Process simulation and life cycle analysis in the dairy industry – application to milk concentration
Résumé
Milk concentration and spray drying are highly energy-intensive operations, for which energy consumption accounts for about 25% of the French dairy processing industry. A major challenge consists then in the design and development of sustainable dairy concentration processes which integrate technical, economic and environmental criteria. For this purpose, systems oriented tools have already been developed in the chemical industry by using a systemic approach combining modelling, simulation, and optimisation. Despite the proximity of chemical with food and bioengineering sectors, the utilization of such an approach for the modelling of dairy processes suffers from a lack of process models, more particularly when the whole process is considered and when concentration processes are involved. In that context, this work constitutes a preliminary study towards the development of a methodological framework for modelling and optimizing dairy processes. The proposed strategy consists in the combination of a chemical process simulator (ASPEN PLUS 7.3, AspenTech, Inc.) with an environmental model based on Life Cycle Assessment concepts. The simulated process concerns milk powder production, and more particularly milk concentration prior to drying, involving pre-heating, pasteurization, and evaporation steps. The process model performances are assessed through a sensitivity study on the number of effects in the evaporator, and the environmental impacts associated to the various steam requirements involved are quantified according to several scenarios.
La concentration et le séchage du lait sont des opérations très consommatrices d’énergie, pour lesquelles la consommation d’énergie compte pour près de 25% dans l’industrie laitière française. Un défi majeur consiste alors à concevoir et développer des procédés laitiers de concentration qui intègrent des critères techniques, économiques et environnementaux. Dans ce but, des outils orientés systèmes ont déjà été développés dans les industries chimiques en utilisant une approche systémique qui combine modélisation, simulation, et optimisation. Malgré la proximité du secteur de la chimie avec les secteurs agroalimentaire et de la bio-ingénierie, l’utilisation d’une telle approche pour la modélisation des procédés laitiers soufre d’un manque de modèles de procédés, plus particulièrement lorsque le procédé est considéré dans son ensemble (de la matière première au produit final) et d’autant plus lorsqu’il s’agit de procédé de concentration. Dans ce contexte, ce travail constitue une étude préliminaire en vue du développement d’un cadre méthodologique pour modéliser et optimiser les procédés laitiers. La stratégie proposée consiste à combiner un simulateur de procédés chimiques (ASPEN PLUS 7.3, AspenTech, Inc.) avec un modèle environnemental basé sur les concepts de l’Analyse du Cycle de Vie. Le procédé simulé concerne la production de poudre de lait, et plus particulièrement la concentration du lait avant séchage, ce qui implique des étapes de préchauffage, pasteurisation, et évaporation. Les performances du modèle du procédé sont évaluées à travers une étude de sensibilité sur le nombre d’effets dans l’évaporateur, et les impacts environnementaux associés aux divers besoin en vapeur considérés sont quantifiés en fonction de plusieurs scénarii.