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DS03 - Stimuler le renouveau industriel

Design de surfaces anti-encrassantes pour les industries agroalimentaires – ECONOMICS

Design de surfaces anti-encrassantes pour les industries agroalimentaires

L’encrassement des échangeurs de chaleur par des dérivés laitiers et ovo-produits constitue un risque sanitaire sévère. La modification de l'état de surface des échangeurs devrait permettre de limiter l'encrassement, mais aucune solution satisfaisante n'a été mise au point pour le moment. Le challenge du projet ECONOMICS est d'élaborer des surfaces et matériaux qui présentent une bonne compatibilité alimentaire, des propriétés anti-encrassantes et qui résistent aux procédures de nettoyage.

Challenge: mettre au point des surfaces anti-encrassantes compatibles avec les aliments et durables dans le temps et dans les conditions d'utilisation

L’un des grands challenges du 21ème siècle est de nourrir de façon saine, équitable et durable la population croissante de la planète. Les chercheurs et les industries se doivent donc d’innover pour concevoir des procédés fiables, économiques et écologiques permettant au plus grand nombre d’avoir accès à des denrées alimentaires sûres et de qualité. <br />Le lait et les oeufs sont d’excellentes sources de protéines et de minéraux dont la production mondiale a constamment augmenté au cours des dernières décennies. Ces biofluides complexes sont cependant particulièrement vulnérables à la contamination bactérienne, c’est pourquoi ils doivent impérativement subir au moins un traitement thermique (pasteurisation, stérilisation) avant d’être commercialisés. Ces procédés thermiques permettent en effet d’assurer l’innocuité alimentaire des produits et d’augmenter leur durée de vie. Cependant, l’encrassement généré par la dénaturation des protéines lors de la chauffe, ainsi que les procédures de nettoyage drastiques qu’il nécessite représentent environ 80% des coûts de production et impactent fortement l’empreinte environnementale des produits laitiers. Limiter l’encrassement de ces produits laitiers et ovo-produits et/ou faciliter leur nettoyage permettrait donc la mise sur le marché de produits laitiers sains, moins coûteux et plus écoresponsables. Cependant, au cours des dernières années, seules quelques actions correctrices ont été testées contre l’encrassement laitier, avec un succès limité. Ce projet vise donc à développer et optimiser des surfaces anti-encrassantes, efficaces et innovantes, basées sur l’acier inoxydable, pour lutter contre l’encrassement laitier. Parallèlement, des nouveaux matériaux hydrophobes à base de carbone seront mis au point et testés comme remplacement potentiel de l'acier inoxydable.

La première voie consistera à fonctionnaliser l'acier inoxydable par des revêtements de faible rugosité et faible énergie de surface adhérents à l'acier inoxydable, de type : dépôt assisté par plasma atmosphérique, peintures auto-stratifiantes et revêtements sol-gel nanotexturés. La seconde voie consistera à remplacer l'acier inoxydable par des matériaux hydrophobes à base de carbone (composites carbone vitreux-graphite à énergie de surface et porosité contrôlées, composites hydrophobes à base de mousses de graphite, et carbone mésoporeux superhydrophobe à porosité contrôlée) de façon à réduire l'encrassement tout en améliorant l'efficacité énergétique des échangeurs. La dernière voie consistera à utiliser les matériaux hydrophobes poreux développés dans les deux autres approches (sol-gel et carbone mésoporeux) pour mettre au point des surfaces biomimétiques «SLIPS« (Slippery Liquid Infused Porous Surface) à faible hystérèse d'angle de contact, qui présentent un fort potentiel pour des applications anti-encrassement. Tous les matériaux et surfaces développés seront testés dans des conditions semi-pilote de pasteurisation de dérivés laitiers et ovo-produits. La durabilité des matériaux prometteurs sera ensuite évaluée, au travers de procédures de nettoyage-en-place (Cleaning in place). Le mécanisme d'action des surfaces à la fois efficaces contre l'encrassement et durables sera évalué à l'échelle nanométrique et micrométrique. Enfin, l'impact environnemental et le gain potentiel de ces matériaux par rapport au procédé classique seront évalués à travers une analyse de cycle de vie du procédé de pasteurisation. ECONOMICS est un projet à haut risque avec un fort potentiel de retombées concrètes et applicables dans les industries agro-alimentaires de demain.

A l’ULille, des revêtements à visée anti-encrassante sont développés sur acier inoxydable via trois techniques différentes. Des couches minces ont été déposées par plasma à pression atmosphérique. Une réduction de l’encrassement à hauteur de 30% a été obtenue. Des revêtements auto-stratifiants sans additifs incorporés ont été mis au point avec succès sur l’acier inoxydable. Enfin des revêtements glissants (SLIPS) sont en cours de développement en partenariat avec l’IEMN.
Le laboratoire LMCPA (UPHF) est quant à lui chargé d’élaborer et de caractériser des revêtements céramiques autonettoyants adhérant sur des substrats en acier inoxydable. Un tapis nanométrique de cristallites de ZnO hautement hiérarchisé a pu être obtenu par des voies chimiques douces. La taille de ces cristallites aciculaires est contrôlable et permet d’atteindre des propriétés à la fois hydrophobe, photocatalytique et antibactérienne. Toutefois, l’adhérence du revêtement en utilisation reste à optimiser, les tests d’encrassement ayant montré un décrochement du revêtement.
L’ULorraine se concentre sur le remplacement potentiel de l’acier inoxydable par des matériaux carbonés. Le comportement à l’encrassement a été analysé pour différents types de carbones sous forme de plaques : carbone vitreux, graphite souple, graphite isostatique et graphite extrudé. Pour ces deux derniers, des matériaux purs ou imprégnés par des polymères ont été testés.
Les résultats montrent que les matériaux carbonés n'empêchent pas l'encrassement. Cependant, en terme d’adhérence, les graphites imprégnés ont montré de meilleures performances par rapport à l’acier inoxydable. Il apparaît que, sans modification chimique de la surface de ces carbones pour les rendre plus hydrophobes qu’ils ne le sont naturellement, l’encrassement demeure mais les matériaux sont plus faciles à nettoyer après usage.

Dans les mois qui viennent, trois pistes vont se poursuivre à l'ULille : (i) un montage plasma est en cours d’élaboration pour déposer simultanément ou par couches successives plusieurs précurseurs, (ii) des additifs vont être ajoutés dans les revêtements auto-stratifiants pour améliorer leurs performances, et enfin (iii) différentes huiles alimentaires et fluorées vont être testées avec les surfaces traitées au laser.
A l'UPHF les travaux de la prochaine période se focaliseront sur deux aspects : (i) amélioration de l’adhérence chimique par voie sol-gel (substrat acier/ nanoZnO) ; (ii) élaboration de nano-ZnO sur des substrats plus compatibles : (substrat carboné/ nano-ZnO).
A l'ULorraine, les résultats encourageants obtenus doivent être confirmés sur les autres matériaux testés, sur lesquels l’attention avait été davantage portée sur leur facilité d’encrassement que sur leur facilité de nettoyage. La modification contrôlée de la surface des plaques de graphite par polissage va maintenant être complétée par des traitements plasma. Ces essais devraient permettre de mieux comprendre les relations entre la texture de la surface, l’encrassement et la capacité de nettoyage.
Parallèlement, l’ensemble des procédés développés (ULille, ULorraine et UPFH) seront évalués du point de vue de l’impact environnemental par l’ENSCL. Enfin, un test permettant d'évaluer l'encrassement par des ovo-produits doit être mis au point à l'INRA.

1. S. Zouaghi, J. Fremiot, C. André, M. A. Grunlan, C. Gruescu, G. Delaplace, S. Duquesne, M. Jimenez*, Investigating the effect of an antifouling surface modification on the environmental impact of a pasteurization process: an LCA study, ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 7(10), 9133-9142 (2019) [doi: 10.1021/acssuschemeng.8b05835]
(Partenaires ULille, INRA Lille et ENSCL)

2. S. Zouaghi, S. Bellayer, V. Thomy, T. Dargent, Y. Coffinier, C. André, G. Delaplace, M. Jimenez*, Biomimetic surface modifications of stainless steel targeting dairy fouling mitigation and bacterial adhesion, Food and Bioproducts Processing 113, 32-38 (2019) [doi: 10.1016/j.fbp.2018.10.012]
(Partenaires ULille, ENSCL, IEMN, INRA Lille)

3. S. Zouaghi, M. Abdallah, C. André, N. E. Chihib, S. Bellayer, G. Delaplace, A. Celzard, M. Jimenez*, Fouling-Release Graphite-Based Composites for Whey Protein Fouling and Bacterial Adhesion Management, International Dairy Journal 86 69-75 (2018) [doi: 10.1016/j.idairyj.2018.07.004]
(Partenaires ULille, INRA Lille, ULorraine, ENSCL)

L’encrassement des surfaces des échangeurs de chaleur par des dérivés laitiers et ovo-produits constitue un risque sanitaire sévère. La modification de l'état de surface des échangeurs devrait permettre de limiter l'encrassement, mais aucune solution satisfaisante n'a été mise au point pour le moment. Le challenge du projet ECONOMICS est d'élaborer des surfaces et matériaux qui présentent à la fois une bonne compatibilité alimentaire, des propriétés anti-encrassantes et qui résistent aux procédures de nettoyage. La première voie consistera à fonctionnaliser l'acier inoxydable par des revêtements de faible rugosité et faible énergie de surface adhérents à l'acier inoxydable, de type : dépôt assisté par plasma atmosphérique, peintures auto-stratifiantes et revêtements sol-gel nanotexturés. La seconde voie consistera à remplacer l'acier inoxydable par des matériaux hydrophobes à base de carbone (composites carbone vitreux-graphite à énergie de surface et porosité contrôlées, composites hydrophobes à base de mousses de graphite, et carbone mésoporeux superhydrophobe à porosité contrôlée) de façon à réduire l'encrassement tout en améliorant l'efficacité énergétique des échangeurs. La dernière voie consistera à utiliser les matériaux hydrophobes poreux développés dans les deux autres approches (sol-gel et carbone mésoporeux) pour mettre au point des surfaces biomimétiques "SLIPS" (Slippery Liquid Infused Porous Surface) à faible hystérèse d'angle de contact, qui présentent un fort potentiel pour des applications anti-encrassement. Tous les matériaux et surfaces développés seront testés dans des conditions semi-pilote de pasteurisation de dérivés laitiers et ovo-produits. La durabilité des matériaux prometteurs sera ensuite évaluée, au travers de procédures de nettoyage-en-place (Cleaning in place). Le mécanisme d'action des surfaces à la fois efficaces contre l'encrassement et durables sera évalué à l'échelle nanométrique et micrométrique. Enfin, l'impact environnemental et le gain potentiel de ces matériaux par rapport au procédé classique seront évalués à travers une analyse de cycle de vie du procédé de pasteurisation. ECONOMICS est un projet à haut risque avec un fort potentiel de retombées concrètes et applicables dans les industries agro-alimentaires de demain.

Coordinateur du projet

Madame Maude JIMENEZ (Unité Matériaux et Transformations (UMET)-Université Sciences et Technologies de Lille)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

INRA Rennes - STLO Institut National Recherche Agronomiques-Rennes
INRA-UMET Institut National de la Recherche Agronomique-Unité Matériaux et Transformations -
IJL-ULorraine Institut Jean Lamour (Matériaux - Métallurgie - Nanosciences - Plasmas - Surfaces)
UMET-ENSCL Unité Matériaux et Transformations - Ecole Nationale Supérieure de Chimie de Lille
Institut Michel Eugene Chevreul
IEMN Institut d'électronique, de microélectronique et de nanotechnologie
LMCPA - UValenciennes Laboratoire des Matériaux Céramiques et Procédés Associés - Université Valenciennes
UMET-ULille Unité Matériaux et Transformations (UMET)-Université Sciences et Technologies de Lille

Aide de l'ANR 571 421 euros
Début et durée du projet scientifique : - 42 Mois

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