Les procédés de foisonnement par battage

Le foisonnement vise à inclure des bulles de gaz dans un produit liquide ou pâteux afin de lui conférer des propriétés nouvelles, et spécifiques du domaine d’application. De l’industrie alimentaire à l’extraction pétrolière, en passant par les secteurs du bâtiment, de l’automobile ou du textile, les mousses constituent des matériaux recherchés de part leur structure originale et leurs propriétés physiques uniques. Au delà de l’application industrielle, l’étude du foisonnement suscite un grand intérêt scientifique, du fait de la complexité des phénomènes physiques et physico chimiques intervenant au cours de l’élaboration et de la conservation de la mousse. En effet, le foisonnement est une opération technologique complexe et la mousse un produit fragile. Une dispersion de bulles de gaz dans une matrice liquide est un système compressible instable, dont les propriétés sont en partie déterminées lors du mélange dynamique des deux fluides.

Le nombre de travaux et d’outils disponibles pour la conduite maîtrisée et objectivée du procédé industriel de foisonnement reste cependant limité. Les études réalisées sur cette opération unitaire portent le plus souvent sur des produits complexes et des équipements qui diffèrent selon les équipes. Ceci rend difficile la généralisation des résultats publiés étant donné que les interactions entre les paramètres du procédé et la composition des milieux compliquent fortement la compréhension des phénomènes impliqués au cours de l’opération de foisonnement. Enfin, les différences d’échelles et d’approches existantes entre les études du procédé menées sur des équipements pilotes, et les travaux traitant des aspects physico chimiques de la rupture de bulles ou de gouttes isolées, rendent difficile l’intégration des connaissances relatives à chacun des domaines.

Les mousses 

Définitions

Les mousses sont des systèmes familiers, présents dans la vie quotidienne, et dont la structure et le comportement sont remarquablement complexes. On trouve des mousses dans de nombreux produits et dans de très diverses circonstances : de l’industrie alimentaire à l’extraction pétrolière, en passant par les secteurs du bâtiment, de l’automobile ou du textile (Vignes-Adler et al., 2005). Elles sont souvent recherchées en tant que véhicules de transfert dans les secteurs de l’hygiène, de la santé, des produits nettoyants ou encore des matériaux isolants (thermique, électrique ou acoustique). Dans l’agroalimentaire l’aération des produits génère des propriétés sensorielles particulières, tant par la texture que par la cinétique de libération des arômes qu’elle entraîne (Schorsch, 2007). On utilise aussi les mousses pour des applications très spécialisées qui exigent des propriétés spécifiques comme l’étalement ou le mouillage dans les domaines tels que la teinture des textiles, la décontamination (nucléaire ou autre), les boues de forage ou les fluides extincteurs. Dans d’autres cas, les mousses sont parfois indésirables, en particulier dans des procédés industriels comme la fabrication du papier, les fermentations, la distillation fractionnée et la plupart des opérations de mélange de produits.

Une mousse se définit comme une structure biphasique où l’une des deux phases, le gaz, est dispersée sous forme de bulles dans une phase continue liquide ou solide. Les éléments de base d’une mousse sont les bulles et les films liquides, stabilisés par des tensioactifs pouvant être des petites molécules de type émulsifiant ou des macromolécules telles que des protéines. Du fait de leur contenu en gaz, les mousses ont une très faible densité et sont compressibles. De plus, cette structure composite confère aux mousses des propriétés (thermiques, mécaniques, organoleptiques…) que les éléments liquides et gazeux pris séparément ne possèdent pas (Choplin & Salager, 2008). Par essence, une mousse se trouve toujours dans un état métastable, c’est-à-dire instable sous l’angle thermodynamique (Prins, 1988). Sa durée de vie peut être modulée en ayant recours à des adjuvant physico-chimiques (stabilisation de l’interface et/ou gélification de la matrice par le biais de la formulation) adaptés aux technologies utilisées (foisonnement, cycle pression/détente, température…). Cette adaptation des formulations aux technologies ne fait que retarder le retour à l’équilibre, c’est-à-dire à la démixtion de la phase gazeuse, marquée par l’affaissement de la mousse.

Différentes classifications de mousses peuvent être faites, selon des critères physiques, morphologiques ou de stabilité. Selon la nature de l’état physique du milieu continu la constituant, une mousse pourra être qualifiée de solide ou liquide. Les mousses solides sont généralement des mousses liquides qui ont été transformées par différents types de réactions physiques ou chimiques au sein de la matrice (congélation, cuisson, coagulation, séchage…). Selon la morphologie des bulles, on fait la distinction entre mousses humides et mousses sèches (Herzhaft et al., 2005). Cet attribut est étroitement liée à la fraction volumique de gaz contenue dans la mousse. En effet, lorsque cette quantité est faible (c’est à dire lorsque les bulles ne sont pas en contact les unes des autres), les bulles sont sphériques et les mousses sont dites « humides ». En revanche, lorsque la fraction volumique de gaz est très élevée (dans ce cas il y a contact), les bulles forment des structures polyédriques séparées par des films minces, appelés bords de Plateau, et les mousses sont dites « sèches » (Fig.I.1) .

Caractéristiques

Pour les mousses liquides durables auxquelles nous nous sommes intéressées dans le cadre de cette étude, on distingue classiquement trois principales caractéristiques physiques : le taux de foisonnement, la taille des bulles et la stabilité au cours du temps.

Taux d’incorporation

Différentes définitions existent pour désigner la quantité de gaz dispersée dans la mousse. Selon les auteurs et les applications, le taux d’incorporation peut correspondre à la fraction volumique de gaz incorporé ou à l’augmentation du volume initial liquide.

Taille des bulles 

La taille des bulles est une autre caractéristique importante des mousses. Selon le domaine d’application, la taille de bulles souhaitée est très variable. Pour caractériser un ensemble de bulles de tailles inégales on peut utiliser un système descriptif où les bulles sont de tailles égales et conservent deux caractéristiques (et deux seulement) de l’ensemble de bulles initial, choisies parmi les suivantes : le nombre total de bulles, la longueur totale des diamètres, la surface totale et le volume total. Ainsi, il y a plusieurs manières de calculer le diamètre moyen selon que l’on se rapporte au nombre, à la surface ou au volume des bulles. Le choix d’une valeur plutôt qu’une autre dépendra du domaine d’application.

Une attention particulière sera portée au diamètre de Sauter d32 qui représente le diamètre équivalent d’un ensemble uniforme de bulles ayant le même volume et la même surface que toutes les bulles du système considéré. En effet, cette aptitude à caractériser à la fois la surface et le volume d’une dispersion d’objets en fait le diamètre le plus approprié à l’étude des phénomènes impliquant des transferts de chaleur ou de matière. Dans la suite de l’exposé, lorsque l’on parlera de diamètre moyen, on se référera au d32, même si cela n’est pas précisé. Les mesures de diamètres moyens sont très pratiques pour effectuer divers calculs mais ils ne caractérisent les systèmes dispersés que de manière très simplifiée et ne fournissent pas de renseignements sur l’état de la distribution de la taille des bulles présentes au sein d’une mousse. Pour cela on peut considérer la médiane correspondant au diamètre qui divise une distribution en deux parties d’aires égales. On la note d50 si la distribution est volumique et cela se traduit par le fait que 50% du volume total du gaz dispersé est contenu dans des bulles de diamètres inférieur au d50. Si la distribution est en nombre on peut dire que 50% des bulles ont une taille inférieure au d50… Les diamètres d10 et d90 sont aussi beaucoup utilisés et sont définis de la même manière que le d50.

Table des matières

Introduction
I Bibliographie
I.1 Les mousses
I.1.1 Définitions
I.1.2 Caractéristiques
I.1.2.1 Taux d’incorporation
I.1.2.2 Taille des bulles
I.1.2.3 Stabilité
I.1.3 Energie de surface et tension superficielle
I.1.4 La dispersion de fluides non-miscibles
I.1.4.1 Le nombre capillaire
I.1.4.2 Expression des contraintes
I.1.4.3 Dispersion en régime laminaire
I.1.4.4 Effets de la nature des espèces tensioactives
I.2 Les procédés de foisonnement par battage
I.2.1 Les procédés discontinus
I.2.2 Les procédés continus
I.2.2.1 Les dispositifs
I.2.2.2 Phénoménologie
I.2.2.3 Dysfonctionnements
I.3 Modélisation de l’opération
I.3.1 Paramètres opératoires et taille de bulle
I.3.2 Modèles prédictifs de la taille des bulles
I.4 Analyse dimensionnelle des opérations de mélange
I.5 Stratégie de la thèse
II Matériels et Méthodes
II.1 Les fluides modèles newtoniens
II.1.1 Composition
II.1.1.1 Le sirop de glucose
II.1.1.2 Les molécules tensioactives
II.1.1.3 Préparation
II.2 Les fluides non-newtoniens
II.2.1 Les fluides modèles rhéofluidifiants
II.2.1.1 Compositions
II.2.1.2 Préparations
II.2.2 La crème cosmétique industrielle
II.3 Caractérisations des fluides
II.3.1 Rhéologie
II.3.2 Tensiométrie
II.4 L’opération de foisonnement
II.4.1 La ligne pilote
II.4.2 L’instrumentation
II.5 Caractérisations des mousses
II.5.1 Taux d’aération
II.5.2 Taille de bulles
II.6 Stratégie expérimentale
II.6.1 Les paramètres procédés étudiés
II.6.2 Planification des essais
III Résultats et Discussions
III.1 Premières analyses des résultats
III.1.1 Répétabilité des essais
III.1.2 Effets des paramètres étudiés sur la taille des bulles
III.1.3 Température et échauffements
III.2 Analyse dimensionnelle : fluides newtoniens
III.2.1 Création de l’espace Π
III.2.2 Traitement des données expérimentales
III.2.2.1 Détermination des paramètres du modèle
III.2.2.2 Utilisation du modèle
III.3 Analyse critique de la méthode de Metzner et Otto
III.3.1 Le rhéomètre de Couette
III.3.2 Mesures systémiques
III.3.3 Opération de mélange en cuve
III.4 Analyse dimensionnelle : fluides non-newtoniens
III.4.1 Essais réalisés avec le xanthane
III.4.2 Essais réalisés avec le guar
III.4.2.1 La fonction matériau
III.4.2.2 Intégration des nouvelles variables dans le modèle adimensionnel
III.4.3 Produit Industriel
Conclusion

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