Outil d'aide à la décision pour la conception de procédés agroalimentaires au Sud.

164 Pages·2015·12.88 MB·French

THESE
pour obtenir le grade de
Docteur du Centre international d’études supérieures en sciences
agronomiques de Montpellier
École doctorale : SP-SA Science des Procédés – Science des Aliments
Spécialités : Génie des procédés - Optimisation Multiobjectif – Conception
Outil d’aide à la décision pour la conception
de procédés agroalimentaires au Sud.
Application au procédé de fumage à chaud des produits carnés.

Présentée et soutenue publiquement le 17 Octobre 2014 par
Guilhem RAFFRAY
Devant le jury composé de
Mme. Tiphaine LUCAS Chercheuse, HDR, IRSTEA, TR SPEE, Rapporteur
Rennes
M. Jean BIGEON Directeur de recherche, CNRS, Rapporteur
G-SCOP, Grenoble
M. Gilles TRYSTRAM Professeur, AgroParisTech, GENIAL, Examinateur
Paris
M. Hervé JEANMART Professeur, Université Catholique de Examinateur
Louvain, Louvain
M. Antoine COLLIGNAN Professeur, Montpellier SupAgro, Directeur de
QualiSud, Montpellier Thèse
M. Patrick SEBASTIAN MdC, HDR, Université de Bordeaux 1, Directeur de
I2M, Talence Thèse

Travaux réalisés au CIRAD (Montpellier) au sein de l‘UMR Qualisud (95)

A ma famille. Sans eux je ne serais rien.

Résumé
La conception de procédé agroalimentaire est une activité complexe, caractérisée par la
grande diversité des produits et des procédés étudiés, ainsi que par la disparité des contextes
de production (artisanale ou industrielle). La conception de systèmes de transformation
alimentaire adaptés est animée par d‘importants enjeux humains, sanitaires, économiques,
environnementaux et même culturels. Dans le cas des Pays du Sud, l‘explosion
démographique et l‘urbanisation croissante impliquent de développer un système de
production industriel capable de valoriser des produits issus de savoir-faire traditionnels, tout
en répondant à des contraintes de coût et de productivité.
Pour prévenir toute perte de temps causée par des analyses de type « essai-erreur », et afin
d‘éviter des coûts de développement superflus, il existe des outils spécifiques à l‘analyse
décisionnelle multicritères (MCDA) pouvant être déployés dès les phases préliminaires de la
conception. En particulier, il est possible d‘analyser le potentiel et les limites technologiques
d‘un concept défini dans un contexte donné, par l‘analyse de l‘ensemble des solutions les plus
performantes, dites Pareto-optimales. Ces solutions se distinguent par les valeurs de leurs
variables de conception, qui sont autant de degrés de liberté pour le dimensionnement du
concept (géométrie, matériaux, conditions opératoires).
Notre cas d‘étude concerne l‘évaluation d‘un concept de fumage à chaud à plaques radiantes,
pour la production de poissons fumés, traditionnellement consommés en Afrique Centrale et
de l‘Ouest. En effet, avant de prétendre à la diffusion de cette technologie déjà brevetée, il
faut s‘assurer que le procédé puisse satisfaire des objectifs de production et de performances
énergétiques, tout en maintenant une qualité du produit satisfaisante. Ainsi, un outil
d‘optimisation multiobjectif spécifique a été développé en se basant sur la modélisation du
comportement du procédé.
Une première étude expérimentale conduit à la construction d‘un modèle de séchage du
poisson dans des conditions d‘air variables (température, vitesse et humidité), qui représente à
la fois les flux d‘évaporation et les flux liés aux écoulements gravitaires de graisses et d‘eau.
Dans un second temps, un outil de simulation existant a été amélioré afin de représenter des
phénomènes ayant un impact significatif sur les performances du procédé, tels que
l‘aéraulique des fumées, le recyclage de l‘air et la régulation thermique. Ainsi, un modèle
d‘observation a été établi. Il autorise la prédiction du comportement de différentes solutions
possibles, définies par huit variables de conception, et d‘évaluer leurs performances sur la
base de six variables d‘observation.
Dans un dernier volet, la formalisation des préférences et la connaissance experte du procédé
ont permis d‘interpréter les performances en termes de désirabilités (satisfaction), qui sont
agrégées en un indice de satisfaction global (fonction objectif) par un principe de précaution.
Un algorithme génétique est alors utilisé pour trouver une solution optimale qui maximise
cette fonction objectif, en explorant l‘espace des solutions possibles de manière combinatoire.
Cette démarche de conception, fructueuse, conduit à proposer un dimensionnement
permettant d‘obtenir des performances très satisfaisantes. Il a aussi été possible d‘identifier
des améliorations ciblées pour redéfinir le concept actuel du fumoir à plaques. Par ailleurs, il
est à noter que le modèle de comportement peut facilement être réadapté pour d‘autre type de
produits. Dans la perspective d‘étendre l‘utilisation de cette démarche à d‘autres cas d‘étude,
un effort devra être mené pour la collecte de données fonctionnelles issues de l‘expertise.

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Outil d‘aide à la décision pour la conception de procédé agroalimentaire au sud
Abstract
Food process design is a complex activity, given the wide diversity of existing product and
processes, and the plurality of production contexts. Designer must meet the requirements
derived from the critical stakes from human, sanitarian, economic, environmental and cultural
point of views. In southern countries, the rapid growth of population drives the need of more
industrial processes able to valorize traditional products.
The savings of development time and extra-expenses are mainly determined by the quality of
design choices from the early stage of the designing process, called embodiment design.
Multiple criteria decision analysis (MCDA) techniques are used in this purpose, which enable
to evaluate and criticize any technological concept. In a specific context, it is possible to
generate the Pareto-set of a concept, which is composed of the most efficient possible
alternatives. Indeed, every design alternative is defined by some design (or decision) variables
which are the degree of freedom for the dimensioning of the system considered.
Our case study focuses on a technological innovation to perform hot-smoking using radiant
plates (for sanitarian purpose). It is aimed to be developed for the production of traditional
hot-smoked catfish widely consumed in West and Central Africa. This is a multicriteria
design problem since many objectives have to be satisfied, and concern the product quality,
production and energetic performances.
In a first work, the mass reduction of catfish dried in hot air conditions was modeled from
empirical measurements. In particular, this model takes into account the influence of the
drying air conditions (Temperature, Velocity and Relative Humidity) on the calculation of the
mass fluxes of evaporation and drips.
After that, a global simulation model of the radiant plate hot-smoking process was developed
from a previous work. Some key phenomena were described (pressure losses, air recycling,
thermal regulation) as they could strongly impact the process performances. The resulting
observation model allows predicting the performances of any design alternative defined by a
set of 8 design variables.
In a final work, expert knowledge and preference were mathematically introduced in a
multiobjective optimization tool, meaning some desirability functions. Therefore, every
performance variable is converted into desirability indices (traducing the level of satisfaction)
and then aggregated into a single global desirability index (thus defining a global objective
function). The optimal design of the concept is found using a genetic algorithm.

This multiobjective optimization method enabled to find very satisfactory design solution for
the radiant plate hot smoking process. More to the point, the analysis of a wide range of
Pareto-optimal solutions enabled to better understand what were the strengths and
weaknesses, so it was possible to suggest some targeted improvement to the current radiant
plate smoking technology. Also, it is noticeable that the current simulation model can be
easily adapted to other products.
For the purpose of a generalization of the use of such multiobjective methods for the design of
food processes, it has been pointed out that efforts should be made to gather expert criteria
other relevant functional data.

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Remerciements Guilhem Raffray

Remerciements

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Outil d‘aide à la décision pour la conception de procédé agroalimentaire au sud
Remerciements
Avertissement, ces remerciements sont longs et souvent personnels. Lecteurs pressés, passez votre
chemin.
Tout d‘abord je tiens à remercier mes directeurs de thèse Antoine Collignan et Patrick Sébastian pour
leur aide précieuse. Antoine, tu as su me transmettre une partie de ton immense savoir et de ton
expérience de scientifique avec pédagogie et l‘humilité qui te caractérisent. Au-delà de cela, tu m‘as
donné la chance de m‘ouvrir au monde de l‘agroalimentaire, tu m‘as permis de m‘essayer à la
pédagogie et tu m‘as toujours encouragé dans mes prises d‘initiatives. Pour tout cela et bien d‘autres
choses encore je te remercie. Patrick, tu as su répondre présent dans les moments opportuns pour
m‘empêcher de dévier du droit chemin ! Tu m‘as fait confiance sur bien des sujets. Par ailleurs, tu
m‘as fait entrevoir ton « art du discours » ce qui m‘a permis de développer mon esprit de synthèse à
tes côtés. Merci à toi.
Merci aussi aux membres de mon comité de pilotage de thèse : Thierry Goli, Denis Bruneau, Phillippe
Bohuon et Nicolas Ayessou. Thierry Goli, « tonton » et Michel Rivier, « papa », m‘ont soutenu au
quotidien dans mon travail comme dans ma vie personnelle. Michu, ta gentillesse, ton humour, ton
énergie, sont essentiels au bonheur des locaux du B15. Je te souhaite de la réussite pour ta thèse en
cours. Tonton, sans ton côté corse, la boutique (Équipe 3) ne tournerai pas aussi bien c‘est sûr, hé!
Merci d‘avoir été là.
J‘en viens donc à remercier cette chaleureuse famille du B15. La liste est longue mais j‘espère que
vous y serez tous ! Maman Nadine, c‘est par toi que je commence car j‘ai pour toi des sentiments
passionnels… Merci pour TOUT ! Dans le désordre, merci à Olivier Gibert (Golfeur Pro), Alexandre
Bouniol (Chef de Halle), Patrice Thaunay (mon gentil voisin mécano), Jean-Claude Dumas (JC le
philosophe), Adrien Servent (l‘antisocial), Jean-Michel Méot (et sa grosse voix), Vickram (Charly),
Polo (le bienaimé mauricien), et Antoine Delpeche (Le Marseillais)… et tous les autres. Un merci
particulier à des personnes plus proches : Julien Ricci (le gitan qu‘on adore) tu m‘as aidé dans mes
travaux, mais c‘est pour quand ta thèse ? (haha) Andrés Giraldo, nous avons été de bons compagnons
de route, ayant commencés la thèse ensemble. Je sais que tu deviendras un docteur génial, tu pourras
en être fier. Layal Dahdouh, tu vas me manquer, toi, ta gentillesse, et toutes les choses que je ne peux
pas écrire ici. Je sais que tu vas réussir ta thèse, je préfère donc te souhaiter du bonheur pour l‘avenir.
Une pensée amicale pour tes 2 mamans Christelle et Michèle. Un merci sincère à Abdel, le
psychologue, confident et coach spécialisé des thésards.
Merci aux Jeunes (et quelques moins jeunes) qui m‘ont entouré, du B15 au B16, passé et présent. Pour
celles et ceux qui doivent encore terminer leur thèse, je vous souhaite du courage !! Une pensée
particulière pour Christiane Azagoh (ma fille), les petites Ruslla et Carla, Pascaline Alter, Laurent
Berthiot (une bise pour toi), Aurélien Briffaz (mon modèle), Kévin del Vecchio, Wenhao, Emna
Chichti, Asma Bahri, Joseph Bassama, Adeline Bonneau, Céline Bigot, Dora Destouches, Antonio
Touré, Teerasak, Alejandra, Carla, Jessica, Zayneb, Isabel, Erika, Didier, Yasmine, Audrey, Lan, Aob,
les stagiaires Morgan, Nicolas, Florian, Elodie... et tant d‘autres ! Merci à Marie et Valérie de la
Cantine ! André Kapitan, mon pote, merci d‘avoir été présent, à tout moment… Un bisou à ta femme
et ta fille ! J‘ai également une pensée particulière pour Pedro Maldonado, Alexandre Rubio et Éric
Tardan qui ont été bien plus que des collègues (ah… les joies de l‘amour entre hommes !).

Merci à Maya, pour m‘avoir soutenu pendant ces longues années à mes côtés.
Merci à Guillaume et Aurélie pour leur amitié.
Merci à ma Fam‘s de Gadzarts ! La 7-149 est devenue solide, et c‘est une joie de vous retrouver.
Merci pour votre soutien (+ un bisou à Perrine).
Merci à mes Parents, mon Frère et toute ma Famille, c‘est grâce à vous que j‘existe et c‘est à travers
vous que je me construis.
C‘est un exercice difficile que d‘adresser des remerciements exhaustifs, car j‘ai la crainte d‘omettre de
mentionner des personnes qui ont compté dans ma petite vie de thésard… Je dis donc aux oubliés
Merci !
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Remerciements Guilhem Raffray

Les résultats de ce travail ont fait l’objet de communications et
publications scientifiques :

Publication n°1 : (acceptée et publiée)
G. Raffray, T. Goli, M. Rivier, P. Sebastian & A. Collignan (2014) Modeling of Mass
Transfer During Hot-Smoking of Fish Fillets, Drying Technology: An International Journal,
32:3, 339-351
Publication n°2 : (acceptée et publiée)
G. Raffray, P. Sebastian & A. Collignan (2015) Simulation Model for the Optimization of a
Radiant Plate Hot-Smoking Process, Journal of Food Engineering, 147, 56-67
Publication n°3 : (en révision)
G. Raffray, A. Collignan & P. Sebastian. Multi-objective optimization of the preliminary
design of an innovative hot-smoking process, Journal of Food Engineering.

Communication orale n°1 :
G. Raffray, P. Sebastian (speaker), T. Goli, M. Rivier & A. Collignan. Multicriteria decision
analysis method for food process design. Application to fish and meat hot smoking, 27th
EFFoST International Conference, 20-23 November 2012, Montpellier (France), Topic:
Integrated Approach
Communication orale n°2 :
G. Raffray (speaker), A. Collignan & P. Sebastian, Multi-objective optimization for the
design of food processes. Application to an innovative hot-smoking process, in an African
industrial context, The 8th European Workshop on Food Engineering and Technology, 1-2
April 2014, EFCE, EFFoST, DIL Quakenbrück (Germany)
Communication orale n°3 :
G. Raffray (speaker and chairman), P. Sebastian & A. Collignan, Multi-Objective
Optimization for the Design of Fish and Meat Hot-Smoking Processes, 20th Conference of the
International Federation of Operational Research Societies IFORS, 13-18 July 2014,
Barcelone (Spain), Session: FB-18 Applications of Multiobjective Optimization II

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Outil d‘aide à la décision pour la conception de procédé agroalimentaire au sud
Un voyage de mille lieues commence toujours par un premier pas.
LAO TSEU.
(Tao Tö King. 600 av. J-C.)

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