Séchage des levures en lit à jet conique : expérimentation et modélisation multi-échelles

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. 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. 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. 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. 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. 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.