Contribution to the design of an innovative equipment for obtaining foams based on food matrices : characterization of bubble breakup phenomena in microsystems at high throughput

Une étude précédente, axée sur les propriétés du produit final, a démontré la capacité des dispositifs microfluidiques à produire des mousses alimentaires. Ce travail vise maintenant à élucider principalement la typologie des écoulements diphasiques et les phénomènes de déformation des interfaces gaz-liquide au sein de dispositifs microfluidiques afin de mieux pouvoir les dimensionner. Des conditions pertinentes pour les applications agroalimentaires industrielles sont explorées, à savoir des débits élevés et l’écoulement de fluides non newtoniens. Les dispositifs utilisés dans cette recherche contenaient une configuration de base avec canaux carrés en croix. Certains appareils ont également intégré une singularité géométrique à cette configuration de base (élargissement, coudes et sinusoïde). Les solutions moussantes modèles ont été préparées à partir de molécules biosourcées. En particulier, les isolats de protéines de lactosérum (WPI) en tant qu'agent moussant et la gomme de xanthane (XG) à différentes concentrations pour moduler la viscosité de la solution. Dans la configuration de base en forme de croix, il a été constaté que les bulles subissaient une érosion systématique par un mécanisme de rupture de type « tip streaming". Dans l’élargissement, les déformations élongationnelles génèrent un mécanisme binaire de rupture de bulle. De même, un effet stabilisant remarquable de la gomme xanthane sur la forme des bulles à l'intérieur des microcanaux a été identifié dans ce travail. Cette étude a permis de mettre en évidence le rôle joué par la configuration géométrique des dispositifs et la formulation sur la typologie des écoulements et des mécanismes de rupture des bulles. De plus, elle a permis de montrer comment la modulation de ces deux paramètres pouvait conduire à des mousses ayant des propriétés structurelles et d'usage complètement différentes. Enfin, ces travaux ont mis en place une base expérimentale solide sur laquelle pourront s'appuyer les recherches futures pour la conception de dispositifs microfluidiques destinés à des applications de mousses alimentaires.A previous study, focused on the end product properties, demonstrated the capability of microfluidic devices for production of food foams. This work now sets out to elucidate mainly the two-phase flow typology and deformation phenomena of gas-liquid interfaces inside microfluidic devices in order to improve their design. Conditions relevant for industrial food applications are explored, namely high throughputs and non-Newtonian fluids. The devices employed in this research contained crosslike square channels as a base configuration. Some devices also integrated a geometric singularity to this base configuration (expansion, elbows and serpentine). The model foaming solutions were prepared from biosourced molecules. In particular, whey protein isolates (WPI) as the foaming agent and xanthan gum (XG) at different concentrations to tune the solution viscosities. In the base cross-like configuration, bubbles were found to undergo systematic erosion through a tip streaming breakup mechanism. In the expansion singularity, elongational flows generate a binary bubble breakup mechanism. Moreover, a remarkable stabilizing effect of xanthan gum on the bubble shapes inside the microchannels was identified in this work. This study made it possible to highlight the role played by geometric configuration of the devices and by the formulation on the flow typology and bubble breakup mechanisms. Additionally, it has shown how modulating those two parameters might lead to foams with completely different structural and end-use properties. Finally, this work has established an experimental background that future research can build on for the design and conception of microfluidic devices for food foams applications