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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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