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SECHAGE DE LA SPIRULINE et UTILISATION DE CAPTEUR SOLAIRE Dégradations des aliments après récolte La spiruline après la récolte est un aliment très vulnérable, et elle se dégrade très rapidement du fait de : 1 la détérioration microbiologique, par les bactéries 2 la détérioration autolytique, par les enzymes 3 l’oxydation de la graisse 1 Les bactéries Les bactéries sont des micro-organismes unicellulaires invisibles à l’oeil nu qui décomposent les déchets et les corps des organismes morts. Certaines provoquent de graves maladies. Dans des conditions microbiologiques favorables, la détérioration démarre vite dans les produits frais et non acides ou basiques, d’autant plus vite que beaucoup de cellules ont été dégradées avant le séchage. Elles se multiplient par 10 000 en 7 heures à 35°C Elles se développent mieux à un pH entre 4,5 et 8,5-9. La température idéale est entre 7 et 55°C . Les températures limites de croissance sont -10 et 70C. Le chauffage prolongé les détruit sauf pour les spores. La contamination provient de matériel mal lavé, de poussière, de personne… Le temps écoulé entre la contamination d’un produit et son traitement joue un rôle très important. Observez les règles d’ hygiène pratiquées dans l’agro-alimentaire. Lavez-vous soigneusement les mains à l’eau chaude et au savon après avoir fait un travail sale et avant de toucher les aliments. Changez souvent les torchons et lavez régulièrement vos vêtements. Posez le produit sur des surfaces lisses facilement lavables (par exemple acier inoxydable, carreaux, pierre). Tenez propres les endroits de stockage en les lavant régulièrement avec une solution de carbonate de sodium (soude ménagère). Lavez régulièrement les instruments utilisés. Couvrez bien les aliments. Ne gardez jamais de restes à la température ambiante. Utilisez de l’eau propre. Au besoin, faites-la bouillir 2 Les enzymes Les enzymes sont des protéines qui contribuent à des réactions biologiques, notamment la conversion de certaines substances organiques en d’autres. Après la mort des cyanobactéries, les enzymes qu’elles contiennent sont toujours vivants et ils se mettent à décomposer ses composants en unités plus petites, ce qui altère l’odeur, le goût et la texture. Un traitement thermique (p.ex. la pasteurisation) permet l’inactivation des enzymes. 3 Oxydation des lipides Des réactions peuvent avoir lieu entre la graisse et l’oxygène de l’air. Une longue exposition à l’air, par exemple lors du séchage et du fumage, donne aux produits gras une odeur et un goût rances.

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SECHAGE DE LA SPIRULINE et UTILISATION DE CAPTEUR SOLAIRE Dégradations des aliments après récolte La spiruline après la récolte est un aliment très vulnérable, et elle se dégrade très rapidement du fait de : 1 la détérioration microbiologique, par les bactéries 2 la détérioration autolytique, par les enzymes 3 l’oxydation de la graisse 1 Les bactéries Les bactéries sont des micro-organismes unicellulaires invisibles à l’œil nu qui décomposent les déchets et les corps des organismes morts. Certaines provoquent de graves maladies. Dans des conditions microbiologiques favorables, la détérioration démarre vite dans les produits frais et non acides ou basiques, d’autant plus vite que beaucoup de cellules ont été dégradées avant le séchage. Elles se multiplient par 10 000 en 7 heures à 35°C Elles se développent mieux à un pH entre 4,5 et 8,5-9. La température idéale est entre 7 et 55°C . Les températures limites de croissance sont -10 et 70C. Le chauffage prolongé les détruit sauf pour les spores. La contamination provient de matériel mal lavé, de poussière, de personne… Le temps écoulé entre la contamination d’un produit et son traitement joue un rôle très important. Observez les règles d’ hygiène pratiquées dans l’agro-alimentaire. Lavez-vous soigneusement les mains à l’eau chaude et au savon après avoir fait un travail sale et avant de toucher les aliments. Changez souvent les torchons et lavez régulièrement vos vêtements. Posez le produit sur des surfaces lisses facilement lavables (par exemple acier inoxydable, carreaux, pierre). Tenez propres les endroits de stockage en les lavant régulièrement avec une solution de carbonate de sodium (soude ménagère). Lavez régulièrement les instruments utilisés. Couvrez bien les aliments. Ne gardez jamais de restes à la température ambiante. Utilisez de l’eau propre. Au besoin, faites-la bouillir

2 Les enzymes Les enzymes sont des protéines qui contribuent à des réactions biologiques, notamment la conversion de certaines substances organiques en d’autres. Après la mort des cyanobactéries, les enzymes qu’elles contiennent sont toujours vivants et ils se mettent à décomposer ses composants en unités plus petites, ce qui altère l’odeur, le goût et la texture. Un traitement thermique (p.ex. la pasteurisation) permet l’inactivation des enzymes. 3 Oxydation des lipides Des réactions peuvent avoir lieu entre la graisse et l’oxygène de l’air. Une longue exposition à l’air, par exemple lors du séchage et du fumage, donne aux produits gras une odeur et un goût rances.

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Il est donc nécessaire d’utiliser une ou plusieurs techniques de conservation pour pouvoir stocker la spiruline récoltée et lui garder ses qualités. La diminution de l’activité de l’eau est une technique accessible à beaucoup car l’activité de l’eau dépend de la teneur en eau et de la température du produit. L’activité de l’eau c’est l’humidité relative d’un air en équilibre avec le produit.

Pour une température donnée, on caractérise un produit par sa courbe de sorption qui est la courbe reliant la teneur en eau à l’équilibre du produit et l’activité de l’eau (ou Humidité Relative de l’air en équilibre avec le produit). Courbe de sorption de la spiruline à 50°C et 60°C Techniques de conservation et séchage Parmi les techniques usuelles de conservation des aliments nous pourrions envisager la congélation, la stérilisation en conserve, la saumure ou le séchage. Traditionnellement la spiruline est séchée au Tchad et elle est salée sous forme de fromage au Mexique. Les opérations qui se prêtent le mieux aux opérations artisanales sont la dessiccation, la conservation chimique et le traitement thermique.

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Tous les traitements de conservation vont détériorer plus ou moins l’aliment, et le choix de la technique dépendra du coût que l’on est près à payer et de l’exigence de qualité qui est fixé. La conservation de produits aromatiques (épices et plantes médicinales) est particulièrement difficile du fait de l’évaporation des composés volatils lors du séchage. Nous allons passer décrire les procédés de séchage facilement accessible dans le but :

- de comprendre les points importants à vérifier pour obtenir un séchage de qualité - de savoir comment dimensionner un séchoir solaire en fonction de la taille de la culture - de savoir quelles sont les possibilités d’amélioration du séchoir

Le déshydratation comme technique de séchage Le salage et la déshydratation par immersion-imbibition (DII) L’addition de sel ou de sucre permet d’arrêter le développement des microorganismes (p.ex. le salage de la viande et du poisson). L’eau sort de la cellule vers le milieu pour équilibrer la pression, diminuant l’activité de l’eau. Les dégradations enzymatiques et autres deviennent plus difficiles. Il a été démontré que les solutés sel et sucre ont un effet antagoniste sur le changement de la masse d’eau : le sucre reste dans l’espace extracellulaire alors que le sel peut pénétrer dans les cellules du fait de la différence de leur masse moléculaire ce qui réduit le gradient de la pression osmotique et augmente le gain en sels. Pour connaitre la pression osmotique optimale pour la spiruline, il faudrait observer à quelle dose de soluté, les cellules commencent à éclater. L’application d’un vide stationnaire accélère la perte en eau mais ne change pas le transfert de solutés. Les aliments uniquement traités par des bains ne sont pas encore stables, il faut leur appliquer un séchage (poissons, dattes, viandes). Cette technique contribue à diminuer le temps nécessaire pour obtenir l’arrêt des dégradations. Le séchage Le séchage est sans doute la méthode la plus facilement accessible aux populations des zones géographiques de croissance naturelle de la spiruline, surtout lorsque l’on utilise le soleil comme source d’énergie. Elle permet en outre : - des économies importantes de logistique lors de la diffusion ou commercialisation de la spiruline (volume à emballer et masse à transporter) - l’amélioration de la qualité sanitaire des produits par une stérilisation partielle (destruction des agents de dégradation)

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Processus du séchage Séchage par ébullition L’ébullition d’un liquide se produit lorsque sa température est telle que la pression de vapeur P de l’eau de ce liquide est égale à la pression totale ambiante P t : P=Pt

Plus faible sera la pression ambiante, plus basse sera la température de vaporisation de l’eau. Normalement, il faut porter le produit à 100°C pour obtenir l’ébullition, sous un vide poussée l’eau boue en dessous de 20°C. ( processus utilisé dans la lyophilisation) Séchage par entrainement Lorsqu’un corps humide est placé dans un courant d’air (ou dans un autre gaz) suffisamment chaud et sec, il s’établit spontanément entre ce corps et l’air un écart de température et de pression partielle d’eau tels que : Un transfert de chaleur s’effectue de l’air vers le produit sous l’effet de l’écart de température. * Un transfert d’eau s’effectue en sens inverse du fait de l’écart de concentration en eau dans l’air. L’air sert donc à la fois de fluide chauffant et de gaz vecteur pour l’eau enlevée : entrant sec et chaud dans le séchoir, il en ressort humide et moins chaud. On remarque que la température de surface du produit (29°C dans l’exemple donné) est loin des 100°C que demanderait l’ébullition à la pression atmosphérique. Le séchage par entraînement est plus important par rapport au séchage par ébullition. Le cout énergétique du séchage peut être diminué par récupération de la chaleur de l’air chaud et humide. Les méthodes de séchage les plus utilisées dans l’industrie sont les suivantes : * Le séchage par air chaud ou séchage ‘traditionnel’. * Le séchage à la vapeur surchauffée. * Le séchage par pompe à chaleur. * Le séchage par chambre chaude. * Le séchage sous vide.

Air de séchage T=80°C Pression de vapeur d’eau = 4000 PA

Air au contact de la spiruline T=29°C Pression de vapeur d’eau = 9000 PA

Spiruline

x

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Le phénomène de séchage comprend normalement 3 phases Correspondant Au chauffage du produit (0), à l’évaporation constante (1) tant qu’il y a beaucoup d’eau, et au séchage à vitesse décroissante (2). Dans le cas de la spiruline, on n’observe que 2 phases : le chauffage du produit (et du séchoir) puis la phase à vitesse décroissante. L’eau est de plus en plus difficilement éliminée du fait de ses liaisons avec les autres constituants cellulaires et du fait que l’eau doit passer du centre du spaghetti vers sa surface (disparition de l’eau libre en surface du produit, épaisseur du produit et diffusivité de l’eau dans le produit qui varie avec la teneur en eau du produit, résistance mécanique des parois cellulaires intactes, croutage =cristallisation de sucre ou sel à la surface) On observe dans la courbe de séchage de la spiruline (Oliveira 2006, 60°C-4kg/m²) une période à décroissante rapide au cours de laquelle la température de surface monte lentement, suivie d’une longue période à décroissante lente au cours de laquelle la température du produit tend vers la température de l’air. Teneur en eau à l’équilibre La teneur en eau de la spiruline diminue jusqu’à atteindre une valeur limite d’équilibre qui dépend de la température et de l’humidité relative de l’air de séchage (HR).

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Si HR à la fin du séchage n’est pas suffisamment basse, l’humidité du produit à l’équilibre risque d’être trop élevée pour assurer sa conservation. De même si le produit est stocké quelques heures dans un air humide sans emballage (ou emballage non imperméable à la vapeur d’eau), il se ré-humidifie. On peut trouver de courbes de sorption, qui donne la valeur de l’humidité d’équilibre du produit en fonction des caractéristiques de l’air ambiant (T °C et HR) Voici 2 courbes de sorption de la spiruline à 50°C et 60°C en fonction de l’HR (donc l’air dans le séchoir) On peut noter qu’à 50°C, la teneur à l’équilibre ne passe pas en dessous de 10%, quelque soit l’humidité relative alors qu’à 60°C on obtient des taux inférieurs à 10% dès une HR de 40%. Courbe caractéristique de séchage On peut tracer une courbe pour chaque combinaison des paramètres du séchoir : vitesse, température, et humidité de l’air entrant. Une fois tracée, il suffit de connaitre les valeurs de la teneur en eau initiale et d’équilibre pour pouvoir décrire l’évolution du séchage et donc savoir à quel moment on peut arrêter le séchage. Capacité de séchage Influence de la température de l’air Plus l’air sera chaud, plus il pourra transférer de chaleur au produit qui, lui, échangera son humidité avec l’air. La chaleur doit être utilisée pour chauffer le produit, le séchoir devra avoir une faible capacité thermique et être bien isolé. On doit cependant limiter la température de l’air, ou plus exactement la température du produit, pour éviter la dégradation des qualités nutritionnelles de la spiruline.

- en début du séchage, l’évaporation est importante et la température du produit reste éloignée de la température de l’air et s’élève doucement,

- en fin de séchage, l’évaporation est faible et la température du produit est proche de la température de l’air.

Il est donc intéressant de conduire le séchage en deux temps. Un premier temps avec une température de l’air élevée et un second temps avec une température entre 55°C et 60°C , pour arriver à la teneur en eau recherchée (<10%). Le suivi de la température à l’interface air/spiruline au cours du séchage serait intéressant.

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Influence de la température de séchage sur le temps de séchage de feuille de menthe.

Influence de la température et de la charge sur le séchage de la spiruline (50°C et 60°C et 4kg/m² ou 6kg/m²) Oliveira 2006 Une augmentation de la température de 10°C entraine une diminution de la durée de séchage de 190mn à 150mn, soit 20%.

Influence de l’humidité de l’air L’humidité relative de l’air modifie la teneur en eau à l’équilibre. Peu d’étude ont été faites pour connaitre l’influence de l’humidité relative, à température constante, sur la vitesse de séchage. Elle augmente la vitesse de séchage sans affecter la qualité nutritionnelle des produits séchés (contrairement à la température). La manière de modifier l’humidité relative de l’air sans modifier sa température sont :

- l’utilisation de poudre de dessiccation ou de matériaux à grande variation de leur teneur en humidité (argile, zéolithe)

- l’utilisation de système de condensation sur plaque froide Il serait intéressant de tester de tel système sur la spiruline et avec un capteur solaire pour vérifier les possibilités de « stocker » la capacité de séchage. Les instruments de mesure mesurent généralement l’humidité relative Air ambiant = somme (air sec + vapeur d’eau) Pression air ambiant = somme (pression air sec + pression vapeur d’eau Pv) L’air va accepter l’apport de quantité supplémentaire de vapeur d’eau jusqu’à un certain point ; après toute vapeur d’eau ajoutée va se condenser. On a atteint le seuil de saturation de l’air, caractérisé par la valeur de la pression de vapeur saturante (Pvs). HR= Pv/Pvs La capacité de séchage sera

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d’autant plus grande que la différence entre la pression de vapeur de l’air ambiant sera éloignée de la pression de vapeur saturante. Pour avoir une capacité de séchage maximale, il faut donc avoir (Pvs-Pv) le plus grand possible avec

- Pv petit , donc un air ambiant le plus sec possible - Pvs grand, donc une pression de vapeur saturante élevé. Hors Pvs augmentant avec la

température, il faut donc un air le plus chaud possible.

Tableau 2 : pouvoir évaporatoire de l'air Ea, en fonction de sa température et de son humidité (Rozis, 1)

Température de l'air en °C Humidité relative en % 20 30 40 50 60 70 80 90

10 4,5 7,0 9,0 10,5 12,5 14,5 16,0 19,0

20 4,0 5,5 8,0 9,0 10,5 11,5 12,0 16,0

40 3,5 4,5 5,0 5,5 8,0 8,5

60 2,5 3,0 3,0 3,5 5,0

80 1,0 1,5 2,0 2,0 2,5

Influence de la vitesse de l’air ou du débit La vitesse de l’air influence positivement en début de séchage, quand l’eau libre est encore importante. Cependant un séchage trop rapide peut engendrer la formation d’une croute sèche autour du produit, qui va ralentir le séchage du cœur d produit. Les vitesses relevées dans différentes expérimentations sont : 1,5 m/s (Elizangela oliveira, 2006 séchage de la spiruline) 0,15 m/s (Demorieux, 2004 séchage de la spiruline) 1 m/s (Touati, 2005, séchage de feuille de menthe) 2m/s (A.K. Aboubakar Dandjouma 2005 séchage de la tomate) 2,5m/s (Kuitche, 2005 séchage de oignons 45°C et 52°C)

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Débit d’air dans le séchoir et quantité de produit mis à sécher Il faut doser la quantité des produits à sécher en fonction des capacités de séchage du flux d’air qui traverse le séchoir. On peut différencier les systèmes d’alimentation naturels et les systèmes mécaniques Débit d’air naturel Le débit d’air peut provenir de moyens naturelles, la mise pression et dépression du séchoir : -- la pression résulte du courant ascendant d’air chaud provenant du capteur solaire à l’entrée du séchoir - la dépression résulte du courant ascendant d’air chaud provenant du capteur solaire à la sortie du séchoir. Le débit obtenu est assez faible et la régulation de la température de l’air est difficile, ce qui peut limiter la capacité de séchage et la qualité des produits obtenus. En l’absence de soleil, les capteurs refroidissent et le débit d’air et la capacité de séchage deviennent nuls. Un moyen de pallier aux variations rapides consiste à stocker en partie l’énergie captée dans des matériaux denses (eau, pierre,…). La quantité de matériaux à utiliser dépendra de l’importance des épisodes nuageux. Il faudra aussi sur-dimensionner les capteurs pour prendre en compte les besoins de stockage. Débit d’air mécanique Si l’on dispose d’énergie électrique, les ventilateurs assurent à la fois des capacités plus élevées et une régulation fine des températures de séchage. On peut aussi assurer une meilleure répartition des courants d’air dans le séchoir. Les ventilateurs sont de deux types : centrifuge qui permettent d’avoir des pressions d’air élevés et axial qui assurent de gros débits avec de faibles pressions. Ci-dessous la courbe de séchage de feuilles de menthe avec des débits d’air différents dans le même séchoir. Le doublement du débit d’air entraine une diminution de 30% du temps de séchage. Influence des caractéristiques du produit à sécher Le séchage interne d’un produit comprend le transfert d’eau du centre du produit vers sa surface, puis de la surface vers l’air. Pour que les transferts se fassent au mieux il faudra : -que la surface de contact avec l’air soit la plus grande possible -que la distance entre le cœur du produit et sa surface soit la plus faible possible (épaisseur du produit)

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La quantité totale mise à sécher influe aussi sur le temps de séchage, surtout pour les claies qui se trouvent loin de l’entrée d’air du séchoir (claie 10 et pas claie 1). La qualité des produits séchés va donc se dégrader beaucoup pour les produits de la calie 10 qui mettront 2 fois plus de temps à sécher. (il y a dégradation du produit jusqu’à l’obtention de la teneur en eau recherchée) (thèse sur la menthe) Influence d’un déshumidificateur de l'air Pour améliorer la capacité d'absorption d'eau de l'air, il est intéressant de prévoir un dispositif de déshumidification de l'air qui abaisse l'humidité de l'air avant son chauffage (entrée dans le capteur solaire). Les différents procédés : - par condensation par passage sur une surface d’échange à la température inférieure au point de rosée de l’air, avec augmentation éventuelle de la pression de l’air. - par adsorption sur des solides, qui ont comme propriété d’attirer l’eau sur leur surface. Une fois l’eau piégée sur le solide, elle peut être évacuée par chauffage du solide, ce qui régénère sa capacité d’adsorption. L’avantage de passer par ces produits au lieu de sécher directement la spiruline est que cette dernière perd ses qualités nutritives à la chaleur, ce qui n’est pas le cas pour des produits minéraux non destinés à la consommation. C’est un moyen d’utiliser l’énergie solaire pour un système de séchage à basse température et à haut débit d’air. La difficulté de ce système provient de la difficulté à quantifier le système. En imaginant qu’une première phase de séchage de 40mn à 60°C permette de faire passer la spiruline de 80% à 30% d’humidité (60mn de séchage), les questions auxquelles il faut répondre sont :

- combien faut-il de produit adsorbant régénéré pour faire baisser l’humidité de la spiruline de 30% à 7% (230g d’eau par kilo de masse fraiche)

- comment serait un séchoir à produit adsorbant. Deux schémas de principe sont envisageables: - régénérer une quantité d’adsorbant importante au soleil le jour avant son utilisation et de la garder dans une enceinte hermétique d’un jour à l’autre pour éviter qu’elle ne se réhumidifie. - régénérer de manière continue, une petite quantité d’adsorbant, disposé sur une roue qui tourne, et qui est soit au contact du matériel à sécher, soit au contact d’un milieu qui le régénère . Le premier étant le plus simple à mettre en place, c’est celui que nous testeront.

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Les différents types de matériel qui ont des propriétés d’adsorption sont : -l’argile, mais ses propriétés se dégradent au fur et à mesure de son utlisiation - le chlorure de lithium, qui est capable de fixer plusieurs fois son poids en eau, -les silicas gel -les gel d’alumines -les zéolithes, qui sont des aluminosilicates dont la structure cristalline est en forme de cage -les sels hydratables tels que le lithium chloride, les sulfates d’aluminium ou de cuivre, le chlorure de calcium -les mélanges qui combine des adsorbants pouvant capter beaucoup d’eau sauf pour les basses teneurs d’humidité et des adsorbants ne pouvant capter que peu d’eau mais qui conserve leur propriété mais aux basses teneurs en humidité relatives. Par exemple le lithium chloride capte beaucoup d’eau dans une ambiance à haute humidité relative mais presque rien dans un ambiance sèche, alors que le silica gel est aussi capable de capter de l’eau en ambience sèche. -les liquides desséchants -les polymères , qui associent divers avantages Un exemple d’échangeur utilisé dans les systèmes de refroidissement solaire est constitué de papier de fibre de verre imprégné de gel de silice (silica gel).

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Dans notre expérience, nous souhaitons utiliser un autre silicate naturel ; la zéolithe qui nous a été aimablement fournie par la société Somex de Montpellier. Idéalement il faut avoir un appareil avec :

- une surface de contact la plus importante possible entre l’air et le produit adsorbant. - une surface « durable », c'est-à-dire qui ne s’altère pas suite aux cycles humidification-

séchage qu’elle subira tous les jours. - une surface qui puisse directement captée l’énergie solaire, pour monter le plus

possible en température lors de la régénération (avec complémentaire apport de chaleur par brulage de biogaz si nécessaire)

Le produit adsorbant, réduit en fine particule, pourrait être imprégné sur un support fibreux tel que du carton résistant au feu, qui a été mis en forme de roue. Dans notre cas, nous

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utiliserons une boite vitrée contenant une ou plusieurs couches de zéolithes de 3 à 5 cm d’épaisseur qui recevra l’air chaud provenant du capteur solaire et dont les échanges de chaleurs seront optimisés par des chicanes. Captation de l’énergie solaire Un capteur solaire se compose d’un matériau qui transforme l’énergie solaire en chaleur et la transmet à l’air qui servira à sécher les aliments. Le système le plus simple serait d’utiliser la lame d’air située entre le toit de son local technique et une plaque d’isolant située un peu plus bas. On peut aussi fabriquer des capteurs plans qui possèdent : - une plaque métallique absorbant l’énergie solaire, c'est-à-dire qui piège la lumière parce qu’elle est peinte en noir ou qu’elle a reçu un traitement sélectif de surface pour piéger les photons (oxyde de nickel, chrome ou titane ). Cette plaque va chauffer et transmettre sa chaleur à : - une lame d’air , qui va véhiculée la chaleur dans le séchoir - une plaque de couverture transparente qui va laisser passer le rayonnement visible et l’infrarouge proche jusqu’à l’absorbeur mais qui va bloquer le rayonnement énergétique émis par l’absorbeur chaud dans l’infrarouge lointain (effet serre) - un isolant qui va éviter les déperditions de chaleur par le fond du capteur On doit choisir comme matériau de couverture à matériau qui permet l’effet serre : le verre (normale ou de serre = appauvries en fer) ou le polycarbonate. Certains films plastiques permettent aussi de bénéficier de cet effet, en particulier les films multicouches contenant de l’ E.V.A (éthylène acétate de vinyle), mais ils se dilatent beaucoup à la chaleur.

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Les comparaisons de prix sont à mettre en comparaison avec la durabilité des matériaux :

- très élevée pour le verre - moyenne pour le polycarbonate (10 ans) - faible pour les films plastiques (3ans)

Le rendement théorique du capteur va dépendre à la fois :

- de la qualité captation et rétention des rayons du soleil (pertes de 20 à 30%) - des pertes de chaleurs du capteur (isolation déficiente). Ces pertes seront d’autant plus

importantes que l’on voudra obtenir une différence élevée de températures entre l’air entrant et sortant du capteur.

- du débit d’air traversant le capteur - de la présence de chicanes augmentant le trajet et les turbulences entre l’air et

l’absorbeur

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Ce rendement varie entre 20% et 55% suivant la température souhaitée en sortie du capteur. Le capteur sera d’autant moins efficace que la différence de température entre l’air à l’entrée et l’air à la sortie sera élevée (ex 60°C à la sortie pour 10°C pour l’air ambiant). Des études sur la forme des surfaces absorbantes ont permis d’améliorer l’efficacité des capteurs à air:

- l’augmentation des surfaces d’échange par des rebords, un double passage de l’air (au dessous puis au dessus des absorbeurs)

- l’insertion d’obstacles qui introduisent des turbulences (séchage de la figue)

- l’insertion de chicanes qui allongent le parcours de l’air sur la surface absorbante (séchage de la figue)

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La connaissance des données météo de la région où sera installé le capteur est important. On doit y trouver :

- la radiation solaire journalière, qui peut être utilisée par le capteur au cours d’une journée. En zone tempérée, elle varie beaucoup entre les différents mois de l’année. En zone équatoriale elle est plus constante.

- L’humidité relative moyenne de l’air, qui varie beaucoup entre l’été et l’hiver pour certains climats (voir Anapolis-Brésil)

- La température de l’air ambiant : plus elle sera élevée, meilleur sera le rendement du capteur pour une température de fonctionnement de 50 ou 60°C. On peut voir que la température et l’humidité relative varient beaucoup au cours d’une même journée (15/09/09 au Brésil)

Données de Toulon, au 15 du mois

- jan fév mars avr mai juin juil août sep oct nov déc année

Déclinaison (°) -21 -12 -2.4 9.6 18.8 23.4 21.2 13.2 1.8 -10 -19 -23 0.0

Insolation (h) 4.87 5.5 6.67 8.59 9.56 10.93 12.32 10.54 8.31 7.18 5.2 5.03 7.73

IGH (kWh/m²) 1.86 2.92 4.08 5.47 6.28 7.44 8.03 6.5 5.11 3.25 2.22 1.64 4.57

T air moy (°C) 9.4 10 11.7 13.3 17.2 20.6 23.9 23.9 21.1 17.2 12.8 10.6 16

T eau moy (°C) 12 12 13 14 16 18 19 19 18 16 14 13 15.3

Humidité rel (%) 75 75 73 73 74 73 70 70 70 75 76 76 73.3

Données de Anapolis –Brésil en aout et décembre

Dia Precip. Prec.Acum. HR (Max) %

HR (Min) %

HR (Moy) %

Temp. Max. ºC Jour

Temp. Min. ºC Jour

Temp. Med. ºC de l’air

Radiação Solar Diaria MJ/m²

1/8 0.00 0.00 48.0 23.0 33.7 30.5 20.1 24.92 16.2 2/8 0.00 0.00 50.0 30.0 40 29.6 21.8 25.58 11.8 3/8 0.00 0.00 63.0 29.0 42.5 31.0 20.9 25.72 13.1 5/12 23.50 29.00 100.0 75.0 100 26.0 18.5 20.4 10.2

6/12 0.75 29.75 100.0 69.0 92.2 27.0 18.0 20.8 17.3

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Les relevés au cours d’une journée, Goiânia 15/09/09, permettent de prévoir le comportement du séchoir La capacité de séchage augmente entre 7h (HR : 60%-levé du soleil) et 11h (HR:26%-cumul des radiations solaires proche de 50%). Un des objectifs d’amélioration d’un séchoir solaire serait le stockage de capacité de séchage, soit au cours de la journée, soit d’une journée à l’autre.

Une journée ensoleillée de mai à Hyères apportant environ 6,33 kWh /m² de capteur, dont 70% sont apportés au moment où nous souhaitons sécher. Nous ne pourrons en récupérer de 1,4 à 2 kWh/m² (0,7 x 0,4 x 6,33) suivant les paramètres de fonctionnement du capteur. De quelle quantité de capteur devons nous disposer? Pour vaporiser 1 kg d’eau libre, il faut une énergie de 2250 kJ (0,625kWh). Dans un produit, l’eau n’est pas libre et il faut en moyenne 3500 kJ /kg (1 kWh) pour la faire évaporer. Si j’ai 10 kg de spiruline fraiche avec 80% d’eau et que je dois arriver à une teneur en eau de 7% en fin de séchage, il faudra évaporer 7,3 kg d’eau en lui apportant environ 7,3 kWh, sans trop la chauffer. Ces 7,3 kWh seront obtenus grâce à 4 à 6 m² de capteurs solaires pour sécher en 5 heures de fort rayonnement solaire de la journée (de 10h à 15h). Si l’on veut sécher sur un intervalle de temps plus court, il faudra obtenir les 7,3 kWh nécessaires sur un temps plus court, donc augmenter la surface de capteurs. Le débit d’air minimum traversant le séchoir devra être capable d’évacuer l’eau évaporée sans atteindre la condensation. Débit d’air : Le débit d’air doit permettre l’évacuation de toute l’eau évaporée et il doit éviter que ne se forment des zones de séchage préférentielles dans le séchoir. Connaissant (ou mesurant) la teneur en eau de l’air à l’entrée du séchoir en g d’eau / kg d’air sec (Xe) et la teneur en eau de l’air à la sortie du séchoir en g d’eau / kg d’air sec (Xs), le rendement du séchage, la masse d’eau à sécher, le temps de séchage désirée, on peut calculer le débit d’air minimum nécessaire à partir de la formule

Heure du jour Umid. Relat. AR (%) Temperatura do ar (C)

Radiacao Solar

Acumulada MJ/m²

6 60.0 22.4 0.0 7 60.0 23.5 0.1 8 49.0 25.1 0.7 9 38.0 28.3 1.4

10 35.0 30.8 2.1 11 26.0 31.6 2.6 12 26.0 32.8 3.1 13 26.0 33.1 2.8 14 25.0 33.5 1.5 15 26.0 32.7 1.1 16 25.0 32.2 0.4 17 26.0 32.3 0.6 18 28.0 31.3 0.0 19 31.0 30.3 0.0 20 34.0 29.1 0.0 21 40.0 27.4 0.0 22 42.0 26.9 0.0 23 45.0 26.0 0.0

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Da = 1000 . Me / ( ts . masse volumique air sec . ( Xe – Xs) . rendement du séchage ) Evolution technologique du produit au cours du séchage Comme tout traitement thermique, le séchage entraîne des modifications de la composition et des qualités nutritionnelles de la spiruline, se traduisant par une dénaturation des protéines et des vitamines, des réactions de brunissement et une in-solubilisation plus ou moins marquée des protéines. 1. La dénaturation des protéines est un processus complexe qui induit des changements de forme de ces molécules tridimensionnelles. Les déformations peuvent être réversibles ou irréversibles et ses effets sont variés comme la perte d’activité biologique, augmentation du risque de dégradation chimique (exposition des liaisons peptidiques moins stables), modifications de la solubilité (exposition différente des sites hydrophiles ou hydrophobes), du pouvoir de rétention d’eau, de la viscosité des solutions. 2. La dégradation des protéines n’affecte pas seulement la forme mais la composition des protéines. Elle aboutit par conséquent à la formation d’autres produits, parfois indésirables. Les plus connues sont se réalisent suite au chauffage: -la formation de nouveaux protéines dont certaines anormales : isopeptides (chauffage liant la lysine à d’autres acides-aminés), de lysinoalanine (chauffage en milieu basique) qui sont moins digestibles -les réactions de Maillard : entre un sucre réducteur et un groupement aminé. Cette réaction et la responsable principale de la production des odeurs, des aromes et des pigments caractéristiques des aliments cuits. Elle peut aussi donner naissance à des composés cancérigènes ou réduire la valeur nutritionnelle des aliments en dégradant les acides aminés essentiels. Beaucoup d’études ont été menées dans le cas du lait. La sensibilité thermique de chaque constituant protéique a été précisée (Larson et Rolleri, 1955). L’importance de nombreux facteurs physiques et chimiques (pH,concentration, adition de sels ionisés, de cystéines,…) sur la stabilité thermiques des protéines solubles a été déterminée (Nielsen et al, 1973 ; Townend et Gyuriseck 1974) La dénaturation des protéines solubles de lait se produit essentiellement entre 65°C et 80°C (Larson et Rolleri, 1955). PND : pourcentage de protéines non dénaturées

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3 . L’oxydation des lipides (rancissement) et des vitamines 4. la perte d’aromes et de couleur L’étude du noircissement des feuilles de certaines plantes pendant le séchage a révélé que la couleur verte est maintenue à condition que le séchage s’effectue à une température inférieure ou égale à 55°C (B.-B ; Odile, 1991 p31 thèse) Comment faut-il conduire son séchage ? - sur une grande période de temps, à faible température (<40°C) : on aura alors une longue période pendant laquelle il y aura des dégradations enzymatiques de la spiruline - sur une courte période de temps et à température élevée (60°C). On aura moins de dégradations enzymatiques mais on aura plus de dégradations dues aux réactions de Maillard. - en deux phases, à 60°C en tout début de séchage et à 50°C ou moins ensuite ?

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Les dégradations des protéines sont difficiles à mesurer, d’autant plus qu’un traitement thermique doux augmente la digestibilité des protéines alors qu’un traitement à plus haute température insolubilise les protéines. Les méthodes utilisées sont : - la mesure de l’indice solubilité dans l’eau des protéines (rapport des protéines solubles par rapport aux protéines totales) mesuré par la méthode de Morr (Elisangela Oliveira, 2005) La majorité des protéines sont solubles dans l’eau dans la spiruline fraiche. La solubilité tend à augmenter par chauffage jusqu’à 40°C -50°C puis au dessus de ces températures, la solubilité diminue au fur et à mesure de la dénaturation des protéines (Sgarbieri, 1996). La Spiruline fraiche a une solubilité protéique de 25% alors que la solubilité varie de 26% à 37% après passage dans un séchoir à lit fluidisé à 70°C . (Elisangela Oliveira, 2006). Dans cette étude, une mesure de la digestibilité in vitro de la spiruline a aussi été faite. La spiruline fraiche ayant un digestibilité in vitro de 47%, alors que les spirulines séchées ont une digestibilité moitié moindre (de 19 à 21%).

-La mesure de la solubilité en milieu acide (Elisangela Oliveira, 2006) On ajoute 2,5g de spiruline sèche à 50ml de solution d’acide chloridrique 0,1N. On agite pendant 15mn puis on centrifuge à 3500 rpm pendant 15mn. On filtre le contenu des tubes et on détermine la quantité de protéine du surnageant par la méthode micro Kjeldhal avec un facteur de conversion de 6,25. Séchage de la spiruline Indice de solubilité 50°C et 4 kg de spiruline humide/ m² 50,2 - 51,4 60°C et 4 kg de spiruline humide/ m² 63,6 - 81,6 50°C et 6 kg de spiruline humide/ m² 38,3 - 42 60°C et 6 kg de spiruline humide/ m² 39 - 53 On note que la solubilité est significativement différente suivant la charge mise à sécher, puis suivant la température - la mesure des protéines totales et des sucres totaux (H. Desmorieux, 2004) L’extraction des protéines est faite sur de la spiruline lavée et cassée par ultrason. Le contenu est déterminé par l’utilisation de l’acide bicinchoninique (BCA). Les quantités sont mesurées par comparaison avec la BSA (serum-albumine bovine) qui sert de standard au spectrophotomètre à 562nm, A l’étuve, la concentration en protéine en fonction de la température de séchage température Masse fraiche 40°C 60°C 70°C % de protéine séchage en étuve

100% (témoin) 90% 88% 84%

% de protéine séchage par convection

100%

75%

80%

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Les résultats obtenus montrent des pertes de 10% à 20%, avec une faible corrélation entre le taux de perte et la température (il augmente pour le séchage à l’étuve mais il baisse pour le séchage par convection) et une corrélation plus importante avec le système de séchage (étuve, convection, radiation infra-rouge, spray dryer, lyophilisation) La variabilité est importante entre les expériences de séchage pour le même protocole de séchage (variations de ± 10%).

- la mesure des sucres totaux (H. Desmorieux, 2004) . La méthode de Herbert où l’acide sulfurique concentré et le phénol sont mélangés au produit avant la mesure de l’absorbance à 480nm, et la comparaison à l’absorbance d’une solution de glucose de 0 à 100g/l. Les pertes en sucres sont de 30% et varient peu avec la température.

- le test modifié de fixation du rouge de crésol (test de cuisson du soja, Zelter, 1971) Le rouge de crésol a été utilisé comme test empirique pour évaluer la sur-cuisson des tourteaux de soja et éviter la baisse de digestibilité de leur protéine pour l’alimentation animale. Dans cette étude, la solubilité des protéines dans l’eau avait aussi été utilisée et son altération était faible jusqu’à un seuil de 100°C à partir duquel elle baissait fortement. La solubilité dans l’acide variait de manière plus régulière, de même que le test au rouge de crésol.

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- le contenu en phycocyanine en frais et après le séchage. Les méthodes industrielles de séchage (spray dryer et convectifs) entrainent une perte de 50% (SARRADA et Al, 1999) On met 40mg de spiruline sèche dans 10ml de tampon phosphate à 100mM. On agite jusqu’à dissolution complète, puis on laisse la solution à 4°C pendant une nuit. On centrifuge à 3500 rpm pendant 5mn après agitation, avant la lecture de l’absorbance à 615 nm, en utilisant le tampon phosphate comme base. Méthode de séchage Solubilité protéique à l’eau Teneur en phycocyanine frais 25,2 +- 3,7 65,1 +-0,1 Séchoir convectif à 60°C, 4kg/m² 37,8 +- 2,5 54,5 +-0,1 Séchoir lit fluidisé 70°C 35,1 +-4,5 60,7 +-0,1 - la mesure de l’activité de la superoxyde dismutase montrerait la dénaturation d’une enzyme On mesure la capacité de cette enzyme d’inhiber la réduction du nitro tetrazolium par les radicaux libres superoxydes, générés en milieu de réaction par la photoréduction de la riboflavine. Le dosage est colorimétrique par absorbance à 560nm. Ce type de travail n’a pas encore été fait.

- la méthode FAST (Fluorescence of Advanced Maillard Products and Soluble Tryptophan), méthode simple, rapide et peu couteuse

- une mesure d’oxydation et de saturation des lipides

y = 0,6699x + 5,6064R2 = 0,9973

y = 0,0057x2 + 0,6012x + 9,7962R2 = 0,9973

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

0 50 100 150

Temps d'incubation à 60°C

Flu

ores

cenc

e en

cps

/g d

e pr

otéi

nes

Protéines solubles

Protéines totales

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Critères nutritionnels : taux de solubilité des protéines en fin de séchage, perte de phycocyanine entre la début et la fin du séchage, perte de digestibilité « in vitro » Isotherme de désorption de la spiruline C’est la courbe représentant pour une température donnée la teneur en eau X d’un produit en fonction de l’humidité relative de l’air en équilibre (HRE) Pour obtenir des humidités relatives constantes dans une étuve, on utilise des solutions salines saturées de KOH, (MgCl2, 6H2O), K2CO3, NaNO3, KCl et (BaCl2, 2h2O) qui permettent d’obtenir des humidités relatives de 0,05 à 0,9. Les études de Oliveira ont permis de vérifier la correspondance entre la courbe de désorption de la spiruline et le modèle mathématique GAB de Van den Berg (1984), entre 10% et 90% d’humidité relative Xeq= ( Xm* Cg * k * HR ) / ( 1-k*HR)(1-k*HR + Cg*k*HR)

Détermination de la quantité de chaleur Q nécessaire à la vaporisation d’une molécule d‘eau. Q est la somme de la chaleur latente de l’eau Lvap (évaporation de l’eau sans contrainte) + chaleur isostérique de sorption Qst. La chaleur isostérique est calculée à partir des

Air ambiant : température et humidité

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Énergie consommée par l’opération de séchage

L’enthalpie d’évaporation théorique de l’eau est environ 2259 kJ/kg (540 kcal/kg) par kg d’eau évaporée à 100 °C. On peut calculer la valeur théorique de l'énergie de séchage avec les hypothèses suivantes :

• air de départ 15 °C et 60 % HR ; • chauffage à 160 °C (à humidité constante – ligne verticale). Le diagramme de Mollier

permet de suivre les transformations et les besoins en énergie de façon typique ; • dans le séchoir, l’air perd de la chaleur sensible et se charge d’humidité et l’état de

l’air se déplace sur une ligne isenthalpique ; • l’air sort du séchoir ; il a une certaine température, par exemple 30 °C et il ne peut pas

être complètement saturé en humidité ; • le séchoir est suffisamment grand (long) pour que les produits soient en équilibre avec

l’air final.

Dans ce cas, l’enthalpie théorique nécessaire est de 3100 kJ/kg eau (741 kcal/kg). Il y a donc environ 40% de perte. Sur la figure 32, on a tracé les enthalpies minimales en fonction de la température de l’air initial (son humidité ici est fixée à 60 %) et de la température de l’air chaud fourni au séchoir. On voit, bien sûr que, l’été les consommations du séchoir sont plus faibles et qu'elles sont plus importantes l’hiver. A la valeur précédente de 3100 kJ/kg eau, il faut ajouter les pertes dues au chauffage des produits, les pertes à travers les parois du séchoir, et l’énergie utilisée pour ventiler la charge, une forte ventilation améliore le rendement thermodynamique mais augmente les puissances électriques des ventilateurs et leur consommation. Par ailleurs, les séchoirs ne fonctionnent généralement pas de façon continue mais ils ont un rythme journalier et hebdomadaire qui suit généralement le façonnage qui souvent ne travaille pas de nuit ni le week end, ce qui limite les rendements thermiques. Pour des séchoirs bien réglés, il faut donc compter une consommation variant de 3 500 à 4 000 kJ/kg d’eau évacuée. Une étude récente donne une valeur moyenne de 4 300 kJ/kg d’eau pour l'industrie allemande. Les pertes représente 90% de l’énergie théorique de séchage ; le rendement est de 53%.

L’eau sort généralement des séchoirs sous forme vapeur et donc toute la chaleur de condensation est perdue. Il semblerait intéressant d’essayer de la récupérer. En pratique, il est difficile de récupérer facilement de la chaleur à basse température et cette dernière n’est pas récupérée sur les séchoirs conventionnels de la terre cuite. Jusqu'à présent, on a calculé les énergies en fonction de la masse d'eau évaporée. On peut les rapporter à la masse d'argile sèche. L'énergie de séchage dépend de l'humidité initiale de l'argile. Pour le séchage d’une tonne de produits (en sec), dont l’humidité initiale était de 25 %, il faut 25 % de l’énergie précédente soit environ 875 à 1 000 kJ/kg produit sec pour le même séchoir bien réglé. Les consommations électriques des ventilateurs sont, elles, de l’ordre de 6 à 13 kWh/t produit sec (22 à 47 kJ/kg produit sec). L’apport calorifique nécessaire au séchoir est d’abord fourni par la récupération d’air chaud sur les fours (air préchauffé dans le four dans la zone de refroidissement des produits). Le complément est fourni par des foyers directs à brûleurs (au gaz, au fuel, au bois,..), des générateurs d’air chaud, des échangeurs ou des chaudières. Quand on parlera du bilan thermique de la cuisson, on verra comment les besoins du séchage peuvent en bonne partie être couverts par l’énergie de récupération disponible du four.

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UTILISATION DE LA ZEOLITHE COMME AUXILIAIRE DE SECHAGE Protocole de mesure de la capacité de d’adsorption des deux zéolithes confiées - pesée de quantités de 500g : échantillons 2 à 60°C - 2 à 80°C- 2 à 100°C - mettre les échantillons dans des boites en métal ou en verre (épaisseur de 3cm) - mettre les boites ouvertes dans l’étuve préchauffée - chauffer l’étuve à 60°C pendant 2 heures et retirer les 2 échantillons (60°C) - peser les 2 échantillons 60 et on les ferme hermétiquement pour les laisser refroidir jusqu’au lendemain - on les ouvre dans une ambiance dont l’humidité est connue et idéalement proche de celle où l’on voudra travailler avec le séchoir, on laisse la zéolithe adsorber l’humidité pendant 3 heures, avec des pesées toutes les 30mn. 2 répétitions. Résultats obtenues : poids d’eau absorbée dans les plages de températures et d’hygrométrie utilisées pour le séchage. Protocole d’utilisation de la zéolithe dans le séchage de la spiruline. Réalisation d’un coffre :

- capteur solaire au dessus verre + plaques noires non jointives - avec des parois internes recouvertes d’un film étanche à la vapeur d’eau - un fond sera un isolant - un étage à zéolithe constitué d’un grillage posé sur un cadre - une entrée et sortie d’air et de zéolithes sur les parois latérales pour pouvoir retirer la

zéolithe pour la sécher si nécessaire. - une glacière mise en parallèle avec de la glace où l’eau évaporée sera attiré et se

condensera - Pied

PROTOCOLE D’ETUDES

1) Etude du comportement de l’ensemble capteur-séchoir

Les mesures porteront sur : - L’influence du débit d’air : - Sur le temps de séchage ?

- Sur la quantité de matière séchée ?

- Temps et quantité séchée en fonction de la température ? Les paramètres à suivre ou à faire varier porteront sur :

Teneur en eau : X = (Mh-Ms ) / Ms = mesure de la masse Mh : masse humide (kg) Ms : masse sèche (kg) Temps écoulé Températures

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- de l’air extérieur à l’entrée et à la sortie du séchoir - du produit mis à sécher. Humidités relatives - de l’air extérieur à l’entrée et à la sortie du séchoir Débit de l’air Poids de la spiruline à sécher Radiation solaire Odeurs de 10 grammes de spiruline maintenue une semaine dans une boite en fer hermétique. Pour chaque cycle de séchage, mesure à l’étuve du pourcentage d’humidité résiduelle de la spiruline. Pour se faire, nous prenons 10 grammes de spiruline placée dans l’étuve à 150°C. Des que le poids sera stabilisé, nous serons de façon précise le pourcentage d’humidité avant étuvage. L’objectif étant d’obtenir un résultat inférieur à 7%.

Test d’un séchage en deux temps On séchera d’abord à 60°C ou à température maximum du séchoir pendant 60 minutes puis on utilisera le procédé d’adsorption d’humidité par zéolites. La spiruline sera extraite du séchoir pour être placée dans le déshumidificateur jusqu’à l’obtention de l’humidité d’équilibre.

Utilisation de produit diminuant l’activité de l’eau SECHAGE Date Poids mis à sécher: Poids claie(s) vides: Forme: spaghetti - flocons… Heure de début séchage: Nombre claies utilisées: Nombre de ventilateurs : Vitesse de l'air à la sortie: Poids en fin de séchage : (claie+spiruline)

DESHUMIDIFICATION Heure de début: Heure de fin Poids fin déshumidification

MESURE % HR Poids 10g mis à étuver 24h Mesure HR 10g boite hermétique.

Mesure des temp. et H.R.

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10:00 T°C air IN sec T°C air IN humide HR % T°C spiruline T°C air OUT sec T°C air OUT hum HR %

12:00 T°C air IN sec T°C air IN humide HR % T°C spiruline T°C air OUT sec T°C air OUT hum HR %

14:00 T°C air IN sec T°C air IN humide HR % T°C spiruline T°C air OUT sec T°C air OUT hum HR %

16:00 T°C air IN sec T°C air IN humide HR % T°C spiruline T°C air OUT sec T°C air OUT hum HR %

OBSERVATION Analyse des résultats obtenus : Graphique des différentes variables mesurées en fonction du temps au cours d’un cycle de séchage Nous pourrons comparer : - 3 cycles de séchage avec une charge de 200 grammes de spiruline d’un bassin donné. - 3 cycles de séchage avec des charges différentes. (100/200/300 grammes) - 2 cycles de séchage avec débits d’air différents pour 200 grammes de spiruline. - 3 cycles de séchage avec déshumidificateur.