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Theses Year : 1999

Mass transfer in osmotic evaporation: application to fruit juice concentration

Etude des transferts de matière en évaporation osmotique : application à la concentration des jus de fruits

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Abstract

Osmotic evaporation (OE) is a recent technique for concentrating fragile aqueous solutions at room temperature and atmospheric pressure. The principle is based on the vapor phase extraction of volatile compounds, with a hydrophobic macroporous membrane and a highly concentrated saline solution. High flux densities are obtained thanks to a planar module, optimized on the fluid circulation conditions and the use of the membrane surface. The study of solvent transfer is carried out on model water-sucrose solutions concentrated on a laboratory prototype where the concentration, speed of circulation and temperature of the solutions are controlled. The major effect on the vapor flux density comes from the solute content which acts through the activity of the brine and the viscosity of the sugar solutions. The modeling of transfers in a gaseous medium presupposes a precise knowledge of the membrane structure. The measurement of structural characteristics and contact angles on the membrane used shows that the classical definition of these parameters is poorly adapted to OE, and makes it difficult to interpret the mechanisms of gaseous diffusion. The concentration polarization on the brine side becomes important at low circulation velocities. Estimation of the resistance to mass transfer of liquids, which cannot be predicted by the classical correlations of dimensionless numbers, supposes the elaboration of a model specific to the hydrodynamics of the module. The passage of aroma compounds from model solutions through the hollow fibers of an OE pilot unit is demonstrated using a GC method. Passion fruit juice aroma losses during concentration are significantly lower in OE than in vacuum evaporation. Finally the coupling of the OE with the tangential microfiltration results in a product of intermediate concentration of quality close to the initial juice.
L'évaporation osmotique (EO) est une technique récente permettant de concentrer des solutions aqueuses fragiles, à température ambiante et à pression atmosphérique. Le principe repose sur l'extraction en phase vapeur des composés volatils, avec une membrane macroporeuse hydrophobe et une solution saline très concentrée. Des densités de flux élevées sont obtenues grâce à un module plan, optimisé sur les conditions de circulation des fluides et l'utilisation de la surface membranaire. L'étude du transfert de solvant est menée sur des solutions modèles eau-saccharose concentrées sur un prototype de laboratoire où sont contrôlées concentration, vitesse de circulation et température des solutions. L'effet majeur sur la densité de flux de vapeur provient de la teneur en soluté qui agit par l'intermédiaire de l'activité de la saumure et de la viscosité des solutions sucrées. La modélisation des transferts en milieu gazeux suppose une connaissance précise de la structure membranaire. La mesure de caractéristiques structurales et d'angles de contact sur la membrane utilisée montre que la définition classique de ces paramètres est peu adaptée à l'EO, et rend difficile l'interprétation des mécanismes de diffusion gazeuse. La polarisation en concentration côté saumure devient importante aux faibles vitesses de circulation. L'estimation de la résistance au transfert de matière des liquides, non prévisible par les corrélations classiques de nombres adimensionnels, suppose l'élaboration d'un modèle spécifique à l'hydrodynamique du module. Le passage des composés d'arôme de solutions modèles à travers les fibres creuses d'une unité pilote d'EO est mis en évidence grâce à une méthode de CPG. Les pertes d'arôme de jus de fruit de la passion au cours de la concentration sont significativement moins importantes en EO qu'en évaporation sous vide. Enfin le couplage de l'EO avec la microfiltration tangentielle aboutit à un produit de concentration intermédiaire de qualité proche du jus initial.
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Cite

Mathilde Courel. Etude des transferts de matière en évaporation osmotique : application à la concentration des jus de fruits. Sciences de l'ingénieur [physics]. Université Montpellier 2 (Sciences et Techniques) (UM2), 1999. Français. ⟨NNT : 1999MON20032⟩. ⟨tel-03923248⟩

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