Vers l'intensification du pressage industriel des agroressources par champs électriques pulsés : étude multi-échelles

Towards the intensification of industrial pressing of agricultural resources by pulsed electric fiels : multiscale study

• Auteur / Autrice : Nabil Grimi
• Direction : Jean Vaxelaire, Eugène Vorobiev
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés industriels et développement durable
• Date : Soutenance en 2009
• Etablissement(s) : Compiègne

Mots clés

Mots clés contrôlés

Champs électriques

Transformation

Légumes

Fruits -- Transformation

Mots clés libres

Electrotechnologie

Champs électriques pulsés

Perméabilisation

Végétaux

Extraction

Pressage

Sucres

Polyphénols

Caroténoïdes

Résumé

Ce travail de thèse étudie, d'une part, l'impact des champs électriques pulsés (CEP) sur la structure cellulaire et, d'autre part, l'extraction de jus et de composés intracellulaires à partir de végétaux par pressage combiné avec les CEP. Le pressage est réalisé aussi bien à l'échelle laboratoire qu’à l'échelle pilote. L'étude, la mise au point et la validation technique de la méthode innovante de traitement par CEP sont abordées pour intensifier l'extraction de jus et améliorer la qualité de l'extrait. Les synergies entre traitement par CEP, mode de pressage, rendement en jus et caractéristiques de l'extrait sont principalement étudiées. L'étude de l'impact des CEP (0,1-8 kV/cm) sur la structure cellulaire est menée expérimentalement sur plusieurs fruits et légumes (pommes, raisins, carottes, betteraves, pommes de terre…). Les essais sont appliqués sur des produits entiers et sur des produits fragmentés (rondelles ou cossettes). L'optimisation des paramètres de traitement électrique est réalisée par la mesure du degré d'endommagement des membranes cellulaires. Trois méthodes ont permis d'évaluer cette dénaturation cellulaire : la conductimétrie, la texturomètrie et la sonométrie. L'étude des propriétés filtrantes et texturales des tissus cellulaires (betteraves, pommes de terre et raisins) est effectuée à l'aide d'un texturomètre équipé d'un dispositif spécial de compression, et permettant le traitement électrique in situ. L'analyse a porté sur l'étude de la déformation, de la perméabilité et de la fragilisation des tissus dénaturés. Nous avons donc déterminé les pressions de fracture et le coefficient de consolidation. Cette étude a montré que la déformation du tissu est d'autant plus importante que le degré de dénaturation cellulaire est élevé. D'autre part, pour les baies de raisin, le pressage par palier de pression (montée progressive de la pression) est meilleur en terme de déformation de la structure cellulaire et par conséquent d'extraction de jus. L'extraction de jus et de composés intracellulaires par pressage est réalisée à l'échelle laboratoire sur des presses discontinues sur 40 à 1400 g de matière fraîche. Cette étude a mis en évidence les incidences qualitatives et quantitatives du couplage CEP-pressage. Les essais à l'échelle pilote en continu (presse à bandes ou à vis) jusqu’à 360 kg/h de produit ont permis de confirmer les observations réalisées à l'échelle laboratoire : le gain obtenu varie entre 4 et 54% selon les produits testés. La caractérisation physico-chimique des jus extraits montre une intensification par les CEP de l'extraction de molécules d’intérêt (caroténoïdes pour les carottes et polyphénols pour les raisins et les pommes). Une baisse de la turbidité et une augmentation de la pureté des jus de betterave à sucre sont obtenues par la mise en oeuvre de particules de grandes tailles prétraitées par CEP.

This research project presents, first, the impact of pulsed electric fields (PEF) on cell structure and, secondly, the extraction of juice and intracellular compounds from biomaterials by pressing combined with PEF. The pressing is performed both at the laboratory and pilot scales. The analysis, development and technical validation of the innovative PEF technology are discussed for the extraction of juice and the quality improvement of the extract. Relations between PEF treatment, pressing methods, juice yield and extract characteristics are studied. The effect of PEF treatment (0. 1-8 kV/cm) on cell structure is studied for various fruits and vegetables (apples, grapes, carrots, beets, potatoes. . . ). Experiments are performed on whole products and fragmented products (slices). The optimization study of the electrical treatment is carried out by measuring the degree of cell membranes damage. Three methods based on conductivity, texture and acoustic measurements were used in order to estimate the degree of cell damage. Filtration and textural properties of tissues (beet, potatoes and grapes) are studied by using a texturometer equipped with a special compression system, and allowing the electrical treatment in situ. The analysis focused on the study of deformation, permeability and fragility of damaged tissue. Therefore, the fracture pressure and the coefficient of consolidation were determined. This study has shown that tissue deformation is more important when the degree of cell damage is high. On the other hand, for the grapes case, progressive pressure increase is better in terms of deformation of cell structure and thus extraction of juice. The extraction of juice and intracellular compounds by pressing is performed at the laboratory scale on batch presses with 40 to 1400 g of fresh material. This study has highlighted the qualitative and quantitative impacts of the PEF-pressing method. Experiments at the continuous pilot scale (belt press or screw press) with up to 360 kg/h of product confirmed the results observed at the laboratory scale: the juice yield increases from 4 to 54% (depending on the product) after PEF treatment. The physico-chemical analysis of extracted juice showed that PEF treatment of vegetable tissues increases extraction of valuable compounds (carotenoids from carrots and polyphenols from grapes and apples). A lower turbidity and a higher purity of sugar beet juice are obtained when PEF are applied to large size of slices.