L’évaporation retire l’eau d’un liquide en la faisant bouillir, puis évacue la vapeur produite : le solvant part, le soluté reste, le produit se concentre. C’est l’opération la plus simple à décrire et la plus chère à faire tourner, parce qu’il faut fournir à chaque kilogramme d’eau qui s’en va sa chaleur latente de vaporisation, soit environ 2 260 kJ à la pression atmosphérique — l’équivalent d’un tiers de kilowattheure gaspillé pour un litre d’eau que l’on jette sous forme de nuage.
Dans une sucrerie, une usine de lactosérum, une concentration de jus de fruits ou un atelier de sirops de glucose, l’évaporation est le poste de vapeur numéro un, loin devant la pasteurisation et le nettoyage. Une station qui évapore 60 t d’eau par heure appellerait, si on la conduisait naïvement, 60 t de vapeur vive par heure : la chaudière coûterait plus cher que l’usine. Toute l’ingénierie de l’évaporation consiste donc à faire servir la même chaleur plusieurs fois de suite.
Deux idées suffisent à comprendre l’ensemble du sujet. La première : en abaissant la pression, on abaisse la température d’ébullition, donc on peut faire bouillir un liquide avec la vapeur produite par un autre liquide qui bout un peu plus haut. C’est le multiple effet. La seconde : la vapeur produite contient presque toute l’énergie qu’on lui a donnée ; il suffit de relever sa pression de quelques dixièmes de bar pour qu’elle redevienne utilisable comme fluide chauffant. C’est la compression de vapeur. Le reste — les appareils, les circulations, les réglages — découle de ces deux idées et de deux contraintes physiques : le point d’ébullition monte quand la concentration monte, et les surfaces d’échange s’encrassent.
Évaporation ou séchage ? L’évaporation fait bouillir un liquide qui reste un liquide : l’eau quitte une surface libre en ébullition, le produit doit rester pompable de bout en bout, et l’opération s’arrête quand il cesse de couler — en pratique entre 45 et 80 % de matière sèche selon le produit. Le séchage retire l’eau résiduelle d’un solide, d’une pâte ou d’une gouttelette, presque toujours en dessous de l’ébullition, en la faisant diffuser à travers une matrice puis en la chargeant dans un gaz porteur. La différence n’est pas académique : elle est énergétique. Évaporer un kilogramme d’eau dans un quadruple effet coûte 550 à 700 kJ ; le sécher par atomisation en coûte 4 000 à 6 000. On évapore donc aussi loin que possible avant de sécher, jamais l’inverse.
Sur cette page
À quoi sert l’opération
Concentrer, c’est d’abord réduire un volume. Le lactosérum sort d’une fromagerie à 6 % de matière sèche ; le transporter tel quel revient à payer le camion pour 94 % d’eau. Concentré à 55 %, il tient dans un dixième du volume. Le raisonnement vaut pour les jus de fruits expédiés d’un continent à l’autre à 65-70 °Brix puis reconstitués à destination, pour les extraits de café, pour les vinasses de distillerie, pour les eaux de lavage de féculerie.
Concentrer, c’est ensuite préparer une autre opération. En sucrerie, le jus épuré à 14-16 °Brix ne cristallise pas : il faut l’amener à 65-72 °Brix avant de l’envoyer aux cuites. L’évaporation prépare la cristallisation en amenant la solution au bord de la sursaturation, sans jamais la franchir dans l’évaporateur — un évaporateur qui cristallise est un évaporateur qui se bouche.
Concentrer, c’est aussi stabiliser. En abaissant l’activité de l’eau sous 0,85, un lait concentré sucré, une confiture à 68 °Brix ou un extrait de viande deviennent inhospitaliers aux bactéries sans stérilisation poussée. La concentration remplace ici une partie du traitement thermique de conservation.
Concentrer, c’est enfin fabriquer une texture et un goût. La sauce tomate passe de 6-8 % à 28-32 % de matière sèche, et cette concentration fait le corps du produit autant que sa conservation. Le moût de brasserie perd 4 à 10 % de son volume pendant l’ébullition du houblonnage : cette évaporation-là a pour fonction d’éliminer le sulfure de diméthyle et de fixer l’isomérisation des acides alpha, la concentration n’étant qu’un effet secondaire. Dans un atelier de sève de palmier ou d’érable, l’évaporation à l’air libre construit tout le profil aromatique par réaction de Maillard.
Les filières concernées sont donc toutes les filières : laitière (lait, lactosérum, perméats), sucrière (betterave, canne), céréalière (sirops de glucose, eaux de trempe de maïs à 6 puis 45-50 % de matière sèche), fruits et légumes (jus, purées, concentrés), viande et poisson (bouillons, gélatines, solubles de poisson), brassicole et distillerie.
Le phénomène physique
Bouillir sous vide
Un liquide bout quand sa pression de vapeur saturante égale la pression qui règne au-dessus de lui. Abaisser la pression abaisse donc la température d’ébullition, et de beaucoup : l’eau pure bout à 100 °C sous 1 013 mbar, à 81 °C sous 500 mbar, à 60 °C sous 199 mbar, à 45 °C sous 96 mbar, à 40 °C sous 74 mbar. Le vide est produit par un condenseur — qui, en condensant les buées, fait disparaître leur volume — assisté d’une pompe à vide ou d’un éjecteur à vapeur dont le seul rôle est d’extraire les gaz incondensables.
Bouillir sous vide sert à deux choses. D’abord à traiter des produits thermosensibles : un jus d’orange, un extrait de café ou un jus de yacon ne supportent pas une heure à 100 °C. Ensuite, et c’est l’essentiel du point de vue énergétique, à créer une cascade : si le troisième effet bout à 57 °C, la vapeur produite par le deuxième effet à 83 °C est un fluide chauffant parfaitement valable pour lui.
Le vide a un prix physique : la chaleur latente augmente quand la température baisse. Elle vaut 2 257 kJ·kg−1 à 100 °C, 2 358 à 60 °C, 2 402 à 40 °C. Évaporer sous vide coûte donc 3 à 6 % de chaleur en plus par kilogramme d’eau. Le gain du multiple effet, qui divise la consommation par quatre ou cinq, écrase largement cette pénalité.
L’élévation du point d’ébullition
Une solution ne bout jamais à la température de son solvant pur. La loi de Raoult dit que la pression de vapeur du solvant au-dessus d’une solution idéale est proportionnelle à sa fraction molaire : ajouter du soluté abaisse la pression de vapeur, donc il faut chauffer plus haut pour retrouver la pression ambiante. L’écart s’appelle élévation ébullioscopique, ou EPE.
La formule des solutions diluées, ΔT = Ke·m avec Ke = 0,512 K·kg·mol−1 pour l’eau, donne le bon ordre de grandeur jusqu’à 30 ou 40 % de matière sèche et sous-estime ensuite. Ce qu’il faut en retenir tient en une phrase : l’élévation dépend du nombre de molécules dissoutes, pas de leur masse. À 60 % de matière sèche, une solution de saccharose (M = 342 g·mol−1) s’élève de 2 à 3 K ; une solution de xylitol (M = 152 g·mol−1) contient deux fois plus de moles pour la même masse et s’élève d’environ le double ; une solution de fructo-oligosaccharides de degré de polymérisation 3 à 10 (M de 500 à 1 700 g·mol−1) s’élève à peine.
Pour le saccharose, les ordres de grandeur usuels à pression atmosphérique sont : moins de 0,5 K à 20 °Brix, environ 1 K à 40 °Brix, 2 à 3 K à 60 °Brix, 4 à 6 K à 75 °Brix, une dizaine de kelvins à 85 °Brix. La courbe est fortement non linéaire : c’est en fin de concentration que l’EPE devient un vrai problème de conduite.
La règle de Dühring permet de s’en sortir sans mesures interminables. Elle énonce que, pour une concentration donnée, la température d’ébullition de la solution est une fonction affine de la température d’ébullition de l’eau pure à la même pression : Tsolution = a·Teau + b, avec a proche de 1 et croissant avec la concentration. Un diagramme de Dühring établi une fois pour toutes sur un produit — quelques mesures à pressions différentes — permet de lire l’EPE à n’importe quel niveau de vide. C’est l’outil de dimensionnement standard des ateliers de concentration.
Pourquoi l’EPE coûte de l’argent. La buée qui sort d’un effet est de la vapeur d’eau pure : sa température de saturation est celle de l’eau à la pression de l’effet, c’est-à-dire la température d’ébullition de la solution moins l’EPE. Ces kelvins-là sont perdus pour l’effet suivant. Dans un sextuple effet où la solution finale s’élève de 8 K, ce sont 15 à 20 K qui disparaissent du budget total de température — soit l’équivalent d’un effet entier. C’est la raison physique pour laquelle on ne construit pratiquement jamais au-delà de sept effets.
L’ébullition à la paroi
À la surface d’échange, le régime recherché est l’ébullition nucléée : des bulles naissent sur les aspérités de la paroi, se détachent et brassent la couche limite. Le coefficient d’échange y est élevé. Si l’écart de température paroi-liquide devient trop grand, les bulles coalescent en un film de vapeur isolant — crise d’ébullition — et le coefficient s’effondre pendant que la paroi surchauffe : c’est ainsi qu’on brûle un produit. En pratique, on limite l’écart par effet à 8-25 K et on maintient une vitesse de circulation suffisante.
Dernier phénomène, souvent sous-estimé : la charge hydrostatique. Dans un faisceau noyé, le liquide au bas des tubes supporte le poids de la colonne au-dessus de lui. Un mètre de liquide, c’est environ 0,1 bar de plus, soit 8 à 12 K d’élévation de la température d’ébullition sous vide poussé. Le bas du tube ne bout pas, seul le haut évapore, et la surface d’échange n’est utilisée qu’en partie. C’est l’argument décisif en faveur des évaporateurs à film tombant, où le liquide ruisselle en couche mince sans jamais former de colonne.
Les grandeurs et les équations
Un évaporateur se calcule avec trois bilans et deux corrections. Les bilans : matière, soluté, enthalpie. Les corrections : l’élévation ébullioscopique et l’encrassement.
Le bilan matière global et le bilan sur le soluté non volatil donnent immédiatement la quantité d’eau à évaporer. Un jus entrant à 15 °Brix et sortant à 70 °Brix perd 1 − 15/70 = 78,6 % de sa masse : concentrer 100 t/h de jus demande d’évaporer 78,6 t/h d’eau. Ce chiffre unique commande tout le dimensionnement, et il est brutalement sensible au Brix d’entrée : gagner deux points de matière sèche en amont, par pressage ou par filtration membranaire, retire directement des tonnes de vapeur par heure.
Le bilan enthalpique de l’effet : la chaleur latente cédée par la vapeur vive, plus l’enthalpie du produit entrant, égale l’enthalpie de la buée, plus celle du concentré, plus les pertes. Quand l’alimentation arrive déjà à la température d’ébullition et que les pertes sont faibles, il se réduit à V·LV ≈ E·HE, donc à V ≈ E : un kilogramme de vapeur vive évapore un kilogramme d’eau, et pas davantage, dans un simple effet. Toute l’économie de vapeur consiste à réutiliser E.
L’équation de transfert donne la surface. Le point à ne pas manquer est la définition de l’écart utile : ce n’est pas l’écart entre la vapeur chauffante et la vapeur produite, c’est l’écart entre la vapeur chauffante et le liquide en ébullition, dont la température est supérieure de l’EPE à celle de saturation. Les valeurs usuelles de U vont de 400 à 800 W·m−2·K−1 pour un produit visqueux en circulation forcée, de 1 200 à 2 500 pour un jus clair en film tombant, et tombent de 30 à 60 % lorsque la surface est encrassée.
La première forme sert à estimer, la seconde à calculer. On mesure l’ébullition du produit à trois ou quatre pressions, on trace la droite de Dühring pour chaque concentration, et on dispose alors de l’EPE partout dans l’atelier.
L’économie de vapeur — kilogrammes d’eau évaporée par kilogramme de vapeur vive — est le seul indicateur qui compte pour l’exploitant. La seconde relation dit comment on la finance : le budget total d’écart de température, entre la vapeur vive et le condenseur, se partage entre les effets après avoir payé les élévations ébullioscopiques et les pertes de charge des buées. Ajouter un effet, c’est prendre une part de plus dans un gâteau de taille fixe, donc réduire l’écart par effet, donc augmenter la surface d’échange à installer. L’économie de vapeur s’achète en mètres carrés d’inox.
| Symbole | Grandeur | Unité |
|---|---|---|
| F | Débit d’alimentation | kg·h−1 |
| L | Débit de concentré sortant | kg·h−1 |
| E | Débit d’eau évaporée (buée) | kg·h−1 |
| V | Débit de vapeur vive | kg·h−1 |
| xF, xL | Fractions massiques de matière sèche entrée / sortie | kg·kg−1 |
| h, H | Enthalpies massiques du liquide / de la vapeur | kJ·kg−1 |
| LV | Chaleur latente de condensation de la vapeur chauffante | kJ·kg−1 |
| Q, Qp | Flux de chaleur échangé / perdu | W ou kJ·h−1 |
| U | Coefficient global d’échange | W·m−2·K−1 |
| A | Surface d’échange | m2 |
| TV, Tsat | Températures de la vapeur chauffante / de saturation dans l’effet | °C |
| ΔTéb | Élévation ébullioscopique | K |
| Ke | Constante ébullioscopique de l’eau (0,512) | K·kg·mol−1 |
| m | Molalité de la solution | mol·kg−1 |
| Éc | Économie de vapeur | kg·kg−1 |
Les matériels
Le multiple effet
Le principe tient en une phrase : la buée d’un effet chauffe l’effet suivant, qui travaille à une pression plus basse. La vapeur vive n’entre qu’une fois, dans le premier effet ; ensuite, la même énergie latente traverse toute la station en descendant l’échelle des pressions, jusqu’au condenseur qui l’évacue vers l’eau de refroidissement.
2,5 bar abs — 127 °C — c’est le seul apport payé
1,17 bar abs — ébullition 105 °C — jus 15 → 25 °Brix
buée 1 : 104 °C, elle devient le fluide chauffant de l’effet 2
0,53 bar abs — ébullition 84 °C — 25 → 40 °Brix
buée 2 : 83 °C
0,15 bar abs — ébullition 57 °C — 40 → 68 °Brix — EPE 3 K
buée 3 : 54 °C
0,13 bar abs — 51 °C — extraction des incondensables
Sur cet exemple, le budget total d’écart vaut 127 − 51 = 76 K ; les élévations ébullioscopiques cumulées en consomment environ 5 K, les pertes de charge des buées 2 à 3 K, et il reste une vingtaine de kelvins par effet. Un kilogramme de vapeur vive y évapore de l’ordre de 2,5 kg d’eau. Les valeurs typiques d’économie de vapeur, pertes et purges comprises, sont d’environ 0,90 à 0,95 kg·kg−1 en simple effet, 1,7 à 1,9 en double, 2,4 à 2,7 en triple, 3,2 à 3,5 en quadruple, 3,9 à 4,3 en quintuple, 4,5 à 5,0 en sextuple. Le rendement marginal décroît : le deuxième effet fait gagner 45 % de vapeur, le sixième moins de 12 %.
La compression de vapeur
La compression mécanique de vapeur (CMV) aspire la buée produite par l’évaporateur, la comprime de 4 à 12 K de saturation supplémentaire au moyen d’un ventilateur haute pression ou d’un turbocompresseur, et la renvoie dans la calandre du même appareil comme fluide chauffant. L’évaporateur devient une boucle presque fermée : hors démarrage et appoint, il ne consomme plus de vapeur vive du tout, seulement de l’électricité — de l’ordre de 10 à 25 kWh par tonne d’eau évaporée pour un taux de compression correspondant à 5-8 K. Rapporté à l’échelle des économies de vapeur, cela équivaut à un effet virtuel de rang 15 à 30. La contrepartie : l’écart de température disponible est minuscule, donc la surface d’échange est très grande, l’appareil ne tolère qu’un produit peu encrassant et peu élévateur d’ébullition, et le compresseur est une machine bruyante et sensible.
La compression thermique de vapeur (CTV) remplace le compresseur par un éjecteur : un jet de vapeur vive à 8-12 bar entraîne une fraction de la buée et la recomprime. Aucune pièce mobile, coût d’investissement faible, mais le taux d’entraînement est limité — un éjecteur bien dimensionné aspire 0,5 à 1 kg de buée par kilogramme de vapeur motrice. On l’installe presque toujours sur le premier effet d’un multiple effet, où il ajoute l’équivalent d’un effet supplémentaire pour un encombrement dérisoire.
Les familles d’appareils
| Type | Principe | Viscosité admise | Temps de séjour | Emploi typique |
|---|---|---|---|---|
| Circulation naturelle (calandre, type Robert) | Faisceau vertical court noyé, thermosiphon entretenu par les bulles | Faible à moyenne | Long (plusieurs minutes à l’heure) | Sucreries de betterave, produits stables, gros débits |
| Circulation forcée | Pompe de recirculation, ébullition retardée hors du faisceau | Très élevée, produits cristallisants | Long | Fins de concentration, saumures, sirops de polyols, effluents |
| Grimpage (film montant) | Les bulles poussent un film liquide vers le haut de tubes de 6 à 12 m | Faible | Court (30 à 120 s) | Jus clairs, produits peu visqueux, faibles taux de concentration |
| Film tombant | Le liquide, distribué en tête, ruisselle par gravité en couche mince ; pas de charge hydrostatique | Faible à moyenne | Très court (10 à 60 s par effet) | Lait, lactosérum, jus de fruits, standard actuel |
| Flot tombant multi-effet à plaques | Film tombant entre plaques corruguées, compact, démontable | Faible | Très court | Petits et moyens débits, produits thermosensibles, changements fréquents |
| Couche mince raclée | Pales rotatives étalent et renouvellent le film sur une paroi chauffée | Extrême (pâtes, gommes) | Quelques secondes | Extraits très visqueux, fins de concentration au-delà de 80 % MS |
Le film tombant s’est imposé pour trois raisons : il supprime la charge hydrostatique, il fonctionne avec des écarts de température de 4 à 8 K seulement — ce qui permet d’empiler six ou sept effets —, et son temps de séjour très court épargne les produits fragiles. Sa faiblesse est le mouillage : sous un certain débit par mètre de périphérie de tube, le film se rompt, la paroi s’assèche et le produit brûle en quelques secondes. C’est pourquoi un film tombant ne descend jamais en dessous de 30 à 40 % de sa charge nominale sans recirculation.
Les paramètres de conduite
| Paramètre | Plage usuelle | Effet d’une augmentation |
|---|---|---|
| Pression de vapeur vive | 1,5 à 4 bar abs (110 à 145 °C) | Augmente la capacité ; augmente le risque de brûlage et d’encrassement du premier effet |
| Vide au condenseur | 60 à 200 mbar abs (36 à 60 °C) | Un vide plus poussé élargit le budget de température, mais coûte de l’eau froide et de l’énergie de pompage |
| Écart de température par effet | 4 à 8 K (film tombant), 10 à 25 K (circulation) | Augmente le flux ; rapproche de la crise d’ébullition et accélère l’entartrage |
| Taux de mouillage (film tombant) | 0,1 à 0,5 kg·m−1·s−1 | Sécurise le film ; au-delà, épaissit le film et fait chuter U |
| Brix de sortie | 45 à 80 % MS selon produit | Fait monter la viscosité et l’EPE ; réduit le débit et rapproche de la cristallisation involontaire |
| Débit d’eau au condenseur | 30 à 60 kg par kg de buée condensée | Améliore le vide ; consomme de l’eau et de l’énergie de pompage |
| Purge des incondensables | Continue, 0,5 à 2 % de la buée | Indispensable ; une purge insuffisante fait chuter U de 20 à 50 % |
| Durée de campagne entre deux NEP | 8 à 20 h (laitier), 15 à 30 j (sucrerie) | Prolonger dégrade U et le Brix ; raccourcir coûte de la disponibilité et des réactifs |
Le sens de circulation
Le produit et la vapeur ne sont pas obligés d’aller dans le même sens. Trois arrangements coexistent.
- Circulation avant (à co-courant). Le produit entre dans le premier effet, le plus chaud, et ressort du dernier, le plus froid. Il circule seul, poussé par les différences de pression : aucune pompe entre effets. Le produit le plus concentré, donc le plus visqueux et le plus fragile, se trouve à la température la plus basse — excellent pour la qualité. Inconvénient : c’est aussi là que U est le plus faible, puisque la viscosité est maximale et l’écart de température minimal.
- Circulation arrière (à contre-courant). Le produit entre par le dernier effet, froid, et ressort du premier, chaud. Le concentré termine là où U est le plus élevé, ce qui réduit la surface installée. Il faut une pompe entre chaque effet, pour remonter la pression, et le produit fini subit le traitement thermique le plus dur — rédhibitoire pour un jus de fruits, acceptable pour une saumure ou un effluent.
- Circulation mixte. On combine : entrée en avant sur les effets chauds, puis un retour vers un effet intermédiaire pour la finition. C’est l’arrangement le plus répandu sur les stations de six effets, parce qu’il place chaque phase de la concentration là où elle est le mieux servie.
Un quatrième arrangement, la circulation parallèle, alimente chaque effet séparément à partir de la même source et collecte les concentrés en sortie. On le réserve aux produits qui cristallisent en cours de route, comme les saumures : chaque effet travaille alors comme un cristallisoir-évaporateur indépendant.
Ce qui se dérègle
| Symptôme | Cause probable | Correction |
|---|---|---|
| Le Brix de sortie baisse à débit constant | Encrassement des faisceaux, U en chute | Suivre l’écart de température à débit fixé ; déclencher le NEP au seuil, pas au calendrier |
| Le vide se dégrade lentement | Entrée d’air aux brides, presse-étoupe ou vannes de niveau ; purge d’incondensables bouchée | Recherche de fuite à la mousse ; contrôler les évents ; vérifier l’éjecteur et la température d’eau au condenseur |
| Le vide se dégrade brutalement | Manque d’eau froide au condenseur ou pompe à vide en cavitation | Restaurer le débit et la température d’eau ; contrôler l’amorçage |
| Produit retrouvé dans les condensats | Moussage, entraînement de gouttelettes, séparateur cyclonique saturé ou charge trop élevée | Réduire la charge, injecter un antimousse autorisé, vérifier le dévésiculeur, abaisser le niveau |
| Brunissement, goût de cuit | Séjour trop long, point chaud, film rompu, recirculation excessive en fin de campagne | Baisser la température vive, augmenter le mouillage, réduire les volumes morts, écourter la campagne |
| Tubes bouchés, pertes de charge en hausse | Cristallisation involontaire dans le dernier effet (sursaturation atteinte) | Redescendre le Brix de consigne de 2 à 3 points ; remonter la température du dernier effet |
| Coefficient d’échange irrégulier d’un tube à l’autre | Distributeur de tête déréglé, appareil hors d’aplomb, tubes partiellement obturés | Contrôler la planéité et le nivellement, nettoyer la plaque de distribution |
| Consommation de vapeur en hausse sans gain de production | Purgeurs de calandre passants : la vapeur vive traverse vers les condensats | Contrôler les purgeurs à l’ultrason ou en thermographie ; c’est le premier gisement d’économie d’une station ancienne |
| Vibrations, à-coups dans les tuyauteries de vapeur | Coup de bélier : poche de condensat accélérée par la vapeur | Rétablir les pentes et les points de purge, réchauffer progressivement au démarrage |
L’encrassement mérite un mot de plus, parce qu’il gouverne le coût d’exploitation. Trois mécanismes se superposent : le dépôt de sels peu solubles dont la solubilité décroît avec la température — carbonate et sulfate de calcium, phosphates —, la dénaturation de protéines qui coagulent sur la paroi chaude, et la caramélisation des sucres. Le nettoyage en place classique est un enchaînement soude 1 à 2 % à 75-85 °C, rinçage, acide nitrique ou phosphorique 0,5 à 1 %, rinçage : la soude décroche les matières organiques, l’acide dissout le tartre minéral. L’ordre compte ; l’inverser laisse le tartre protégé par le film organique. En sucrerie, où les dépôts sont surtout calciques et très durs, on recourt à des campagnes de détartrage acide plus longues, parfois à un nettoyage mécanique par balles ou lances haute pression.
Vapeur et vide : deux dangers de sens opposé. Les calandres sont des appareils à pression : une soupape bloquée, une purge fermée ou une montée en pression au démarrage peuvent provoquer une rupture. Les corps d’évaporation sous vide sont, eux, exposés à l’implosion si le vide est cassé de travers ou si un corps chaud est refroidi brutalement vanne fermée. À cela s’ajoutent les brûlures par condensat, qui reste liquide à 120 °C sous pression et se vaporise instantanément à l’ouverture, et le risque d’anoxie à l’entrée dans un corps mal ventilé. Consignation, dépressurisation contrôlée, contrôle d’atmosphère et permis de pénétrer ne sont pas négociables.
Énergie, coût et environnement
Un ordre de grandeur ancre tout le reste : évaporer une tonne d’eau demande environ 2,3 GJ de chaleur latente, soit à peu près 640 kWh thermiques. En simple effet, cela se traduit par une tonne de vapeur vive. En quadruple effet, il faut 280 à 310 kg de vapeur ; en sextuple, 200 à 220 kg ; avec une compression mécanique, 15 à 25 kWh électriques et une poignée de kilogrammes de vapeur d’appoint. L’écart entre la conduite la plus fruste et la plus soignée est d’un facteur cinquante sur l’énergie primaire achetée.
Le calcul économique ne se réduit pas à ce facteur, parce que l’électricité coûte typiquement trois à quatre fois le kilowattheure de gaz. Une CMV à 20 kWh par tonne d’eau reste néanmoins très favorable face à un quadruple effet qui consomme l’équivalent de 200 kWh thermiques par tonne : le rapport de coût reste de l’ordre de 1 à 3. Les arbitrages réels se jouent ailleurs — investissement, taille de la station, disponibilité d’une vapeur fatale, aptitude du produit à l’encrassement.
Trois gisements de récupération existent dans toute station :
- Les condensats. Ils reviennent à 90-120 °C et contiennent 400 à 500 kJ·kg−1 d’enthalpie sensible. Renvoyés à la bâche alimentaire, ils épargnent une part notable du combustible de la chaudière et toute l’eau déminéralisée correspondante. Les condensats du premier effet, propres, retournent en chaudière ; les condensats de buées, susceptibles d’avoir été souillés par entraînement, servent plutôt d’eau de préchauffage ou d’eau de lavage.
- Les buées finales. Avant le condenseur, elles portent encore la totalité de la chaleur latente à basse température. On les valorise en préchauffant l’alimentation, en alimentant une CTV, ou en les envoyant vers un réseau de chaleur basse température.
- L’eau du produit. Une betterave contient 75 % d’eau ; le condensat des buées d’une sucrerie couvre l’essentiel des besoins en eau de procédé de l’usine. Une sucrerie bien conduite prélève très peu d’eau au milieu naturel — l’évaporation y est aussi une station de production d’eau.
Côté émissions, la chaleur reste le poste dominant. Une tonne de vapeur produite dans une chaudière au gaz naturel représente de l’ordre de 150 à 250 kg de CO2e selon le rendement et les pertes du réseau ; passer d’un double à un sextuple effet divise ce chiffre par deux et demi à trois pour la même production. C’est l’un des leviers les plus efficaces de l’empreinte d’un ingrédient sucrant, comme le montre le bilan détaillé de l’empreinte carbone du xylitol, où les postes thermiques pèsent lourd devant le transport.
L’opération dans la fabrication des sucrants
Betterave et canne : l’évaporation comme distributeur de chaleur
Dans une sucrerie de betterave, le jus épuré à 14-16 °Brix est concentré à 65-70 °Brix dans une station de quatre à six effets avant d’aller aux cuites. La particularité de l’installation est que ses buées ne sont pas perdues : elles sont soutirées à chaque effet pour chauffer les jus, la chaux, les cuites, la décalcification. L’évaporation d’une sucrerie n’est pas un consommateur de vapeur, c’est le distributeur de chaleur de toute l’usine — et le schéma thermique se dessine autour d’elle. C’est ce qui a permis de faire tomber la consommation d’une sucrerie moderne aux environs de 20 à 25 kg de vapeur pour 100 kg de betteraves, contre le double dans les années 1970. La sucrerie de canne suit la même logique avec un quadruple effet, à partir d’un jus clarifié à 13-15 °Brix.
Le sirop de yacon : le Brix ne dit pas ce qu’il y a dedans
Le jus de yacon sort du pressage à 8-14 °Brix. Le concentrer à 70-75 °Brix demande d’évaporer environ 85 % de sa masse. Le problème est que la matière sèche qui donne au produit son identité commerciale — les fructo-oligosaccharides, chaînes de fructose de degré de polymérisation 3 à 10 liées en β(2→1) — est précisément ce que la chaleur détruit.
Ces liaisons sont hydrolysables en milieu acide, et le jus de yacon est naturellement acide, entre pH 4,5 et 6, chargé d’acides organiques et phénoliques. L’hydrolyse suit la cinétique classique d’une réaction en solution : sa vitesse croît fortement avec la température — grossièrement un doublement tous les 10 K — et avec la concentration en ions H+. Un jus maintenu à 100 °C pendant deux heures à pH 4,5 voit une fraction majeure de ses FOS se couper en fructose et en glucose libres.
Deux sirops au même Brix peuvent n’avoir rien à voir. L’hydrolyse d’un FOS ne fait pas disparaître de matière sèche : elle remplace une molécule longue par plusieurs molécules courtes, à masse quasi constante. Le réfractomètre ne bouge donc pratiquement pas, et l’étiquette peut afficher le même chiffre. Deux sirops de yacon à 72 °Brix peuvent contenir l’un 50 % de FOS rapportés à la matière sèche, l’autre moins de 15 %, uniquement parce que le second a été concentré à l’air libre au lieu de l’être sous vide. Le Brix mesure une masse dissoute, pas une nature chimique : seule une analyse chromatographique du profil glucidique départage les deux.
La conduite industrielle en découle directement : évaporation sous vide poussé à 50-60 °C, appareil à film tombant ou à couche mince pour un temps de séjour de quelques dizaines de secondes par passe, aucun stockage tampon chaud, refroidissement immédiat du concentré. Une correction de pH vers 5,5-6 avant concentration ralentit encore l’hydrolyse, à condition de rester compatible avec le goût et la réglementation applicable au produit. Le brunissement, lui, vient s’ajouter au problème : le fructose libéré est un sucre réducteur très réactif, et chaque point de FOS hydrolysé alimente les réactions de Maillard qui foncent le sirop. La page consacrée au sirop de yacon détaille ce que cette chimie change pour l’acheteur.
Le xylitol : concentrer sans franchir la sursaturation
Après hydrolyse de l’hémicellulose, purification, décoloration et déminéralisation, la solution de xylitol destinée à la cristallisation titre 25 à 40 % de matière sèche. Il faut l’amener à 65-85 % avant de l’envoyer au cristallisoir, et cette concentration décide de la qualité du cristal autant que la cristallisation elle-même : trop diluée, la solution demande une évaporation supplémentaire dans le cristallisoir et allonge le cycle ; trop concentrée, elle nuclée spontanément dans les tubes de l’évaporateur et bouche l’appareil.
Trois particularités marquent cette évaporation. La première est l’élévation ébullioscopique : avec une masse molaire de 152 g·mol−1, le xylitol produit à concentration massique égale environ deux fois plus de moles que le saccharose, donc une élévation nettement plus forte — plusieurs kelvins dès 70 % de matière sèche. Le budget de température s’en trouve amputé, et le nombre d’effets réalistes tombe à deux ou trois. La deuxième est la viscosité, qui explose en fin de concentration : on termine généralement en circulation forcée, où la pompe garantit une vitesse suffisante dans les tubes. La troisième est plutôt une bonne nouvelle : le xylitol, comme tous les polyols, ne possède pas de fonction carbonyle libre — il ne caramélise pas et ne participe pas aux réactions de Maillard. Une solution de xylitol pure tolère donc la chaleur bien mieux qu’un sirop de saccharose ou de yacon ; seuls les sucres réducteurs résiduels, xylose et arabinose non convertis, provoquent des colorations. C’est le même mécanisme moléculaire qui explique pourquoi le xylitol ne caramélise pas en cuisine, et la fabrication du xylitol retrace la place exacte de cette étape dans la chaîne.
Les autres sucrants
L’érythritol, produit par fermentation, sort du fermenteur à 200-300 g·L−1 ; après filtration et déminéralisation, la solution est concentrée sous vide à 60-70 % avant cristallisation, avec une élévation ébullioscopique plus forte encore que celle du xylitol puisque sa masse molaire n’est que de 122 g·mol−1. Pour la stévia, l’évaporation intervient après extraction et purification, souvent en aval d’une étape membranaire qui a déjà retiré l’essentiel de l’eau ; les glycosides de stéviol étant de grosses molécules, l’élévation ébullioscopique y est négligeable et la contrainte principale reste la couleur. Le sirop d’agave est concentré jusqu’à 74-76 °Brix après une hydrolyse volontaire de ses fructanes : la même chimie qu’au yacon, mais cette fois recherchée. Le sucre de fleur de coco occupe l’autre extrémité du spectre : la sève est traditionnellement concentrée à l’air libre dans un wok chauffé au feu de bois, et la réaction de Maillard intense qui s’y produit n’est pas un défaut, c’est ce qui fabrique la couleur et les notes caramélisées du produit. Même opération unitaire, objectifs opposés.
Pour aller plus loin
- Concentration — l’arbitrage entre les trois voies : évaporation, membranes, cryoconcentration, et à quel moment chacune l’emporte.
- Cristallisation — ce que devient la solution que l’évaporateur a amenée au bord de la sursaturation.
- Échange de chaleur — le coefficient global U, les régimes d’écoulement et l’encrassement, en amont de tout calcul d’évaporateur.
- Séchage — ce qui prend le relais quand le produit cesse d’être pompable.
- Atomisation — la suite logique d’une concentration poussée, et pourquoi on lui livre le concentré le plus sec possible.
- Distillation — l’autre opération fondée sur l’ébullition, mais où c’est la vapeur que l’on récupère.
- Hydrolyse — la réaction que l’évaporation d’un jus de yacon cherche à éviter et qu’un atelier d’agave cherche à provoquer.
- Érythritol — un polyol dont la fabrication passe elle aussi par une concentration sous vide avant cristallisation.
Sources
- Fellows, P. J., Food Processing Technology: Principles and Practice, 4e éd., Woodhead Publishing, 2017.
- Bimbenet, J.-J., Duquenoy, A., Trystram, G., Génie des procédés alimentaires : des bases aux applications, Dunod, 2e éd., 2007.
- Singh, R. P., Heldman, D. R., Introduction to Food Engineering, 5e éd., Academic Press, 2014.
- McCabe, W. L., Smith, J. C., Harriott, P., Unit Operations of Chemical Engineering, 7e éd., McGraw-Hill, 2005.
- Perry, R. H., Green, D. W., Perry’s Chemical Engineers’ Handbook, 9e éd., McGraw-Hill, 2018.
- Saravacos, G., Kostaropoulos, A. E., Handbook of Food Processing Equipment, 2e éd., Springer, 2016.
- Mafart, P., Béliard, E., Génie industriel alimentaire, Tec & Doc Lavoisier.
- Hernández-Pérez et al., « Xylitol: Bioproduction and Applications — A Review », Frontiers in Sustainability, 2022.
- Règlement (UE) n° 1333/2008 sur les additifs alimentaires (E967 xylitol, E968 érythritol) et règlement (UE) n° 1169/2011 sur l’information des consommateurs.