Optimisation de l'extraction d'huile et de protéines dans les usines de broyage de soja

Ce qui détermine le rendement en huile et la qualité du tourteau dans une usine de trituration

Dans l'industrie agroalimentaire et de l'alimentation animale, la trituration du soja produit à partir de la même graine deux flux commercialisables : l'huile brute et le tourteau. L'extraction par solvant est aujourd'hui le procédé le plus courant pour récupérer l'huile ; après la préparation et l'aplatissage des graines, elle comprend l'extraction de l'huile, la désolvantisation du tourteau, son séchage et son refroidissement, la distillation du miscella et la récupération du solvant [1]. L'hexane est le solvant d'extraction dominant, et une revue complète de plus de 70 solvants décrits dans la littérature souligne que le choix du solvant dépend du produit final principal à optimiser, l'huile ou le tourteau [2].

Le tourteau se négocie sur sa composition. Les règles commerciales de la NOPA donnent comme spécifications types 44,0–49,0 % de protéine, 0,5 % de matière grasse, au maximum 3,5 % de fibre et au maximum 12,0 % d'humidité, toutes modifiables par accord entre acheteur et vendeur [3]. Selon les mêmes règles, un lot inférieur de 0,5 % au plus à la spécification protéique n'est pas pénalisé, et les déficits protéiques plus importants sont réglés à deux fois le prix facturé rendu par unité de protéine [3]. Ce sont donc la protéine et l'humidité qui fixent la valeur commerciale de chaque lot.

Le désolvantiseur-toasteur : un seul appareil, plusieurs objectifs

Après l'extraction, les flocons imbibés de solvant passent dans le désolvantiseur-toasteur (DT). Sa fonction principale est de séparer l'hexane du tourteau ; il doit récupérer le plus d'hexane possible et produire un tourteau de bonne qualité nutritionnelle avec une faible consommation d'énergie [4]. Ces objectifs sont liés : dans un modèle par étages d'un DT industriel, Paraíso et al. ont examiné comment la teneur en hexane du gâteau entrant influe sur l'humidité du tourteau et sur la consommation de vapeur directe [4]. Sur 48 essais en installation pilote avec des flocons extraits à l'hexane, Mustakas et al. ont constaté que la qualité du tourteau s'améliorait avec la durée de chauffage, la pression de vapeur dans la double enveloppe et la teneur en humidité, et que le niveau d'humidité pendant le toastage dépendait directement de la teneur en hexane de la matière alimentant le toasteur [5]. Mustakas et al. notent également que les tourteaux insuffisamment comme excessivement chauffés ont une valeur nutritive inférieure [5].

Méthodes de référence et indicateurs de procédé

La composition est définie par les méthodes AOCS résumées dans le tableau ci-dessous ; la NOPA exprime les constituants sur produit brut et ramenés à une base de 12 % d'humidité [3], et le programme d'essais d'aptitude AOCS pour le tourteau de soja non broyé ajoute la méthode Ba 9-58 pour l'activité uréasique [6].

Le traitement thermique dans le DT s'évalue indirectement. L'activité uréasique (AOCS Ba 9-58) et la solubilité des protéines dans le KOH à 0,2 % sont utilisées depuis longtemps, et l'indice de dispersibilité des protéines (PDI) a été proposé comme alternative [7]. Batal et al. ont autoclavé des flocons de soja déshuilés au solvant pendant des durées croissantes avant de les donner à des poussins : l'indice uréasique est resté élevé (hausse de pH de 1,65 à 2,4) aux courtes durées de chauffage puis a chuté brutalement à 0,3 ou moins, la solubilité dans le KOH a diminué, mais souvent de façon irrégulière, et le PDI a baissé régulièrement de plus de 70 % à généralement moins de 30 %, ce qui a conduit les auteurs à conclure que le PDI était l'indicateur le plus cohérent et le plus sensible d'un traitement thermique minimal adéquat [7]. Les résultats de PDI dépendent de la méthode : la méthode AOCS Ba 10b-09 à agitation lente donne en général des valeurs plus basses que la méthode Ba 10-65 à agitation rapide, si bien que la méthode doit être indiquée avec le résultat [8].

Paramètre	Spécification NOPA type [3]	Méthode de référence AOCS
Protéine	44,0–49,0 % [3]	Ba 4f-00 (NOPA) [3] ; azote Ba 4d-90 ou Ba 4e-93 (AOCS LPP) [6]
Matière grasse (huile)	0,5 % [3]	Ba 3-38 [3][6]
Fibre	3,5 % maximum [3]	Ba 6-84 [3][6]
Humidité	12,0 % maximum [3]	Ba 2a-38 [3][6]
Activité uréasique	—	Ba 9-58 [6]

Quelle place pour la mesure proche infrarouge

Le NIR a un rôle officiel en début de procédé. La méthode AOCS Am 1-92 couvre la détermination simultanée de l'huile, de l'humidité et des matières volatiles et de la protéine dans les oléagineux par réflexion proche infrarouge, sur graines nettoyées ou sur l'échantillon tel que reçu à condition que les impuretés ne dépassent pas 2,0 % en masse, et elle n'est valable que dans les domaines d'étalonnage de l'analyseur [9]. C'est une méthode pour les graines ; appliquer le NIR au tourteau exige des étalonnages développés sur tourteau. Pour les matières premières riches en protéines, Fontaine et al. ont construit des étalonnages NIRS pour les acides aminés, la protéine et l'humidité sur plus de 1 000 échantillons et, en validation sur des échantillons indépendants de soja et de farine de viande, ont constaté qu'à quelques exceptions près 85–98 % de la variance des acides aminés était expliquée [10]. L'ISO 12099 décrit comment de tels étalonnages doivent être développés et validés pour les aliments des animaux [11].

Les indicateurs de procédé sont une cible plus difficile. Dans un rapport de recherche de Kansas State portant sur des flocons de soja autoclavés de 0 à 60 minutes, des modèles de régression NIRS ont prédit la lysine totale (r² 0,969) et la lysine réactive (r² 0,988) à partir des résultats officiels ; l'activité uréasique, l'activité inhibitrice de la trypsine et la solubilité dans le KOH n'ont été mesurées que par les méthodes officielles, et aucun modèle NIRS n'a été rapporté pour elles [12]. Il en découle deux conséquences pratiques :

• Distinguer composition et qualité de procédé. Les modèles NIR pour l'humidité et la protéine du tourteau reposent sur une littérature abondante [10][11] ; l'uréase, le PDI et la solubilité dans le KOH doivent rester des déterminations de référence, sauf si un étalonnage NIR propre au site a été validé par rapport à Ba 9-58 ou Ba 10b-09 [6][8][12].
• Étalonner sur les données de référence de l'usine. Les modèles d'huile résiduelle, d'humidité et de protéine doivent être construits sur les résultats des méthodes AOCS utilisées dans le commerce [3], et leur exactitude établie sur des échantillons indépendants de la même usine, comme le décrit l'ISO 12099 [11].

L'approche d'USTECH

USTECH accompagne ce flux de travail avec l'analyseur at-line MasterLine17EC pour les graines entrantes et les échantillons de tourteau, l'analyseur NIR en ligne ProLine17EC, qui peut être monté sur les goulottes après le sécheur-refroidisseur, et la suite caliX pour développer et valider les étalonnages PLS décrits ci-dessus conformément à l'ISO 12099 [11]. Quels paramètres du tourteau atteignent l'exactitude dont une usine a besoin, et si un indicateur de procédé peut être prédit de façon fiable, est établi par une étude de faisabilité sur vos propres échantillons et analyses de référence AOCS.