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2e édition
VOLUME 1 : LES APPAREILS DE CONCENTRATION
MEMBRANAIRE ET LES ÉVAPORATEURS
Centre de recherche, de développement et de transfert technologique acéricole
Sous la direction de Martin Pelletier, ing.f.
Droits d’auteur
Il est interdit de reproduire, de traduire ou d’adapter cet ouvrage sans l’autorisation écrite du Centre ACER afin de respecter les droits d’auteur et d’encourager la diffusion de nouvelles connaissances.
Avertissements
Les marques de commerce mentionnées dans ce document le sont à titre indicatif seulement et ne constituent nullement une recommandation de la part des auteurs ou de l’éditeur.
Au moment de sa rédaction, l’information contenue dans le présent cahier était jugée représentative du secteur acéricole au Québec. Son utilisation demeure sous l’entière responsabilité du lecteur. Certains renseignements pouvant avoir évolué de manière significative depuis la rédaction de cet ouvrage, le lecteur est invité à en vérifier l’exactitude avant de les utiliser.
Dans le présent document, le masculin englobe le féminin et est utilisé uniquement pour alléger le texte.
POUR INFORMATION ET COMMENTAIRES
Centre de référence en agriculture et agroalimentaire du Québec 2875, boulevard Laurier, Édifice Delta 1, 9e étage Québec (Québec) G1V 2M2 418 5235411 | 1 888 5352537 client@craaq.qc.ca | www.craaq.qc.ca
Bibliothèque et Archives nationales du Québec, 2021
ÉQUIPE DE RÉALISATION DE LA 2e ÉDITION
Direction du projet
Martin Pelletier, ing.f., Centre ACER
Rédaction
Fadi Ali, ing., Ph. D., Centre ACER
Véronique Guillotin, tech. agricole, Centre ACER
Jessica Houde, ing., Centre ACER
Luc Lagacé, microbiologiste, Ph. D., Centre ACER
Nathalie Martin, chimiste, Ph. D., Centre ACER
Martin Pelletier, ing.f., Centre ACER
Révision scientifique
Fadi Ali, ing., Ph. D., Centre ACER
Luc Lagacé, Ph. D., Centre ACER
Nathalie Martin, chimiste, Ph. D., Centre ACER
Révision technique
Christian Bégin, Les équipements Lapierre
Raymond Bernier, ing., Bélanger agroconsultant inc.
Patrice Bertrand, ing.f., Club de qualité acéricole de Portneuf
Joël Boutin, tech. agricole, Club d’encadrement technique acéricole des Appalaches
Étienne Chabot, Les équipements d’érablière CDL inc.
Sébastien Collard, Dominion & Grimm
Denis Côté, Memprotec
Guillaume Deschesnes, agr., MAPAQ
David Lapointe, ing.f., géog., M.ATDR, MAPAQ
Philippe Leduc, ing.f., Club acéricole du sud du Québec
Daniel Majeau, Dominion & Grimm
Steve O’Farell, Les équipement d’érablière CDL inc.
Andréanne Ouellet, agr., Club d’encadrement technique en acériculture de l’Est
Vincent Poisson, ing.f., Club acéricole du sud du Québec
Rachel Proulx, tech. agricole, ministère de l’Agriculture, des Pêcheries et de l’Alimentation du Québec (MAPAQ)
Éric Roy, tech. agricole, MAPAQ
Annie St Onge, agr., Producteurs et productrices acéricoles du Québec
Gabriel Weiss, agr., CCS Env., MAPAQ
Coordination, édition et mise en page
Jacques Leblanc, chargé de projets, Centre de référence en agriculture et agroalimentaire du Québec (CRAAQ)
Danielle Jacques, chargée de projets aux publications, CRAAQ
Barbara Vogt, chargée de projets aux publications, CRAAQ
Véronique Michaud, graphiste, CRAAQ
Figures
Martin Pelletier, Fadi Ali, Nathalie Martin, Centre ACER
Photos
Martin Pelletier, Fadi Ali, Centre ACER
ÉQUIPE DE RÉALISATION DE LA 1re ÉDITION
(Certains textes figurant dans ce cahier ont été repris de la 1re édition.)
Recherche et rédaction
Gaston Allard, Centre ACER inc.
Martin Belzile, Centre ACER inc.
Comité Entreprises et producteurs
Onil Beaudoin, SaintPaul d’Abbotsford
Jogues Beaulac, Érablière Beauvan
Enrico Bélanger, Commission scolaire des Fleuves et des Lacs
Gilles Bernard, Équipement Gilles Bernard inc.
Sylvain Bilodeau, L.S. Bilodeau inc.
David Bolduc, Leeds Village
René Cantin, Cantin (HE) inc.
Bruno Carrier, Évaporateur Dallaire inc.
Robert Dupuis, Dominion & Grimm inc.
Jocelyn Faucher, Évaporateur Jean Faucher
Jean Gosselin, Les Plastiques Fusionex inc.
Rock Lavallée, Acériculteurs et Acéricultrices du Québec (ACERQ)
Donald Lapierre, Équipement Lapierre inc.
Marcellin Lavoie, Équipement d’érablière CDL inc.
Gérald Lehoux, Entreprises Denis Darveau
Jeannine Lemieux, exploitante d’érablière
Josée Lussier, Les Spécialistes Techniques de Valcourt inc.
Diane Massicotte, Coopérative fédérée de Québec
Jean Marc Mathieu
Yvon Paquette, Équipement Y. Paquette ltée
Yvon Pellerin, Airablo inc.
Vincent Pépin, Dominion & Grimm inc.
François Périnet, Les Sucres Gosford senc
Jean François Plouffe
Louis Rivard, L’érablière de Stanfold
Angelo Trépanier, Érablière Aux Mille Érables
Rolland Urbain, Érablière Lise et Rolland Urbain
Comité scientifique et technique
Donald Beaulieu, MAPAQ BasSaintLaurent
Mario Beauregard
JeanPierre Bellegarde, Fédération des producteurs acéricoles du Québec
Raymond Bernier, MAPAQ OutaouaisLaurentides
Michel Bilodeau, Direction des laboratoires d’expertises et d’analyses alimentaires, Parc technologique du Québec métropolitain
Alain Boily, MAPAQ Chaudière Appalaches
André Boucher, MAPAQ OutaouaisLaurentides
Joël Boutin, Club d’encadrement technique acéricole des Appalaches
Michel Cartier, Centre ACER inc.
Damien De Halleux, Faculté des sciences de l’agriculture et de l’alimentation, Université Laval
René Desruisseaux, Centre ACER inc.
François Dumas, Groupement acéricole de l’Est
Andrée Gagnon, Club acéricole des Pays d’en haut
François Gagnon, Club Acéricole du Granit
Roméo Gauthier, MAPAQ Québec
Stéphane Guay, Centre ACER inc.
Luc Gagné, Centre ACER inc.
Patrick Lang, Club d’encadrement technique acéricole de l’Est
Gaétan Lauzier, MAPAQ BasSaintLaurent
Julien Lavoie, Centre ACER inc.
Marie Josée Lepage, MAPAQ Estrie
Nathalie Martin, Centre ACER inc.
Richard Mongrain, Club de qualité en acériculture de la Montérégie
Louis Montambault, MAPAQ Mauricie
Robert Montambault, Citadelle Coopérative de producteurs de sirop d’érable
Sylvain Morasse, Club de qualité en acériculture de Portneuf
Marcel Moreau, MAPAQ Montérégie, secteur Ouest
Raymond Nadeau, Club de qualité en acériculture de Thetford
Alain Pelletier, Club de qualité en acériculture des Appalaches
Richard Pelletier, MAPAQ MontréalLavalLanaudière
Bernard Prince, Les entreprises Bernard Prince
Huguette Robichaud, Agence canadienne d’inspection des aliments
Richard Turmel, MAPAQ Centre duQuébec
Comité de validation
Lyne Beaumont, MAPAQ Direction de la normalisation et de l’appui à l’inspection
Patrice Bertrand, Club de qualité acéricole de Portneuf
Pascale Boivin, Regroupement pour la commercialisation des produits de l’érable du Québec inc.
André Boucher, MAPAQ OutaouaisLaurentides
Sylvie Chagnon, Érablière la coulée d’Abbotsford
JeanMarie Chouinard, Citadelle Coopérative de producteurs de sirop d’érable
Ghislain Jacques, Les produits alimentaires Jacques et fils inc.
Gaétan Lauzier, MAPAQ BasSaintLaurent
Richard Pelletier, MAPAQ MontréalLavalLanaudière
Marcel Pépin, Dominion & Grimm
Les appareils de concentration membranaire et les évaporateurs iv
REMERCIEMENTS
Nous remercions le ministère de l’Agriculture, des Pêcheries et de l’Alimentation du Québec pour le support accordé au projet de mise à jour du Cahier de transfert technologique en acériculture. Nous remercions également les entreprises qui ont contribué à en financer la publication : Agrizone, CDL Intelligence, Dominion & Grimm Inc., Lapierre et L. S. Bilodeau.
Au nom du Centre ACER, nous voulons souligner l’excellent travail du groupe de révision technique. Ses membres ont gracieusement accepté de partager leurs connaissances et leur expérience et ce premier volume du Cahier de transfert technologique en acériculture, 2e édition en est d’autant amélioré
Des remerciements spéciaux vont aux personnes et organismes suivants qui ont accepté de fournir leurs précieuses données de production. Sans eux, le dimensionnement des équipements de concentration et d’évaporation n’aurait pas été aussi détaillé :
· Club d’encadrement technique en acériculture de l’est (Biencourt, Québec),
· Joël Boutin et Suzanne Tessier,
· ProForêt Acéribois inc. (LacMégantic, Québec),
· Proctor Maple Research Center (University of Vermont, Burlington, Vermont).
De plus, le Centre de formation agricole de SaintAnselme a généreusement communiqué des données expérimentales venant de ses tests d’évaporation. Ces résultats ont permis d’éclairer la réflexion sur la consommation de combustible pour la production de sirop d’érable. Que les membres de l’équipe en soient remerciés ici.
Enfin, nous tenons à remercier Stéphane Fortier et François Dufour pour nous avoir permis de photographier leurs équipements et bâtiments afin d’illustrer les propos du texte.
Les auteurs
Ce projet est financé par l’entremise du Programme Innov’Action volet 3, en vertu du Partenariat canadien pour l’Agriculture, entente conclue entre les gouvernements du Canada et du Québec.
v
À PROPOS DU CENTRE ACER
Fondé en 1998 dans le cadre d’un partenariat unissant le ministère de l’Agriculture, des Pêcheries et de l’Alimentation du Québec (MAPAQ), le ministère de la Forêt, de la Faune et des Parcs du Québec (MFFPQ) et les différents acteurs de l’industrie acéricole, le Centre de recherche, de développement et de transfert technologique acéricole inc. aussi connu sous le pseudonyme Centre ACER est un acteur incontournable du développement et du partage de l’information technicoscientifique dans l’industrie acéricole québécoise et mondiale. Principalement axé sur la recherche appliquée et le transfert de technologie, le Centre ACER, en collaboration avec les différents intervenants du milieu, a pour objectif de contribuer au développement de l’acériculture en concentrant ses efforts sur les volets suivants :
• Développement des techniques de production et de transformation,
• Contrôle et amélioration de la qualité et de l’innocuité des produits de l’érable,
• Valorisation et exploitation durable de la ressource.
Depuis sa création, le Centre ACER a contribué à l’avancement de l’acériculture en traitant de différents enjeux de taille. On peut notamment souligner les efforts répétés visant à favoriser l’innocuité et l’intégrité du sirop d’érable par l’innovation et le transfert de connaissances, entre autres en matière de :
• Détection de l’adultération du sirop d’érable tant par des analyses non ciblées à grande échelle que par des analyses ciblées utilisant des techniques novatrices;
• Identification, caractérisation et compréhension générale de certains défauts de saveur du sirop d’érable;
• Support à l'amélioration et à la validation des performances de divers équipements employés en production acéricole;
• Appui au développement d’innovations faisant l’objet d’un brevet;
• Travail sur les produits et méthodes d’assainissement des équipements de récolte permettant de favoriser les rendements et la qualité du sirop;
• Soutien à l’élaboration de différents règlements et normes ainsi qu’à la mise en œuvre de la politique bioalimentaire du Québec.
Les appareils de concentration membranaire et les évaporateurs vi
AVANT-PROPOS
Le Centre ACER recevait en 1996 le mandat de réaliser la première version du Cahier de transfert technologique en acériculture (CTTA), qui fut publiée en 2004. La nécessité d’un tel document de référence avait été exprimée par tous les membres de la Filière acéricole. Le CTTA a donc été créé pour regrouper l’ensemble des connaissances dans ce domaine, tant les pratiques issues du savoir traditionnel que les techniques plus modernes s’appuyant sur des fondements scientifiques. Il a été écrit en impliquant les gens du milieu, en colligeant l’expérience de nombreux producteurs et productrices et en travaillant dans un esprit de consensus pour arriver à une compréhension commune. Cet ouvrage constitue désormais la référence pour le monde acéricole au Québec.
La 2e édition était rendue nécessaire pour mettre à jour les connaissances sur les équipements et technologies en usage. Elle veut aussi répondre au besoin de mieux vulgariser les notions complexes reliées à la transformation de la sève en sirop. Enfin, on souhaitait utiliser les technologies de l’information disponibles pour offrir un CTTA complété par des outils de calcul (chiffriers Excel) facilitant aux acériculteurs et acéricultrices le travail de dimensionnement ou de choix des équipements, ainsi qu’une version PDF numérique. Les chiffriers sont disponible au catalogue du CRAAQ avec le code de promotion figurant sur cette page*.
Cette 2e édition est conçue sous la forme de quatre volumes thématiques, qui reprennent certains textes du CTTA 1e édition, les bonifient et les enrichissent de connaissances nouvelles.
• Le Volume 1 (parution 2021) traite des appareils de concentration membranaire et des évaporateurs.
• Le Volume 2 sera dédié à la qualité, aux instruments de mesure, aux étapes du conditionnement et à la fabrication de produits dérivés.
• Le Volume 3 expliquera le diagnostic de l’état de santé de l’érablière, la sylviculture de l’érablière orientée vers la production acéricole et les mécanismes de la coulée de la sève.
• Le Volume 4 décrira le système de récolte de la sève d’érable et les infrastructures de production (cabane, station de pompage, réseau de chemins).
Les auteurs espèrent que ce Cahier de transfert technologique en acériculture2e édition saura offrir aux acériculteurs, acéricultrices ainsi qu’aux spécialistes du secteur un outil actualisé pour approfondir leurs connaissances et répondre à leurs questions sur de nombreux points techniques.
Téléchargez gratuitement le chiffrier d'évaluation des besoins, le chiffrier d'analyse économique ainsi que les Registres de suivi des opérations :
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TABLE DES MATIÈRES
LISTE DES TABLEAUX
Tableau 1.1. Composition de la sève d’érable ...........................................................................................
Tableau 1.2. Composition du sirop d’érable .............................................................................................. 6
Tableau 1.3. Classes de couleur du sirop d’érable ...................................................................................13
Tableau 1.4. Principaux défauts de saveur selon leur type et combinaisons possibles entre les types et les marqueurs d’intensité 14
CHAPITRE
Tableau 2.1. Caractéristiques de la sève et du procédé de transformation qui influencent les propriétés du sirop ...............................................................................19
Tableau 2.2. Évaluation de la vitesse de réaction Maillard selon l’intensité du feu et le transfert de chaleur .....................................................................................................22
Tableau 2.3. Évaluation de l’effet de l’intensité de feu et du transfert de chaleur sur la quantité des produits de la réaction de Maillard ...................................................24
Tableau 2.4. Arômes développés lors de la réaction de Maillard dans des systèmes modèles impliquant un acide aminé et le glucose ....................................25
Tableau 2.5. Température de caramélisation des sucres pouvant être caramélisés dans l’évaporateur ...........................................................................................26
Tableau 2.6. Niveau de concentration moyen des composants de la sève lors de sa transformation en sirop d’érable ...................................................................... 27
Tableau 2.7. Caractéristiques des différents types de procédés membranaires ..................................31
Tableau 2.8. Conductivité thermique de l’acier inoxydable et de différents composants de la pierre de sucre ........................................................................................52
Tableau 3.1. Paramètres de la section 1 servant à établir les besoins en matière de performance des appareils d’une exploitation acéricole.............................................64
Tableau 3.2. Paramètres de la section 2 servant à établir les coulées quotidiennes minimale, moyenne et maximale ........................................................................................ 67
Tableau 3.3. Paramètres de la section 3 permettant d’évaluer les besoins d’évaporation et de concentration membranaire ..............................................................68
Tableau 3.4. Paramètres de la section 4 permettant d’évaluer les besoins en réservoirs de sève et de concentré ........................................................................................................69
Tableau 3.5. Recommandations d’entretien pour les systèmes de concentration membranaire ...........................................................................................72
Tableau 3.6. Volume et liquide recommandés à chaque étape de lavage d’évaporateur selon la méthode traditionnelle et la méthode par lave-panne ................ 74
Tableau 3.7. Recommandations du nombre d’étapes de lavage et du volume de filtrat à prévoir ................................................................................................................75
Tableau 3.8. Données choisies par M. Acer pour la section 1-A .............................................................76
Tableau 3.9. Facteurs de design appliqués aux différents équipements de M. Acer ...........................76
Tableau 3.10. Données choisies par M. Acer pour la section 1-C .............................................................76
Tableau 3.11. Données de calcul des valeurs de coulée moyenne choisies par M. Acer pour la section 2-A .................................................................................................. 77
Tableau 3.12. Valeurs de coulées choisies par M. Acer à la section 2-B ................................................. 77
Tableau 3.13. Résumé des besoins horaires de concentration membranaire et d’évaporation ................... 78
Tableau 3.14. Résultats de validation obtenus par M. Acer selon son dimensionnement choisi en cas de scénario de coulée maximale ..................................................................79
Tableau 3.15. Temps de travail d’une journée typique de concentration membranaire selon le scénario de dimensionnement choisi par M. Acer ...............................................80
Tableau 3.16. Temps de travail d’une journée typique d’évaporation selon le scénario de dimensionnement choisi par M. Acer .............................................................................80
Tableau 3.17. Paramètres du système de concentration membranaire choisi et capacité de la cuve de lavage correspondante .............................................................81
Tableau 3.18. Évaluation des volumes de filtrat nécessaires en fonction des étapes d’entretien du système de concentration membranaire................................81
Tableau 3.19. Volume de filtrat nécessaire au remplissage des casseroles de l’évaporateur choisi par M. Acer......................................................................................82
Tableau 3.20. Évaluation des besoins en filtrat pour le nettoyage de l’évaporateur choisi par M. Acer ..................................................................................................................82
Tableau 3.21. Dimensionnement - volume des cuves de lavage et de filtrat nécessaire pour l'entretien ...................................................................................................83
Tableau 3.22. Spécifications des principales membranes de 8 pouces disponibles dans le secteur acéricole ......................................................................................................92
Tableau 3.23. Conditions d’opération des principales membranes disponibles dans le secteur acéricole ......................................................................................................93
Tableau 3.24. Adéquation entre niveaux de concentration du concentré de sève et proportions casseroles à plis/casseroles à fond plat ..................................... 97
Tableau 3.25. Comparaison des principaux combustibles utilisés en acériculture ...............................98
Tableau 3.26. Volume apparent d’une corde de bois selon la longueur des bûches .......................... 101
Tableau 3.27. Diamètre de la cheminée en fonction de la largeur de l’évaporateur .......................... 106
Tableau 3.28. Description de différents antimousses dont l’efficacité a pu être observée en acériculture ................................................................................... 113
Tableau 4.1. Critères de qualité de l'eau potable, de l'eau de nettoyage et du filtrat d'osmose inverse utilisés pour le lavage et le rinçage des équipements .................... 126
Tableau 4.2. Taux de séparation (%) en fonction de la teneur en extrait sec soluble initiale et finale d’une solution.........................................................................................132
Tableau 4.3. Exemple de facteurs de correction à appliquer au débit en fonction de la température ............................................................................................................. 137
Tableau 4.4. Liste des procédures d'opération et d'entretien ............................................................. 139
Les appareils de concentration membranaire et les évaporateurs xii
Tableau 4.5. Paramètres et définition des réglages employés dans les procédures d'opération et d'entretien .................................................................................................. 140
Tableau 4.6. Description des procédures d'opération et d'entretien d'un appareil de concentration membranaire ................................................................. 142
Tableau 4.7. Degré d’élévation supplémentaire selon la teneur en extrait sec soluble de la solution dans l’évaporateur ..................................................................................... 178
Tableau 4.8. Effets des variations du niveau de liquide dans les casseroles sur la performance de l’évaporateur et les propriétés du sirop .......................................... 186
Tableau 4.9. Plages de pression recommandées en fonction de la largeur du foyer 188
Tableau 4.10. Paramètres de dilution du sirop dans de la sève ou du filtrat pour obtenir une solution sucrée adéquate 200
Tableau 4.11. Critères de diagnostic du procédé d’évaporation, valeurs cibles et interprétation 202
Tableau 4.12 Critères de contrôle du procédé d’évaporation, valeurs cibles et interprétation................ 205
Tableau 4.13. Quantité de combustible normalement nécessaire pour produire 32 gal imp. de sirop dans différents types d’évaporateurs ............................................ 206
Tableau 4.14. Valeurs cibles pour les différents paramètres de diagnostic d’un évaporateur .................. 208
Tableau 4.15. Types d’erreur d’estimation et leur effet sur la qualification de l’efficacité énergétique ................................................................................................. 213
CHAPITRE 5.
Tableau 5.1. Pictogrammes des indicateurs de danger fournis par le CCHST ................................... 221
Figure 2.1. Étapes clés de la réaction de Maillard ................................................................................21
Figure 2.2. Relation entre la quantité de réactifs (précurseurs), le Brix de la solution et l’intensité de la réaction de Maillard dans des conditions d’évaporation constante .......................................................................................................23
Figure 2.3. Écoulement des liquides sur les différents composants d’une membrane spiralée (à gauche) et circuit de recirculation d’un appareil de concentration membranaire en série (à droite) ....................................30
Figure 2.4. Mouvements des fluides dans une membrane de concentration ....................................30
Figure 2.5. Illustration du caractère dynamique de l’osmose ..............................................................33
Figure 2.6. Illustration du caractère dynamique de l’osmose inverse ................................................34
Figure 2.7. Illustration des phénomènes de colmatage et de polarisation de la concentration ...............................................................................................................35
Figure 2.8. Pression osmotique en fonction de la concentration massique (%) d’une solution de sucre.........................................................................................................36
Figure 2.9. Variation de l’intensité de la réaction Maillard et du temps de résidence d’un concentré de sève dans l’évaporateur en fonction du Brix du concentré ..................... 37
Figure 2.10. Variation de la conductivité électrique des concentrés de sève en fonction du Brix (entre 8 et 40 °Brix) ...........................................................................39
Figure 2.11. Élévation de la température d’ébullition en fonction de la teneur en saccharose de la solution ................................................................................................41
Figure 2.12. Dépôts brunâtres de pierre de sucre formés sur la surface de casseroles à plis ......................42
Figure 2.13. Profil de température de la chaleur transférée de la source (air chaud) au réduit ..................44
Figure 2.14. Échanges thermiques à contre-courant entre l’air chaud et la sève froide dans un évaporateur acéricole ................................................................45
Les appareils de concentration membranaire et les évaporateurs xiv
Figure 2.15. Représentation de profil de température dans l’évaporateur du sirop d’érable selon la configuration de chauffage : sous les casseroles à plis (co-courant) ou sous les casseroles à fond plat (contre-courant) .........................46
Figure 2.16. Échantillon de pierre de sucre prélevé dans un évaporateur ..........................................51
CHAPITRE
Figure 3.1. Exemple de configuration pour 4 réservoirs de stockage ................................................86
Figure 3.2. Configuration d’un concentrateur dont les membranes sont positionnées en série ................................................................................................................................... 87
Figure 3.3. Configuration d’un concentrateur dont les membranes sont positionnées en parallèle ............................................................................................................................88
Figure 3.4. Illustration des différents paliers de concentration ..........................................................89
Figure 3.5. Exemple de manomètre dans un panneau de contrôle d’un appareil de concentration membranaire ...........................................................................................90
Figure 3.6. Exemple de débitmètre muni d’une valve d’échantillonnage ..........................................90
Figure 3.7. Exemple de système d’échantillonnage pour un appareil de concentration membranaire à plusieurs caissons ........................................................91
Figure 3.8. Les parties d’un évaporateur acéricole au bois en fonction .............................................94
Figure 3.9. Vues de face et de profil des casseroles à plis dans le feu, à plis dans l’eau et à tubes ...................................................................................................95
Figure 3.10. Empilement de bois destiné à alimenter un évaporateur acéricole....................................99
Figure 3.11. Abri permettant de protéger le bois servant à l’évaporation des intempéries 100
Figure 3.12. Variations du prix du mazout pour les régions de Montréal et de la Capitale-Nationale 103
Figure 3.13. Efficacité énergétique d'un évaporateur..........................................................................104
Figure 3.14. Cordons d’amiante assurant l’étanchéité entre la casserole à plis et la casserole à fond plat ainsi qu’au niveau de l’assise des casseroles sur l’évaporateur 105
Figure 3.15. Zones et mécanismes de diffusion de la chaleur dans l’évaporateur ........................... 109
Figure 3.16. Caractéristiques de la chambre de combustion et du profil de l’évaporateur .................... 110
Figure 3.17. Évaporateur muni d’une hotte appuyée sur la casserole à plis .................................... 114
Figure 3.18. Cône de récupération du condensat à la base d’une cheminé de vapeur dans un dôme durant l’évaporation ............................................................... 115
Figure 3.19. Cadran du thermomètre bimétallique ............................................................................. 115
Figure 3.20. Boîtier de contrôle d’un doseur d’antimousse automatique ......................................... 116
Figure 3.21. Schéma d’un inverseur de coulée ..................................................................................... 117
Figure 3.22. Exemple de boite à flotte chaude alimentant un inverseur de coulée (incomplet) ........................................................................................................ 119
Figure 3.23. Boitier de contrôle du thermorégulateur de la coulée .................................................. 119
Figure 3.24. Sonde du thermorégulateur de la coulée positionné près de la sortie de sirop de l’évaporateur ................................................................................................... 120
Figure 4.1. Illustration du taux de rétention et du taux de séparation d’un procédé de concentration membranaire ........................................................................................ 129
Figure 4.2. Illustration de l’erreur induite par une variation du repère de lecture sur le plongeur d’un débitmètre ....................................................................................... 135
Figure 4.3. Étapes de mesure du VM et du VMR ................................................................................ 138
Figure 4.4. Cheminées de vapeur et de fumée munies d’un cône permettant la sortie des gaz en tout temps ........................................................................................ 176
Figure 4.6. Sirop d’érable coulant de l’évaporateur dans le sirotier ................................................ 179
Figure 4.7. Bûches enflammées dans la chambre de combustion d’un évaporateur au bois traditionnel............................................................................................................ 181
Figure 4.8. Exemple de variation du débit d’huile en fonction de la pression appliquée sur différents modèles de buses .................................................................... 184
Figure 4.9. Exemple d’indicateur du niveau de liquide installé sur une casserole à plis..............186
Figure 4.10. Doseur d’antimousse de type « gobelet en bois » positionnés dans les casseroles à fond plat d’un évaporateur en fonction ...................................... 190
Figure 4.11. Équipements d’entretien et d’opération de l’évaporateur 192
Figure 4.12. Exemples de diagnostics posés en fonction de la couche de suie présente sur un filtre 209
Les appareils de concentration membranaire et les évaporateurs xvi
INTRODUCTION
Cet ouvrage a pour but de présenter, de manière structurée, les informations se rapportant à la transformation de la sève d’érable en sirop d’érable. Plus précisément, l’objectif est de jeter les bases permettant à tous les intervenants du milieu acéricole de comprendre, de sélectionner et d’opérer l’appareil de concentration membranaire, l’évaporateur acéricole et les réservoirs nécessaires à la gestion des fluides de procédés. Les conseillers acéricoles et les producteurs seront aussi mieux outillés pour maîtriser les paramètres permettant d’optimiser l’efficacité énergétique du procédé de transformation ainsi que le développement de la saveur du sirop d’érable.
COMMENT UTILISER
CET OUVRAGE
Ce premier volume du Cahier de transfert technologique en acériculture, deuxième édition, vise à rassembler les connaissances disponibles sur les différentes étapes et techniques de production du sirop d’érable. Il s’adresse à différentes catégories d’utilisateurs dont les attentes sont très diversifiées. Afin que chacun en tire profit, l’ouvrage est divisé en plusieurs sections suivant un ordre logique, mais qui peuvent être consultées dans le désordre selon les besoins de l’utilisateur.
• Notions de base : Cette section décrit sommairement les connaissances essentielles pour comprendre les grandes étapes de la transformation de la sève en sirop ainsi que les équipements en usage.
• Fondements scientifiques : Ce chapitre présente et explique les bases scientifiques sur lesquelles reposent la conception et l’opération des différents appareils. Elle s’adresse aux personnes qui désirent connaître le fin détail du procédé de transformation de la sève en sirop.
• Sélection ou conception des appareils : Ce chapitre regroupe les informations nécessaires
à la conception des différents équipements et procédés utilisés en acériculture. Elle vise à alimenter une démarche d’ingénierie.
• Opérations : Ce chapitre regroupe les informations utiles et nécessaires pour la production de sirop d’érable. Elle s’adresse directement aux producteurs et productrices acéricoles de même qu’aux conseillers qui les appuient durant la saison.
• Sécurité : Ce chapitre résume les points essentiels de la prévention des risques liés aux méthodes de travail (produits dangereux, etc.) et de ceux liés aux infrastructures (électricité, incendie, etc.).
• Annexes : Les lecteurs trouveront en annexe des exemples de registres utiles pour consigner les conditions d'opération et suivre les performances des appareils, ainsi que les références bibliographiques, la liste des unités de mesure et abréviations, le glossaire et l'index.
• Chiffriers de calcul : Deux chiffriers (feuilles de calcul Excel) accompagnent l’ouvrage de manière à faciliter son utilisation. Leur emploi est décrit au Chapitre 3. Voir en page vii comment les télécharger.
PRÉCISIONS SUR LES TERMES UTILISÉS
Sève et eau d’érable
Il importe de préciser que, dans cet ouvrage, le terme « sève » désigne le liquide translucide qui est récolté à la suite de l’entaillage des érables pour être transformé en sirop. Contrairement à la croyance populaire, la sève est produite tout au long de la saison. Le terme « eau d’érable » ne sera utilisé que pour désigner des boissons à base de sève d’érable. Ce terme ne repose sur aucun fondement biologique : aucun des fluides présents dans les érables ne porte ce nom. De plus, l’utilisation du terme « eau » pour autre chose que de l’eau peut porter à confusion.
Degré Brix, concentration en sucre et teneur en extrait sec soluble
Bien que ces termes soient fréquemment utilisés
de manière interchangeable, ils ne sont pas synonymes au sens strict. En effet, la teneur en extrait sec soluble est une mesure de l’ensemble des matières dissoutes dans la solution (sève, concentré de sève, sirop ou filtrat). Bien que ces matières soient largement dominées par le sucre, il existe plusieurs autres composés qui contribuent à établir le caractère distinctif de l’érable. L’ensemble de ces matières dissoutes influence l’indice de réfraction du liquide dans lequel elle se trouve. Ainsi, une lecture de la réfraction d’un liquide est influencée par l’ensemble des matières dissoutes.
La concentration en sucre représente la proportion de sucre dans la solution; elle est généralement exprimée en pourcentage. Par définition, elle exclut l’ensemble des autres substances présentes dans les produits de l’érable.
Figure 1. Mesure de la densité du sirop d’érable à l’aide d’un densimètre
Le Brix est la mesure de la teneur en saccharose dissous dans une solution à base d’eau et s’exprime en oBrix. Un degré Brix correspond à 1 % de saccharose dissous. Puisque le Brix est fondé sur le saccharose uniquement, il ne s’agit pas d’une mesure exacte de la concentration en sucre ou de la teneur en extrait sec soluble puisque l’ensemble des autres
éléments dissous dans la solution ne sont pas pris en compte. Dans les produits de l’érable, l’utilisation des degrés Brix tendra à surestimer légèrement la teneur en sucre. Malgré cette situation, ce paramètre demeure un très bon estimateur de la teneur en sucre des produits de l’érable puisque la marge d’erreur est faible et qu’il est facile à mesurer dans un contexte de production.
Températures
À moins d’avis contraire, les températures sont données en présumant que l’environnement de la prise de mesure est à température et pression normales (TPN), soit 20 °C et 101,3 kPa respectivement.
Production certifiée biologique
La norme biologique étant de nature changeante, les spécificités de cette dernière n’ont pas été intégrées dans cet ouvrage. Toutefois, des avertissements sont apposés dans les cas où la norme biologique pourrait émettre des restrictions quant aux pratiques acceptables. Ainsi, il appartient aux lecteurs de documenter certains points auprès d’autres sources. Dans cette démarche, l’organisme certificateur avec lequel le producteur fait affaire ne devrait pas être négligé comme source d’information. Enfin, soulignons que les références à la norme biologique s’inspirent de la norme prévalant en 2019 au Canada.
Certification biologique
La norme Systèmes de production biologique principes généraux et normes de gestion (CAN/CGSB32.3102020) dans sa nouvelle version révisée en 2020 est accessible sur le site du gouvernement du Canada : http://www.publications.gc.ca/site/ fra/9.894378/publication.html. Voir notamment la section 7.2 Produits de l’érable.
Les appareils de concentration membranaire et les évaporateurs 2
1.1. TRANSFORMATION DE LA SÈVE EN SIROP D'ÉRABLE ................................. 5
1.1.1. LA SÈVE D’ÉRABLE .............................................................................................................. 5
1.1.2. LE SIROP D’ÉRABLE ............................................................................................................ 6
1.1.3. PROCÉDÉ DE CONCENTRATION/CUISSON .................................................................. 7
8 SYSTÈME D’ENTREPOSAGE DE LA SÈVE, DU CONCENTRÉ ET DU FILTRAT .......................................................................................................................... 10
1.2. NOTIONS DE QUALITÉ .................................................................................... 10
1.2.6. COMMENT INTÉGRER LES DIFFÉRENTS SYSTÈMES DE QUALITÉ À LA PRODUCTION ACÉRICOLE 15
CHAPITRE 1. NOTIONS DE BASE
1.1. TRANSFORMATION DE LA SÈVE EN SIROP D'ÉRABLE
Au printemps, les acériculteurs et acéricultrices récoltent la sève des érables pour la transformer en sirop. Durant cette période, la récolte et la transformation s’effectuent souvent en continu lors des périodes de pointe. Bien que la fabrication du sirop d’érable soit une tradition plus que centenaire qui relève d’un savoir transmis aux Occidentaux par les Premières Nations, les procédés de concentration et de cuisson de la sève ont acquis, au cours des dernières décennies, un côté technologique alimenté par une science de plus en plus développée. Les progrès réalisés durant cette période ont d’ailleurs permis de faire passer cette production agricole de revenu d’appoint – voire de loisir – à une véritable industrie d’où il est maintenant possible de tirer un revenu capable de soutenir une famille. Le sirop est aussi notre produit ambassadeur, car une grande partie de celuici est exportée partout sur la planète.
Figure 1.2. Système de tubulure permettant la récolte de la sève d’érable
1.1.1. LA SÈVE D’ÉRABLE
L’érable appartient au genre Acer. La sève est la ressource première qui permet de fabriquer le sirop d’érable et ses produits dérivés. De plus, on en fait maintenant le commerce comme produit de consommation et comme ingrédient se substituant avantageusement à d’autres produits sucrants qui entrent dans la fabrication de boissons et autres produits alimentaires. Bien que la sève d’érable soit constituée principalement d’eau, on y retrouve aussi différents sucres, des minéraux, des acides organiques, des acides aminés, des composés phénoliques et aromatiques, des vitamines et des phytohormones. En moyenne, la sève contient 2 % de solides dissous, majoritairement des sucres. Les principaux composants de sève d’érable sont présentés dans le Tableau 1.1.
Au Québec, le sirop d’érable provient largement de la sève de l’érable à sucre (Acer sacharrum), mais aussi de l’érable rouge (Acer rubrum), aussi appelé « plaine ». Bien que l’érable argenté (Acer saccharinum) et l’érable noir (Acer nigrum) soient théoriquement exploitables, ils ne représentent au mieux qu’une très infime partie du sirop produit au Québec. D’autres régions productrices de produits de l’érable jouissent d’un meilleur accès à ces deux dernières espèces.
Figure 1.1. Cabane à sucre dans l’érablière
Tableau 1.1. Composition de la sève d’érable
Composants
Glucides
Teneur moyenne par 100 grammes
Sucrose 2,33 g
Glucose 0,006 g
Fructose 0,006 g
Sucres totaux 2,29 g
Sucres complexes 0,049 g
Glucides totaux 2,34 g
Minéraux
Aluminium SLQ1
Calcium
Cuivre
Fer
mg
mg
mg
mg
un environnement permettant de prévenir toute contamination. Il doit aussi provenir uniquement de la concentration de la sève des érables (genre Acer).
Tableau 1.2. Composition du sirop d’érable
Glucides
Minéraux
mg Potassium
mg
Sodium SLQ1
Zinc 0,13 mg
Minéraux totaux 11,28 mg
Vitamines totales Non détectées
Polyphénols (valeur moyenne pour toutes les classes de couleur) 0,96 mg
Pouvoir antioxydant (valeur moyenne pour toutes les classes de couleur) 12 µmol TE
1 SLQ : sous la limite de quantification
Source : Fiche industrielle de l’eau d’érable en vrac (PPAQ)
1.1.2. LE SIROP D’ÉRABLE
Bien que le sirop d’érable soit généralement composé de sucre et d’eau à 99 %, les autres composants sont d’une importance capitale. Ce sont ces composants qui permettent de le distinguer des autres produits sucrants. Le Tableau 1.2 dresse un portrait de la composition chimique du sirop d’érable.
Il est important de souligner que la réputation du produit repose notamment sur son aspect naturel, sain et pur. Ainsi, le sirop d’érable doit être fabriqué dans
Vitamines
Polyphénols (valeur moyenne pour toutes les classes de couleur)
Pouvoir antioxydant (valeur moyenne pour toutes les classes de couleur)
1 SLQ : sous la limite de quantification
µmol TE
Source : Fiche industrielle du sirop d’érable en vrac (PPAQ)
Les appareils de concentration membranaire et les évaporateurs 6
1.1.3. PROCÉDÉ DE
CONCENTRATION/CUISSON
Pour passer de la sève qui contient peu de sucre au sirop qui, lui, est beaucoup plus sucré, il faut retirer beaucoup d’eau de la sève. Pour ce faire, deux techniques sont utilisées pour produire un sirop de qualité : la concentration membranaire (Figure 1.3), suivie de l’évaporation thermique. D’entrée de jeu, il importe de souligner que l’étape de concentration membranaire peut apparaître facultative puisqu’il est tout à fait possible de fabriquer un sirop de qualité en n’utilisant que l’évaporateur acéricole. Toutefois, la concentration membranaire permet des gains économiques très importants. Elle permet de traiter de beaucoup plus grands volumes de sève en consommant moins d’énergie. La concentration membranaire permet aussi de dégager du temps de travail, les ressources étant de plus en
plus limitées dans le monde acéricole. Avec la concentration membranaire, les évaporateurs sont beaucoup plus performants, le volume d’eau à évaporer étant réduit de 2 à 12 fois. Les investissements nécessaires à l’évaporation, la durée de l’évaporation et l’énergie requise en sont réduits d’autant.
CONCENTRATION MEMBRANAIRE
Les procédés membranaires reposent sur l’utilisation d’une membrane sélective qui permet de séparer les molécules dissoutes dans l’eau selon leur taille. En acériculture, la concentration membranaire utilise deux types de technologies : l’osmose inversée et la nanofiltration. Les membranes utilisées dans les modules de filtration (souvent appelés caissons ) laissent passer l’eau tout en retenant la presque totalité des autres constituants de la sève (sucre, vitamines, minéraux, etc.).
Figure 1.3. Appareil de concentration membranaire
L’étape de la concentration membranaire mène à l’obtention de deux produits distincts : le concentré et le filtrat. Le concentré est donc la sève dont on a retiré une certaine proportion d’eau. Selon le cas, sa teneur en extrait sec soluble peut passer de 2 °Brix (teneur moyenne de la sève) jusqu’à 40 °Brix dans les cas extrêmes. Pour ce qui est du filtrat, il devrait être composé principalement d’eau pure et contenir le moins d’ions et de sucre possible. Un filtrat contenant des concentrations élevées d’éléments solides dissous indiquerait que le procédé de concentration a mené à une perte d’éléments. Une forte concentration (Brix élevé) occasionne un dépôt assez rapide des sucres et des minéraux à la surface de la membrane, résultant en une perte de ces solutés. Avec la progression du dépôt, une polarisation (gradient de concentration) fait augmenter le passage des particules en solution dans le filtrat. Si une telle perte survenait, elle mettrait en jeu les allégations d’intégrité du sirop d’érable. L’appareil de concentration membranaire et, à plus forte raison, les membranes ellesmêmes doivent donc être sélectionnés avec soin pour éviter une telle situation.
Trois principaux critères distinguent les membranes d’une même catégorie (osmose inversée ou nanofiltration) : le matériau de fabrication, la configuration de la membrane et la taille des pores. Ces critères auront un impact sur les modalités d’utilisation, la performance, l’efficacité et le nettoyage de la membrane. La taille des pores détermine, en fonction de la solution traitée, les molécules qui seront retenues dans le concentré et celles qui passeront dans le filtrat. La taille des pores affecte aussi, avec la pression d’opération et les caractéristiques de la solution à traiter (Brix, viscosité, température, teneur en éléments minéraux, etc.), le débit de filtrat. Il y a donc un avantage opérationnel à utiliser des membranes possédant de gros pores. En effet, de plus gros pores permettent, dans une certaine mesure, d’augmenter le débit de production de l’appareil. Toutefois, de gros pores laisseront passer différents composants de la sève dans le filtrat. Cette situation est à éviter; elle se solderait par une perte d’intégrité du produit et des pertes pour l’entreprise (perte de sucre).
Il existe plusieurs types de membranes d’osmose inversée et de nanofiltration dans le milieu acéricole et, à plus forte raison, dans l’ensemble des industries alimentaires et pharmaceutiques. Un portrait des différentes membranes actuellement disponible dans le milieu acéricole est présenté plus loin dans cet ouvrage. Les pores des membranes de nanofiltration sont généralement plus gros que les pores des membranes d’osmose inversée. Il faut donc assurer un suivi de la qualité du filtrat pour limiter les pertes pouvant découler de l’utilisation inadéquate de cette technologie. À faible concentration (78 oBrix), certaines membranes de nanofiltration peuvent être satisfaisantes pour la rétention des minéraux en plus d’offrir une performance accrue comparativement aux membranes d’osmose inversée.
Figure 1.4. Évaporation d’un concentré de sève d’érable dans un évaporateur acéricole
ÉVAPORATION
L’évaporation du concentré ou de la sève permet d’atteindre la concentration souhaitée pour le sirop d’érable, soit 66 °Brix. Cette opération s’effectue dans un évaporateur acéricole (Figure 1.6). Cet appareil est généralement constitué de deux sections de casseroles différentes. Les dimensions et la forme de chaque section sont établies en fonction de leur rôle dans la préparation du sirop. La première section, la casserole à plis, sert à évaporer une grande quantité d’eau. La seconde section, les casseroles à fond plat, sert à développer la saveur et la couleur
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