Nous étudions la structuration de dépôts lors du séchage de suspensions colloïdales et de solutions polymères, dans une cellule de Hele-Shaw verticale immergée dans un réservoir (même principe qu'une expérience de dip-coating). La vitesse de la ligne de contact est contrôlée en pompant la solution du réservoir. A faible nombre capillaire un phénomène d'accrochage-décrochage de la ligne triple apparaît lors du séchage des suspensions colloïdales de silice. Nous étudions la longueur d'onde et la morphologie du dépôt en fonction de la vitesse moyenne de la ligne de contact. La variation de force d'accrochage est déduite de l'observation en ligne du mouvement de la ligne de contact. Nous étudions l'influence du pH de la solution et de la taille des particules sur le dépôt. Dans les mêmes conditions, les films obtenus pas séchage de solutions polymères sont presque plats. On observe cependant une structuration à plus haute température. Dans la seconde partie du manuscrit, un modèle 2D a été développé pour décrire l'écoulement dans la cellule de Hele-Shaw induit par la vitesse imposée et le flux d'évaporation non uniforme. Les équations de Stokes et la loi de Fick sont utilisées pour décrire l'écoulement et les transferts. Une troncature est appliquée à la pointe du ménisque pour s'affranchir de la singularité due à la divergence du flux d'évaporation. L'approximation de lubrification et les bilans de masse permettent de définir les conditions aux limites à la troncature. L'épaisseur du dépôt et les propriétés de l'écoulement sont étudiées en fonction des paramètres du processus (vitesse imposée, flux d'évaporation, concentration) ainsi que des propriétés du système

L'objet de ce travail est l'étude de la physique des transferts prenant place lors du séchage solaire d'un produit emballé par un film polymère particulier; celui- ci ne laisse passer que les molécules d'eau, par phénomènes de sorption désorption. L'approche proposée a pour but de fournir au lecteur suffisamment de connaissance de cette physique afin de pouvoir envisager le dimensionnement de tout système de séchage utilisant ce type d'emballage. La démarche employée, après une présentation des principes généraux des séchoirs solaires actuels, est expérimentale et de modélisation. Un modèle à l'échelle du procédé (produit emballé soumis à un rayonnement solaire) est établi, validé et amendé à l'aide d'un système expérimental conçu et réalisé à cet effet (cellule de mesure adaptée placée sous un simulateur solaire); il est ensuite utilisé sous une version simplifiée pour étudier une application choisie pour son utilité (produit étalé sur un support -sol ou réceptacle autre- sur lequel est apposé le film). Ce modèle prévisionnel est adapté au dimensionnement de systèmes utilisant ce type d'emballage, moyennant une estimation préalable des pertes d'énergie non liées à l'évaporation.

Le thème de l'étude proposée concerne la modélisation du séchage d'un milieu poreux déformable saturé (solide-liquide). Cette modélisation tient compte de la nature du produit ainsi que de ses conditions initiales telles que la teneur en eau et la forme. L'objectif est de prévoir les contraintes mécaniques apparaissant au sein du matériau au cours du séchage, de contrôler la déformation du produit et sa teneur en eau. L'originalité de cette étude réside dans l'écriture du modèle de séchage avec la prise en compte du gradient de pression comme terme moteur réel du transport au travers de la loi de Darcy auquel s'ajoute l'hypothèse de compressibilité du liquide (loi d'état du liquide). Cette écriture présente l'avantage de ne pas recourir à un coefficient de transport effectif souvent identifié à partir d'expériences spécifiques et à terme de pouvoir relier le comportement d'un milieu supposé diphasique à un milieu triphasique (liquide, solide et gaz). Le système d'équations obtenu est issu d'une prise de moyenne volumique où le V.E.R est considérée déformable. La description physique du fort couplage hydromécanique qui existe au sein du matériau, tout au long du processus de séchage, est prise en compte au travers de la théorie de consolidation de Biot en adoptant la notion contraintes effectives de Terzaghi, les variables de couplage sont la vitesse de déformation du solide et la pression du liquide. La résolution numérique du modèle obtenu est effectuée par la méthode des éléments finis en grandes déformations et le changement d'espace Euler-Lagrange. Le modèle est validé pour un gel d'alumine à différentes conditions de séchage et l'étude de sensibilité montre la forte influence de la perméabilité du matériau comme de ses propriétés rhéologiques au cours de son séchage.

Ce travail avait pour objectif l'étude de l'impact des deux procédés : la déshydratation imprégnation par immersion (DII) et le séchage convectif menés séparément ou combinés sur les transferts couplés d'eau et de saccharose et les principaux critères de qualité de fruit (écart de couleur, teneur en phénols totaux (PT), teneur en acide ascorbique (AA), retrait volumique, activité de l'eau) en prenant la poire Conférences comme modèle. L'effet des procédés sur les morceaux de poire a été appréhendé selon deux approches : (i) une étude globale de l'impact des variables de commandes sur la qualité du produit fini et (ii) une étude cinétique des composés d'intérêt nutritionnel et de la qualité (couleur, retrait, activité de l'eau).Un plan d'expériences composite centré à quatre facteurs et cinq niveaux a été établi (concentration en saccharose de la solution osmotique : 25-65%, température de DII : 20-60 °C, durée de la DII : 0,5-6,5 h, température du séchage convectif : 30-70 °C) pour étudier l'effet global des procédés sur le produit fini. En DII, les paramètres " °Brix, " durée " et " la température de la solution " ont un effet significatif (p < 0,01) sur les pertes en eau, le gain en soluté et les attributs de qualité de morceaux de poire. Les pertes en AA sont plus élevées que les pertes en PT et sont essentiellement dues à l'oxydation et à l'entraînement par l'eau. Durant le séchage convectif, les pertes en PT et en AA dépendent plus de la durée du procédé que de la température d'exposition. Elles atteignent respectivement 80% et 34% après 10 h de séchage à 30 °C. Le changement de couleur de morceaux de poire dépend de la durée et de la température de traitement et est plus prononcé en fin de séchage. Des modèles quadratiques prédictifs ont été proposés pour relier les variables de réponse (aw, différence de couleur, perte en PT et durée totale de traitement) aux paramètres opératoires des deux procédés étudiés. Cependant, la perte en AA décroit linéairement avec la durée de DII. Une optimisation multicritères en utilisant la méthodologie des surfaces de réponse (MSR) a été proposée (pertes minimales en PT et en AA, durée totale du traitement et différence de couleur réduites et une aw inférieure à 0,6) pour la combinaison DII/séchage. Les conditions optimales sont : solution osmotique à 28°C et 25°Brix, une durée de DII de 30 min et un séchage convectif à 60 °C. Par ailleurs, les effets de la température (30, 45 et 60 °C) et de l'imprégnation en saccharose par DII (10 et 65 min, 70°Brix, 30 °C) sur les isothermes de désorption et sur la température de transition vitreuse (Tg) de morceaux de poires, de pommes et d'abricots ont été déterminés. L'imprégnation en saccharose du tissu végétal atténue l'influence de la température sur sa capacité de sorption. Elle engendre un effet dépresseur de l'activité de l'eau et une augmentation de l'hygroscopicité de la poire, la pomme et l'abricot à température élevée. Les isothermes de désorption des abricots frais et enrichis en saccharose présentent un croisement des courbes marquant l'inversement de l'effet de la température sur les isothermes. La Tg dépend de la température, de la teneur en saccharose et de la teneur en eau des fruits. Pour une teneur en eau constante, l'augmentation de la température et la durée de DII se traduisent par l'augmentation de la Tg. Les digrammes de phase (Tg=f(X) et Tg=f(aw)) des fruits ont été établis à 30, 45 et 60°C et les teneurs en eau critiques ainsi que les activités d'eau critiques ont été déterminées. Une teneur en eau en fin de séchage inférieure ou égale à 0,02 g/g M.S. est recommandée pour l'obtention de morceaux de fruit stables aux niveaux microbiologique, physicochimique et rhéologique.

Cette thèse présente un travail sur l'obtention d'aérogels d'HDL par séchage en conditions CO2 supercritique et l'élaboration de nouveaux bionanocomposites formés par la coprécipitation d'hydroxydes doubles lamellaire (HDL) dans l'espace confiné des billes d'alginate. Grâce à la combinaison d'une synthèse par coprécipitation Flash et d'un séchage en conditions supercritiques au CO2, des aérogels d'HDL possédant des surfaces spécifiques élevées sont élaborés. Parallèlement, l'alginate est utilisé comme une matrice de confinement pour la précipitation inorganique d'HDL. D'une part, les billes d'alginate sont synthétisées par complexation des ions Ca2+ et la coprécipitation des phases HDL s'effectue en réalisant des imprégnations successives de réactifs. D'autre part, des billes d'alginate sont formées directement en présence des cations divalents (Mg2+, Ni2++, Co2+, ...) et des cations des métaux trivalents (Al3+), précurseurs des composés inorganiques. La coprécipitation des HDL se produit dans ce cas lors d'une étape d'imprégnation dans une solution d'hydroxyde de sodium. Tous les composés HDL, aérogels ou encore bionanocomposites sont caractérisés en détail par DRX, spectroscopie IR, MEB/MET, adsorption/désorption d'azote et ATG/DTG, pour obtenir un meilleur aperçu de la structure des particules, de leur taille et de leur morphologie. Des études menées sur l'adsorption de la trypsine pour les aérogels ou encore sur les performances d'électrodes modifiées HDL-alginate ont permis de montrer qu'il était possible d'améliorer les performances des HDL en augmenter leur porosité et en élaborant des bionanocomposites.

Les matériaux nanostructurés de type aérogels présentent des domaines d'applications potentielles très variés. Parmi ces matériaux, les aérogels de silice sont connus, notamment, pour leurs propriétés thermiques super-isolantes et leur transparence dans le domaine visible. Leur intégration au sein de double vitrage peut ainsi permettre d'envisager un gain énergétique dans le secteur du bâtiment, notamment au travers de la réduction des charges de chauffage. Pour une telle application, les gels de silice synthétisés par procédé sol-gel, doivent être séchés par voie supercritique afin d'obtenir des aérogels sous forme de blocs monolithiques transparents de grandes dimensions. L'objectif de ce travail de thèse est de contribuer à l'amélioration de l'efficacité du procédé de séchage dans les conditions du CO2 supercritique en s'attachant tout particulièrement à la phase de lavage au CO2 supercritique. Les phénomènes mis en jeu lors de cette phase ont été étudiés en couplant une approche expérimentale et une approche théorique. L'approche expérimentale repose sur l'instrumentation d'un banc de séchage notamment en implémentant une boucle d'analyse. Cet outil métrologique a permis de suivre en ligne le degré d'avancement de la phase de lavage. L'approche théorique repose sur l'utilisation d'un modèle analytique couplant les phénomènes de diffusion à travers la nanoporosité des gels et les phénomènes de transfert de masse dans l'autoclave. Cette double approche a permis dans un premier temps de quantifier les phénomènes de diffusion dans des conditions expérimentales de référence. Le coefficient de diffusion effectif d'une nanostructure modèle de gels de silice a été ainsi déterminé. Une première estimation de la durée de la phase de lavage a également été obtenue. Dans un second temps, l'influence de la variation de la nanostructure des aérogels de silice sur les phénomènes de diffusion a été étudiée. Les résultats obtenus ont permis d'aboutir à une première corrélation entre la perméabilité des matériaux et le coefficient de diffusion effectif. Cette étude a également souligné l'intérêt d'un traitement de vieillissement des gels par phénomènes de dissolution-reprécipitation préalablement au séchage en vue d'écourter la durée de la phase de lavage supercritique.

Cette thèse porte sur le comportement et l'évolution des textures cosmétiques complexes durant la phase de séchage par voie naturelle. La stabilité de ces films sur des temps longs présente en effet un enjeu essentiel en cosmétologie. Nous étudions le séchage de films minces cosmétiques d'épaisseur initiale comprise entre 20 et 100 μm formulés à partir de polymères organiques solubles dans l'eau et d'un conservateur antimicrobien. Les propriétés viscoélastiques initiales de ces formulations sont analysées, avant étalement, à l'aide d'un rhéomètre à température contrôlée. Les films sont déposés sur divers supports en atmosphère contrôlée, le séchage est suivi in-situ à l'aide d'une balance gravimétrique de précision. Nous avons ainsi caractérisé l'influence des divers paramètres physico-chimiques qui gouvernent l'interface film/peau durant le séchage tels que : hygrométrie, température, composition du film, nature du support, etc. Lors du séchage du film, nous avons observé le regonflement du film aux temps longs que nous avons interprété comme une relaxation lente de la matrice polymérique résultante. Une structuration de la surface du film, provenant de la formation de gouttes laissant la place à des cratères, a également été observée. Nous avons pu montrer à l'aide d'un modèle simple que cette structuration provenait d'une démixtion liée à la présence de l'agent conservatif dans la solution. Finalement, un modèle plus complexe de séchage de films minces a été élaboré, prenant en compte les différents mécanismes physiques entrant en jeu dans la dynamique.

Le séchage d’une solution chargée en particules est la solution la plus simple pour couvrir uniformément la surface d’un matériau. Le choix de la solution et ses propriétés physico-chimiques dictent alors le comportement du film obtenu. Le matériau peut ainsi être rendu hydrophobe en appliquant un tapis de molécules qui n’ont aucune affinité avec l’eau. Un moyen d’améliorer encore cette hydrophobie est de modeler la surface pour incorporer une certaine rugosité dans le revêtement. Cette stratégie est adoptée par plusieurs végétaux, dont le plus célèbre est le lotus.L’évaporation de suspensions apparait comme la méthode la plus simple pour parvenir à la structuration de la surface des matériaux. L’exemple le plus éloquent est celui de la goutte de café, où les particules viennent préférentiellement s’agglomérer sur son périmètre, portées par les différents flux résultant du mécanisme de séchage. Cependant, ce procédé d’auto-assemblage des particules sur la ligne triple air-liquide-substrat au cours du séchage, est difficile à appréhender. Ce constat est lié à la synergie entre la rhéologie des suspensions, leur physico-chimie et les aspects de tension inter faciale, qui s’opère au cours du procédé d’évaporation.Le travail proposé ici vise à comprendre et à maitriser le déplacement de la ligne triple pour accroitre le potentiel de cette méthode d’élaboration de revêtements. Nous proposons une méthode qui permet d’agir sur cette ligne triple. A la sortie de notre dispositif, le liquide est soumis à une évaporation libre, si bien que la ligne de contact adopte un mouvement périodique, apparenté à une respiration. Ce phénomène, peut être contrôlé en amplitude et en fréquence. Par la combinaison de paramètres mécaniques propres au procédé et d’autres intrinsèque au fluide, l’expérimentateur est capable de gouverner ce mouvement, ainsi que le profil du ménisque formé.La connaissance des moyens d’actions sur la respiration de la ligne triple est ensuite utilisée pour produire des surfaces périodiques. Ces dernières sont issues du séchage de latex de polymère. Le comportement cyclique de la ligne triple, combiné avec un déplacement contrôlé du substrat, permet de créer des zones préférentielles de dépôt. Les surfaces obtenues présentent un réseau de lignes successives, dont la longueur d’onde se rapporte aux paramètres du procédé. / Solvent evaporation appears as an easy way to deposit a periodic film on any surface. Its resulting structure is directly linked to the particles contained on the suspension and its behaviour with its solid and liquid environment during drying step. The coffee ring effect is the most eloquent example, which is characterized by a preferential agglomeration of the particle in the drop periphery. Such process is difficult to assess: handling the air-liquid-substrate interface movement is a basic need to increase the technical power of that coating method.To investigate the contact line motion during drying, we focus on the meniscus, which comes from a liquid flow between a sealed container and a substrate. Observations of liquid flowing out such disposal show a cyclic movement. Such phenomenon can be compared to a breathing of the contact line. The present work is firstly dedicated to the characterization of that periodic movement. These learnings are then applied to polymer latexes to produce periodic films.Our characterization method is based on meniscus observation and force balance recording. The observed breathing can be tuned in frequency and amplitude, by acting both on physical properties of the solvents, and geometrical settings of the device. Surface tension play a key role in the movement, by acting on the meniscus shape. Geometrical settings appears to affect the evaporation process. On a global scale, the rate is constant but the disposal gap is directly linked to the cycle frequency.Eventually, our disposal is used to coat smooth surface with polymer latexes. The self-organization of particles during the drying process is tried to be controlled by the periodic motion of the contact line. The roughness of the obtained textured coating is expected to be tuned by a combined choice of disposal settings and specific solutions properties.

La présente étude porte sur la modélisation à l'échelle du produit, puis à l'échelle du procédé, des transferts de chaleur et de matière, au cours du séchage solaire de viande de bœuf, et entre ce produit et son environnement. A l'échelle du produit, les isothermes de désorption et cinétiques de séchage de la viande de bœuf sont déterminées expérimentalement, puis modélisées afin de caractériser la viande sur le plan hygroscopique et de prédire son comportement au cours du séchage. L'étude et la modélisation du comportement hygroscopique permet de passer à une échelle du procédé par la mise en place d'un modèle de séchage solaire de la viande de bœuf adapté à un séchoir solaire, conçu et réalisé pour le séchage des produits carnés dans un contexte tropical (séchoir solaire de Kilichi). Le modèle est validé par des essais expérimentaux menés dans un contexte tropical (N'Gaoundéré-Cameroun). L'impact du séchage solaire sur la qualité du produit est étudié à travers des analyses microbiologiques et biochimiques effectuées sur des échantillons de viande de bœuf séchés, à l'échelle du laboratoire, dans un séchoir solaire conçu et réalisé pour une bonne maitrise des paramètres de séchage solaire. Les analyses microbiologiques montrent que l'impact du rayonnement solaire sur la destruction des microorganismes est plus significatif que celui de la température de séchage. Les analyses biochimiques montrent que le séchage induit une forte oxydation des lipides mais n'a pas d'impact sur la teneur en lipide de la viande. / This study deals with the modeling of heat and mass transfers during solar drying of beef, and between this product and its environment, at the scale of the product and thereafter at the scale of the process. At the scale of the product, desorption isotherm and drying kinetics of fresh beef were determined and modeled to characterize and predict the hygroscopic behavior of the beef during its drying. At the scale of the process, we proposed a model of solar drying of beef, adapted to a solar dryer that was designed and manufactured for the solar drying of beef in tropical environment (Solar dryer of Kilichi). This model was validated by experimental tests conducted in situ, in a tropical country (Cameroon- N'gaoundéré). The impact of solar drying on the quality of the product was investigated through microbiological and biochemical analyzes conducted on beef samples, dried at the laboratory with a solar dryer that was designed and manufactured to obtain a good control of solar drying parameters. These analyzes showed that the impact of solar radiation on the destruction of microorganisms is more significant than that of the drying temperature. Biochemical analysis showed that drying induces a severe lipid oxidation but has no impact on the lipid content of the meat.

Le séchage par atomisation est un procédé relativement bien maîtrisé, certains aspects de la transition goutte-particule n’étant pas encore totalement compris. Ainsi, comprendre précisément comment la particule est formée et comment ce phénomène peut être contrôlé reste aujourd’hui un défi majeur. Ce projet visait à découpler la complexité du phénomène de séchage via une approche multi-échelles. La formation de particules à partir de protéines laitières (protéines de lactosérum et micelles de caséines) a été étudiée avec différents systèmes expérimentaux (gouttes suspendue, confinée, mono-dispersées et enfin pulvérisées) dans des environnements de séchage contrôlés (température de séchage: 20°C à 190°C et l'humidité relative: 40% à 2%).Les résultats obtenus montrent que le séchage d'une goutte de protéine comprend trois étapes distinctes, mises en évidence par l’apparition d'événements morphologiques spécifiques (rétrécissement à vitesse établie, flambage, formation de vacuole). Selon le type de protéines, ces étapes diffèrent en termes de cinétique de séchage et de dynamique structurale, conduisant à des formes de grains caractéristiques. Ces différents comportements peuvent être rattachés aux conditions particulières de la formation d’une peau en surface et aux modes de dissipation des contraintes internes par les matériaux protéiques. De manière générale, l’approche multi-échelles de ce travail a permis de mettre en évidence la signature particulière de protéines laitières dans un état concentré et l'impact de la matière dans le processus de séchage. / Spray drying is a well-established process but certain aspects of droplet-particle transition are not yet fully understood, resulting in variability in terms of powder quality and performance. Therefore, understanding precisely how the particle is formed and how it can be controlled still remain a major challenge. This PhD project aims to break down the complexity of the drying phenomenon using an exploratory multi-scale approach. Particle formation of milk proteins (whey proteins and casein micelles) was investigated using different experimental systems (single pendant droplet, confined droplet, mono-dispersed droplets and spraying cone droplets) in controlled drying environments (drying temperature: 20°C to 190°C and relative humidity: 40% to 2%).The results showed that the drying of a single protein droplet included three distinct stages highlighted with the occurrence of specific morphological events (constant rate shrinkage, buckling instability, vacuole nucleation). According to the type of proteins, these drying stages differed in drying kinetics and droplet dynamics, leading to characteristic and reproducible particle shapes whatever the droplet configuration and the drying conditions. These different kinds of drying behaviour were related to specific skin formation conditions and different responses of the protein material to internal stress. Finally, by means of this multi-scale approach, this work highlighted the particular signature of milk proteins in a concentrated state and in general the impact of the matter in the droplet drying process.