Analyse rhéologique des poudres alimentaires pour améliorer leur écoulement et leur manipulation

Cette étude porte sur l'évaluation rhéologique de six poudres alimentaires aux comportements très contrastés. L'objectif est de comprendre comment la granulométrie, les conditions de stockage et le tassement influencent leur capacité à s'écouler, et d'identifier les indicateurs les plus pertinents pour caractériser ce comportement en conditions industrielles.

Pour y parvenir, plusieurs approches ont été combinées :

• Une mesure de l'énergie d'écoulement dynamique, pour simuler les conditions réelles de production à différentes vitesses ;
• Une analyse de l'impact du stockage (température, humidité) sur la formation d'agglomérats ;
• Des tests de tassement, pour évaluer la résistance à l'écoulement après consolidation.

L'étude rhéologique des poudres permet d'évaluer la qualité de l'écoulement à chaque étape, qu'il s'agisse du stockage, de l'alimentation, du mélange, ou du broyage. Le contrôle de la granulométrie et des conditions de stockage sur les propriétés d'écoulement sont essentiels pour garantir une manipulation fluide et éviter des blocages ou des défauts de production.

Le comportement des poudres étant influencé par les conditions de processus, la coulabilité variera selon les applications, et les exigences pour des performances optimales seront différentes. Une mauvaise coulabilité peut réduire l'efficacité de la production, augmenter les déchets et, en fin de compte, entraîner une hausse des coûts de production.

Les mesures d'énergie d'écoulement prédisent la capacité de traitement à des étapes critiques de la production, et ce pour différentes vitesses d'écoulement. Ce type de mesure permet d'évaluer le comportement de la poudre en dynamique, c'est-à-dire dans des conditions proches de celles rencontrées en production (alimentation, transport, changements environnementaux, non-homogénéité des lots, etc.).

La cellule d'écoulement de poudre a été utilisée ici pour évaluer spécifiquement le comportement des poudres via une mesure de l'énergie dissipée lors de son agitation.

Les conditions de stockage des poudres alimentaires ont un impact sur les paramètres critiques du procédé de conditionnement dans les contenants. La poudre de noix de coco est largement utilisée dans la cuisine, les cosmétiques et les soins de la peau. Cependant son comportement rhéologique dépend fortement des lots, de la noix de coco et de la saison comme tout produit naturel. Il dépend aussi de l'environnement de stockage et des conditions de transformation qui ont un impact sur la morphologie.

La noix de coco broyée finement avec une ouverture de grille de 0.5 mm (A) présente une plus grande résistance à l'écoulement, contrairement à celle broyée grossièrement avec une ouverture de grille de 3 mm (B), car constituée de plus grosses particules. Les poudres fines sont plus cohésives et posent plus de résistance à l'écoulement.

Pour les deux poudres, les valeurs de l'énergie d'écoulement sont stables après plusieurs itérations de mélange avec la montée et la descente de l'hélice, indiquant l'absence d'effets de ségrégation ou d'agglomération. Cette caractéristique est nécessaire dans les systèmes de transport, où une fluidité constante est nécessaire.

L'énergie dissipée par l'écoulement de la poudre fine présente singulièrement une dépendance à la vitesse d'agitation, contrairement à la poudre grossière. L'énergie d'écoulement de la poudre fine augmente en fonction de la vitesse de rotation de l'hélice. La résistance à l'écoulement augmente, ce qui signifie que dans une vis sans fin le moteur devra fournir plus de puissance pour déplacer la poudre. Cela peut entraîner une surcharge ou une usure prématurée du moteur et des composants mécaniques.

Pour déterminer le rôle des conditions de stockage dans la formation d'agglomérats (caking), un échantillon de poudre grossière a d'abord été stocké dans une chambre climatique régulée pour la maintenir à 5 °C et 30 % d'humidité relative (HR), tandis qu'une autre a été laissée dans des conditions ambiantes : environ 20 °C, 55 % HR. Les échantillons ont été maintenus dans ces conditions pendant 7 jours avant d'être testés.

Les poudres conditionnées pendant une semaine dans un environnement froid et sec permettent d'obtenir des énergies d'écoulement plus faibles, qui impliquent un transport facilité.

Le tassement résulte de la consolidation d'un lit de poudre qui peut avoir 2 origines. Tout d'abord, les vibrations pendant le transport ou le traitement, la poudre étant soumise à des contraintes normales et en cisaillement. La seconde est un long repos lors du stockage, où la poudre est principalement soumise à la contrainte normale associée à son propre poids. L'objectif de cette partie est d'analyser les propriétés d'écoulement de la poudre après que celle-ci ait subi un tassement.

Pour simuler ces conditions dans un test, les poudres sont tassées directement dans la cellule de mesure en appliquant une pression directe à l'aide d'un piston pendant une minute. Une mesure de l'énergie d'écoulement est ensuite effectuée.

Le changement de volume (densité) pendant le test de tassement a été suivi et a permis de calculer le rapport de Hausner (RH), défini comme le rapport des densités tassée et aérée.

Ce paramètre est traditionnellement utilisé pour comparer empiriquement les poudres et aide à classer la coulabilité des poudres :

Basé sur le RH, 2 échantillons sont dans la catégorie « acceptable » : le marc de café et la poudre de noix de coco fine. Deux sont dans la catégorie « très bon écoulement » : le sucre et la poudre de noisette. L'une est dans la catégorie « passable » : la poudre de noix de coco grossière. La poudre restante, l'amidon est dans la catégorie « pas d'écoulement ». En comparant les échantillons, on observe un manque de sensibilité de ce paramètre pour comparer des matériaux pourtant très différents.

Le test d'énergie d'écoulement sur la poudre tassée a permis de calculer l'indice de consolidation (IC) exprimé par le rapport de l'énergie d'écoulement de la poudre tassée et l'énergie d'écoulement de la poudre aérée (c'est-à-dire qui n'a pas subi un tassement préalable).

En comparant les échantillons analysés dans cette étude, on observe une plus grande discrimination des échantillons avec l'Indice de consolidation par comparaison au rapport de Hausner démontrant le manque de sensibilité de ce dernier pour comparer des matériaux très différents.

La comparaison des résultats obtenus à partir des tests de tassement met en évidence des tendances attendues, mais aussi des exceptions intéressantes.
Le sucre présente le rapport de Hausner (HR) le plus faible et l'Indice de Consolidation (IC) le plus bas. Cela indique un très bon écoulement, même après tassement, ce qui correspond à sa faible cohésion entre particules.

L'amidon, connu pour sa compressibilité élevée, montre des valeurs élevées d’HR et IC. Ces résultats confirment sa faible aptitude à l'écoulement après tassement.

Bien que la poudre de noisette et le sucre soient classés dans la catégorie « très bon écoulement libre » selon leur HR, l'IC révèle une distinction importante. La poudre de noisette montre une cohésion plus élevée, entraînant des difficultés à mettre en déplacement. Ce résultat est cohérent avec le constat lors de la vidange des contenants en fin d'essai.

Une divergence significative est observée entre HR et IC pour les poudres de noix de coco fine et grossière. La poudre fine a un HR plus faible (meilleur écoulement apparent) que la poudre grossière, mais son IC est plus élevé, indiquant une plus grande résistance après tassement.

Cette étude montre que l'énergie d'écoulement est un indicateur clé pour évaluer l'impact de la morphologie/granulométrie des poudres sur leur écoulement, ainsi que les effets de la vitesse ou du débit d'écoulement et les risques d'usure prématurée des équipements. Les changements de densité, mesurés par le rapport de Hausner, ne suffisent pas à caractériser l'écoulement des matériaux consolidés dans un processus industriel. L'Indice de consolidation, plus discriminant, offre une compréhension approfondie des propriétés d'écoulement et constitue un outil essentiel pour optimiser les procédés de manipulation et de transport des poudres.