Lait 67 (1987) 507-526
DOI: 10.1051/lait:1987430

Modification de l'encrassement de surfaces d'échange de chaleur par le lait, le lactosérum et des liquides modèles sous l'action d'un champ électrique

F.-L. KERHERVÉ^a, J.P. LABBÉ^b, A. QUEMERAIS^c, J.-C. REGGIANI^d, J. PAGETTI^d and G. DAUFIN<sup>a

a</sup>  1NRA, Laboratoire de Recherches de Technologie laitière 65, rue de Saint-Brieuc, 35042 Rennes Cedex, France
^b  Ecole Nationale Supérieure de Chimie, Laboratoire de Corrosion II, rue Pierre-et-Marie-Curie, 75231 Paris Cedex 05, France
^c  Université de Rennes I, Faculté des Sciences, Laboratoire de Spectroscopie du Solide, U.A. CNRS 1202 Avenue du Général-Leclerc, Campus de Beaulieu, 35042 Rennes Cedex, France
^d  Laboratoire de Corrosion et Traitements de Surfaces, Faculté des Sciences et Techniques de Besançon 32, rue Mégevand, 25030 Besançon Cedex, France

Abstract - Modification of heat transfer surface fouling by milk, whey and model fluids under an electric field
The effect of an electric field on titanium fouling was studied by using a heat exchange model equipped with electrodes and a standard electrical assembly. Model solutions were used as well as more complex fluids (milk, whey), preheated at 72 °C.
Applying an electric field results in a considerable alteration of titanium fouling, which depends on polarization and fluid nature.
For model solutions (calcium and phosphate ions, synthetic ultrafiltrate) under cathodic polarization, an important calcium phosphate deposit is observed (above 25 (μg.cm^-2.min^-1), which decreases in free fouling conditions. Anodic polarization is characterized by a very small deposit (0,5 - 1 μg.cm^-2.min^-1).
Pure soluble protein solutions (α-lactalbumin, β-lactoglobulin) in the absence of phosphate ions give rise to a very small deposit (1.2 - 2.2 μg.cm^-2.min^-1) slightly greater in anodic conditions. Its increase is however considerable in the presence of phosphates and in the cathodic range (17-27 μg.cm^-2.min^-1).
More complex solutions (milk, whey, sodium caseinate) are characterized by an important increase of deposit, both in cathodic (up to about 50 μg.cm^-2.min^-1) and anodic (8 - 100 μg.cm^-2.min^-1) conditions, as compared to free fouling (2,0 - 5,0 μg.cm^-2.min^-1).
Applying an electric field means modifications for electrode phenomena: negative charge of the surface and pH rise in the vicinity of the cathode, positive surface charge and pH decrease for the anode. These alterations bring about two types of basic consequences: acceleration of calcium phosphate precipitation (this substance showing a great tendency to get amorphous in such conditions) with a cathodic polarization, and protein precipitation for an anodic polarization.
In the cathodic range, an analysis of transient curves gives informations matching up with qualitative and quantitative aspects of deposit analysis, such as surface covering up, adhesion or isolating capacity. A relationship seems to exist between overpotentials (energy required to carry out oxygen or water reduction), nature, and perhaps mass of deposit. Therefore, overpotential measurements could be a basic principle for a fouling sensor, provided that a few complementary research be made about optimization of electrochemical conditions (current, impulse duration...) and calibration referred to a non fouling fluid.
Lastly, as for the fouling mechanism as a whole, the results evidence an interaction between proteins, phosphates and calcium ions. The poor solubility of complexes built up in this way confirms the most important part played by phosphate ions on the fouling intensity itself.

Résumé - L'application d'un champ électrique à une surface d'échange de chaleur en modifie considérablement l'encrassement, les modifications dépendant à la fois de la polarisation électrique et de la nature des fluides. D'une manière générale, les fluides contenant protéines, phosphates et calcium donnent, sous polarisation (cathodique ou anodique) des masses de dépôts plus élevées qu'en encrassement libre. Les fluides contenant uniquement du phosphate et du calcium donnent des dépôts plus importants en cathodique et nettement moins importants en anodique, comparés à ceux obtenus en encrassement libre. Ces résultats, peu encourageants pour la lutte contre l'encrassement, s'expliquent essentiellement par l'accélération de la précipitation des phosphates en cathodique et de celle des protéines en anodique.
L'analyse des courbes transitoires tracées dans le domaine cathodique permet d'obtenir des informations recoupant celles recueillies par l'analyse quantitative et qualitative du dépôt telles que le recouvrement de la surface par ce dépôt, son adhérence et sa qualité isolante. Il pourrait s'agir là d'un principe intéressant pour un capteur d'encrassement, moyennant des travaux complémentaires (étalonnage, ...).
Enfin, du point de vue du mécanisme même de l'encrassement, les résultats montrent une interaction entre les phosphates, les ions calcium et les protéines. Les complexes peu solubles formés confirment le rôle essentiel des ions phosphates sur le niveau même de l'encrassement.

Key words: Fouling / Heat transfer surface / Electric field / Whey / Milk / Infrared spectrometry / Electron spectrometry

Mots clés : Encrassement / Surface d'échange de chaleur / Champ électrique / Lait / Lactosérum / Spectrophotométrie de photoélectrons / Spectrophotométrie infrarouge