Historique

La conservation des aliments au moyen de la réfrigération n'est pas une idée nouvelle, déjà les chinois, 10 siècles avant notre ère, puis les Romains entreposaient couramment la glace naturelle dans des cavités isolées (principe de la glacière) en vue de son utilisation en été.

Cependant, ce n'est qu'à partir de 1755 avec la mise en évidence du rôle réfrigérant de l'évaporation que la production industrielle du froid fut rendue possible. Aux États-Unis apparurent en 1860 les premiers entrepôts frigorifiques, puis en 1913 les premiers réfrigérateurs domestiques.

Introduction

Le réfrigérateur domestique permet la production de froid au moyen d'un cycle d'évaporation-liquéfaction d'un fluide frigorifique. Le principe d’un circuit frigorifique consiste à prélever la chaleur de l’enceinte pour la rejeter à l’extérieur. Les températures atteintes : de 0 à 10°C dans le cadre de la réfrigération favorisent la conservation des aliments en ralentissant leur dégradation ; l'activité enzymatique et microbienne est en effet sensible à la température. Cela dit, les réfrigérateurs domestiques possèdent quelques inconvénients

I. Fonctionnement d'un réfrigérateur.

1.1 Le réfrigérateur au niveau mécanique (voir schémas en annexe)

La réfrigération mécanique s'effectue par circulation d'un liquide, appelé réfrigérant, dans un circuit étanche selon un cycle d'évaporation puis de condensation. L'évaporation du réfrigérant s'accompagne de l'absorption d’une quantité de chaleur égale à la chaleur latente de vaporisation, et est accélérée par l'abaissement de la pression. Ce principe est à l'origine des deux systèmes de réfrigération les plus employés : le réfrigérateur à compression et le réfrigérateur à absorption qui diffèrent essentiellement par le réfrigérant utilisé ainsi que par leur source d'énergie.

a) les réfrigérateurs à compression

Ces machines représentent la plupart des appareils domestiques et possèdent un excellent rendement. Elles sont constituées de quatre principaux éléments :

·                     Le compresseur servant à augmenter la pression de réfrigérant

·                     Le condenseur (dans lequel le réfrigérant se refroidit et passe à l’état liquide)

·                     La soupape de détente (ou soupape d'expansion) permettant de réguler la pression.

·                     L'évaporateur absorbant les calories des aliments.

L'évaporateur et le condensateur se présentent sous la forme de tuyaux disposés en serpentins.

En sortant de la soupape de détente, le liquide réfrigérant sort d'un milieu sous haute pression (environ 1000kPa, soit dix fois la pression atmosphérique) et entre dans l'évaporateur sous une faible pression d'environ 250 kPa. Le réfrigérant se vaporise alors dans l'évaporateur en absorbant la chaleur des produits à refroidir. Cette vapeur est ensuite aspirée par le compresseur où elle est portée à une pression élevée, ce qui élève sa température. Puis le gaz surchauffé sous pression est injecté dans le condensateur où il repasse à l'état liquide après avoir refroidi. Le condensateur est généralement situé à l'arrière du réfrigérateur et évacue la chaleur par simple convection dans l'air ambiant. Le liquide obtenu passe alors par la soupape de détente pour diminuer sa pression et le cycle peut reprendre.

Un thermostat contrôle le moteur du compresseur afin de maintenir la température adéquate.

Fluide frigorigène :

Le réfrigérant traditionnellement utilisé dans les réfrigérateurs à compression (depuis 1930) est un CFC (chlorofluorocarbone) qui se vaporise vers -6,5°C dans l'évaporateur et se condense vers 38°C. Ces gaz sont des dérivés chlorés du méthane ou de l'éthane, généralement désignés sous le nom de fréon et sont incolores, inodores, ininflammables, non corrosifs et peu toxiques. Cependant ils ne sont plus produits depuis 1995 à cause de leur probable implication dans la destruction de la couche d'ozone et ont été remplacé par d'autres composés halogénés non chlorés au rendement thermique inférieur.

b) les réfrigérateurs à absorption

Ils possèdent la particularité de fonctionner sans électricité car ils n'utilisent pas de compresseur mais un générateur alimenté au gaz (butane) ou au pétrole. Peu d’appareils domestiques fonctionnent selon ce principe destiné aux petites unités, généralement pour le camping. Ces installations ont l'avantage d'être silencieuses et bon marché, mais possèdent un rendement inférieur.

Six éléments composent ce système :

·                     Le bouilleur (ou générateur).

·                     Le séparateur, séparant les vapeurs d'ammoniaque de l'eau.

·                     Le condensateur.

·                     La soupape de détente.

·                     L'évaporateur.

·                     L'absorbeur dans lequel les vapeurs d'ammoniaque sont dissoutes dans l'eau.

Une solution aqueuse à forte concentration en ammoniaque contenue dans un réservoir : le générateur, chauffée par une flamme. Comme lors de distillation, l'ammoniaque s'évapore puis passe dans le séparateur où les vapeurs d'ammoniaque sont séparées de celle de l'eau. Le principe est ensuite le même que précédemment : l'ammoniaque passe à l'état liquide dans un condensateur sous pression, puis se vaporise dans l'évaporateur sous basse pression après être passé par la soupape. L'absorbeur contient l'eau partiellement refroidie issue du séparateur, celui-ci absorbe les vapeurs d'ammoniaque pour former à nouveau une solution concentrée qui est ensuite transportée dans le générateur pour compléter le cycle.

Le système à absorption fonctionne sous un vide poussé : 1kPa dans l'évaporateur et 10kPa dans le circuit générateur-condensateur.

Réfrigérant :

L'ammoniaque utilisé ici est dangereux : explosif dans l'air, suffocant irritant ; il est essentiellement employé dans les équipements industriels.

c) Les réfrigérateurs à effet Peltier

Cette technique reste confinée aux appareils de faible importance (portatifs ou petits réfrigérateurs de laboratoire) à cause de leur faible rendement.

Le principe repose sur l'effet Peltier (du nom du physicien et horloger français qui le découvrit en 1834) qui consiste à faire circuler dans un sens précis du courant continu entre deux conducteurs (ou semi-conducteurs) de nature différente, ayant été relié entre eux au niveau de deux liaisons.

Lors de la circulation du courant, on observe l'absorption de chaleur au niveau d'une première connexion et son dégagement à la deuxième. Ce transfert peut amener la partie froide en dessous de 0°C.

Une unité de refroidissement à effet Peltier peut-être symbolisée ainsi :

Les matériaux conducteurs N et P doivent différer par leur densité électronique. Lorsqu'ils sont reliés par un conducteur électrique, un nouvel équilibre d'électrons libres est établi. Quand le courant est appliqué à travers l'unité, les électrons d'une connexion absorbent de l'énergie afin de maintenir le nouvel équilibre, ceux de l'autre connexion relâchent de l'énergie.

Plus spécifiquement les électrons se déplaçant du matériau possédant un déficit en électrons (le matériau de type P) vers le matériau avec un surplus électrons (le matériau de type N) vont absorber de l'énergie à la connexion, tandis que les électrons se déplaçant du type-N vers le type-P vont relâcher de l'énergie à la connexion. Cette énergie est absorbée et relâchée sous forme de chaleur, rendant le côté N-vers-P plus froid. La puissance de l'effet augmente en fonction du courant apporté.

L'unité décrite précédemment est souvent montée en série entre des plaques de céramique sur lesquelles un radiateur et un ventilateur sont disposés. Celui-ci permet d’évacuer la chaleur de la face chaude puisqu’une plaque Peltier n’est qu’une pompe à chaleur.

1.2 Explication physique du transfert de chaleur réalisé par l’évaporation-liquéfaction

L'évaporation correspond au passage de l'état liquide à l'état gazeux. Comme pour un solide, un liquide conserve une certaine cohésion grâce aux forces attractions qui s'exercent entre ses molécules. Cependant, l'agitation moléculaire du liquide croit en fonction de la température et s'oppose à cette force : certaines molécules possèdent une énergie cinétique suffisante pour vaincre l'attraction des autres molécules lorsqu'elles frappent la surface. Elles forment ainsi un gaz.

Lors de l'évaporation, chaque molécule consomme une quantité d'énergie appelée “ chaleur latente de vaporisation ”, ce qui refroidit le milieu.

Lorsque le gaz est refroidi, les forces d'attraction redeviennent suffisantes pour maintenir les molécules ; le gaz se liquéfie alors et restitue la chaleur latente de vaporisation au milieu. Dans le réfrigérateur le condensateur permet d'évacuer cette chaleur.

1.3 Expérience permettant de mettre en évidence l'intérêt de l'évaporation sous vide pour refroidir un milieu.

Expérience : La température de deux béchers contenant à l’origine le même volume d’éther liquide est relevée simultanément et pendant une durée identique. Le premier est soumis aux conditions ambiantes, le second est placé sous une cloche à vide.

On observe une faible baisse de la température dans le premier (de 17 à 15°C), le volume d’éther évaporé n’est pas mesurable, tandis que dans le second, la température chute de 17 à 13,6°C en 75s. et la majeure partie de l’éther s’est évaporée.

Interprétation : La grande différence de la vitesse d’évaporation s’explique par la relation définissant le taux d'évaporation :

                                  Où C est une constante.

L'évaporation se produit dès que la pression de vapeur p est au-dessus de la pression de vapeur saturante P pour une température donnée. On constate que le taux d'évaporation M est beaucoup plus élevé si la pression H est faible, d'où l'intérêt de l'évaporation sous vide (celle-ci a lieu dans l'évaporateur du réfrigérateur).

II. Action du froid sur les aliments

La réfrigération ralentit le phénomène de putréfaction en inhibant les réactions enzymatiques.

2.1 Le principe de la putréfaction

·                     Lors de la putréfaction, des gaz différents sont  produits à partir de la dégradation avancée et diversifiée d'un aliment (libération de CO2, de NH3, de CH4,...), réalisée par les multiples enzymes que produisent les bactéries.)

·                     Parmi les produits de la putréfaction, on peut citer l'ammoniaque. L'ammonisation de l'azote protéique est l'un des phénomènes microbiens fondamentaux de la putréfaction. C'est un phénomène banal en ce sens qu'il peut être réalisé par de nombreuses espèces de micro-organismes.

·                     NH₃ est libéré par désamination des amino-acides. Lorsqu’elle résulte d’une simple rupture de la molécule, catalysée par une lyase (sorte d’enzyme), la désamination conduit à un acide non saturé (ex : acide aspartique   "   Acide fumarique) :

Mais la désamination peut résulter d’une hydratation ; elle conduit alors à un acide alcool qui, par décarboxylation, produit un alcool. C’est ainsi que peuvent être formés par les levures certains alcools tel que l’alcool iso-amylique :

C’est cependant par réduction que la désamination est réalisée le plus souvent. L’acide glutamique, perdant NH₃ et subissant une décarboxylation, est converti en acide butyrique :

Il convient aussi de souligner la puissance des réductions réalisées par certaines bactéries anaérobies qui produisent du méthane (CH₄), probablement à partir de l’acide acétique et même de l’hydrogène phosphoré gazeux (PH₃) et de l’azote (gaz).

2.2 Action du froid sur la dégradation des aliments

Le froid produit par le réfrigérateur agit sur les réactions enzymatiques intervenant dans la putréfaction et permet ainsi de conserver les aliments plus longtemps.

La vitesse de réactions enzymatiques est influencée par la température au même titre que les réactions chimiques ordinaires. En effet, la température intervient au niveau de l'intensité de l'agitation moléculaire : lorsque la température est faible, l'intensité est faible et les molécules impliquées dans la réaction se rencontrent moins rapidement. La vitesse de la réaction enzymatique et de ce fait inhibée par le froid.

Aussi, il faut que ces molécules possèdent à l’instant de la réaction par rapport à leur état antérieur (dit de repos ou stable) un excès d’énergie, appelée énergie d’activation de la réaction. Empiriquement, cette énergie (E_AC) s’exprime en enzymologie par l’équation d’Arrhénius :

E_AC=2.303RT² où T est la température absolue et R la constante universelle des gaz parfaits.

La plupart des enzymes obéissent à cette loi.

Lors de la réfrigération d'un aliment, la température se situe entre 0° et 10°C. L'énergie d'activation de la réaction est proportionnelle à la température du milieu est ainsi plus la température est faible et plus l’E_AC est faible et plus les réactions enzymatiques sont inhibées.

Ainsi, le froid permet de freiner toutes les réactions enzymatiques intervenant dans la putréfaction comme la désamination, la libération de méthane CH₄ ou de dioxyde de carbone. De même, plus la température est basse, plus l’inhibition (donc la conservation) dure longtemps.

2.3 Expérience permettant de mettre en évidence le rôle inhibant du froid dans les réactions enzymatiques

Nous avons réalisé une expérience permettant de mettre en évidence l'influence de la température sur les réactions enzymatiques :

Matériel :

-          un bain-marie et un bac à glaçons

-          quatre tube à essais

-          plaque de coloration

-          pipette graduée, compte-gouttes, agitateur

-          lugol (eau iodée)

-          solution d’empois d’amidon

-          solution d’amylase

-          deux thermomètres

Expérience :

On a utilisé de l'amylase, enzyme présente dans l'organisme et hydrolysant l'amidon en sucres réducteurs.

Toutes les enzymes qui interviennent dans l'organisme agissent à la température du corps c'est-à-dire à 37°C. C’est la température optimale de leur réaction.

On chauffe 5 ml d'empois d'amidon dans un bain-marie à 37°C ; puis on place 5 autres ml dans un bac à glaçons à 0°C. On ajoute ensuite dix gouttes d'amylase dans chaque tube. On prélève ensuite quelques gouttes de chaque solution à des temps réguliers (toutes les cinq minutes). On effectue alors un test au Lugol pour chaque échantillon :

Montage :

 [bon là ya un dessin manuel à faire ]

Le Lugol est un indicateur qui permet de caractériser la présence d'amidon dans une solution: en absence d'amidon la solution reste jaune, en présence d'amidon elle devient bleue.

On a observé au fur et à mesure du temps une échelle de teintes allant du bleu au jaune pour les échantillons de la solution à 37°C. Par contre, pour la solution à 0°C, les échantillons restent bleus au cours du temps, mais on observe un léger éclaircissement.

Interprétation :

Le test au Lugol a révélé une diminution d'amidon dans le tube chauffé à 37°C et une quantité d'amidon relativement constante dans le tube mis à 0 °

Conclusion :

La diminution d'amidon dans le premier tube montre que les réactions enzymatiques se sont produites alors que la relative constance du niveau d'amidon dans le deuxième tube montre que les réactions enzymatiques ne s'y sont produites que faiblement.

La température possède donc une influence sur les réactions enzymatiques : plus la température est basse, plus les réactions enzymatiques se produisent lentement.

2.4 Limites de l’action du froid

Le stockage des aliments risque d'entraîner la prolifération d'espèces microbiennes pathogènes pour l'homme produisant des toxines et capables de se multiplier à plus de 4 degrés alors que la plupart des bactéries contaminantes habituelles des aliments sont mésophiles et ont un métabolisme inhibé à basse température. Ainsi, la réfrigération sélectionne les micro-organismes mésophiles et cryophiles. Un exemple de microbes survivant à la réfrigération est la Listeria. C'est une bactérie responsable de la listériose, maladie infectieuse rare mais grave. Cette bactérie est capable de se multiplier principalement dans les laitages entre 1 degré et 45 degrés, en présence ou en absence d'oxygène. Elle n'est détruite que par la chaleur. Ces caractéristiques expliquent sa capacité à survivre longtemps dans l'environnement et dans les cellules des animaux et des hommes, et de se multiplier lentement à la température de réfrigération des aliments.

Ainsi, bien que la réfrigération permette d'inhiber les réactions enzymatiques responsables de la dégradation des aliments, elle ne permet pas de détruire certaines bactéries nocives pour l'homme pouvant être présentes dans certains aliments et peut même en permettre la prolifération.

Conclusion :

Les réfrigérateurs domestiques produisent du froid principalement grâce à l'évaporation d'un liquide frigorifique régénéré selon un cycle basé soit sur la compression soit sur le phénomène d'absorption. Il existe de même d'autres procédés de réfrigération tels que l'effet Peltier basé sur un effet thermoélectrique. Le froid ainsi créé permet d'inhiber les réactions intervenant dans la putréfaction des aliments tels l’ammonisation. Par contre, elle ne permet pas de détruire les bactéries cryophiles.

 Finalement, la réfrigération n'est efficace que si l'on respecte le trépied frigorifique de Montvoisin :

- réfrigérer un aliment sain (le moins contaminé)

- réfrigérer très vite

- réfrigérer en continu (chaîne du froid)

Lexique

Bactérie anaérobie : Bactérie pouvant se développer dans un milieu dépourvu d’oxygène.

Chaleur latente de vaporisation : quantité de chaleur nécessaire pour faire passer l’unité de masse d'un corps pur d'un état à un autre.

Convection : La convection est le mouvement d'un fluide dû à une variation locale de température. Le mouvement peut naître d'une augmentation locale de la température ; l'air à proximité de la source chaude se réchauffe ; en s'échauffant il devient plus léger et donc monte, créant une dépression dans la zone chaude ; cette dépression est immédiatement comblée par de l'air froid du bas.

Cryophile : Se dit d’une bactérie pouvant se développer à des basses températures (inférieures à 10°C)

Mésophile : Se dit d'une bactérie pouvant se développer à des températures situées entre 25°C et 40°C.

Pression de vapeur : augmentation de la pression de l'air due au mouvement des molécules ajoutées à l'air par évaporation

Pression de vapeur saturante : pression correspondant à la quantité maximale de molécules pouvant demeurer simultanément à l'état gazeux dans l'air.

Thermostat : dispositif qui commande l'ouverture et la fermeture du clapet qui sépare le compartiment congélateur du réfrigérateur et qui en plus commande la mise en marche du compresseur. Ainsi, lorsque la température du réfrigérateur est trop élevée, le thermostat commande l'ouverture du clapet afin de laisser passer l'air froid du congélateur vers le réfrigérateur. Par ailleurs, lorsque la température du congélateur devient trop élevée, l'autre thermostat commande la mise en marche du compresseur

Bibliographie (principaux documents utilisés) :

Principe mécanique du réfrigérateur :

n       Dictionnaire “ Axis ” Hachette (articles réfrigérateur, froid, effet Peltier)

n       Larousse universel (article effet Peltier)

n       Encyclopédie Encarta (article génie frigorifique)

n       Encyclopédie Universalis (articles physique du froid, cryologie)

n       www.arstechnica.com/guide/cooling/peltier-1.html (article Peltier coolers)

Inhibition des réactions enzymatiques et organismes cryophiles :

n       Que sais-je (chimie des êtres vivants)

n       Encyclopédie Universalis (article enzyme)

n       Larousse universel (articles cryophile, mésophile)

n       Encyclopédie Universalis (article effet de la température sur les réactions enzymatiques)

n       www.ifrance.com/conservation-alimentaire/froid.html