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Cibert-grothon Laurie, Gallet Gaétan, Chabrat Nicolas et Cornet Julien

MPS : 2011-2012


Problématique : Dans un hypothétique contexte de pénurie alimentaire, et de difficultés de commerce avec les pays voisins vous avez pour mission d’assurer la production de sucre en France.

Contraintes : Tenir compte des contraintes géographiques du Puy-de-Dôme, des cultures possibles sous notre climat. Utiliser la stevia .

Exposé basé sur l’extraction réalisée en classe

SOMMAIRE

TABSOMMAIRELE DES MATIÈRES

SOMM IREGZSZNREIGHEGMOR%IHERJRGEJM5EFVGFF

I-LES OPÉRATIONS PRÉLIMINAIRES À L'EXTRACTION………………………….…..………

II-L’EXTRACTION

III-EPURATION

LE PROCÉDÉ D'EXTRACTION……………………………….…………….…..………...………

LES PARAMÈTRES DE CONTRÔLE DU PROCÉDÉ…………………………..………..….…
LEXIQUE………………………………………………………….…….…….………….………

BIBLIOGRAPHIE………………………………………………………………….…………………

RÉFÉRENCES ÉLECTRONIQUES.………………………………………………………………
INTRODUC

Principales sources :

www.labetterave.com/getFile.aspx?FILEID=306


T
INTRO :

Afin de conserver leur richesse en sucre, les betteraves doivent être transformées rapidement car une fois extraites du sol leur teneur en sucre diminue rapidement. C’est pour cette raison que les sucreries sont implantées à proximité des zones de culture, dans un rayon de 30 km en moyenne. Dès leur récolte, les betteraves passent à travers différentes étapes avant de se rendre à la sucrerie.

Une série de machines automatiques effeuillent, décollent, arrachent, alignent et chargent les betteraves.

Les betteraves sont ensuite acheminées dans un lavoir où elles sont d’abord brassées par des pales afin de les débarrasser de la terre, de l’herbe et des pierres. La queue et des petits

morceaux de betterave, qui contiennent une grande quantité de sucre, sont séparés du restant.

LE PROCÉDÉ D’EXTRACTION

Le sucre de la betterave s’obtient au terme d’un travail d’extraction. Il s’agit d’isoler le

saccharose en éliminant, par étapes, les autres composants de la betterave. Pour retirer le

sucre des cellules végétales, il faut le séparer des impuretés et éliminer l’eau dans laquelle le sucre est dissous. Au terme de ces opérations, le sucre est successivement extrait, purifié,

concentré et cristallisé sans transformation chimique.
Le procédé d’extraction de sucre comprend principalement les opérations suivantes :
1. Extraction

2. Épuration

3. Évaporation

4. Cristallisation
Le pressage et le séchage de la pulpe de betterave, ainsi que la récupération du sucre à partir de la mélasse peuvent être considérés comme des étapes complémentaires du procédé. Les betteraves propres sont envoyées dans des coupe-racines qui les découpe en

« cossettes » avec une forme faîtière pour éviter que les morceaux ne se collent les uns aux

autres dans le diffuseur. Les cossettes mesurant environ 0,9 à 1,3 mm d’épaisseur et de 5 à 6 cm de longueur assurent une surface maximale pour l’extraction du jus par diffusion.
II. EXTRACTION
Le but de cette opération est d’extraire le sucre des cossettes par décoction,en utilisant de l’eau bouillante, (solvant).

.

  1. Description de l’opération :


Matériels utilisés :


  • Une betterave

  • Un bécher

  • Lait de chaux

  • Une fiole jaugée de 100 mL

  • Une balance

  • 2 papiers filtres

  • Un coupe-légume

  • Une plaque chauffante

  • De l’eau distillée

  • Un entonnoir

  • erlenmeyer.


Expérience :
- On a tout d’abord coupé un morceau de betterave, on l’a lavée puis épluchée et pesée pour obtenir seulement 30 grammes de betterave.
- Ensuite nous l’avons coupé en cossettes, à l’aide d’un couteau.
- Nous l’avons fait bouillir dans un bécher, avec une plaque chauffante pendant environ 15 minutes.
- Après cela, nous avons filtré le mélange obtenu à l’aide d’un papier-filtre dans un erlenmeyer, pour obtenir qu’un jus sucré.
Le filtrat contient des impuretés (les non-sucres) qu’il faut éliminer. Pour cela on ajoute 10 ML de lait de chaux pour précipiter les impuretés en surface.
-Puis nous avons de nouveau filtré le jus pour extraire ces impuretés.
-Faire évaporer l’eau.
-Pour cristalliser le sucre, on ajoute une pincée de sucre glace dans le reste de la solution, tout en continuant de chauffer.

-Nous avons ensuite pesé notre solution.


L’épuration :
Le but principal de l’épuration est de séparer les composants non-sucrés du filtrat, jus obtenu après filtration. Ainsi, il est usuel d’épurer le jus par chaulage (ajout de la chaux, comme en classe le lait de chaux).
Chauffage :

La purification du jus sucré comprend deux opérations partielles fondamentales qui ne sont pas toujours clairement identifiées dans le procédé industriel. Elles ont lieu très souvent simultanément, ou sont en partie supprimées, ou même apparemment n’ont pas lieu du tout. En réalité, elles se déroulent souvent les unes après les autres. Ces opérations sont les suivantes :

�� Pré chaulage

�� Chaulage (appelé aussi défécation)

Le chaulage a lieu en deux temps afin de réduire la quantité de chaux utilisée tout en maintenant une efficacité maximale. Une fois dissoute, la chaux commence immédiatement à réagir en présence des composants non-sucrés.

2.3. Substances importantes présentes lors de l’épuration

Eau – Le rôle principal de l’eau contenue dans le jus (80 % à 85 %) est d’agir en tant que

solvant, facilitant ainsi l’hydratation et la dissociation électrique.

Saccharose – Du point de vue chimique, le saccharose est plutôt instable. Il est facilement

hydraté en glucose et en fructose, particulièrement dans des milieux acides ou basiques. Dans un milieu très alcalin et sous l’action de la chaleur, conditions trouvées dans les évaporateurs et les autoclaves à vide, il peut former de l'acide oxalique, et avoir ainsi comme conséquence la formation d'oxalate de calcium. Le saccharose contient un grand nombre de groupes hydrophiles (OH) qui le rendent facilement soluble. Ces groupes peuvent être estérifiés et former des sucrocarbonates pendant la carbonatation des jus chaulés. Ils peuvent aussi se dissocier, de sorte que le saccharose se comportant comme un acide polybasique dans les solutions alcalines, puisse former différents sels, ou des saccharates.

Chaux – Bien que sa réaction avec l'eau soit fortement exothermique, elle peut apparemment se dissoudre au froid sans hydratation et donner des solutions plus concentrées que celles préparées à partir du carbone.

3. ÉVAPORATION.

3.1. But de l’opération.

Le but principal de l’évaporation est de concentrer par ébullition le jus épuré (10 % – 15 % de

saccharose) jusqu’au sirop à une concentration proche de la saturation (68,5 g de matière

sèche /100 g de sirop).

4. CRISTALLISATION.

4.1. But de l’opération.

Le but de cette opération est de former la masse-cuite par cristallisation du sucre contenu dans

le sirop. L’introduction de très fins cristaux dans le sirop amorce la cristallisation du sucre, puis

le sirop cristallise et se transforme en masse-cuite, sirop coloré contenant en suspension de

multiples petits cristaux.

4.3. Sous-produits de la cristallisation.

Le sirop-mère, composé d’eau, de sucre et de quelques impuretés, est soumis à une nouvelle

cuisson avec formation de cristaux et à un nouvel essorage. De ces opérations, la vergeoise

est obtenue. La vergeoise est toujours issue de la betterave sucrière. La vergeoise blonde est

obtenue à partir du sirop récupéré de l’essorage de cristaux de sucre blanc, tandis que la

vergeoise brune est obtenue à partir du sirop récupéré de l’extraction de la vergeoise blonde.

La vergeoise est un sucre de consistance moelleuse, coloré et parfumé par la cuisson de sirops

de sucre de betterave. Selon le sirop utilisé, la vergeoise sera blonde et légèrement aromatisée

ou brune et dotée d’un arôme plus prononcé. Afin de visualiser la différence entre la

composition du sucre blanc et de la vergeoise brune, la composition moyenne de cette dernière

est présentée au Tableau 6.

Centre de recherche, de développement et de transfert technologique en acériculture (Le Centre ACER Inc.) Page 30

Tableau 6 : Composition de la vergeoise brune [7].

COMPOSANT VERGEOISE BRUNE

Moyenne Intervalle

Saccharose (%) 96,40 n.d.

Eau (%) 1,40 (0,70 – 1,90)

Minéraux totaux (%) 0,80 (0,60 – 1,10)

Fibres alimentaires (mg/100 g) 0,20 n.d.

Calcium (mg/100 g) 8,50 (4 – 15)

Fer (mg/100 g) 6,00 n.d.

Potassium (mg/100 g) 240,00 (200 – 280)

Sélénium (μg/100 g) traces (0-1,2)

Sodium (mg/100 g) 35,00 (15 – 73)

Le sirop résultant de la troisième cuisson est cuit lors d’une étape ultime pour donner la

vergeoise brune et la mélasse. La mélasse contient entre 40 % et 69 % de saccharose, du

sucre inverti et des composants inorganiques non-sucrés. Elle est utilisée pour la production

d’alcool, la fabrication d’aliments pour le bétail, la production de levures de boulangerie, etc.

Centre de recherche, de développement et de transfert technologique en acériculture (Le Centre ACER Inc.) Page 31

LES PARAMÈTRES DE CONTRÔLE DU PROCÉDÉ

Tout au long du procédé d’extraction du sucre, différents paramètres de procédé sont suivis et

contrôlés afin de mettre un terme à chacune des opérations au bon moment. Les paramètres

couramment utilisés sont présentés ci-dessous :

1. EXTRACTION

Les variables à contrôler dans le diffuseur sont l’uniformité, la rigidité et l’épaisseur des

cossettes; le taux d’alimentation en cossettes dans le diffuseur; le patron de température dans

le diffuseur; le rapport entre la quantité de jus extrait et la quantité de cossettes alimentées au

diffuseur, le temps de diffusion, le temps de remplissage des cellules et la vitesse d’écoulement

du jus.

Afin de déterminer la quantité de sucre contenu dans le jus, des mesures saccharimétriques

sont effectuées sur différents échantillons lors de la réception des betteraves. Pour ce faire, des

râpures de betterave sont digérées à froid à l’aide d’une solution aqueuse d’acétate de plomb.

Le filtrat résultant de cette digestion est utilisé pour effectuer la mesure saccharimétrique.

2. PRÉCHAULAGE ET CHAULAGE

Le pH est le principal paramètre à suivre dans ces opérations. La mesure du pH est prise

pendant que la chaux est ajoutée, puis la valeur est ajustée à une valeur finale. Une fois que la

valeur visée a été atteinte, le temps de chaulage est quantifié.

3. CARBONATATION

Première carbonatation – Pour déterminer le point final de la carbonatation, l’arrêt doit être

déterminé. L’observation à la lumière de l’état du précipité dans un verre est une pratique de

base. D'autres méthodes de détermination du point final peuvent être employées, par exemple

l'observation de la vitesse avec laquelle les bulles se cassent à la surface de l'échantillon,

détermination du moment auquel un minimum de mousse est produit, l’identification de l’odeur

Centre de recherche, de développement et de transfert technologique en acériculture (Le Centre ACER Inc.) Page 32

du jus, et le titrage en laboratoire des échantillons pour déterminer l'alcalinité du jus. Dans la

pratique, toutes ces méthodes peuvent être employées sur un même échantillon. Le titrage est

cependant la méthode la plus sûre pour assurer l’alcalinité du jus, ainsi que son homogénéité

avant d’être envoyé aux filtres.

Deuxième carbonatation – Le contrôle de cette étape est basé sur le suivi du pH ou de

l’alcalinité du jus gazé. La commande automatique de pH est souvent employée dans cette

opération.

Des méthodes de mesure en laboratoire pour déterminer l’alcalinité ou le pH correspondant à la

concentration optimale de sels de chaux présentes dans le jus sont aussi disponibles.

Cependant, ces méthodes dépendant de la nature du jus chaulé doivent être réalisées pour

chaque jus au moment même de la carbonatation.

4. ÉVAPORATION

Cette opération est contrôlée d’une part, par le temps d’évaporation, la pression et la

température dans les évaporateurs et d’autre part, par la mesure de degré Brix et la

quantification de la masse d’eau évaporée.

5. CRISTALLISATION

Afin de mesurer la concentration de saccharose dans la masse-cuite, sa conductivité électrique

est mesurée et interprétée comme une fonction de la sursaturation du sirop. On considère la

viscosité comme un paramètre de sursaturation du sirop et la conductivité électrique comme

l’indicateur le plus représentatif de cette propriété. De plus, le degré de sursaturation du sirop

peut être corrélé à l’élévation de son point d'ébullition, paramètre possible à quantifier.

Centre de recherche, de développement et de transfert technologique en acériculture (Le Centre ACER Inc.) Page 33

SURVOL DE LA RECHERCHE DANS LE DOMAINE

De nos jours, la recherche sucrière porte sur les domaines de l’économie d’énergie, de

l’optimisation de procédé et du traitement des rejets.

La consommation d’énergie tout le long du procédé d’extraction de sucre dépend de la

demande énergétique des différentes étapes du procédé et de l’efficacité de la transformation

d’énergie dans les systèmes thermiques. En raison du surplus de sucre sur le marché mondial,

les investissements dans les sucreries sont très rares. La modification des installations déjà

existantes est donc la solution pour l’optimisation de la consommation d’énergie. Les travaux de

Mazaeda et De Prada (2005), Urbaniec (1989, 2004), Thompson (1999), Mabillot (1999),

Wunsch et Avram-Waganoff (1999), Tekin et Bayramoglu (1998) proposent des analyses et des

méthodes à être appliquées aux sucreries dans le but d’évaluer leur consommation d’énergie et

d’envisager la stratégie à prendre pour réduire leur consommation (réaménagement de l’atelier

d’évaporation, remplacement d’un ou de tous les évaporateurs, renouvellement de la

technologie d’évaporation, automatisation des opérations dans la sucrerie, etc.). Des articles

contemporains présentant l’état du développement de l’industrie sucrière à base de betterave

sont aussi disponibles (Dixon, 2004; Suhr et Schuize, 2003; Mrini, Senhaji et Pimentel, 2002;

Merkes et al., 2001; Mabillot, 1999; Merkes et al., 1996).

Des recherches sont aussi réalisées afin d’améliorer la séparation des composants non-sucrés

et, par conséquent, le rendement du procédé d’extraction. Pour ce faire, des expériences au

niveau laboratoire sont réalisées dans le but d’apporter des solutions de rechange à l’industrie

sucrière. Ces études sont basées sur l’évaluation de la performance des techniques

d’ultrafiltration et de nanofiltration, ainsi que d’électrodialyse (Gyura, Šereš et Eszterle, 2005;

Djuric et al., 2004; Djuric, Gyura et Zavargo, 2004; Gyura et al., 2002; Lutin, Bailly et Bar, 2002;

Bichsel et Sandre, 1982). De plus, des techniques pour éliminer la pulpe et réduire de façon

sensible la coloration des jus épurés, ainsi que la teneur en sels de chaux ont été aussi

développées (Grabka et Baryga, 2001; Grabka et Baryga, 1999).

L’optimisation de chacune des opérations impliquées dans le procédé d’extraction, le

développement de nouvelles techniques, l’application de la technologie provenant d’autres

industries et l’automatisation du procédé au complet sont aussi des sujets à l’étude.

Centre de recherche, de développement et de transfert technologique en acériculture (Le Centre ACER Inc.) Page 34

Des recherches pour mettre au point un extracteur solide-liquide utilisant un champ électrique

sont en cours (Jemai et Vorobiev, 2003; Eshtiaghi et Knorr, 2002; Bouzrara et Vorobiev, 2001).

Le but de ces travaux est d’évaluer la performance de ce traitement lorsqu’il est utilisé avec un

pressage pour l’extraction du jus de betterave (désintégration des cellules, extraction du sucre à

température ambiante, réduction du temps de l’opération, etc.).

Des études pour évaluer la performance des évaporateurs à plaques lors de la concentration du

jus de betterave ont été aussi réalisées dans certaines sucreries (Hawkins, Niepoth et

Morgenroth, 1999; Morgenroth, Jayatilaka et Punter, 1997). L’efficacité thermique des

évaporateurs, le temps d’évaporation, le développement de la couleur du jus lors de sa

concentration, la facilité d’opération, les coûts d’installation sont quelques sujets d’intérêt dans

ces recherches.

L’amélioration du procédé d’extraction du sucre, dans le but d’augmenter l’économie d’énergie

ou de permettre l’application d’une méthode de contrôle, est un sujet primordial de nos jours :

l’utilisation de nouveaux équipements pour le pressage et pour la cristallisation/séchage du

sucre en continu est explorée par Caspers et collaborateurs (2003); les critères de performance

des centrifugeuses et leur impact sur les opérations dans les sucreries sont présentés par

Grimwood et Thompson (1999), des solutions en matière de contrôle et de supervision à

distance ont été développées par Bertuzzi et Castaldini (1999) pour un atelier d’évaporation.

Du côté environnemental, des travaux ont été réalisés dans le but de réduire la consommation

d’eau dans les sucreries, ainsi que de mieux éliminer les eaux usées. Ces travaux proposent

des options à mettre en oeuvre dans les sucreries (Reddad et al., 2004; Zbontar Zver et Glavic,

2005).

Centre de recherche, de développement et de transfert technologique en acériculture (Le Centre ACER Inc.) Page 35

GLOSSAIRE

Allantoïne Produit d'oxydation de l'acide urique et de certains végétaux, employé

pour la préparation des eaux de toilette, des toniques et de certaines

crèmes.

Aspartate Acide aminé non essentiel.

Bétaïne Substance rencontrée dans la pulpe des betteraves se comportant

comme la choline.

Choline Base azotée, apparentée à la vitamine B, dont les dérivés jouent un rôle

dans le fonctionnement du système parasympathique. Dans la nature,

elle existe à l’état libre dans de nombreux tissus animaux et végétaux.

Cossette Fine lanière de betterave obtenue en général mécaniquement et utilisée

pour l’extraction du sucre.

Dextrane Polysaccharide synthétisé par certaines bactéries et levures.

Dextrogyre Caractère d’une molécule qui dévie vers la droite le plan polarisé de la

lumière.

Glutamine Monoamide de l'acide glutamique.

Hémicellulose Constituant des fibres végétales en plus de la cellulose et de la lignine

ayant un poids moléculaire inférieure à celui de la cellulose.

Hydrophile Substance qui absorbe ou attire l'eau.

Lévane Polysaccharide synthétisé par certaines bactéries et dont l'hydrolyse

donne du fructose.

Masse-cuite Mélange pâteux de cristaux de sucres (saccharose, dextrose, etc.) et de

leurs eaux-mères, résultant de la cristallisation d'un sirop de sucre

Mélasse Résidu incristallisable obtenu après avoir enlevé du sirop le sucre

cristallisé, se présentant sou forme de sirop dense et visqueux.

« Melassigenic » Caractère lié à la perte de rendement de sucre blanc.

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Oxamide Poudre blanche microcristalline, presque insoluble dans l'eau, que l'on

obtient en décomposant à chaud l'oxalate d'ammonium.

Pectates Sel de l’acide pectique.

Peptisation Hydrolyse d’une protéine en peptides.

Phénol Dérivé monohydroxylé du benzène, de formule C6H5OH.

Acide

polygalacturonique Composé résultant de la dépolymérisation de la pectine.

Polyphénol Composé possédant plusieurs fonctions phénols.

Raffinose Triholoside non réducteur accompagnant le saccharose dans les jus de

betterave.

Saponine Glucoside d’origine végétale, généralement incolore et amorphe dont la

solution aqueuse mousse par simple agitation.

Semi-perméable Qualifie une membrane qui laisse passer certaines substances en

solution mais s'oppose au passage d'autres substances de la même

solution.

Sucrocarbonate Composés complexes de sucre qui forment de gels et peuvent générer

des pertes de sucre.

Thermophile Microorganisme qui peut vivre à des températures variant de 40 à 70 °C

et dont le développement est optimal à 55 °C.

Tyrosinase Enzyme du groupe des oxydases catalysant la transformation de la

tyrosine en mélanine (pigment noir cutané).

Tyrosine Acide aminé aromatique non indispensable formé par oxydation de la

phénylalanine.



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