Le rôle de la technologie de vide dans la lyophilisation

Il existe plusieurs façons de prolonger la durée de conservation des aliments. L'une des méthodes les plus anciennes, avec le fumage et le salage, est le séchage qui était utilisé bien avant la congélation, l'ébullition ou l'emballage sous vide. La lyophilisation est une extension moderne des méthodes de séchage traditionnelles, qui permet de protéger plus longtemps les aliments de toute détérioration. Ce processus n'est rendu possible que par la technologie moderne du vide, car la lyophilisation des aliments s'effectue sous vide.

Où est-il utilisé ?

La lyophilisation convient aux fruits et aux baies ainsi qu’à la viande ou aux légumes cuits. Les herbes et les épices sont également préservées par lyophilisation en éliminant tout, sauf un petit pourcentage d’eau de ces produits. L’aliment lyophilisé le plus connu est probablement le café soluble (instantané). De nombreux plats préparés, qui ne sont dissous que dans de l’eau bouillante pour être préparés sous forme de granulats ou de poudre, ont été lyophilisés. En principe, les aliments peuvent également être séchés de manière plus simple, par exemple par dessiccation. Cependant, cela présente l’inconvénient de modifier la structure et l’aspect des aliments. De plus, les arômes peuvent réagir avec l’oxygène atmosphérique, ce qui a un effet sur le goût.

Pendant la lyophilisation, la structure reste inchangées, et les cellules sèches peuvent facilement réabsorber l’eau pendant la préparation. Grâce au séchage sous-vide, les arômes sont en grande partie préservés.

Le processus de lyophilisation

La lyophilisation (fig. 1) est un procédé purement physique qui utilise le principe de la sublimation. Grâce au vide dans la chambre de séchage, l'eau gelée se sublime en vapeur d'eau. La glace saute l'état « liquide » et passe directement de « solide » à « gazeux ».

Avant le procédé de séchage proprement dit, qu’il s’agisse de baies, de morceaux de fruits ou d’extrait de café, le produit doit être surgelé dans une chambre froide. Pour ce faire, le produit est réparti sur des plateaux qui sont ensuite placés directement dans la chambre froide, ou sur des chariots. Le produit congelé est ensuite placé dans la chambre de séchage proprement dite (fig. 2).

Dans certains lyophilisateurs, le refroidissement s’effectue directement dans la chambre de séchage. Des lyophilisateurs pour processus continus sont aussi utilisés dans la transformation des aliments.

Après refroidissement, le processus de séchage a lieu dans la chambre étanche à l'air où la pression d'air est réduite à l'aide d'une pompe à vide, jusqu'à atteindre un vide de 1 à 0,5 mbar. Le processus d'évaporation de l'eau gelée commence maintenant entre -50 et -40 °Celsius. La vapeur d'eau est aspirée hors de la chambre de séchage par la pompe à vide, dans un condenseur en aval. Dans ce « piège à glace » refroidi à au moins -70 °Celsius, la vapeur d'eau se sublime et se condense sous forme de glace sur le serpentin de refroidissement. La majeure partie de l'humidité est éliminée du produit au cours de cette étape du processus, appelée séchage primaire.

Lors de la sublimation, l'énergie thermique est extraite de la chambre de séchage. Cela signifie que la température dans la chambre chutera au cours de ce processus. La chambre doit donc être chauffée. Il faut veiller à ce que la quantité d'énergie thermique ajoutée à l'eau soit égale à la quantité d'énergie absorbée lors du processus de sublimation, afin de maintenir la température constante, ou de permettre une légère augmentation de la température jusqu'à -20 °Celsius.

Pour la plupart des aliments et boissons, le séchage primaire est immédiatement suivi d’un séchage secondaire. Il s'agit d'éliminer l'humidité résiduelle plus fortement liée au produit, en abaissant le niveau de vide à 0,01 mbar ou moins et en augmentant la température au-dessus du point de congélation. La chambre de séchage est ensuite ventilée à la pression atmosphérique et le produit séché, affichant désormais une teneur en eau de 1 à 4 %, est retiré pour traitement ultérieur. De l'air sec ou un gaz inerte est utilisé pour la ventilation, afin que le produit séché ne puisse pas absorber l'humidité de l'air ambiant.

Caractéristiques physiques

Le processus de lyophilisation dépend essentiellement de ces paramètres (fig. 3) :
Bien entendu, les produits et leurs propriétés jouent également un rôle important. Pour cette raison, des essais seront réalisés dans des usines pilotes avant la lyophilisation industrielle, ou avant le séchage de grandes quantités de produit.

Technologie de vide pour la lyophilisation

La lyophilisation nécessite une alimentation en vide fiable et réglable avec précision. Deux types de génération de vide se sont reconnus dans les lyophilisateurs industriels pour aliments et boissons :


Le choix du système de vide le plus adapté parmi les deux, dépend de la dimension de l’usine de séchage, des produits à sécher et des paramètres physiques déjà mentionnés.

Système de vide avec pompes à palettes rotatives et booster de vide

Les pompes à vide à palettes rotatives sont lubrifiées à l’huile et atteignent une pression finale allant jusqu’à 0,1 millibar.

Afin de générer un niveau de vide plus élevé et d’avoir une vitesse de pompage suffisamment élevée dans le champ de travail inférieur à 1 millibar, il est recommandé d’utiliser un booster de vide.

Cela présente l’avantage d’atteindre un niveau de vide allant jusqu’à < 0,001 millibar. De plus, la combinaison d’une pompe à vide à palettes rotatives et d’un booster de vide peut être conçue avec précision, en fonction des dimensions du lyophilisateur, et elle est bien plus économe en énergie qu’une grande pompe à vide à palettes rotatives.

Enfin, un expert en vide peut calculer la combinaison de pompes à vide la plus efficace. Grâce à la large gamme de dimensions de pompes à vide à palettes rotatives et de boosters de vide, Busch Solutions de Vide peut toujours proposer le système de vide adapté à chaque dimension de lyophilisateur.

Système de vide avec pompes à vide à vis et booster de vide

Les pompes à vide à vis fonctionnent à sec, c’est-à-dire sans huile, et atteignent une pression finale allant jusqu’à 0,01 millibar.

De même, un système de vide avec une pompe à vide à vis et un booster de vide est préférable à une solution avec une seule pompe à vide.

Les pompes à vide à vis peuvent être équipées d’un moteur à variation de fréquence, afin que la vitesse de pompage s’adapte automatiquement aux exigences respectives de l’étape du processus pendant la lyophilisation.

Comment sélectionner la meilleure technologie de vide pour votre processus ?

Il convient généralement de consulter un expert en vide lors du choix de la technologie de vide et de son dimensionnement. L’expert sera toujours en mesure de proposer la solution la plus économique et techniquement la plus judicieuse.

Depuis des décennies, Busch Solutions de Vide fabrique des solutions de vide pour la lyophilisation d’aliments et boissons et de produits pharmaceutiques. Outre la technologie de vide, Busch propose également tous les dispositifs de surveillance, de mesure et de détection pour l’ensemble du processus.

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