Les voies sèches de valorisation du bois énergie sont de plus en plus exigeantes vis-à-vis de la qualité de la matière première et notamment quant à sa teneur en eau. Ainsi, une étape intermédiaire de préconditionnement, sur site industriel, tend à se développer. La mise en œuvre de séchoirs en continu est alors séduisante de par son faible coût et sa parfaite intégration dans la ligne de production. Cependant, elle n'est pas sans écueil : la variabilité de la biomasse et l'hétérogénéité des conditions climatiques au sein du séchoir rendent fastidieux le dimensionnement du séchoir et de la source de chaleur associée d'une part et la maximisation du flux matière d'autre part.Notre étude a pour ambition de développer un outil informatique d'aide à la conception et à l'optimisation de séchoirs en continu traversés par un lit condensé de particules de bois. Pour y parvenir, nous associons une approche expérimentale et une approche numérique du procédé. La démarche scientifique s'articule autour de deux échelles représentatives :- A l'échelle de la particule de bois, le modèle de Van Meel, reposant sur le concept de courbe caractéristique de séchage, est étendu : le couplage entre transferts de chaleur et de masse est rendu explicite. Nous disposons dès lors d'un modèle réactif et prédictif en conditions climatiques variables. Parallèlement, un premier dispositif expérimental original est conçu et construit pour l'étude du séchage de particules de bois isolées. Les données recueillies sont alors analysées en vue d'alimenter en paramètres et de valider le modèle semi-analytique ;- A l'échelle du séchoir, une modélisation double-échelle est adoptée pour tenir compte de l'évolution des conditions climatiques. Un soin particulier est apporté à la modélisation, se voulant être la plus proche possible des installations existantes : à ce titre, les transferts au niveau de la paroi du séchoir sont pris en compte, ainsi que la variabilité des particules de bois. Parallèlement, un second dispositif expérimental original est conçu et construit pour l'étude du séchage de particules disposées en lit. Les données recueillies sont alors confrontées aux simulations du modèle double-échelle.La validation du modèle s'étant révélée probante tant à l'échelle de la particule qu'à celle du séchoir, une utilisation du code pour l'aide à la conception et à l'optimisation d'installations industrielles a pu être envisagée. Ainsi, ce travail s'achève-t-il par deux études de cas à travers lesquelles nous explorons le potentiel du modèle pour maximiser le flux matière tout en garantissant la qualité du produit et l'efficacité énergétique du séchoir.

La maîtrise du procédé séchage, étape essentielle dans la transformation du bois, est devenue incontournable pour la filière bois. Cette thèse propose l'utilisation de conduites de séchage oscillantes pour réduire les contraintes de séchage liées au retrait par l'activation du fluage mécanosorptif. A ce jour, la meilleure façon d'appliquer les conduites oscillantes représente un défi pour la communauté scientifique. Dans ce travail, nous avons choisi comme matériel d'étude une essence feuillue fortement utilisée dans la filière et très susceptible aux déformations lors du séchage : le hêtre (Fagus sylvatica). L'effet des conduites oscillantes sur les contraintes de séchage est étudié par une approche expérimentale et par une approche théorique, articulées en trois parties : - Un premier volet expérimental sur un séchoir semi - industriel pour saisir l'effet global des conduites oscillantes à l'échelle d'une pile de planches. L'amélioration de la qualité du bois séché s'est avérée par : une meilleure homogénéité de la teneur en eau finale inter et intra-planche, la diminution des déformations globales et la diminution des contraintes résiduelles exprimées par le gap du " slicing test ". - Ensuite, nous avons développé un volet théorique sur la base de modélisations analytique et numérique pour étudier l'évolution des champs de teneur en eau et de contraintes mécaniques au sein d'une planche lorsque les conditions climatiques oscillent. Une formulation analytique simple, adaptée aux conduites oscillantes, est proposée pour les utilisateurs de séchoirs n'ayant pas accès à un outil numérique sophistiqué. L'approche numérique effectuée avec l'outil de simulation TransPore permet une étude plus réaliste du séchage oscillant. Ainsi, le module mécanique de TransPore a été utilisé pour dégager des configurations pertinentes de séchage permettant d'étudier l'effet des conduites oscillantes sur la relaxation des contraintes. - Enfin, un second volet expérimental a été réalisé sur un séchoir de laboratoire, à l'échelle d'une planche, pour tester les informations issues du volet théorique. Un dispositif de séchage dissymétrique (flying wood) et deux dispositifs de séchage sous charge (poutre cantilever et flexion trois points) ont été utilisés pour étudier l'effet des oscillations. Toutefois, ces essais ne permettent pas de montrer clairement l'effet des oscillations sur la relaxation des contraintes. La confrontation entre les résultats expérimentaux à l'échelle d'une planche et la simulation numérique a mis en évidence l'effet conséquent des oscillations parasites de faibles période et amplitude sur les résultats expérimentaux, provoquées par la régulation du séchoir. Des modifications du modèle de comportement mécanique différé ont été proposées en perspectives de ce travail afin de mieux saisir le comportement observé expérimentalement.

Le séchage du bois d’œuvre étant une opération très énergivore, l’utilisation des énergies intermittentes est l’une des solutions envisageables afin de réduire la consommation énergétique au cours de cette opération. Néanmoins, ne pouvant utiliser les conduites de séchage actuellement préconisées à cause de la fluctuation de l’apport énergétique, l’utilisation de ce type d’énergies soulève plusieurs questions notamment sur l’impact de la fluctuation de la température sur la qualité du séchage et les conduites de séchage à adopter afin de réaliser un compromis entre durée, qualité et coût. Ce travail de thèse vise à apporter des réponses à ces questions par une approche équilibrée entre expérimentation et modélisation. L’étude expérimentale a montré que l’intermittence des conditions de séchage ne ralentit pas la cinétique de séchage par rapport à un séchage où la teneur en eau d’équilibre et la température moyenne sont identiques et maintenues constantes. De plus, une meilleure qualité semble pouvoir être obtenue par l’intermittence des conditions de séchage. Ces résultats ont été confrontés aux simulations d’un modèle numérique double échelle utilisant le code TransPore à l’échelle de la planche. Son potentiel prédictif a été vérifié et il a ensuite été utilisé pour mieux comprendre l’effet des conditions intermittentes sur la qualité et la durée du séchage à l'échelle d'une planche seule et à l'échelle d'une pile de planches. Il a permis de montrer que l’oscillation des conditions de séchage active la mécanosorption et relaxe une partie des contraintes de séchage. Les gains apportés sont limités à l’échelle d’une planche seule, mais ils peuvent être plus importants à l’échelle d’une pile de planches. Le séchage intermittent s’avère plus intéressant pour un séchage lent tel qu’un séchage à basse température, des essences plus difficiles à sécher ou encore pour des planches de fortes épaisseurs. Le code a été ensuite utilisé pour comparer différentes stratégies de séchage à basse température. Un compromis a pu être obtenu entre durée et qualité en réalisant un pré-séchage avec une énergie intermittente à basse température suivi d’un séchage convectif à plus haute température cependant la durée reste longue pour les autres configurations imposant une étude de faisabilité économique. Un module économique a été développé en Fortran et greffé dans le code numérique multi-échelle Planche-Pile-Séchoir afin d’intégrer le critère coût dans l’étude des différentes stratégies / Timber drying is an energy intensive process, the use of intermittent energy sources is one of the possible solutions to reduce energy consumption during this operation. However, the use of the conventional drying schedules is not suitable because of the fluctuation of energy intake, the use of this type of energy raises several issues as the impact of the fluctuation of temperature on drying quality, or the drying strategies to use in order to achieve a compromise between time, quality and cost. This thesis aims to provide answers to these questions through a balanced approach between experimentation and modeling. The experimental study has shown that intermittent drying conditions do not slow the drying rate compared to drying wherein the equilibrium moisture content and the average dry bulb temperature are identical and maintained constant during drying. Moreover, better quality seems to be obtained by the intermittent drying conditions. These results were compared to simulations of a dual scale numerical model using the code TransPore at the board scale. Its predictive potential was checked and it was later used to better understand the effect of intermittent conditions on the drying quality and time at the board and stack scales. It showed that the oscillation of drying conditions activates the mechanosorption and relaxes some of drying stresses. The benefits on the drying quality are limited when a single board is dried, but benefits may be more important when a boards stack is dried. The intermittent drying seems to be more interesting in the case of slow drying such as drying at low temperature, more difficult species to dry or for thick timbers. The code was then used to compare different drying strategies at low temperature level with oscillate conditions. A compromise was reached between duration and quality by achieving a pre-drying using a low temperature intermittent drying followed by convective drying at higher temperatures, however, the drying time is still long for other configurations imposing an economic feasibility study. An economic module was developed in Fortran and grafted in the multiscale computational model Board-Stack-Kiln to integrate the cost criterion in the study of the different strategies

Le fruit de gac (Momordica cochinchinensis Spreng.) est un fruit traditionnel au Vietnam, lequel est extrêmement bénéfique pour la santé. L’arille de gac est une excellente source de caroténoïdes naturels, particulièrement le lycopène et le β-carotène. Ces composés antioxydants sont capables de neutraliser les radicaux libres et offrent des applications multiples, allant des effets généraux sur la santé à la prévention de certaines maladies chroniques. Ce travail a contribué au développement d’un procédé visant à la valorisation d’extraits du fruit de gac au Vietnam. Ce travail contient quatre parties principales: effet du semi-séchage sur les propriétés d’antioxydantes du fruit de gac; extraction de l’huile du fruit de gac assistée par enzymes; concentration des caroténoïdes de l’huile de gac par la filtration tangentielle; purification et cristallisation des caroténoïdes.<p>Dans la première partie, une étude du semi-séchage de l´arille de gac à différentes températures (40°C, 50°C, 60°C, 70°C et 80°C) et à trois modes de séchage (séchage à l’air, séchage sous vide et lyophilisation) a été effectuée pour déterminer l’effet de la mode, de la température et de l’humidité finale de séchage sur la couleur, la teneur en caroténoïdes totaux (TCC) et l’activité d’antioxydante totale (TAA) de l’arille de gac. Les résultats montrent que la lyophilisation permet une meilleure conservation permettant une valorisation ultérieure de la couleur, la TCC et la TAA de l’arille de gac. Le séchage sous vide donne les meilleurs résultats que le séchage à l’air. Une température entre 50°C et 60°C est optimale pour conserver la couleur, la TCC et la TAA de l’arille. Ces propriétés sont mieux conservées à l’issue d’un séchage permettant une humidité finale du produit de 15 à 18% (base sèche (db)) (semi-séchage) par rapport à 6% db. Le produit semi-séché peut être conservé pendant quelques mois. <p>Dans la deuxième partie, une étude d’optimisation d’extraction de l’huile de l’arille de gac assisté par des enzymes a été menée en utilisant la méthodologie de la surface de réponse. Un plan expérimental du type «design composite central» avec quatre variables indépendantes - la concentration en enzymes, le temps, la température et la vitesse d'agitation - a été réalisé. Les résultats montrent que ces quatre variables ont un effet significatif sur le rendement d’extraction de l’huile. Il n'y a pas d'interaction significative entre ces variables. Dans les conditions optimales obtenues (14,6% d’enzyme, 127 minutes, 58°C et 162 rpm), le rendement maximal de l’huile et la TCC obtenus sont de 79,5% et 5,3 mg/g de matière sèche, respectivement. Il existe une forte corrélation entre le rendement de l’huile obtenue et la TCC. Les propriétés physico-chimiques de l'huile extraite ont été déterminées. Enfin, les résultats du test Schaal montrent que le temps de conservation de l'huile extraite est comparable à d’autres huiles alimentaires, présentant le même type de profil en acides gras.<p>Dans la troisième partie, les caroténoïdes de l'huile ont étés concentrés à l'aide d'une filtration tangentielle, en utilisant une membrane céramique, selon deux modes de fonctionnement (recyclage total et batch). Dans les expériences en mode recyclage total, l'effet de la taille des pores de la membrane, la température et la pression transmembranaire sur le flux de perméat et le coefficient de rétention a été exploité. Les résultats montrent que ces facteurs ont un effet sur flux de perméat et le coefficient de rétention de la TCC, des phospholipides et des acides gras libres. La résistance intrinsèque de la membrane, la résistance de polarisation et la résistance liée au colmatage ont été estimées. Les conditions optimales déterminées sont 5 nm, 2 bars et 40°C, pour la taille des pores, la pression transmembranaire et la température, respectivement. En mode batch, le rétentat a été caractérisé en mesurant l'acidité, les phospholipides, la TCC, la TAA, des solides solubles totaux, la teneur en matières solides, la couleur et la viscosité de la solution. La TCC dans le rétentat est de 65,28 mg/ml (8,65 fois supérieure à celle dans l'huile d'alimentation). Les analyses de la TAA montrent que la contribution antioxydante principale de l'huile gac est lipophile. Après la filtration, la TAA lipophile du rétentat est 6,8 fois supérieur à celle de l’huile d’alimentation. L’analyse de la résistance indique que la résistance intrinsèque de la membrane représente 24% de la résistance totale. La majeure partie de la résistance est la résistance de polarisation (55%) tandis que la résistance de colmatage contribue pour 30%. <p>Dans la quatrième partie, les caroténoïdes provenant de l’huile du fruit de gac ont étés purifiés et cristallisés par une saponification combinée à l'utilisation de propylène glycol (un solvant moins toxique que les solvants organiques généralement utilisés). Ce processus est compatible à une consommation humaine, aux applications cosmétiques et plus respectueux de l'environnement que les procédés existants. Les résultats indiquent que l'utilisation de Tween 80 (0,05 ml/g d’huile) comme émulsifiant peut aider à augmenter la récupération des cristaux de caroténoïdes. La combinaison de 0,4 ml/g d'hydroxyde de potassium et 0,8 ml/g de propylène glycol donne un meilleur rendement de caroténoïdes. Une étude d’optimisation du processus de purification a été réalisée en utilisant la méthodologie de surface de réponse. Un plan expérimental du type «design composite central» avec trois variables indépendantes- la vitesse d'agitation, la température et le temps de réaction - a été effectué. Les résultats montrent que ces trois variables ont un effet significatif sur la récupération des caroténoïdes par cristallisation. Les interactions entre la vitesse d'agitation et la température ainsi qu’entre la température et le temps de réaction sont significatives. Dans les conditions optimales (1094 rpm; 46°C et 228 min), le rendement de caroténoïdes estimé est de 93,5%. Les cristaux de caroténoïdes contiennent 57,34% de lycopène et 36,67% de β-carotène. Ces résultats montrent que environ 85% et 78% du lycopène et du β-carotène, respectivement, ont étés récupérés.<p>Dans l’ensemble, cette thèse a contribué à la valorisation du fruit de gac au Vietnam, par une procédure de fabrication qui est économique et utilisant moins de produits chimiques. La recherche a permis de trouver les conditions optimales pour chaque étape de fabrication. Un nouvel axe de recherche pour valoriser le fruit de gac a été ouvert; il porte sur l’étude de l’application tant de l’huile de gac concentrée et riche en caroténoïdes naturels que des cristaux de caroténoïdes dans l’industrie alimentaire, pharmaceutique ou cosmétique.<p> / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Les pâtes enrichies représentent un produit d’intérêt pour l’industrie, car elles offrent aux consommateurs la possibilité de profiter des bienfaits sur la santé de l’ingrédient d’enrichissement sans modifier leurs habitudes alimentaires. Cependant, la durée et le coût du développement de nouvelles pâtes enrichies sont significatifs et limitent leur probabilité de succès commercial. Dans cette thèse, des modèles ont été développés pour décrire la production des pâtes traditionnelles et enrichies et accélérer leur développement. Deux objectifs généraux ont été poursuivis. Le premier objectif était l’identification et la quantification des mécanismes de transfert affectant la qualité des pâtes lors du séchage, leur étape de transformation la plus importante. L’état de l’art a révélé que les modèles développés précédemment pour décrire le séchage des pâtes combinent la description des mécanismes de transfert de masse de l’eau à partir d’un coefficient de diffusion effectif. La qualité de ces modèles a été évaluée par analyses de sensibilité, d’incertitude et d’identifiabilité. Ces analyses ont montré que l’incertitude des modèles précédents sur la prédiction du temps de séchage requis est importante (environ ± 4 h) et que cette incertitude peut être expliquée par la faible identifiabilité pratique des coefficients de transfert de masse à partir de mesures bruitées de la teneur en eau. L’analyse des modèles de séchage précédents a également montré leur imprécision à décrire les profils internes de teneur en eau générés dans les pâtes lors du séchage, alors que ces profils en eau sont critiques à la prédiction de la formation de craques. Cette thèse a donc conduit au développement d’un nouveau modèle de séchage mécanistique, couplant le transfert de masse de l’eau liquide par capillarité et convection, le transfert de masse de l’eau vapeur par diffusion et convection, le transfert d’énergie par conduction, convection et évaporation et la déformation mécanique. Ce modèle a été validé pour 3 températures de séchage (40, 60 et 80 ºC) représentatives des conditions utilisées en industrie. Le deuxième objectif était la quantification de l’impact de l’enrichissement et des variables de procédé sur les propriétés des pâtes. Cet objectif a été atteint par la construction et la méta-analyse d’une base de données regroupant les propriétés des pâtes traditionnelles et enrichies mesurées dans la littérature. Les propriétés manquantes de la base de données ont été estimées par le développement d’une approche novatrice et originale basée sur la complétion de matrice. L’approche par complétion de matrice a permis d’expliquer en moyenne 40% de la variance des propriétés manquantes. Elle a également permis de déterminer pour près de 20% des propriétés manquantes, avec un niveau de confiance de plus de 90%, si elles sont supérieures ou inférieures à la valeur moyenne de la propriété, améliorant la caractérisation du produit sans coût expérimental additionnel. Les travaux de cette thèse ont conduit à la réalisation de 7 articles dans des revues avec comité de lecture et ont été présentés à 4 congrès internationaux. Les travaux ont permis le développement de 2 outils, le modèle de séchage mécanistique et l’estimation des propriétés manquantes par complétion de matrice, que l’industrie pourra utiliser pour accélérer le développement de nouvelles pâtes enrichies. Plusieurs contributions majeures de cette thèse, notamment l’établissement des conditions expérimentales pour l’identifiabilité pratique des coefficients de transfert de masse et les méthodologies pour la méta-analyse d’un produit et l’estimation de ses propriétés manquantes par complétion de matrice, ont été appliquées aux pâtes enrichies, mais leur impact s’étend à de nombreux produits et procédés.

Cette thèse est consacrée à l'étude de processus de concentration de solutions colloïdales par voie microfluidique, pour former des matériaux denses et structurés. A partir d'un outil basé sur la perméation de l'eau à travers le PDMS : le microévaporateur, nous proposons de contrôler le séchage de solution pour maîtriser la concentration de solutés afin de former des états denses organisés au choix, alternant cristaux et états amorphes de colloïdes. En adaptant les outils de microévaporation à différentes techniques d'observations, la nucléation et la croissance d'états denses ont été finement étudiées et correlées à un modèle simple de la microévaporation. Ces études expérimentales ont montré le contrôle précis qu'apporte le microévaporateur sur les cinétiques de concentration d'espèces chimiques pour la formation d'états denses de particules. Des études complémentaires ont aussi mis en évidence l'existence d'une dynamique de construction de cristaux colloïdaux avec des réorganisations au niveau du front ainsi qu'un effet de compaction présents lors de la croissance de l'état dense.

L'élaboration de matériaux cimentaires aux propriétés extrêmes en termes de tenue mécanique, de durabilité, voire de perméabilité, nécessite la compréhension précise du développement de leur structure poreuse. L'aspect non destructif de l'Imagerie par Résonance Magnétique (IRM) en fait une méthode de choix pour l'étude de la distribution et des transferts hydriques au sein de ces matériaux. Cependant, le caractère multi-échelle de ce matériau et la présence d'impuretés paramagnétiques requièrent des performances particulières en termes d'intensité de grandient de champ magnétique et de rapidité d'acquisition. C'est dans cet objectif que nous avons développé deux techniques IRM complémentaires. Le STRAF1 permet de suivre, au laboratoire, l'effet des conditions de température et d'humidité sur la distribution de l'eau à travers le matériau mais également sur l'évolution de sa structure poreuse, élément décisif pour les performances de ce dernier. La NMR-MOUSE TM, version bas champ mais portative de l'IRM, permet un suivi du séchage des matériaux cimentaires directement sur site, ce qui en fait un outil de choix dans un contexte industriel. Enfin, la mise au point d'une méthode d'analyse multi-dimensionnelle dans les milieux poreux nous a permis de mettre en évidence les constantes de temps impliquées dans l'échange de matière entre les différents types de pores présents dans le matériau, ce qui permet d'obtenir des informations sur sa porosité et la connectivité de ses pores.

La modification de la structure des matériaux par Détente Instantanée Contrôlée (DIC), implique nécessairement un processus d'autovaporisation instantanée en conditions thermodynamiques extrêmes de surchauffe du liquide. Les divers processus DIC de modification de la structure par expansion contrôlée, d'extraction et de refroidissement instantané sont d'un intérêt particulier. Les conditions opératoires et les caractéristiques spécifiques du produit interagissent mutuellement pour aboutir au meilleur résultat, principalement en termes de texture. Les modifications des caractéristiques structurelles généralement traduites par des taux d'expansion du produit, dépendent donc des conditions opératoires et des propriétés thermiques et rhéologiques de la matière. De nombreuses études initiales ont montré l'intérêt de déterminer l'évolution des divers processus à travers un suivi et un enregistrement instantané des images, des températures et de la pression à l'échelle de 1000 unités par seconde ; il a ainsi été indispensable de mettre en opération une caméra ultra rapide à 1000 images / s, des capteurs de température et de pression à temps de réponse de l'ordre du ms, placés dans le réacteur et au sein du produit. Une analyse fondamentale a prouvé l'importance de la thermodynamique, du transfert et de la problématique d'expansion pendant le traitement. L'analyse des expériences est réalisée par la détermination des taux d'expansion, surfacique et volumique, de la durée du processus d'expansion proprement dite, de l'analyse des caractéristiques micro-structurelles par MEB, mais principalement par la détermination de la température de transition vitreuse, de la différence de température minimale et d'ébullition, et du taux d'échange de chaleur. Plusieurs produits ont été étudiés (fromage, tofu, pomme, pomme de terre, carotte et banane). Des essais préliminaires adéquats ont permis d'identifier les domaines de variation des paramètres opératoires et d'adopter la méthode des plans d'expériences rota tables à cinq niveaux pour quantifier les diverses réponses nécessaires.

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.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.