# Eco-conception des procédés agro-alimentaires Approches et nouvelles opportunités

Geneviève Gésan-Guiziou

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Geneviève Gésan-Guiziou. Eco-conception des procédés agro-alimentaires Approches et nouvelles opportunités. SIA 2023: Une alimentation saine et durable pour tous, Feb 2023, Paris, France. hal-04015696

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Submitted on 6 Mar 2023

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INRAE
au sia
les rencontres

# Eco-conception des procédés agro-alimentaires
## Approches et nouvelles opportunités

Geneviève Gésan-Guiziou

UMR 1253 Science et Technologie du Lait et de l'œuf INRAE - Institut Agro Rennes

Jeudi 2 Mars 2023 / de 14h à 15h30

INRAE × SIA2023
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# Qu'est ce que l'éco-conception ?

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Intégration du paramètre « environnement »
dans la conception ou la re-conception d'un procédé
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Des efforts particuliers à faire sur les étapes de transformation (COP 21 Paris)

Evolution des émissions de gaz à effet de serre de la France entre 1990 et 2013

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-12 % pour les 10 prochaines années
et -50% d'ici 2050

-24 % pour les 10 prochaines années
et -75 % d'ici 2050
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Une prise en compte « récente » des critères environnementaux

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Trystram, 2014
Stratégie 1 : Minimisation des ressources & intrants ('bon sens')

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OU : Opération unitaire

* Diminution des intrants

- Changement de technologies

- Modifications de conditions opératoires

- Ré-utilisation / redistribution des flux en
utilisant des méthodes de conception
spécifiques (ex: Pinch)

- Diminution des coûts (driver = économie)

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- Actions uniques sur les consommations
d'eau et d'énergie

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- Non-prise en compte de modifications de
caractéristiques des produits

- Pas de recherche d'optimum

- Innovation faible, mais gains (éco-envi)
non négligeables
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# Stratégie 1 : Exemples

## - Ventilation des haloirs de fromagerie

EuropeanTruefood (2006-2010); Picque et al., IDJ (2009)

1. La ventilation séquentielle préconisée est basée sur le contrôle de la température de la cave

2. Économie sur la consommation électrique ~ 50-60 % de la consommation liée à la ventilation (2% de la consommation électrique de l'usine) sans affecter la qualité des fromages affinés

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Volume cave ~ 1300 m³
Fromages affinés ~ 20 000

## - Gestion des nettoyages de stérilisateur

Industrial project, Alvarez et al. IDJ (2010)

1. Le nettoyage-en-place est basé sur l'utilisation rationnelle de capteurs et traceurs et sur le traitement adapté des données recueillies lors du nettoyage d'un stérilisateur de crème dessert

2. Les temps de nettoyage et les volumes d'effluents ont été presque divisés par 2, sans altérer l'efficacité du nettoyage

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## Exemple stérilisateur crème Chocolat

### Situation initiale

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# Exemple stérilisateur crème Chocolat

## Situation revisitée

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Stratégie 2 : Evaluation des procédés par ACV

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OU : Opération unitaire

Analyse de
cycle de vie,
ACV

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MEANS

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* Simple et applicable

* Identifications des opérations les plus « pénalisantes »

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* Complexe quand le produit est affecté (Unité fonctionnelle non constante)

* Pas de proposition de solutions d'améliorations

* Pas de recherche d'optimum
Stratégie 2 : Procédé de fractionnement de protéines laitières

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- Description du procédé → Données

- Données industrielles

- Données expérimentales + logiciel de séchage (SD2P, Schuck et al. 2009)

- Base de données : Ecoinvent 3.0

- Description du procédé → 4 Etapes

- Production, nettoyage, équipement, transport

- Réalisation de l'ACV : Méthode ReCiPe + SimaPro 8.0
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# Stratégie 2 : Procédé de fractionnement de protéines laitières

## Résultats

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Les étapes de production (≈ 60 %) et nettoyage(≈ 30 %) sont les plus « pénalisantes » d'un point de vue environnemental

## Comparaison de stratégies de nettoyage

### ReCiPe (H) Endpoints

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C1: Ré-utilisation de l'eau à partir du procédé de concentration de lactose

→ réduction de la consommation d'eau

→ Mais besoin d'un « polisher »

C2: Rationalisation des étapes de nettoyage (moins de renouvellement des solutions de soude, réduction des durées de nettoyage, ...)

→ réduction des consommations d'eau, d'énergie et produits chimiques
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Stratégie 3 : Optimisation multi-objectifs

Madoumier et al., FBP, 2020
Azzaro-Pantel et al. FBP, 2022

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Optimisation simultanée d'objectifs contradictoires

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Manque de modèles phénoménologiques des procédés

→ Adaptation des simulateurs de procédés

→ Intégration de connaissances experts

→ analyse statistique
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Stratégie 3 : Evaporation de lait / simulateur

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☐ > 50% de la consommation énergétique du procédé de concentration / séchage du lait (Jebson, 1991)

☐ Plusieurs options de conception de l'évaporateur : nombre d'effets, turbine de production de vapeur, ...

☐ Aucune approche holistique de conception d'un évaporateur

> Utilisation d'un simulateur de procédé « adapté» pour

> Concevoir l'évaporateur (nombre d'effets)

> Choisir la source d'énergie primaire nécessaire pour la production de vapeur
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# Stratégie 3 : Evaporation de lait / simulateur

Madoumier et al., FBP, 2020
Azzaro-Pantel et al. FBP, 2022

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## Choix of Aspen Plus (Madoumier et al. JFE, 2015)

- Couplage facile avec des algorithmes d'optimisation

- Intégration possible de données/corrélations/ modèles dans le software par les utilisateurs
# Stratégie 3 : Evaporation de lait / simulateur

## Résultats : nombre d'effets

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Steam requirement: 6613 kg/h (0 - Ref)

Steam requirement: 4932 kg/h (-25%)

Steam requirement: 3608 kg/h (-45%)

### Paramètres du procédé

- Evaporateur film tombant

- 20 t/h of de lait écrémé
  50 % Extrait Sec du concentré

- Séquences de NEP constantes

- Energie primaire d'énergie = gaz

### Variables dans la conception

- Nombre d'effets([3 ; 4 ; 5])
# Stratégie 3 : Evaporation de lait / simulateur

## Résultats : choix de la source d'énergie primaire

ReCiPe

### Indicateurs environnementaux

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### Indicateurs économiques

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Natural gas

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Oil

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Wood chips

<table><thead><tr><td></td><td>Bénéfice Actualisé (+) (M€)</td><td>Retour sur investissement (-) (an)</td><td>Taux de rentabilité interne (+) (%)</td></tr></thead><tbody><tr><td>Gaz naturel (reference)</td><td>8,26</td><td>3,6</td><td>47</td></tr><tr><td>Fioul</td><td>9,34 (+13%)</td><td>3,4 (-7%)</td><td>51 (+9%)</td></tr><tr><td>Plaquettes de bois</td><td>9,54 (+16%)</td><td>4,0 (+9%)</td><td>42 (-10%)</td></tr></tbody></table>
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# Stratégie 3 : Evaporation de lait / simulateur

## Résultats : choix de la source d'énergie primaire

### Analyse multi-critères (M-TOPSIS)

<table><thead><tr><th rowspan="2"></th><th colspan="3">Combustible</th></tr><tr><th>Gaz naturel</th><th>Fioul</th><th>Plaquettes de bois</th></tr></thead><tbody><tr><td>Bénéfice actualisé, Score unique ReCiPe</td><td>1</td><td>3</td><td>2</td></tr><tr><td>3 indicateurs économiques, 3 scores ReCiPe</td><td>2</td><td>3</td><td>1</td></tr></tbody></table>
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## Conclusions

### Eco-conception de procédés alimentaires
Émergence < 20 ans

### 3 approches

1. Minimisation des ressources / intrants

2. Evaluation des procédés par ACV

3. Optimisation multi-objectifs

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### Vision holistique combinant modélisation, simulation et optimisation

Développer une approche systémique basée
sur le couplage entre

-des outils de modélisation des procédés,

-les logiciels d'évaluation environnementale (ex ACV) et économique,

- des méthodes d'optimisation multi-objectif et d'aide à la décision
› Merci
pour votre attention

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