5 exemples concrets de modélisation et de simulation pour la sécurité alimentaire
Selon l’International Food Information Council (Réf. 1), la confiance des consommateurs dans la sécurité alimentaire a atteint un niveau historiquement bas en 2024 en raison des rappels de produits alimentaires et de l’augmentation des rapports sur les ingrédients toxiques, rendant plus important que jamais pour les entreprises de l’industrie alimentaire et des boissons de garantir la sûreté de leurs produits. La modélisation et la simulation permettent aux entreprises d’optimiser leurs procédés de test, de stérilisation, de chauffage et d’emballage des aliments, tout en réduisant les déchets. Dans cet article, nous vous présentons cinq exemples industriels mis en avant lors de la Conférence COMSOL 2024.
1. Évaluation de la létalité des bactéries
Selon une étude récente de Fortune Business Insights (Réf. 2), la demande des consommateurs pour des aliments en conserve de longue durée et de longue conservation a augmenté régulièrement au fil des ans et devrait poursuivre sa tendance à la hausse. La stérilisation des aliments est importante pour les fabricants, car toute erreur dans le processus peut entraîner l’introduction de bactéries nocives, voire mortelles, dans les aliments des consommateurs. BE CAE & TEST, un Consultant Certifié COMSOL, a développé une application de simulation personnalisée à l’aide du Constructeur d’Applications du logiciel COMSOL Multiphysics®, qui évalue l’efficacité de la pénétration de la chaleur à l’intérieur des aliments en conserve pendant la stérilisation afin d’évaluer la létalité bactérienne. Leur application aide les ingénieurs agroalimentaires à effectuer des analyses de sécurité sur les aliments en conserve à l’aide de modèles précis basés sur la physique — sans avoir à apprendre à utiliser un logiciel de simulation.
Lorsqu’ils configurent leur analyse dans l’application, les ingénieurs agroalimentaires peuvent facilement choisir parmi plusieurs géométries 3D de boîtes usuelles ou importer leur propre géométrie personnalisée, choisir parmi différents types de produits alimentaires tels que les haricots, le maïs et le thon, et spécifier le traitement thermique. Si les données de référence pour les propriétés thermophysiques d’un produit alimentaire particulier ne sont pas disponibles, elles peuvent être facilement calculées en entrant les pourcentages de ses composants nutritionnels, y compris les glucides, les protéines, les graisses, les fibres et la teneur en minéraux. L’application permet également d’importer des données de référence expérimentales pour le profil de température du four au cours du temps, ou de le définir en spécifiant la température et la durée des phases de montée en température, de maintien en température et du refroidissement final.
L’application de simulation de BE CAE & TEST’s pour l’évaluation de la létalité bactérienne dans les aliments en conserve, avec une géométrie personnalisée d’une boîte de conserve rectangulaire contenant du thon à l’étude.
En saisissant les quantités d’intérêt dans les champs de saisie personnalisés, les ingénieurs agroalimentaires peuvent utiliser l’application pour calculer les changements de température au cours du temps avec une analyse transitoire, afin de déterminer comment la pénétration de la chaleur affecte la létalité bactérienne dans de nombreux produits en conserve. Forts de ces informations, ils peuvent alors optimiser les processus de stérilisation des aliments et réduire le risque d’introduction de bactéries nocives dans nos aliments.
Apprenez en plus sur leur travail et cette application de simulation ici: “A COMSOL App to Analyze Bacteria Lethality During Sterilization Processes”
2. Optimisation des conditions de séchage des pâtes
Pour les fabricants de pâtes alimentaires, le processus de séchage des pâtes implique une série d’essais chronophages et énergivores, mais qui sont nécessaires pour identifier les paramètres opératoires optimaux afin d’obtenir un produit homogène et de haute qualité. Barilla, le plus grand producteur de pâtes au monde, a collaboré avec l’Université de Calabre en Italie pour développer un modèle permettant de prédire la température, la distribution de l’humidité et les changements structurels au cours du processus de séchage. Ce modèle est utilisé pour optimiser les processus de séchage afin de garantir la qualité du produit et de minimiser la consommation d’énergie.
Le temps de séchage des pâtes peut varier considérablement et dépend de deux paramètres:
- Température de l’air et humidité relative, variant respectivement entre 40°C et 90°C et de 40% à 85%
- Fluctuation de la vitesse de l’air
Le modèle développé par l’équipe avec une approche de modélisation à deux domaines, prédit la distribution de la température et de l’humidité pendant le processus de séchage avec un régime turbulent pour l’air. Pour représenter un morceau de pâtes dit « tortiglione », l’équipe a utilisé une géométrie 2D dans ses simulations.
Géométrie de base d’un morceau de pâte.
Ils ont utilisé la méthode des éléments finis pour coupler les équations de la chaleur et de conservation de la masse, et ont rendu leurs simulations paramétriques pour refléter les conditions industrielles typiques. Le modèle tient compte de la rétractation des aliments durant le séchage. Dans l’ensemble, les prévisions de simulation de l’équipe ont produit une erreur relative moyenne inférieure à 9 % par rapport aux résultats réels du processus de séchage.
Résultats de l’impact de la rétractation et validation du modèle.
Apprenez-en plus sur leur travail ici: “Comprehensive analysis of the transport phenomena developing inside a pasta drying chamber”
3. Analyse de la dégradation des emballages de liquides alimentaires
Les emballages pour aliments liquides doivent conserver les aliments en toute sécurité sans que l’emballage ne se dégrade lorsqu’il est exposé au liquide. L’emballage est généralement constitué d’un carton comme matériau de base, de couches de polymères servant de protection contre les aliments, et d’une fine couche d’aluminium utilisée pour sceller l’emballage via chauffage par induction. Une équipe de Tetra Pak, leader mondial de la transformation alimentaire et des solutions d’emballage, a modélisé et simulé la réponse du matériau constituant l’emballage pendant le chauffage par induction afin de comprendre comment les différents composants affectent le comportement du matériau de l’emballage.
L’anatomie d’un emballage carton chez Tetra Pak.
Ils ont utilisé leur modèle pour simuler le couplage des transferts de chaleur et du transport de masse dans le carton pendant le processus de scellage par chauffage par induction. Le modèle tient également compte des courants de Foucault via les champs magnétiques AC/DC, en utilisant la couche d’aluminium comme condition limite. Ils ont utilisé des couplages multiphysiques pour déterminer comment le séchage du carton était affecté par la pression interne du gaz et à quel point les différentes zones du carton étaient sèches. Leurs simulations ont montré que la dégradation due à l’humidité est moindre lorsque le carton a un taux d’humidité initial plus élevé et qu’il est moins dense, car cela permet aux vapeurs de s’échapper plus facilement, ce qui a été observé dans le coin supérieur du carton, qui est le plus sec. Les résultats de leurs simulations ont montré une bonne concordance entre les prévisions du modèle et les données expérimentales. Ces résultats ont permis à Tetra Pak d’améliorer encore son modèle de polymère afin de réduire le gaspillage de matériaux.
Trois simulations utilisant des temps de pression interne variables montrent le niveau d’humidité sur la surface supérieure du carton.
Pour plus de détails sur leurs travaux : “Simulating the Coupled Mass and Heat Transport in Paperboard During an Induction Sealing Process”
4. Améliorer la circulation de l’air dans les fours
Le fabricant de fours UNOX SpA a cherché à trouver la stratégie la plus efficace pour estimer le flux de circulation d’air dans les chambres de four avec une grande précision et un coût de calcul minimal. Dans le cadre de ce projet, l’équipe simulation a utilisé le logiciel COMSOL Multiphysics® pour mener une étude comparant différentes stratégies de modélisation de la dynamique des fluides.
La comparaison s’est faite en trois étapes. Premièrement, ils ont réalisé une étude avec un domaine simplifié composé d’une conduite et d’un ventilateur avec une approche Frozen rotor, dont le coût de calcul était faible et qui permettait une vérification expérimentale. Ensuite, ils ont effectué une simulation complète avec la géométrie complexe d’un vrai ventilateur de four, comprenant une étude en Frozen rotor et une étude des transferts de chaleur, ce qui était très précis mais aussi très exigeant en ressources de calcul. Enfin, ils ont effectué une analyse similaire à la précédente, mais en imposant le profil de vitesse et sans simuler un ventilateur en rotation, réduisant ainsi le coût de calcul.
Flux d’air dans la chambre d’un four.
L’équipe a analysé les résultats des trois étapes, et a constaté que la troisième stratégie permettait d’obtenir des résultats très précis avec un temps de calcul minimal, ce qui en faisait la technique la plus efficace pour leur travail.
Apprenez-en plus sur leur travail ici: “Fluid Dynamic Modeling in Oven Chambers: Balancing Accuracy and Computational Efficiency”
5. Relever les défis de la pasteurisation
Les produits alimentaires à faible teneur en eau posent un problème de sécurité en raison de leur contamination potentielle par des micro-organismes résistants à la chaleur, ce qui rend inefficaces les méthodes de pasteurisation classiques telles que la vapeur ou l’air chaud. Le chauffage par micro-ondes peut être utilisé comme méthode alternative, mais c’est une tâche difficile en raison des faibles propriétés diélectriques des produits alimentaires secs. Une équipe de SAIREM, leader mondial des applications industrielles des micro-ondes et des radiofréquences, et une équipe d’Oniris Nantes, un institut d’enseignement supérieur français, ont mis au point un modèle pour étudier les complexités de ce processus.
Leur modèle étudiait une poudre de paprika dans un tube de quartz chauffé par un applicateur de micro-ondes monomode à 915 MHz afin d’analyser la distribution du champ électrique et les températures locales à l’intérieur du tube. L’équipe a effectué des simulations avec plusieurs paires de valeurs de propriétés diélectriques, révélant que les incertitudes sur la constante diélectrique entraînaient des variations de température plus importantes que celles sur le facteur de perte. Ils ont également mesuré les propriétés thermophysiques du paprika dans le cadre d’une étude réelle, notamment la densité, la chaleur et la conductivité thermique, et ont constaté que les résultats étaient en étroite concordance. Cela souligne l’importance de mesurer avec précision les propriétés diélectriques des aliments à faible teneur en eau afin de prédire avec précision les températures nécessaires à la production d’un produit alimentaire sûr.
La poudre de paprika dans un modèle de tube de quartz est chauffée par une cavité micro-ondes fonctionnant à 915 MHz, montrant des différences de température dues aux incertitudes sur la constante diélectrique.
Apprenez-en plus sur leur travail ici: “Influence of Dielectric Constant on Low-Moisture Food Pasteurization in a 915 MHz Microwave Cavity”
La modélisation multiphysique au service de la sécurité alimentaire
Dans cet article, nous avons vu cinq exemples dans lesquels les ingénieurs de l’industrie agroalimentaire utilisent des applications de modélisation et de simulation multiphysiques pour analyser et optimiser les produits et les procédés liés à la sécurité alimentaire. Bien entendu, cette liste ne fait qu’effleurer la surface de ce que vous pouvez modéliser dans ce domaine. Pour plus d’inspiration, consultez notre page sur l’industrie Agroalimentaire.
Références
- Consumer confidence in food safety hit a record low in 2024. (2024, September 19). International Food Information Council. https://ific.org/media-information/press-releases/food-safety/.
- The canned food market in the U.S. is projected to grow significantly. (2025, April 14). Fortune Business Insights. https://www.fortunebusinessinsights.com/canned-food-market-103258
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