Simultaneous heat and mass transfers modelling in biomass materials by high-pressure hydrotreatments : physicochemical and thermophysical characterisation

This thesis aims on the one hand to understand the physical changes generated in the internal structure of a biopolymer material submitted to high-pressure hydrotreatments and on the other hand to the modelling of coupled heat and mass transfers. In this work, standard maize starch was chosen as a model material and four processes were investigated; DV-HMT (Direct Vapor-Heat Moisture Treatment), RP-HMT (Reduced Pressurized-HMT), IV-HMT (Intensive Vacuum-HMT) et FV-HMT (Final Vacuum-HMT). As the progression of biochemical reactions is strongly affected by the temperature and water content that alter the physical and thermophysical properties of the reactive material, their prediction is very important. The analysis of phase transitions and structure, related to the involved phenomena (cristallites fusion, formation of amylose-lipids complexes, retrogradation) was performed by calorimetry, X-ray diffraction and by FTIR spectroscopy. The transfers modelling has been advanced by an experimental and theoretical approaches. In the experimental approach, the physical (apparent density, bulk density and porosity) and thermophysical properties (specific heat, conductivity ant thermal diffusivity) were measured by considering the variation of W, T and the crystallites fusion phenomenon. Empirical models expressing these properties have been determined and the values implemented in the transfer equations. In the theoretical approach, the coupled equations of the transfer model were discretised by the finite element method and resolved by COMSOL Multiphysics®. The numerical resolution allowed the prediction of the spatial repartition of variable parameters (T, W, ξ, λ, Cp,...) according to treatment time. The curves of ξ numerically simulated by COMSOL® go through all experimental values, thus validating the theoretical models.
Cette thèse vise d’une part à la compréhension des modifications physicochimiques engendrées dans la structure interne d’un matériau biopolymère lors des hydrotraitements par haute pression et d’autre part à la modélisation des transferts couplés chaleur-humidité. L’amidon de maïs standard a été choisi comme matériau modèle. Quatre procédés hydrothermiques ont été étudiés; DV-HMT (Direct Vapor-Heat Moisture Treatment), RP-HMT (Reduced Pressurized-HMT), IV-HMT (Intensive Vacuum-HMT) et FV-HMT (Final Vacuum-HMT). La prédiction de l’évolution de la température (T) et de la teneur en eau (W) au sein d’un matériau réactif est importante, vu que ces facteurs conditionnent la progression des réactions biochimiques et modifient les propriétés physiques et thermophysiques. L’analyse des transitions de phase et de la structure, liées aux principaux phénomènes impliqués (fusion des cristallites, formation des complexes amylose-lipides, rétrogradation) a été réalisée par calorimétrie, diffraction des rayons X et par spectroscopie (FTIR). La modélisation des transferts dans le matériau a été abordée par une approche expérimentale et théorique. Dans l’approche expérimentale, les paramètres physiques (masse volumique apparente, masse volumique réelle et porosité) et thermophysiques (chaleur spécifique, conductivité et diffusivité thermique) ont été mesurés, tenant compte de la variation de W, de T et de la fusion des cristallites. Des modèles empiriques traduisant ces propriétés ont été déterminés et les valeurs implémentées dans les équations de transfert. Dans l’approche théorique, les équations couplées du modèle de transfert ont été discrétisées par éléments finis et résolues par COMSOL Multiphysics®. La résolution numérique des équations a permis de prédire la répartition spatiale des paramètres variables (T, W, ξ, λ, Cp,…) en fonction du temps de traitement. Les courbes de ξ simulées numériquement par COMSOL® passent par toutes les valeurs expérimentales, validant ainsi les modèles théoriques.