Concentration de produits laitiers dans les évaporateurs à flot tombant : facteurs limitants et alternatives technologiques

Dairy powders are produced using a two-step process: concentration of the liquid product (membrane, concentration by vacuum evaporation) and drying of the concentrate. Contrary to spray-drying, vacuum concentration has been poorly investigated. However, a better understanding of this unit operation carried out in falling-film evaporators would lead to an improved control of the global process scheme for the production of powders. This PhD project aims to highlight how to enhance the performances of falling-film evaporators; it focuses on two limiting factors of the vacuum concentration: the fouling of the heating surfaces and the maximal viscosity at the outlet of the falling-film evaporators. The contribution of the different product components to the fouling was investigated using a methodology developed at pilot-scale.Our results showed which mineral elements favored the fouling of falling-film evaporators during the concentration of milk microlfiltrate and ultrafiltrate as well as hydrochloric and lactic acid wheys. Besides, two thin-film rotative evaporators of different designs were tested at pilot-scale in order to exceed the maximum dry matter achieved in falling-film evaporators. The feasibility studies were conducted up to the production of powders. The capabilities of the equipment were evaluated according to the functional properties of powders and the specific energy costs relative to the removal of water. In one case, the combination of two rotative evaporators replacing the spray drier constitutes a technological breakthrough in the production of permeate pLes poudres laitières sont obtenues par concentration du produit liquide (membranes, évaporation sous vide) puis séchage du concentré. Contrairement au séchage par atomisation, peu de travaux ont été menés sur la concentration par évaporation sous vide. Pourtant, la maîtrise du schéma global de production des poudres gagnerait en une meilleure compréhension de cette opération réalisée dans des évaporateurs à flot tombant. Le présent travail vise à étudier comment améliorer les performances des évaporateurs ; il s’appuie sur deux facteurs limitants de l’opération : l’encrassement des surfaces d’échange et la viscosité maximale en sortie des évaporateurs. La contribution des différents constituants des produits à l’encrassement a été étudiée grâce à une méthodologie développée sur un évaporateur pilote.Les résultats obtenus ont permis d’identifier les éléments minéraux qui contribuent à l’encrassement lors de la concentration de microfiltrat et d’ultrafiltrat de lait, de lactosérums acides chlorhydrique et lactique. Afin de dépasser l’extrait sec maximal en sortie des évaporateurs à flot tombant, deux évaporateurs rotatifs à couche mince, de conceptions différentes, ont été testés à l’échelle pilote. Les études de faisabilité ont été menées jusqu’à la poudre. Le potentiel des équipements a été évalué suivant les propriétés fonctionnelles des poudres et le coût énergétique d’élimination de l’eau. Dans l’un des cas, le remplacement de la tour de séchage par deux évaporateurs rotatifs en série constitue une rupture technologique pour la production de poudres de perméat et dim