Brevet FR2689967A1 — publié le 19931015

L'invention concerne un procédé et un dispositif de traitement thermo-mécanique, par détente contrôlée, de produits divers. Le marché des légumes déshydratés a connu, au cours de ces dix dernières années, un développement très important. A titre d'exemple, le marché européen actuel des soupes à réhydratation rapide s'élève actuellement à environ 5 000 tonnes par an. Cependant, depuis quelques années, on note une dégradation de la consommation de cette présentation sous la forme sèche, au profit d'une présentation sous la forme liquide, en conditionnement sous-vide. En effet, la quasi-totalité des consommateurs disposent maintenant de fours à micro-ondes, permettant le réchauffage, sous quelques minutes, d'une soupe conditionnée sous-vide. Par contre, dans le cas de la présentation sous la forme sèche, il est impératif de procéder, préalablement à la consommation, sauf rares exceptions (champignons,...), à une réhydratation du produit, opération nécessitant une certaine durée d'infusion pouvant atteindre une dizaine de minutes. Pourtant, les méthodes ci-dessus évoquées (présentation des soupes sous forme liquide) se révèlent coûteuses sur le ptan des investissements et de la conservation énergétique, alors que le conditionnement sous-vide d'air impose des contraintes de péremption, de stockage et de manutention, incompatibles avec des transports à grande distance, à des températures ambiantes incontrôlées (risque de gel, d'accélération du développement bactérien, etc.). Tout ceci se répercute, bien évidemment, sur le prix de revient des produits finis et, par conséquent, sur leur prix de vente, ce qui limite considérablement leur diffusion aux quelques pays développés. Le recours au séchage semble ainsi inévitable, à condition de pouvoir améliorer la qualité des produits finis et, plus particulièrement, réduire la durée de réhydratation des produits à quelques minutes (durée d'infusion ne devant pas dépasser deux ou trois minutes). Or, la méthode de déshydratation la plus répandue, notamment dans le cas de produits végétaux, reste le séchage sous air chaud, à une température voisine de celle de pasteurisation, c'est-àdire 70" C. Cette méthode, ayant le grand avantage d'un coût extrêmement peu élevé, ne permet d'obtenir qu'une qualité réduite de produit fini. Le temps de réhydratation est alors de l'ordre de 15 minutes. Couplée à un traitement chimique (par acide citrique, par exemple), elle doit permettre d'obtenir des produits à durée de réhydratation de l'ordre de 5 minutes ; là, une perte relative de produit et un rejet assez important de DCO rendent l'opération peu satisfaisante. D'autres types de méthodes de séchage permettent d'obtenir une très bonne qualité de produits finis, aux deux niveaux de la qualité (texture, vitamines, etc.) et de la capacité de réhydratation. Citons, ainsi, la déshydratation par sublimation à basse température sous-vide poussé (lyophilisation). La matière est d'abord surgelée, puis l'eau est sublimée, sous une pression pouvant atteindre 0,1 Pa. Cependant, la transformation du liquide en place, lors de la surgélation, fait éclater une partie des cellules de la matière et permet, lors de la mise sous vide, I'évaporation de la quasitotalité du liquide contenu dans celle-ci, y compris le suc vacuolaire. Bien que l'éclatement des cellules puisse être attenué, en recourant à une surgélation très rapide, et malgré la bonne qualité relative des produits finis, l'utilisation de la lyophilisation reste limitée aux cas des produits à très haute valeur ajoutée (produits pharmaceutiques, etc.), à cause du coût particulièrement exorbitant de l'opération. L'extension de son utilisation au domaine agro-alimentaire n'est donc que très rarement envisagée. Le maintien de l'utilisation du séchage par air chaud semble donc inéluctable, au niveau du prix de l'opération Le procédé exige, toutefois, une amélioration au niveau de la qualité des produits séchés. La modification des propriétés de la matière par traitement thermo-mécanique, objet de la présente invention, peut permettre la réalisation de cet objectif. L'utilisation de la détente, souvent instantanée, a été la base de diverses méthodes de soufflage, en particulier de céréales. Une partie de ces méthodes fait appel, avant la détente, à une pression initiale assez élevée et à une détente vers la pression atmosphérique ; I'opération consiste à utiliser, généralement, de la vapeur d'eau surchauffée et une pression élevée, suivie d'une détente explosive ramenant Ensemble à la pression atmosphérique. Par cette méthode, I'eau contenue au sein de la matière, portée à une température supérieure à 100 OO C, (point d'ébullition à pression atmosphérique) se vaporise partiellement lors de la détente vers la pression atmosphérique, engendrant ainsi une force capable, suivant les caractéristiques physiques et rhéologiques de la matière, de produire une expansion du produit. Après avoir été ainsi soufflée, la matière est séchée de façon conventionnelle (à un niveau inférieur à 4 % d'humidité). Cette méthode exige des températures de traitement trop élevées pour que puisse être évitée la dégradation thermique de matières thermiquement fragiles, malgré la rapidité d'application . ta porosité obtenue n'est pas nécessairement celle souhaitée ; en effet, une trop grande porosité peut être inacceptable pour certaines matières et certaines utilisations. La présente invention a pour but de remédier à l'ensemble de ces inconvénients. Cette invention, telle qu'elle se caractérise, résout le problème consistant à créer un procédé et un dispositif de traitement thermo-mécanique, avec lesquels, d'une part, les paramètres opératoires puissent être parfaitement controlés et, d'autre part, les matières fragiles puissent être traitées à une température initiale suffisamment faible pour éviter leur dégradation. Le procédé de traitement thermo-mécanique par détente contrôlée, consistant en un chauffage du produit couplé à sa mise sous pression, et en une détente vers une pression réduite suivie, éventuellement, d'un séchage, selon l'invention, se caractérise, principalement, en ce que la détente est contrôlée, par les niveaux antérieur et ultérieur de la pression et par le temps de détente proprement dit, la pression, . relativement basse, intervenant après avoir soumis le produit, préalablement humide, à un chauffage combiné à une mise sous-pression élevée, ceci en observant les étapes suivantes a) prétraitement de forme, d'humidité, etc... b) introduction du produit dans une enceinte de traitement hermétique, c) mise sous pression de l'enceinte et chauffage du produit à des valeurs (T, P) prédéterminées en fonction de la nature du produit et du résultat à atteindre, d) maintien du produit dans les conditions de pression et de température établies à la phase précédente (c), pendant une durée (t) déterminée. e) mise en communication de l'enceinte de traitement avec un réservoir à vide, en contrôlant le temps de détent f) post-traitement éventuel. Dans le cas du traitement de légumes, ceux-ci sont, à l'étape (a), préalablement séchés par convection, puis réhumidifiés à une teneur dépendant de l'objectif à atteindre et du degré de liaison de l'eau, comprise entre 2 et 900 %. Le chauffage du produit, prévu à l'étape (c), peut être réalisé après une mise sous vide dans l'enceinte, tout particulièrement dans le cas d'un chauffage par gaz caloporteur et pour des échantillons épais. Lorsque le chauffage et la mise sous pression, prévus à l'étape (c), s'effectuent par l'intermédiaire d'un gaz caloporteur, tel que la vapeur d'eau sous pression, par exemple, le chauffage et la mise sous pression sont couplés. Dans ce cas, et afin de réduire le degré de dégradation thermique du produit, on peut procéder à une instauration progressive de la pression ; le produit n'étant soumis à la pression finale et à la température élevée que durant un temps réduit de l'opération. La pression maximale, prévue à l'étape (c), dépend des caractéristiques mécaniques de l'enceinte et peut atteindre plus de 15 bars. Le temps de détente - étape (e) - est compris entre l'instantané et plusieurs minutes, selon le résultat à atteindre et en fonction des volumes mis en jeu. La pression finale, obtenue à l'étape (e), dépend du rapport des volumes et des pressions initiales dans l'enceinte de traitement et dans le réservoir à vide, ainsi que de la température, de la composition et de la quantité de produit à traiter. Cette pression finale peut atteindre un niveau inférieur à 10-3 bar. Cette pression, permettant de fixer la température juste à la fin de la détente, est définie afin que la transformation soit parfaitement irréversible ; dans le cas de soufflage, la transition vitreuse pourrait être l'étape limite à respecter (rigidification de la nouvelle structure). L'étape (f) consiste, dans le cas du traitement de légumes, en un séchage final classique, permettant au produit d'atteindre le niveau d'humidité final désiré. Les avantages obtenus, grâce à cette invention, consistent essentiellement en ceci que ie procédé et le dispositif, selon l'invention, permettent d'agir sur le produit d'une façon rapide, précise et parfaitement contrôlée, avec une bonne préservation de la qualité d'un produit organique ou non, même dans le cas de produits thermiquement fragiles, en modifiant, de façon irréversible, précise et bien définie, les propriétés biologiques mécaniques, texturales et fonctionnelles de produits divers, à travers le gonflement des biopolymères, la modification de la structure à l'échelle cellulaire et/ou à l'échelle macroscopique. Appliqué à des produits végétaux, et tout particulièrement à des légumes, ce procédé permet de préserver les arômes, la couleur, la forme et la texture ; il permet aussi de réduire considérablement la consommation énergétique et, par conséquent, le prix de revient. Les légumes, ainsi séchés, présentent des propriétés proches de celles obtenues par lyophilisation et répondent aux contraintes de réhydratation souhaitées par les consommateurs ; ceci pour un investissement réduit, puisque ce procédé et ce dispositif s'intègrent parfaitement dans un procédé de séchage conventionnel à air chaud. S'ajoutent à ces avantages, une réduction des rejets industriels d'environ 20 % de DCO, une réduction de l'énergie de traitement des eaux usées, la dissuasion de l'ajout de produits chimiques dans les produits déshydratés, et une économie de matières premières. D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront dans la description qui va suivre d'un mode d'application du procédé et du dispositif selon l'invention, apptiqué au traitement de pommes de terre et de carottes, donné à titre d'exemple non limitatif, au regard du dessin annexé, donnant une représentation schématique du dispositif. Le schéma représente une enceinte de traitement contenant les produits à traiter 3, comportant une entrée de gaz caloporteur 1, contrôlée par une vanne 13, une ouverture obturable 1 2 d'admission des produits 3, une sortie étanche il, des capteurs et du système de contrôle ; ladite enceinte de traitement 2 étant raccordée à un moyen de contrôle 4 du temps d' ouverture de la vanne 5 de communication avec le réservoir à vide 6, mis en dépression par une pompe à vide 8 par l'intermédiaire d'une vanne 14 et d'un condenseur 7 ; ledit réservoir à vide contrôlé 6 étant relié, à sa partie inférieure, par l'intermédiaire d'une vanne 15, avec une enceinte 10 de récupération de l'eau condensée. En examinant plus en détail le schéma, on remarque que l'enceinte de traitement 2 est de faible volume (inférieur à 10 litres), dans laquelle peut être obtenue, par ouverture de la vanne 13 de contrôle, I'admission du gaz caloporteur 1 à une pression contrôlée (vide primaire ou haute pression - inférieure à 10 bars) ; un manomètre mécanique permettant de mesurer la pression dans l'enceinte avec une précision de l'ordre de 1/20 de bar. La sortie électrique étanche 11 permet l'installation de quatre thermocouples de dimensions relativement petites, permettant d'en disposer à l'intérieur même d'un échantillon des produits 3. Cette mesure de température permet de suivre l'évolution du système, depuis le début du traitement jusqu'a la fin de la détente. L'ensemble étant relié à un enregistreur à deux voies et étant géré par un ensemble de pilotage pneumatique.Le volume du réservoir à vide 6 est nettement supérieur à celui de l'enceinte dans la proportion de 1 à 100, un système de sas permet la vidange, par le bas, du réservoir. La vanne 5, de dimension voisine de celle de l'enceinte 2, est à ouverture contrôlée par un dispositif 9. Selon un mode de réalisation, la vanne 5 est une vanne à boisseau, à rotation commandée par un dispositif 9 constitué d'un levier actionné par un vérin à débattement contrôlé en fonction de la durée de la détente à assurer dans I'enceinte de traitement 2. Dans certains cas, le chauffage est assuré par conduction ou par rayonnement, notamment lorsque la haute pression n'est pas due au gaz caloporteur. Les paramètres opératoires contrôlés sont: t: Pression dans l'enceinte 2 juste avant l'injection du gaz caloporteur O P : Pression dans l'enceinte juste avant la détente 1 bar T : Température du produit juste avant la détente 30 avant la détente à T et P 2 sec P1 : Pression initiale dans le réservoir à vide 6 10-5 P: Pression dans l'ensemble 2 + 6 aprés la détente 1 10-3 W : teneur en humidité du produit 2 (masse de l'humidité/masse de matière sèche) Le processus est d'autant plus contrôlé que le sont tous les paramètres, tels que le conditionnement et le développement des différents - température et temps de chauffage initial T et t, - pression initiale P, à laquelle est soumis le produit, ainsi que la pression t avant J1 injection du gaz caloporteur, - température instantanée déterminée à la fin de la détente par instauration d'un vide pré-défini (pression finale P). - temps d'instauration de la détente. Le vide peut être tout particulièrement poussé ; la valeur de la pression finale dépendant, en fait, des pressions initiales dans l'enceinte et dans le réservoir à vide et du rapport de volume existant entre les deux. La définition de la valeur de la pression finale dépend d'éléments divers, car elle doit permettre - la vaporisation d'une partie du fluide, en 'occurrence l'eau, la température d'ébullition du fluide sous cette pression devant être inférieure à la température initiale de l'échantillon. Elle est définie en fonction des caractéristiques et comportement de la matière (dégradation, cuisson, transition de phase, etc...), - une modification mécanique aux différentes échelles locales, cellulaires et macroscopiques ; cette modification étant strictement liée à la durée de la détente qui dépend, entre autres, du gradient de pression existant entre les deux enceintes. Lorsque le produit contient un fluide, autre que de l'eau, il est nécessaire que ledit produit soit préalablement mis à une température initiale supérieure à la température d'ébullition du fluide à la pression finale du procédé, mais inférieure à celle de la pression initiale. Le procédé et le dispositif selon l'invention se caractérisent donc par leur capacité de traitement divers, à différentes échelles structurales (locales, cellulaires et globales), pouvant se substituer à divers procédés de traitement déjà connus (soufflage, refroidissement, ... par détente) mais pouvant s'étendre à de nombreux autres cas. Dans le cas du soufflage, par exemple, ils se caractérisent par la possibilité de traiter des produits, fragiles au niveau thermique, avec une expansion particulièrement bien contrôlée et un degré de dégradation thermique extrémement réduit. En effet, le point fort de l'invention se situe au niveau de la possibilité de contrôle de tous les paramètres opératoires. D'autres applications se situent dans de nombreux domaines, exigeant une modification, d'une façon irréversible, précise et bien définie, des propriétés biologiques, mécaniques, texturales et fonctionnelles de produits divers, à travers le gonflement des biopolymères, la modification de la structure à l'échelle cellulaire et/ou macroscopique. EXEMPLES DE TRAITEMENT Les exempies ci-dessous sont donnés à titre indicatif et sont limités, dans ces cas, à un traitement, en vue du soufflage contrôlé de légumes, en utilisant, comme principal paramètre de contrôle, le taux d'expansion epselon 6 défini comme étant le rapport de volume après et avant l'opération ; un même taux d'expansion peut être obtenu pour différentes valeurs des paramètres opératoires : c'est la qualité qui détermine le choix. Pomme de terre: Taux d'expansion Conditions opératoires Qualité # = 1,75 W: 13 % Trés bonne qualité aux dimensions; 10X10X2 mm mode de chauffage niveaux de la coulleur (Claire), vapeur d'eau saturante à la capacité de réhydratation, P: 4,75 bar et la texture. t: 20 secondes Pt: 0,1 bar #: 2 secondes s = 1,75 W: 23% Couleur: foncée dimensions: 10X10X2 mm mode de cnaumage vapeur d'eau saturante à Capacité de réhydratation: P: 6 bar moyenne t: 40 secondes P1: 0,1 bar Texture: bonne croustillance. #: 2 secondes # = 1,9 W: 23 % Couleur: claire naturelle dimensions: 10X10X2 mm mode de chauffage. vapeur d'eau saturante à Capacité de réhydratation: P: montée par paliers: rapide t1: 45 S à 3,5 bar puis t2: 20 secondes à 5 bar. Texture: bonne croustillance. P1: 0,1 bar r: 2 secondes 5= 1,9 W: 23% Couleur: très foncée dimensions: 10X10X2 mm mode de chaumage, vapeur d'eau saturante à Capacité de réhydratation P: 6 bar médiocre t: 70 s Pt: 0,1 bar Texture: croustillante. x: 2 secondes W: 180% Couleur: très variable E = 2,2 W: 180% dimensions: 10X10X2 mm3 Capacité de réhydratation: P: 6 bar d'air comprimé bonne à moyenne t: 4 minute P1: 0,1 bar Texture: croustillante. r: 2 secondes Carotte: Taux d'expansion Conditions opératoires Qualité # = 2,2 dimensions: 16X16X2 mm Très bonne qualité aux W: 22% niveaux de la couleur mode de chauffage (naturelle), la capacité de vapeur d'eau saturante à réhydratation (réhydratation P: montée par paliers: trés rapide), et la texture. t1: 25 s à 3 bar puis t2: 20 secondes à 5 bar. P1: 0,1 bar #: 2 secondes # = 2,2 dimensions: 16X16X2 mm Couleur: foncée W: 23% mode de chauffage Capacité de réhydratation: vapeur d'eau saturante à moyenne P: 5 bar t: 45 secondes Texture: bonne crousillance. P1: 0,1 bar #: 2 secondes # = 1,9 dimensions: 16X16X2 mm Couleur: claire naturelle W: 23 % mode de chauffage Capacité de réhydratation: vapeur d'eau saturante à rapide P: 3 bar t: 45 s Texture: bonne croustillance. P1: 0,1 bar #: 2 secondes # = 2,2 dimensions: 10X10X2 mm Couleur: claire naturelle W: 150 % mode de chauffage Capacité de réhydratation: Infra-Rouge bonne à moyenne P: 5 bar d'air comprimé t: 3 minute Texture: bonne croustillante. P1: 0,1 bar #: 2 secondes REVENDICATIONS 1) Procédé de traitement thermo-mécanique de produits divers, par soufflage, par détente vers une pression réduite dans une enceinte permettant le chauffage du produit et une détente vers une pression réduite suivie d'un séchage, caractérisé en ce que la détente est contrôlée par les niveaux antérieur et ultérieur de la pression et par le temps de détente proprement dit ; la pression, relativement basse, intervenant après avoir soumis les produits, préalablement humides, à un chauffage combiné à une mise sous pression élevée, ceci en suivant les étapes suivantes a) prétraitement du produit concernant sa forme et son degré d'humidité, b) introduction du produit dans une enceinte de traitement hermétique, c) mise sous pression de l'enceinte et chauffage du produit à des valeurs (T, P) prédéterminées en fonction de la nature du produit et du résultat à atteindre. d) maintien du produit dans les conditions de pression et de température établies à la phase précédente (c), pendant une durée (t) déterminée, e) mise en communication de l'enceinte de traitement avec un réservoir à vide, en contrôlant le temps de détente, f) post-traitement éventuel du produit concernant, notamment, son degré d'humidité, 2) Procédé selon la revendication 1, appliqué au traitement de légumes, caractérisé en ce que, à l'étape (a), ceux-ci sont séchés par convection, puis réhumidifiés à une teneur dépendant de l'objectif à atteindre et du degré de liaison de l'eau. 3) Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la réhumidification s'effectue à une teneur en eau comprise entre 2 et 900 %. 4) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, lorsque le chauffage et la mise sous pression, prévus à l'étape (c), s'effectuent par l'intermédiaire d'un gaz caloporteur, tel que la vapeur d'eau sous pression, le chauffage et la mise sous pression sont couplés. 5) Procédé selon la revendication 1 ou 4, caractérisé en ce que le chauffage du produit, prévu à l'étape (c), est réalisé après une mise sous-vide dans l'enceinte, tout particulièrement dans le cas de l'utilisation d'un gaz caloporteur pour des produits épais. 6) Procédé selon la revendication 7 ou 4, caractérisé en ce que la mise sous pression du produit, prévue à l'étape (c), s'effectue progressivement. 7) Procédé selon la revendication 1 ou 4, caractérisé en ce que le produit n'est soumis à la température finale, prévue à l'étape (d), que durant un temps réduit, déterminé par rapport à la durée de l'étape (c). 8) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le temps (T) de la détente, résultant de la mise sous vide, prévue à t'étape (e), est compris entre zéro et plusieurs minutes ; ce temps ( 9) Procédé selon la revendication 1 ou 7, caractérisé en ce que la pression finale, prévue à l'étape (e), peut atteindre 10-3 bar. 10) Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que la valeur de la pression finale est déterminée en fonction de la température de la matière et de la quantité des produits à traiter. 11) Dispositif de mise en oeuvre du procédé selon les revendications 1 à 70 prises dans leur ensemble, caractérisé en ce que la mise sous pression (P) de l'enceinte de traitement (2) et le chauffage à une température (T) du produit (3) contenu dans celle-ci sont obtenus par introduction dans ladite enceinte de traitement, par l'intermédiaire de la vanne ( 13), du gaz caloporteur (1), en ce que les capteurs de mesure et le système de contrôle du déroulement des phases (c) et (d) du procédé sont reliés, à l'extérieur, par une sortie étanche (11), et en ce que la mise en communication de l'enceinte de traitement (2) avec le réservoir à vide (6) s'effectue par l'intermédiaire d'une vanne (5) associée a un moyen de contrôle (4) de l'ouverture de ladite vanne (5). 12) Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que la vanne (5) est une vanne à boisseau. 13) Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que le moyen de contrôle (4) de l'ouverture de la vanne (5) est constitué d'un levier, associé à un vérin à débattement déterminé en fonction de la durée de la détente à assurer dans l'enceinte de traitement (2).