L’absorption gaz-liquide fait entrer une molécule gazeuse dans le volume d’un liquide, où elle se dissout et cesse d’être un gaz. C’est l’opération qui met les bulles dans une eau gazeuse, l’oxygène dans un moût de fermentation, l’hydrogène au contact d’un catalyseur, et le gaz carbonique du four à chaux dans le jus de betterave. Prise à l’envers, la même opération vide un liquide du gaz qu’il contient : c’est la désaération d’un sirop avant hydrogénation, ou le dégazage d’un jus avant remplissage.
Elle mérite un cours parce qu’elle réunit deux difficultés que rien d’autre ne réunit. La première est thermodynamique : la quantité de gaz qu’un liquide peut retenir est ridiculement faible — quelques milligrammes d’oxygène par litre d’eau, un gramme et demi de gaz carbonique — et cette quantité est fixée, à température et pression données, par une constante que le procédé ne négocie pas. La seconde est cinétique : approcher cette limite prend du temps, et le temps se paie en aire d’échange, donc en bulles, en garnissage, en puissance d’agitation.
La conséquence pratique est que l’absorption ne se conduit presque jamais en jouant sur la quantité de gaz envoyée, mais sur la surface de contact et sur l’écart à l’équilibre. Un fermenteur qui manque d’oxygène ne se corrige pas en ouvrant la vanne d’air : au-delà d’un certain débit, les bulles coalescent, l’aire diminue et le transfert baisse pendant que la facture monte. Une boisson qui ne prend pas ses bulles ne se corrige pas en poussant la pression de gaz carbonique : neuf fois sur dix, le liquide est trop chaud. La page traite donc les deux sens à la fois : absorption et désorption sont la même équation au signe près, les mêmes appareils souvent retournés, et les mêmes défauts d’atelier.
Absorption ou adsorption ? Une lettre, deux opérations. L’absorption fait pénétrer une molécule dans le volume d’une phase : le gaz se dissout dans le liquide et se répartit dans toute la masse, si bien que la capacité se compte en volume. L’adsorption fixe une molécule à la surface d’un solide : elle reste à l’interface, et la capacité se compte en surface développée. Le charbon actif adsorbe les colorants d’un sirop ; l’eau absorbe le gaz carbonique. Les deux mots ne se remplacent jamais — voir l’adsorption et la décoloration.
Quatre termes gravitent autour de l’absorption. La désorption est l’opération inverse : le gaz dissous repasse en phase gazeuse. Le stripping est une désorption provoquée par un gaz d’entraînement — on fait barboter de l’azote pour chasser l’oxygène, et l’azote emporte ce qu’il ne contenait pas. Le dégazage obtient la même chose sans gaz d’entraînement, par le vide, la chaleur ou une pluie de gouttes. La carbonatation, enfin, nomme deux gestes différents : la dissolution du gaz carbonique dans une boisson, et en sucrerie de betterave une absorption réactive dans un jus alcalin.
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À quoi sert l’opération
Quatre finalités, qui n’appellent ni les mêmes appareils ni les mêmes réglages.
Mettre un gaz dans un liquide pour qu’il y reste
C’est la carbonatation des boissons — eaux gazeuses, limonades, colas, bières, cidres, vins effervescents. Le gaz carbonique dissous porte le picotement, l’acidité perçue, une part de l’arôme libéré à l’ouverture et la tenue de la mousse. L’azotage relève de la même finalité : en brasserie et sur les cafés infusés à froid, l’azote peu soluble donne une mousse fine et persistante que le gaz carbonique ne sait pas faire. Moins visible, l’oxygénation du moût de bière avant ensemencement appartient au même groupe : la levure a besoin d’oxygène dissous pour bâtir ses membranes, et cet oxygène-là est apporté en une fois, alors que toute la fermentation qui suit se fait en anaérobie.
Mettre un gaz dans un liquide pour qu’il y réagisse
Le gaz n’est plus le produit mais un réactif. La carbonatation du jus de betterave chaulé en est l’exemple le plus lourd de l’agroalimentaire : le gaz carbonique du four à chaux réagit avec la chaux dissoute pour précipiter un carbonate de calcium qui emporte les impuretés. L’hydrogénation du xylose en xylitol en est un autre : l’hydrogène doit se dissoudre dans le sirop avant d’atteindre le catalyseur, et cette dissolution est souvent l’étape la plus lente de l’ensemble. S’y ajoutent l’ozonation des eaux de lavage en filière fruits et légumes et le lavage de gaz acides ou ammoniacaux.
Retirer un gaz d’un liquide
Le sens inverse est aussi fréquent : désaération de l’eau de dilution et des boissons plates avant remplissage, dégazage des jus de fruits qui emprisonnent de l’air au pressage, stripping de l’oxygène des sirops de polyols avant hydrogénation, dégazage du lait dont l’air occlus fausse les mesures de densité. L’ennemi commun est l’oxygène : il oxyde les lipides, brunit les jus, décolore les anthocyanes et vieillit la bière.
Épurer ou récupérer un gaz en le lavant
Ici le liquide est l’outil et le gaz le sujet : on lave les buées d’un évaporateur pour en retenir l’ammoniac, on traite les effluents odorants d’un séchoir, on récupère à l’eau le gaz carbonique de fermentation. La colonne et le calcul sont les mêmes ; seul change le côté du bilan qu’on regarde.
Le phénomène physique
Un plafond fixé par la thermodynamique
Un liquide en contact avec un gaz finit par en contenir une quantité stable, appelée concentration à saturation et notée C*. Ce plafond n’a rien d’un réglage : il découle de l’égalité des potentiels chimiques de part et d’autre de l’interface, et pour un gaz peu concentré il est proportionnel à la pression partielle du gaz dans la phase gazeuse. C’est la loi de Henry.
Trois conséquences se retiennent, et elles gouvernent toute la conduite.
- Ce qui compte est la pression partielle, pas la pression totale. L’air atmosphérique n’offre que 0,21 bar d’oxygène : l’eau saturée d’air en contient environ 8 mg/L à 25 °C, quand la même eau sous oxygène pur en tiendrait près de cinq fois plus. C’est ce qui fait de l’enrichissement du gaz un levier direct.
- La solubilité d’un gaz diminue quand la température monte — l’inverse exact de ce qui se passe pour un solide, où la chaleur aide (voir la dissolution). L’eau tient de l’ordre de 14 mg/L d’oxygène près de 0 °C, 9 mg/L à 20 °C, 8 mg/L à 25 °C, et rien à l’ébullition ; le gaz carbonique passe d’environ 3,3 g/L à 0 °C sous 1 bar de gaz pur à environ 1,5 g/L à 25 °C. Toute carbonatation industrielle se fait donc à froid.
- Les matières dissoutes chassent le gaz — c’est l’effet de relargage. Un moût chargé en sels et en sucres retient moins d’oxygène que l’eau pure : on descend couramment autour de 7 mg/L, parfois moins. Un sirop à 60 ou 70 % de matière sèche est un très mauvais solvant à gaz.
À pression partielle égale, le gaz carbonique se dissout une trentaine de fois mieux que l’oxygène : d’où les 6 à 8 g/L d’une boisson carbonatée face aux 8 mg/L qu’on peine à mettre dans un fermenteur. L’azote et l’hydrogène sont encore moins solubles que l’oxygène.
Le double film de Whitman
Le plafond dit où l’on va ; il ne dit rien du temps qu’il faut pour y arriver. Le modèle qui sert de langage commun à toute l’industrie est celui du double film, proposé par Whitman dans les années 1920, et il tient en trois hypothèses.
De part et d’autre de l’interface, la turbulence s’éteint et il subsiste deux couches minces et stagnantes : un film gazeux et un film liquide. Le cœur de chaque phase est parfaitement mélangé. À l’interface, l’équilibre est atteint instantanément — la loi de Henry y est respectée quelle que soit la vitesse du transfert ailleurs.
La molécule qui passe du gaz au liquide traverse donc deux résistances en série : le film gazeux, puis le film liquide. Elles s’ajoutent comme deux résistances électriques, et la plus grande impose sa loi.
Le modèle est faux dans le détail : les films ne sont pas stagnants, les interfaces se renouvellent sans cesse, et les modèles de pénétration décrivent mieux la réalité. Il est pourtant celui qu’on emploie partout, parce qu’il donne des coefficients mesurables, additifs, et qu’il désigne correctement la variable sur laquelle agir.
Où se trouve la résistance : la solubilité tranche
La question qui décide du choix de l’appareil est celle-ci : laquelle des deux résistances domine ? La réponse ne dépend pas de l’appareil, mais de la solubilité du gaz.
- Gaz peu soluble — oxygène, azote, hydrogène. Le liquide en accepte si peu que plus de 95 % de la résistance se loge dans le film liquide : le transfert est dit contrôlé côté liquide. Toute l’ingénierie consiste alors à agiter et à multiplier l’aire ; souffler plus de gaz sans changer la taille des bulles n’apporte presque rien.
- Gaz très soluble — ammoniac, chlorure d’hydrogène, acides organiques volatils. Le liquide les avale si vite que la limitation se déplace du côté du gaz : c’est le film gazeux qui freine. On soigne alors la vitesse du gaz et la turbulence de son côté.
- Gaz intermédiaire — le gaz carbonique en absorption physique. Les deux résistances comptent, avec une prédominance liquide qui reste nette. En milieu alcalin, la réaction chimique change complètement la donne, comme on va le voir.
Absorption physique et absorption avec réaction chimique
Tant que le gaz dissous reste ce qu’il était, l’absorption est dite physique : la concentration monte jusqu’à C*, l’écart moteur s’annule, le transfert s’arrête. La carbonatation d’une limonade est de cette nature.
Si le gaz dissous est consommé par une réaction dans le liquide, tout change. La concentration au cœur du liquide reste basse, presque nulle, l’écart moteur ne se referme jamais, et le transfert se poursuit indéfiniment. Mieux : quand la réaction est assez rapide pour se produire à l’intérieur même du film liquide, elle raccourcit la distance de diffusion et multiplie le flux. On mesure cet effet par un facteur d’accélération, qui vaut 1 en absorption physique et peut atteindre plusieurs dizaines en absorption réactive rapide.
Le cas d’école est industriel : le gaz carbonique en milieu alcalin. En solution basique, il ne reste pas gaz carbonique — les ions hydroxyde le captent pour former du bicarbonate puis du carbonate. La réaction est rapide, elle se déroule dans le film, et l’absorption devient plusieurs fois plus efficace que dans de l’eau neutre à la même pression. La carbonatation du jus chaulé en sucrerie vit entièrement de cet effet ; la précipitation du carbonate de calcium qui s’ensuit relève, elle, d’une autre opération : voir la précipitation.
Le corollaire de conduite compte : la performance dépend alors du pH et se dégrade brutalement quand l’alcalinité s’épuise. Une colonne qui absorbait très bien en début de charge peut absorber trois fois moins en fin de charge sans qu’aucun réglage ait bougé.
L’aire interfaciale : la vraie variable
Le flux est proportionnel à l’aire d’échange, et cette aire est faite de bulles : une bulle offre une aire par unité de volume inversement proportionnelle à son diamètre. Diviser le diamètre par deux, à volume de gaz constant, double la surface. C’est le levier le plus puissant de l’opération, et il se règle par la puissance dissipée, non par le débit de gaz.
Deux propriétés du liquide compliquent l’affaire. La coalescence d’abord : dans l’eau pure, les bulles fusionnent dès qu’elles se touchent et l’aire s’effondre, tandis que les sels dissous freinent cette fusion — un moût de fermentation est dit non coalescent et offre, à puissance égale, une aire plusieurs fois supérieure. La tension superficielle ensuite : tout ce qui l’abaisse, tensioactifs et protéines en tête, produit des bulles plus fines, mais aussi de la mousse, revers du même phénomène.
En pratique, l’aire ne se mesure jamais séparément du coefficient : les deux se mesurent ensemble sous la forme du produit kLa, qui est la grandeur de conduite d’un fermenteur.
Les grandeurs et les équations
Cinq relations suffisent. Elles s’enchaînent : la première donne le plafond, la deuxième le débit de matière, la troisième dit où agir, la quatrième dimensionne une colonne, la cinquième conduit un fermenteur.
1. La loi de Henry — le plafond
La concentration atteignable est proportionnelle à la pression partielle du gaz au-dessus du liquide. La constante H est propre au couple gaz-liquide et croît avec la température : plus elle est grande, moins le gaz est soluble. Dans l’eau à 25 °C, elle est de l’ordre de 8 × 104 Pa·m3·mol−1 pour l’oxygène et de 3 × 103 pour le gaz carbonique.
Ce qu’elle apprend : doubler la pression double le plafond, quand doubler le débit de gaz ne le change pas. C’est la raison d’être des carbonateurs sous pression et des fermenteurs en surpression.
2. Le flux transféré
La quantité transférée par unité de temps est le produit de quatre facteurs : un coefficient global rapporté au liquide, l’aire par unité de volume, le volume de l’appareil, et l’écart moyen logarithmique entre saturation et concentration réelle. La moyenne logarithmique s’impose parce que l’écart moteur diffère entre l’entrée et la sortie : elle joue ici le rôle exact de l’écart de température moyen logarithmique dans un échangeur de chaleur.
Ce que l’équation apprend : il n’y a que trois façons d’augmenter un transfert — agir sur KL (agiter, faire circuler), sur a (bulles plus fines, garnissage), ou sur l’écart moteur (pression, enrichissement du gaz, consommation du gaz dissous). Il n’y en a pas de quatrième.
3. L’addition des résistances
La résistance globale est la somme de la résistance du film liquide et de celle du film gazeux, cette dernière pondérée par la constante de Henry. C’est elle qu’on garde, parce qu’elle dit où il est inutile d’agir.
Pour l’oxygène, H est grand : le terme 1/(H·kG) devient négligeable, KL se confond avec kL, et multiplier par dix la turbulence côté gaz ne gagne rien. Pour l’ammoniac, c’est l’inverse. Une usine qui souffle plus fort sur un problème d’oxygénation dépense contre une résistance qui ne fait pas 5 % du total.
4. La hauteur d’une colonne
La hauteur de garnissage est le produit de deux quantités calculées séparément. Le NUT, nombre d’unités de transfert, est sans dimension et mesure la difficulté de la séparation demandée : il ne dépend que des concentrations exigées et de la courbe d’équilibre, jamais du matériel. La HUT, hauteur d’une unité de transfert, mesure la performance du garnissage : 0,3 à 0,6 m en structuré, 0,5 à 1,0 m en vrac.
Ce découpage rend le dimensionnement lisible. Exiger une désaération dix fois plus poussée n’ajoute pas dix fois la hauteur : le NUT croît comme un logarithme, et l’on passe de trois à cinq unités, soit de deux à trois mètres. Changer un garnissage vrac pour un structuré agit sur la HUT, et peut retirer un tiers de la hauteur à performance égale.
5. Le transfert d’oxygène en fermenteur
kLa = C · (P/V)α · vsβ
La première ligne donne le débit d’oxygène transféré par unité de volume de moût : le coefficient volumétrique multiplié par l’écart entre la saturation et l’oxygène dissous que lit la sonde. La seconde est la corrélation empirique qui relie ce coefficient aux deux seules commandes de l’opérateur, puissance d’agitation rapportée au volume et vitesse superficielle du gaz. Les exposants valent typiquement 0,4 à 0,7 pour α et 0,2 à 0,5 pour β, la constante C dépendant de la géométrie et du milieu.
Ce que cette corrélation apprend, et qui est contre-intuitif : l’agitation pèse plus que l’air. Avec un exposant de 0,5 sur la puissance et de 0,3 sur le débit, doubler la puissance d’agitation gagne environ 40 % de kLa, quand doubler le débit d’air n’en gagne que 25 % — et le débit d’air coûte de la compression, de la filtration stérile, de l’entraînement de mousse et une perte d’arômes ou de solvants volatils. C’est aussi la raison pour laquelle un fermenteur ne se conduit pas en « ouvrant l’aération » mais en fixant une consigne de kLa, que la boucle de régulation réalise en arbitrant entre agitation, débit et pression de tête.
Symboles et unités
| Symbole | Grandeur | Unité usuelle | Ordre de grandeur |
|---|---|---|---|
| C* | Concentration du gaz à saturation dans le liquide | mol·m−3 ou mg·L−1 | O2 : 7 à 8 mg/L à 25 °C sous air ; CO2 : environ 1,5 g/L à 25 °C sous 1 bar |
| CL | Concentration réelle dans le cœur du liquide | mol·m−3 ou mg·L−1 | Consigne de fermenteur : 10 à 40 % de C* |
| pA | Pression partielle du gaz absorbé | Pa ou bar | 0,21 bar pour l’O2 de l’air ; 2 à 5 bar en carbonatation |
| H | Constante de Henry (croît avec la température) | Pa·m3·mol−1 | O2 : 8 × 104 ; CO2 : 3 × 103 |
| kL | Coefficient de transfert du film liquide | m·s−1 | 1 × 10−4 à 5 × 10−4 |
| kG | Coefficient de transfert du film gazeux | mol·m−2·s−1·Pa−1 | 1 × 10−6 à 1 × 10−5 |
| KL | Coefficient global rapporté au liquide | m·s−1 | Se confond avec kL pour un gaz peu soluble |
| a | Aire interfaciale par unité de volume | m2·m−3 | 100 à 500 en cuve agitée ; 100 à 250 en garnissage vrac, 250 à 750 structuré |
| kLa | Coefficient volumétrique de transfert | h−1 (ou s−1) | 20 à 100 en aération douce ; 100 à 500 en aérobiose intensive |
| OTR | Débit d’oxygène transféré par volume de moût | mmol·L−1·h−1 | 2 à 20 en culture limitée ; 50 à 200 en aérobiose intensive |
| P/V | Puissance d’agitation rapportée au volume | kW·m−3 | 0,5 à 2 en cuve douce ; 2 à 5 en fermenteur ; 10 en forte demande |
| vs | Vitesse superficielle du gaz | m·s−1 | 0,005 à 0,1 |
| vvm | Débit de gaz par volume de liquide et par minute | min−1 | 0,1 à 0,3 en aération limitée ; 0,5 à 1,5 en aérobiose franche |
| ΔCml | Écart moteur moyen logarithmique | mol·m−3 | Toujours inférieur à C* |
| Z, HUT, NUT | Hauteur de garnissage, hauteur et nombre d’unités de transfert | m, m, sans dimension | HUT 0,3 à 1,0 m ; NUT 2 à 8 en désaération courante |
Les matériels
Trois questions décident : le sens du travail, la viscosité du liquide, et la nature physique ou réactive de l’absorption. Un liquide fluide et un gaz peu soluble appellent une colonne ; un liquide visqueux ou vivant, une cuve agitée ; une injection en ligne, un venturi.
La colonne à garnissage
C’est l’appareil de référence de l’absorption continue. Le liquide ruisselle par le haut sur un empilement, le gaz monte à contre-courant, et le film qui recouvre le garnissage constitue l’aire d’échange. Le contre-courant fait sa valeur : l’écart moteur reste ouvert sur toute la hauteur, ce qu’un co-courant ne permet jamais.
Le garnissage en vrac — anneaux, selles, éléments ajourés — se verse dans la colonne, coûte peu, développe 100 à 250 m2/m3 et tolère les liquides légèrement chargés. Le garnissage structuré — tôles ondulées et croisées empilées en blocs orientés — monte à 250 à 750 m2/m3 pour une perte de charge deux à quatre fois plus faible, ce qui le rend presque obligatoire sous vide, où la moindre perte de charge se paie en pression de fond ; il est plus cher et plus sensible à l’encrassement.
Deux points commandent le reste : le distributeur de liquide, qui doit arroser toute la section — un distributeur médiocre ruine le meilleur garnissage —, et le taux de mouillage, à maintenir au-dessus d’un seuil sous peine de voir le garnissage sécher par plaques. On travaille couramment entre 5 et 50 m3 par mètre carré et par heure, sous 200 à 400 Pa de perte de charge par mètre.
La colonne à plateaux
Le liquide traverse des plateaux percés, à clapets ou à calottes, et le gaz bulle à travers la couche liquide retenue sur chacun. Chaque plateau est un étage de contact, et le calcul se fait en étages plutôt qu’en hauteur de garnissage, comme en distillation. Elle accepte des débits de liquide très variables sans perdre son mouillage, se nettoie mieux qu’un garnissage et supporte les liquides moussants ou encrassants ; elle coûte davantage en perte de charge et se justifie surtout au-delà d’un mètre de diamètre.
La cuve agitée aérée
C’est l’appareil de la bioconversion, le seul qui sache traiter un liquide vivant, visqueux et à temps de séjour long. Le gaz est injecté sous le mobile par un anneau perforé ou une bougie frittée ; le mobile brise les bulles et les disperse dans toute la masse.
Le mobile n’est pas indifférent. Une turbine à disque et pales droites, dite turbine Rushton, cisaille très efficacement les bulles : elle obtient un kLa élevé pour la puissance dissipée sur un milieu peu visqueux, et elle le paie en cisaillement, ce qui la réserve aux cultures qui le supportent. Un mobile axial homogénéise mieux les grands volumes et consomme moins, mais disperse moins bien ; les fermenteurs de grande hauteur associent donc une turbine radiale en bas, près de l’injection, et un ou deux mobiles axiaux au-dessus. Les mobiles autoaspirants réaspirent le gaz du ciel de cuve par un arbre creux, ce qui évite de perdre les gaz non consommés — décisif avec de l’hydrogène ou de l’oxygène pur.
L’éjecteur, le venturi et le carbonateur en ligne
Un rétrécissement accélère le liquide, la pression y chute, le gaz est aspiré puis cisaillé en fines bulles à la reprise de section. Aucune pièce mobile, une énergie fournie par la pompe, une aire très élevée sur un temps de contact très court : c’est l’appareil des absorptions rapides ou réactives. Le carbonateur en ligne en est la version la plus répandue — le liquide désaéré et refroidi reçoit le gaz par un injecteur ou un module poreux, puis traverse un tronçon de maintien où la dissolution s’achève. Sa précision tient à ce qu’elle repose sur un rapport de débits mesurés, non sur un équilibre en cuve.
Le contacteur membranaire
Une membrane microporeuse hydrophobe, en général en fibres creuses, sépare le gaz du liquide sans les mélanger : le gaz occupe les pores, le liquide s’arrête à leur entrée, et l’interface est immobile et parfaitement définie. Aire de 1 000 à 10 000 m2/m3, aucune mousse puisqu’il n’y a pas de bulle, débits de gaz et de liquide réglables indépendamment, encombrement minuscule — contre un prix élevé, une sensibilité au colmatage et aux tensioactifs qui font perler le liquide dans les pores, et une durée de vie limitée. Il relève de la même famille technologique que la filtration membranaire.
La colonne de désaération sous vide
Pour retirer un gaz, on abaisse la pression partielle au-dessus du liquide au lieu de la monter. Le liquide est pulvérisé ou ruisselé dans une colonne maintenue entre 30 et 70 mbar absolus. Un stripping à l’azote ou au gaz carbonique s’y combine souvent : le gaz d’entraînement maintient une pression partielle d’oxygène quasi nulle, et l’on descend alors sous 0,05 mg/L. Le prix à payer est une perte d’arômes volatils, qu’on limite en travaillant froid et en récupérant les condensats.
| Appareil | Principe | Aire offerte | Ce qui le fait choisir | Ce qui l’écarte |
|---|---|---|---|---|
| Colonne à garnissage vrac | Film ruisselant à contre-courant | 100 à 250 m2/m3 | Coût, robustesse, grands débits continus | Liquides visqueux ou chargés, faibles taux de mouillage |
| Colonne à garnissage structuré | Idem, canaux orientés | 250 à 750 m2/m3 | Faible perte de charge, marche sous vide, hauteur réduite | Prix, encrassement, sensibilité à la distribution |
| Colonne à plateaux | Bullage étage par étage | Variable, par étage | Souplesse de débit, nettoyage, soutirages | Perte de charge, coût sous petit diamètre |
| Cuve agitée aérée | Bulles dispersées par un mobile | 100 à 500 m2/m3 | Temps de séjour long, milieu vivant ou visqueux, discontinu | Consommation d’agitation, cisaillement, moussage |
| Colonne à bulles et airlift | Bulles ascendantes sans mobile | 50 à 200 m2/m3 | Simplicité, absence d’arbre à étancher, faible cisaillement | kLa plafonné, mauvais sur milieu visqueux |
| Éjecteur ou venturi | Aspiration et cisaillement par la vitesse | Très élevée, sur temps court | Compacité, dosage précis, aucune pièce mobile | Consommation de pompage, temps de contact bref |
| Contacteur membranaire | Interface immobile dans les pores | 1 000 à 10 000 m2/m3 | Aucune mousse, débits indépendants, encombrement | Prix, colmatage, tensioactifs, durée de vie |
| Désaérateur sous vide | Chute de la pression partielle | Selon interne | Oxygène résiduel très bas, traitement continu | Vide à produire, perte d’arômes |
Sur une ligne de boisson gazeuse, ces appareils ne s’opposent pas : ils se suivent, et l’ordre dans lequel ils se suivent est ce qui décide du résultat.
air dissous à saturation, 7 à 8 mg/L d’oxygène
vide de 30 à 70 mbar, souvent avec stripping au CO2 — oxygène ramené sous 0,1 mg/L
2 à 8 °C — c’est ici que se gagne la solubilité du CO2
injection sous 2 à 5 bar, puis tronçon de maintien — 6 à 8 g/L visés
le contenant est mis sous CO2 avant l’entrée du liquide — sans quoi tout le travail amont se perd
Les paramètres de conduite
Un opérateur ne règle jamais un coefficient de transfert : il règle des vannes, une vitesse de rotation, une consigne de température. Le tableau relie chaque commande à ce qu’elle produit et à ce qu’elle coûte.
| Paramètre | Plage courante | Effet sur le transfert | Ce qu’il faut surveiller |
|---|---|---|---|
| Température du liquide | 2 à 8 °C en carbonatation ; 28 à 35 °C en fermentation ; 60 à 85 °C en carbonatation sucrière | Le froid augmente le plafond ; le chaud accélère la diffusion mais l’abaisse | En absorption physique, c’est le plafond qui décide : le froid gagne |
| Pression partielle du gaz | 2 à 5 bar en carbonatation ; 0,3 à 1 bar de surpression en fermenteur | Proportionnelle au plafond C*, donc levier direct | Tenue mécanique, sécurité, coût de compression |
| Enrichissement du gaz | Air, air enrichi à 25-40 % d’O2, oxygène pur | Multiplie C* dans le même rapport | Coût, risques liés à l’oxygène concentré, stress oxydatif des cellules |
| Débit de gaz | 0,1 à 1,5 vvm ; vitesse superficielle 0,005 à 0,1 m/s | Agit sur a avec un exposant faible (0,2 à 0,5) et plafonne vite | Entraînement de mousse, engorgement, perte de volatils, coût d’air stérile |
| Puissance d’agitation | 0,5 à 5 kW/m3, jusqu’à 10 en forte demande | Le levier le plus efficace : exposant 0,4 à 0,7 sur kLa | Cisaillement des cellules, échauffement, consommation électrique |
| Temps de séjour ou de maintien | Quelques secondes en venturi, 10 à 60 s en tronçon de maintien, plusieurs heures en cuve | Rapproche du plafond sans le changer | Trop court, le gaz reste mal dissous et se dégage plus loin |
| Taux de mouillage du garnissage | 5 à 50 m3·m−2·h−1 | Sous le seuil, des zones sèchent et l’aire réelle s’effondre | Distribution du liquide, redistributeurs tous les 3 à 6 mètres |
| pH ou alcalinité (absorption réactive) | pH 11,0 à 11,3 puis 9,0 à 9,3 en carbonatation sucrière | Détermine le facteur d’accélération, donc le flux à pression égale | L’alcalinité s’épuise ; la performance chute sans que rien ne bouge |
| Contre-pression au remplissage | Au moins la pression d’équilibre du CO2 dissous à la température du produit | Ne transfère rien, mais empêche la désorption | Une contre-pression insuffisante fait mousser et perdre les volumes gagnés |
| Consigne d’oxygène dissous | 10 à 40 % de la saturation en aérobiose ; consigne basse et stable en culture limitée | Grandeur régulée, non réglée : la boucle agit sur agitation, débit et pression | Étalonnage, temps de réponse et encrassement de la sonde |
Étalonner la sonde à oxygène avant de croire ce qu’elle dit. Une sonde à oxygène dissous mesure une pression partielle, non une concentration, et sa lecture en pourcentage renvoie au zéro et au cent pour cent fixés à l’étalonnage. Si le cent pour cent a été posé sur de l’eau claire à 20 °C alors que le moût travaille à 32 °C avec 200 g/L de matière sèche, une lecture de 30 % ne représente pas la même quantité d’oxygène. Le zéro se pose à l’azote ou au sulfite, le cent pour cent dans le milieu réel à la température de marche, et la vérification se refait après chaque stérilisation.
Ce qui se dérègle
Les défauts de l’absorption ont une signature commune : ils se voient tard, en aval, sur un produit qui pétille mal, s’oxyde vite ou fermente lentement, alors que l’appareil coupable n’a affiché aucune alarme.
| Symptôme | Cause probable | Correction |
|---|---|---|
| Perte de charge de la colonne qui grimpe brutalement, liquide qui remonte au-dessus du garnissage | Engorgement : le gaz monte trop vite et bloque la descente du liquide | Réduire le débit de gaz de 10 à 20 %, vérifier qu’on travaille bien à 60-80 % de la vitesse d’engorgement, augmenter le diamètre si le défaut est structurel |
| Rendement d’absorption bien inférieur au calcul, alors que débits et pressions sont conformes | Chemins préférentiels : le liquide dévale une zone, l’aire mouillée n’est qu’une fraction de l’aire installée | Nettoyer le distributeur, ajouter un redistributeur tous les 3 à 6 mètres, remonter le taux de mouillage |
| Mousse en tête de cuve, entraînement dans l’évent, filtre d’évent colmaté | Protéines et tensioactifs du milieu, débit de gaz excessif | Baisser le débit et compenser par l’agitation, casse-mousse mécanique plutôt que chimique, antimousse en dernier recours |
| Chute lente et continue de la performance sur plusieurs semaines | Encrassement du garnissage : dépôts minéraux, biofilm, matières en suspension | Nettoyage en place acide puis alcalin, filtration amont, garnissage plus ouvert si le liquide est chargé |
| La boisson ne prend pas ses volumes, ou les perd dès l’ouverture de la vanne | Liquide trop chaud — la solubilité du CO2 est environ deux fois plus faible à 25 °C qu’à 0 °C ; ou air résiduel qui occupe le ciel et abaisse la pression partielle | Refroidir avant de carbonater, jamais après ; désaérer en amont ; purger le ciel ; vérifier la contre-pression |
| Le kLa s’effondre en cours de fermentation sans changement de consigne | Viscosité qui monte avec la biomasse : les bulles montent en cheminée et l’agitateur tourne dans un fluide qui ne transmet plus | Augmenter la puissance dissipée, changer de mobile pour un profil plus dispersant, enrichir le gaz en oxygène |
| Le kLa chute de 20 à 50 % juste après une intervention | Ajout d’antimousse silicone : il coalesce les bulles, grossit leur diamètre et détruit l’aire d’échange | Doser au strict nécessaire, préférer un casse-mousse mécanique, et anticiper la baisse de transfert dans la conduite plutôt que la subir |
| Le mobile tourne mais le gaz remonte le long de l’arbre sans être dispersé | Noyage du mobile : le débit de gaz dépasse la capacité de dispersion à la vitesse de rotation retenue | Remonter la vitesse de rotation ou baisser le débit de gaz jusqu’à retrouver le régime dispersé |
| Oxygène dissous conforme en sortie de désaérateur, hors spécification à la remplisseuse | Reprise d’air en aval : garniture de pompe, joint sous vide partiel, ciel de cuve non inerté | Mesurer en plusieurs points de la ligne, inerter les ciels, reprendre les garnitures |
| Jaillissement à l’ouverture du contenant, ou remplissage qui mousse | Gaz mal dissous, encore en microbulles, ou temps de maintien trop court | Allonger le tronçon de maintien, abaisser la température, supprimer les germes de nucléation dans la ligne |
Le gaz carbonique s’accumule au fond des cuves, et il tue sans prévenir. Il est environ une fois et demie plus lourd que l’air : il ne se disperse pas vers le haut, il s’écoule au sol et remplit une cuve, une fosse, un silo ou un bas de local par le bas, où il reste. Une cuve de fermentation vidée n’est pas une cuve ventilée, et une cave, un silo, un puisard de carbonateur peuvent contenir une atmosphère mortelle sans aucun signe visible.
Le danger est double : le gaz carbonique chasse l’oxygène, et il est toxique par lui-même. Quelques pour cent dans l’air suffisent à provoquer céphalées, essoufflement et confusion ; au-delà, la perte de connaissance survient avant que la personne ait compris qu’elle devait sortir. La valeur limite d’exposition professionnelle sur huit heures est de l’ordre de 0,5 % en volume.
Aucune entrée en espace confiné après une fermentation, une carbonatation ou un dégazage ne se fait sans procédure écrite : ventilation forcée préalable, mesure de l’oxygène et du gaz carbonique au fond et non à la trappe, consignation des arrivées de gaz, surveillant à l’extérieur, harnais et moyen de récupération. Ces accidents frappent presque toujours une deuxième personne : celle qui descend secourir la première.
Énergie, coût et environnement
L’absorption est rarement le premier poste énergétique d’une usine, mais elle est presque toujours le premier poste d’un atelier de fermentation. Trois consommations la composent.
La compression du gaz. Alimenter un fermenteur suppose de comprimer l’air à 1,5 à 2,5 bar pour vaincre la hauteur de liquide et la perte de charge des filtres stérilisants, puis de le filtrer sur des cartouches qu’il faut sécher et remplacer. Le coût de l’air comprimé se situe couramment autour de 0,01 à 0,02 kWh par mètre cube normal ; multiplié par les milliers de mètres cubes horaires que demande une cuve de 100 m3 à 0,5 vvm, il devient une ligne de facture visible.
L’agitation. À 2 à 5 kW/m3, une cuve de 100 m3 dissipe 200 à 500 kW en continu, soit l’essentiel de la consommation de l’atelier. Cette puissance se retrouve intégralement en chaleur dans le moût et s’ajoute à la chaleur métabolique que le circuit de refroidissement doit évacuer : chaque kilowatt d’agitation est un kilowatt de froid à produire, ce qui double son coût réel. Le premier gisement d’économie n’est donc pas le rendement du moteur, mais la conduite — tenir la consigne d’oxygène dissous au minimum acceptable plutôt qu’au maximum confortable.
Le froid et le vide. En carbonatation, le refroidissement à 2-8 °C est ce qui rend l’opération possible et représente le poste dominant ; il se récupère largement par échange avec le produit sortant. Un désaérateur sous vide consomme une pompe en continu, et son coût se compare à celui du stripping à l’azote, cher à l’unité mais qui évite le vide.
Ce qu’on récupère. Le gaz carbonique de fermentation est la récupération la plus rentable de la filière : une brasserie ou une distillerie en produit de l’ordre de 3 à 5 kg par hectolitre fermenté, à comparer aux quelques kilogrammes par hectolitre qu’elle achète ensuite pour carbonater, contre-presser et inerter. L’installation lave le gaz à l’eau pour en retirer l’éthanol et les composés soufrés, le sèche, le comprime et le liquéfie. Sur le plan du bilan carbone, ce gaz est biogénique — il vient du sucre fermenté, non d’un carbone fossile —, mais l’électricité et le transport qu’il économise, eux, ne le sont pas. C’est ce type d’arbitrage que documente le Green-Score du xylitol.
L’opération dans la fabrication des sucrants
Peu d’opérations décident autant du résultat dans la filière des sucrants, et pour une raison précise : un micro-organisme ne voit pas « de l’air », il voit le débit d’oxygène qui arrive jusqu’à lui.
Le xylitol par voie fermentaire : le transfert d’oxygène commande tout
Le xylitol s’obtient industriellement par hydrogénation catalytique du xylose (voir la fabrication du xylitol), mais la voie fermentaire fait l’objet de travaux constants parce qu’elle se passe du catalyseur métallique et des hautes pressions. Cette voie a une particularité rare : son paramètre de conduite dominant n’est ni la température, ni le pH, ni la concentration en substrat, mais le transfert d’oxygène.
Le mécanisme est le suivant. Les levures du genre Candida réduisent le xylose en xylitol par une xylose réductase qui consomme un cofacteur réduit, puis peuvent oxyder ce xylitol en xylulose par une xylitol déshydrogénase qui, elle, consomme du NAD+. Le xylitol n’est donc pas un produit terminal mais un intermédiaire : il ne s’accumule que si l’équilibre entre les deux enzymes est déplacé.
Cet équilibre dépend de la disponibilité des cofacteurs, et les cofacteurs se régénèrent par la chaîne respiratoire, donc par l’oxygène. D’où les deux échecs symétriques, qui sont exactement ceux qu’on observe en cuve.
- Trop d’oxygène. La respiration tourne à plein, la cellule dispose de toute l’énergie nécessaire, et elle utilise le xylose pour ce qu’un micro-organisme fait de mieux : croître. Le xylose part en biomasse et en gaz carbonique, le rendement en xylitol s’effondre. La cuve travaille beaucoup, elle produit peu.
- Trop peu d’oxygène. La chaîne respiratoire tourne au ralenti, le NAD+ nécessaire à la suite du métabolisme ne se régénère plus, le déséquilibre des cofacteurs bloque la voie et la cellule ne dispose plus assez d’énergie pour entretenir ce qu’elle a. La consommation de xylose s’arrête, et le xylitol déjà formé n’augmente plus.
Entre les deux s’ouvre une fenêtre étroite, l’aération limitée : la cellule respire juste assez pour régénérer ses cofacteurs et s’entretenir, pas assez pour dériver le xylose vers la croissance. C’est là que les rendements de conversion les plus élevés sont rapportés.
Et c’est ici que le vocabulaire de conduite compte. Cette fenêtre ne se décrit pas en « pourcentage d’ouverture de vanne d’air », ni même en vvm. Deux cuves de tailles différentes alimentées au même vvm n’offrent pas le même transfert : la hauteur de liquide, le temps de séjour des bulles, la géométrie et la puissance dissipée ne sont pas les mêmes. Ce qui se transpose d’une cuve à l’autre, c’est le kLa, éventuellement exprimé par le débit d’oxygène transféré qui en découle. La conduite consiste donc à fixer une consigne de kLa, à la tenir par l’arbitrage entre puissance d’agitation, débit de gaz et pression de tête, et à la faire évoluer par palier : une valeur haute pendant la phase de croissance, où l’on veut de la biomasse, puis une valeur nettement plus basse pendant la phase de production, où l’on veut du xylitol. Les travaux publiés situent la phase de production dans une plage basse — de l’ordre de quelques dizaines d’inverses d’heure —, plusieurs fois inférieure à celle de la phase de croissance, sans qu’un chiffre unique puisse être donné : il dépend de la souche, du milieu et de la géométrie.
La conséquence industrielle est sévère : l’agrandissement d’échelle est difficile, parce que le critère à conserver n’est pas une consigne de débit mais une grandeur de transfert, et parce que la fenêtre est étroite des deux côtés. C’est l’une des raisons pour lesquelles la voie chimique reste dominante malgré ses contraintes propres.
L’érythritol : l’aérobiose franche, et le problème inverse
L’érythritol se produit lui aussi par voie fermentaire, mais sans la subtilité du xylitol : les levures osmophiles qui le fabriquent — genres Moniliella ou Yarrowia — travaillent en aérobiose franche, et la conduite consiste à leur en fournir le plus possible.
Le milieu est pourtant le pire qu’on puisse imaginer pour une absorption : plusieurs centaines de grammes de glucose par litre, ce qui abaisse la solubilité de l’oxygène par relargage et fait monter la viscosité, laquelle fait grossir les bulles et chuter le kLa — pendant que la demande de la culture reste élevée. On y répond par de fortes puissances d’agitation, une pression de tête, parfois un enrichissement du gaz en oxygène. C’est un cas où le coût de l’absorption pèse directement sur le prix de revient.
La carbonatation du jus chaulé, en sucrerie de betterave
C’est l’absorption la plus massive de l’industrie sucrière, et un exemple parfait d’absorption avec réaction. Le jus de diffusion est chaulé, puis on y fait barboter un gaz à 30 ou 40 % de gaz carbonique venu du four à chaux de l’usine, lequel produit par ailleurs la chaux du chaulage. Le gaz dissous réagit avec la chaux pour précipiter un carbonate de calcium dont les cristaux naissants emprisonnent colorants, protéines et matières pectiques.
L’opération se conduit en deux temps, et les deux consignes de pH ne sont pas négociables. Une première carbonatation vers pH 11,0 à 11,3, à 80-85 °C, forme le gros du précipité et fait la décoloration ; une seconde vers pH 9,0 à 9,3, un peu plus chaud, abaisse la teneur en calcium restante avant l’évaporation, faute de quoi le calcium entartrerait les évaporateurs. Trop de gaz carbonique et l’on redissout le carbonate déjà formé sous forme de bicarbonate, en relarguant les impuretés qu’il portait ; pas assez, et la chaux passe dans le jus. La suite de l’opération — filtration du précipité et séparation des écumes — relève de la clarification.
La désaération des sirops avant hydrogénation
Le xylitol, le sorbitol, le mannitol et le maltitol s’obtiennent tous par hydrogénation catalytique du sucre correspondant. L’oxygène dissous y est doublement nuisible : il consomme de l’hydrogène en pure perte, et il oxyde la surface du catalyseur, dont l’activité est précisément une propriété de surface. S’y ajoute la dégradation des sucres réducteurs en présence d’oxygène, qui colore le sirop et fabrique des acides organiques à retirer ensuite.
Le sirop est donc désaéré avant d’entrer dans le réacteur, par le vide, par stripping à l’azote, ou par les deux. L’hydrogénation elle-même est ensuite une absorption : l’hydrogène doit d’abord se dissoudre dans le sirop avant d’atteindre le catalyseur en suspension, et comme l’hydrogène est très peu soluble et le sirop très visqueux, ce transfert est fréquemment l’étape limitante de la réaction. Un réacteur d’hydrogénation se dimensionne autant sur son kLa que sur sa cinétique chimique.
Le gaz carbonique de fermentation, récupéré
Toute fermentation alcoolique dégage du gaz carbonique : distilleries, brasseries, ateliers produisant de l’éthanol à partir des mélasses de sucrerie. Lavé, séché, comprimé et liquéfié, ce gaz alimente ensuite les carbonatations, les inertages de cuve et les contre-pressions de remplissage du même site. Sur un site sucrier intégré, la boucle est presque fermée : le carbone du sucre part en fermentation, revient en gaz carbonique alimentaire, et sert à protéger de l’oxygène les produits expédiés.
Pour aller plus loin
- La fermentation — le métabolisme dont l’aération règle l’orientation, et ce que la cuve doit lui fournir d’autre que de l’oxygène.
- L’hydrogénation catalytique — la réaction en aval de la désaération des sirops, où le transfert d’hydrogène commande la cinétique.
- La clarification — la suite immédiate de la carbonatation du jus chaulé, une fois le carbonate formé.
- La dissolution — le même phénomène pour un solide, avec une dépendance à la température exactement inverse.
- L’adsorption et la décoloration — l’opération que le vocabulaire courant confond avec celle-ci, et qui n’a ni le même siège ni la même capacité.
- La distillation — la même colonne à contre-courant, avec le même vocabulaire d’étages et d’engorgement.
- La flottation — le cas où l’on injecte du gaz sans chercher à le dissoudre, mais à faire monter un solide.
- Le conditionnement et le remplissage — l’endroit où se perd, faute de contre-pression, tout ce que la carbonatation a gagné.
Sources
- Perry, R. H., Green, D. W., Perry’s Chemical Engineers’ Handbook, 9e éd., McGraw-Hill, 2018 — constantes de Henry, garnissages, engorgement.
- McCabe, W. L., Smith, J. C., Harriott, P., Unit Operations of Chemical Engineering, 7e éd., McGraw-Hill, 2005 — double film, HUT et NUT.
- Bimbenet, J.-J., Duquenoy, A., Trystram, G., Génie des procédés alimentaires : des bases aux applications, Dunod, 2e éd., 2007.
- Fellows, P. J., Food Processing Technology: Principles and Practice, 4e éd., Woodhead Publishing, 2017 — carbonatation, désaération, remplissage.
- Saravacos, G., Kostaropoulos, A. E., Handbook of Food Processing Equipment, 2e éd., Springer, 2016 — colonnes, cuves agitées, contacteurs.
- Mafart, P., Béliard, E., Génie industriel alimentaire, Tec & Doc Lavoisier.
- Hernández-Pérez et al., « Xylitol: Bioproduction and Applications — A Review », Frontiers in Sustainability, 2022.
- « Overview of erythritol production by yeast strains », FEMS Microbiology Letters, 369(1), 2022.