Etude expérimentale et numérique du refroidissement et du stockage de la châtaigne : lien entre l'itinéraire thermique et la qualité // Experimental and numerical study of chestnut cooling and storage: link between thermal itinerary and quality evolution

La FAO estime que chaque année, environ un tiers de tous les aliments produits dans le monde pour la consommation humaine sont perdus ou gaspillés avec de grands effets économiques, sociaux et environnementaux. La châtaigneraie fruitière française est un marqueur de l'identité, des paysages et de l'économie de plusieurs départements et régions (Ardèche, Cévennes,...). Depuis plusieurs décennies la production de châtaignes baisse inexorablement : 9 000 tonnes contre 80 000 tonnes en 1965. Cette problématique est liée principalement aux problèmes sanitaires en verger et en post-récolte, engendrant des pertes conséquentes de plus de 50 %. Bien que les symptômes puissent s'exprimer sur l'arbre, l'impact de la maladie se mesure principalement dans les fruits après la récolte, au cours des différentes étapes de conditionnement et de conservation.
La température et l'humidité sont les facteurs les plus importants à prendre en considération pour garantir la qualité d'un produit tout au long de la chaîne du froid. La distribution de l'air est d'une importance primordiale à prendre en considération pour assurer le niveau et l'uniformité du refroidissement entre les volumes de stockage et au sein d'un même volume. Il est à souligner que l'hétérogénéité du refroidissement est fortement affectée par la conception des emballages. Dans le cas des châtaignes, différents types d'emballages peuvent être utilisés (palox, sacs/filet, caisses, etc.). Par ailleurs, un refroidissement insuffisant ne permet pas d'évacuer efficacement la chaleur générée par la respiration des fruits, ce qui peut entraîner une élévation locale de la température des produits pendant leur stockage.
Dans le cadre du projet CROC et en collaboration avec le Centre Technique Interprofessionnel des Fruits et Légumes - CTIFL, cette thèse a pour objectif de développer un modèle global capable de prédire l'évolution de la température et de la qualité des produits, d'abord durant le refroidissement et le stockage, puis tout au long de la chaîne post-récolte. La démarche scientifique s'appuiera sur la mise en œuvre d'outils numériques et expérimentaux visant à caractériser et à prédire l'évolution de température, d'humidité et de qualité au sein d'un volume de châtaignes fraiches. Tout d'abord, un dispositif expérimental sera développé pour caractériser le comportement thermique d'un volume de produit. Plusieurs capteurs (thermocouples, hygromètres) seront placés dans l'air et au sein des produits. Des pesées et des mesures de coefficient d'échange et de consommation énergétique sont également envisagées. Un modèle thermique simplifié sera développé grâce à ces données. Des simulations de mécanique de fluide (CFD) pour mieux comprendre le comportement de l'écoulement et du transfert thermique/hydrique dans certaines configurations géométriques peuvent être également réalisées.
Le deuxième objectif de la thèse consiste à caractériser la chaleur de respiration des châtaignes, un paramètre important pour expliquer le comportement thermique de ce produit. Des méthodes de type calorimètre thermique couplé avec une caractérisation de la composition des gaz produits et consommés par la respiration seront étudiées et adaptées pour la châtaigne. Par ailleurs, les modèles de qualité (pertes en eau, pourriture) des produits seront développés à partir de données fournies par le CTIFL. Ces modèles seront intégrés avec le modèle thermique simplifié qui permettra d'évaluer l'impact des conditions logistiques sur la qualité des produits.
Le dernier volet de la thèse visera à étendre le modèle thermique – qualité développé sur l'ensemble des étapes du circuit logistique. Le(a) doctorant(e) pourrait s'appuyer sur plusieurs outils de modélisation de la chaîne du froid disponibles à Frise. Le nouvel outil développé par la thèse permettra de simuler diverses conditions logistiques et de conditionnement pour proposer des pratiques optimales à mettre en œuvre pour limiter des pertes de produit.
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The FAO estimates that each year, about one-third of all food produced globally for human consumption is lost or wasted, with significant economic, social, and environmental impacts. The French chestnut orchards are a marker of identity, landscapes, and economy in several departments and regions (Ardèche, Cévennes, Limousin, etc.). Over the past few decades, chestnut production has been steadily declining: 9,000 tons compared to 80,000 tons in 1965. This issue is mainly linked to sanitary problems in orchards and during post-harvest, resulting in significant losses exceeding 50%. Although symptoms may appear on the tree, the impact of the disease is primarily observed in the fruit after harvest, during the various stages of processing and storage.
Temperature and humidity are the most important factors to consider for maintaining product quality throughout the cold chain. Air distribution is of paramount importance to ensure the level and uniformity of cooling both between storage volumes and within a single volume. Cooling heterogeneity is greatly influenced by the design of the packaging. In the case of chestnuts, various types of packaging can be used (bins, bags, crates, etc.). Additionally, insufficient cooling fails to effectively dissipate the heat generated by the respiration of the fruits, which can lead to localized temperature increases in the products during storage.

As part of the CROC project and in collaboration with the Technical Interprofessional Center for Fruits and Vegetables (CTIFL), this PhD thesis aims to develop a comprehensive model capable of predicting the evolution of temperature and product quality, first during cooling and storage, and subsequently throughout the post-harvest chain. The scientific approach will rely on the implementation of numerical and experimental tools to characterize and predict the evolution of temperature, humidity, and quality within a volume of fresh chestnuts.
Initially, an experimental setup will be developed to characterize the thermal behavior of a product volume. Several sensors (thermocouples, hygrometers) will be placed in the air and within the products. Weighing, as well as measurements of heat exchange coefficients and energy consumption, are also planned. A simplified thermal model will be developed using these data. Computational fluid dynamics (CFD) simulations may be conducted to better understand the flow behavior and heat/moisture transfer in specific geometric configurations.
The second objective of the thesis is to characterize the respiratory heat of chestnuts, an important parameter for explaining the thermal behavior of this product. Thermal calorimetry methods, coupled with the characterization of gases produced and consumed during respiration, will be studied and adapted for chestnuts. Furthermore, quality models (water loss, decay) for the products will be developed based on data provided by CTIFL. These models will be integrated with the simplified thermal model, enabling the assessment of the impact of logistical conditions on product quality.
The final part of the thesis will focus on extending the thermal-quality model to encompass all stages of the logistical chain. Several cold chain modeling tools are available at Frise. The new tool will enable the simulation of various logistical and packaging conditions, providing recommendations for optimal practices to minimize product losses.
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Début de la thèse : 01/10/2025

Autre type de financement - Autre type de financement,

Université Paris-Saclay GS Sciences de l'ingénierie et des systèmes

573 Interfaces : matériaux, systèmes, usages

• Ingénieur ou Master 2 en Génie des Procédés, Thermique, Mécanique des fluides • Goût pour l'expérimentation et la modélisation (bilan thermique/massique, CFD) • Bon niveau en anglais, autonomie, rigueur et capacité à travailler en équipe • Aisance rédactionnelle (en anglais et en français) et facilité d'expression orale
• Engineer or Master's degree (M2) in Process Engineering, Thermal Sciences, or Fluid Mechanics • Interest in experimentation and modeling (thermal/mass balance, CFD) • Proficiency in English, autonomy, rigor, and teamwork skills • Strong writing skills (in English and French) and ease in oral communication