Lyophilisation Exposé

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REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE UNIVERSITE KASDI MERBAH - OUARGLA Faculté des Sciences et des Sciences de l’Ingénieur Département de l’agronomie Niveau : 4eme année technologie alimentaire Exposé sur : La Lyophilisation Présenté par : Dirigé par : -Khamed Oussama - Chouana Toufik 2012/2013

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REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE

MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE

SCIENTIFIQUE

UNIVERSITE KASDI MERBAH - OUARGLA

Faculté des Sciences et des Sciences de l’Ingénieur

Département de l’agronomie

Niveau : 4eme année technologie alimentaire

Exposé sur :

La Lyophilisation

Présenté par : Dirigé par :

-Khamed Oussama - Chouana Toufik

2012/2013

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INTRODUCTION : ................................................................ 3

INTERET DE CETTE TECHNIQUE : ............................................ 4

LE PROCEDE DE LA LYOPHILISATION : ..................................... 4

LYOPHILISATEUR : .............................................................. 7

LES PRINCIPAUX COMPOSANTS : ........................................... 7

SUIVRE L’EVOLUTION DU SECHAGE : ...................................... 8

ALIMENTS LYOPHILISES : .................................................... 10

DUREE DE CONSERVATION ET REHYDRATATION : .................... 10

AVANTAGES ET LES INCONVENIENTS DE LA LYOPHILISATION : .. 10

CONCLUSION : ................................................................. 12

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INTRODUCTION :

La lyophilisation est une méthode de conservation des aliments. Selon

certaines sources, les Indiens des Andes auraient été les premiers à utiliser un

procédé semblable à celui qui est connu aujourd’hui. Ces Indiens produisaient

plusieurs variétés de pommes de terre et ils les conservaient en les immergeant

dans l’eau glacée puis en les laissant se déshydrater grâce à l’altitude et au soleil.

Effectivement, à une altitude élevée, la pression partielle de la vapeur d’eau est très

faible, car l’air est très sec et très froid. L’eau s’évapore donc à plus basse

température qu’à une altitude normale. Le froid intense congèle donc les aliments

en surface puis le soleil chaud provoque le séchage. Ils avaient donc une

lyophilisation de surface. Ce serait, en quelque sorte, la méthode rudimentaire de la

lyophilisation.

Le procédé industriel que nous utilisons aujourd’hui était autrefois appelé

cryodessiccation en raison de la phase initiale de congélation. Le terme

dessiccation signifie qu’on dessèche le produit et cryo signifie « froid » en grec. La

cryodessiccation a été inventée en 1904 pas des physiciens français. Ce n’est

qu’en 1943 que le professeur Alexander Fleming proposa le terme lyophilisation,

qui vient des termes luen ou solvant et philen ou ami, en grec.

L’industrie alimentaire et l’industrie pharmaceutique sont les principaux

utilisateurs de la lyophilisation.

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INTÉRÊT DE CETTE TECHNIQUE :

La lyophilisation comporte de nombreux avantages par rapport aux autres

procédés de séchage ou de conservation. Elle permet de conserver une grande

partie des qualités organoleptiques des aliments étant donné que ceux-ci demeurent

à une température sous le point de congélation durant la sublimation. L'utilisation

de la lyophilisation est particulièrement importante dans le cas des bactéries

lactiques puisqu’elles sont très sensibles à la chaleur.

Les aliments lyophilisés en général ne nécessitent pas de réfrigération pour se

conserver. Les coûts d’entreposage et de transport sont ainsi réduits de façon

appréciable. La lyophilisation entraîne une diminution importante du poids ce qui

facilite grandement le transport des aliments lyophilisés. Par exemple, plusieurs

aliments contiennent jusqu’à 90% d’eau. Ils seront donc 10 fois plus léger après

lyophilisation.

La plupart des aliments lyophilisés se réhydratent très rapidement grâce à leur

texture poreuse. En effet, la lyophilisation n’entraîne pas de diminution de volume

appréciable. L’eau peut donc reprendre sa place facilement dans la structure

moléculaire de l’aliment

LE PROCÉDÉ DE LA LYOPHILISATION :

La lyophilisation, aussi appelée séchage à froid, est un procédé qui consiste à

retirer l’eau d’un aliment afin de le rendre stable à la température ambiante et de

faciliter sa conservation. On peut décomposer la lyophilisation en trois étapes

principales :

1. CONGÉLATION

2. DESSICATION PRIMAIRE OU SUBLIMATION

3. DESSICATION SECONDAIRE OU SÉCHAGE FINAL

Il faut toutefois noter qu’il y a parfois une étape préliminaire à la lyophilisation,

soit la réduction en poudre ou purée des aliments et des médicaments. Comme

vous le constaterez dans les prochaines pages, la lyophilisation est très coûteuse.

De plus, il existe un principe de base qui dit que plus le rapport surface/volume est

grand, plus un produit chauffera et séchera plus efficacement. En réduisant le

produit en purée ou en poudre et en le plaçant en couche mince sur une plaque, le

temps de séchage est réduit, diminuant simultanément le coût d’énergie relié au

séchage. On peut cependant lyophiliser des fruits ou des légumes en petits

morceaux ou en tranches.

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1. CONGÉLATION

La première étape consiste à congeler les aliments pour que l’eau qu’ils

contiennent soit transformée en glace. La température doit rester plus basse que -

20 °C tout au long du processus de lyophilisation.

2. DESSICATION PRIMAIRE OU SUBLIMATION

L’étape suivante permet la sublimation de la glace. La sublimation est un principe

physique simple. C’est le passage d’une substance de l’état solide à l’état gazeux

directement. On dessèche donc l’aliment ou le produit en le mettant sous vide : la

glace devient de la vapeur et elle est récupérée.

Le diagramme de phase de l’eau représente la phase de l’eau selon la température

et la pression telle qu’exprimée par la figure suivante.

Au point eutectique (point triple), il y a équilibre entre les trois phases. C’est le

point III, en vert foncé. Le diagramme est un peu plus complexe que ce que l’on

explique. Il s’agit de se représenter la zone en vert foncé par un point pour mieux

le comparer au diagramme suivant qui montre les étapes de la lyophilisation.

3. DESSICATION SECONDAIRE OU SÉCHAGE FINAL

Cette dernière étape débute lorsque toute la glace est sublimée. Les aliments sont

alors séchés. La température s’élève spontanément une fois que toute l’eau a été

sublimée. Une température variant entre 20 et 70 °C pendant deux à six heures

permet d’amener une humidité résiduelle entre 2 et 8 %.

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LE PROCESSUS DE LYOPHILISATION :

La lyophilisation consiste à évacuer l’humidité contenue dans les matériaux

gelés par sublimation (c.-à-d. que la glace qui s’y trouve est transformée

directement en vapeur d’eau – elle ne fond pas pour ensuite évaporer). En général,

l’opération s’effectue dans un lyophilisateur et la vitesse de séchage varie selon la

température et la pression. Ainsi, tout lyophilisateur permet normalement de régler

la température, la pression, ou les deux.

Le séchage par lyophilisation est un procédé de conservation-restauration de

grande valeur, car le rétrécissement, la déformation et l’affaissement qu’il entraîne

sont moindres que lorsque les objets sont séchés à l’air. De plus, si l’on maintient

la température de l’objet bien au-dessous de 0° C pendant tout le processus, on

peut réduire davantage les risques de dommages liés au séchage. Cependant, la

baisse de température occasionne une diminution de la pression de vapeur de la

glace (voir Tableau ), ce qui réduit sa capacité de sublimation et ralentit donc le

processus de lyophilisation.

La lyophilisation sous vide permet de contourner ce problème en utilisant une

pompe à vide pour extraire l’air et la vapeur d’eau de l’enceinte, abaissant ainsi

la pression de l’air . Quand la pression dans l’enceinte se rapproche de la pression

de vapeur de la glace, la sublimation augmente et le séchage commence. La vitesse

de séchage est directement tributaire de l’écart entre la pression du système et la

pression de vapeur de la glace. À mesure que la pression de l’enceinte baisse, la

vitesse de séchage augmente. Toutefois, si la pression de l’enceinte est trop faible,

il n’y a pas de transfert de chaleur à l’objet par convection, la température de

l’objet chute et le séchage est interrompu.

Au cours du processus de lyophilisation, la vapeur d’eau qui se sublime de l’objet

forme de la glace sur les parois froides du condenseur. Cette glace doit être enlevée

périodiquement pendant la lyophilisation en dégivrant le condenseur.

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LYOPHILISATEUR :

On peut trouver des lyophilisateurs sur le marché qui conviennent à la

restauration. Leur taille varie, passant des petites unités pour comptoir aux grandes

installations avec enceinte pouvant contenir plusieurs mètres cubes de matériaux.

Un lyophilisateur typique compte quatre principaux composants : une pompe à

vide, une enceinte réfrigérée, un condenseur et un panneau de commande (voir

Figure ).

LES PRINCIPAUX COMPOSANTS :

LA pompe À VIDE :

La pompe à vide extrait l’air et la vapeur d’eau de l’enceinte. Sa plus

importante caractéristique est donc le degré de vide qu’elle peut créer, plus

particulièrement aux basses températures, où la pression de vapeur de la glace

décroît. Le débit (nombre de litres d’air et de vapeur d’eau extraits par minute) est

également très important, car il permet de régler la vitesse de l’extraction.

Les pompes à vide modernes (à entraînement direct ou à palettes rotatives) sont

préférables aux anciennes pompes à piston, car elles sont moins sensibles à l’eau.

Le besoin d’extraire l’eau qui s’accumule dans l’huile de la pompe est ainsi réduit,

avantage non négligeable lorsqu’il faut extraire de grandes quantités d’eau d’un

matériau gelé. (Pour extraire l’humidité, il faut ouvrir un robinet de ballast à gaz

sur le dessus de la pompe, ce qui fait augmenter sa température de fonctionnement

et ralentit donc le séchage.)

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L’enceinte réfrigérée :

C’est dans l’enceinte réfrigérée que l’on place l’objet à sécher. Ainsi, la taille de

l’enceinte détermine les objets qui peuvent y être traités. Les petites enceintes sont

moins coûteuses que les grandes, autant à l’achat qu’à l’entretien. Pour traiter des

objets de grande taille, on peut agrandir une petite enceinte au moyen d’un ajout

bien isolé.

C’est au moyen de la réfrigération mécanique que l’on refroidit les enceintes. Il est

important de connaître le genre de frigorigène dont se sert le système, surtout s’il

est question d’acheter de l’équipement d’occasion. Un grand nombre de

frigorigènes traditionnels sont maintenant interdits et ne sont plus fabriqués.

Les meilleures enceintes sont en acier inoxydable, métal qui ne rouille pas et qui

est facile à nettoyer et à désinfecter après le séchage d’objets couverts de

moisissures. Certains lyophilisateurs bon marché ont des enceintes en métal enduit

ou peint qui, avec le temps, risquent de rouiller .Certains lyophilisateurs sont dotés

d’étagères chauffantes dans l’enceinte de réfrigération. Ils servent souvent dans

l’industrie de l’alimentation, mais leur utilisation n’est généralement pas

recommandée pour des objets culturels.

Le condenseur :

Le condenseur retient la vapeur d’eau qui se sublime des objets gelés lorsqu’ils

sèchent. Il en existe deux types : le condenseur à réfrigération mécanique, ou celui

à piège de condensation refroidi par du méthanol de la glace sèche ou de l’azote

liquide. Si le deuxième type est moins coûteux sur le plan de l’équipement, il faut

le surveiller et l’entretenir tous les jours, ce qui augmente les frais d’exploitation.

Le condenseur à réfrigération mécanique est donc un

meilleur choix. Les condenseurs doivent être en acier inoxydable et construits de

façon à offrir la plus grande surface possible pour la formation de la glace. Ils

peuvent être dotés d’un faisceau de tubes pour le frigorigène disposés à l’intérieur

du tambour, ou comporter des tubes de frigorigène isolés, fixés sur la paroi

extérieure du tambour. Comme il est plus facile d’enlever le bouchon de glace si

les tubes sont à l’extérieur du tambour, cette configuration est préférable.

SUIVRE L’ÉVOLUTION DU SÉCHAGE :

Il est possible de suivre l’évolution du séchage au moyen des méthodes

suivantes (la première est la plus connue) :

• pesage de l’objet.

• détermination de la température de l’objet.

• mesure des variations de pression dans l’enceinte.

Chaque méthode possède des avantages et des inconvénients : les deux dernières

permettent de surveiller le séchage tout en conservant le vide à l’intérieur de

l’enceinte, évitant ainsi de ralentir le séchage. La première est toutefois plus facile

à appliquer et ne requiert pas l’insertion d’une sonde dans l’objet.

Pesage de l’objet

Le poids d’un objet en cours de séchage par lyophilisation diminue à mesure que

l’humidité se sublime, mais se stabilise dès que l’objet est sec. Le pesage de l’objet

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à intervalles au cours de la lyophilisation est donc une façon la plus souvent

utilisée, en fait de suivre l’évolution du séchage (voir Figure , où le séchage était

terminé au jour 15).

Il s’agit d’une méthode simple qui n’exige qu’une balance à plateau supérieur.

Cependant, il s’agit également d’une méthode qui ralentit le séchage, car il faut

ouvrir l’enceinte pour peser l’objet.

Détermination de la température de l’objet :

La température interne d’un objet mouillé qui sèche par lyophilisation est

inférieure à sa température en surface, mais la différence disparaît à mesure que

l’objet sèche.

On peut donc suivre l’évolution du séchage en mesurant la température interne et

en surface de l’objet. Il s’agit de la technique la plus souvent utilisée lorsque les

étagères du lyophilisateur sont chauffantes. En raison des risques de dommages

causés par le surchauffage et par l’insertion d’une sonde de température dans

l’objet, on l’utilise rarement avec des objets culturels. Cependant, on l’utilise

parfois pour des pièces de grande taille, comme celles de navires en bois.

Mesure des variations de pression Comme l’humidité qui se sublime des objets qui

sèchent modifie la pression à l’intérieur de l’enceinte, ces variations nous

permettent de savoir où en est le séchage.

Cette technique requiert une soupape pour isoler l’enceinte de la pompe à vide,

ainsi qu’un dispositif pour mesurer la pression avec précision (les variations sont

souvent minimes vers la fin du séchage). Il faut d’abord déterminer le taux de fuite

de l’enceinte vide en fermant la soupape et en notant le taux de repressurisation

dans l’enceinte isolée. Il faut répéter cette opération à intervalles pendant tout le

processus du séchage. À mesure que l’humidité se sublime de l’objet, le capteur de

pression enregistre l’augmentation de la vapeur d’eau et le taux de repressurisation

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de l’enceinte. Tant que le séchage n’est pas terminé, le taux de repressurisation de

l’enceinte qui contient l’objet sera supérieur à celui de l’enceinte vide. Lorsque les

deux taux sont égaux, l’objet est considéré comme étant sec.

ALIMENTS LYOPHILISÉS :

La lyophilisation peut être utilisée pour la grande majorité des produits

alimentaires. Voici une liste non exhaustive des principaux produits lyophilisés : le

café en poudre, le cacao en poudre (la compagnie Nestlé), certains fruits et

légumes, des sachets de soupes et de sauces, des yogourts, des plats cuisinés

pour le plein air et pour les astronautes.

La NASA a été l’un des premiers consommateurs de ces produits. Les astronautes

ont besoin d’une nourriture de bonne qualité et les navettes spatiales sont limitées

en ce qui concerne le poids et le volume.

DURÉE DE CONSERVATION ET RÉHYDRATATION :

La conservation des aliments lyophilisés peut durer plusieurs années.

L’emballage sous vide (non nécessaire sur de courtes périodes) permet de

conserver des vitamines (A, C et B) qui se détériorent à l’air ambiant. Les

emballages opaques permettent de conserver la vitamine B12 qui est très sensible à

la lumière.

La réhydratation des aliments lyophilisés est beaucoup plus facile que pour des

aliments déshydratés. La structure poreuse des aliments qui ont été lyophilisés rend

la réhydratation possible avec de l’eau froide ou chaude, et ce, en quelques

minutes. L’aspect organoleptique comprend le goût, l’odeur, la couleur, l’aspect

visuel et la consistance de l’aliment. La lyophilisation est une des meilleures

méthodes de séchage puisqu’elle conserve ces caractéristiques organoleptiques .

AVANTAGES ET LES INCONVÉNIENTS DE LA LYOPHILISATION :

Avantages :

Le principal avantage de la lyophilisation est que l’aliment garde sa structure

et ses saveurs comparativement au séchoir commercial.

La réfrigération n’est pas nécessaire pour conserver les aliments lyophilisés.

Le poids des aliments est aussi diminué par la lyophilisation. C’est un

avantage pour le transport.

La réhydratation des aliments lyophilisés se fait très rapidement car ils ont

une texture très poreuse.

Inconvénients :

C’est une méthode très coûteuse. Il faut environ 1500 kWh d’énergie pour

éliminer une tonne d’eau. De plus, les installations (dont le lyophilisateur)

sont très dispendieuses.

À cause des coûts, la généralisation aux produits courants est impossible.

Cependant, la lyophilisation est utile pour les aliments qui composent les

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repas pour les randonnées pédestres ainsi que pour la nourriture des

astronautes.

Il faut faire attention à la conservation de ces aliments lyophilisés, car ils

captent facilement l’humidité de l’air. Il faut souvent utiliser des emballages

à atmosphère contrôlée (sous vide).

On peut traiter les aliments qui sont en gros morceaux, mais ils nécessitent

trop d’énergie à produire, donc leur vente est très coûteuse. La lyophilisation

est donc limitée aux aliments en poudre ou en très petits morceaux.

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CONCLUSION :

La conservation des aliments est une problématique essentielle pour

l'Homme qui a dû mettre au point des techniques de conservation pour aboutir à

ses fins. Il a d'abord développé le fumage, le séchage ou encore la congélation

permettant la longue conservation d'aliments tels que la viande, les fruits, etc La

lyophilisation est aussi une méthode de conservation des aliments qui permet de

répondre pleinement aux nouvelles exigences de l'industrie :

la diminution de volume pour le stockage .

la conservation de produits non alimentaires.

La conservation sans pertes de propriétés du produit

- une reconstitution du produit à l'identique (ou presque) lors de la

consommation