Dégazer un liquide, c’est en retirer le gaz qu’il contient. La phrase est courte, et elle recouvre deux opérations qui n’ont ni la même physique, ni les mêmes appareils, ni les mêmes limites. Un jus qui sort d’une presse porte de l’oxygène et de l’azote dissous, répartis molécule par molécule entre les molécules d’eau, et des bulles d’air entraînées par le pressage, qui forment déjà une seconde phase. Les premiers se retirent en déplaçant un équilibre ; les secondes se retirent en les faisant monter. Confondre les deux est la façon la plus courante de dimensionner un désaéreur qui ne désaère pas.
Le gaz dissous relève du transfert de matière. Sa quantité est fixée par une loi d’équilibre, et on l’en fait sortir en abaissant la pression partielle au-dessus du liquide, ou en offrant au liquide un gaz qui n’en contient pas. C’est l’objet du cours sur l’absorption et la désorption gaz-liquide, qui porte la loi de Henry, le double film et le coefficient volumétrique de transfert. Cette page s’appuie dessus et ne les redit pas.
Le gaz occlus, lui, n’obéit à aucun équilibre. Il est là, en bulles de dix à mille micromètres, parce qu’une pompe a cavité, parce qu’un jet est tombé de haut dans une cuve, parce qu’un agitateur a creusé un vortex, parce qu’un gâteau de presse était plein d’air. Rien dans la thermodynamique n’exige qu’il reste ni qu’il parte : ce qui décide, c’est la pesanteur, la viscosité du liquide et la tension de surface. C’est une séparation mécanique, cousine de la flottation et de la décantation prise à l’envers.
Entre les deux formes, une passerelle qu’il faut connaître parce qu’elle explique la plupart des mauvaises surprises d’atelier : chauffer un liquide ne retire pas son gaz dissous, cela le convertit en bulles. Le gaz qui gênait sans se voir devient alors le gaz qui se voit et qui bloque. Le vide ne traite pas les deux formes de la même façon : sur le gaz dissous il abaisse la pression partielle, sur une bulle il la gonfle. Et c’est pourquoi un désaéreur ne se dimensionne pas sur son niveau de vide, mais sur la distance qu’une bulle a à parcourir pour sortir du liquide.
Le vocabulaire, et les quatre mots qu’on prend l’un pour l’autre. La désaération désigne le retrait de l’air d’un liquide, sous ses deux formes ; le dégazage est le même geste quand le gaz visé n’est pas l’air — gaz carbonique d’une fermentation, ammoniac, hydrogène résiduel. La désorption est le nom du phénomène de transfert qui fait passer un soluté gazeux du liquide vers une phase gazeuse : c’est la moitié dissoute du problème, et elle se calcule comme une absorption au signe près. Le stripping n’est pas un phénomène mais un moyen — faire barboter un gaz inerte pour maintenir la pression partielle du gaz visé proche de zéro. Le démoussage, enfin, ne retire aucun gaz : il casse une structure qui empêche le gaz de partir. Une installation qui mousse n’a pas trop de gaz, elle a un liquide qui retient ses bulles.
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À quoi sert l’opération
Le gaz contenu dans un liquide alimentaire ne pose jamais un seul problème à la fois : il oxyde, il fausse les mesures, il freine les cadences, il encrasse les surfaces chaudes et il s’oppose à la mise sous gaz qu’on veut faire ensuite. C’est ce cumul qui justifie une opération dédiée là où un temps de repos suffirait.
Retirer l’oxygène, qui est le seul gaz chimiquement actif
Sur les trois gaz de l’air, deux sont spectateurs : l’azote ne réagit avec rien aux températures du génie alimentaire, et le gaz carbonique acidifie faiblement. L’oxygène, lui, travaille : il oxyde les lipides et fabrique les notes de rance, il brunit les jus, il décolore les anthocyanes des fruits rouges, il dégrade l’acide ascorbique et il vieillit la bière. Un liquide à saturation d’air en porte entre 7 et 9 milligrammes par litre selon sa température — une quantité ridicule en masse, et suffisante pour changer la couleur et l’odeur d’un produit en quelques semaines.
Une subtilité vaut d’être connue parce qu’elle contredit l’intuition : l’air dissous n’a pas la composition de l’air. L’oxygène étant environ deux fois plus soluble dans l’eau que l’azote, l’air dissous dans un liquide à l’équilibre titre de l’ordre de 35 % d’oxygène, contre 21 % dans l’atmosphère. Le gaz qu’on retire est donc plus riche en oxygène que celui qu’on respire, et le gaz qui reste après un dégazage partiel l’est davantage encore.
Rendre fidèle une mesure de volume ou de masse
Un liquide qui porte 5 % d’air en volume occupe 5 % de volume de plus qu’il n’en vaut. Un compteur volumétrique mesure alors du produit et de l’air sans les distinguer, un débitmètre massique voit sa densité perturbée, et un dosage volumétrique délivre moins de matière qu’il n’en affiche. D’où la place d’un éliminateur d’air en amont du compteur à la réception du lait, et celle de la désaération avant le conditionnement sur une ligne de boisson. La directive 76/211/CEE sur le préconditionnement en masse ou en volume fixe les erreurs négatives tolérées sur la quantité nette d’un préemballage : l’air logé dans le produit au moment de la dose se paie en matière offerte, ou en non-conformité.
Permettre au remplissage de tenir sa cadence
Une mousse qui monte dans le col d’un contenant impose d’attendre qu’elle retombe, ou de remplir moins vite : sur une ligne cadencée à plusieurs dizaines de milliers d’unités par heure, c’est le dégazage qui fixe la cadence réelle, et le défaut ne se voit ni sur le produit fini ni sur aucune analyse. Le gaz occlus fait aussi varier le volume de la chambre de tête d’un contenant à l’autre, ce qui rend inopérant un contrôle de remplissage par niveau.
Protéger les surfaces d’échange, les pompes et les séparateurs
Une bulle collée contre une paroi chaude est un isolant : le liquide s’y assèche localement, les protéines s’y déposent et l’encrassement démarre là. Sur un échangeur à plaques, l’air dispersé raccourcit la campagne entre deux nettoyages sans rien changer au produit. Dans une pompe, le gaz libéré à l’aspiration est le mécanisme même de la cavitation. Dans une centrifugeuse, il migre vers la phase légère, où il se comporte comme une phase de densité presque nulle, et dégrade la précision de l’écrémage.
Préparer une mise sous gaz, qui est l’opération inverse
On ne carbonate pas un liquide plein d’air. Les gaz se partagent l’espace selon leurs pressions partielles : l’azote et l’oxygène déjà dissous occupent une part de la pression totale disponible, et la quantité de gaz carbonique qu’on peut faire entrer s’en trouve diminuée d’autant. Pire, l’air chassé par le gaz carbonique injecté se retrouve dans la chambre de tête, où il poursuit son travail d’oxydation pendant toute la vie du produit. La désaération est donc le premier poste d’une ligne de boisson gazeuse, et le même raisonnement vaut pour l’emballage sous atmosphère protectrice : inerter une chambre de tête au-dessus d’un liquide qui porte son propre oxygène ne protège qu’à moitié.
Préparer une réaction où le gaz dissous est un poison
Certaines opérations ne tolèrent pas l’oxygène, non pour le produit mais pour le réacteur. L’hydrogénation catalytique, qui fait les polyols, est le cas le plus net : l’oxygène dissous consomme de l’hydrogène en pure perte et oxyde la surface du catalyseur, dont l’activité est une propriété de surface. La fermentation anaérobie demande l’inverse : retirer l’oxygène du moût avant d’ensemencer, puis évacuer le gaz carbonique produit sans laisser entrer d’air.
Le phénomène physique
Deux états du gaz, et un seul qui obéit à Henry
Un gaz présent dans un liquide y est soit dissous, soit dispersé. Dissous, il n’existe pas en tant que phase : ses molécules sont des solutés comme le seraient des molécules de sucre, et leur concentration d’équilibre est proportionnelle à la pression partielle du gaz au-dessus du liquide. Dispersé, il forme des bulles délimitées par une interface, avec leur propre pression interne, leur propre flottabilité et leur propre durée de vie. Une troisième forme existe dans certains produits, le gaz chimiquement lié — l’oxygène fixé sur un pigment, le gaz carbonique sous forme d’hydrogénocarbonate —, qui ne se retire par aucun des moyens décrits ici et ne se compte pas dans un bilan de dégazage.
La répartition entre les deux états n’est pas donnée une fois pour toutes : elle suit la température et la pression. Un liquide froid et comprimé tient son gaz en solution ; le même liquide chauffé ou détendu le relâche en bulles. C’est la raison pour laquelle un produit qui ne posait aucun problème à la réception se met à mousser après le préchauffage, et c’est aussi la raison pour laquelle on ne mesure pas la même teneur en gaz avant et après une pompe.
Ce que la température fait à la frontière
La solubilité d’un gaz dans l’eau décroît fortement avec la température — de l’ordre de moitié entre 0 et 50 °C pour l’air — et s’annule au voisinage de l’ébullition. Un chauffage est donc un dégazage, à ceci près que le gaz libéré ne sort pas du liquide : il y reste sous forme de bulles jusqu’à ce qu’une surface libre lui permette de partir. Un préchauffage en échangeur fermé, sans dégazeur en aval, ne fait donc que changer le gaz d’état, et c’est précisément la forme dispersée qui gêne la suite. La pasteurisation d’un liquide non désaéré fabrique le problème qu’elle était censée ne pas avoir.
Pris par l’autre bout, le raisonnement donne la règle de conduite la plus utile du métier : on dégaze un liquide au point où il est le plus chaud et le plus détendu de tout le procédé, parce que c’est là que la thermodynamique travaille pour l’opérateur.
La bulle monte, et sa vitesse dépend du carré de son diamètre
Une bulle isolée dans un liquide au repos monte à une vitesse qui équilibre sa poussée d’Archimède et la traînée visqueuse. Pour les tailles qui comptent en désaération — de quelques micromètres à quelques centaines —, l’écoulement reste rampant et la vitesse suit la loi de Stokes, avec le diamètre au carré. La conséquence est brutale : diviser le diamètre d’une bulle par dix divise sa vitesse d’ascension par cent. Une bulle de 1 millimètre traverse un mètre d’eau en quelques secondes ; une bulle de 10 micromètres y met plusieurs heures. Entre les deux, tout l’art du dégazage consiste à éviter de fabriquer les petites.
Et la viscosité entre dans la même équation au dénominateur. Ce qui se dégaze tout seul dans de l’eau ne se dégaze plus du tout dans un sirop : un facteur deux cents sur la viscosité, qui est l’écart courant entre de l’eau et un sirop concentré, est un facteur deux cents sur le temps d’ascension.
Pourquoi une bulle alimentaire monte comme une bille
La mécanique des fluides prévoit qu’une bulle, dont l’interface est mobile, monte une fois et demie plus vite qu’une sphère rigide de même taille et de même densité : c’est la correction de Hadamard-Rybczynski. Cette prévision n’est presque jamais vérifiée dans un liquide alimentaire, et pour une raison qui est elle-même instructive. Les protéines, les peptides, les saponines et les phospholipides présents dans un jus, un lait ou un moût s’adsorbent sur l’interface en quelques millisecondes et l’immobilisent. La bulle se comporte alors comme une sphère solide, et la loi de Stokes s’applique telle quelle.
Cette couche adsorbée a deux autres effets, et ils vont tous deux contre le dégazage : elle s’oppose à la coalescence des bulles entre elles, alors que la coalescence est le mécanisme qui transformerait des petites bulles lentes en grosses bulles rapides ; et elle rend la mousse stable une fois celle-ci formée. Un liquide riche en matière tensioactive est deux fois pénalisé : ses bulles montent plus lentement et elles ne fusionnent pas.
Le vide ne retire pas une bulle, il la gonfle
Sur le gaz dissous, baisser la pression abaisse la pression partielle et donc la concentration d’équilibre : c’est un déplacement d’équilibre, et c’est le mécanisme décrit par la page sur l’absorption gaz-liquide. Sur une bulle, le mécanisme est tout autre et purement mécanique : la bulle se détend selon la loi des gaz, son volume croît comme l’inverse de la pression, son diamètre comme la racine cubique de ce rapport, et sa vitesse d’ascension comme le carré de son diamètre. Une bulle amenée de la pression atmosphérique à 50 millibars voit son volume multiplié par vingt, son diamètre par 2,7 et sa vitesse d’ascension par sept et demi.
Voilà pourquoi une cuve de détente sous vide marche sur du gaz occlus. Ce n’est pas la pression partielle qui fait le travail, c’est l’accélération de l’ascension. Et voilà aussi pourquoi un dégazage sous vide se juge sur son temps de séjour : si le liquide ne reste pas assez longtemps dans l’enceinte pour que la bulle gonflée traverse la nappe, le vide ne sert à rien.
La tension de surface épingle les plus petites bulles
La détente a une limite, et elle est géométrique. La pression à l’intérieur d’une bulle n’est pas celle du liquide : elle lui est supérieure de la surpression de Laplace, inversement proportionnelle au diamètre. Pour un liquide alimentaire de tension de surface voisine de 50 millinewtons par mètre, cette surpression vaut environ 20 millibars à 100 micromètres de diamètre, 200 millibars à 10 micromètres et 2 bars à 1 micromètre. Elle s’ajoute à la pression ambiante, si bien que le vide ne divise pas la pression interne dans le rapport qu’on croit : sous 50 millibars, une bulle de 10 micromètres passe de 1 213 à 250 millibars internes, soit un facteur cinq au lieu de vingt, et son diamètre ne gagne que 70 %. À 1 micromètre, le vide n’a plus aucune prise.
Les très petites bulles ne se retirent donc pas mécaniquement. Elles disparaissent par une autre voie : leur surpression interne les met hors d’équilibre avec le gaz dissous alentour, elles se vident par diffusion à travers leur interface et se dissolvent. C’est le mécanisme décrit par Epstein et Plesset en 1950, et c’est lui qui referme la boucle entre les deux moitiés du sujet. Au-dessous de quelques micromètres, un gaz dispersé redevient un gaz dissous — et il faut alors le traiter comme tel, par la pression partielle.
La mousse n’est pas le gaz, c’est le liquide
Une mousse est un empilement de bulles séparées par des films minces de liquide. Sa stabilité ne dépend presque pas du gaz : elle dépend de la vitesse à laquelle le liquide s’écoule hors des films, et donc de la viscosité du liquide, de la rigidité de l’interface et du gradient de tension de surface qui s’oppose au drainage. Deux liquides portant exactement la même quantité de gaz peuvent donc l’un mousser pendant une heure et l’autre pas du tout.
La conséquence pratique est contre-intuitive : on ne corrige pas une mousse en poussant le vide, qui fabrique plus de bulles et les fait grossir. On la corrige en cassant les films — surface d’impact, disque tournant, antimousse, ou liquide plus chaud donc moins visqueux. Le brevet de désaération de jus de 1991 cité en sources comporte ainsi une enceinte dédiée au seul cassage de la mousse, maintenue à une pression légèrement inférieure à celle du désaéreur et garnie de chicanes.
Les grandeurs et les équations
Six relations suffisent à conduire l’opération. Aucune ne demande de démonstration : ce qui compte est le levier que chacune désigne, et l’ordre de grandeur qu’elle rend.
1. La vitesse d’ascension d’une bulle
C’est la loi de Stokes, écrite pour une inclusion plus légère que le liquide : la vitesse est positive vers le haut. Trois leviers, et un seul est accessible. La masse volumique du liquide ne se règle pas ; la pesanteur ne se multiplie qu’en passant à la centrifugation. Restent le diamètre, au carré, et la viscosité, au dénominateur — autrement dit la température, puisque c’est elle qui fait la viscosité. La relation vaut tant que le nombre de Reynolds de la bulle reste inférieur à l’unité, soit environ 120 micromètres dans l’eau ; au-delà, une bulle millimétrique monte trois à cinq fois moins vite que Stokes ne le prédirait.
| Diamètre de bulle | Dans l’eau à 20 °C (1 mPa·s) | Dans un sirop à 200 mPa·s | Temps pour monter de 1 m dans le sirop |
|---|---|---|---|
| 500 µm | hors domaine de Stokes | 0,7 mm/s | environ 25 min |
| 100 µm | 5,4 mm/s | 0,027 mm/s | environ 10 h |
| 50 µm | 1,4 mm/s | 0,007 mm/s | environ 40 h |
| 10 µm | 0,054 mm/s | 0,0003 mm/s | hors de portée |
Ce tableau est le cours à lui seul : un dégazage par simple repos n’a de sens que sur de l’eau et sur de grosses bulles, et au-delà d’une centaine de millipascals-secondes il faut gonfler les bulles, raccourcir la distance, ou remplacer la pesanteur par un champ centrifuge.
2. La détente d’une bulle sous vide
La bulle se détend à température constante, son volume varie comme l’inverse de la pression, et la vitesse d’ascension suit en puissance deux tiers. De 1 013 à 200 millibars, la vitesse est multipliée par trois ; de 1 013 à 50 millibars, par sept et demi ; de 1 013 à 20 millibars, par treize et demi. Le rendement du vide est donc décroissant, et descendre de 50 à 20 millibars coûte beaucoup de pompe pour un gain de moitié. D’où les installations froides tenues entre 30 et 70 millibars, et les installations chaudes beaucoup plus haut — pour la raison donnée par l’équation 6.
3. La surpression de Laplace
C’est la limite de l’équation précédente, et la raison pour laquelle aucun désaéreur ne descend à zéro. La surpression interne s’ajoute à la pression ambiante : le rapport de détente réellement vu par la bulle n’est pas p1/p2 mais (p1 + 4σ/d) / (p2 + 4σ/d). Pour une tension de surface de 50 millinewtons par mètre, le correctif est négligeable à 500 micromètres, sensible à 100, dominant à 10, et total à 1. Le vide agit sur les bulles qui étaient déjà assez grosses pour monter ; il ne crée pas de vitesse là où il n’y en avait pas.
4. Le temps de séjour et l’épaisseur de la nappe
Une bulle ne sort du liquide que si le temps de séjour dans l’appareil dépasse le temps qu’il lui faut pour franchir la hauteur de liquide qui la sépare de la surface. Cette équation d’école est celle qui décide de la forme de tous les désaéreurs industriels, et elle se lit à l’envers : puisque v est petit et ne se règle presque pas, c’est h qu’il faut faire tomber. D’où la pulvérisation, qui ramène h au rayon d’une gouttelette ; d’où le film ruisselant, qui le ramène au millimètre ; d’où le film centrifuge, qui le ramène au dixième de millimètre en lui ajoutant une pesanteur apparente de plusieurs centaines de g. Une cuve de deux mètres de hauteur de liquide, sous le même vide, ne dégaze rien de ce qui fait moins de cent micromètres.
La règle de dimensionnement à retenir. Un désaéreur se conçoit en choisissant d’abord le plus petit diamètre de bulle qu’on veut retirer, puis en calculant sa vitesse d’ascension sous le vide retenu, et enfin en découpant le liquide en nappes assez minces pour que cette bulle traverse la nappe dans le temps de séjour disponible. L’ordre inverse — choisir une cuve, puis un niveau de vide, puis espérer — est la cause la plus fréquente des désaéreurs qui tiennent leur consigne de pression sans tenir leur consigne d’oxygène.
5. Le volume de gaz permanent à évacuer
Le gaz à retirer est minuscule en masse et considérable en volume, et c’est tout le problème de la pompe. De l’eau saturée d’air à 20 °C en porte environ 18 millilitres par litre ramenés aux conditions normales, soit 2 % en volume. Sous 200 millibars, ces 18 millilitres en deviennent 91 ; sous 50 millibars, 365 ; sous 20 millibars, 912. Un désaéreur traitant 20 mètres cubes à l’heure sous 50 millibars évacue donc de l’ordre de 7 mètres cubes de gaz permanent à l’heure, mesurés à la pression de service — et c’est ce volume, non la masse d’oxygène retirée, qui dimensionne la pompe à vide.
6. La vapeur d’eau, qui est le vrai débit aspiré
Dans l’enceinte, le gaz aspiré est un mélange de gaz permanents et de vapeur d’eau, et la seconde est presque toujours majoritaire. À 20 °C, la pression de vapeur saturante de l’eau vaut environ 23 millibars : sous un vide de 50 millibars, la vapeur occupe déjà près de la moitié du volume aspiré, et le vide absolu atteignable est borné par cette valeur quoi qu’on fasse. À 60 °C, la pression de vapeur saturante vaut environ 199 millibars — autrement dit un liquide chaud ne peut pas être dégazé à 50 millibars, parce qu’il bouillirait franchement.
C’est la raison pour laquelle les désaéreurs travaillant sur produit chaud ne se règlent pas en millibars mais en écart de température. On fixe la pression de l’enceinte à la pression de vapeur saturante correspondant à une température de 4 à 5 degrés inférieure à celle du liquide entrant : le liquide est alors légèrement surchauffé, il se détend en vaporisant une petite fraction de lui-même, et cette vaporisation est à la fois le moteur du dégazage et sa principale dépense. Un produit entrant à 64 °C dans une enceinte réglée à 199 millibars ressort à 60 °C, et la seconde équation dit combien de liquide a disparu en vapeur : avec une chaleur massique de 3,9 kJ·kg−1·K−1 et une chaleur latente de 2 358 kJ·kg−1, la fraction vaporisée est de 0,74 %, soit 7,4 grammes de vapeur par kilogramme.
Sept grammes paraissent peu. À 199 millibars, ils occupent 57 mètres cubes par mètre cube de liquide traité, contre 0,09 mètre cube pour tout le gaz permanent extrait. Dans un dégazage par détente sur produit chaud, le gaz qu’on voulait retirer représente moins de deux millièmes du volume aspiré : tout le reste est de la vapeur d’eau, et c’est le condenseur, non la pompe, qui fait le travail. Un désaéreur chaud sans condenseur est une installation qui perd de l’eau, des arômes et des calories ; un désaéreur chaud avec condenseur à mélange rend au produit la vapeur condensée et ne laisse à la pompe que les incondensables.
Symboles et unités
| Symbole | Grandeur | Unité | Ordre de grandeur courant |
|---|---|---|---|
| v | Vitesse d’ascension d’une bulle | m·s−1 | 10−6 à 10−1 |
| d | Diamètre de bulle | m | 1 µm à 2 mm |
| ρL | Masse volumique du liquide | kg·m−3 | 1 000 à 1 400 (sirops) |
| μ | Viscosité dynamique du liquide | Pa·s | 0,001 (eau) à 1 (sirop froid) |
| σ | Tension de surface | N·m−1 | 0,040 à 0,072 |
| p | Pression absolue dans l’enceinte | Pa ou mbar | 20 à 250 mbar |
| psat | Pression de vapeur saturante de l’eau | mbar | 12 (10 °C), 23 (20 °C), 199 (60 °C) |
| C | Concentration de gaz dissous | mg·L−1 | O2 : 0,02 à 9 |
| h | Hauteur de liquide à franchir | m | 10−4 (film) à 2 (cuve) |
| t | Temps de séjour dans l’enceinte | s | 1 à 400 |
| xflash | Fraction massique vaporisée à la détente | — | 0,002 à 0,02 |
| Lv | Chaleur latente de vaporisation de l’eau | kJ·kg−1 | 2 260 (100 °C) à 2 450 (20 °C) |
Les matériels
Les appareils se rangent selon le moyen qu’ils emploient : abaisser la pression, offrir une interface à un gaz inerte, chauffer, ou séparer mécaniquement.
| Appareil | Principe | Forme de gaz traitée | Ce qu’il réussit | Sa limite |
|---|---|---|---|---|
| Éliminateur d’air à flotteur | Chambre de tranquillisation à pression atmosphérique, purge commandée par un niveau | Occlus, grosses bulles | Rendre fidèle un comptage à la réception, pour un coût presque nul | Ne retire ni le gaz dissous ni les bulles fines |
| Cuve de détente sous vide à pulvérisation | Le liquide entre en jet divisé dans une enceinte sous vide | Les deux | Teneurs résiduelles basses, marche continue, appareil simple | Vide à produire ; entraînement de volatils ; moussage |
| Colonne ou plaque à film ruisselant sous vide | Nappe mince ruisselant sur une surface, sous vide | Les deux | Épaisseur de nappe faible, temps de séjour court, produits fragiles | Mouillage à tenir ; sensible aux dépôts |
| Désaéreur centrifuge | Film mince plaqué par rotation, quelques centaines de g | Occlus, jusqu’aux bulles fines | Remplace la hauteur par l’accélération : efficace sur liquides visqueux | Pièce tournante, énergie mécanique, nettoyage |
| Colonne de stripping à l’azote ou au CO2 | Barbotage ou garnissage à contre-courant d’un gaz inerte | Dissous | Oxygène résiduel très bas sans vide poussé ; marche à froid | Consommation de gaz ; moussage ; coût du gaz alimentaire |
| Injection en ligne et mélangeur statique | Gaz inerte introduit puis dispersé dans la conduite | Dissous, partiellement | Compacité, aucun organe mobile, pose sur ligne existante | Temps de contact très court ; un seul étage d’équilibre |
| Contacteur membranaire à fibres creuses | Interface immobile dans les pores ; vide ou balayage côté gaz | Dissous | Aucune mousse possible ; très grande aire par unité de volume ; réglage fin | Prix ; colmatage ; tensioactifs ; durée de vie du module |
| Désaéreur thermique | Chauffage jusqu’au voisinage de l’ébullition, à pression atmosphérique | Les deux | Simplicité ; aucun vide à produire ; taux de retrait élevé | Charge thermique sur le produit ; pertes d’arômes ; inapplicable à froid |
| Casse-mousse mécanique | Disque tournant, surface d’impact ou chicanes sous vide | Aucune — il libère le gaz emprisonné | Rend un désaéreur conduisible sur produit moussant | Ne remplace pas une correction de formulation ou de température |
Sur une ligne réelle, ces appareils se complètent, et le gain du couplage est multiplicatif. Un calcul d’ordre de grandeur sur un étage d’équilibre le montre : amener l’oxygène dissous de 9 à 0,1 milligramme par litre par stripping seul à pression atmosphérique demande environ deux litres et demi d’azote par litre de liquide, la pression partielle d’oxygène que le gaz sortant peut porter étant très faible. Sous 50 millibars, la même pression partielle représente une fraction molaire vingt fois plus grande, et la quantité d’azote nécessaire tombe d’autant. Le vide et le gaz d’entraînement ne s’additionnent pas, ils se multiplient : c’est pourquoi les installations exigeantes font les deux, et avec peu de gaz.
Le gaz d’entraînement est un additif. L’azote et le dioxyde de carbone employés en stripping ou en inertage sont, dans l’Union européenne, des additifs alimentaires inscrits sous les numéros E 941 et E 290 du règlement (UE) n° 1333/2008, avec les fonctions de gaz d’emballage et de propulseur. Ils doivent donc répondre aux spécifications de pureté du règlement (UE) n° 231/2012 : un azote industriel, même sec et même propre, n’a pas sa place sur une ligne alimentaire, et la question se pose à l’achat du gaz comme à celle de tout autre ingrédient.
Les paramètres de conduite
Un désaéreur se règle sur quatre consignes seulement, mais chacune en déplace une autre. La pression commande la température d’ébullition, la température commande la viscosité et la solubilité, le débit commande le temps de séjour, et la géométrie commande la hauteur à franchir — et c’est la seule des quatre qui ne se règle pas en marche.
| Paramètre | Plage courante | Ce qu’il fait monter | Ce qu’il fait descendre |
|---|---|---|---|
| Pression absolue, produit froid | 30 à 70 mbar | Détente des bulles, force motrice de désorption | Volatils conservés ; coût du vide |
| Pression absolue, produit chaud | psat(T − 4 à 5 K), soit 150 à 250 mbar vers 60 °C | Fraction vaporisée, donc efficacité | Température de sortie du produit ; charge du condenseur |
| Température d’entrée | 2 à 10 °C (jus, boissons) ou 60 à 70 °C (lait, moûts) | À chaud : vitesse d’ascension, taux de retrait | À chaud : arômes, acide ascorbique, couleur |
| Temps de séjour | 1 à 10 s en film, 1 à 6 min en cuve | Fraction de bulles sorties | Cadence ; volume de l’appareil |
| Épaisseur de nappe ou de film | 0,1 à 3 mm en film, 0,3 à 2 m en cuve | Rien — il faut la faire descendre | Temps nécessaire, qui varie comme l’épaisseur |
| Rapport gaz d’entraînement sur liquide | 0,05 à 0,5 L·L−1 sous vide ; jusqu’à 3 à pression atmosphérique | Retrait d’oxygène | Coût du gaz ; tenue de la mousse |
| Niveau dans l’enceinte | 15 à 40 % de la hauteur | Temps de séjour | Volume de dégagement au-dessus du liquide |
| Antimousse | 10 à 200 mg·kg−1 selon le produit et le statut autorisé | Drainage des films, donc dégazage réel | Mousse ; et la question de l’étiquetage se pose |
| Température de l’eau du condenseur | 2 à 15 °C | Vide atteignable, récupération de la vapeur | Charge de la pompe ; pertes de volatils |
Deux consignes méritent d’être lues ensemble parce qu’elles tirent dans des sens opposés. À chaud, le dégazage est facile et les arômes partent ; à froid, les arômes restent et le dégazage demande du vide, du temps et du gaz. Le brevet de 1991 cité en sources tranche cette contradiction d’une façon qui mérite d’être connue : il dégaze séparément les deux flux d’un jus reconstitué — le concentré à basse température et sous 100 millibars, l’eau de dilution à 50 à 60 °C sous le même vide —, puis les mélange. Le flux fragile est traité doucement, le flux qui ne craint rien est traité énergiquement, et le mélange final affiche une teneur en oxygène que ni l’un ni l’autre n’aurait atteinte seul.
Ce qui se dérègle
Les défauts d’un poste de dégazage se manifestent presque tous ailleurs : l’oxygène à la couleur du produit trois semaines plus tard, l’air occlus au compteur de l’emballeuse, la mousse au remplissage. Le tableau ci-dessous se lit donc de la droite vers la gauche aussi bien que l’inverse.
| Symptôme | Cause probable | Correction |
|---|---|---|
| Consigne de vide tenue, oxygène résiduel hors spécification | Temps de séjour insuffisant devant la hauteur de liquide : les bulles fines ne sortent pas | Réduire l’épaisseur de nappe ou le débit avant de toucher au vide ; ajouter un gaz d’entraînement |
| Le vide ne descend pas sous une valeur plancher | Pression de vapeur saturante du liquide atteinte, ou entrée d’air par une garniture | Vérifier la température du produit et celle du condenseur ; épreuve d’étanchéité à l’arrêt, pompe en service |
| Mousse qui envahit l’enceinte et monte vers la pompe | Films trop stables : produit riche en protéines ou en saponines, liquide trop froid, vide poussé trop vite | Casse-mousse, impact sur paroi, montée en vide progressive, antimousse autorisé ; monter la température si le produit le permet |
| Oxygène correct en sortie de désaéreur, hors spécification au remplissage | Reprise d’air en aval : pompe qui aspire, jet qui tombe, remplissage sans contre-pression | Remplir sous contre-pression de gaz inerte ; supprimer les chutes libres ; conduites noyées |
| Doses variables au remplissage volumétrique | Air occlus résiduel, qui n’est pas le même d’un contenant à l’autre | Éliminateur d’air en amont du doseur ; tranquillisation ; contrôle de masse plutôt que de volume |
| Encrassement rapide de l’échangeur en aval | Dégazage fait après le préchauffage, et non avant ou pendant | Déplacer le poste : dégazer au point le plus chaud en amont du traitement thermique final |
| Perte d’arômes mesurable, produit plat | Vide trop poussé ou température trop haute ; absence de condenseur | Remonter la pression au strict nécessaire ; condenseur à mélange ; dégazer les flux séparément |
| Cavitation de la pompe de reprise | Liquide à sa pression de vapeur en sortie d’enceinte sous vide, hauteur d’aspiration insuffisante | Pompe sous le niveau, colonne de garde, vitesse de rotation réduite |
| Dégazage qui se dégrade sans qu’aucune consigne ait bougé | Garnissage ou distributeur partiellement encrassé : l’aire offerte a chuté | Nettoyage en place ; contrôle du mouillage et de la perte de charge à débit nominal |
| Contacteur membranaire dont la performance s’effondre | Mouillage des pores par un tensioactif, ou colmatage par une matière en suspension | Préfiltration, rinçage spécifique, remplacement du module ; vérifier la compatibilité du produit |
Deux de ces lignes se confondent souvent. Un désaéreur qui tient son vide mais pas sa teneur en oxygène n’a pas un problème de pompe mais de géométrie, et augmenter le vide ne le corrigera pas ; un désaéreur qui ne tient pas son vide a un problème d’étanchéité ou de condenseur, et sa teneur en oxygène n’est que la conséquence. La première mesure à faire n’est donc pas la teneur résiduelle, mais la comparaison entre la pression de l’enceinte et la pression de vapeur saturante à la température du produit : elle dit lequel des deux défauts on a.
Énergie, coût et environnement
Le dégazage est une opération peu coûteuse en énergie et chère en détail d’installation. Les ordres de grandeur se séparent nettement selon qu’on travaille à froid ou à chaud.
À froid, la dépense est électrique et tient entièrement à la production du vide. Pour un liquide saturé d’air à 20 °C dégazé sous 50 millibars, le volume à évacuer est de l’ordre de 0,4 mètre cube de gaz permanent et 0,3 mètre cube de vapeur par mètre cube de liquide, mesurés à la pression de service. Une pompe à anneau liquide ou un groupe à vis sec consomme pour cela de l’ordre de 0,1 à 0,5 kilowattheure par mètre cube de liquide traité — fourchette d’installation et non valeur de machine, car elle dépend surtout du taux de fuites de la boucle, qui peut doubler le débit aspiré. S’y ajoute le coût du gaz d’entraînement, qui est un additif alimentaire et se paie comme tel.
À chaud, la dépense est thermique et se calcule exactement : la détente vaporise de 0,5 à 2 % du liquide, soit 12 à 47 kilojoules par kilogramme, et le produit sort 4 à 5 degrés plus froid qu’il n’est entré. Avec un condenseur à mélange, cette chaleur et cette eau reviennent au produit et la dépense nette tombe au seul travail de la pompe à vide et à la charge du circuit d’eau glacée. Sans condenseur, il faut à la fois réchauffer le produit et accepter la perte de matière : sur une installation traitant 30 mètres cubes à l’heure, 1 % de vapeur non récupérée représente 300 kilogrammes de produit par heure partis à l’égout ou à l’atmosphère.
Côté environnement, trois postes comptent. L’eau du condenseur, plus gros consommateur de la boucle, qui se recycle en circuit fermé sur aérorefroidisseur. Les volatils entraînés, charge organique pour la station d’épuration quand ils ne sont pas condensés, matière récupérable quand ils le sont : sur certaines lignes de jus, l’eau aromatique du condenseur est renvoyée au produit, ce qui règle les deux questions ensemble. Et le gaz d’entraînement, dont le bilan carbone n’est pas nul, l’azote alimentaire venant d’une séparation cryogénique de l’air.
Danger — l’azote et le dioxyde de carbone sont des asphyxiants. Un gaz inerte ne sent rien, ne se voit pas et ne déclenche aucun réflexe respiratoire : il déplace simplement l’oxygène. Une fuite d’azote dans un local bas de plafond, une purge de désaéreur rejetée à l’intérieur d’un atelier, et surtout l’intervention dans une cuve ou une colonne qui a contenu un gaz d’inertage sont des situations mortelles sans signe avant-coureur. Le dioxyde de carbone, plus lourd que l’air, s’accumule au sol et dans les fosses. Toute entrée en capacité suit une procédure d’espace confiné : consignation, purge à l’air, mesure de la teneur en oxygène, ventilation maintenue et surveillance extérieure. Les purges de vide se rejettent toujours à l’extérieur.
L’opération dans la fabrication des sucrants
Le dégazage intervient dans la fabrication de presque tous les sucrants, mais rarement comme une opération identifiée : il est le plus souvent le produit gratuit d’une autre opération, et ne devient un poste à part entière que là où cette autre opération manque.
Ce que l’évaporation sous vide dégaze gratuitement
Un sirop qui sort d’un évaporateur à multiple effet a séjourné sous quelques dizaines à quelques centaines de millibars, en couche mince et en ébullition franche. Il est dégazé par construction, et aucune installation sucrière ne porte de désaéreur après la concentration. Le raisonnement se renverse exactement : un poste de dégazage ne se justifie que là où le procédé ne comporte aucune étape sous vide en amont du point sensible. C’est le cas des lignes qui partent d’un cristal redissous à froid, et c’est le cas des lignes de boisson.
Le même vide fait apparaître le problème symétrique, et c’est le plus mal attribué de tous. Dans un évaporateur ou un cristallisoir sous vide, le gaz permanent apporté par le liquide ne se condense pas : il s’accumule au condenseur, sa pression partielle s’ajoute à celle de la vapeur, la pression totale monte et la température d’ébullition du sirop monte avec elle. Un sirop chargé d’air fait donc perdre du vide à l’appareil qui le traite, et l’opérateur voit une température de cuite dériver sans qu’aucun réglage ait bougé. La purge des incondensables est l’opération de dégazage de la ligne, pas un accessoire de condenseur.
Et ce que la dissolution remet
Toute dissolution d’un solide réintroduit du gaz par deux voies : l’air emprisonné entre les grains de la poudre, entraîné sous la surface par le jet ou l’agitateur, et l’air adsorbé sur les faces du cristal, libéré à mesure qu’il fond. Une solution préparée à partir de cristal porte donc plus de gaz occlus qu’un sirop de procédé, et c’est pourquoi les lignes de reconstitution ont un désaéreur quand les lignes de première transformation n’en ont pas. Le mélange est ici l’opération qui fabrique le défaut : un agitateur qui creuse un vortex jusqu’au niveau de la pale est, en pratique, un disperseur de gaz.
Le xylitol ajoute à cela un trait qui lui est propre et qui joue contre le dégazage. Sa dissolution est fortement endothermique, de l’ordre de 150 joules par gramme : dissoudre 80 grammes de cristal par litre d’eau refroidit la solution de plusieurs degrés. Or un liquide plus froid est à la fois plus visqueux, donc plus lent à laisser monter ses bulles, et plus solubilisant pour les gaz, donc plus chargé à l’équilibre. Une solution de xylitol préparée à froid cumule les deux défauts au moment précis où on voudrait la dégazer, et il est beaucoup plus simple de la préparer tiède que de compenser ensuite.
Les sirops de polyols avant le réacteur
Le xylitol, le sorbitol, le mannitol, le maltitol et le lactitol s’obtiennent par hydrogénation catalytique du sucre correspondant, et l’oxygène dissous y est un poison de catalyseur autant qu’un consommateur d’hydrogène. Le sirop est donc désaéré avant d’entrer dans le réacteur. Ce que ce cours ajoute à la page d’hydrogénation, qui porte la raison chimique, c’est la difficulté réelle de l’opération : sur un sirop concentré, le problème n’est pas l’oxygène, c’est la viscosité. À 50 ou 60 % de matière sèche, la viscosité du sirop se compte en centaines de millipascals-secondes, et le tableau de l’équation 1 dit qu’une bulle de cent micromètres y met une dizaine d’heures pour monter d’un mètre. Aucune cuve ne tient ce temps de séjour. Les trois voies praticables sont la nappe mince sous vide, le film centrifuge, et le stripping à l’azote, qui travaille sur le gaz dissous sans rien demander à la pesanteur. La fabrication du xylitol enchaîne d’ailleurs ces étapes dans l’ordre qui arrange l’opérateur : l’hydrolysat est concentré sous vide, donc dégazé, avant le réacteur.
Les voies fermentaires : le dégazage est l’inverse du travail de la veille
La fabrication de l’érythritol part d’une fermentation aérobie, et le xylitol se produit aussi par voie fermentaire. Pendant la culture, tout l’effort porte sur l’entrée de l’oxygène dans le liquide, qui est une absorption ; après la culture, il porte sur la sortie du gaz carbonique et sur la mousse, qui est un dégazage. Les deux problèmes se succèdent dans le même appareil et appellent des réglages opposés, et c’est la mousse qui fait le lien : un moût de fermentation est l’un des liquides les plus moussants du génie alimentaire, saturé de protéines solubles et de produits d’autolyse, et les moûts d’érythritol travaillent en outre à très forte pression osmotique, donc à viscosité élevée. On y règle le dégazage comme un démoussage, et l’on ne cherche pas à l’obtenir par le vide seul.
Les jus, les sèves et les extraits de feuille
Tout ce qui est récolté arrive chargé d’air : un pressage emprisonne l’air du gâteau, une sève coule dans l’air ambiant, une extraction solide-liquide brasse un lit poreux plein d’air. Le jus de betterave est désaéré en sucrerie pour cette raison, et parce que l’oxygène y favorise des colorations qu’il faudra retirer au charbon actif. Le sirop de yacon illustre le cas où le dégazage et la conservation de la matière tirent dans le même sens : ses fructo-oligosaccharides se détruisent à la chaleur et en milieu acide, la concentration se conduit donc sous vide et à température modérée, et ce vide-là dégaze le jus sans qu’on ait rien à ajouter. Les extraits aqueux de feuille, dont ceux de la fabrication de la stévia, posent le problème inverse : ils portent des saponines, qui sont des tensioactifs naturels, et un extrait de ce genre mousse à la moindre détente. Le dégazage y est un poste de démoussage avant d’être un poste de transfert.
Là où l’opération n’intervient pas
Il faut le dire franchement, car la rubrique s’y oblige. Le sirop d’érable, le sucre de fleur de coco et le miel ne comportent aucun poste de dégazage. Les deux premiers sont concentrés par ébullition ouverte ou sous vide léger, ce qui dégaze au passage ; le troisième n’est ni chauffé ni concentré au-delà du nécessaire, et son air occlus — les fines bulles qui blanchissent un miel crémeux — fait partie de ce qu’on cherche plutôt que de ce qu’on retire. Le cas le plus proche hors des sucrants est la boisson gazeuse, où le dégazage est un poste identifié, mesuré, et placé avant tout le reste.
Pour aller plus loin
- L’absorption gaz-liquide — la moitié dissoute du sujet : loi de Henry, double film, coefficient volumétrique de transfert et colonnes à contre-courant.
- La décantation — la même loi de Stokes, appliquée à ce qui descend ; c’est le cours qui donne le calcul du temps de séparation.
- La flottation — séparer en faisant monter, et le cas où les bulles sont l’outil et non le défaut.
- L’évaporation — pour comprendre pourquoi un sirop concentré sous vide n’a plus besoin d’être dégazé, et comment les incondensables dégradent un condenseur.
- La centrifugation — la façon de remplacer la pesanteur quand la viscosité interdit l’ascension naturelle.
- La filtration membranaire — les modules à fibres creuses dont dérivent les contacteurs de dégazage.
- Le conditionnement et le remplissage — le poste qui subit le gaz qu’on n’a pas retiré, et la contre-pression qui protège le travail amont.
- L’emballage sous atmosphère protectrice — l’opération inverse, et la raison pour laquelle inerter une chambre de tête ne suffit pas.
Sources
- 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.
- Perry, R. H., Green, D. W., Perry’s Chemical Engineers’ Handbook, 9e éd., McGraw-Hill, 2018 — solubilité des gaz, pompes à vide, condenseurs.
- Clift, R., Grace, J. R., Weber, M. E., Bubbles, Drops and Particles, Academic Press, 1978 — vitesses d’ascension et domaines de validité.
- Walstra, P., Physical Chemistry of Foods, Marcel Dekker, 2003 — interfaces, adsorption des tensioactifs, stabilité des mousses.
- Epstein, P. S., Plesset, M. S., « On the Stability of Gas Bubbles in Liquid-Gas Solutions », Journal of Chemical Physics, 18(11), 1505-1509, 1950, DOI 10.1063/1.1747520.
- Brevet US 5 006 354, « Deaeration process for the manufacture of fruit juices », déposé le 23 avril 1990, délivré le 9 avril 1991 — source primaire écrite pour revendiquer : ses chiffres valent pour l’exemple qu’elle décrit, non comme une mesure de référence.
- Règlement (UE) n° 1333/2008 sur les additifs alimentaires et règlement (UE) n° 231/2012 sur leurs spécifications (E 290, E 941) ; directive 76/211/CEE du 20 janvier 1976 sur le préconditionnement en masse ou en volume de certains produits en préemballages.