Cours en ligne et simulateur de thermodynamique appliquée

Propriétés thermophysiques des produits alimentaires en solution

Les produits à concentrer sont des mélanges dont l'une des caractéristiques est qu'on peut généralement considérer qu'ils sont composés d'une part de divers composants stables sur le plan physico-chimique, et d'autre part d'eau susceptible de s'évaporer.

Ils peuvent donc être considérés comme mélange d'un soluté, produit sec de formulation éventuellement complexe, et du solvant, l'eau. Le mélange est alors caractérisé par la concentration x du produit sec, la température et la pression ne jouant qu'au second ordre, le liquide étant incompressible.

Le produit restant à l'état liquide, on peut dans Thermoptim utiliser le champ « titre » des points pour entrer cette concentration

Des chercheurs qui ont travaillé sur la modélisation des produits alimentaires ont montré qu'on pouvait les représenter avec une précision raisonnable en les décomposant en cinq types de composants :

  • protéines

  • lipides

  • glucides

  • fibres

  • cendres

Des équations donnant leurs principales caractéristiques thermodynamiques et propriétés de transport ont été déterminées pour ces fluides [Choi & Okos, 1986].

A titre d'exemple, le tableau ci-dessous donne la composition de la matière sèche du jus d'orange modélisé par la classe externe OrangeJuice [ASHRAE, 2002].

Protéines

Gras

Glucides

Fibres

Cendre

5,28 %

1,25 %

88 %

1,79%

3,67 %

Le tableau ci-dessous donne la composition massique de la matière sèche du lait écrémé modélisé par la classe externe SkimMilk.

Protéines

Gras

Glucides

Cendre

37,07 %

1,96 %

52,72 %

8,26 %

Le tableau ci-dessous donne la composition massique de la matière sèche du lait entier modélisé par la classe externe WholeMilk.

Protéines

Gras

Glucides

Cendre

3,28 %

3,66 %

4,65 %

0,72 %

Ces trois modèles sont disponibles ici.

Retard à l'ébullition

Une caractéristique importante à prendre en compte pour la modélisation de ces fluides est ce qu'on appelle le retard à l'ébullition.

La pression de vapeur saturante d'un mélange (soluté-solvant) diminue selon la loi de Raoult. Il en résulte que, à pression donnée, sa température d'ébullition est légèrement supérieure à celle du solvant pur. On appelle retard à l'ébullition ou élévation du point d'ébullition cet écart de température ΔTeb. Physiquement, cela vient de ce que la présence du soluté gêne l'évaporation du solvant, qui ne peut être faite qu'à température plus élevée.

On peut démontrer que ΔTeb est donné par la loi suivante :

ΔTeb = i x Keb/ρ

  • i est le coefficient de van't Hoff du soluté, représentatif du nombre de particules élémentaires (ions...) formés dans la solution ;

  • x est la concentration massique en soluté

  • Keb est la constante ébullioscopique du solvant pur ;

  • ρ est la masse volumique du solvant.

La loi ΔTeb = i x Keb/ρ indique que le retard à l'ébullition est proportionnel à x. En pratique, si l'on peut supposer que ρ et Keb sont constants, hypothèse valable pour un petit intervalle de température, il suffit de connaître quelques valeurs de ce retard à l'ébullition pour l'identifier sous la forme suivante :

ΔTeb = K x

Les classes externes utilisées dans les modèles présentés dans cette page tiennent compte du retard à l'ébullition, tout comme celles qui servent à modéliser les solutions aqueuses salines du type saumures ou eau de mer utilisées pour les études de dessalement ou d'évapoconcentration : classes EauSaleeJusPoisson ou EauSolute.

Références

ASHRAE, Thermal properties of foods, Refrigeration, Chapter 8, (SI) 2002

Choi, Y., Okos M.R.. 1986. Effects of temperature and composition on the thermal properties of foods. In Food Engineering and Process Applications, 1:93-101. M. LeMaguer and P. Jelen, eds. Elsevier Applied , Science Publishers, London.

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