Systèmes de surgélation cryogénique

L'azote liquide ou le dioxyde de carbone liquide, une fois acheté, est conservé dans une cuve de stockage pressurisée. Le fluide cryogénique est transporté sous forme liquide dans l'unité de surgélation et appliqué directement sur le produit de façons variées en fonction du type de fluide cryogénique, de surgélateur ou de produit. Cependant, il faut noter que le fluide cryogénique est un consommable qui, sauf circonstances exceptionnelles, ne peut être utilisé qu'une seule fois.

Les systèmes de surgélation cryogénique ne demandent pas un grand investissement financier, ni de coûts élevés d'entretien préventif. De plus, ils occupent un espace réduit et sont flexibles (ces surgélateurs peuvent être installés ou retirés sur un weekend). Point à noter cependant : le prix et la disponibilité de l'azote ou du dioxyde de carbone liquide dépendent de la situation géographique du client. De fait, le coût de la réfrigération cryogénique peut atteindre plus du triple des coûts d’une réfrigération en froid mécanique.

Contrairement à la congélation en froid mécanique, la surgélation cryogénique a tendance à solidifier l'extérieur du produit, et ainsi à prévenir les pertes excessives d'humidité. Cela peut être considéré comme un atout pour la qualité du produit, en fonction du type de produit concerné.

 
Principaux types de tunnel cryogénique : 

Tunnel de surgélation linéaire 
Le tapis est droit sur toute la longueur du surgélateur. Il est alimenté en LN2  (azote liquide) ou en CO2 (dioxyde de carbone liquide).

Tunnel de surgélation multi-pass
Le tunnel est composé de plusieurs tapis superposés sur toute la longueur du surgélateur. Au bout du premier niveau, le produit tombe sur le tapis situé en dessous et ainsi de suite. Chaque tapis est réglable en vitesse ce qui permet d’ajuster l’épaisseur de produit sur chaque niveau et ainsi optimiser le rendement et la capacité de production. Ces tunnels sont alimentés en LN2  (azote liquide) ou en CO2 (dioxyde de carbone liquide). Système compact et optimum pour les produits IQF et ou les capacités horaires importantes.

Tunnel de congélation à bande avec taquets
Ce système d'acheminement se compose de trois bandes courtes ou plus inclinées, qui basculent le produit d'un compartiment vers le suivant. Cette solution convient à merveille aux petits produits alimentaires qui ont tendance à se coller les uns aux autres en se congelant lorsqu'ils entrent en contact. En maintenant en mouvement les parties individuelles du produit alimentaire, il est possible de surgeler rapidement et séparément de grands volumes de petits produits alimentaires tels que des viandes en dés, baies sauvages et légumes. Il est alimenté en LN2  (azote liquide) ou en CO2 (dioxyde de carbone liquide).

Surgélateur par immersion
Le produit alimentaire est plongé dans un bain d'azote liquide. Il s'agit du taux de transfert de chaleur le plus rapide en matière de surgélation cryogénique, mais il se caractérise aussi par des taux d'efficacité moindres du cryogène (utilisation plus élevée de l'azote) que pour d'autres types de tunnels. Cependant, il a été démontré que les surgélateurs par immersion LN2 alliés à des congélateurs à spirale (cryogéniques ou mécaniques) permettent d'augmenter largement la productivité et le rendement (réduction des pertes de déshydratation) et de d’éviter des marquages ou une destruction de la sole des produits alimentaires dus au contact avec les tapis.
Il est uniquement alimenté en LN2 (Azote liquide).
 
Surgélateur à spirale
De l'extérieur, la spirale ressemble à une grande boîte carrée. A l'intérieur, le tapis s'enroule en spirale autour d'un tambour central, chaque niveau de tapis se trouve à une hauteur définie initialement (selon hauteur des produits à traiter). En règle générale, le produit est acheminé dans la partie inférieure de la spirale (+/- 900 mm) et ressort par le haut de la structure. Bien que les taux de transfert de chaleur soient moindres que pour d'autres équipements cryogéniques, cette unité peut contenir jusqu'à plus de 200 mètres de bande, et ainsi engendrer des taux de production très élevés. Il est alimenté en LN2  (azote liquide) ou en CO2 (dioxyde de carbone liquide).

Cellule de surgélateur (pour batch)
Ce surgélateur ressemble à une grande armoire. Le produit alimentaire est chargé sur des plateaux eux même positionnés sur un chariot qui est chargé manuellement dans la cellule. Au terme de la surgélation, le ou les chariots sont retirés de l'armoire. Cette unité occupe très peu d'espace, mais la production est aussi en général limitée à quelques centaines de kilogrammes par heure. Il ne s'agit pas d'un surgélateur « inline », néanmoins son coût relativement bas et sa polyvalence en font un favori des industriels qui se lancent, pour des nouveaux projets de développement de produit ou pour des services R & D. 
Il est alimenté en LN2  (azote liquide) ou en CO2 (dioxyde de carbone liquide).
 
Tunnel de surgélation rotatif 
Un long tuyau incliné en rotation. Cette unité, qui utilise la force de gravité et sa conception interne pour acheminer le produit, sert à des produits alimentaires de petite taille qui ont tendance à coller les uns aux autres lors de la surgélation lorsqu'ils entrent en contact. À l'instar du surgélateur linéaire, le tunnel rotatif génère un produit IQF. 
Il est alimenté en LN2  (azote liquide) ou en CO2 (dioxyde de carbone liquide).
 
Comportement du LN2 dans un tunnel de congélation cryogénique :
 

L’azote sous pression dans le réseau de distribution est injecté dans la tunnel de surgélation de façon régulée afin de garantir une bonne température de régulation. L’azote se vaporise peut après son injection dans le tunnel qui est à Pa. Le changement d’état de l’azote crée des frigories (chaleur latente de vaporisation). Ces gaz doivent être dirigés par des ventilateurs de brassage vers les produits à traiter et doivent rester dans le tunnel durant un temps minimal pour transmettre le maximum de frigories (ce processus est appelé « stripage de la vapeur »). Ces gaz sont ensuite extraits vers l’extérieur par des réseaux d’extraction motorosés. La température de régulation à l’azote liquide est souvent définie entre -50°C à – 110°C. Le mode de régulation de température est souvent réalisé avec un PID sur une vanne de régulation.
Les zones d’injection de l’azote liquide sont définies selon le produit à traiter. Le tunnel est ainsi défini en Go-flow ou Contre-flow le plus souvent. 
 
Comportement du CO2 dans un tunnel de congélation cryogénique :
 

Le CO2 liquide a un comportement tout différent de celui de l'azote liquide dans un surgélateur. Le CO2 est conduit dans le tunnel sous forme de liquide à haute pression (300 psi – 18/20 bar). Mais, une fois qu'il sort de l'orifice d'injection, il se propage instantanément dans un mélange de gaz et de minuscules particules solides de glace sèche (à - 109 °F, soit - 43 °C). Cette glace sèche ou neige carbonique, que l'on nomme couramment de la « neige » de glace sèche, est amenée vers la surface du produit alimentaire, où la chaleur de ce produit entraîne rapidement une « sublimation » de la glace ou se transforme directement d'un corps solide en gaz. L'effet de réfrigération du CO2 se produit avec la chaleur latente de la sublimation (246 BTU par livre de CO2 solide ou, plus couramment, 120 BTU par livre ou CO2 liquide). Alors que les tunnels d'azote peuvent utiliser la réfrigération provenant à la fois de la vaporisation du liquide et du réchauffement de la vapeur, les tunnels de CO2 ont été conçus principalement pour utiliser la réfrigération issue de la sublimation de la neige sèche. Un tunnel de surgélation linéaire en CO2 ressemble beaucoup à un tunnel LN2, sauf que le LCO2 est injecté dans le produit immédiatement après son entrée dans le tunnel et ce, presque continuellement pour environ 70 % de la longueur du tunnel.
Le mode de régulation de température est réalisé en tout ou rien (TOR) avec de multiples vannes.
 
Mode de fonctionnement du CO2 et LN2 dans les surgélateurs à spirales :
 

En règle générale, l'azote et le dioxyde de carbone s'emploient de façon similaire dans un surgélateur à spirales. Ces deux cryogènes sont injectés le long de la bande depuis des collecteurs adjacents. Les particules de neige CO2 et d’azote liquide sont toutes deux vaporisées presque immédiatement et l'on utilise au maximum la réfrigération dans la vapeur par de larges déplacements d'air grâce à des ventilateurs de brassage localisés principalement sur les bords externes de la bande (stripage de la vapeur). Ce type de surgélateur exploite très efficacement les deux types de cryogène.
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