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RÉSUMÉ
Pour notre consommation, le secteur agroalimentaire élabore de plus en plus de produits aux caractéristiques rhéologiques complexes. Ces produits alimentaires nécessitent lors de leur fabrication des mises en agitation de plus en plus étudiées. Cette agitation a pour objectif, par apport d’énergie, de contribuer aux échanges de matière et de chaleur des différentes substances en présence. Cet article présente les différents équipements adaptés aux fluides visqueux, ainsi que leurs grandeurs.
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Lire l’articleAuteur(s)
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Guillaume DELAPLACE : Ingénieur des Hautes Études d’Ingénieurs HEI - Docteur en mécanique et énergétique de l’université Henri-Poincaré, Nancy-I - Chargé de recherche à l’Institut national de recherche agronomique
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Romuald GUÉRIN : Ingénieur agroalimentaire – ISTAB - Docteur en mécanique et énergétique de l’université Henri-Poincaré, Nancy-I
INTRODUCTION
Le secteur agroalimentaire est aujourd’hui de plus en plus confronté à la mise en circulation ou à l’élaboration de produits rhéologiquement complexes (plats cuisinés, assaisonnements, yaourts…). Les goûts et les critères de choix des consommateurs sont directement responsables de cet état de fait. Pour donner un ordre de grandeur, il faut savoir qu’aujourd’hui plus de 80 % des fluides traités dans l’industrie alimentaire ont un comportement rhéologique non newtonien.
Ces nouveaux produits sont très souvent obtenus en mettant en contact les différentes substances nécessaires à leur élaboration (ingrédients, épaississants, colorants) dans des cuves mécaniquement agitées.
L’agitation mécanique du système a principalement pour but d’apporter de l’énergie mécanique au milieu et donc de favoriser le contact intime entre les différentes substances ou phases, pour réaliser dans les meilleures conditions les transferts de matière ou de chaleur.
Ces dernières années, l’agitation est passée progressivement de l’état « d’art » à l’état « de science », dû notamment aux avancées des techniques expérimentales (vélocimétrie laser, particle image velocimetry PIV, tomographie, techniques ultrasonores) et des techniques numériques (computational fluid dynamic CFD).
Lorsque l’on aborde un problème d’agitation-mélange, la première question qu’on est amené à se poser est de savoir quel type de mobile d’agitation peut être utilisé pour répondre aux objectifs de l’opération de mélange préalablement définis, en particulier lorsqu’il s’agit de traiter des milieux rhéologiquement complexes et/ou fortement visqueux.
Nous proposons, dans ce dossier, de présenter les différents équipements de mélange traitant des fluides visqueux. Puis les principales grandeurs caractéristiques concernant plus spécifiquement les systèmes mécaniquement agités seront reportées, notamment la puissance consommée, les temps de mélange et de circulation, ainsi que le transfert de chaleur au sein de ces systèmes d’agitation.
Dans une deuxième partie seront abordées les performances des appareils d’agitation.
Pour plus d’informations concernant la rhéologie, la texture et la texturation des produits alimentaires, le lecteur pourra se reporter au dossier [F 3 300].
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Grandeurs caractéristiques d’un système agité
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1. Équipements de mélange pour fluides visqueux
1.1 Pâtes et produits pâteux : spécificités
Traditionnellement, le terme « pâte » ou encore « produit pâteux » désigne des milieux à viscosité élevée. À travers cette définition, il est néanmoins très difficile de cerner précisément ce qu’est réellement un fluide pâteux. En effet, les produits pâteux appartiennent à un domaine intermédiaire, non clairement défini, situé entre les milieux liquide et solide. De même, au niveau composition, un produit pâteux peut présenter différents aspects. Il peut s’agir de milieux monophasiques comme les sirops de glucose type nappage de barres chocolatées ou de milieux polyphasiques complexes comme les garnitures de plats cuisinés avec morceaux. Parmi les milieux polyphasiques, on distinguera encore le cas des mélanges solide/liquide type béchamel aux champignons par exemple, de ceux des mélanges liquide/liquide non miscibles comme les émulsions type mayonnaise.
Dans ce contexte, définir des frontières précises au terme « pâte » est très difficile et les limites qui seront fixées pour la clarté de l’exposé ne devront pas être considérées comme absolues. Même si, dans la communauté scientifique, il est généralement admis que le terme pâte désigne des suspensions concentrées de particules solides dans un milieu liquide, il sera donné dans ce fascicule une définition plus large au terme pâte.
Dans ce qui suit, nous considérerons, les produits pâteux comme des milieux incompressibles, déformables, de viscosité apparente
moyenne ou forte (mélange en régime de transition ou laminaire), à une ou plusieurs phases. Quelle que soit la composition de la pâte, son comportement sera assimilé à celui d’un fluide homogène monophasique équivalent, le caractère biphasique du milieu pouvant être éventuellement pris en compte pour évaluer la viscosité µ du fluide homogène monophasique équivalent. Par cette définition du terme « pâte »,...
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Équipements de mélange pour fluides visqueux
BIBLIOGRAPHIE
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(1) - WICHTERLE (K.), WEIN (O.) - Threshold of mixing of non-newtonian liquids. - Int. Chem. Eng. 21, pp. 116-120 (1981).
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(3) - CHAVAN (V.V.), ULBRECHT (J.) - Power correlation for close-clearance helical impellers in non-newtonian liquids. - Ind. Eng. Chem. Process Des. and Dev. 12, 4, p. 472-76 (1973).
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(4) - LAFON (P.) - Mélange laminaire de fluides miscibles en cuve agitée. - Thèse de doctorat, INP. Toulouse, France (1989).
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(5) - CAUSSANEL-LAURENT (O.) - Agitation industrielle de fluides visqueux newtoniens et pseudoplastiques : Approches expérimentale et numérique. - Thèse de doctorat ès sciences physiques, INP Toulouse, France (1990).
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(6)...
1 Performances hydrauliques et thermiques de mélangeurs statiques commerciaux
(liste non exhaustive)
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