsi permettre le contrôle de la structure finale. Nous avons étendu une étude préexistante en réseaux carrés à des réseaux rectangulaires pour créer une anisotropie de manière à orienter les films dans des directions préférentielles. Nous avons pu montrer que les films de savon s'alignaient toujours dans la direction pour laquelle la distance entre les plots était la plus courte, et ce pour seulement 5 à 10% de différence de distance entre les axes. En outre, l'augmentation de l'épaisseur des plots permet de rendre plus brusque la transition (2%) entre désordre et alignement des films. Ces résultats ont été complétés par des simulations numériques permettant de modéliser l'ensemble des séchages. Nous avons enfin pu effectuer des expériences de séchage complémentaires dans des réseaux en losanges et dans des réseaux quasicristallins. La forme des plots a également été modifiée de façon à créer un contraste visuel du dépôt de séchage. / Self-assembly is a structuration technique which allows to control the shape and to build organized systems at different length scales. In this Thesis, we have studied the self-assembly of soap films formed in confined and structured media. Surfaces are composed of a grid of cylindrical pillars in PDMS which positions can vary allowing to control the final structure. We have expanded a previous study performed with square grids, using rectangular grids to create an anisotropy in order to guide the orientation of films. We showed that films always aligned in the shortest direction, even with only 5 to 10% difference between axes. Furthermore, the increase of pillar thickness allows to sharpen this transition (2%) between disorder and films alignment. These results have been completed by numerical simulations allowing to model all the grids. Finally, we made additional drying experiments in diamond and quasicrystalline grids. The shape of the pillars has also been changed in order to create a visual contrast of the drying deposit.

La production de produits à valeur ajoutée, tels les bois d'ingénierie, est en croissance. Les spécifications quant à la teneur en humidité finale de ces produits sont beaucoup plus contraignantes que pour le bois d’œuvre. Le bois doit être séché à une teneur en humidité finale plus basse ainsi qu’avec une tolérance plus faible. Le moyen traditionnel de sécher ces produits consiste à utiliser la technique d'équilibrage en fin de cycle de séchage. Cette technique, bien que très performante, a pour effet d'allonger de façon significative le temps de séchage total et peut être complexe à réaliser industriellement. L’objectif des travaux consistait à étudier la viabilité technique d’une approche combinée de procédés (conventionnel et par haute fréquence en continu) pour sécher des sciages d’épinette noire destinés à la fabrication de bois d’ingénierie. Les approches de séchage conventionnel, avec et sans équilibrage, ont servi de témoins. Le temps de séchage, la distribution de la teneur en humidité finale, la proportion de pièces dans une tolérance de teneur en humidité donnée (entre 11 et 15%) ainsi que le gauchissement ont permis de caractériser le séchage. Deux études ont été réalisées à partir de deux approvisionnements en bois de teneurs en humidité initiales différentes. L’approche de procédés combinés a permis une réduction considérable du temps de séchage et une répétabilité des résultats propres à la teneur en humidité finale sans avoir provoqué davantage de gauchissement que les approches témoins. / The production of value-added products such as engineered wood products is growing. The specifications on the final moisture content of these products are much more stringent than for lumber. The wood must be dried at lower final moisture content and also with a lower moisture tolerance. The traditional means to dry these products is to use the technique of equalizing at the end of the drying cycle. This technique, although very powerful, has the effect of extending significantly the total drying time and can be complex to implement industrially. The aim of the work was to explore the technical feasibility of a combined approach method (conventional and continuous high frequency) for drying black spruce lumber for the manufacture of engineered wood. Conventional drying approaches with and without equalizing, served as control. Drying time, distribution of final moisture content, proportion of pieces in a given moisture content tolerance (between 11 and 15%) and warpage were characterized. Two studies were carried out from two wood supplies at different initial moisture contents. The combined approach has allowed a considerable reduction in drying time and repeatability of results specific to the final moisture content without more warping than control approaches.

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

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

Doctorat en sciences appliquées / info:eu-repo/semantics/nonPublished

L'étude des phénomènes fondamentaux de<p>transport et de thermodynamique apparaissant lors de l'évaporation<p>en milieu poreux permet l'investigation d'applications pratiques<p>variées. Dans ce travail, nous développons des modèles fondamentaux<p>d'évaporation en milieu poreux que nous appliquons ensuite au<p>séchage en lit fluidisé de deux matériaux granulaires poreux :le<p>PVC et la levure.<p><p>Les modèles mis au point sont réalisés suivant une approche<p>multiéchelle. Nous nous intéressons tout d'abord aux phénomènes se<p>déroulant à l'échelle d'un pore. Les modèles développés à cette<p>échelle sont ensuite exploités dans le cadre d'une étude à l'échelle<p>d'un grain poreux. Le couplage des modèles de grain avec un modèle à<p>l'échelle du réacteur permet alors l'étude des applications<p>industrielles.<p><p>A l'échelle du pore, nous étudions les phénomènes de transport dans<p>un capillaire initialement rempli de liquide qui s'évapore vers<p>l'atmosphère ambiante. L'objectif est de prédire le taux<p>d'évaporation dans cette configuration. Nous nous intéressons<p>successivement à la modélisation du transport de matière par<p>convection-diffusion en phase gazeuse et la modélisation de l'impact<p>de films liquides adsorbés à la paroi du capillaire sur le transport<p>de matière. Ces deux modèles sont confrontés à des expériences<p>d'évaporation en capillaires cylindriques visualisées à l'aide de<p>deux dispositifs optiques. Le premier offre un suivi d'ensemble au<p>cours du temps du capillaire, alors que le second, un interféromètre<p>de Mach-Zehnder, permet une visualisation locale de la région<p>entourant le ménisque.<p><p>Le modèle portant sur le transport de matière par<p>convection-diffusion mène à la définition d'un critère non<p>dimensionnel permettant d'évaluer si la convection dans la phase<p>gazeuse dans le capillaire doit être prise en compte pour évaluer le<p>taux d'évaporation. Le modèle de film permet de prédire l'impact de<p>celui-ci sur l'évaporation en présence d'un gaz inerte lorsque les<p>mouvements convectifs en phase gazeuse sont négligeables. La<p>confrontation de ce modèle avec les profils d'épaisseur des films<p>obtenus à l'aide de interféromètre de Mach-Zehnder ne permet pas de<p>valider le modèle, et ce, suite à une trop grande incertitude sur<p>l'évaluation des interactions entre la paroi et le liquide.<p><p>A l'échelle d'un grain, nous développons un modèle discret par<p>réseau de pores et deux modèles continus pour tenter de prédire le<p>taux d'évaporation et la distribution des phases dans le milieu<p>poreux. Le modèle par réseau de pores prend en compte les transports<p>de matière par diffusion en phase gazeuse, par convection dans les<p>pores remplis de liquide et par convection dans les films liquides.<p>Les effets visqueux en phase liquide sont également modelisés. Pour<p>la prise en compte de ces derniers, nous montrons l'importance de<p>l'usage d'un algorithme approprié. Nous évaluons ensuite au travers<p>de trois nombres sans dimensions l'impact du transport par film et<p>des effets visqueux sur l'évaporation et la distribution des phases.<p>Cette analyse dimensionnelle est ensuite appliquée à l'étude de<p>réseaux de pores pour lesquels la section des liaisons les<p>constituant est idéalisée par des polygones réguliers. Pour les<p>modèles continus après une vérification simplifiée de<p>l'applicabilité de cette démarche, nous développons deux modèles<p>simples. Dans les deux modèles, l'étape de séchage à vitesse<p>constante est supposée limitée par le transport de matière externe<p>au grain. Le premier modèle, dit à front pénétrant, suppose que<p>l'étape de séchage à vitesse décroissante correspond à l'existence<p>d'un front d'évaporation qui s'enfonce dans la matrice poreuse. Le<p>second modèle, dit à surface d'échange variable, attribue cette même<p>étape du séchage à une diminution progressive de la surface<p>d'évaporation en surface du grain.<p><p>A l'échelle du réacteur, nous présentons deux modèles visant à<p>simuler deux types d'essais différents :le séchage en lit fluidisé<p>et la thermogravimétrie analytique. Ces deux modèles sont couplés<p>aux différents modèles à l'échelle de grain pour étudier le séchage<p>de PVC et de levure tant en lit fluidisé que lors des essais de<p>thermogravimétrie analytique.<p><p>Dans le cas du PVC, le modèle par réseau de pores ne peut pas être<p>appliqué de par la nécessité d'une trop grande puissance de calcul.<p>Au niveau des modèles continus, nous montrons que l'application du<p>modèle à surface d'échange variable permet de reproduire les courbes<p>de séchage expérimentales des essais en lit fluidisé.<p><p>Dans le cas de la levure, nous appliquons le modèle par réseau de<p>pores et le modèle à front pénétrant. L'utilisation du modèle par<p>réseau de pores nécessite une connaissance plus détaillée de la<p>structure poreuse des grains. Le traitement d'une analyse par<p>microtomographie nous permet d'obtenir un réseau de pores<p>expérimental. Celui-ci est utilisé pour montrer que la méthode de<p>caractérisation de la porosité par intrusion de mercure ne semble<p>pas adaptée à un matériau deformable comme la levure. Le même réseau<p>est utilisé pour simuler le séchage de grains de levure à l'aide du<p>modèle par réseau de pores. Les simulations sont réalisées sur des<p>réseaux équivalents à des coupes dans le solide. Le modèle par<p>réseau de pores et le modèle à front pénétrant permettent tous deux<p>de modéliser correctement le séchage de levure en lit fluidisé<p>moyennant l'ajustement de leurs paramètres ajustables,<p>respectivement la conductibilité des films liquide et la tortuosité.<p>Pour l'essai de thermogravimétrie, ils ne parviennent à approcher<p>que la première étape de celui-ci. Les avantages, défauts et<p>complémentarités de ces deux modèles sont discutés.<p><p>Nous évaluons ensuite l'impact du rétrécissement de la levure et des<p>types d'eau sur le séchage de ce matériau. Le rétrécissement est,<p>pour ce faire, mesuré à l'aide d'un stéréomicroscope. Ces premières<p>mesures, exploratoires, mènent à la définition d'un modèle empirique<p>de retrait du solide au cours de son séchage. En le prenant en<p>compte dans les modèles déjà appliqués à la levure, nous montrons<p>que le retrait a un impact significatif sur l'étape de séchage à<p>vitesse décroissante. Cet impact<p> peut cependant être masqué intégralement par la réévaluation<p>des paramètres ajustables des différents modèles. Finalement,<p>l'étude des types d'eau au travers d'un modèle simple appliqué à<p>l'essai de thermogravimétrie analytique montre que les types d'eau<p>ne doivent pas être pris en compte pour modéliser le séchage de<p>levure.<p><p>A l'issue de ce travail, nous disposons donc de modèles fondamentaux<p>d'évaporation en milieu poreux. Ceux-ci peuvent être appliqués à des<p>cas d'intérêt industriel, comme nous le réalisons pour le PVC et la<p>levure. Ils peuvent servir à améliorer la<p>compréhension de ces procédés. Ils représentent donc des<p>outils de choix pour la conception, le dimensionnement et<p>l'optimisation du séchage. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Les sécheurs connaissent des difficultés pour sécher les avivés d'épicéa de fortes épaisseurs avec les séchoirs industriels classiques. Notre étude a pour ambition d'améliorer les connaissances sur le séchage des avivés de résineux de fortes épaisseurs par une approche déterministe. Le code numérique TransPore, développé par Patrick Perré, de part sa capacité à simuler les transferts couplés de chaleur et de masse dans une planche de bois, est placé au cœur de notre approche. Notre démarche scientifique a nécessité la mise en place de deux outils : - un dispositif expérimental a été mis en place pour obtenir des informations descriptives sur les transferts de masse s'effectuant dans la planche au cours de son séchage, et sur les contraintes mécaniques engendrées par le séchage. Ce dispositif mesure en continu l'épaisseur des avivés, les fentes de surface, et le champ de teneur en eau dans la planche par atténuation de rayons X ; - une unité de calcul des contraintes de séchage a été développée et greffée à TransPore (version 1D) pour aborder l'aspect qualitatif du séchage. La formulation mécanique adoptée est monodimensionnelle, et elle prend en compte la courbure éventuelle de la planche pour, par exemple, simuler un séchage dissymétrique. Les résultats expérimentaux ont ensuite été confrontés aux résultats théoriques pour confirmer et valider les résultats prédits par la simulation numérique. La comparaison s'est avérée souvent très probante, tant au niveau des transferts couplés de chaleur et de masse qu'au niveau de l'évaluation des contraintes de séchage. Ce travail se termine par l'utilisation du code TransPore comme outil d'aide à la compréhension des mécanismes couplés qui rendent le séchage des fortes épaisseurs particulièrement difficile. Cet outil a montré également sa capacité à guider ses utilisateurs dans le développement de nouvelles conduites de séchage. Cette dernière application ouvre une voie prometteuse vers l'optimisation des tables de séchage.