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Thu Ha NGUYEN

THESE / UNIVERSITE DE BRETAGNE-SUD

pour obtenir le grade de École Doctorale SICMA (Santé, Information²Communications, Mathématiques, Matière) ÉTUDE EXPÉRIMENTALE ET MODÉLISATION DU PROCÉDÉ DE SÉCHAGE DES VÉGÉTAUX Thèse soutenue le 12/06/2015 devant le jury composé de :

Karim ALLAF

Professeur, Université de La Rochelle, examinateur

Abdellah ARHALIASS

Professeur, Université de Nantes,

rapporteur Jean -Louis LANOISELLÉ, Professeur, Univ. de Bretagne Sud, directeur de thèse Thomas LENDORMI Maître de Conférences, Univ. de Bretagne Sud, examinateur Maître de Conférences HDR, Université de Technologie de

Étude expérimentale et modélisation du procédé de séchage des végétaux Thu Ha Nguyen 2015

du Prof

Karim A

LLAF. Je voudrais les remercier pour leur disponibilité, leur patience, leur sympathie et pour leur

dévouement. Je les remercie aussi pour avoir accepté de diriger cette thèse. Je leur exprime

toute ma profonde gratitude pour leurs conseils, leurs soutiens et leurs aides scientifiques qui Je tiens à exprimer ma reconnaissance envers Monsieur Abdellah ARHALIASS, Professeur

Université de

Nantes et Madame Elisabeth VAN HECKE, Maître de Conférences HDR rapporteurs de ma thèse. Je tiens également à remercier Monsieur Vaclav SOBOLIK, Professeur Université de La Rochelle et Monsieur Thomas LENDORMI, Maître de Conférences Université de Bretagne

Sud qui ont

GUHVVH également mes sincères remerciements à la société ABCAR-DIC Process, spécialement à Mme Vicenta BLASCO- ALLAF et Dr Tamara ALLAF pour leur soutien, leur ge ntillesse et pour les bons moments passés. labora toire LaSIE et Prof. Pierre-Yves MANACH, le directeur du laboratoire LIMATB pour leurs soutiens. Je remercie les techniciens du laboratoire : Antony, Armelle et les secrétaires du LaSIE, les doctorale SICMA : Axelle et Noluenn J e remercie très chaleureusement Mr René BOURION et Mme Jacqueline LEMAIRE PRISA pour leur gentillesse et leur aide en langue française. Je Rochelle: Collete, Alice, Carmen, Maritza, Tassadit, ... et mes amis Vietnamiens à La Roc

helle et à Lorient pour leur soutien mutuel, leurs encouragements et leurs échanges

amicaux pendant ces années.

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3 Enfin

Étude expérimentale et modélisation du procédé de séchage des végétaux Thu Ha Nguyen 2015

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RÉSUMÉ

Dans le séchage des fruits et légumes, beaucoup de questions non résolues subsistent. Le

"Swell-drying» est un procédé de séchage couplant une étape de déshydratation par air chaud

à la texturation par Détente Instantanée Contrôlée (DIC). Dans le cadre de ce travail de

recherche, la carotte et la pomme sont utilisées comme aliment modèle pour le traitement de la plupart des végétaux.

OXPLGLPp UHOMPLYH GH O

MLU HP GH O

pSMLVVHXU des produits

conclusions contradictoires sont notées en termes de corrélations entre la cinétique de séchage

alors que certains travaux ont tenté d'établir des modèles empiriques entre la diffusivité

effective et la vitesse

séchage et d'identifier le phénomène limitant entre les transferts internes et externes. Ce

GLIIXVLRQ

diffusivité effective et de la taille du produit. À partir de résultats expérimentaux qui couvrent

modèle empirique a été établi.

Mots clés

: Séchage, Détente Instantanée Contrôlée (DIC), diffusivité effective, porosité,

pomme, carotte, modélisation phénoménologique, corrélation

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5

ABSTRACT

Great research works support the sector of drying of fruits and vegetables in a number of ways. Each year, experimental results and mathematical modelling try through conventional and innovative technological processes to protect agricultural products from seasonality and variability in the market prices. Nonetheless, there still exist considerable issues to improve and control this strategic agricultural sector. Swell-drying is very relevant drying process coupling hot air dehydration with Instant Controlled Pressure Drop (DIC). In the present work, carrot and apple were used as a fruit and vegetable model. Scientific literature on drying is unanimous that the drying time decreases with increasing air temperature, decreasing air relative humidity, and reducing thickness. However, the effect of airflow velocity leads to contradictory conclusions. Some authors have claimed that it does not trigger any modification of drying; while some articles tried to establish empirical models of the effective diffusivity versus airflow velocity; what is fundamentally erroneous. This thesis aims at analyzing external and internal transfer phenomena during drying. So, it was possible to recognize the Critical Airflow Velocity (CAV) depending on the effective diffusivity and the product size, to have the internal water transfer as the limiting phenomenon. From experimental results, an empirical model was established between the effective moisture diffusivity and airflow temperature, water content, and absolute expansion ratio. Keywords: Drying, Instant Controlled Pressure Drop (DIC), effective moisture diffusivity, porosity, apple, carrot, phenomenological models, correlation

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TABLE DES MATIÈRES

REMERCIEMENTS ............................................................................................................................................. 2

RÉSUMÉ ........................................................................................................................................................... 4

ABSTRACT ........................................................................................................................................................ 5

TABLE DES MATIÈRES ....................................................................................................................................... 6

LISTE DES TABLEAUX ........................................................................................................................................ 9

LISTE DES FIGURES ......................................................................................................................................... 12

INTRODUCTION .............................................................................................................................................. 20

PARTIE I . ÉTAT DE L'ART ................................................................................................................................ 22

CHAPITRE I.1. SÉCHAGE DES FRUITS ET LÉGUMES ............................................................................................ 23

I.1.1. Introduction ........................................................................................................................................ 23

I.1.2. Avantages et inconvénients du séchage ............................................................................................. 24

I.1.3. Technologies de séchage .................................................................................................................... 25

I.1.4. Conclusion ........................................................................................................................................... 36

CHAPITRE I.2. MODÉLISATION MATHÉMATIQUE DES TRANSFERTS LORS DU SÉCHAGE ................................... 37

I.2.1. Théorie diffusionnelle ......................................................................................................................... 38

I.2.2. Théorie capillaire ................................................................................................................................ 39

I.2.3. ThĠorie de l'Ġǀaporation-condensation .............................................................................................. 39

I.2.4. Diffusion de la ǀapeur d'eau ............................................................................................................... 40

I.2.5. Modèles empiriques............................................................................................................................ 41

I.2.6. Conclusion ........................................................................................................................................... 45

CHAPITRE I.3. ANALYSE DES TRANSFERTS LORS DU SÉCHAGE .......................................................................... 46

I.3.1. Processus de transfert de chaleur et de matière ................................................................................ 46

I.3.2. Analyse de la cinétique de séchage .................................................................................................... 50

I.3.4. Diffusivité effective ............................................................................................................................. 65

I.3.5. Conclusion ........................................................................................................................................... 72

PARTIE II . MATÉRIELS ET MÉTHODES ............................................................................................................. 73

CHAPITRE II.1. MATIÈRES PREMIÈRES ............................................................................................................... 74

II.1.1. Pomme ............................................................................................................................................... 74

II.1.2. Carotte ............................................................................................................................................... 77

CHAPITRE II.2. PROTOCOLES DE TRAITEMENT .................................................................................................. 80

II.2.1. Protocoles de traitement de la pomme et de la carotte .................................................................... 80

II.2.2. Protocoles de traitement du produit spécifique contrôlé .................................................................. 83

CHAPITRE II.3. CARACTÉRISATIONS DE LA QUALITÉ DES PRODUITS APRÈS SÉCHAGE ....................................... 85

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II.3.1. Teneur en eau .................................................................................................................................... 85

II.3.2. Changements de structure des aliments causés par la déShydratation ............................................ 86

II.3.3. Accessibilité initiale ............................................................................................................................ 89

II.3.4. nergie d'actiǀation ........................................................................................................................... 89

II.3.5. ActiǀitĠ d'eau ..................................................................................................................................... 90

II.3.6. Capacité de de réhydratation ............................................................................................................ 94

II.3.7. Capacité de rétention d'eau ............................................................................................................... 96

CHAPITRE II.4. MÉTHODE DES PLANS D'EyPRIENCES ...................................................................................... 98

II.4.1. Intérêts des plans d'expériences ........................................................................................................ 98

II.4.2. Terminologie ...................................................................................................................................... 98

II.4.3. Étapes d'une étude par plans d'expériences ...................................................................................... 99

II.4.4. Analyses statistiques........................................................................................................................ 102

II.4.5. Plan d'edžpĠriences dans le traitement DIC ...................................................................................... 105

II.4.6. Plan d'edžpĠriences pour l'Ġtude de l'effet de la tempĠrature et de la ǀitesse de l'air ..................... 106

PARTIE III . RÉSULTATS ................................................................................................................................. 108

INTRODUCTION .............................................................................................................................................. 109

CHAPITRE III.1. EFFECT OF INSTANT CONTROLLED PRESSURE DROP DIC TREATMENT ON THE PROPERTIES OF DRIED

CARROT ................................................................................................................................................ 111

III.1.1. Introduction .................................................................................................................................... 111

III.1.2. Material and methods .................................................................................................................... 112

III.1.3. Results obtain for carrot ................................................................................................................. 117

III.1.4. Discussion and conclusion .............................................................................................................. 122

III.1.5. Nomenclature ................................................................................................................................. 122

III.1.6. Acknowledgements......................................................................................................................... 123

III.

1.7. References ...................................................................................................................................... 123

CHAPITRE III.2. EXPERIMENT AND FUNDAMENTAL CRITICAL ANALYSIS OF DIFFUSION MODEL OF AIRFLOW

DRYING ........................................................................................................................................................... 125

III.2.1. Introduction .................................................................................................................................... 125

III.2.2. Fundamental ................................................................................................................................... 130

III.2.3. Materials and methods ................................................................................................................... 134

III.2.4. Results................................................................................................

III.2.5. Conclusion ....................................................................................................................................... 148

III.2.6. Nomenclature ................................................................................................................................. 149

III.2.7. Acknowledgements......................................................................................................................... 150

III.2.8. Reference ........................................................................................................................................ 150

CHAPITRE III.3. EMPIRICAL RELATIONSHIPS BETWEEN TEMPERATURE, POROSITY AND WATER CONTENT, AND THE EFFECTIVE MOISTURE DIFFUSIVITY OF COUPLED WASHING/DIFFUSION CWD PHENOMENOLOGICAL

DRYING MODEL .............................................................................................................................................. 155

III.3.1. Introduction .................................................................................................................................... 155

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III.3.2. Material and method ...................................................................................................................... 157

III.3.3. Results............................................................................................................................................. 165

III.3.4. Conclusion ....................................................................................................................................... 178

III.3.5. Nomenclature ................................................................................................................................. 179

III.3.6. Acknowledgements......................................................................................................................... 180

III.3.7. References ...................................................................................................................................... 180

PARTIE IV CONCLUSION ET PERSPECTIVES .................................................................................................... 186

CONCLUSIONS .................................................................................................................................................... 187

PERSPECTIVES .................................................................................................................................................... 188

PARTIE V . NOMENCLATURE ........................................................................................................................ 189

PARTIE VI . REFERENCES ............................................................................................................................... 191

PARTIE VII . ANNEXES ................................................................................................................................... 202

CHAPITRE VII.1. PLAN D'EyPERIENCES POUR L'TUDE DE L'EFFET DE LA TEMPÉRATURE ET DE LA VITESSE DE L'AIR

................................................................................................................................................................ 203

VII.1.1. RÉSULTATS DE LA POMME ............................................................................................................ 203

VII.1.2. RÉSULTATS DE LA CAROTTE ........................................................................................................... 216

VII.1.3. RÉSULTATS DU PRODUIT SPÉCIFIQUE CONTRÔLÉ ................................................................................. 232

CHAPITRE VII.2. PLAN D'EyPRIENCES DANS LE TRAITEMENT DIC .................................................................. 233

VII.2.1. RÉSULTATS DE LA POMME ............................................................................................................ 233

VII.2.2. RÉSULTATS DE LA CAROTTE ........................................................................................................... 237

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LISTE DES TABLEAUX

Tableau I.1. Analyse comparative en termes de performances des procédés de séchage et de

qualité du produit fini (Allaf et al., 2012) ................................................................................ 35

7MNOHM

de séchage est consignée .......................................................................................................... 56

7MNOHM

séchage est consignée (sans valeur limite de la vitesse) .......................................................... 59

7MNOHM

Tablea

u I.5. Effet de la température sur la diffusivité effective. .............................................. 68

Tablea

u II.1. Production de pomme en France (en milliers de tonnes) ................................... 75

Tablea

u II.2. Les points d'expériences avec la pression de vapeur P et le temps de traitement t

.................................................................................................................................................. 81

7MNOHM

selon FDA. ............................................................................................................................... 92

Tablea

u II.4 : Domaine de variation des paramètres opératoires dans le traitement DIC. ..... 105

7MNOHM

7MNOHM

7MNOHM

7MNOHM

Table III-1. DIC processing parameters and ranges of saturated steam pressure and thermal holding

time ............................................................................................................................ 114

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