Génie des procédés frigorifiques pour la sécurité alimentaire et l'environnement

Le projet Foodhydrates a pour objectif de développer un procédé de congélation hybride et innovant qui conjugue la formation d’hydrates de gaz à la congélation de produits alimentaires pour obtenir des produits congelés de meilleure qualité avec une consommation énergétique réduite. Les hydrates de gaz sont des composés cristallins formés de molécules d’eau, d’apparence similaire à la glace. Ils peuvent donc être utilisés pour réduire la mobilité et l’activité de l’eau au sein des produits, tout comme le fait la glace ; toutefois les hydrates sont stables à température positive et forment des cristaux de petites tailles, ce qui peut représenter un atout à la fois sur le plan énergétique (la congélation étant très consommatrice d’énergie) et concernant la qualité des produits. L’enjeu du projet est de qualifier le procédé de congélation hybride par hydrates/glace, en déterminant en particulier les conditions opératoires optimales et en évaluant le potentiel de ce nouveau procédé. Plusieurs approches complémentaires seront mises en jeu dans ce projet : une approche thermodynamique pour sélectionner les hydrates et leurs conditions d’équilibre, une approche thermique pour caractériser les cinétiques de cristallisation, une approche par microtomographie à rayons X pour comprendre la distribution des phases (cristaux, liquide) au sein de la matrice alimentaire, une approche d’évaluation multicritère pour évaluer l’impact environnemental et l’acceptabilité du nouveau procédé. Parmi les questions de recherche posées, on s’intéressera en particulier à comprendre l’effet de la porosité des produits sur les conditions d’existence des cristaux, les migrations possibles des hydrates et de la glace, leurs interactions selon les conditions opératoires, et in fine les limites thermodynamiques acceptables pour le procédé de congélation et l’impact sur la qualité des produits.

Les pays du bassin méditerranéen produisent environ 97 % des olives du monde, ce qui représente jusqu'à 3 millions de tonnes d'huile d'olive par an. Les différents processus d'extraction de l'huile d'olive génèrent d'énormes quantités de déchets solides et liquides. On estime que le traitement d'une tonne d'olives génère en moyenne 1 m3 d'eaux usées de moulin à huile (OMWW). Le projet 3D-STELLAR vise à traiter et à valoriser les OMWW toxiques selon les principes de la chimie verte et durable pour une économie circulaire. La réglementation actuelle n'autorise l'épandage direct de ces matières que dans une faible proportion des volumes générés, et les industriels cherchent d'autres moyens de gérer ces déchets liquides toxiques. Le consortium 3D-STELLAR explorera les possibilités de traitement de ces effluents et propose d'étudier les moyens d'accélérer leur évaporation/séchage pour mieux les transformer et les valoriser. Le projet 3D-STELLAR est basé sur deux technologies principales : Les distillateurs solaires 3D, qui ont l'avantage d'avoir un faible impact environnemental pour l'assainissement de l'eau et, la pyrolyse flash avec choc thermique qui ne génère pas de sous-produits et qui est très rapide. Un prototype mobile (semi-pilote) capable de traiter l'équivalent d'un réservoir de 1 m3 sera construit et installé sur le terrain pour valider le concept décrit dans le projet 3D-STELLAR. Notre proposition concerne la section 2.2 "Systèmes agricoles", Une étape vers des exploitations agricoles neutres en carbone : coupler les sources d'énergie renouvelables avec des systèmes agricoles circulaires. Ce projet propose une approche circulaire et à faible émission de carbone pour le traitement de l'huile d'olive. Avec la mise en œuvre de 3D STELLAR, l'eau sera recyclée et récoltée à l'aide de l'énergie solaire et les boues concentrées seront converties en produits nutritifs/à valeur ajoutée. Ainsi, les exploitations agricoles méditerranéennes bénéficieront de l'eau pour l'irrigation/la réutilisation, tandis que les boues restantes seront utilisées directement comme engrais et/ou seront transformées en biochars pour amender le sol.

La réfrigération secondaire est un moyen efficace de réduire fortement la quantité de fluide frigorifique primaire utilisée. Cette méthode améliore l'efficacité énergétique via le stockage et le transport de fluides secondaires à forte densité énergétique. Ces coulis de glace, composés de cristaux de glace suspendus dans une solution aqueuse, ne sont malheureusement pas encore répandus en raison du surinvestissement lié aux générateurs de type surface raclée. Dans ce cadre, le projet COOLISSE, consiste à participer à l’optimisation énergétique du secteur de la réfrigération en concevant de nouveaux types de générateurs de coulis de glace. Il s’agit de développer des surfaces en acier inoxydable où la glace formée sera emportée par l'écoulement du fluide, sans nécessiter de raclage mécanique. Ces surfaces biomimétiques micro/nanostructurées non mouillantes, dotées de propriétés antigivre, seront obtenues par une combinaison originale d’un procédé de fabrication additive (production de microstructures) et d’ablation laser femtoseconde (rugosité nanométrique), qui amèneront à une surface en acier inoxydable texturée multi-échelles. Ces surfaces seront imprégnées par un liquide inerte afin d'obtenir une surface infusée glissante (SLIPS). Le second objectif du projet est de développer des méthodes et une expertise sur la caractérisation de ces surfaces sous écoulement à basse température. Le potentiel de ces surfaces anti-givre sera étudié au travers de leurs actions sur la formation de glace, en analysant le temps de congélation, la force d'adhésion et la nucléation en cours de congélation. En parallèle, un modèle numérique sera développé pour décrire l'état d'équilibre thermique, le flux de chaleur et les changements d'interface gaz-solide-liquide pendant la congélation et le changement de phase. L'impact environnemental et le gain potentiel des nouvelles surfaces sur le processus de fabrication de coulis seront également étudiés par une analyse de leur cycle de vie.

Selon les données les plus récentes de la FAO, les pertes/gaspillages de produits alimentaires sont estimées à 12% des produits alimentaires et peuvent atteindre 30% pour les produits hautement périssables comme la viande ou le poisson. Une chaîne du froid améliorée avec des durées de conservation plus longues pourrait réduire considérablement ces pertes et éviter les émissions de CO2 associées à la production gaspillée. La technologie du Superchilling a ce considérable potentiel de fournir un produit ultra-frais de haute qualité et d’une durée de conservation plus longue que celle des aliments réfrigérés. La température du produit doit être maintenue juste en dessous du point de congélation. La quantité de glace doit alors être contrôlée avec précision afin de maintenir une teneur en glace autour de 30%-35%. A ce niveau de température, une très faible croissance microbienne est observée. Ceci est particulièrement important pour les bactéries pathogènes psychrophiles telles que Listeria monocytogenes. Le projet SUPERSHIELD vise à générer de nouvelles connaissances et à développer des concepts et des techniques innovantes pour relever les défis spécifiques de cette technologie. Un accent particulier sera mis sur le contrôle de la teneur en glace tout au long de la chaîne du froid à l'aide de capteurs et d'équipements adaptés. Un autre objectif est une compréhension approfondie de la relation entre la microstructure du produit et de l'évolution de la croissance de pathogènes en la comparant en particulier à celles des aliments réfrigérés. Une évaluation du potentiel de cette technologie pour préserver les aliments de la croissance de Listeria monocytogenes sera également effectuée. Enfin, une analyse globale des impacts énergétiques et environnementaux complètera ces approches afin de donner aux acteurs de la filière agro-alimentaire, mais aussi aux décideurs politiques toutes les informations nécessaires pouvant les aider à la prise de décision.

Avec un coût équivalent à 20 % de la consommation électrique mondiale, et des fluides frigorigènes fortement réglementés, l’industrie du froid doit faire face à plusieurs enjeux de développement durable tout en assurant son rôle fondamental pour divers secteurs (alimentaire, climatisation…). L’usage de coulis de matériaux à changement de phase (MCP) en réfrigération secondaire est une solution pour réduire la part des frigorigènes et améliorer les performances énergétiques. Ces suspensions de MCP peuvent en effet stocker et véhiculer de grandes quantités de froid par chaleur latente, un atout pour le dimensionnement et le rendement des installations. Les hydrates de CO2 sont des MCP à fort potentiel : ils possèdent la meilleure chaleur latente parmi tous les MCP en réfrigération et sont stables sur une grande plage de température ; ils peuvent être formés par injection de gaz, évitant les procédés par raclage énergétiquement pénalisant ; enfin ce sont des matériaux verts car constitués d’eau et de CO2. Un système de réfrigération secondaire repose sur 3 étapes principales : génération, transport et utilisation (restitution du froid). Ainsi, les coulis doivent répondre à différentes contraintes liées à ces étapes pour assurer une bonne continuité du procédé. En particulier, le contrôle de la cinétique de cristallisation des hydrates et des conditions d’écoulement des coulis, avec une distribution en taille de cristaux (DTC) adaptée, constitue toujours un verrou majeur. En associant trois laboratoires reconnus internationalement dans des domaines complémentaires, Hydrates/Réfrigération (FRISE), Mécanique des fluides (IMFT) et Génie des procédés (LGPM), et en s’appuyant sur différentes approches expérimentales (système pilote à coulis d’hydrates, rhéologie de suspensions synthétiques cohésives, tubes à flux thermique contrôlé) et de modélisation (bilan massique/thermique, bilan de population, modèles rhéologiques, modèle de simulation dynamique globale), l'objectif global du projet COOLHYD est de proposer une approche fondamentale et systématique pour répondre aux enjeux de cinétique, de rhéologie et de continuité impliquées dans l'application de réfrigération à base de coulis d'hydrate de CO2. On s’intéressera en particulier à : comprendre l'impact des conditions de génération des coulis sur les propriétés critiques pour le procédé (DTC, fraction solide en suspension, régimes d’écoulement) ; développer des modèles reliant ces propriétés critiques aux propriétés rhéologiques (pour le transport des coulis) et thermique (pour leur utilisation) ; optimiser la performance énergétique de l'ensemble du procédé, en fonction de l'architecture du dispositif et des variables de contrôle liées aux conditions de génération, de transport et d’utilisation, afin de fournir des recommandations pour concevoir un système de réfrigération secondaire efficace.

En France et dans le monde, lors de la pandémie COVID-19, les travailleurs du secteur agroalimentaire sont considérés comme faisant partie de la main-d'œuvre essentielle des infrastructures critiques, aussi bien les agriculteurs que les employés des usines de transformation, les chauffeurs de camion ou les caissières des hypermarchés. En outre, dans certains pays comme les États-Unis, par décret présidentiel, les usines de transformation de la viande et de la volaille doivent continuer à fonctionner pour éviter de perturber la chaîne d'approvisionnement alimentaire. Les travailleurs de ces industries peuvent être plus exposés aux coronavirus car le télétravail n'est pas possible, et beaucoup sont confrontés à des risques accrus en raison de la proximité de leur environnement de travail. Il est nécessaire d'aborder avec soin la question de la circulation des virus dans les usines de transformation de la viande en France sous trois angles : (i) protection des travailleurs et prévention de la transformation de ces locaux en points chauds de circulation du virus dans les communautés ; (ii) prévention de la fermeture de ces usines de transformation et garantie des approvisionnements ; et (iii) prévention de la contamination des aliments afin d'éviter l'exportation de ce virus vers d'autres lieux. L'objectif de ce projet est de comprendre la circulation du SARS-CoV-2 dans les usines de transformation de la viande afin de fournir des mesures de prévention ou de réduction des risques pour les travailleurs et les consommateurs. Nous prévoyons de rassembler/collecter les données nécessaires pour comprendre la circulation du virus dans ce type de lieu de travail et de les utiliser pour construire un modèle de simulation de la propagation du SARS-CoV-2. Le projet sera organisé en quatre tâches. La transmission du SARS-CoV-2 et les facteurs de persistance dans les usines de transformation de la viande seront étudiés (WP1). Les objectifs seront de réaliser une revue bibliographique approfondie sur les paramètres de transmission du SARS-CoV-2 afin d'extraire des données pertinentes pour en étudier la circulation, et de définir des protocoles de laboratoire pour combler le manque de données ou les incertitudes sur certains paramètres. Ensuite, une description des conditions et des facteurs environnementaux de travail dans ces usines sera effectuée, par le biais de questionnaires et d'entretiens ainsi que d'observations à réaliser au sein des usines (WP2). Les données collectées seront utilisées pour définir les paramètres des expérimentations en laboratoire. Ces données permettront également d'alimenter le modèle mathématique qui sera développé afin de simuler la propagation du virus dans une usine de transformation de la viande (WP3). Il sera utilisé afin d'évaluer l'impact de certaines mesures de gestion ou de réduction de la probabilité de transmission du virus aux employés, et la contamination des produits et de l'environnement. Ce modèle nous permettra également d'explorer la transmission du virus en dehors des usines. Enfin, différents outils de communication seront proposés (WP4), essentiels pour engager les employés dans une politique efficace de gestion de la sécurité, obtenir leur coopération et leur soutien, et maintenir une culture de sécurité positive. Les impacts de ce projet seront 1) d'accroître les connaissances sur la transmission du virus dans un cadre professionnel ; 2) de fournir des solutions aux entreprises pour mieux calibrer leurs mesures préventives et atténuer les risques en cas d'introduction du virus dans leurs locaux ; 3) de fournir des données sur les modalités de transmission et de simuler la circulation du virus selon différents scénarios; et 4) de fournir une aide à la décision pour les entreprises et les gouvernements basée sur la science et les données disponibles. L'approche est extensible à d'autres situations : usines de traitement, bureaux, universités, lieux publics, etc.

L’objectif est de concevoir un nouvel emballage biodégradable pour préserver les fruits et les légumes le long de la chaîne post-récolte jusqu’à la consommation. Plusieurs questions liées à cet emballage biosourcé seront étudiées: maîtrise des transferts thermiques/hydriques et de l’écoulement d’air au sein de la palette en interaction avec les échanges au sein de l’atmosphère modifiée des emballages, acceptation par le consommateur, coût logistique induit et impact environnemental. Pour optimiser la chaîne post-récolte en termes de qualité, de coût et d’impact environnemental, une approche multidisciplinaire sera développée incluant pratiques des professionnels, technologie de l’emballage unité de vente, qualité du produit et durée de conservation, équipement frigorifique, organisation logistique et analyse du cycle de vie. L'approche développée sera validée pour les salades (circuit local) et les fraises (circuit long) et pourra être généralisée à la filière fruits et légumes.

Le comportement des fluides multiphasiques complexes impliqués dans divers domaines industriels est en grande partie régi par des phénomènes multi-échelles, couplant des interactions à l'échelle moléculaire, méso et macroscopique. Ces couplages sont encore mal compris et nécessitent un développement de connaissances expérimentales et théoriques transférables à des applications technologiques. Plusieurs applications liées aux industries de l'énergie bénéficieront des améliorations du contrôle moléculaire et interfacial des phénomènes de transport. Le projet MUSCOFI vise à interpréter les données macroscopiques et à prédire les comportements macroscopiques en utilisant des outils de modélisation et expérimentaux pour élucider les phénomènes moléculaires qui 1) régissent la formation, l'agrégation et la stabilité des structures interfaciales dans les fluides polyphasiques; 2) contrôlent leur développement et leurs effets sur la rhéologie macroscopique et les phénomènes de transport, 3) et impactent l'efficacité des procédés dans les technologies énergétiques. C'est une opportunité unique de fédérer des équipes de recherche complémentaires dans un nouveau schéma collaboratif qui couvrira toute la gamme d'échelles, de la molécule au procédé industriel. Le projet MUSCOFI rassemble les partenaires français d'un projet international PIRE (programme américain NFS "Partnerships for International Research and Education"), dirigé par le City College of New York et comprenant 12 équipes de recherche des États-Unis, d'Allemagne, de Norvège et de France . Ce programme comporte des collaborations scientifiques, des échanges de chercheurs et d'étudiants ainsi que l'organisation de colloques sur l'étude multi-échelle de fluides complexes d'intérêt pour le secteur de l'énergie. MUSCOFI bénéficiera ainsi de synergies au niveau international en termes de coopération, de mise en réseau et de visibilité internationale. Les étudiants (2 PhD) et chercheurs (2 x 18 mois de Post Doctorat) qui seront recrutés pendant le projet bénéficieront des opportunités de stages dans les laboratoires partenaires à l'étranger, tandis que les étudiants étrangers seront accueillis dans les laboratoires français impliqués. Deux systèmes d'intérêt particulier dans le domaine de l'énergie seront étudiés : les asphaltènes à l'interface eau / huile et les hydrates clathrates en émulsion eau / huile. Ces systèmes interviennent dans diverses applications dans le pétrole et gaz, le stockage de la chaleur et la réfrigération à faible impact écologique. Les tâches du projet sont décrites ci-dessous: 1 Les systèmes modèles qui seront étudiés aux différentes échelles, ainsi que les conditions opératoires requises, seront validés au tout début du projet. 2 Au niveau moléculaire, la structure électronique sera décrite à l'aide d'une méthode d'approximation du type Tight Binding Density Functional Theory, afin d'extraire des données structurelles, énergétiques et thermodynamiques. 3 Les interactions aux interfaces liquide / liquide dans les conditions de formation de la phase solide seront étudiées à l'aide d'expériences microfluidiques. 4 L'extrapolation des résultats moléculaires, micro- et méso-scopiques au niveau macroscopique sera validée en mesurant l'influence de la composition des systèmes et de la présence d'additifs sélectionnés sur les comportements d'écoulement, la dynamique de changement de phase et les transferts de chaleur et de masse . 5 Des modèles seront ensuite développés dans une approche d'intégration et d'extrapolation qui inclura les résultats à l'échelle locale pour fournir des outils prédictifs macroscopiques. Le projet devrait produire d'abondants résultats expérimentaux et théoriques nouveaux, promouvoir le développement de méthodologies originales et offrir des opportunités pour de nouvelles coopérations nationales et internationales.