Un extrudeur alimentaire est une usine repliée dans un tube d’un mètre. Sur la même ligne d’arbre, dans le même fourreau, la matière est dosée, hydratée, comprimée, chauffée, cisaillée, fondue, mise sous pression, mise en forme et détendue. Chacune de ces actions correspond ailleurs à un atelier entier : un mélangeur, un cuiseur, une pompe, une presse, une trancheuse. L’extrusion les met bout à bout dans un volume de quelques litres, et la matière y séjourne entre cinq secondes et deux minutes. C’est l’opération unitaire la plus dense du génie alimentaire, au sens propre : la plus grande quantité de transformations par unité de volume et par unité de temps.
Cette densité a une conséquence que les autres opérations ne connaissent pas. Dans un séchoir on peut arrêter, prélever, mesurer, repartir ; dans un extrudeur il n’y a rien à prélever, la matière étant enfermée sous 40 bar dans une machine que personne n’ouvre en marche. On ne le conduit donc pas en regardant le produit mais en lisant trois chiffres — couple, pression en tête, température de filière. C’est un procédé aveugle, et c’est pourquoi il demande des variables abstraites : énergie mécanique spécifique, remplissage, temps de séjour.
La deuxième singularité tient à ce que l’extrudeur fabrique une structure et pas seulement une matière. À la sortie de la filière, l’eau surchauffée du fondu se vaporise en quelques millisecondes, gonfle la pâte comme un soufflé, et la matière se fige dans cet état parce que la vaporisation l’a refroidie de soixante degrés au passage. L’alvéole d’un pétale de céréale, l’os d’une croquette, la fibre d’un steak végétal : ce sont des architectures créées en un dixième de seconde par un phénomène purement physique, jamais par une recette.
Extruder n’est pas presser, et cuire-extruder n’est pas extruder. L’extrusion est l’opération continue qui convoie une matière au moyen d’une ou deux vis tournant dans un fourreau fermé, lui apporte simultanément de l’énergie thermique par la paroi et de l’énergie mécanique par le cisaillement, et la force à travers une filière qui lui impose sa section. Rien n’en est retiré : c’est ce qui la sépare du pressage, où la vis sert précisément à séparer un liquide d’un solide et où la grille est un filtre, non une forme. Sous le mot se cachent ensuite deux procédés distincts. L’extrusion à froid — pâtes alimentaires, pellets, pâtes de gomme — se contente de mettre en forme sous un fourreau refroidi, à moins de 50 °C, avec une énergie mécanique de 20 à 60 kJ/kg. La cuisson-extrusion porte la matière à 120-180 °C pendant 10 à 60 secondes et détruit sa structure native : elle est un traitement thermique à part entière, à rapprocher de la cuisson, dont elle se distingue par le fait que la moitié ou la totalité de la chaleur ne vient pas d’un brûleur mais du moteur.
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À quoi sert l’opération
L’extrusion est arrivée dans l’alimentaire par la plasturgie, dans les années 1930 pour les pâtes et les années 1960 pour les céréales soufflées. Elle y a occupé, filière par filière, des fonctions que rien d’autre ne remplissait aussi bien.
Créer une structure alvéolaire sèche. Pétales, billes et étoiles de céréales, soufflés de maïs, bâtonnets et crackers expansés naissent tous de la même détente en sortie de filière. Aucune autre opération ne fabrique en continu, à plusieurs tonnes par heure, une mousse solide à 30-120 kg/m3 sans agent levant ni four.
Cuire un amidon en milieu pauvre en eau. Empeser une farine dans une cuve demande trois à cinq fois son poids d’eau, puis il faut évaporer cette eau. L’extrudeur gélatinise l’amidon à 15-25 % d’humidité seulement, ce qui économise l’essentiel du séchage aval. C’est le fondement des farines précuites, des bases pour aliments infantiles, des épaississants instantanés et des amidons prégélatinisés vendus aux industries de la sauce et de la charcuterie.
Texturer une protéine. Un isolat de soja ou de pois est une poudre sans forme et sans mâche. L’extrusion le déplie, le réticule et l’aligne dans l’écoulement, lui donnant la structure fibreuse qui fait toute la valeur des protéines végétales texturées et des analogues de viande — application marginale en 1990, aujourd’hui l’essentiel des investissements neufs en bivis alimentaire.
Mettre en forme sans cuire. Toute la pastification industrielle repose sur l’extrusion à froid : la semoule hydratée à 30 % est malaxée sous vide, poussée à 80-120 bar à travers une filière en bronze ou en téflon, puis coupée. La vis n’y cuit rien : elle comprime, dégaze et pompe.
Assainir et stabiliser. Un barème de 140-170 °C pendant 15 à 40 secondes réduit de plusieurs unités logarithmiques la flore d’une farine, inactive les lipases responsables du rancissement des sons et germes, et abat de 80 à 95 % les inhibiteurs trypsiques du soja cru.
Agglomérer et densifier. En alimentation animale, la croquette pour chien ou chat est un extrudat expansé, séché, puis enrobé de matière grasse et d’appétant. En alimentation humaine, l’extrusion fabrique aussi des pellets, demi-produits vitreux et stockables que l’on expansera plus tard à la friture ou à l’air chaud.
Les filières concernées débordent largement le céréalier : le laitier extrude des billes de protéines sériques pour les barres, le brassicole valorise ses drêches en farines extrudées, le sucrier achète des extrudats à enrober, la confiserie extrude en continu les bases de chewing-gum et les masses de réglisse, le végétal extrude ses tourteaux, et la viande extrude désormais ses substituts.
Le phénomène physique
Ce qui se passe dans un extrudeur se lit le long de l’axe. La matière entre en poudre, sort en fondu, et traverse trois régimes d’écoulement qui n’ont presque rien de commun.
Les trois zones
La zone d’alimentation et de convoyage reçoit un solide divisé — farine, semoule, isolat, prémélange — de masse volumique apparente 350 à 700 kg/m3. La matière n’y remplit pas les canaux : elle y est brassée, avancée, hydratée par l’eau ou la vapeur injectée, sous 60-80 °C, à un remplissage de 15 à 40 % du volume libre. C’est une zone de transport, pas de transformation.
La zone de fusion et de plastification est celle où la matière change de nature. Sous l’effet combiné de la compression, du cisaillement et de la chaleur de paroi, les granules d’amidon perdent leur structure et il se forme un fondu continu, visqueux, opaque, de viscosité apparente comptée en centaines à milliers de pascal-secondes. La pression y monte de quelques bars à 20-80 bar, le remplissage devient total en amont de chaque restriction, et c’est là que se dépose l’essentiel de l’énergie mécanique.
La zone de pompage occupe les deux à quatre derniers diamètres. La vis n’y transforme plus rien : elle se comporte en pompe visqueuse et met le fondu sous 20 à 150 bar selon la section offerte. Le remplissage y est de 100 % par construction, et la température atteint son maximum, 130 à 190 °C.
doseur pondéral ; vapeur et eau ; 20 à 60 s à 80-95 °C
solide divisé, remplissage 15-40 %, 20-80 °C, 1-5 bar
malaxeurs et contre-filets ; 100-160 °C ; 20-80 bar ; l’essentiel de la SME
remplissage 100 % ; 130-190 °C ; 20-150 bar
vaporisation flash en 10-100 ms ; expansion ; couteau rotatif
Le remplissage partiel, clé de la bivis
Dans une bivis co-rotative, le débit n’est pas fixé par la vis mais par le doseur placé en amont. La vis a une capacité de transport très supérieure à ce qu’on lui donne : elle tourne donc à moitié vide, et le taux de remplissage local s’ajuste tout seul pour que le débit sortant égale le débit entrant. Cette propriété a une conséquence de conduite considérable : la vitesse de vis et le débit deviennent deux réglages indépendants. Augmenter la vitesse sans toucher au doseur ne fait pas passer plus de matière ; cela vide un peu plus les canaux, augmente le cisaillement subi par chaque particule et raccourcit le temps de séjour. Sur une monovis, où le transport se fait par frottement et où les canaux sont pleins dès la compression, débit et vitesse restent liés : on ne peut pas régler l’un sans déplacer l’autre. C’est la différence de fond entre les deux technologies, bien avant les considérations de mélange ou d’auto-nettoyage.
Ce que devient l’amidon
En excès d’eau, un amidon de céréale gélatinise entre 60 et 75 °C : les cristallites de l’amylopectine fondent, les granules gonflent puis éclatent, l’amylose diffuse. À 18 % d’humidité, l’eau manque pour cette fusion assistée par solvant, et la température de fusion des cristallites remonte à 130-170 °C — c’est la dépression du point de fusion par le diluant, décrite par la relation de Flory. Deux voies restent alors ouvertes pour détruire la structure cristalline : monter en température, ou fournir mécaniquement l’énergie que le solvant ne fournit plus. L’extrudeur fait les deux, et c’est ce qu’on appelle une fusion assistée par cisaillement.
Au-delà de la gélatinisation, le cisaillement s’attaque aux macromolécules. Les chaînes d’amylopectine se rompent préférentiellement en leur milieu, la masse molaire moyenne chute d’un facteur 2 à 20 selon l’énergie appliquée et il apparaît des dextrines solubles. Cette dextrinisation mécanique n’est pas un défaut en soi — c’est elle qui rend une farine extrudée soluble à froid — mais elle en devient un quand la matrice perd la cohésion élastique nécessaire pour retenir la vapeur au moment de la détente.
Deux indices résument cet état et se mesurent en atelier en une heure, avec une centrifugeuse et une étuve. L’indice d’absorption d’eau (WAI, en grammes de gel par gramme de matière sèche) vaut 2 à 4 pour une farine crue, monte à 7-9 pour un amidon bien gélatinisé, puis redescend quand la dégradation domine. L’indice de solubilité dans l’eau (WSI, en pourcentage de matière sèche solubilisée) vaut 1 à 3 % pour une farine crue et croît de façon monotone avec l’énergie mécanique reçue, jusqu’à 40 % et plus. Le couple WAI-WSI est la carte d’identité d’un extrudat : le WAI dit la cuisson, le WSI dit la casse, et leur position relative dit si l’on est avant ou après l’optimum.
Ce que deviennent les protéines
Les protéines globulaires entrent dans le fourreau repliées, stabilisées par des liaisons hydrogène, des interactions hydrophobes et des ponts disulfure internes. La chaleur et le cisaillement les déplient, exposant segments hydrophobes et groupes thiol jusque-là enfouis ; dans le fondu, ces fonctions se réassocient entre chaînes voisines et forment un réseau continu. Cette réticulation seule ne donnerait qu’un gel isotrope, sans mâche : la fibrosité vient de l’écoulement, la déformation élongationnelle du convergent de filière étirant les agrégats dans l’axe et figeant cet alignement.
Deux procédés en découlent, aussi différents que le sont leurs produits. L’extrusion sèche travaille à 25-35 % d’humidité et 140-180 °C, sort à pression atmosphérique et laisse la détente expanser la matière : on obtient les protéines végétales texturées, éponges sèches à réhydrater, servies en granulés ou en morceaux. L’extrusion humide travaille à 55-75 % d’humidité et se termine par une filière de refroidissement : un canal plat, long de 100 à 400 mm, à double enveloppe, qui ramène le fondu de 160 °C à 50-90 °C avant qu’il ne voie l’air libre. Il n’y a alors aucune détente, puisque la matière sort sous 100 °C ; le gradient de vitesse dans le canal étire lentement le réseau et fabrique une texture fibreuse continue, la seule qui imite le muscle. Le prix de cette qualité est un débit spécifique faible et un produit humide, donc réfrigéré ou congelé.
La détente en filière
À l’instant où le fondu franchit la filière, il est à 150-180 °C, sous 30-60 bar, et contient 15 à 20 % d’eau — très au-dessus de son point d’ébullition à pression atmosphérique. Dès la pression tombée, une partie se vaporise instantanément, nuclée des bulles dans la matrice encore visqueuse, et la matière gonfle. Trois choses arrêtent ce gonflement et leur équilibre décide de la structure finale : la vaporisation prélève sa chaleur latente sur la masse et refroidit l’extrudat de 40 à 80 °C en quelques dixièmes de seconde ; le départ de l’eau et la chute de température font remonter la viscosité de plusieurs décades ; le passage sous la température de transition vitreuse fige la matrice à l’état de solide amorphe.
Si la matrice se fige trop tôt, l’expansion est faible et le produit dense ; si elle reste molle trop longtemps, les bulles coalescent, les parois se percent et la structure s’effondre en refroidissant. La bonne expansion est un compromis de cinétique, jamais un maximum : une matière assez visqueuse pour retenir la vapeur, assez extensible pour se laisser souffler, et qui vitrifie au bon moment.
Nutriments et composés néoformés
Un barème de 140-180 °C pendant vingt secondes ne laisse pas la composition intacte, mais il la modifie moins qu’une cuisson conventionnelle équivalente, précisément parce qu’il est court. Les pertes usuelles atteignent 20 à 60 % sur la thiamine, 30 à 80 % sur la vitamine C, 20 à 50 % sur les caroténoïdes ; les minéraux sont peu touchés. La lysine disponible baisse de 5 à 30 % quand la formule contient des sucres réducteurs, sa fonction amine étant bloquée par la réaction de Maillard. D’où l’usage de pulvériser les prémix vitaminiques après extrusion et séchage, jamais dans la trémie.
À l’inverse, l’opération améliore la digestibilité de l’amidon et des protéines, détruit inhibiteurs trypsiques, lectines et tanins, et inactive les lipases et lipoxygénases qui font rancir sons et germes. Côté composés néoformés, la brièveté du séjour et la vaporisation en filière, qui entraîne les volatils, limitent l’accumulation : les teneurs en acrylamide des snacks céréaliers extrudés se comptent en dizaines à quelques centaines de microgrammes par kilogramme, et le règlement (UE) 2017/2158 impose des mesures d’atténuation — variétés pauvres en asparagine, plafonnement du couple température-temps, limitation des sucres réducteurs — et une comparaison à des niveaux de référence.
Les grandeurs et les équations
Cinq relations suffisent à conduire une extrudeuse. Elles ne servent pas à dimensionner — cela reste l’affaire du constructeur et de ses essais pilotes — mais à comprendre ce qu’on déplace quand on tourne un bouton.
L’énergie mécanique spécifique
C’est la variable maîtresse, celle qui résume à elle seule l’histoire mécanique subie par la matière. Elle vaut la puissance réellement transmise à l’arbre, divisée par le débit massique.
Sur une machine industrielle, on ne dispose pas d’un couplemètre mais d’un pourcentage de couple affiché et d’une puissance nominale. La forme d’atelier est alors :
Le rendement η, produit du rendement moteur et de celui du réducteur, vaut 0,85 à 0,95 ; l’ignorer surestime la SME de 5 à 15 %. Les ordres de grandeur utiles, en kJ/kg puis en Wh/kg : 20 à 60 (6-17) pour une pâte alimentaire extrudée à froid, 100 à 250 (28-70) pour une croquette, 250 à 600 (70-170) pour un snack ou un pétale expansé, 300 à 700 (85-195) pour une protéine texturée sèche, 150 à 350 (40-100) pour une extrusion humide. Une SME lue sans son débit ne veut rien dire : c’est le rapport qui compte, pas le couple. C’est aussi pour cela qu’elle sert d’outil de transposition d’échelle — on transpose à SME et à profil de température constants, en acceptant que le temps de séjour, lui, ne se conserve pas.
Le débit d’une vis
Une vis en zone pleine se comporte comme une pompe : elle entraîne la matière par frottement sur le fourreau — l’écoulement de traînée, proportionnel à la vitesse — et laisse refluer une partie du fondu à cause de la pression qui règne devant elle — l’écoulement de pression, proportionnel au gradient et inverse de la viscosité.
A et B sont des constantes purement géométriques — diamètre, pas, profondeur de filet, angle d’hélice, jeu. Cette écriture explique deux comportements d’atelier. D’abord, fermer la filière augmente ΔP et fait donc chuter le débit d’une monovis à vitesse constante, alors qu’elle ne change presque rien au débit d’une bivis correctement alimentée, où c’est le doseur qui commande. Ensuite, l’usure agit sur B par le cube du jeu : un jeu vis-fourreau qui passe de 0,15 à 0,45 mm multiplie par vingt-sept le terme de reflux local, et une machine usée cesse de monter en pression bien avant de cesser de tourner.
Le temps de séjour
Le temps de séjour moyen n’est rien d’autre qu’un volume divisé par un débit, à condition de ne compter que le volume réellement occupé.
Pour une bivis de 62 mm de diamètre et 32 diamètres de longueur, le volume libre est de l’ordre de 6 à 8 litres ; à un remplissage de 0,35, une masse volumique de fondu de 1 200 kg/m3 et un débit de 500 kg/h, le temps de séjour moyen vaut environ 20 secondes. Les valeurs industrielles vont de 5 à 20 secondes pour un snack en bivis rapide, 20 à 60 secondes pour une croquette ou une texturation, jusqu’à 2 à 4 minutes pour une extrusion humide à longue filière refroidie.
La moyenne ne suffit pas. La distribution des temps de séjour, mesurée en injectant une bouffée de colorant à l’alimentation et en analysant les prélèvements à la filière, montre un temps minimal égal à 0,4-0,6 fois la moyenne et une traîne s’étendant à 3 à 6 fois la moyenne. Le temps minimal est la seule valeur qui compte en hygiène, puisque c’est celui subi par la fraction la moins traitée ; la traîne explique les points brûlés issus des zones mortes. Un extrudeur se modélise par un réacteur piston en série avec cinq à vingt cuves agitées, la bivis co-rotative étant plus proche du piston que la monovis.
La viscosité du fondu
Un fondu amylacé est un fluide rhéofluidifiant dont la viscosité dépend fortement du cisaillement, de la température et surtout de l’humidité :
L’indice d’écoulement n vaut 0,25 à 0,6 : le fondu perd les trois quarts de sa viscosité quand le cisaillement est multiplié par dix. L’énergie d’activation Ea est de 15 à 40 kJ/mol, soit une baisse de viscosité de 20 à 35 % pour dix degrés de plus. Le coefficient d’humidité kw est de 8 à 20 par unité de fraction massique : ajouter un point d’eau — de 17 à 18 % — abaisse la viscosité de 8 à 20 %. C’est l’ordre de grandeur qui explique pourquoi l’eau est le réglage le plus brutal de la machine, et pourquoi une farine dont l’humidité dérive d’un point suffit à faire dériver tout un lot.
La détente et l’expansion
La fraction d’eau vaporisée à la sortie de la filière se calcule par un bilan enthalpique adiabatique : la chaleur latente vient du refroidissement du produit lui-même.
Avec cp = 2,2 kJ·kg−1·K−1, une filière à 165 °C et une chaleur latente de 2 260 kJ/kg, on obtient xv ≈ 0,063, soit 6,3 kg d’eau vaporisée pour 100 kg de produit. Sur un extrudat entré à 18 % d’humidité, c’est plus du tiers de son eau qui part en une fraction de seconde, et l’extrudat sort à 11-12 % d’humidité et 100 °C. L’expansion se mesure ensuite par trois indices : radial, SEI = (De/Df)2, qui vaut 2 à 16 ; longitudinal, LEI, souvent inférieur à 1 par retrait ; et volumique, VEI = SEI · LEI, qui est simplement le rapport de la masse volumique du fondu à celle du produit. Un soufflé de maïs à 40 kg/m3 issu d’un fondu à 1 250 kg/m3 a un VEI de 31.
| Symbole | Grandeur | Unité | Ordre de grandeur |
|---|---|---|---|
| SME | énergie mécanique spécifique | kJ·kg−1 (ou Wh·kg−1) | 20 à 700 |
| N | vitesse de rotation des vis | tr·s−1 (affichée en tr·min−1) | 20 à 900 tr/min |
| C | couple à l’arbre | N·m | 50 à 15 000 |
| τ | couple affiché | % du couple maximal | 40 à 80 en marche |
| η | rendement moteur et réducteur | — | 0,85 à 0,95 |
| Qm, Qv | débit massique, débit volumique | kg·s−1, m3·s−1 | 50 kg/h à 12 t/h |
| ΔP | pression en tête de filière | Pa (affichée en bar) | 20 à 150 bar |
| Vl | volume libre du fourreau | m3 (ou L) | 0,5 à 40 L |
| f | taux de remplissage moyen | — | 0,15 à 1 |
| ts | temps de séjour moyen | s | 5 à 240 |
| μ | viscosité apparente du fondu | Pa·s | 50 à 5 000 |
| γ̇ | vitesse de cisaillement | s−1 | 50 à 2 000 |
| n | indice d’écoulement | — | 0,25 à 0,6 |
| Xw | fraction massique d’eau | — | 0,12 à 0,75 |
| xv | fraction massique vaporisée au flash | — | 0,03 à 0,09 |
| SEI | indice d’expansion radiale | — | 2 à 16 |
Les matériels
L’anatomie commune
Quelle que soit la technologie, on retrouve les mêmes organes.
Le fourreau est un tube segmenté en modules de 4 diamètres, boulonnés bout à bout. Chaque module a sa régulation thermique — colliers électriques ou huile pour chauffer, eau en canaux périphériques pour refroidir — ce qui donne six à dix zones indépendantes et permet de refroidir énergiquement une zone que le cisaillement surchauffe. Les chemises intérieures sont bimétalliques, à carbures de tungstène ou de chrome, et se remplacent module par module. Le rapport longueur sur diamètre vaut 10 à 20 pour une monovis de mise en forme, 16 à 25 pour une monovis cuiseuse, 24 à 44 pour une bivis.
Les vis sont modulaires : des éléments enfilés sur un arbre cannelé, serrés par un écrou de tête. Ce profil se recompose en une heure et constitue le vrai réglage de fond de la machine, celui qu’on ne change pas en cours de production. Quatre familles d’éléments s’y combinent.
| Élément | Ce qu’il fait | Effet sur la conduite |
|---|---|---|
| Convoyage à pas long (1,5 à 2 D) | transporte vite, remplissage faible | sous la trémie et les injections ; SME quasi nulle |
| Convoyage à pas court (0,3 à 0,75 D) | transporte lentement, remplit les canaux | monte la pression et le temps de séjour local |
| Blocs malaxeurs à disques décalés (30°, 60°, 90°) | cisaillent et mélangent ; à 90°, transport nul | l’outil principal de dépôt d’énergie ; à doser par le nombre de disques |
| Contre-filets (pas inversé) | refoulent la matière ; barrage étanche | remplissage total en amont, pic de pression et de cisaillement, bouchon dynamique qui isole les zones |
| Éléments de mélange distributif (à dents, à fenêtres) | divisent et recombinent les flux sans cisailler | homogénéisent une injection sans ajouter de SME |
La filière est une plaque percée, précédée d’un adaptateur et souvent d’un répartiteur qui égalise les vitesses entre le centre et la périphérie. Elle fixe la section du produit et, par sa perte de charge, la pression de travail. Ses canaux ont un rapport longueur sur diamètre de 1 à 6 : un canal long stabilise l’écoulement et réduit le gonflement anisotrope, mais coûte de la pression et donc du couple. Les trous font 1,5 à 6 mm pour les snacks, 2 à 10 mm pour les croquettes, et leur nombre, de 2 à 200, fixe le débit possible. Les inserts sont en acier nitruré, en carbure, ou en bronze pour les pâtes, matériau qui donne une surface rugueuse et une pâte mate là où le téflon la rend lisse et brillante. Le couteau, deux à six lames à 300-3 000 tr/min, coupe enfin la longueur du morceau : c’est le seul réglage qu’on puisse corriger sans toucher au procédé.
En amont, le doseur pondéral à perte de poids conditionne toute la stabilité de la ligne : sa précision, 0,5 à 1 % en écart-type sur 30 secondes, devient l’incertitude de la SME. Le préconditionneur, cylindre horizontal à pales de 20 à 60 secondes de séjour, hydrate et préchauffe la farine à 80-95 °C par vapeur directe. Il augmente la capacité de 30 à 50 %, réduit la SME de 20 à 40 % en substituant de l’énergie vapeur bon marché à de l’énergie mécanique chère, et diminue d’autant l’usure : c’est un malaxeur continu placé au service de l’extrudeur.
Les trois technologies
| Critère | Monovis | Bivis co-rotative interpénétrée | Bivis contre-rotative interpénétrée |
|---|---|---|---|
| Principe de transport | frottement différentiel matière/fourreau | traînée et transfert d’un filet à l’autre, semi-positif | chambres en C fermées, quasi volumétrique |
| Débit et vitesse | liés | indépendants (doseur en amont) | indépendants |
| Vitesse usuelle | 100 à 500 tr/min | 200 à 600 tr/min, jusqu’à 1 200 | 20 à 150 tr/min |
| Auto-nettoyage | non | oui, les filets s’essuient mutuellement | partiel |
| Distribution des temps de séjour | large | moyenne | étroite |
| Tolérance à la matière grasse | ≤ 5 à 6 % avant glissement | jusqu’à 20-30 % | bonne, faible cisaillement |
| Plage d’humidité | 12 à 30 % | 10 à 75 % | 25 à 40 % |
| Investissement relatif | 1 | 3 à 5 | 2 à 4 |
| Emploi typique | snacks simples, pellets, croquettes, séries longues et formules stables | céréales, protéines texturées, aliments infantiles, formules grasses ou changeantes | pâtes, gommes, masses sucrées, produits fragiles au cisaillement |
La contre-rotative interpénétrée souffre d’un défaut propre : la matière prise entre les deux vis convergentes est calandrée et engendre un effort de séparation qui pousse les arbres contre le fourreau. Cet effet croît avec la vitesse, ce qui plafonne le régime et impose de gros paliers — c’est le prix de son excellent pompage et de son cisaillement doux.
Les paramètres de conduite
Un extrudeur n’a que six réglages accessibles en marche, et ils ne sont pas indépendants : chacun déplace le point de fonctionnement des autres. La conduite consiste à en fixer quatre et à ne piloter que par les deux derniers.
| Paramètre | Plage usuelle | Effet quand on l’augmente |
|---|---|---|
| Humidité d’entrée | 13-20 % (expansé) ; 25-35 % (texturé sec) ; 28-32 % (pâtes) ; 55-75 % (humide) | viscosité, couple et SME chutent ; expansion passe par un maximum vers 15-18 % puis s’effondre ; produit plus dense et plus dur ; séchage aval plus coûteux |
| Débit d’alimentation | 50 à 90 % de la capacité nominale | remplissage et temps de séjour augmentent ; SME diminue à vitesse constante ; pression en tête monte |
| Vitesse de vis | 200-600 tr/min en bivis ; 150-400 en monovis | cisaillement et SME augmentent, temps de séjour diminue, dégradation de l’amidon augmente ; au-delà d’un seuil l’expansion rechute |
| Profil de température fourreau | 40-60 / 80-120 / 120-160 °C de l’amont à l’aval | viscosité et couple baissent ; l’expansion croît puis plafonne ; le brunissement s’accélère au-delà de 170 °C |
| Température de filière | 120-180 °C | gouverne directement la détente : chaque 10 °C ajoute typiquement 5 à 15 % au SEI, jusqu’à la limite de tenue de la matrice |
| Géométrie de filière | 1,5-6 mm ; L/D de canal 1 à 6 ; 2 à 200 trous | un diamètre plus petit augmente le taux d’expansion radial et la pression ; un canal plus long lisse la surface et réduit le gonflement irrégulier |
| Vitesse du couteau | 300-3 000 tr/min | ne change que la longueur du morceau ; sans effet sur la structure |
Piloter par le débit spécifique, pas par la vitesse. Sur une bivis, le rapport Q/N, en kilogrammes par heure et par tour par minute, fixe le taux de remplissage et se conserve d’un régime à l’autre : à Q/N constant, le produit reste comparable même si l’on change de cadence. Les valeurs usuelles vont de 0,05 à 0,5. Enregistrer Q/N, la SME et la température de filière sur chaque lot suffit à reconstituer une recette perdue ; enregistrer la seule vitesse de vis ne sert à rien.
Trois couplages doivent être connus avant de toucher à quoi que ce soit. Augmenter le débit sans changer la vitesse fait baisser la SME et monter la pression : le produit devient moins cuit et plus dense. Augmenter la vitesse sans changer le débit fait monter la SME et baisser le temps de séjour : le produit devient plus dextrinisé et plus soluble, et son expansion peut croître ou chuter selon qu’on était avant ou après l’optimum. Ajouter de l’eau fait tout baisser à la fois — couple, pression, température de fondu, expansion — d’où l’usage de la garder comme réglage de sécurité : un extrudeur qu’on noie s’arrête rarement, un extrudeur qu’on assèche cale en dix secondes.
Deux paramètres de formule pèsent autant que les réglages machine. La matière grasse, au-delà de 5-6 % en monovis et 10-12 % en bivis, lubrifie l’interface, effondre le transfert de couple et réduit l’expansion : on l’ajoute presque toujours après l’extrudeur, par enrobage. Les fibres insolubles, au-delà de 8-10 %, percent les parois des bulles et font chuter le SEI de 20 à 50 % ; les broyer sous 150 µm en limite l’effet.
Ce qui se dérègle
L’extrudeur est une machine stable dont les dérives viennent presque toujours de trois sources : la matière première qui change, la filière qui se bouche, le métal qui s’use. Les défauts se lisent d’abord sur la courbe de couple et sur la pression en tête, avant même que le produit ne parle.
| Symptôme | Cause probable | Correction |
|---|---|---|
| Densité qui dérive lentement sur plusieurs heures, à réglages identiques | humidité ou granulométrie de la farine qui change de silo ; filière qui s’encrasse | mesurer l’humidité entrante à chaque changement de big-bag et corriger l’injection d’eau ; nettoyer ou permuter la plaque |
| Couple qui monte jusqu’au déclenchement de la sécurité | eau coupée ou pompe désamorcée ; démarrage sur fourreau froid ; contre-filets engorgés | rétablir l’eau avant tout ; ne jamais démarrer sous 80 °C en zone de fusion ; redémarrer à débit réduit et à vitesse élevée |
| Extrudat mou, collant, non expansé, qui s’affaisse au tapis | humidité trop haute, température de filière trop basse, fuite de vapeur par la trémie | retirer 1 à 2 points d’eau ; monter la filière de 10-20 °C ; vérifier l’étanchéité et le bouchon dynamique sous la trémie |
| Pulsations de débit, produit alternativement dense et léger | doseur qui refoule ; voûte dans la trémie ; matière trop foisonnante | vibrer ou agiter la trémie ; densifier ou prémélanger ; passer un élément de convoyage à pas plus long sous l’entrée |
| Points bruns, goût de brûlé, particules dures isolées | zones mortes en tête ou dans l’adaptateur ; SME excessive ; sucres réducteurs dans la formule | démonter et polir l’adaptateur ; baisser la vitesse ; déplacer les sucres vers l’enrobage aval |
| Dépôt carbonisé progressif sur la face de filière | matières grasses et sucres cuits sur le bord des trous, aggravés par un couteau mal plaqué | régler le jeu couteau-filière sous 0,2 mm ; nettoyage à chaud toutes les 8-12 h ; inserts polis |
| Produit qui gonfle bien puis se rétracte en refroidissant | matrice encore au-dessus de sa transition vitreuse au moment où la vapeur s’échappe : trop de plastifiant, sucres ou polyols en excès | réduire la teneur en sucres ; abaisser l’humidité ; refroidir plus vite sous la filière par ventilation |
| Pression en tête qui chute et ne remonte plus, débit qui plafonne | usure : jeu vis-fourreau passé de 0,1-0,3 mm au neuf à plus de 0,6 mm | mesurer le jeu au comparateur module par module ; remplacer les éléments de la zone de fusion et la chemise correspondante |
| Fibrage absent ou feuilleté en extrusion humide | filière de refroidissement trop courte ou trop froide ; SME trop élevée qui casse le réseau | allonger le canal, remonter la consigne de 5-10 °C, réduire la vitesse de vis |
La filière est le point dangereux de la machine. Un fourreau en marche contient un fondu à 160-180 °C sous 30 à 150 bar. Desserrer une plaque de filière sans avoir arrêté, purgé et confirmé la chute de pression expose à une projection de matière brûlante à plusieurs mètres, et un bouchon qui cède brutalement est éjecté comme un projectile. La consigne est invariable : arrêt, consignation électrique, vérification de la pression sur le capteur en tête, refroidissement, puis démontage à la clé dynamométrique en se plaçant de côté. S’y ajoutent le risque de brûlure sur des fourreaux à 180 °C rarement calorifugés, et le risque d’explosion de poussières dans les circuits de farine et les dépoussiéreurs en amont, qui relèvent de la directive ATEX 2014/34/UE et imposent zonage, mise à la terre et évents.
Énergie, coût et environnement
Rapportée au kilogramme de produit fini, l’extrusion est une opération sobre. Le poste mécanique représente 20 à 170 Wh/kg, auquel s’ajoutent 10 à 40 Wh/kg de régulation thermique du fourreau et 20 à 90 Wh/kg équivalents pour la vapeur du préconditionneur. Le total, 60 à 250 Wh/kg, est modeste face à la voie classique cuisson en cuve, laminage et séchage, qui doit évaporer plusieurs fois plus d’eau. C’est là le véritable argument énergétique du procédé : il ne consomme pas peu parce que le moteur serait petit, mais parce qu’il évite de mettre de l’eau qu’il faudrait ensuite retirer.
Le poste dominant de la ligne reste d’ailleurs le séchoir aval : l’extrudat sort à 11-20 % d’humidité et doit descendre à 4-9 % pour être stable, ce qui coûte 1,1 à 1,8 kWh par kilogramme d’eau évaporée, soit couramment plus que l’extrudeur lui-même.
Côté investissement, une bivis co-rotative de 50 à 70 mm capable de 300 à 1 200 kg/h vaut 250 à 600 k€ machine nue, et une ligne complète — doseurs, préconditionneur, extrudeur, sécheur, enrobeuse, refroidisseur — de 1 à 3 M€. Une monovis de capacité comparable coûte trois à cinq fois moins et se justifie dès que la formule est stable et pauvre en matière grasse. Les pièces d’usure pèsent lourd : un jeu complet de vis bivis vaut 15 à 60 k€ et tient 3 000 à 15 000 heures selon l’abrasivité de la formule, le sable résiduel et le taux de fibres. Le suivi du jeu au comparateur, deux fois par an, est le seul entretien qui décide vraiment de la performance à long terme.
Environnementalement, le procédé est sec : pas d’effluent en marche, une consommation d’eau limitée à ce qu’on injecte et à la purge de nettoyage, qui se fait à la semoule ou au riz. Les pertes de démarrage et de changement de recette, 20 à 100 kg par arrêt, sont le principal gisement de gaspillage et se réduisent par des séquences automatisées et par le recyclage des rebuts broyés à hauteur de 5 à 10 % de la formule.
L’opération dans la fabrication des sucrants
Il faut le dire franchement : aucun sucrant n’est fabriqué par extrusion. Le xylitol naît d’une hydrolyse puis d’une hydrogénation catalytique et d’une cristallisation, l’érythritol d’une fermentation, la stévia d’une extraction. L’extrudeur n’apparaît nulle part dans ces chaînes — sinon, en recherche, comme réacteur thermo-mécano-chimique pour prétraiter et imprégner la biomasse lignocellulosique avant hydrolyse, voie étudiée en pilote sur bois et bagasse mais qui n’a pas remplacé les réacteurs discontinus de la production industrielle du xylitol.
En revanche, les sucrants entrent constamment dans les formules extrudées des autres, et ils y posent un problème de physique très précis : ce sont des plastifiants. Une petite molécule sucrée s’insère entre les chaînes de la matrice amylacée, augmente le volume libre et abaisse la température de transition vitreuse du mélange. La relation de Gordon-Taylor le chiffre :
L’amidon anhydre a une transition vitreuse vers 230-250 °C, l’eau vers −135 °C, le saccharose vers 60-70 °C, le sorbitol vers −2 °C, le xylitol vers −25 à −30 °C, l’érythritol vers −45 °C. Plus la molécule est petite, plus elle abaisse la Tg à masse égale : le xylitol, de masse molaire 152 g/mol, et l’érythritol, 122 g/mol, sont donc des plastifiants nettement plus énergiques que le saccharose, 342 g/mol. La conséquence en filière est immédiate. La matrice reste caoutchouteuse plus longtemps après la détente, les bulles coalescent et se percent, la vapeur s’échappe, et le produit se rétracte. À cela s’ajoute la baisse de viscosité du fondu, qui réduit le couple et donc la SME : la même machine cuit moins pour un même réglage.
C’est pourquoi le taux d’incorporation d’un sucre ou d’un polyol dans une formule directement expansée reste faible : 3 à 8 % passent sans dommage notable, 10 à 12 % coûtent déjà 20 à 40 % du taux d’expansion, au-delà de 15 % le produit devient dense, dur et collant. La solution industrielle est constante : sortir le sucrant du fourreau et le mettre à l’extérieur, en enrobage par sirop après séchage. C’est ainsi que sont faites toutes les céréales glacées, et y substituer maltitol, xylitol ou érythritol au saccharose relève d’une problématique de cristallisation en turbine, non d’extrusion.
Une propriété distingue toutefois les polyols des sucres dans le fourreau : ils ne sont pas réducteurs. N’ayant pas de fonction carbonyle libre, ni le xylitol ni l’érythritol ne participent à la réaction de Maillard, et ils ne caramélisent pas davantage — ils fondent, se colorent à peine, et se décomposent à haute température sans passer par le brun. Une formule sucrée au xylitol traverse donc une filière à 170 °C sans brunir et sans former le dépôt carbonisé caractéristique des sucres réducteurs sur la face de plaque, avantage réel de propreté machine. La contrepartie tient au point de fusion, 92-96 °C pour le xylitol et 119-123 °C pour l’érythritol : dans le fourreau, ils sont entièrement liquides et se comportent comme un solvant, pas comme une charge. Cette non-caramélisation est la même propriété qui explique le comportement des polyols en cuisson et leur usage particulier au four.
Il existe enfin une application où l’extrusion et les polyols se rencontrent vraiment : le chewing-gum sans sucres. La base de gomme — élastomères, résines, cires, charges minérales — est compoundée en continu dans une bivis co-rotative à 90-120 °C, exactement comme un mélange de plasturgie. La gomme finie est ensuite fabriquée par une seconde extrusion, à basse température cette fois : la base, les polyols pulvérulents, les sirops, les émulsifiants et les arômes sont introduits en plusieurs points d’un fourreau refroidi maintenu sous 50-60 °C, malaxés une à deux minutes, et poussés à travers une filière plate qui donne un ruban ensuite laminé et prédécoupé. Toute la difficulté est thermique : le xylitol ne doit pas fondre. S’il fond, il recristallise mal, la gomme colle, et surtout les cristaux disparaissent — or ce sont eux qui, en se dissolvant dans la salive avec une enthalpie de dissolution fortement négative, de l’ordre de −150 J/g pour le xylitol et −180 J/g pour l’érythritol, produisent l’effet de fraîcheur attendu. Le fourreau est donc refroidi et la SME maintenue sous 40-60 kJ/kg. Autre rencontre, plus discrète : les glycosides de stévia, stables jusqu’à 180-200 °C sur des durées de quelques dizaines de secondes, comptent parmi les rares molécules sucrantes qui traversent une filière sans dommage, et servent à 0,02-0,05 % à rétablir la sucrosité d’une céréale dont on a retiré le sucre pour préserver l’expansion.
Pour aller plus loin
- Cuisson et torréfaction — l’opération dont la cuisson-extrusion est la version continue, courte et mécanique.
- Mélange et malaxage — ce que fait la vis avant de cuire, et comment se mesure une énergie de malaxage.
- Séchage — l’aval obligatoire de tout extrudat expansé, et le vrai poste énergétique de la ligne.
- Enrobage — où l’on remet le sucre et la matière grasse que l’extrudeur ne supporte pas.
- Granulation et agglomération — l’autre voie de mise en forme des poudres, sans fusion ni filière.
- Broyage — parce que la granulométrie entrante décide de la stabilité du couple.
- Hydrolyse — la voie réelle vers le xylose, et le point où l’extrudeur reste au stade du pilote.
- Les autres édulcorants — pour situer les molécules citées et leurs propriétés physiques.
Sources
- Fellows, P. J., Food Processing Technology: Principles and Practice, 4e éd., Woodhead Publishing, 2017.
- Bimbenet, J.-J., Duquenoy, A., Trystram, G., Génie des procédés alimentaires : des bases aux applications, Dunod, 2e éd., 2007.
- Singh, R. P., Heldman, D. R., Introduction to Food Engineering, 5e éd., Academic Press, 2014.
- Saravacos, G., Kostaropoulos, A. E., Handbook of Food Processing Equipment, 2e éd., Springer, 2016.
- Mafart, P., Béliard, E., Génie industriel alimentaire, Tec & Doc Lavoisier.
- Hernández-Pérez et al., « Xylitol: Bioproduction and Applications — A Review », Frontiers in Sustainability, 2022.
- Règlement (UE) n° 1333/2008 sur les additifs alimentaires (E967 xylitol, E968 érythritol).
- Règlement (UE) 2017/2158 établissant des mesures d’atténuation et des teneurs de référence pour la réduction de la présence d’acrylamide dans les denrées alimentaires, et directive 2014/34/UE (ATEX).