Modélisation des traitements thermiques : application à la réingénierie des procédés

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1 Modélisation des traitements thermiques : application à la réingénierie des procédés J. Guilpart, E. Derens-Bertheau, Cemagref I. Trezzani -Harbelot, Agroparistech E. Morelli, V. Noël, S. Jaloustre, ANSES

2 Introduction Objectif : Est-il possible de redéfinir les paramètres d un procédé de façon à maîtriser les risques sanitaires associé à la consommation d un produit? Méthode proposée : Etablir les liens existants entre les paramètres de ce procédé et le risque sanitaire associé à la consommation de ce produit identifier les points (paramètres) ayant un impact majeur sur le nombre de micro-organismes présents au moment de la consommation définir le jeu de paramètres permettant la meilleure maîtrise du risque (N minimal).

3 Introduction Cas étudié : Restauration collective hospitalière en liaison froide (bourguignon, goulash, et mironton) Micro-organisme de référence : Clostridium perfringens Cuisson Portionnement Operculage Refroidissement Distribution Remise en Allotissement Stockage au froid température

4 Introduction Démarche : Etablir les liens physiques entre les paramètres de procédé et l histoire thermique vécue par le produit (diagramme temps / température) Lier la température du produit et le nombre de germes par l utilisation de modèles de microbiologie prévisionnelle Paramètres du procédé ex : (liste non exhaustive) Puissance frigorifique Ventilation et vitesse d air Réglage thermostat Quantité de produit traité Durée du traitement thermique etc. Redéfinition des paramètres pour une meilleure maîtrise du risque Réingénierie Température du produit tout au long de la chaîne de fabrication, de conservation et de distribution Etude de sensibilité Nombre de germes (voir présentation de S. Jaloustre)

5 Modélisation thermique Simuler l histoire thermique du produit de la marmite à l assiette Marmite Mise en bacs Consommation Distribution Refroidissement des bacs Chambre froide Allotissement Réchauffage 1. Attente_1 2. Cellule_refroidissement 3. Transfert_chariot 4. chambre_froide 5. Allotissement_bac 6. Allotissement_assiette 7. Transport_service 8. Rechauffage 9. Distribution 10.Attente_consommation

6 L ajustement et la validation des modèles thermiques Suivi des températures sur 3 préparations (bœuf bourguignon, bœuf mironton et goulasch) 17 manipulations, 2 services par manipulations X heures de mesure, Y données temps / température

7 Modélisation thermique 2 familles de modèles utilisées Là où l équipement est «actif» Régulation, paramètres «contrôlables», influence directe de la conception sur la température du produit, réingénierie envisageable Cellule de refroidissement, cellule de réchauffage Modèles discrétisés en temps (on prédit le fonctionnement de la machine toutes les 30 secondes pour voir si on dépasse les consignes et on ajuste en conséquence).

8 Modélisation thermique Equipement «actif» Cellule de refroidissement Prise en compte de nombreux paramètres de l équipement Masse thermique de l enveloppe, puissance frigorifique disponible, surface d échange sur la batterie, caractéristiques de la ventilation, réglage et différentiel du thermostat, et de fonctionnement Nombre de plateaux dans la cellule, réglage du thermostat, température initiale des plateaux,

9 Modélisation thermique Equipement «actif» Cellule de refroidissement 2 points à souligner : 1- Le transfert air - produit est calé sur les calculs de José Rabi h prod = N ( 12, 4 ) en W m -2 K Le refroidissement est stoppé lorsque la température du produit atteint une valeur limite de T_pr = N ( 17.5, 8.8 ) ce qui permet de «simuler» le comportement de l opérateur qui donne des coups de sonde de température et arrête la cellule lorsqu une valeur cible est (presque) atteinte.

10 Température ( C) Puissance (kw) Modélisation thermique Equipement «actif» Cellule de refroidissement Exemple de cinétique de refroidissement en cellule (10 plateaux entrés à 90 C, max = 5 kw, thermostat -21 C) T_ev T_s T_eq T_pr Phi Temps (minutes) Temps (minutes)

11 Modélisation thermique Equipement «actif» Cellule de remise en température Un équipement, deux étapes 1- Remise en température comportant 2 phases : a- Chauffage ON, portes fermées temps de retard entre les températures équipement / air / produit b- Chauffage OFF, portes fermées Stabilisation de la température équipement / air / produit (inertie) 2- Distribution, porte ouverte

12 Modélisation thermique Equipement «actif» Cellule de remise en température L introduction d un temps de retard pur entre température de la résistance chauffante et l ambiance de la cellule de réchauffage permet d alléger les procédures de calcul Temps de retard = au bout duquel le produit atteint la température de consigne (130 C) lorsque la cellule est branchée. 50 n est pas aberrant et donne des résultats cohérents. Résistance Air Produit temps

13 Température ( C) Modélisation thermique Equipement «actif» Calage des temps de retard sur les expérimentations air-SR air-SC Modélisation Chauffage (porte fermée) Attente (porte fermée) Distribution (porte ouverte) = 6.6 kw Mcp = 15 kj K Temps (min)

14 Modélisation thermique Equipement «passif» Deuxième famille de modèles : Là où l équipement est «passif» ex: la chambre froide, les transferts, la table du patient, Modèles simples, «discrétisés» en nombre de points de calculs sur le temps passé dans l étape. 50 points par étape est bien.

15 Température ( C) Modélisation thermique 9 Modèle simple : 8 7 T_amb T_produit Transferts purement convectifs (bonne vieille equa. diff.) pr Où hs( dt amb pr ) amb pr d MCp dt amb pr exp Temps de séjour nb points Temps (heures) hs MCp dt

16 Résultats Précision : Les valeurs et chiffres annoncés dans la suite de l exposé ne sont applicables qu aux seuls équipements et itinéraires techniques étudiés, L extrapolation des tendances et recommandations formulées à d autres équipements et à d autres itinéraires techniques n est pas prudente, La généralisation de la méthode est possible, moyennant la validation des paramètres utilisés dans la présente étude.

17 Pourcentages Fréquence Résultats des simulations Histogramme 80 variables de procédés 25 variables aléatoires simulations Plus de 97% des observations conduisent à des concentrations inférieures à 10 3 CFU/g (max : ) N_micro log N à l instant de la consommation

18 Etude de sensibilité Deux étapes apparaissent comme critiques Le réchauffage des portions avant service La destruction des germes débutant dès lors que la température dépasse 53 C, il convient d atteindre et de rester au dessus de cette température un temps suffisamment long pour mieux maîtriser le risque sanitaire. La réglementation impose le seuil de +63 C pour garantir cette sécurité sanitaire. La cellule de refroidissement rapide après cuisson Un temps de passage rapide entre +63 C et +10 C permettant de limiter la croissance bactérienne.

19 Pourcentages Fréquence Pourcentages Etude de sensibilité La cellule de remise en température Histogramme Boîte à moustaches Histogramme Tpr_max Tpr_max Température maxi atteinte par le produit ( C) Tpr_max Les 2/3 des produits n atteignent pas la température de +63 C (60% dans les expérimentations)

20 log N à l instant de la consommation La cellule de remise en température Etude de sensibilité 1. Puissance de chauffage installée dans la cellule de remise en température 2. Réglage du thermostat 3. Temps de chauffe 4. Temps de stabilisation 2,1 1,1 0,1-0,9-1,9-2,9-3, Puissance de chauffe de la cellule (kw)

21 log N à l instant de la consommation La cellule de remise en température Etude de sensibilité 1. Puissance de chauffage installée dans la cellule de remise en température 2. Réglage du thermostat 3. Temps de chauffe 4. Temps de stabilisation 1,9 1,7 1,5 1,3 1,1 Par rapport aux pratiques actuelles, Baisser la consigne thermostat de 10 C multiplie N par 2 0,9 0, Réglage du thermostat ( C)

22 log N à l instant de la consommation Etude de sensibilité La cellule de remise en température 1. Puissance de chauffage installée dans la cellule de remise en température 2. Réglage du thermostat 3. Temps de chauffe 4. Temps de stabilisation Par rapport aux pratiques actuelles, Adopter un temps de chauffe suffisamment long (40 ) permet une très forte réduction du risque Durée de la phase de chauffe (min)

23 log N à l instant de la consommation La cellule de remise en température Etude de sensibilité 1. Puissance de chauffage installée dans la cellule de remise en température 2. Réglage du thermostat 3. Temps de chauffe 4. Temps de stabilisation 2,2 1,7 1,2 0,7 0,2 Par rapport aux pratiques actuelles, Doubler le temps d attente porte fermée permet de réduire N d un facteur 2-0,3-0, Durée de la phase de stabilisation (min)

24 log N à l instant de la consommation Etude de sensibilité Le temps de distribution Autre facteur d influence : 1,7 Par rapport aux pratiques actuelles, 1,5 1,3 1,1 0,9 0,7 Un temps de distribution suffisamment long (mais n excédant pas 20 ) a un effet favorable (permet aux températures de continuer à se stabiliser dans la cellule) 0, Durée de la distribution (min)

25 log N à l instant de la consommation Le temps d attente sur la table du patient Etude de sensibilité Autre facteur d influence : 3,4 3,1 2,8 2,5 Sur la table du patient, N augmente de 10% toutes les 10 minutes 2,2 1, Temps d attente (min)

26 Pourcentages Fréquence Pourcentages Etude de sensibilité La cellule de refroidissement rapide Boîte à moustaches Temps de séjour en cellule : 2 h 20 maxi Histogramme (top_10-top_63)/3600 Histogramme (top_10-top_63)/3600 Temps de passage de 63 C à 10 C (heures) (Top_10-Top_63)/3600 Moins de 20% des produits passent de 63 C à 10 C en moins de 2 heures

27 Pourcentages Fréquence Pourcentages Etude de sensibilité La cellule de refroidissement rapide Moyenne Histogramme observée : 17.5 C Boîte à moustaches Histogramme Tpr_sortie_ref Tpr_sortie_ref Température en sortie de cellule de refroidissement ( C) Tpr_sortie_ref Moins de 20% des produits sortent de la cellule de refroidissement à une température inférieure à 10 C

28 log N à l instant de la consommation La cellule de refroidissement rapide Etude de sensibilité 3,3 3,2 3,1 3 2,9 2,8 2, Puissance frigorifique installée (kw)

29 log N à l instant de la consommation La cellule de refroidissement rapide Etude de sensibilité 3,1 3,05 3 2,95 2,9 2,85 o = 4.5 kw o = 6.0 kw Ne pas adopter de consigne thermostat supérieure à -10 C 2, Réglage du thermostat ( C)

30 log N à l instant de la consommation La cellule de refroidissement rapide Etude de sensibilité 3,3 3,2 3,1 Par rapport aux pratiques actuelles, 3 2,9 2,8 Mettre 10 plateaux de plus dans la cellule augmente N de 10% 2, Nombre de plateaux dans la cellule

31 Conclusion L application de la méthode au cas étudié permet de quantifier le poids de certaines préconisations en vue de réduire les risques sanitaires Une démarche identique peut être adoptée pour (re)définir des paramètres techniques des équipements utilisés Rappel Les résultats et valeurs présentés ici sont applicables au cas étudié, leurs généralisation n est pas raisonnable sans une étude préalable.

32 Pourcentages Fréquence Les questions d nergie Histogramme Chaud 32% 6 3 Froid 68% Consommation énergétique totale (kwh) cons_elec_tot Coût du kwh : 0.05 Cout moyen : 30 cts d Cout maximal : 54 cts pour 250 portions (en moyenne)

33 N_micro log N_micro Les questions d nergie aphique de N_micro en fonction de cons_elec_tot Le lien entre énergie et maîtrise du risque étant difficile (intervention de nombreux paramètres interagissant entre eux) ,1 4,1 5,1 6,1 7,1 8,1 9,1 cons_elec_tot Consommation (kwh)

34 Modélisation des traitements thermiques : application à la réingénierie des procédés J. Guilpart, E. Derens-Bertheau, Cemagref I. Trezzani -Harbelot, Agroparistech E. Morelli, V. Noël, S. Jaloustre, ANSES