Blog

May 19, 2023

Comment optimiser les technologies de séchage et d'évaporation pour les hautes

La Plant Based Foods Association (PBFA) rapporte que 57 pour cent de tous les États-Unis

La Plant Based Foods Association (PBFA) rapporte que 57 % de tous les ménages américains ont acheté des aliments à base de plantes en 2020, contre 53 % en 2019. Image de johndavi de Pixabay

Les haricots secs, les lentilles et les pois sont un choix populaire et croissant dans les régimes alimentaires occidentaux, après avoir été établis depuis longtemps comme aliments de base dans de nombreuses cultures orientales. Les facteurs à l'origine de la croissance de la consommation de légumineuses comprennent l'intérêt généralisé pour les aliments ethniques et les changements dans la sensibilisation à l'alimentation. En tant que groupe, ils constituent l'un des aliments les plus complets sur le plan nutritionnel, peu coûteux et largement disponibles. Riches en protéines, en fibres et en glucides et faibles en matières grasses, ces graines de soja, haricots mungo, pois chiches, lupin, lentilles et pois sont devenus un substitut sain et populaire aux produits laitiers et à la viande, et la tendance vers les régimes végétaliens, végétariens et flexitariens est grandement influencer l'utilisation des protéines végétales comme substituts des produits laitiers et de la viande.

En 2020, la dynamique continue de l'industrie végétale a conduit à une croissance rapide. Des centaines de nouveaux produits sont arrivés sur le marché et les principales victoires réglementaires en matière d'étiquetage des aliments ont contribué à garantir des conditions de concurrence équitables pour les produits à base de plantes. La Plant Based Foods Association (PBFA) rapporte que 57 % de tous les ménages américains ont acheté des aliments à base de plantes en 2020, contre 53 % en 2019.

Le principal moteur du marché pour la construction d'une usine de fabrication de protéines végétales est de répondre à la demande croissante de protéines et d'ingrédients non animaux, tout en réduisant la dépendance à l'égard de l'agriculture animale. Historiquement, les fabricants d'ingrédients ayant une expertise dans le fractionnement des céréales se concentraient sur l'amidon comme principal intérêt pour ses nombreuses applications alimentaires et industrielles. Les protéines et les fibres étaient des sources de revenus moins importantes et principalement destinées à l'alimentation animale. Saisissant l'évolution des habitudes alimentaires et des intérêts sociaux, ces fabricants ainsi que de nouveaux investisseurs concentrent désormais leur attention sur les précieuses protéines de pois et autres légumineuses pour renforcer la rentabilité.

La plupart des startups d'usines envisagent de traiter 35 000 à 70 000 tonnes de broyat brut par an. Ces usines souhaitent capitaliser sur le secteur à forte croissance des substituts de viande à base de plantes, produisant des protéines de grande valeur à transformer en protéines végétales texturées (TPP) - également appelées protéines végétales texturées (TVP) - où elles sont extrudées sous forme de un substitut de viande pour la vente au détail et la restauration.

Les substituts de viande sont fabriqués pour avoir une gamme de 70 à 75% de protéines, et extrudés ou transformés en produits de viande finis à base de plantes. Les procédés d'extrusion peuvent être utilisés pour définir la texture et la forme des produits, puis moulés sous des formes telles que des miettes, des lanières, des galettes et des saucisses. Essentiellement, le coût par tonne métrique de cette protéine de grande valeur, telle que vendue aux extrudeurs, établit la référence la plus réelle pour déterminer la valeur marchande du produit.

Mais les protéines, étant l'objectif principal, ne représentent que 20 à 25 % de la structure totale des légumineuses. Les 75 à 80 % restants des légumineuses finissent sous forme de coproduits : amidon, fibres et solubles. Les défis auxquels ces installations sont confrontées sont d'identifier et d'évaluer les procédés les plus optimaux pour séparer les protéines, l'amidon, les fibres et les solubles, et comment utiliser ces produits pour une rentabilité maximale.

Le traitement des ingrédients dépend presque toujours de l'échelle, s'appuyant sur des volumes élevés pour compenser les faibles marges. Même si la demande de nouvelles farines, isolats et concentrés de protéines augmente rapidement, le coût et la complexité de la construction d'installations de transformation peuvent ralentir la capacité de production d'ingrédients. L'une des plus hautes priorités pour la fabrication de protéines végétales est d'identifier les méthodes de traitement qui offrent un rendement élevé, des avantages fonctionnels et une efficacité.

La préparation de légumineuses pour la séparation de haute pureté des protéines, des fibres, des amidons et des solubles repose sur un processus de fractionnement par voie humide qui intègre le séchage et l'évaporation pour le traitement final. Ces procédés de fractionnement englobent : a) la purification des protéines ; b) séparation des fibres et de l'amidon ; et c) récupération des solubles.

Extraction et purification de protéines : Le processus d'extraction des protéines sépare les légumineuses en protéines, fibres, amidon et solubles. Après la séparation initiale, la fraction protéique est modifiée pour donner des propriétés spécifiques et des caractéristiques d'utilisation finale. Le procédé le plus utilisé est une méthode de précipitation active, réalisée en ajustant le pH des légumineuses, pour favoriser l'extraction de la fraction protéique.

Ensuite, grâce à la modification fonctionnelle des protéines, des enzymes sont utilisées pour obtenir les propriétés protéiques souhaitées par les fabricants, telles qu'une propriété nutritionnelle ou fonctionnelle, comme l'émulsification, la gélification ou la solubilité. Le flux de protéines résultant peut être séché sous forme de poudre dans un sécheur par pulvérisation pour donner un isolat de protéines de 80 à 95 %.

Séparation fibre/amidon : La fraction de fibres et d'amidon peut être conservée sous forme de flux composite et séchée dans un sécheur annulaire - ou encore séparée en produits constitutifs de fibres et d'amidon. En tant que fibre alimentaire de grande valeur pour la nutrition humaine ou un autre ingrédient alimentaire, la fibre peut être séchée dans un séchoir à anneau.

La fraction d'amidon peut être séchée dans un sécheur flash, puis utilisée dans les produits de boulangerie, les plats cuisinés et à d'autres fins alimentaires ou industrielles.

Récupération des solubles : Le flux d'eau de décharge de l'étape de purification des protéines contient des nutriments supplémentaires qui peuvent être récupérés en tant que produit à valeur ajoutée. De nombreux procédés de valorisation peuvent être envisagés, mais la simple mise en œuvre d'un évaporateur permet la concentration d'un produit liquide riche en nutriments tout en améliorant l'impact environnemental du flux d'eaux usées. Ce produit concentré peut être utilisé comme engrais liquide ou mélangé à des fibres comme aliment pour animaux. De plus, le flux de condensat avec une concentration en matières organiques réduite peut être récupéré comme source de chaleur ou encore traité pour la récupération de l'eau de procédé afin de réduire la consommation d'eau douce.

À mesure que les développements sur le marché des protéines végétales évoluent, les fabricants de procédés continuent d'innover de nouvelles solutions pour répondre aux besoins spécialisés. Comme de nombreux fournisseurs, Dedert Corporation s'est associée à des fabricants d'ingrédients pour développer des technologies de processus sur mesure. Nous regardons quelques exemples ci-dessous.

En tant que processus critique dans la fabrication de nombreux ingrédients en poudre, tels que les protéines végétales, le séchage par pulvérisation remplit une fonction vitale de séchage du produit qui doit équilibrer la sécurité alimentaire, la qualité du produit, la fonctionnalité et la durabilité.

En passant à travers un atomiseur, les gouttelettes d'eau s'évaporent au contact de l'air chaud pour libérer la protéine sous forme de poudre, qui tombe au fond du sécheur par pulvérisation. La poudre de protéines sèches est transportée pneumatiquement vers des cyclones de collecte de produits, puis déchargée vers une ligne de transport de poudre de protéines pour être stockée dans des silos ou conditionnée dans des sacs ou des bacs.

Les séchoirs par pulvérisation ont principalement été appliqués avec une atomisation par buse pour les protéines végétales en raison de la familiarité des fabricants avec les applications de protéines laitières, spécifiant des plages de distribution de taille de particules étroites. L'atomisation par buse nécessite l'utilisation d'une pompe à haute pression qui a une capacité de rétention d'alimentation appréciable et, par conséquent, peut avoir des considérations importantes d'entretien et d'assainissement. Selon l'application, l'atomisation par buse peut être une exigence, mais des alternatives telles que l'atomisation rotative pourraient offrir des avantages.

Les séchoirs par pulvérisation pour les protéines végétales doivent respecter des normes élevées de qualité alimentaire conformément aux directives de la FDA, mais des normes plus élevées au niveau laitier telles que les normes sanitaires 3-A ou les directives de conception recommandées par l'European Hygienic Engineering & Design Group (EHEDG) sont pas encore la norme. Certains fournisseurs fabriquent déjà des sécheurs par pulvérisation qui répondent aux normes de conception hygiéniques strictes EHEDG, qui peuvent être mises en œuvre selon les exigences des clients. Ces systèmes intègrent souvent de nouvelles conceptions, par exemple, une isolation à panneau amovible et à lame d'air avec des portes de revêtement extérieur à charnières pour un accès facile à l'inspection, qui peuvent être ouvertes et fermées en une fraction de temps par rapport aux panneaux boulonnés. Comme son nom l'indique, il n'y a pas de fibre de verre ou de laine minérale - à la place, l'air est utilisé pour l'isolation entre la peau intérieure et extérieure du navire.

Cette sécheuse a des panneaux amovibles qui peuvent être ouverts et fermés facilement par rapport aux panneaux boulonnés conventionnels. Photo publiée avec l'aimable autorisation de Dedert Corporation.

Les sécheurs flash sont utilisés sur l'amidon en raison de leur sensibilité thermique. L'exposition de l'amidon à une température élevée peut modifier les propriétés structurelles et chimiques, provoquant une dénaturation, une gélatinisation ou d'autres changements fonctionnels. Le séchage flash a un faible temps de séjour, une faible humidité et un profil de basse température, idéal pour les applications d'amidon.

Les sécheurs flash sont des systèmes pneumatiques combinant transport d'air et séchage simultanés, où les solides d'amidon sont introduits au point d'alimentation et sèchent en un seul passage, avant déchargement complet vers un système de collecte de produits.

Avec un court temps de séjour de quelques secondes seulement, les solides d'amidon sont en contact avec un environnement thermique relativement faible pendant une courte période. En conséquence, les séchoirs flash produisent des produits finaux d'amidon de haute qualité avec une teneur en humidité uniforme partout et une distribution granulométrique constante.

Le sécheur flash, en configuration circuit ouvert, fonctionne à la température la plus basse pour une application donnée, assurant un séchage uniforme et un traitement en douceur de la matière amylacée. En utilisant l'air frais ambiant, l'amidon reste toujours en contact avec un milieu de séchage à faible humidité propre et non altéré pour éviter tout risque de contamination ou de modification de l'état souhaité du produit.

Le processus de séchage en anneau est une extension du séchage flash et s'applique lorsque les fibres et l'amidon nécessitent des temps de séchage plus longs par rapport au séchage flash en un seul passage.

Le séchage en anneau offre une amélioration significative de l'efficacité en incorporant un classificateur collecteur pour renvoyer par centrifugation les matériaux semi-séchés et surdimensionnés vers le système de séchage pour un séchage supplémentaire. La recirculation interne des solides semi-secs jusqu'au séchage complet permet au sécheur annulaire de fonctionner à une température plus basse par rapport à un sécheur flash pour une application par ailleurs identique. Néanmoins, le sécheur annulaire maintient un temps de séjour court de quelques secondes seulement, maintenant ainsi une courte exposition des solides aux températures de fonctionnement.

Trois configurations de sécheurs à anneaux sont disponibles selon l'application :

Sécheurs à anneaux à alimentation — sont disposés de sorte que le collecteur dirige les matières solides recyclées vers la zone d'alimentation à température plus élevée pour une efficacité maximale du séchoir. Le collecteur agit comme un classificateur centrifuge, recyclant sélectivement le produit semi-sec le plus lourd à travers une goulotte vers le disperseur pour un autre passage de séchage. Cet agencement de séchoir annulaire convient aux types de produits plus résistants qui peuvent supporter une exposition limitée à une chaleur élevée.

Sécheurs à anneaux de type P —Le collecteur dirige les solides recyclés vers la zone d'échappement à basse température pour les produits sensibles à la température. Cette disposition offre à certains produits plus difficiles à sécher le temps de séjour supplémentaire pour atteindre une siccité suffisante sans provoquer de dénaturation indésirable, et est traditionnellement utilisée pour le séchage des amidons modifiés.

Sécheurs à anneau complet — ont une conception de collecteur unique qui peut fournir deux fonctions : a) le recyclage des solides à travers le conduit chaud vers un désintégrateur à balayage d'air, et b) un séjour prolongé, si nécessaire, dans le collecteur pour atteindre une sécheresse suffisante. Les applications de séchage difficiles nécessitant un broyage supplémentaire ou un mélange dynamique dans le flux d'air, bénéficient de ce type de sécheur.

Chacun des types de sécheurs annulaires peut avoir des configurations en circuit ouvert (OC) ou en recyclage partiel de gaz (PGR) pour s'adapter à l'application du produit ou aux exigences opérationnelles. Sous OC, l'air ambiant est utilisé comme moyen de séchage en un seul passage. Sous PGR, une efficacité énergétique supplémentaire est obtenue en recirculant la majorité du flux d'échappement du séchoir vers le réchauffeur d'air en tant que milieu de séchage préchauffé.

La récupération des nutriments dans le liquide restant de l'étape de purification des protéines peut être réalisée par évaporation. Dans les applications de protéines végétales, une conception d'évaporateur à film tombant offre un concept opérationnel simple.

Évaporation à film tombant- le fluide crée un film mince le long des parois du tube, progressant vers le bas (tombant) par gravité jusqu'au fond de l'évaporateur tandis que l'eau s'évapore simultanément vers l'espace de vapeur tubulaire.

Recompression mécanique de vapeur (MVR)- avec l'ajout d'un compresseur mécanique ou d'un ventilateur, la vapeur de procédé évaporée est comprimée à une pression plus élevée pour servir de vapeur d'entraînement pour l'évaporation, ce qui minimise la consommation de vapeur.

Recompression de vapeur thermique (TVR) —est plus économe en énergie qu'un système chauffé à la vapeur lorsque de la vapeur à moyenne et haute pression est disponible. La vapeur motrice entre par le compresseur de vapeur et aspire la vapeur évaporée. La vapeur se mélange dans la section convergente et la pression est augmentée pour servir de vapeur motrice pour l'évaporation, minimisant ainsi la consommation de vapeur.

Le fractionnement par voie humide pour l'extraction des protéines végétales, de l'amidon et des fibres repose sur des solvants et un séchage intensif. Ces procédés sont gourmands en énergie et en eau.

Comme le séchage est le plus énergivore des processus impliqués dans le fractionnement par voie humide, une diminution de l'eau qui doit être séchée réduit considérablement les besoins énergétiques de l'ensemble du processus. Des innovations de processus pour la durabilité et l'amélioration de l'efficacité énergétique sont actuellement en cours de développement par des fournisseurs et d'autres partenaires de processus partageant les mêmes idées.

D'un point de vue énergétique, le séchage thermique entraîne naturellement un coût lié aux besoins en carburant ou autres sources de chauffage en raison de la chaleur latente de vaporisation de l'eau d'environ 970 BTU/lb. (2256 kJ/kg). L'efficacité du procédé peut être améliorée en déplaçant la réduction de l'humidité vers d'autres procédés. Généralement, lorsque cela est possible, la déshydratation mécanique doit être mise en œuvre en premier, suivie de la concentration, puis du séchage thermique pour maximiser l'efficacité du processus intégré. Cet arrangement ouvre également la possibilité d'envisager des technologies de séchage alternatives avec un coût et une efficacité énergétique améliorés pour le fonctionnement de l'unité. Le succès de cet arrangement dépend d'une approche holistique de la conception des processus, nécessitant un partenariat collaboratif entre les fournisseurs de processus pour garantir une solution de processus intégrée de manière transparente.

En plus de l'efficacité énergétique, la consommation d'eau douce est un autre domaine d'étude de conception innovante. Les intégrations de processus entre les utilisateurs d'eau en amont et les technologies d'évaporation et de séchage en aval pourraient entraîner la récupération de l'eau pour l'utiliser comme eau de traitement ou d'autres avantages de durabilité améliorés.

Pour plus d'informations, visitez le site Web de Dedert à l'adresse www.dedert.com.

Marché des protéines végétales

Selon la PBFA et le Good Food Institute (GFI), le marché américain des protéines végétales au détail a augmenté de 27,1 % en 2020, soit près du double du taux du marché alimentaire au détail total, pour atteindre un peu plus de 7 milliards de dollars. La viande végétale a été la principale source de croissance, les ventes au détail ayant augmenté de 45 % par rapport à 2019, pour atteindre 1,4 milliard de dollars. La catégorie de la viande végétale a augmenté deux fois plus vite que la viande conventionnelle, représentant désormais 2,7 % des ventes au détail de viande emballée.

La viande végétale qui plaît aux carnivores est une innovation relativement récente. Bien que le tofu, le tempeh et le seitan existent depuis des siècles, nous n'avons découvert que récemment comment produire une viande à base de plantes qui offre une expérience sensorielle presque indiscernable d'un burger conventionnel ou d'une pépite de poulet.

Selon GFI, "Le marché de la viande à base de plantes s'est considérablement développé au cours des dernières années, car les entreprises produisent des hamburgers à base de plantes et d'autres produits qui sont pratiquement impossibles à distinguer de la viande conventionnelle. Cette approche a commencé en 2012 avec le lancement du poulet de Beyond Meat. strips, et ça a vraiment décollé avec le lancement en 2016 de l'Impossible Burger et du Beyond Burger, qui ont tous deux réussi dans les fast-foods grand public."

La PBFA rapporte qu'en 2020, 17,6 % des ménages américains ont acheté de la viande végétale. Mais le lait à base de plantes reste le leader du marché dans ce segment, avec 39,0 % des ménages achetant du lait à base de plantes en 2020, représentant 2,4 milliards de dollars de ventes au détail et une augmentation annuelle des ventes de 20,4 %. Ensemble, ces deux catégories représentaient 55,7 % (3,9 milliards de dollars) du total des ventes au détail d'aliments à base de plantes en 2020 aux États-Unis.

Les 3,1 milliards de dollars restants des ventes au détail d'aliments à base de plantes aux États-Unis en 2020 provenaient de ces catégories : repas surgelés 520 millions de dollars ; glaces/nouveautés surgelées 435 millions de dollars; crémier 394 millions de dollars; yaourt 343 millions de dollars; poudre de protéines 292 millions de dollars; beurre 275 millions de dollars; fromage 270 millions de dollars; tofu/tempeh 175 millions de dollars; produits de boulangerie 152 millions de dollars; boissons prêtes à boire 137 millions de dollars; condiments 81 millions de dollars; tartinades/sauces laitières 81 millions de dollars; et les œufs 27 millions de dollars.

Cette croissance croissante des ventes au détail à base de plantes a ouvert la porte à des opportunités d'investissement, en fait, 2020 a été une année record pour les investissements à base de plantes aux États-Unis Selon GFI, de nouveaux investisseurs uniques dans l'espace à base de plantes aux États-Unis ont augmenté de 44 % en 2020 par rapport à 2019. Plus de capitaux ont été levés en 2020 qu'au cours de n'importe quelle année de l'histoire de l'industrie depuis 1980, totalisant 2,2 milliards de dollars investis dans l'espace végétal.

Gregory See Hoye est responsable de l'industrie chez Dedert Corporation, un fournisseur de solutions technologiques de séchage et d'évaporation. Son rôle actuel consiste à soutenir les développements dans la fabrication d'ingrédients alimentaires à base de plantes. Hoye a 17 ans d'expérience dans les secteurs alimentaires et agroalimentaires, dont 12 ans spécialisés dans les solutions d'évaporation et de séchage.