Dissoudre, c’est faire disparaître un solide dans un liquide en le ramenant à l’état de molécules dispersées. À la fin de l’opération, il ne reste qu’une phase : une solution limpide, homogène jusqu’à l’échelle moléculaire, dont on ne peut plus séparer le soluté par un tamis ni par une centrifugeuse. La dissolution est l’exacte opération inverse de la cristallisation, et elle en partage toutes les grandeurs : solubilité, saturation, sursaturation, aire d’échange, force motrice de concentration. Elle ouvre la plupart des lignes de sucrerie et de raffinerie, elle referme les boucles de recyclage, et elle constitue le premier geste de presque toute formulation liquide.
C’est aussi l’opération que l’on ne compte jamais. Elle n’a pas de rendement affiché, pas de courbe de séparation, pas d’indicateur au tableau de conduite. On verse, on agite, on attend, et la ligne suivante reçoit une liqueur. Cette discrétion trompe. Le temps de dissolution fixe le temps de cycle d’un bac de préparation ; la température de refonte fixe la couleur de la liqueur qui entrera en décoloration ; la concentration de sortie fixe la charge de la filtration et la quantité d’eau qu’il faudra évaporer ensuite. Une refonte mal conduite ne se voit pas dans le bac : elle se paie trois postes plus loin.
Deux familles de difficultés se superposent. La première est thermodynamique : la solubilité borne ce que le solvant peut recevoir, elle dépend de la température, du solvant et des autres solutés déjà présents, et aucune agitation ne la déplace. La seconde est cinétique : entre la surface du grain et le cœur du liquide s’installe une couche limite de quelques micromètres à travers laquelle le soluté doit diffuser, et c’est presque toujours elle qui commande la durée de l’opération. Une troisième particularité concerne directement les sucrants : chez les polyols, la dissolution absorbe de la chaleur. Le bac se refroidit tout seul pendant qu’on le remplit, et ce refroidissement fait baisser la solubilité au moment précis où l’on en a le plus besoin.
L’intuition d’atelier veut qu’une dissolution difficile se traite en chauffant plus fort et en agitant plus vite. C’est le contraire qui est vrai la plupart du temps : la solubilité n’est qu’une borne, rarement le facteur limitant, et la vitesse de dissolution se gagne d’abord sur l’aire d’échange et sur la façon dont la poudre est mouillée — si bien qu’une refonte tiède, moins concentrée et correctement dispersée finit plus vite, plus claire et moins chère qu’une refonte chaude conduite à saturation.
Cinq mots qu’on emploie l’un pour l’autre. La dissolution est le passage d’un solide à l’état de soluté moléculaire dans un liquide, jusqu’à disparition de la phase solide ; elle est bornée par la solubilité. La solubilisation désigne le même résultat obtenu par un artifice qui déplace cette borne — cosolvant, tensioactif, changement de pH, formation d’un complexe — et elle relève de la chimie de formulation autant que du génie des procédés. La mise en suspension maintient un solide dispersé sans le dissoudre : deux phases restent en présence, et l’opération est mécanique. La refonte est le nom sucrier de la dissolution d’un sucre cristallisé dans de l’eau ou dans une eau sucrée, en vue d’une purification et d’une recristallisation ; malgré son nom, rien n’y fond. La dilution enfin part d’une solution déjà faite et n’ajoute que du solvant : aucune interface solide-liquide n’y intervient, donc aucune cinétique de dissolution.
Sur cette page
À quoi sert l’opération
Mettre une matière première solide en état d’être traitée. La quasi-totalité des opérations de purification travaillent sur un liquide : échange d’ions, adsorption sur charbon ou sur résine, chromatographie préparative, filtration membranaire. Un cristal impur ne peut être purifié qu’en repassant en solution, où les impuretés incluses ou adhérentes se retrouvent libres et séparables. La dissolution est donc l’étape d’entrée obligatoire de toute purification par voie humide, et sa qualité conditionne celle de tout ce qui suit.
Reprendre un solide pour le recristalliser plus pur. Une recristallisation est une dissolution suivie d’une cristallisation. Chaque cycle divise la teneur en impuretés d’un facteur qui dépend du coefficient de partage de chacune, et coûte une perte au rendement, car une partie du produit part avec les eaux mères. Les sucres et les polyols de qualité alimentaire subissent couramment deux à trois cycles de ce type. La conduite de la dissolution y décide de la quantité d’eau à réévaporer : dissoudre à 45 % de matière sèche au lieu de 60 % revient à devoir chasser un tiers d’eau en plus à l’évaporation.
Recycler les refus et les hors-normes. Une ligne de cristallisation produit en permanence des matières à réintroduire : fines de tamisage, gâteaux de démarrage, cristaux hors calibre, croûtes de nettoyage. Toutes reviennent par une refonte. Ce bac de reprise est le plus mal traité d’une usine : il reçoit des matières de propreté variable et il est le point d’entrée privilégié des couleurs et des insolubles dans une boucle par ailleurs propre.
Préparer des solutions de titre imposé. Saumures de salaison, sirops de trempage, solutions d’acide ou de soude pour la neutralisation, sirops de couverture de conserverie, solutions de nettoyage en place : dans tous ces cas, ce qu’on demande à l’opération n’est pas seulement de dissoudre mais d’atteindre une concentration exacte et reproductible. Le titre se contrôle en réfractométrie ou en densimétrie en ligne, et la boucle se ferme sur l’ajout d’eau. Une dissolution incomplète fausse la mesure : le réfractomètre ne voit que ce qui est dissous, et le solide résiduel déposé au fond du bac partira plus tard dans une autre charge.
Le phénomène physique
Ce qui se passe à la surface du cristal
Un cristal est un empilement régulier de molécules tenues par des liaisons hydrogène, des forces de van der Waals et, pour les composés ioniques, par l’attraction électrostatique. Le dissoudre demande de rompre ce réseau, ce qui coûte de l’énergie — l’énergie réticulaire — puis d’entourer chaque molécule libérée d’une coquille de molécules d’eau, ce qui en restitue — l’énergie de solvatation. Le bilan des deux donne la chaleur de dissolution, positive ou négative selon le composé. Le processus se déroule aux points faibles de la surface : les angles, les arêtes, les marches de croissance, les défauts. Un cristal en cours de dissolution s’arrondit et se creuse de puits ; il ne se dissout pas en pelure d’oignon.
Le détachement d’une molécule de la surface est presque toujours très rapide devant l’étape suivante. Pour les sucres et les polyols en solution aqueuse, la surface du solide est en équilibre quasi instantané avec le liquide qui la touche : la concentration y vaut la solubilité. Le facteur limitant n’est donc pas la réaction d’interface mais l’évacuation du soluté loin de cette surface. On dit que l’opération est contrôlée par le transfert de matière, ce qui explique qu’elle s’accélère beaucoup plus par l’agitation et par le broyage que par la chimie.
La couche limite de diffusion
Autour de chaque grain, le liquide est freiné par la paroi solide. Aussi vigoureuse que soit l’agitation du bac, il subsiste contre la surface une pellicule où le transport ne se fait plus par convection mais par diffusion moléculaire. Cette pellicule, la couche limite, est le siège de tout le gradient de concentration : elle passe de la solubilité Cs à sa face interne à la concentration du sein du liquide C à sa face externe. Son épaisseur ordinaire, dans un bac agité correctement, se compte en dizaines de micromètres, et elle diminue quand la vitesse relative entre le grain et le liquide augmente — mais lentement, comme la racine carrée de cette vitesse.
La conséquence pratique est déroutante. Doubler la vitesse de l’agitateur ne divise pas par deux le temps de dissolution : il faut environ multiplier par quatre la vitesse relative pour diviser par deux l’épaisseur de la couche, et la puissance dissipée croît alors comme le cube de la vitesse. L’agitation atteint donc vite un rendement décroissant. Diviser par deux le diamètre des grains, en revanche, double l’aire d’échange à masse égale et divise pratiquement le temps par deux, à un coût de broyage souvent modeste. C’est le premier levier à considérer.
Solubilité, saturation, sursaturation
La solubilité est la concentration d’une solution en équilibre avec son solide, à une température et une pression données. Elle s’exprime en grammes de soluté pour 100 g d’eau, en grammes par litre de solution, en fraction massique ou en degrés Brix pour les sucres. Ces expressions ne sont pas interchangeables et la confusion est une source d’erreur permanente : à 20 °C, le saccharose se dit indifféremment soluble à environ 67 g pour 100 g de solution ou à environ 200 g pour 100 g d’eau, ce qui est le même fait écrit deux fois.
Une solution qui contient exactement sa solubilité est saturée ; en dessous, insaturée ; au-dessus, sursaturée. La sursaturation est un état métastable : le système est hors d’équilibre et n’attend qu’un germe pour libérer l’excédent sous forme de cristaux. Une dissolution ne peut jamais dépasser la saturation, mais une solution issue d’une dissolution chaude devient très facilement sursaturée en refroidissant, puisque la solubilité baisse. Toute la conduite d’une refonte consiste à rester assez loin de la saturation à la température la plus basse que la liqueur rencontrera dans les tuyauteries et les bacs tampons en aval.
L’effet de la température
Pour l’immense majorité des sucres et des polyols, la solubilité croît fortement avec la température, et cette croissance est d’autant plus marquée que la dissolution est plus endothermique. Le saccharose passe d’environ deux tiers de matière sèche à 20 °C à plus de quatre cinquièmes vers 90 °C. L’érythritol, peu soluble à froid, gagne beaucoup à être chauffé. Ce n’est pas une règle universelle : quelques sels, comme le sulfate de calcium au-delà de 40 °C, présentent une solubilité qui diminue quand on chauffe, et c’est précisément ce qui les fait entartrer les surfaces chaudes des échangeurs.
La température agit aussi, et séparément, sur la cinétique. Elle augmente la diffusivité du soluté et abaisse la viscosité du liquide, ce qui affine la couche limite. Un bac chauffé de 20 à 60 °C dissout donc plus vite pour trois raisons cumulées : force motrice plus grande, meilleure diffusion, moindre viscosité. La question de conduite n’est jamais de savoir si chauffer accélère, mais combien coûte le degré supplémentaire en énergie, en couleur formée et en risque de recristallisation au refroidissement.
La chaleur de dissolution
Dissoudre un solide échange de la chaleur avec le milieu. Chez le saccharose, l’effet est faible et endothermique : quelques kilojoules par mole, à peine perceptibles dans un bac. Chez les polyols, il est important, toujours endothermique, et parfaitement mesurable : le xylitol, le sorbitol, le maltitol, l’érythritol et le mannitol absorbent tous de la chaleur en se dissolvant, dans un ordre de grandeur de 20 à 30 kJ par mole, soit de 80 à 190 J par gramme selon le composé. Un bac de refonte de polyol se refroidit de lui-même de plusieurs degrés pendant le versement, sans que rien ne soit en cause.
Cette propriété est la cause physique de la sensation de fraîcheur que donnent ces produits en bouche. Le cristal se dissout dans la salive, il y prélève sa chaleur de dissolution, la muqueuse se refroidit localement de quelques degrés et les thermorécepteurs le signalent. L’intensité de l’effet suit la chaleur de dissolution rapportée à la masse, et elle suppose que le produit arrive sous forme cristalline : un sirop de polyol déjà dissous ne rafraîchit rien. La propriété est recherchée dans une pastille mentholée ou un chewing-gum, où elle renforce la note fraîche ; elle est gênante dans une ganache ou un biscuit fourré, où elle crée une sensation métallique inattendue. C’est le même fait physique, utile ici et à corriger là. La page polyol et xylitol détaille la famille chimique concernée.
Mouillage et mise en suspension d’une poudre
Avant de se dissoudre, une poudre doit être mouillée, puis dispersée, puis désagglomérée. Ces trois étapes précèdent la dissolution proprement dite et échouent bien plus souvent qu’elle. Une poudre fine versée en surface flotte, se mouille par sa face inférieure, et forme une croûte étanche sous laquelle l’air reste emprisonné : le grumeau. Le phénomène est d’autant plus violent que la poudre est fine, que le liquide est visqueux et que le soluté est avide d’eau. Les hydrocolloïdes et les protéines en sont les exemples canoniques ; les polyols et les sucres cristallisés, plus grossiers et moins gonflants, y échappent largement.
La parade industrielle ne consiste pas à agiter davantage mais à changer la géométrie de l’introduction. On introduit la poudre dans une veine liquide en mouvement — trompe à dépression, éjecteur, tête de dispersion à rotor-stator, cône d’aspiration sous vortex — de façon que chaque particule rencontre du liquide isolément. On peut aussi travailler la poudre elle-même : l’agglomération transforme une poudre fine en granulés poreux qui coulent, s’enfoncent et se mouillent de l’intérieur. C’est la technique des poudres dites instantanées.
Le solvant et ce qu’il contient déjà
L’eau industrielle n’est jamais neutre. Sa dureté, son alcalinité, sa teneur en fer et en manganèse, sa charge organique interviennent dans une refonte. Un ion déjà présent qui appartient au solide à dissoudre abaisse la solubilité de celui-ci : c’est l’effet d’ion commun, et il explique qu’une saumure recyclée dissolve moins de sel qu’une eau neuve. Les cosolutés étrangers, à l’inverse, ont un effet variable : les non-sucres d’une eau sucrée de recyclage peuvent élever la solubilité apparente du saccharose de plusieurs points, ce que les sucriers appellent le coefficient de saturation.
Le fer dissous est le défaut le plus coûteux, parce qu’il ne se voit pas dans l’eau et se voit très bien dans la liqueur : quelques dixièmes de milligramme par litre suffisent à noircir une solution phénolique. Une eau adoucie mais non déferrisée colore une refonte plus sûrement qu’une heure de séjour à 80 °C. La qualité de l’eau se traite en amont, jamais dans le bac.
La règle du tiers de charge. Un bac de refonte se remplit toujours d’eau avant de recevoir le solide, jamais l’inverse, et le solide s’introduit sous le niveau du liquide dans une zone déjà en mouvement. On vise en fin de charge une concentration inférieure d’au moins un dixième à la solubilité correspondant à la température la plus basse que la liqueur rencontrera en aval : c’est cette marge, et non la température du bac, qui empêche les recristallisations dans les tuyauteries, les échangeurs et les bacs tampons de nuit.
Les grandeurs et les équations
La force motrice et le flux de matière
Tout transfert de matière s’écrit comme le produit d’un coefficient, d’une aire et d’un écart. Pour une dissolution, l’écart est la différence entre la concentration de saturation à la surface du solide et la concentration du sein du liquide.
Trois leviers, et trois seulement. Le coefficient kL se gagne par l’hydrodynamique : agitation, vitesse relative grain-liquide, viscosité plus faible. L’aire A se gagne par la granulométrie et par la mise en suspension effective de la totalité de la charge — un tas décanté au fond du bac n’offre que sa face supérieure. L’écart (Cs − C) se gagne par la température, qui élève Cs, ou par la dilution, qui abaisse C. Le troisième levier s’épuise de lui-même : à mesure que la charge se dissout, C monte, l’écart se referme, et la fin de dissolution est toujours beaucoup plus lente que le début. C’est pourquoi viser une concentration finale très proche de la saturation multiplie le temps de cycle sans rien apporter d’autre.
La loi de Noyes-Whitney et le temps de dissolution
En rapportant le flux au volume de liquide, on obtient l’équation qui porte les noms de Noyes et Whitney, formulée en 1897 et jamais démentie depuis pour les solides moléculaires.
À aire constante, elle s’intègre en une exponentielle : la concentration approche la saturation avec une constante de temps τ = V / (kL · A). Cette forme dit deux choses utiles. D’abord, atteindre 95 % de la saturation demande trois constantes de temps, et 99 % en demande cinq : le dernier pour-cent coûte autant que les quatre-vingt-quinze premiers. Ensuite, l’hypothèse d’aire constante est fausse en fin d’opération, puisque les grains rétrécissent et disparaissent ; le temps réel est donc encore plus dominé par sa fin que l’exponentielle ne le laisse croire. En pratique, on ne conduit jamais une dissolution jusqu’à la saturation : on la conduit jusqu’à disparition du solide, à une concentration cible franchement inférieure.
Le temps de disparition d’un grain
Le point de vue inverse, celui du grain, donne une estimation directement utilisable. Une sphère qui se dissout à coefficient de transfert constant voit son rayon décroître linéairement dans le temps, et disparaît au bout d’une durée que l’on calcule sans intégration numérique.
Le temps de disparition est proportionnel au diamètre initial, non à son carré : diviser la taille des grains par deux divise le temps par deux, pas par quatre. C’est la traduction du fait que la dissolution est limitée par la couche limite et non par une diffusion interne. Intégrée sur une population de grains, la même équation conduit à la loi dite de la racine cubique de Hixson et Crowell. Elle explique aussi pourquoi une charge à granulométrie étalée se termine mal : les gros grains survivent longtemps après que les fines ont disparu et fait monter C, et ils achèvent donc leur dissolution avec une force motrice presque nulle.
Le coefficient de transfert et l’agitation
Le coefficient kL ne se mesure pas directement ; il se corrèle par le nombre de Sherwood, qui compare le transfert réel au transfert par pure diffusion autour d’une sphère immobile.
Le terme constant 2 est le plancher : même dans un liquide parfaitement immobile, une sphère se dissout, par diffusion pure. Tout ce que l’agitation apporte est le second terme, en racine carrée du nombre de Reynolds particulaire. D’où le rendement décroissant déjà signalé : quadrupler la vitesse relative ne double que ce terme-là. L’exposant 1/3 sur le nombre de Schmidt indique la faible sensibilité au couple viscosité-diffusivité. Enfin, Sh étant construit sur dp, un grain plus petit a un kL plus élevé : le broyage agit deux fois, sur l’aire et sur le coefficient. En bac agité, l’ordre de grandeur de kL pour un sucre va de 10−5 à 10−4 m·s−1, ce qui correspond, avec une diffusivité voisine de 5·10−10 m2·s−1, à une couche limite de l’ordre de 5 à 50 µm.
La solubilité en fonction de la température
La variation de la solubilité avec la température n’est pas arbitraire : elle est imposée par la chaleur de dissolution, selon la relation de van ‘t Hoff appliquée à l’équilibre solide-solution.
La lecture est immédiate : une dissolution endothermique, c’est-à-dire ΔdisH positif, donne une solubilité croissante avec la température, et d’autant plus vite croissante que la chaleur absorbée est grande. C’est pourquoi les polyols, franchement endothermiques, ont des courbes de solubilité très redressées, et pourquoi leurs solutions chaudes cristallisent violemment au refroidissement. La relation fournit aussi un contrôle de cohérence : une courbe de solubilité mesurée et une chaleur de dissolution mesurée doivent s’accorder, faute de quoi l’une des deux est fausse ou le solide change de forme cristalline dans l’intervalle. Elle suppose une chaleur de dissolution constante sur la plage considérée, ce qui n’est acceptable que sur quelques dizaines de degrés.
Le bilan thermique de la refonte
Un bac de dissolution consomme de la chaleur pour deux raisons distinctes, qu’il faut compter séparément sous peine de sous-dimensionner la double enveloppe.
Le premier terme est le chauffage sensible de la charge, le second la chaleur absorbée par la dissolution elle-même. Pour du saccharose, le second est négligeable devant le premier et personne ne le compte. Pour un polyol, il ne l’est plus : dissoudre une tonne de xylitol absorbe de l’ordre de 150 MJ, soit l’équivalent de ce qu’il faut pour porter 600 kg d’eau de 20 à 80 °C. Sur une refonte conduite sans apport de chaleur, cette absorption se traduit par une chute de température de la charge, parfois de dix degrés et davantage, qui abaisse la solubilité et peut faire recristalliser une partie de ce qui venait de se dissoudre. Le remède n’est pas de chauffer plus fort mais de chauffer pendant l’introduction, en asservissant le débit de poudre à la température du bac.
Les symboles, leurs unités et leurs ordres de grandeur
| Symbole | Grandeur | Unité | Ordre de grandeur usuel |
|---|---|---|---|
| C | Concentration au sein du liquide | g·L−1 | 0 à 900 |
| Cs | Solubilité à la température de travail | g·L−1 | 200 à 1 000 selon composé et température |
| kL | Coefficient de transfert de matière | m·s−1 | 10−5 à 10−4 en bac agité |
| A | Aire d’échange solide-liquide | m2 | 103 à 105 pour une charge industrielle |
| a | Aire massique de la poudre | m2·kg−1 | 2 à 50 selon la granulométrie |
| V | Volume de liquide | m3 | 0,5 à 60 |
| D | Diffusivité du soluté dans l’eau | m2·s−1 | 3·10−10 à 10−9 pour les sucres, 20 à 60 °C |
| δ | Épaisseur de la couche limite | m | 5·10−6 à 10−4 |
| dp | Diamètre des grains | m | 10−5 à 2·10−3 |
| ρs | Masse volumique du solide | kg·m−3 | 1 450 à 1 600 pour les sucres et polyols |
| Sh | Nombre de Sherwood | sans dimension | 2 à 50 |
| Rep | Reynolds particulaire | sans dimension | 1 à 500 |
| Sc | Nombre de Schmidt | sans dimension | 500 à 5 000 |
| N | Vitesse de rotation de l’agitateur | s−1 | 0,5 à 5 (30 à 300 tr·min−1) |
| P/V | Puissance dissipée par unité de volume | W·m−3 | 100 à 1 000 |
| ΔdisH | Enthalpie de dissolution | kJ·mol−1 | +5 à +30 pour les sucres et polyols |
| τ | Constante de temps de dissolution | s | 10 à 103 |
Les matériels
Le bac agité à double enveloppe. C’est l’appareil de référence, de 500 L à 60 m3, cylindrique à fond bombé, muni de quatre contre-pales et d’une double enveloppe ou d’un serpentin. L’eau est chargée la première, portée à température, puis le solide est introduit sous le niveau. La double enveloppe compense à la fois les pertes et la chaleur absorbée par la dissolution. Le temps de charge courant va de quinze minutes à une heure. Sa faiblesse est la zone morte sous l’agitateur, où une poudre lourde se dépose et où elle finit par prendre en masse si le mobile n’est pas assez près du fond.
Le mobile d’agitation. Pour une dissolution, on cherche du pompage et non du cisaillement : hélice marine à trois pales, turbine à pales inclinées à 45°, éventuellement mobile large à faible vitesse si la liqueur devient visqueuse. La turbine Rushton, très cisaillante, est un mauvais choix ici : elle consomme beaucoup pour produire une circulation médiocre. Le critère de dimensionnement est la mise en suspension complète, que l’on repère par la vitesse d’agitation à laquelle aucune particule ne reste immobile au fond plus d’une ou deux secondes ; les corrélations classiques donnent cette vitesse en fonction de l’écart de masse volumique, du diamètre des grains, de la viscosité et du taux de charge.
Le fondoir continu de sucrerie. En raffinerie, la refonte n’est pas discontinue : le sucre affiné tombe en continu dans une auge à vis ou dans une série de compartiments en cascade, alimentée à contre-courant par des eaux douces recyclées. Chaque compartiment est agité, le niveau et la température sont régulés, et la liqueur sort au titre voulu, contrôlée en continu par un réfractomètre en ligne. L’avantage est la stabilité du titre et la faible inertie ; la contrainte est qu’un tel appareil ne tolère ni les à-coups d’alimentation ni les corps étrangers.
La trompe à dépression. Un éjecteur placé sur une boucle de recirculation crée une dépression qui aspire la poudre d’une trémie et la disperse instantanément dans la veine liquide. Chaque particule rencontre le liquide isolément, ce qui supprime les grumeaux à la racine. Le débit va de quelques centaines de kilogrammes à plusieurs dizaines de tonnes par heure. C’est le matériel de choix pour les poudres fines et pour les produits qui mouillent mal. Il consomme de la puissance de pompage, et il exige une trémie parfaitement coulante en amont.
Le mélangeur rotor-stator en ligne. Placé sur la boucle, il fait tourner un rotor denté à faible jeu dans un stator perforé et impose des gradients de vitesse très élevés. Il ne sert pas à accélérer une dissolution ordinaire — le gain sur kL ne justifierait pas la dépense — mais à désagglomérer les grumeaux déjà formés et à mouiller les poudres gonflantes. Il partage sa technologie avec l’émulsification et l’homogénéisation, dont il est le cousin direct.
La boucle de recirculation avec échangeur. Plutôt que de chauffer par la paroi du bac, on prélève la liqueur, on la fait passer dans un échangeur à plaques et on la renvoie par une buse orientée. On obtient un apport thermique élevé sans point chaud sur la paroi, un brassage supplémentaire gratuit, et la possibilité d’insérer sur la même boucle un filtre de garde ou un réfractomètre. Le montage est devenu la norme partout où la couleur compte.
| Matériel | Principe | Emploi typique | Ce qui le fait choisir | Sa limite |
|---|---|---|---|---|
| Bac agité à double enveloppe | Charge discontinue, agitation par mobile de pompage, chauffage par la paroi | Sirops, saumures, refontes de faible débit, préparations de formulation | Souplesse totale de recette, titre maîtrisé par pesée | Zone morte au fond, temps mort de charge et de vidange |
| Fondoir continu à vis ou à cascade | Alimentation continue en solide, compartiments agités à contre-courant | Refonte du sucre affiné en raffinerie | Titre très stable, faible inertie, débits élevés | Ne tolère ni les à-coups ni les corps étrangers |
| Trompe à dépression sur boucle | Éjecteur aspirant la poudre dans une veine liquide | Poudres fines, hydrocolloïdes, préparations de boisson | Suppression des grumeaux à la source, débits importants | Puissance de pompage, exige une poudre coulante |
| Rotor-stator en ligne | Cisaillement élevé entre rotor denté et stator perforé | Désagglomération, poudres gonflantes, gommes | Traite les grumeaux déjà formés | Consommation élevée, inutile pour une dissolution facile |
| Boucle de recirculation avec échangeur | Chauffage externe et réinjection par buse | Refontes où la couleur est critique | Pas de point chaud pariétal, mesure en ligne intégrable | Volume mort de boucle, nettoyage plus long |
Les paramètres de conduite
La température. Elle agit sur la solubilité, sur la diffusivité et sur la viscosité, toutes dans le sens favorable, et sur la couleur, dans le sens défavorable : au-delà de 80 °C, une liqueur sucrée brunit d’autant plus vite que le pH s’écarte de la neutralité et que le séjour s’allonge. On monte donc en température juste ce qu’il faut pour que la concentration cible reste franchement sous la saturation, et l’on réduit le temps passé au-dessus de 75 °C plutôt que la température elle-même. La page sur le caramel au xylitol explique pourquoi les polyols, dépourvus de fonction réductrice libre, ne brunissent pas dans les mêmes conditions que le saccharose.
La concentration cible. C’est le paramètre qui coûte le plus loin en aval. Une liqueur plus concentrée économise de l’évaporation et du volume de stockage, mais elle allonge la dissolution, augmente la viscosité, dégrade la filtrabilité et rapproche du seuil de recristallisation. La règle usuelle est de se tenir à au moins 5 à 10 points de matière sèche sous la saturation à la température la plus basse rencontrée en aval, et non sous celle du bac.
La granulométrie de la charge. Elle fixe l’aire d’échange, donc le temps. Une poudre trop fine, cependant, mouille mal, vole, et charge les filtres en insolubles ; une charge trop grossière traîne en fin de cycle. L’idéal est une granulométrie resserrée dans la gamme de quelques centaines de micromètres, ce qui est exactement ce que produit un tamisage de contrôle en sortie de séchage.
La vitesse d’introduction du solide. Elle se règle sur la capacité de chauffe et sur la capacité de dispersion, pas sur la patience de l’opérateur. Introduire trop vite, c’est créer une zone locale saturée, faire chuter la température par la chaleur de dissolution, et laisser un tas se former au fond. Un débit asservi à la température du bac, ou simplement à la mesure de couple de l’agitateur, résout le problème sans instrumentation coûteuse.
La puissance d’agitation. On dimensionne pour la mise en suspension complète, puis on s’arrête. Au-delà, la puissance supplémentaire chauffe la liqueur, entraîne de l’air et n’améliore kL qu’en racine carrée. Une agitation trop violente en surface incorpore des bulles qui ralentiront ensuite la décantation et fausseront la densimétrie en ligne.
Le pH. Il n’a guère d’effet sur la solubilité des sucres et des polyols, mais un effet majeur sur ce qui se passe pendant qu’on les dissout : l’hydrolyse du saccharose en milieu acide chaud, et le brunissement en milieu alcalin. Une refonte de saccharose se conduit près de la neutralité, entre 6,5 et 7,5. Pour un sel ou un acide organique, le pH commande directement la solubilité et devient le premier paramètre.
| Paramètre | Plage usuelle | Effet d’une augmentation | Comment on le suit |
|---|---|---|---|
| Température du bac | 20 à 85 °C | Solubilité, diffusivité et vitesse en hausse ; couleur et coût énergétique en hausse | Sonde en cuve et sonde en sortie de boucle |
| Concentration cible | 40 à 68 % de matière sèche selon le composé | Évaporation aval réduite ; durée, viscosité et risque de recristallisation en hausse | Réfractomètre ou densimètre en ligne |
| Diamètre médian des grains | 0,1 à 1 mm | Aire d’échange en baisse, temps de dissolution en hausse | Tamisage de contrôle, granulométrie laser |
| Débit d’introduction du solide | Fixé pour une charge en 10 à 60 min | Risque de tas au fond, de grumeau et de chute de température | Bascule de trémie, couple de l’agitateur |
| Puissance d’agitation rapportée au volume | 100 à 1 000 W·m−3 | Suspension complète puis gain marginal ; entraînement d’air | Puissance absorbée du moteur, observation du fond |
| pH de la liqueur | 6,5 à 7,5 pour les sucres | Vers l’acide, hydrolyse ; vers l’alcalin, brunissement | pH-mètre en ligne, correction par la boucle |
| Temps de séjour au-dessus de 75 °C | Aussi court que possible, quelques minutes | Couleur formée en hausse, charge de décoloration en hausse | Colorimétrie de la liqueur, temps de boucle |
| Dureté et fer de l’eau | Eau adoucie et déferrisée | Couleur et voile d’insolubles en hausse | Analyse d’eau périodique, turbidité en ligne |
Ce qui se dérègle
Le tas au fond. C’est le défaut le plus fréquent et le plus mal diagnostiqué. La poudre introduite trop vite, ou introduite sur un liquide dont l’agitation ne balaie pas le fond, sédimente et se compacte. Le réfractomètre indique alors un titre plus faible que le bilan matière, on ajoute du solide pour corriger, et l’on aggrave le tas. Le signe qui ne trompe pas est l’écart entre la pesée et la mesure de titre : quand la balance dit plus que le réfractomètre, le manquant est au fond.
Le grumeau. Une masse enrobée d’une croûte dissoute et sèche à cœur. Il survit à des heures d’agitation parce que sa surface externe se dissout à peine plus vite que sa périphérie ne se reforme. Il passe les grilles, se coince dans une pompe, ou se retrouve intact dans le bac tampon suivant. Il ne se traite pas par le temps mais par le mode d’introduction.
La recristallisation en aval. Une liqueur préparée à 80 °C près de la saturation traverse un échangeur, un bac tampon, une nuit d’arrêt : elle refroidit, devient sursaturée, et dépose des cristaux dans les points bas, sur les sondes et dans les membranes. Le défaut ne se manifeste jamais dans le bac de dissolution, ce qui retarde son identification. La correction est toujours la même : baisser la concentration cible, ou tracer et calorifuger la ligne.
La couleur formée. Une liqueur qui sort plus foncée qu’elle n’est entrée signe un excès de température, un temps de séjour trop long, un point chaud pariétal, un pH dérivé ou une eau ferrugineuse. Ces cinq causes se distinguent par leur signature : le point chaud donne une couleur qui apparaît par bouffées après un arrêt d’agitation, le fer une teinte grise stable qui répond immédiatement à un changement d’eau. La charge retombe sur l’adsorption et sur l’échange d’ions, qui saturent plus vite.
Le mottage de la poudre en amont. Un solide hygroscopique stocké dans un local humide, ou refroidi de façon inégale après séchage, forme des ponts cristallins entre ses grains et prend en masse dans son sac ou dans son silo. Il arrive alors au dissolveur sous forme de blocs dont l’aire est cent fois plus faible que celle de la poudre d’origine, et le temps de cycle s’effondre. Le défaut est de conditionnement, pas de dissolution, mais c’est le dissolveur qui le paie.
| Symptôme | Cause probable | Correction |
|---|---|---|
| Titre mesuré inférieur au titre calculé par pesée | Solide non dissous déposé au fond ou sous le mobile | Baisser le débit d’introduction, descendre le mobile, contrôler la suspension avant de corriger la recette |
| Blocs intacts retrouvés en aval | Grumeaux formés à l’introduction, ou poudre mottée en amont | Introduire sous le niveau par éjecteur, désagglomérer en ligne, revoir le stockage de la poudre |
| Cristaux dans les points bas, les sondes et les filtres | Sursaturation par refroidissement d’une liqueur trop concentrée | Baisser la concentration cible, tracer et calorifuger, rincer les tronçons à l’arrêt |
| Liqueur plus colorée en sortie qu’en entrée | Température ou temps de séjour excessifs, point chaud pariétal, pH dérivé | Chauffer par boucle externe, réduire le séjour au-dessus de 75 °C, corriger le pH |
| Voile gris et turbidité persistante | Fer ou manganèse dans l’eau, corrosion d’une tuyauterie d’eau chaude | Déferriser l’eau, passer en acier inoxydable, poser un filtre de garde sur la boucle |
| Temps de cycle qui s’allonge de charge en charge | Granulométrie de la charge qui dérive vers le gros, ou mobile encrassé | Contrôler le tamisage amont, inspecter et nettoyer le mobile et les contre-pales |
| Chute de température du bac pendant l’introduction | Chaleur de dissolution non compensée, cas courant avec les polyols | Asservir le débit de poudre à la température, augmenter la surface de chauffe |
| Moussage et mesure de densité instable | Entraînement d’air par vortex ou agitation excessive | Réduire la vitesse, poser des contre-pales, immerger la buse de retour de boucle |
Énergie, coût et environnement
Le chauffage domine tout le reste. Porter une charge aqueuse de 20 à 80 °C demande environ 250 kJ par kilogramme d’eau, soit de l’ordre de 0,07 kWh·kg−1, ce qui représente pour un bac de 20 m3 une quinzaine de gigajoules par charge, ou environ 2,5 t de vapeur à basse pression. L’agitation, à 500 W·m−3 pendant une demi-heure, ne pèse que 5 kWh sur le même bac. Le rapport entre les deux postes est de l’ordre de mille. Toute optimisation énergétique d’une dissolution porte donc sur la chaleur, jamais sur le moteur d’agitation — ce qui n’empêche pas ce dernier de dominer le coût de maintenance.
La chaleur de dissolution est un poste réel pour les polyols. Dissoudre une tonne de xylitol absorbe de l’ordre de 150 MJ, une tonne d’érythritol davantage encore. Sur une ligne qui refond 5 t·h−1, cela représente une puissance thermique permanente de plusieurs centaines de kilowatts, à ajouter au chauffage sensible. Cette énergie n’est pas perdue : elle est restituée à la cristallisation, qui est exothermique d’autant. Une usine qui cristallise et redissout en boucle peut en principe coupler les deux, et le fait rarement, parce que les niveaux de température ne se prêtent pas à un échange direct.
L’eau ajoutée est de l’énergie différée. Chaque kilogramme d’eau introduit à la refonte devra être évaporé plus loin, et l’évaporation coûte environ 2 300 kJ par kilogramme d’eau en simple effet, dix fois moins en évaporateur à cinq effets ou à recompression mécanique. Dissoudre à 50 % au lieu de 60 % de matière sèche ajoute 330 g d’eau par kilogramme de solide, soit une charge d’évaporation supplémentaire de l’ordre de 750 kJ·kg−1 en simple effet. La concentration de refonte est donc un arbitrage direct entre le temps de cycle du dissolveur et la facture de l’atelier d’évaporation.
Ce que la dissolution coûte à l’environnement se compte ailleurs. Le poste dominant est l’eau : eau de procédé, eaux douces de recyclage, eaux de rinçage des bacs. Une conduite bien faite renvoie les condensats et les eaux sucrées faibles vers la refonte plutôt que vers la station d’épuration, ce qui économise à la fois de l’eau, de la matière et de la charge organique rejetée. Le second poste est la vapeur, dont l’origine détermine l’essentiel de l’empreinte : c’est le raisonnement conduit sur la page Green-Score du xylitol.
L’opération dans la fabrication des sucrants
La refonte des sucres roux au raffinage
Une raffinerie de canne ne part pas de la plante mais d’un sucre roux déjà cristallisé, apporté en vrac. Ce cristal porte à sa surface un film de mélasse qui contient l’essentiel des impuretés. On l’empâte d’abord dans un sirop dense, puis on l’essore en centrifugeuse : c’est l’affinage, qui enlève le film sans dissoudre le cristal. Vient alors la refonte proprement dite, dans un fondoir alimenté en eaux douces recyclées, qui produit une liqueur de l’ordre de 60 à 68 degrés Brix vers 75 à 85 °C.
Ce point est décisif pour tout ce qui suit. Une liqueur trop chaude ou trop longtemps chaude arrive colorée en carbonatation ou en phosphatation, et surcharge le charbon actif ou la résine décolorante ; une liqueur trop concentrée filtre mal et fait chuter le débit des filtres à précouche ; une liqueur trop diluée fait exploser la consommation de vapeur à l’évaporation. La suite du procédé est décrite sur la page consacrée à la fabrication du sucre de canne.
Les polyols : dissoudre pour purifier
Le xylitol s’obtient par hydrolyse des hémicelluloses d’un bois ou d’une rafle de maïs, purification du xylose, puis hydrogénation catalytique. La dissolution n’y apparaît pas comme une étape nommée, mais elle intervient trois fois : à la mise en solution du xylose purifié avant hydrogénation, à la redissolution du premier jet de cristaux pour une seconde cristallisation, et à la reprise des eaux mères et des fines. La marche du procédé est détaillée sur la page synthèse du xylitol.
L’érythritol, produit par fermentation de levures osmophiles, pose le problème inverse : sa solubilité modeste facilite la cristallisation mais complique toute redissolution, qui exige de chauffer davantage pour un titre plus faible. Voir la page fabrication de l’érythritol. Le maltitol, issu de l’hydrogénation du maltose d’un hydrolysat d’amidon, se vend surtout en sirop et se cristallise moins souvent ; la question de la redissolution se pose alors pour le passage du cristal au sirop de reprise, décrit page fabrication du maltitol.
Solubilité et chaleur de dissolution comparées
Les valeurs ci-dessous sont des ordres de grandeur de la littérature, exprimés en plages. La solubilité est donnée en grammes de solide pour 100 g d’eau, entre 20 et 25 °C ; elle croît fortement avec la température pour tous ces composés. La chaleur de dissolution est comptée positivement lorsque la dissolution absorbe de la chaleur, ce qui est le cas de tous.
| Composé | Masse molaire (g·mol−1) | Solubilité (g pour 100 g d’eau, 20 à 25 °C) | Chaleur de dissolution (J·g−1) | Équivalent (kJ·mol−1) | Ce que cela décide |
|---|---|---|---|---|---|
| Saccharose | 342 | 200 à 210 | +15 à +20 | +5 à +7 | Sirops très concentrés possibles à froid ; aucun effet de fraîcheur |
| Sorbitol | 182 | 220 à 240 | +105 à +120 | +19 à +22 | Sirops très concentrés obtenus sans chauffage poussé ; fraîcheur nette |
| Xylitol | 152 | 160 à 180 | +145 à +160 | +22 à +25 | Refonte aisée ; fraîcheur marquée, recherchée en confiserie |
| Maltitol | 344 | 160 à 180 | +70 à +85 | +24 à +29 | Sirops stables ; fraîcheur discrète, adaptée aux enrobages |
| Érythritol | 122 | 40 à 60 | +175 à +190 | +21 à +23 | Cristallise franchement ; refonte exigeante ; fraîcheur très marquée |
| Mannitol | 182 | 15 à 25 | +115 à +125 | +21 à +23 | Peu soluble : employé en poudre et en dragéification plus qu’en sirop |
Aucune de ces lignes ne classe un produit devant un autre : chacune décrit une aptitude et son revers. Une solubilité élevée donne des sirops concentrés et un dissolveur rapide, mais elle rend la cristallisation plus lente et le séchage plus délicat. Une solubilité basse donne l’inverse : cristallisation franche, rendement de jet élevé, et une refonte qui demande de la chaleur et du volume. Une chaleur de dissolution forte apporte la fraîcheur en bouche recherchée dans une dragée ou un chewing-gum, et impose en atelier de compenser plusieurs centaines de kilowatts. Les doses d’emploi et les seuils de tolérance digestive de ces composés sont traités sur la page tolérance aux polyols.
Pour aller plus loin
- Cristallisation — l’opération inverse, qui partage les mêmes courbes de solubilité lues dans l’autre sens.
- Mélange et malaxage — le dimensionnement des mobiles et la mise en suspension complète d’une charge solide.
- Extraction solide-liquide — la dissolution quand le soluté est enfermé dans une matrice végétale.
- Granulation et agglomération — comment on rend une poudre fine mouillable et dispersable.
- Évaporation — ce que coûte l’eau ajoutée à la refonte, quelques postes plus loin.
- Adsorption et décoloration — le poste qui reçoit la couleur formée pendant une refonte trop chaude.
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.
- McCabe, W. L., Smith, J. C., Harriott, P., Unit Operations of Chemical Engineering, 7e éd., McGraw-Hill, 2005.
- Mullin, J. W., Crystallization, 4e éd., Butterworth-Heinemann, 2001.
- van der Poel, P. W., Schiweck, H., Schwartz, T., Sugar Technology: Beet and Cane Sugar Manufacture, Verlag Dr. Albert Bartens, 1998.
- Mitchell, H. (dir.), Sweeteners and Sugar Alternatives in Food Technology, Blackwell Publishing, 2006.