Chauffage ohmique

En 1827, Georg Ohm publiait son traité Die galvanische Kette, mathematisch bearbeite, où il décrivait ce qui est aujourd'hui connu comme la loi d'Ohm. En 1841, James Prescott Joule démontra qu'un courant électrique traversant un conducteur générait de la chaleur. Leurs résultats réunis ont mené à ce que l'on appelle aujourd'hui le chauffage ohmique^[2]. Cette technologie est l'une des premières applications de l'électricité à la pasteurisation des aliments ; elle est connue depuis le XIX^e siècle, période pendant laquelle elle a fait l'objet de plusieurs brevets pour le chauffage de produits liquides, tel que le lait en 1919^[3]. Aujourd'hui, cette technologie commence à se développer dans l'industrie alimentaire, principalement pour la stérilisation de produits liquides ou à interface solide-liquide, facilement pompable pour un traitement en continu^[4].

Dans un matériau de type métal, le courant est véhiculé par les électrons. Cependant, dans un aliment, les charges sont généralement les électrolytes (ions ou autres molécules chargées telles que les protéines). En fonction de la conductivité électrique de cet aliment, le courant sera plus ou moins bien transmis. Un matériau ayant une conductivité faible verra ses charges difficilement mobiles, augmentant les impacts avec les autres, ce qui générera de la chaleur. Une conductivité électrique idéale pour l'utilisation du chauffage ohmique devrait se situer entre 0,01 et 10 S/m : au-delà, la conductivité est trop élevée pour générer de la chaleur (le matériau est conducteur, sa résistance électrique est faible), et en deçà, la conductivité est trop faible et ne laissera pas passer le courant.

La conductivité électrique d'un produit augmente, de manière générale, linéairement avec la température. Cela s'explique par l'augmentation de la mobilité des ions en solution, et s'observe toujours pour des solutions salines. Il est donc important de toujours prendre en compte la température d'une solution lors de la mesure de sa conductivité électrique. Un facteur de correction est à appliquer si la température de mesure diffère de la température de référence (généralement 25 °C), comme par exemple dans le cas du chlorure de sodium (KCl) dont les valeurs du coefficient de correction sont données par la norme AFNOR NF EN 2788^[5].

Pour tout produit ne subissant pas de changement d'état ou de changement de texture, la relation linéaire de la conductivité électrique avec la température peut s'écrire sous la forme ${\displaystyle \sigma (T)=\sigma _{ref}[1+m_{ref}(T-T_{ref})]}$^[6], avec

• ${\displaystyle \sigma _{ref}}$ la conductivité électrique du produit à une température de référence,
• ${\displaystyle m_{ref}}$ une constante (°C^-1) dépendante de la température et pouvant s'écrire sous la forme ${\displaystyle {\frac {a}{1+aT_{ref}}}}$,
• et ${\displaystyle T_{ref}}$ la température de référence (°C).

Il est possible de modifier la conductivité électrique d'un produit alimentaire par sa formulation, dans le but d'obtenir une montée en température précise. Par exemple, l'ajout de composés ioniques (sels tels que NaCl ou acides par exemple) permettront d'augmenter la conductivité électrique d'un produit, et donc la vitesse de montée en température. À l'inverse, l'ajout de lipides ou de sucre diminueront sa conductivité électrique et réduiront sa vitesse de montée en température.

La montée en température en chauffage ohmique est dépendante de la conductivité électrique du produit, et en l'absence de transferts de chaleur vers l'extérieur et sous une tension constante, elle peut s'écrire sous la forme ${\displaystyle {\frac {dT}{dt}}={\frac {\sigma (\nabla V)^{2}}{\rho C_{p}}}}$, avec

• ${\displaystyle {\frac {dT}{dt}}}$ la dérivée de la température par rapport au temps,
• ${\displaystyle \nabla V}$ l'intensité du champ électrique (V/m),
• ${\displaystyle \rho }$ la masse volumique (kg/m³),
• et ${\displaystyle C_{p}}$ la capacité thermique (J⋅kg⁻¹⋅K⁻¹).

Par intégration, on se rend alors compte que la température au cours du temps augmente de façon exponentielle pour une tension constante.

La colonne de chauffe contient au minimum deux électrodes. Le matériau à employer idéalement est le platine du fait de sa résistance à l'électrolyse et la corrosion, auquel est généralement préféré le titane platiné pour des raisons économiques. Au-delà de 25-30 kHz^[7], le système ne se comporte plus comme un condensateur (absence de double couche électrochimique), et de l'acier inoxydable peut alors être utilisé tout en limitant les phénomènes d'électrolyse indésirables. Pour des raisons économiques, les industries alimentaires ont donc généralement recours aux hautes fréquences en chauffage ohmique.

Le paramètre principal lors de la mise en place d'un système de chauffage ohmique est la configuration des électrodes. La distance entre les électrodes détermine le champ électrique qui est appliqué au produit ; à tension égale, plus la distance entre les électrodes sera importante, plus le champ électrique sera faible, et donc plus la vitesse de montée en température sera réduite. Il existe deux configurations principales^[8] pour la mise en place des électrodes dans appareil de chauffage ohmique continu (produits pompables) :

• transversale, qui convient particulièrement aux produits à faible conductivité électrique (< 5 S/m). L'homogénéité du champ électrique est optimisée dans cette configuration, et permet une uniformité de la température dans le produit. Cette configuration peut fonctionner sous des tensions standards (240 - 415 V) ;
• colinéaire, qui est la meilleure option pour les produits à haute conductivité électrique puisqu'elle permet d'avoir un espace conséquent entre les électrodes. Cependant, la tension requise est généralement plus importante que pour la configuration transversale. De même, la distribution de l'intensité est plus hétérogène et certaines zones de plus fortes intensités peuvent provoquer des ébullitions localisées ou des arcs électriques.