Optimisation du fonctionnement des filtres presse par les plans d’expérience

Optimisation du fonctionnement des filtres presse par les plans d’expérience

Généralités sur le sucre

Le sucre, terme générique appliqué aux composés chimiques faisant partie du groupe des glucides solubles dans l’eau. Incolores, inodores, de saveur plus ou moins sucrée, en général cristallisables, les sucres désignent le saccharose, et par extension, tous les monosaccharides, disaccharides et tri saccharides. Cette appellation les différencie des polysaccharides tels que l’amidon, la cellulose et le glycogène.Si le sucre était connu depuis longtemps, son extension et les techniques qui permettent d’avoir un meilleur rendement n’ont cessé de progresser. le sucre fait partie du vaste groupe de substances « hydrates de carbone « .En raffinerie, il y a deux sortes de sucre qui sont intéressantes :
• Le saccharose : le sucre blanc, que nous consommons.
• Le sucre inverti : Extrait des fruits et du miel, il se détruit partiellement et brunit
vite pendant le travail.
Le sucre est largement répandu dans le monde végétal : on le trouve dans les tiges de toutes les carottes, navets, betteraves et même dans la sève de nombreux arbres comme les palmiers[1].

Les plantes saccharifères

 La canne à sucre :
Une plante vivace (Figure 3) dont la production est assurée par bouture .
Figure 3 : La canne à sucre
Ses différentes parties sont : les racines, les feuilles et la tige qui forme un tube d’écorce dur remplie de fibre plus tendre, où se trouve le sucre. Cette tige peut atteindre 4 à 5 m de hauteur pour 3 à 6 cm de diamètre avec une richesse en sucre entre 13 et 18 %.
Son aire de culture se trouve dans les régions tropicales apportant chaleur et forte humidité pour la croissance. La récolte est généralement annuelle.
 Betterave :
La betterave (Figure 4) est l’une des principales sources de saccharose c’est une plante bisannuelle, la première année correspond à la maturité technologique (germination de la graine avec constitution de la racine et sa réserve sucrière). Dans la 2ème année la plante donne naissance à des graines

Composition du sucre

Le sucre brut provient de la cristallisation du saccharose dans une eau mère impure : Sirop de canne ou de betterave. Les cristaux de saccharose de haute pureté sont entourés de film d’eau mère, de basse pureté, adhérant à ces cristaux et contenant la plupart des impuretés, cependant, certaines impuretés se trouvent incluse dans le cristal lui-même[1].
On définit le sucre brut par sa composition qui comprend :
 Le saccharose
De formule chimique C12 H22 O11 (Figure 5) , de densité 1,6 et du poids moléculaire 342g/mol. Il est très soluble dans l’éther, il est formé de la liaison glucose – fructose.
Le saccharose n’est pas fermentescible, sauf s’il est transformé en glucose, cette opération peut se faire lentement en présence de certains micro-organismes ou très rapidement dans un milieu chaud et acide.
Figure 5 : Formule d’une molécule de saccharose
 Les cendres
Ce sont des matières minérales incluses dans les cristaux du sucre. Elles se composent principalement de (Tableau 2) :
Tableau 2 : Composition moyenne des cendres
 Les sucres réducteurs ou glucose
Ce sont des sucres incristallisables, de formule générale C6 H12 O6 et de poids moléculaire 180 g/mol. Ils sont solubles dans l’eau bouillante.
 Les non-sucres :
Le non sucre organique ou matières organiques comprennent :
 Des acides organiques libres.
 Des produits de la décomposition du saccharose.
 Des micro-organismes (moisissures, gazogènes…) et des matières colorantes.
 L’eau :
Tout corps, qui n’est pas déshydraté renferme de l’eau.

Processus de raffinage du sucre brut

Le raffinage du sucre brut vise à obtenir du sucre blanc à partir du sucre brut. Cette opération consiste donc à se débarrasser de toutes les impuretés contenues dans le sucre, que ce soit des impuretés superficielles se trouvant sur la couche externe du cristal du sucre, ou bien des impuretés internes incrustés à l’intérieur. Ces impuretés peuvent être de nature minérale ou organique.
Dans ce qui suit, chaque étape du raffinage sera présentée et détaillée à part.

Réception et stockage

La COSUMAR Casablanca reçoit sa matière première du Maroc et du Brésil.Le sucre brut en provenance du Brésil est un sucre de canne. Il représente 100% du sucre traité à la raffinerie. Durant toute l’année (11mois), le sucre brut brésilien arrive par bateaux, dont chacun à une capacité de 30 000 tonnes. Les besoins de l’usine sont de l’ordre de deux bateaux et demi par mois pour produire 2 600 tonnes de sucre raffiné par jour.Le sucre est transféré par des camions vers l’usine, où il est déchargé aux trémies des silos. Il passe ensuite par des bandes transporteuses pour arriver aux silos de stockage (Figure 6) qui sont au nombre de trois et ont une capacité de stockage de 25 000 tonnes par silos. Le stockage se fait selon la qualité et la composition du sucre brut. Le contrôle du poids du sucre reçu se fait par pesage des camions avant et après décharge.
Les silos sont munis de 33 trappes qui alimentent l’usine en sucre. Pour le raffinage, on mélange des sucres de qualités différentes afin de maintenir la productibilité de l’usine[1].

Empâtage

Cette première étape vise à décaper une gangue, composée d’impuretés externes, se trouvant autour des cristaux de sucre par frottements.Le sucre arrive dans les empâteurs, machines où s’effectue l’empâtage. Un empâteur est une sorte de malaxeur munie d’une double enveloppe permettant la circulation de la vapeur. Ils sont d’une capacité de 270 hl et sont munis de pâles pour agiter le mélange.A l’intérieur des empâteurs, s’effectue le mélange du sucre brut et de l’eau. Le mélange ainsi obtenu s’appelle «masse cuite d’empâtage» d’un Brix de 90 à 92 et une température de 50-55°C.

Fonte

Cette opération a pour but de faire fondre le sucre pour pouvoir en extraire les impuretés internes au niveau de l’épuration.Le sucre, à la sortie des empâteurs, est poussé à l’aide de vis d’Archimède vers un premier fondoir où on lui ajoute de l’eau sucrée. Le mélange est envoyé, par une pompe, vers des échangeurs à plaques afin de régler sa viscosité puis vers un deuxième fondoir pour régler son brix à 63 et son pH à 7.5-8. Le mélange passe ensuite par un deuxième échangeur pour avoir une température de 75-80°C, c’est le réchauffage. Au niveau du premier fondoir, on ajoute au sucre de l’amylase pour dégrader l’amidon.
A la fin de cette étape, le produit obtenu est appelé « fonte commune » ou « commune non carbonatée ».

Epuration

Cette étape a pour but de débarrasser le sucre des impuretés internes qui se trouvaient à l’intérieur des cristaux. Pour réaliser cette séparation, le sucre passe d’abord par la carbonatation puis par la filtration.
 Carbonatation
Cette étape a pour but l’élimination des matières organiques, des cendres et une grande partie des matières colorantes par addition du lait de chaux.
La fonte commune, à la sortie des fondoirs, est envoyée par des pompes vers la station de carbonatation. Cette station comprend 3 chaudières en série qui doivent être traversées par la fonte. Chaque chaudière a une capacité supérieure à celle qui suit : la première est d’une capacité de 55 m³, la deuxième de 50 m³ et la troisième de 45 m³. Chaque chaudière est alimentée par 8 entrés de lait de chaux, afin d’augmenter la surface d’échange avec le sirop. Des chicanes ont été installées pour avoir un mélange homogène. La réaction obtenue est : CaO + H2O Ca(OH) 2
La concentration de la chaux injectée diminue d’une chaudière à une autre. Ainsi, au niveau de la première chaudière la concentration est de 5.5 g/l, vu que 80% de la carbonatation s’effectue dans celle-ci, la deuxième 2.5 g/l et la troisième 1.15 g/l.
Cette réaction se fait efficacement à une température de 75°C, ce qui explique le rôle du réchauffage. A une température inférieure à 75°C, la vitesse de réaction va diminuer et au-delà de cette température, il y a risque d’inversion du saccharose.
Au niveau de chaque chaudière, le mélange sirop et lait de chaux est barboté avec du CO2 produit à la centrale thermique. Les réactions mises en jeu sont les suivantes :
CO2 + H2O
H2CO3
Ca(OH)2 + H2CO3
CaCO3 + 2H2O
Le CaCO3 formé va adsorber une grande proportion d’impuretés du sirop et va précipiter.
 La Filtration mécanique
Figure 7 : Les filtres diastar
La filtration permet l’élimination des précipités formés contenus dans le sirop carbonaté. Après la carbonatation, le sirop doit passer par la filtration mécanique sur des toiles synthétiques filtrantes (8 filtres DIASTAR (Figure 7) de capacité de 30 m3 chacun commandés par l’automatisme) chacun enveloppé d’une toile qui laisse passer le sirop seulement, alors que le carbonate de calcium s’accumule autour de la toile, en formant un gâteau d’une certaine épaisseur, qui facilite d’avantage la filtration, on obtient donc un sirop limpide, envoyé vers le bac de la commune filtrée puis vers les colonnes de décoloration. Une fois le gâteau épaissi, on fait un débâtissage. La boue issue de cette opération est mélangée à une eau adoucie, puis filtrée et désucrée dans des filtres presse au niveau de la station de désucrage des boues. L’eau sucrée récupérée sera utilisée dans les différentes étapes de la production[1].

 La filtration chimique : la décoloration

Cette opération permet l’élimination des fines particules d’impuretés telles que les cendres et les sels minéraux, qui n’étaient pas précipitées lors de la carbonatation et qui pourront maculer la blancheur du sucre. Elle consiste en l’adsorption des particules sur les résines échangeuses d’ions. Avant d’atteindre les colonnes de résine (figure 8), la commune filtrée passe tout d’abord par des filtres dits de protection avec des mails de 50 µm de diamètre pour empêcher le passage des particules en suspension qui pourraient encombrer la résine et réduire ainsi sa durée de vie qui est de l’ordre de 4 ans.Pendant la phase de décoloration, la résine se charge en matières colorantes et en anions divers, elle se sature au cours du temps. Il est nécessaire d’extraire les impuretés ainsi retenues, pour cela on fait une régénération à contrecourant, il existe deux types de régénération :
 Régénération basique : par un mélange de la (saumure « Na Cl + NaOH »), elle se fait après chaque cycle. Régénération acide : à l’aide de l’acide chlorhydrique (HCl), elle se fait après dix cycle, puis on fait un rinçage suivi d’une régénération basique pour éliminer des impuretés organiques retenues sur la résine et pour neutraliser le pH.
Figure 8 : Les colonnes de la résine

Evaporation

A ce niveau, la raffinade est prête à être cristallisée, mais il est intéressant de la réchauffer, et de l’évaporer afin d’augmenter son Brix de 65 à 74. Cette opération se fait dans des chaudières appelées CEFT (Corps Evaporateur à Flux Tombant). Ces dernières sont alimentées par la vapeur parvenue du bouilleur. C’est un appareil producteur de la vapeur, il est alimenté par la vapeur d’échappement issue des turboalternateurs ou de la vapeur à haute pression directement après une détente (de 41 bars à 1.5 bars) et de l’eau parvenue de la bâche chaufferie (un collecteur des condensas).Les fluides vapeur-eau passent à contrecourant à travers un faisceau tubulaire situé en bas du bouilleur. Ainsi vaporisée, la raffinade est envoyée à la station de cristallisation[1].

 Cristallisation

Le but de cette étape est de former le maximum de cristaux à partir de la liqueur standard, qui est composée de trois flux : la raffinade concentrée, l’égout riche et le sirop . La cristallisation se fait dans des appareils à cuire appelés cuites. Elle permet aussi d’enlever une grande partie d’eau et d’extraire les grains de saccharose[1].

La station de désucrage des boues

La filtration est une opération dont le but est de séparer une phase continue liquide ou gazeuse des matières solides ou liquides dispersée qui y sont présentes en suspension. La filtration consiste dans le passage de la suspension à travers un milieu filtrant adéquat capable de retenir par action physique, et plus rarement chimique, les particules solides. Le milieu filtrant est constitué par des particules solides, elles-mêmes déposées sur un support qui peut être, des toiles métalliques, du sable, des gravières. Pour faciliter l’opération et augmenter la vitesse de passage du liquide, qui dépend de la perte de charge dans les canaux du milieu filtrant. On exerce une aspiration sur le filtre, ou on augmente la pression sur le liquide à filtrer.La séparation se fait grâce au milieu filtrant qui retient les particules et laisse passer le liquide. Ce liquide est appelé filtrat , et la couche de particules retenues sur le milieu filtrant est le gâteau ou tourteau.

Les filtres presse

Les filtres presse (figure 9) sont constitués par une succession alternée de cadres et de plateaux supportés par des rails et maintenus les uns aux autres par pression. Les plateaux sont des plaques métalliques pleines dont les faces présentent des cannelures verticales afin de drainer le liquide filtré et recouvertes de toile filtrante. Les cadres ont pour but de maintenir un certain écartement entre les plateaux successifs et de donner naissance à un volume dans lequel on introduit le liquide à filtrer.Les plateaux, cadres et la toile filtrante présentent deux orifices diagonalement opposés, qui après serrage vont former deux collecteurs. Par un des collecteurs arrive la suspension à filtrer, tandis que le deuxième sert à l’évacuation du filtrat. Le filtrat traverse la toile déposée sur les cadres, s’écoule par les rainures des plateaux et rejoint le collecteur d’évacuation.Les particules solides, retenues par la toile, s’accumulent dans l’espace compris entre deux plateaux et forment ce que l’on appelle un gâteau. Lorsque les espaces sont remplis de solide, les gâteaux sont recueillis en faisant cesser la pression exercée sur les cadres et les plateaux. La pression de service peut aller habituellement de 2 à 7 bars .

Description de la station de désucrage des boues

La station de désucrage des boues (Figure 10) a pour but, l’élimination de la boue contenue dans l’eau boueuse, sous forme des tourteaux, afin de récupérer une eau sucrée qui est recyclée et mélangée en amont avec le sucre brut au niveau de l’étape de l’affinage. La station contient deux filtre-presse qui fonctionnent en alternance. L’eau boueuse est stockée dans un bac de 35 m3 qui alimente les deux filtres presse à l’aide d’une pompe centrifuge. Le filtrat est récupéré dans un bac de 25 m3 alors que les tourteaux sont déchargés dans un terrain au-dessous des filtres presses afin de les charger et les transporter par des camions. L’eau de lavage et de nettoyage est stockée dans un bac de 25 m3 et pompée à travers des filtres avant son utilisation au niveau des filtres-presse.La station offre de l’air comprimé à l’aide de deux compresseurs qui alimentent un réservoir d’air comprimé de 10 m3 en passant par des sécheurs frigorifiques[2].

Table des matières

Introduction générale
Chapitre 1 : Procédé de fabrication du sucre et présentation de la station de désucrage des boues
I. Présentation de l’entreprise
I.1. Historique
I.2. Fiche Technique de la société
I.3. Production de la COSUMAR
I.4. Organigramme de l’entreprise
II. Généralités sur le sucre
II.1. Les plantes saccharifères
II.2. Composition du sucre
III. Processus de raffinage du sucre brut
III.1. Réception et stockage
III.2. Empâtage
III.3. Fonte
III.4. Epuration
III.5. La filtration chimique :la décoloration
III.6. Evaporation
III.7. Cristallisation
IV. La station de désucrage des boues
IV.1. Les filtres presse
IV.2. Description de la station de désucrage des boues
IV.3. Déroulement technologique de la filtration par les filtres presse.
V. Service laboratoire
V.1. Laboratoire des analyses de l’eau
V.2. Laboratoire de biologie
V.3. Laboratoire des analyses chimiques
Chapitre 2 : Optimisation du fonctionnement des filtres presse par les plans d’expérience
I. Formalisation du problème
I.1. Le Suivi de l’humidité des tourteaux
I.2. Le Suivi du pourcentage de sucre dans les tourteaux
II. Généralités sur les plans d’expérience
III. Plan de Criblage
III.1. Détermination des facteurs
III.2. Construction de la matrice d’expérience
III.3. Résultat des essais
III.4. Analyse mathématique des résultats d’essai
III.5. Analyse statistique et graphique du modèle
III.6. Conclusion
IV. Optimisation du taux d’humidité dans les tourteaux
V. Optimisation du pourcentage de sucre par le plan a surface de réponse
V.1. Facteurs et niveau d’étude
V.2. Construction du plan d’expériences
V.3. Plan d’expérimentation et résultats des essais
V.4. Analyse mathématique des résultats d’essais
V.5. Analyse statistique du modèle
V.6. Analyse graphique du modèle
V.7. Optimisation du pourcentage de sucre
V.8. La réalisation des essais dans les conditions optimales
V.9. Bilan économique
Perspective
Bibliographies

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