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Ingénierie des Biopolymères pour la Structuration des Matrices et des Matériaux

Joint Federation "Biopolymer Engineering for Matrices and Material Structuration"

Structure Fédérative de Recherche N° 4202

Bilan Axe 3

Axe transversal : Génie de la Réaction 

Approche transversale de modélisation appliquée à la structuration et la déstructuration des matrices alimentaires

Notre contribution s’appuie sur une collaboration dans le domaine de la modélisation mécanique numérique, par S. Guessasma et S. Belhabib qui co-encadrent deux Masters, l’un axé sur le mélange des biopolymères et l’autre sur leur mise en œuvre.

Dans le cadre du projet de recherche LIMPONAN (Liquides Ioniques et Matériaux Polymères Naturels Novateurs), cette collaboration a pour objectif de déterminer la contribution interfaciale (résistance interfaciale, rigidité,…) des liquides ioniques. En effet, les liquides ioniques sont des sels fondus, qualifiés de « solvants verts », qui permettent de moduler les propriétés thermomécaniques et l’hygroscopie des bioplastiques en assurant une compatibilité avec d’autres biopolymères. Leur utilisation pour l’élaboration de nouveaux agromatériaux (mélanges de biopolymères) ouvre des voies de valorisation des ressources végétales. Cependant, leurs effets mécaniques sont méconnus, à ce jour, et leur quantification nécessite de recourir à des techniques numériques pour en déterminer la contribution dans le comportement mécanique des mélanges à base d’amidon, en distinguant les effets sur les phases et les interfaces. A partir des caractérisations mécaniques et structurales réalisées dans le cadre de la thèse de P. Decaen (2015) à l’aide d’une mini machine de traction, les microstructures des mélanges à base d’amidon ont été déterminées par analyse d’images, puis converties en maillage éléments finis; les caractéristiques  structurales des mélanges obtenues expérimentalement ont été déduites par un algorithme de génération adapté;  une démarche d’optimisation couplant des simulations numériques et les mesures expérimentales a été développée pour identifier le comportement mécanique des mélanges avec ou sans effet interfaces. Ceci a permis de quantifier les relations entre les aspects structuraux (quantité d’interfaces, teneur en phase), teneur et nature du liquide ionique avec les prédictions du modèle éléments finis.

Compte-tenu des nouvelles perspectives de conception de matériaux ouvertes par l’impression 3D, nous nous sommes proposés d’établir une démarche de type ingénierie reverse pour optimiser la performance mécanique de matériaux alvéolaires élaborés selon ce procédé. A partir de la génération virtuelle de structures alvéolaires, les propriétés mécaniques sont ensuite déterminées par un calcul en éléments finis. La structure alvéolaire est optimisée par un outil hybride, sur la base de critères structuraux (teneur en porosité, taille d’alvéoles, ..) et mécaniques  (résistance mécanique, rigidité), pour ensuite être fabriquée par impression 3D. Cette structure optimisée est testée mécaniquement et caractérisée par micro-tomographie RX. Les résultats ouvrent des perspectives de conception de nouveaux assemblages pour des applications alimentaires (texture contrôlée de produits à base d’amidon) et non-alimentaires (milieux aérés pour la régénération de tissus et croissance cellulaire).

Des travaux ont également été menés sur le laminage des pâtes céréalières et l’effet sur le dégazage des pâtes. Un laminoire prototype, mis au point à ONIRIS pendant le projet FP7-PLEASURE, équipé de capteurs de couple et d’épaisseur a été utilisé pour étudier le comportement de pâtes à pizza (FP7 PLEASURE) et de pâtes à pain (Post Doc A. SANDOVAL-2013). Un post doc a conduit au dépôt d’une AIC « Structures Alvéolaires élaborées Sous Contraintes et leur Orientation (SASCO) » en cours (2014-2016).

 

Approche transversale appliquée à l’optimisation énergétique des procédés

La collaboration entre l’INRA BIA et GEPEA dans ce domaine s’est illustrée dans le projet ANR BRAISE, boulangerie raisonnée et efficacité énergétique, financé par l’ANR dans la cadre de l’appel à projet ALIA 2008. Le projet a été réalisé de 2009 à 2012.

Ce projet ANR comportait 8 partenaires, et la collaboration entre les deux entités a concerné plusieurs volets du projet :

– le volet évaluation énergétique des fours existants : évaluation énergétique d’un four électrique et d’un four gaz : métrologie réalisée par le GEPEA, protocole d’essais, recette (…) réalisés par l’INRA, essais réalisés conjointement pour une analyse des résultats effectuée par le laboratoire de thermocinétique de Nantes.

– le volet modélisation masse/chaleur/déformation où GEPEA et INRA BIA ont coopéré pour la détermination des paramètres physicochimiques nécessaires à l’élaboration du modèle développé par le LIMATB (Laboratoire d’Ingénierie des Matériaux de Bretagne, Lorient) via une thèse.

– les essais expérimentaux pour la validation des modèles, et la fourniture de données expérimentales pour la mise en place d’un modèle mécanistique, et d’une commande optimale développée par le GIPSA (Grenoble Image Parole Signal et Automatique).

– l’encadrement d’étudiants ingénieurs et d’une stagiaire de Master pour la détermination du protocole optimal de cuisson dans un prototype de four à jets en impact développé au GEPEA,

– l’élaboration d’outils et méthodologies pour la détermination de la qualité du pain après cuisson.


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