Influence des couches

limites et des coefficients

de transfert de chaleur sur

la vitesse de congélation

d’un aliment modèle

1

TP Congélation

Rappels

Réfrigération

Diminution de température sans

formation de glace

0 < < 10°C ref = 4°C

Conservation de quelques jours

à quelques semaines

Congélation

Formation de glace (mobilisation

de l’eau)

-60 < < -18°C ref = -18°C

Conservation d’1 à 12 mois

2

Principes : Influence de la température sur les cinétiques de

croissance des micro-organismes

Croissance Production

toxine S. aureus 6,7°C 18°C C. botulinum A et B 10°C 10°C C. botulinum E 3,3°C 3,3°C

0°C

-2°C

-4°C

-6°C

-8°C

-10°C

-12°C

-14°C

-16°C

-18°C

température limite des bactéries

psychrotrophes et psychrophiles

arrêt de toute multiplication bactérienne

arrêt de toute multiplication de levures, moisissures, et de

toute multiplication bactérienne

arrêt des moisissures

0°C

-2°C

-4°C

-6°C

-8°C

-10°C

-12°C

-14°C

-16°C

-18°C

température limite des bactéries

psychrotrophes et psychrophiles

arrêt de toute multiplication bactérienne

arrêt de toute multiplication de levures, moisissures, et de

toute multiplication bactérienne

arrêt des moisissures

3

Principes (suite)

Influence de la température sur les réactions biochimiques

e.a k RT

E

Effet bactériostatique bactéricide Qualité initiale

Influence de la cristallisation de l’eau sur les micro-organismes

aw

détérioration des membranes cellulaires

a : constante (s-1)

E: énergie d’activation de la réaction (J.mol-1)

R : constante des gaz parfaits (8,314 J.mol-1.K-1)

T : température absolue (K).

Arrhenius

4

Rôle de l’aw sur les vitesses relatives des réactions

aw

Vitesse relative des

réactions

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

bactéries

levures

moisissures

oxydation

Réactions de diffusion limitée

•Maillard

•Activité enzymatique

•Perte de lysine

Transformations structurales

•Collage

•Mottage

•Cristallisation du lactose

aw critique 5

Cinétique de congélation et bilan énergétique:

cas de l’eau pure

0°C

temps

Eau

liquide

Mélange

eau/glace Glace

Evolution de la température lors de la fusion de l’eau pure

surfusion

Chaleur

sensible

Chaleur latente

de congélation Chaleur

sensible

)ci pee1 (mQ C Le2 mQ )fc pge3 (mQ C

c

f

i

6

0°C

temps

Pseudo

palier

c

Température

de fusion

commençante

Chaleur sensible

Chaleur latente de congélation

Chaleur sensible

i

f

Cinétique de congélation et bilan énergétique:

cas d’un aliment

7

Congélation : température de congélation commençante

Exemple d’une solution de NaCl

Température de congélation commençante C de l ’eau pure : 0°C

Abaissement de C fonction de la concentration en solutés :

Loi de Raoult (solutions diluées): avec m : g de solutés/100g d ’eau

M : masse molaire

k : 18,5 : constante

cryogénique de l’eau

Relations empiriques établies par l’expérience:

avec X : concentration g/100g de solution; a : 59,59; b : 2,47; c : 559,55

Mm . k

32X .c X . b X . a

(°C) 0 -1 -2 -18 -21,1

[NaCl] (g/100g solution) 0 3 6 20 22,4

8

Congélation lente : gros cristaux

Milieu

intracellulaire ’c

< c

Milieu

extracellulaire

c

Concentration milieu extracellulaire

Plasmolyse concentration milieu

intracellulaire et dénaturation protéines

Exsudation à la décongélation

= c

Vitesse de congélation et influence sur les produits

9

Congélation lente : gros cristaux Congélation rapide : petits cristaux

Milieu

intracellulaire ’c

< c

Milieu

extracellulaire

c

Concentration milieu extracellulaire

Plasmolyse concentration milieu

intracellulaire et dénaturation protéines

Exsudation à la décongélation

= c ’c

Nucléation simultanée dans milieux extra et

intracellulaire

Pas d’ exsudation à la décongélation

Vitesse de congélation et influence sur les produits

10

Puissance thermique échangée pendant dt:

)( ecAdt

dQ

θe

2e

A

θc

0 e

x

Optimisation du temps de congélation Exemple du modèle plaque plane infinie

dQ dQ

Hypothèses de modélisation :

Plaque d’épaisseur 2e << l, L transfert de chaleur

unidirectionnel

Plaque de température initiale = c on néglige les phases

de refroidissement c

Temps du palier de congélation tP:

temps pour passer de x=0 à x=e

avec = ?

A t > 0, on a congelé une épaisseur x de produit de

conductibilité thermique c

Puissance échangée pendant dt :

Énergie libérée dans le front de congélation : dQ = dm. L

)( ecGAdt

dQ

gCLG

x

11

(1) et (2) donnent :

(1)

(2) dQ dQ

θe

θc

0 e

x

αCL

Optimisation du temps de congélation Exemple du modèle plaque plane infinie

14

Épaisseur de produit

congelé au temps t

Ou dQ = ρ A dx . L

LdxAdtAdQ ecG .

gCLecGec

dxxdxLdxLdt

..

Avec

D’où

Intégration entre 0 et tP et 0 et e :

gCLec

P

eeLt

2

²

Optimisation du temps de congélation

e, ou CL

Importance des conditions de transfert de chaleur en surface du

produit:

Fluide (W.m-2.K-1)

Air calme 3 à 23 (selon Hr)

Air en mouvement 10 à 102

Tunnel de congélation 20 à 35

Lit fluidisé par de l’air 30 à 60

Eau calme 3.102

Eau agitée 103 à 2,3.103

Saumure 9.102

gCLec

P

eeLt

2

²

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

0 50 100 150 200 250

temps (min)

(

°C)

Air statique

Air pulsé Saumure

15

Loi de Planck

Objectifs du TP

1- Etudier l’influence de l’épaisseur du produit et du

mode de congélation sur la cinétique de congélation

• air statique

• air pulsé

• saumure

2- Estimation des coefficients globaux de transfert de

chaleur

2 méthodes:

• modélisation des données expérimentales

• expérience sur une plaque de cuivre