Nous remercions tous ceux qui ont contribués à l élaboration de ce dossier dans le cadre des Travaux Personnels Encadrés, particulièrement :

LE SUCRE DE CANNE

Remerciements Nous remercions tous ceux qui ont contribués à l élaboration de ce dossier dans le cadre des Travaux Personnels Encadrés, particulièrement : Les responsables de l usine du Galion de Trinité, M. BEROUARD (chef comptable) et S.LANDRY (chef de production) pour leur accueil chaleureux leur aimable collaboration par la fourniture d information et d échantillons : bagasse, sirop, mélasse, sucre du Galion, sucre de la Réunion. L équipe d encadrement Mme LUPON, Mlle MAINGER et M. BURTZ pour leurs précieux conseils. Le responsable du laboratoire de SVT Benoît BOULOT pour son aide dans la réalisation de l expérience de cristallisation. Les responsables du laboratoire de Physique Chimie pour la fourniture du modèle moléculaire afin de fabriquer la molécule de saccharose. Et bien sûr tous ceux qui nous ont apportés leur soutient et leur encouragement.

A propos de Recherches : AUDAR Rio GELIE Philippe SADIKALAY Samuel Expériences : AUDAR Rio SADIKALAY Samuel Le laborantin BOULOT Benoît Visite de l usine du Galion : SADIKALAY Samuel Rédaction : AUDAR Rio SADIKALAY Samuel GELIE Philippe Avertissement : Ce dossier est protégé par la loi du copyright et les conventions internationales. Toute reproduction partielle ou totale de ce dossier, par quelque moyen que ce soit, est strictement interdite. Toute personne ne respectant pas ces dispositions se rendra coupable de délit et sera passible des sanctions pénales prévues par la loi.

INTRODUCTION Lors de la découverte des thèmes nationaux des travaux personnels encadrés, nous nous sommes intéressés à la transformation de l espace et plus particulièrement à la cristallographie faisant partie des pistes de travail proposées. Nous avons voulu avoir une approche propre à notre environnement local afin d en savoir un peu plus sur la cristallographie. Ainsi nous avons choisi de nous pencher sur les cristaux du sucre de cannes. Comment sont organisées les molécules dans le sucre de canne selon les différentes liaisons existantes?

SOMMAIRE Remerciements A propos de Introduction Etude théorique des cristaux de sucre Fiche d identité Sucre en général Un cristal particulier Liaisons existantes Etude pratique des cristaux de sucre Expérience de cristallisation Procédure de fabrication industrielle du sucre Etape de fabrication du sucre Données concernant l usine du Galion Annexes

Etude théorique des cristaux de sucre Fiche d identité Nom : polysaccharide Prénom : Saccharose Prénom usuel : sucre Masse :342,30g/molˉ¹ Age : inconnu Taille :variable Nom du père : glucose Nom de la mère : fructose Solubilité :2kg.Lˉ¹ (s accroît avec la température) Le sucre en général. Le sucre ou saccharose est un corps sans couleur ni odeur, qui possède une saveur sucrée. On l utilise pour conserver naturellement les fruits : confitures, fruits confits, sirops, mais aussi du lait concentré sucré. Mais surtout pour notre corps dont il nourrit les muscles et aussi le cerveau. Notre cerveau est un grand consommateur d énergie. Des milliards de neurones en effervescence ne se nourrissent pas d amour et d eau fraîche! Mais avec des glucides. Alors que le cerveau ne représente que 2% de notre poids, il entre pour 20% dans notre métabolisme de base. Au repos, il utilise 60% du glucose de l organisme. Pourquoi le glucose? C est le seul glucide qui passe la barrière hémato-encéphalique (c est-à-dire qui passe du sang à notre cerveau). Nos neurones en ont besoin continuellement, exactement comme l oxygène. Quand on lui demande un effort particulier, les zones qui sont alors sollicitées sont capables de demander un supplément de glucose et d oxygène pour faire face à l accroissement de leur activité de la vie. Selon les nombreuses expériences menées dans des laboratoires spécialisés(comme Bégin-Say) ; le sucre est l ingrédient de base le plus pur qui soit. En effet, notre sucre cristallisé est pur à plus de 99,8%. Le reste est constitué d eau, de minéraux, comme le calcium, le potassium ou le magnésium, en très faibles quantités, et des traces de fructose et de glucose. Mais que savons-nous de ce petit cristal que l on rencontre quotidiennement?..

Un cristal particulier Ce cristal apparaît sous forme de prismes anhydres (dépourvus totalement d eau) dont les axes de symétrie sont légèrement inclinés. Les pros vous diront que c est un système cristallin monoclinique à 15 facettes. Il possède différentes liaisons qui assurent son état (liquide ou solide) de part la composition de sa molécule(une molécule de glucose et une de fructose). C est un polysaccharide que les savants nomment D-glucopyranosyl-D-fructofuranose de formule C12H22O11. Les liaisons existantes dans le sucre Le saccharose n est pas présent dans la nature à «l état naturel». Généralement, il est «synthétisé» en présence d une molécule de glucose et une de fructose en présence d une molécule d eau. Cette «synthétisation» s explique par la formation de liaisons chimiques qui sont les suivantes : - La liaison hydrogène. Considérée comme la plus forte des liaisons intermoléculaires, la liaison hydrogène se réalise comme son nom l indique, par l atome d hydrogène. Lorsque deux molécules polaires sont approchées (dans ce cas le glucose et le fructose ) elles s orientent en plaçant leurs pôles en oppositions. Puis il s ensuit une interaction électrostatique qui les attirent l un vers l autre. Dans des bonnes conditions d orientations, les liaisons hydrogène (ou liaisons H) apparaissent. La molécule qui est liée par un hydrogène est appelée le donneur et l autre liée par son oxygène est appelée l accepteur. Donneur et accepteur sont des atomes d'oxygène ou d'azote. Type de liaison H Longueur (en Angström) O-H...O 2,70 O-H...O- 2,63 O-H...N 2,88 N-H...O 3,04 N+-H...O 2,93 N-H...N 3,10

Les différents états du sucre sont visibles par l agencement des liaisons hydrogènes. En effet, comme pour l eau, si elles sont bien orientées, elles sont responsables de la formation du cristal de saccharose, selon la température existante (leur point de fusion est de 160 c) ; et lorsque le saccharose est dissous ; qui lui implique sa fluidité grâce à certaines propriétés (à 20 c les liaisons sont désordonnées). pour une compréhension plus simple de l agencement des molécules, prenons l exemple de l eau : la structure des molécules a température ambiante est instable et permet «l élasticité» de l eau A très basse température (0 c) les molécules acquièrent une structure ordonnée d où la résistance de la glace : - La liaison de Van der Waals : Elle est à l origine de la formation du cristal et assure sa cohésion. La force de Van der Waals est une liaison intermoléculaire. Elle est énergétique comme les autres liaisons et attire des groupements carbonés qui seront renforcés par une autre liaison en milieu aqueux. - La liaison glycosidique : Comme son nom l indique ; cette liaison ne se réalise qu en présence de glucides. Le saccharose ne peut exister que grâce à cette liaison. La liaison glycosidique est une liaison de type { C-O-C-} qui est responsable de la liaison «glucose-fructose». Elle n est réalisable que par la présence d un atome d eau ; en effet, en présence de ces autres molécules l atome d oxygène perd ses deux atomes périphériques d hydrogène et vient se fixer aux deux carbones ayant chacun un électron vacant.

Schéma de formation : Durant la formation du cristal il arrive souvent que l on n observe pas de prisme régulier à 15 facettes ; mais un cristal à la surface irrégulière composé de plusieurs cristaux. On appelle cela des macles. Ils sont dus à la croissance de cristaux sur 1 plan de leur surface

Etude pratique des cristaux de sucre Le saccharose contenu dans la canne à sucre est un sucre complexe ; autrement dit, sa molécule est l assemblage de deux sucres simples, le glucose et le fructose. De plus, il possède des propriétés physiques importantes : un corps solide cristallisé et une grande solubilité dans l eau. Objectif : L on propose de faire une solution sucrée saturée que l on chauffe (entraînant l augmentation de la solubilité du sucre) permettant par la suite d observer la formation de plusieurs cristaux de sucre. Réactifs nécessaires à l expérimentation : Sucre de canne du Galion Eau distillée Matériels essentiels à l expérience : Balance Coupelle Spatule Eprouvette graduée Bécher de 100 ml Plaque chauffante tournante Fil de coton Bûchette de bois Mode opératoire : Sachant que la solubilité du saccharose est de 2 kg/l, on décide de réaliser 10 ml de solution sucrée ; à l aide d une balance, on mesure 20 grammes de sucre de canne du Galion dans une coupelle que l on verse dans le bécher de 100 ml. On prélève 10 ml d eau distillée à l aide d une éprouvette graduée que l on verse dans le bécher contenant le sucre. Ensuite, le bécher est placé sur la plaque chauffante munie de l agitation avec un barreau magnétique. On chauffe à 80 C pendant une dizaine de minutes afin d augmenter la solubilité du sucre avec une agitation moyenne pour obtenir une solution sucrée, ce premier chauffage permet de dissoudre totalement le sucre, il ne faut pas avoir de grain résiduel car cela entraînerait la croissance de plusieurs cristaux par accrétion. Cette solution est ensuite chauffée à plus de 100 C pendant environ 12 minutes dans le but de réduire la quantité d eau et, ainsi obtenir un sirop. Ce deuxième chauffage entraîne l évaporation d une partie de l eau dans laquelle le sucre est dissout pour acquérir une solution sursaturée favorable à une meilleure cristallisation.

Après, on noue un grain de sucre à une extrémité du fil de coton qui servira de «germe» et l autre fixée à la bûchette de bois servant de support. La bûchette est placée sur les bords du bécher permettant à l amorce d être placée au milieu de la solution sursaturée. Schéma du montage : L expérience est refaite dans les mêmes conditions, mais le grain de sucre cette fois-ci, est fixé au bout de la bûchette qui est à son tour attachée à une autre bûchette servant de support. Elle est placée au bord du bécher avec l amorce situé au centre de la solution sursaturée. Cependant, elle est chauffée à plus de 100 C durant la même période dans le but d obtenir une solution plus sursaturée que la première. Schémas : Note : la solution 2 est plus brune que la solution 1. Après deux jours, on observe la formation de quelques grains dans le bécher 2 alors que rien ne change dans le premier ; cela est dû à la sursaturation plus élevée dans l expérience 2 favorisant une cristallisation rapide.

Schéma : Cinq jours après, on observe la croissance de l amorce dans les deux expériences, les cristaux sont gros dans la deuxième expérience et les grains forment des cristaux. Schéma : Au bout d une dizaine de jours, on obtient de très beaux cristaux de sucre, le bécher 1 contient de nombreux cristaux qui s agglutinent entre eux, on remarque également une forte diminution de la solution sursaturée ; en effet dans le bécher 2, la surface de la solution s est complètement cristallisée avec une agglutination des cristaux formés. Schémas :

Nous avons ensuite récupéré les cristaux formés à différents jours (5 ème et 10 ème ), puis passer à l étuve afin de les sécher, autrement dit, d éliminer toute trace aqueuse. Schéma des cristaux obtenus :

Procédure de fabrication industrielle du sucre LA RECEPTION DES CANNES Arrivées à la balance, les cannes sont pesées, puis on prélève un échantillon de cannes à l aide d une sonde mobile pour procéder à une analyse afin de vérifier la teneur en saccharose. L usine paie ses cannes en fonction de la richesse en sucre et du poids. Les cannes sont ensuite séparées, c est à dire que les cannes non tronçonnées (en longueur) et les cannes tronçonnées doivent être déposées dans des entrepôts différents. Les raisons sont les suivantes : les cannes tronçonnées ne doivent pas être lavées, sinon les pertes en sucre seraient élevées à cause des nombreuses extrémités, en outre, elles sont moins sales que les cannes non tronçonnées. Par contre, les cannes non tronçonnées ne possèdent que deux extrémités et, elles sont beaucoup plus sales que les cannes tronçonnées parce qu elles sont ramassées après la coupe par les machines. Ces cannes sont lavées. Il existe une autre raison pour laquelle on lave les cannes : la bagasse qui alimente la chaudière doit être d excellente qualité. LA PREPARATION DES CANNES Les cannes passent dans trois coupes cannes (défibreur). Le but est de séparer les fibres de canne sans enlever le jus afin de faciliter l extraction. L EXTRACTION DU JUS Il y a une batterie de 4 moulins. Chaque moulin comporte 3 rolls (1 roll d entrée, 1 roll supérieur et 1 de sortie). Voir annexe 1 La canne est broyée pour la première fois entre le roll d entrée et le roll supérieur et une deuxième fois entre le roll supérieur et le roll de sortie. Au passage du deuxième moulin, la canne a déjà abandonné une partie de son jus, mais il reste encore du saccharose. Au passage du dernier moulin, on injecte de l eau chaude (imbibition), et le jus récolté revient au niveau du troisième moulin. Le jus au troisième moulin étant trop dilué, est renvoyé au deuxième moulin. On récupère donc le jus du deuxième moulin et du premier moulin. Ces jus subiront différents traitements pour les débarrasser de toutes impuretés. La bagasse qui sort des moulins, sert de combustible à la chaudière qui alimente toute l usine de vapeur. La vapeur réchauffe les jus, cuit le sirop, fait tourner le turbo qui produit l électricité. La vapeur se transforme ensuite en eaux condensées qui retourne à la chaudière, ceci pour des raisons d économies d énergie puisque l eau étant déjà chaude, il n est plus nécessaire de la réchauffer. Le jus est ensuite pesé afin de vérifier les quantités achetées et les quantités extraites.

LE TRAITEMENT DU JUS Le soufre décolore et déviscose le jus. L utilisation de la chaux va faciliter la décantation des matières lourdes et donc de la boue et neutralise l acidité du jus (voir annexe 2). Après la décantation, on retrouve la chaux dans les boues. Le jus passe ensuite dans les réchauffeurs (2 réchauffeurs sont à 70 C et les 2 autres sont à 105 C). Le floculant épaissit la boue et accélère la décantation. Après décantation, (voir annexe 3) on obtient du jus clair (partie supérieure du décanteur) et de la boue au fond du décanteur qui sera d ailleurs traitée car il n y a encore du saccharose dans cette dernière. Le jus clair sera une nouvelle fois filtré avant l évaporation. L EVAPORATION Les caisses travaillent en continu. Le but, c est d extraire l eau du jus afin d obtenir un sirop. Les 2 dernières caisses travaillent sous vide. (voir annexe 4). L abaissement de la pression (vide de 600 millimètres de mercure) permet de diminuer la température d ébullition du sirop (loi de Boyle Mariotte). Le jus concentré peut bouillir à une température moins élevée, ce qui permet entre autre d éviter une caramélisation du sirop. Dans la dernière caisse on obtient le sirop de batterie. Ce sirop est à nouveau filtré. LA CRISTALLISATION Un mélange de sucre de glace et d alcool sera injecté dans le sirop vierge. Cela va permettre d amorcer la cristallisation (voir annexe 5). Lorsque les cristaux ont atteint une taille suffisante et régulière, on arrête la cristallisation. On obtient une masse cuite. Celle-ci est déversée dans les bacs appelés «malaxeur». La première cuite est une cuite A qui va donner le sucre A (le premier sucre) par l intermédiaire des centrifugeuses (turbines). L ESSORAGE La masse cuite (mélange de cristaux de sucre et de sirop) obtenue après la cuite est déversée dans les centrifugeuses (turbines Robert s ou FCB). Lorsque les centrifugeuses tournent, les cristaux de sucre restent sur les parois, et le sirop s échappe. Il sera récupéré : c est l égout A. Cet égout A sera utilisé au niveau des appareils à cuire pour procéder à une cuite B. De nouveau aux centrifugeuses, la masse cuite A va donner du sucre B. Le sirop récupéré à la sortie des centrifugeuses est appelé égout B. Cet égout B retourne aux appareils à cuire pour donner une cuite C. La masse cuite C obtenue sera dirigée vers les Turbines BMA (centrifugeuses) pour donner du sucre C et de l égout C appelé encore Mélasse. Les sucres A et B vont passer dans un sécheur (pour finir de sécher car l essorage n est pas suffisant) et seront conditionnés en sac de 50 kg au magasin à sucre.

Le sucre C n est pas commercialisé. Il est refondu et utilisé pour des cuites A. Au magasin à sucre, mis à part les sacs de 50 kg, le conditionnement se fait en sachet de 1 ou 2 kg (pour les grossistes) ou dosettes de 6 grammes (destinées surtout aux hôtel et restaurants). La mélasse sert à fabriquer le rhum grand arôme et les rhums traditionnels. Note : le bilan de la procédure de fabrication du sucre est donné en annexe 6 Quelques données concernant l usine du Galion : 1 tonne de canne produit entre 70 et 80 kg de sucre. La capacité de broyage de l usine est de 1 200 à 1 400 tonnes de cannes par jour. On produit en Martinique entre 70 et 100 tonnes de canne à l hectare, soit 5 à 8 tonnes de sucre par hectare. La durée de campagne sucrière se situe entre 80 à 100 jours. L effectif durant la campagne sucrière est d environ 174 personnes. Durant la période d entretient, cet effectif est d environ 115 personnes.

annexes 1 Broyage 2 Traitement du jus 3 Décantation 4 Evaporation 5 Cristallisation 6 Organisation structurelle 7 Schéma détaillé de la fabrication du sucre

1 Broyage

2 Traitement du jus

3 Décantation

4 Evaporation

5 Cristallisation

6 Organisation structurelle

7 Schéma détaillé de la fabrication du sucre