Nouveaux matériaux d’échangeurs de chaleur pour l’agroalimentaire

New heat-exchanger materials for the food industry

• Auteur / Autrice : Caroline Françolle de Almeida
• Direction : Alain Celzard, Vanessa Fierro
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 03/12/2021
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale C2MP - Chimie mécanique matériaux physique (Lorraine)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Jean Lamour (Nancy ; Vandoeuvre-lès-Nancy ; Metz)
• Jury : Président / Présidente : Maude Jimenez
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alain Celzard, Vanessa Fierro, Anouk Galtayries, Michel Havet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Anouk Galtayries, Michel Havet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Chimie des surfaces

Carbones poreux

Composites

Échangeurs de chaleur -- Encrassement

Matériaux

Échangeurs de chaleur

Matériaux pour les industries agroalimentaires

Mots clés libres

Agroalimentaire

Anti-Encrassement

Composites

Carbones poreux

Porous carbons

Food industry

Anti-Fouling

Composites

Résumé

Dans cette thèse, des matériaux carbonés ont été étudiés à l’état brut, imprégné, greffé chimiquement ou encore revêtu, pour remplacer l’acier inoxydable dans les échangeurs de chaleur et réduire l’encrassement tout en améliorant l’efficacité énergétique. Différents matériaux ont été utilisés : (i) graphite et composites à base de graphite ; (ii) carbone vitreux avec une énergie de surface et une rugosité contrôlées pour devenir des bases de surfaces poreuses imprégnées de liquide glissant (Slippery Liquid-Infused Porous Surface : SLIPS), et traitées pour devenir superhydrophobes. En outre, des revêtements et des surfaces avec une texture imprimée en 3D à base de polymères ont également été préparés. Une fois ces surfaces caractérisées (composition, structure, propriétés de surface, conductivité thermique), elles ont été testées en termes de propriétés « anti-fouling » et « fouling-release » dans un pilote de pasteurisation à l’institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement in Villeneuve d'Ascq, France. Parmi tous ces matériaux, le graphite et le composite graphite-polytétrafluoroéthylène ainsi que les revêtements à base de PVDF (polyfluorure de vinylidène) et de PTFE ont montré de bonnes propriétés fouling-release. Le carbone vitreux est devenu superhydrophile après gravure ionique réactive, a pu être converti en SLIPS en introduisant de l’huile de canola, et est devenu superhydrophobe en lui greffant des chaînes de perfluorosilane. Les résultats des tests d’encrassement ont montré que plus la surface est hydrophobe, plus la masse d’encrassement est importante, mais qu’on peut en attendre de bonnes propriétés fouling-release si leur caractère superhydrophobe, ou le piégeage de l’huile pour les SLIPS, peuvent être maintenus dans le temps. D’autre part, les propriétés fouling-release dépendent fortement du produit utilisé et des conditions du procédé ainsi que des propriétés superficielles telles que la rugosité et l’énergie de surface.

In this thesis, carbonaceous materials were studied in their raw, impregnated, chemically grafted or coated state to replace stainless steel in heat exchangers and reduce fouling while improving energy efficiency. Different materials have been used: (i) graphite and graphite-based composites; (ii) glassy carbon with controlled surface energy and roughness to become bases of Slippery Liquid-Infused Porous Surface (SLIPS), and treated to become superhydrophobic. In addition, polymer-based coatings and surfaces with a 3D-printed texture were also prepared. Once these surfaces were characterized (composition, structure, surface properties, thermal conductivity), they were tested in terms of anti-fouling and fouling-release properties in a pasteurization pilot at l’institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement in Villeneuve d'Ascq, France. Among all these materials, graphite and graphite- polytetrafluoroethylene composite as well as Polyvinylidene fluoride and PTFE-based coatings showed good fouling-release properties. Glassy carbon became superhydrophilic after reactive ion etching, could be converted into SLIPS by introducing canola oil, and became superhydrophobic by grafting perfluorosilane chains onto it. The results of fouling tests showed that the more hydrophobic the surface, the greater the fouling mass, but that good fouling-release properties can be expected if their superhydrophobic character, or oil trapping for SLIPS, can be maintained over time. On the other hand, the fouling-release properties depend strongly on the product used and the process conditions as well as on surface properties such as roughness and surface energy.