Caractéristiques des différents gaz en cryogénie alimentaire

Qu’est ce que le froid cryogénique ?

La conservation alimentaire par voie cryogénique regroupe différents procédés et techniques qui permettent à l’industrie alimentaire de répondre aux attentes des consommateurs recherchant des produits de qualité, sains avec une durée de conservation longue.
La cryogénie utilise principalement de l’azote ou du dioxyde de carbone de qualité alimentaire dans le but de faire baisser la température des produits en quelques minutes seulement. Alternative au froid mécanique, cette technique permet une grande rapidité de refroidissement ou de surgélation grâce au niveau extrêmement bas des températures mises en œuvre.

Caractéristiques des fluides cryogéniques utilisés en alimentaire

Les principaux gaz utilisés dans la surgélation cryogénique sont l'azote liquide et le dioxyde de carbone.

Azote (N₂) liquide

L’azote liquide est produit en grande quantité à partir de l’air dans des usines de séparation d’air et est stocké dans des récipients dédiés de grand volume. 
Dès que l’azote liquide n’est plus dans ces conditions d’équilibre pression-température, il se vaporise et produit des gaz froids qui ont une capacité frigorifique importante.
L'azote liquide est de l'azote (N₂)  stocké dans des réservoirs isolés sous vide, sous forme liquide à -196°C et 1,5 bar. 
L’énergie frigorifique de l’azote liquide a deux origines :

• Le changement d’état lorsque l’azote passe de l’état liquide à l’état gazeux (chaleur latente de 36 kcal /litre environ),
• Le réchauffement de l’azote gazeux à -196°C qui transfère ses frigories par convection aux aliments (chaleur sensible de 40 kcal /litre lorsque l’azote atteint -20°C).

Dioxyde de carbone (CO₂) liquide

Le CO₂ provient de sources naturelles ou est un sous-produit
d’industries chimiques diverses. Il est totalement épuré avant 
d’être liquéfié sous pression typiquement à 20 bar ce qui correspond à une température d’équilibre de – 20°C.
Il présente la particularité de produire de la neige carbonique et du gaz à une température de – 78,5°C lorsqu’il est détendu en dessous de la pression de 5,18 bar (point triple). La neige carbonique se sublime ensuite, elle passe directement de l’état solide à l’état gazeux.
Son énergie frigorifique de deux origines

• En passant à la pression atmosphérique, il se transforme en neige carbonique et en gaz froid. La sublimation de la neige carbonique libère environ 65 frigories par kg de CO₂ liquide.
• Puis, sous l'effet du réchauffement, le CO₂ gazeux à -78°C libère environ 5 à 15 frigories par kg de CO₂ liquide (à -20°C).

Ainsi, les quantités de frigories disponibles pour chacun des deux  fluides cryogéniques sont similaires. C’est pour cette raison qu’en pratique on considère qu’1 kg de CO₂ = 1 l d’azote = 1 unité cryogénique.

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Mise en œuvre dans une application industrielle ?

Les fluides cryogéniques sont particulièrement faciles à mettre en œuvre. Dans les deux cas,

• l’installation comprend un stockage cryogénique, une ligne de transfert, un équipement d’application avec son système d’extraction des gaz, les équipements de sécurité.
• les fluides sont acheminés par semi-remorques dans les stockages mis à disposition des utilisateurs.

Matériel d’application

De façon générique, il s’agit de l’équipement cryogénique qui s’intègre dans le procédé agroalimentaire pour l’application concernée telle que le refroidissement ou la surgélation.

Chaque équipement met en œuvre un système de transfert des frigories spécifiques, sachant qu’il se fait principalement par contact direct avec le produit à traiter.
En cryogénie alimentaire, ce contact peut se faire de différentes manières :

• Par immersion ou pulvérisation dans le cas de l’azote liquide, ce qui peut permettre par exemple de figer une surface,
• Par convection des gaz froids,
• Au contact, solide/solide dans le cas de la neige carbonique.

On peut citer les technologies suivantes comme exemples : les cellules cryogéniques (aussi appelées de cellules de congélation rapide) ou pour des productions en continu les tunnels à tapis ou encore à immersion.