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Cours de Génie Alimentaire Par Prof. Mohamed ZARID  Brainstorming Génie Alimentaire ?! Plan: Introduction: Comprendre les Opérations Unitaires en Génie Alimentaire I. Concepts du Génie Industriel Alimentaire: Fondements du Génie Industriel Alimentair...

Cours de Génie Alimentaire Par Prof. Mohamed ZARID  Brainstorming Génie Alimentaire ?! Plan: Introduction: Comprendre les Opérations Unitaires en Génie Alimentaire I. Concepts du Génie Industriel Alimentaire: Fondements du Génie Industriel Alimentaire II. Panorama des Opérations Unitaires: 1. Séchage : Techniques et Applications 2. Filtration et Centrifugation : Purification des Produits 3. Traitement Thermique : Stérilisation et Pasteurisation 4. Décantation : Clarification des Liquides III. Traitement des Utilités et des Rejets: Durabilité en Génie Alimentaire IV. Travaux Dirigés: 1. Application Pratique : Analyses Biochimiques 2. Étude des Réactions Chimiques dans les Aliment : Au-delà des Ingrédients V. Travaux Pratique: 1. Expériences Physico-Chimiques 2. Étude des Réactions Chimiques dans les Aliments: Manipulation des Réactions Chimiques en Laboratoire References Introduction: Comprendre les Opérations Unitaires en Génie Alimentaire Le Génie Alimentaire, une plongée fascinante dans le monde complexe et essentiel de la transformation alimentaire. Le génie industriel alimentaire est bien plus qu'une simple science; c'est l'art de convertir des matières premières en des produits alimentaires qui répondent aux normes les plus exigeantes en matière de qualité, de sécurité et de durabilité. Pourquoi le Génie Alimentaire est-il important ? Le génie alimentaire est bien plus qu'une simple science; c'est une fusion d'ingénierie, de chimie, de biologie et de technologie, œuvrant ensemble pour garantir que les aliments que nous consommons sont sûrs, nutritifs et agréables au palais. Nous allons explorer comment chaque opération unitaire, chaque réaction chimique, façonne la qualité des aliments que nous trouvons sur nos tables. I. Concepts du Génie Industriel Alimentaire Le Génie Industriel Alimentaire est une discipline multidisciplinaire qui applique les principes de l'ingénierie à toutes les étapes de la transformation des matières premières en produits alimentaires finis. Il vise à garantir la production efficace, sûre, durable et de haute qualité des aliments II. Panorama des Opérations Unitaires:  Plan de la séance o Partie 1: Notion d’activité de l’eau o Partie 2: Séchage: principe et types o Partie 3: Notion d’isothermes de sorption o Partie 4: Séchoirs en industrie agro-alimentaire  Notion d’activité de l’eau Comment se trouve l’eau dans l’aliment ? L'eau dans les aliments présente différentes propriétés physicochimiques selon ses états de liaison: Avec les macromolécules de l'aliment. Et avec les molécules d'eau entre elles.  Notion d’activité de l’eau Comment se trouve l’eau dans l’aliment ? pores L'eau libre microscopiques solutés, tels que le sucre ou le sel, Particularités L'eau retenue attirent l'eau L'eau liée par par effet effet capillaire dans osmotique les pores L'eau libre est mobile. L'eau d'hydratation des L'eau Elle garde les toutes les macromolécules solvante propriétés de l'eau pure. dans laquelle les entoure solutés se et dispersent et stabilise. interagissent  Notion d’activité de l’eau Comment se trouve l’eau dans l’aliment ? L'eau liée Particularités Associée par divers types de liaisons aux protéines et aux glucides. S'échapper à la congélation (liaison plus fortes) Cette eau n'est pas disponible.  Notion d’activité de l’eau L’activité de l’eau, c’est quoi ? L’Aw estime la part de l’eau libre dans un produit C’est à dire l’eau disponible par exemple pour la croissance de micro-organismes et les réactions biochimiques. P = pression partielle de la vapeur d'eau dans l'aliment Pe = pression de vapeur de l'eau pure à la même température HRE = humidité relative de l'aliment en équilibre avec l'air exprimée en %  Notion d’activité de l’eau Quelle est la relation entre l’activité de l’eau d’un aliment et son conservabilité ? Plus l’Aw dans un aliment est faible, mieux il se conserve, car l’Aw faible permet d'éviter: Les détériorations physicochimiques Les activités enzymatiques La prolifération des micro-organismes. Séchage : principe et types  Séchage : principe et types Aliment frais= Partie (eau) + Partie sèche L'une des principales Partie (eau) opérations de conservation Partie sèche de nombreux produits alimentaires. Le produit final est un Consiste à retirer tout ou une partie de l’eau Opération de solide qualifié de « sec » imprégnant un aliment dit « humide » par séparation même s'il contient une vaporisation de ce solvant. thermique humidité résiduelle.  Séchage : principe et types Principes physiques du séchage Séchage à Séchage par l'air chaud trois principaux contact mécanismes : Lyophilisation  Séchage : principe et types Principes physiques du Séchage à l'air chaud Placer l’aliment dans un courant d'air (ou autre gaz) suffisamment chaud et sec. T C° entre 130 et 150°C Le flux a 2 fonctions: l'évaporation de l'eau et évacuer cette eau à l'extérieur du sécheur. Caractéristiques Procédé peu coûteux Processus lent Séchage à effet hétérogène  Séchage : principe et types Principes physiques du Séchage à l'air chaud Le moyen de séchage le plus universel, tous produits et secteurs alimentaires Il s'établit spontanément entre l’aliment et l’air un écart de température et de pression partielle d'eau L'air Un transfert Un transfert de chaleur d'eau L’aliment  Séchage : principe et types Principes physiques du séchage des contacts L’aliment à sécher est déposé sur une paroi conductrice de la chaleur Paroi conductrice assure l'évaporation de l'eau Le flux : évacuer cette eau à l'extérieur du sécheur. source de chaleur Caractéristiques Contact direct: parois-aliment entraîne la dénaturation du produit L’aliment Processus lent face chauffée Séchage à effet hétérogène des parois conductrice  Séchage : principe et types Principes physiques du séchage des contacts Le moyen de séchage (l'industrie lourde), Il s'établit spontanément entre l’aliment et la paroi un écart de tous produits et secteurs alimentaires température Il s'établit spontanément entre l’aliment et l’air un écart de pression partielle d'eau Un transfert d'eau Un transfert de chaleur  Séchage : principe et types Principes physiques par Lyophilisation L’aliment à sécher est déposé sur une paroi conductrice de la chaleur 2 étape: congélation et séchage Paroi conductrice assure l'évaporation de l'eau solide (sublimation) La pompe: évacuer cette eau à l'extérieur du lyophilisateur. Caractéristiques Il préserve la plupart des propriétés organoleptiques et nutritionnelles Technologie lente et coûteuse Séchage à effet homogène  Séchage : principe et types Caractéristiques techniques et applications des principaux types de séchoirs en industrie agro-alimentaire Le choix de type de procédé ou de séchoir dépend Produit initial (liquide, Produit final (poudre, Sensibilité à la chaleur Les sécheurs Les sécheurs solide, etc...) morceaux, etc...) débits à traiter l'énergie discontinus continus  Notion d’isothermes de sorption Diférence entre l’humidité et l’Aw d’un aliment Activité de l'Eau : l’humidité: Quantité totale d'eau contenue dans un L'activité de l'eau est une aliment. mesure de la disponibilité de l'eau Exprimée en pourcentage du poids total. pour les réactions biologiques. La formule pour calculer la teneur en humidité Mw (base humide) = (w - d) / w * 100 Où : Mw = teneur en humidité sur une base humide w = poids humide d = poids sec  Notion d’isothermes de sorption Notion d’isothermes de sorption, c’est qoui ? L’activité aw de l’eau dans un produit dépend principalement de sa teneur en eau Xéq et de sa température T C’est la relation entre la teneur en eau et l’activité de l’eau d’un aliment. Pour chaque valeur de Aw, l’isotherme donne la teneur en eau (Xeq) du produit à une température donnée.  Notion d’isothermes de sorption Notion d’isothermes de sorption, c’est qoui ? Les isothermes de sorption sont divisés en trois zones : Zone A (aw < 0,3) : correspond à l’eau « fortement liée », dite aussi « de constitution» Zone B (aw entre 0,3 et 0,7) : correspond à l’eau « faiblement liée » Zone C (aw > 0,7) : correspond à l’eau « libre » ou « eau liquide »  Notion d’isothermes de sorption Quels sont les effets de séchage sur le produit séché? Réduire l’aw de produit Réduire la masse de produit Altérer la forme de produit Conférer des propriétés nouvelles (formulation, texturation). Température élevée peut détruire la qualité nutritionnelle/organoleptique L'intensité de ces phénomènes dépend fortement de la mobilité de l'eau dans le solide et de la vitesse de séchage (dépend T°C et durée).  Notion d’isothermes de sorption Quels sont les principales caractéristiques d’un sécheur ? Consommation énergétique La consommation énergétique massique (CEM) d'un séchoir est définie comme étant la quantité de chaleur (J/kg) à lui fournir pour éliminer 1 kg d'eau. Masse de l’air de chauffage Permet de déterminer la masse de l’air sec pour vaporiser 1 kg d’eau La vitesse de séchage (kg/h) Quantité de produit fini séché Le débit de séchage Quantité de produit humide (matière première) traitée 1. Séchage : Techniques et Applications a- definition Le séchage est une opération unitaire qui a pour but d’éliminer par vaporisation l’eau qui imprègne un produit (liquide ou solide) afin de le transformer en produit solide sec dont l’humidité résiduelle est très faible. Le séchage se distingue de l’évapo-concentration qui ne traite que les produits liquides très humides (exemple : lait). Les produits liquides qu’on veut sécher (poudre de lait) sont d’ailleurs toujours préconcentrés au préalables par évapo- concentration qui est une technique de déshydratation moins couteuse en énergie que le séchage. b- Objectifs Le séchage est largement utilisé dans l’industrie alimentaire où il vient souvent en complément d’opérations comme l’évapo- concentration, la décantation, la filtration ou l’essorage. Il se pratique dans plusieurs cas : L’humidité résiduelle est incompatible avec la suite du procédé Le produit humide se conserve mal (hydrolyse possible, modification de l’aspect physique par agglomération des grains) Le coût du transport est plus élevé en présence d’eau Le séchage permet outre l’élimination d’eau, la création de modifications de la structure interne du solide comme par exemple l’apparition d’une structure poreuse. A cause du coût énergétique élevé du séchage, l’industriel cherche à avoir la plus basse teneur possible en eau à l’entrée du sécheur. La tendance est à n’utiliser le séchage que lorsque les procédés de séparation mécanique restent impuissants pour atteindre l’humidité résiduelle souhaitée. Le séchage des liquides est toujours précédé d’une autre opération de déshydratation moins couteuse en énergie : l’évapo-concentration. C - Exemples de produits : Une grande partie des aliments que nous consommons ont subi une opération de séchage. Le séchage peut être une étape nécessaire à la production du produit ou un rôle dans la conservation de l’aliment. On peut citer par exemple : les pâtes alimentaires la charcuterie : saucisson, jambon… les fromages : séchage dans une ambiance contrôlée les légumes (pois,…) et fruits secs (pruneaux, raisins, abricots…) certains biscuits apéritifs sont produits par séchage à l’air chaud à partir d’une pâte de maïs le sel (gisement minier) est concassé, dissout, épuré avant d’être essoré et enfin séché jusqu’à devenir du sel raffiné. la conservation de beaucoup de types de grains ou de végétaux est assurée par le séchage : café, cacao, riz et autres céréales, feuilles de thé, épices… Certains produits liquides : lait, lactosérum… Des coproduits de l’industrie alimentaire souvent destinés à l’alimentation du bétail, ou l’industrie chimique (additifs…) : pulpe de betterave (sucrerie), tourteaux d’oléagineux (huilerie), drèches (brasserie, jus de pomme)… Voici la composition comparée de divers laits déshydratés : d- Séchage et stabilité du produit : Le séchage est souvent utilisé pour allonger la durée de vie du produit ; en effet en même temps qu’on diminue l’humidité résiduelle du produit, on diminue l’eau libre disponible pour les réactions d’altération, c’est-à-dire l’activité de l’eau (aw) qui diminue en dessous de l’activité minimale de développement des microorganismes (c’est-à-dire aw En résumé, les analyses biochimiques en génie alimentaire sont essentielles pour surveiller la qualité, la sécurité, la fraîcheur et la conformité réglementaire des produits alimentaires tout au long de leur cycle de production, de la matière première au produit fini. BIBLIOGRAPHIE Technologie Génie Chimique (ANGLARET - KAZMIERCZAK) Tomes 2 et 3 Techniques de l’ingénieur : articles relatifs au séchage Les opérations unitaires du Génie Industriel Alimentaire, M. MAFART http://www.genie-alimentaire.com/