Modélisation des effets thermiques sur une suspension de granules d’amidon

Modelling thermal effects on starch granule suspension

• Auteur / Autrice : Arnesh Palanisamy
• Direction : Denis Flick, Marco Ramaioli, Paul Menut, Artemio Plana Fattori
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés
• Date : Soutenance le 08/04/2022
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Agriculture, Alimentation, Biologie, Environnement, Santé
• Partenaire(s) de recherche : référent : AgroParisTech (France ; 2007-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Biosphera (2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Paris-Saclay Food and Bioproduct Engineering (Massy, Essonne ; 2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Patrick Perré
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Stefan Luding, Guy Della Valle, Anne Matignon, Jean-Yves Delenne
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Stefan Luding, Guy Della Valle

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modélisation CFD

Méthode des éléments discrets

Amidons

Transfert de chaleur

Mots clés libres

Cfd

Amidon

Dem

Rhéologie de suspension

Transfert de chaleur

Nanoindentation

Cfd

Starch

Dem

Suspnesion Rheology

Heat Transfer

Nanoindentation

Résumé

L'amidon est un matériau présent dans de nombreuse plantes et une source de nourriture pour la plupart des animaux sur terre. Les grains d'amidon, lorsqu'ils sont chauffés en présence d'eau, gonflent en s'imbibant d'eau. Ce processus est également connu sous le nom de gélatinisation de l'amidon. L'amidon en tant que matériau a fait l'objet de nombreuses recherches au fil des décennies. Cependant, on manque encore de certaines connaissances sur ce matériau intéressant et une meilleure compréhension de certains phénomènes pourrait conduire à d'importantes économies lors de son traitement et aider au développement de nouveaux produits amylacés. Ainsi, dans cette thèse, nous visons à caractériser expérimentalement le gonflement d’un amidon de maïs cireux modifié chimiquement et à modéliser la cinétique de gonflement au niveau des granules alors que les modèles rapportés précédemment dans la littérature modélisent ce gonflement au niveau de l’ensemble d’une population de granules. Dans un second temps, nous caractérisons la variation des propriétés mécaniques d’un granule d'amidon à différents degrés de gonflement. Nous montrons ensuite comment par des simulations DEM (méthode des éléments discrets) on peut prédire la viscosité effective d’une suspension d’amidon en utilisant les propriétés caractérisées précédemment. Enfin, nous simulons également, à l'aide d'un modèle CFD-DEM entièrement couplé, l’écoulement du fluide et des particules avec transfert de chaleur lors de gélatinisation de l'amidon à l'intérieur d'un rhéomètre de Couette à petit entrefer.Ces résultats nous rapprochent d'une meilleure compréhension des suspensions granulaires en général, d’une conception améliorée des équipements de traitement thermique des produits à base d’amidon et de leur contrôle dans les industries alimentaires.

Starch is one of the most omnipresent materials found in plants. It is a direct food source for most animals on earth. Starch suspensions when heated in presence of water undergoes starch swelling by imbibing water. This process is also known as starch gelatinization. Starch as a material has been a subject of perennial research over the decades. However, this interesting material still hides a lot of knowledge, a better understanding of which could lead to huge savings in processing and also aid in the development of novel products for consumption. Thus, in this thesis, we aim to decipher experimentally swelling of chemically-modified waxy maize starch and model swelling kinetics at the inter-granular level compared to earlier reported efforts in the literature that model the starch swelling at the broad population level. Secondly, we decipher the variation of mechanical properties of the starch granule at different swelling degrees. We further show through DEM simulations the viscosity predictions of the overall suspension using the characterized material properties. We finally, also simulate, using a fully coupled unresolved CFD-DEM model, fluid and particle flow with heat transfer for starch gelatinization inside a small gap Couette rheometer.These results take us one step closer to understanding better the granular suspension systems in general and also in designing better process equipment and model-based control systems for starch gelatinization in food industries.