Analyse comparative

Le choix de la température de l’eau de refroidissement dans les exploitations laitières influence de manière déterminante l’efficacité des procédés, la qualité des produits, la consommation énergétique et la rentabilité. Dans cette étude, l’efficacité thermodynamique, la vitesse de refroidissement, la sécurité microbiologique, la qualité des produits et les coûts d’exploitation sont comparés entre un refroidissement à l’eau glacée à 0,5 °C et un refroidissement à l’eau froide à 2 °C. L’analyse montre que l’eau glacée à 0,5 °C permet, grâce à la différence de température plus importante dans l’échangeur de chaleur, un refroidissement du lait de 32 °C à 4 °C plus rapide de 30 à 50 %, et que la température cible est mieux atteinte ^[1][2]. Le refroidissement plus rapide réduit significativement le temps de génération des bactéries mésophiles et psychrotrophes, diminue le nombre total de germes de 15 à 25 % et prolonge la durée de conservation de 20 à 30 % ^[3][4][5]. Les systèmes modernes à eau glacée à film tombant atteignent, à des températures d’évaporation de T₀ ≈ −2 °C, des valeurs COP plus élevées (4,5–5,5) que les systèmes conventionnels à eau froide à 2 °C (COP 3,5–4,2) et réduisent la consommation énergétique spécifique jusqu’à 20 % ^[1][2][6]. Malgré des coûts d’investissement supérieurs de 15 à 25 %, les systèmes à eau glacée à 0,5 °C s’amortissent économiquement en 4 à 6 ans grâce à des coûts énergétiques réduits, des pertes de produit moindres et des cadences de production plus élevées ^[2][6].

Dans l’industrie laitière moderne, le refroidissement rapide et précis du lait cru de 32–35 °C à un maximum de 4 °C dans les quatre heures suivant la traite est déterminant pour la sécurité microbiologique, la durée de conservation et la qualité du produit ^[3][4][7]. Les systèmes conventionnels à eau froide avec une température d’alimentation de 2 °C sont largement répandus, mais n’atteignent souvent que des températures finales du lait de 5–6 °C en raison de différences de température insuffisantes dans l’échangeur à plaques ^[8][9].

Les systèmes à eau glacée avec des températures d’alimentation autour de 0,5 °C permettent un refroidissement plus profond et plus rapide à 2–4 °C, offrant des avantages microbiologiques et qualitatifs ^[1][2][10]. Les refroidisseurs modernes à eau glacée à film tombant fonctionnent à des températures d’évaporation plus élevées (T₀ ≈ −2 °C) que les systèmes traditionnels et atteignent ainsi une meilleure efficacité énergétique ^[1][2][6].

L’objectif de cette étude est une comparaison systématique des deux concepts de refroidissement en tenant compte des taux de transfert de chaleur, des temps de refroidissement, des effets microbiologiques, de la qualité du produit, de la consommation énergétique et de la rentabilité globale.

La puissance thermique transférée Q [W] dans l’échangeur à plaques à contre-courant est décrite par : 

$\dot{Q}=U\cdot A\cdot \mathrm{\Delta }{T}_{\text{log} }$

où U le coefficient global de transfert de chaleur [W/(m²·K)], A la surface d’échange [m²] et ΔT_log la différence de température logarithmique moyenne [K] ^[11].

La différence de température logarithmique moyenne se calcule selon

$\mathrm{\Delta }{T}_{\text{log}}=\frac{\mathrm{\Delta }{T}_1-\mathrm{\Delta }{T}_2}{\mathrm{l}\mathrm{n}(\mathrm{\Delta }{T}_1/\mathrm{\Delta }{T}_2) }$

avec ΔT₁ et ΔT₂ comme différences de température aux deux extrémités de l’échangeur de chaleur.

Tableau 1 : Comparaison du refroidissement du lait de 32 °C à la température cible

Avec le même coefficient de transfert de chaleur U et la même surface A :

$\frac{{\dot{Q}}_{\text{Eis}}}{{\dot{Q}}_{\text{Kalt}}}=\frac{\mathrm{\Delta }{T}_{\text{log,Eis}}}{\mathrm{\Delta }{T}_{\text{log,Kalt}}}=\frac{\mathrm{12,8}}{\mathrm{11,2}}=\mathrm{1,14}$

L’eau glacée permet une puissance thermique supérieure de 14 % à taille d’échangeur identique ou atteint la même performance de refroidissement avec une surface plus petite ^[1][2].

2.2 Température d’approche (Approach Températuree)

La température d’approche décrit la plus petite différence atteignable entre la température de sortie du lait et la température d’entrée de l’eau de refroidissement dans l’échangeur. Dans les échangeurs à plaques efficaces, elle est de 1-2 K ^[9][12].

Tableau 2 : Températures finales atteignables du lait selon différentes températures d’eau de refroidissement

Seule l’eau glacée à 0,5 °C permet un refroidissement fiable du lait à 2–3 °C, ce qui offre des avantages microbiologiques et qualitatifs significatifs ^[1][2][3].

2.3 Capacité thermique spécifique du lait

La capacité thermique spécifique du lait entier (3,5 % de matière grasse) est :

$c_p=\mathrm{3,93} \mathrm{ }\text{kJ/(kg}\text{·}\text{K)}$

Pour le lait écrémé, c_p est d’environ 3.97 kJ/(kg·K) ^[13].

La quantité de chaleur à extraire pour le refroidissement de 1 000 kg de lait entier de 32 °C à 4 °C est :

$Q=m\cdot c_p\cdot \mathrm{\Delta }T=1.000 \mathrm{ }\text{kg}\cdot \mathrm{3,93} \mathrm{ }\text{kJ/(kg}\text{·}\text{K)}\cdot (32-4) \mathrm{ }\text{K}=110.040 \mathrm{ }\text{kJ}\approx \mathrm{30,6} \mathrm{ }\text{kWh}$

Le taux de croissance des bactéries dans le lait dépend fortement de la température. Les bactéries mésophiles (optimum 25–37 °C) montrent déjà une croissance nettement réduite à 10 °C, tandis que les bactéries psychrotrophes (Pseudomonas spp.) peuvent encore croître à 4–7 °C ^{[3][4][5][14]}.

Tableau 3 : Temps de génération de différents groupes bactériens dans le lait ^[3][4][14]

Fenêtre critique : Les 4 premières heures après la traite sont décisives, car c’est pendant cette période que la phase de latence des bactéries se termine et que la croissance exponentielle commence ^[3][4][7]. Plus le lait est refroidi rapidement en dessous de 4 °C, plus le nombre total de germes est faible.

3.2 Comparaison de l’évolution du nombre de germes

Scénario : 10 000 litres de lait cru, nombre initial de germes 10 000 UFC/ml (UFC = unité formant colonie)

Système eau froide à 2 °C :

• Refroidissement de 32 °C à 5,5 °C en 45 minutes
• Stockage à 5,5 °C pendant 48 heures
• Nombre final de germes : environ 35 000–45 000 UFC/ml ^[4][5]

Système eau glacée à 0,5 °C :

• Refroidissement de 32 °C à 3,0 °C en 30 minutes
• Stockage à 3,0 °C pendant 48 heures
• Nombre final de germes : environ 25 000–32 000 UFC/ml ^[4][5]

Réduction du nombre de germes de 20 à 30 % grâce au refroidissement à l’eau glacée, ce qui augmente directement la durée de conservation et la sécurité du produit ^[3][4][5].

3.3 Effets qualitatifs

Des températures de stockage plus basses réduisent :

• Lipolyse (dégradation des graisses par les lipases bactériennes) → meilleur goût ^[4][15]
• Protéolyse (dégradation des protéines) → durée de conservation prolongée du fromage et du yaourt ^[4][15]
• Défauts sensoriels (rancidité, amertume) ^[4][5]

Des études montrent que le lait stocké à 2 °C présente encore une qualité sensorielle excellente après 5 jours, tandis que le lait stocké à 6 °C montre déjà des pertes de qualité après 3 jours ^[4][5][15].

Le coefficient de performance (COP) d’une machine frigorifique décrit le rapport entre la puissance frigorifique et la puissance électrique absorbée :

$\text{COP}=\frac{{\dot{Q}}_0}{P_{\text{el} }}$

Le COP augmente avec une température d’évaporation T₀ plus élevée. Les systèmes modernes à eau glacée à film tombant atteignent, à T₀ ≈ −2 °C pour de l’eau glacée à 0,5 °C, des valeurs COP plus élevées que les systèmes conventionnels avec des températures d’évaporation plus basses ^[1][2][6].

Tableau 4 : Comparaison des valeurs COP de différents systèmes

Les systèmes à eau glacée à film tombant atteignent des valeurs COP supérieures de 20 à 30 % grâce à des températures d’évaporation optimisées ^[1][2][6].

4.2 Exemple de calcul : Consommation énergétique pour le refroidissement de 10 000 litres de lait

Données de base :

• Quantité de lait : 10 000 litres (≈ 10 300 kg, densité 1,03 kg/l)
• Refroidissement de 32 °C à la température cible
• Capacité thermique spécifique : 3,93 kJ/(kg·K)

Système eau froide à 2 °C (température cible 5,5 °C) :

$Q=10.300\cdot \mathrm{3,93}\cdot (32-\mathrm{5,5})=1.071.000 \mathrm{ }\text{kJ}=\mathrm{297,5} \mathrm{ }\text{kWh}$

Avec COP = 3,8 :

$P_{\text{el}}=\frac{\mathrm{297,5}}{\mathrm{3,8}}=\mathrm{78,3} \mathrm{ }\text{kWh}$

Système eau glacée à 0,5 °C (température cible 3,0 °C) :

$Q=10.300\cdot \mathrm{3,93}\cdot (32-\mathrm{3,0})=1.174.000 \mathrm{ }\text{kJ}=\mathrm{326,1} \mathrm{ }\text{kWh}$

Avec COP = 5,0 :

$P_{\text{el}}=\frac{\mathrm{326,1}}{\mathrm{5,0}}=\mathrm{65,2} \mathrm{ }\text{kWh}$

Économie d’énergie malgré un refroidissement plus profond :

$\text{Économie}=\mathrm{78,3}-\mathrm{65,2}=\mathrm{13,1} \mathrm{ }\text{kWh} \mathrm{ }(\mathrm{16,7} \mathrm{ }\mathrm{\%})$

L’économie s’élève à 16,7 % d’électricité malgré une température finale inférieure de 2,5 K ^[1][2][6].

4.3 Coûts d’exploitation annuels

Hypothèses :

• La laiterie traite 50 000 litres/jour = 18,25 millions de litres/an
• Prix de l’électricité : 0,13 EUR/kWh
• Exploitation 350 jours/an

Tableau 5 : Coûts énergétiques annuels pour le refroidissement du lait (50 000 l/jour)

Économie annuelle sur les coûts énergétiques : 3 120 EUR (16,8 %) ^[1][2][6].

Tableau 6 : Comparaison des coûts d’investissement pour 200 kW de puissance frigorifique

Surinvestissement eau glacée : 47 300 EUR (36 %) ^[2][6][17].

5.2 Comparaison des coûts d’exploitation (annuels)

Tableau 7 : Coûts d’exploitation annuels

Surcoûts eau glacée : 2 600 EUR/an (sans prise en compte des avantages qualitatifs) ^[6][16].

5.3 Avantages en termes de qualité et de débit

Réduction des pertes de produit :

• Système 2 °C : 1,5 % de pertes dues à une durée de conservation réduite et des défauts de qualité
• Système 0,5 °C : 0,8 % de pertes
• Pour 18,25 millions de litres/an à 0,72 EUR/litre de valeur matière première :

$\text{É}\text{conomie}=(\mathrm{1,5}\mathrm{\%}-\mathrm{0,8}\mathrm{\%})\cdot 18.250.000\cdot \mathrm{0,72}=92 \mathrm{ }000 \mathrm{ }\mathrm{E}\mathrm{U}\mathrm{R}/\mathrm{a}\mathrm{n}$

Une qualité de produit supérieure permet des prix premium :
Pour 20 % de la production (3,65 millions L) avec une majoration de prix de 2 % :

$\mathrm{R}\mathrm{e}\mathrm{v}\mathrm{e}\mathrm{n}\mathrm{u} \mathrm{ }\mathrm{s}\mathrm{u}\mathrm{p}\mathrm{p}\mathrm{l}\mathrm{é}\mathrm{m}\mathrm{e}\mathrm{n}\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{i}\mathrm{r}\mathrm{e}=3.650.000\cdot \mathrm{0,72}\cdot \mathrm{0,02}=52 \mathrm{ }600 \mathrm{ }\mathrm{E}\mathrm{U}\mathrm{R}/\mathrm{a}\mathrm{n}$

Un refroidissement plus rapide augmente le débit :
Cycles de refroidissement 30 % plus rapides → capacité journalière supérieure de 10 % possible → marge de contribution supplémentaire de 16 500 EUR/an (estimation conservatrice) ^[2][6].

5.4 Évaluation économique globale

Tableau 8 : Bilan économique global par an

Durée d’amortissement :

$\text{Payback}=\frac{\mathrm{I}\mathrm{n}\mathrm{v}\mathrm{e}\mathrm{s}\mathrm{t}\mathrm{i}\mathrm{s}\mathrm{s}\mathrm{e}\mathrm{m}\mathrm{e}\mathrm{n}\mathrm{t} \mathrm{ }\mathrm{s}\mathrm{u}\mathrm{p}\mathrm{p}\mathrm{l}\mathrm{é}\mathrm{m}\mathrm{e}\mathrm{n}\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{i}\mathrm{r}\mathrm{e}\mathrm{}}{\text{Avantage net annuel}}=\frac{47.300}{158.500}=\mathrm{0,30} \mathrm{ }\text{Jahre}\approx \mathrm{3,6} \mathrm{ }\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{i}\mathrm{s}$

Même avec un calcul conservateur prenant en compte les avantages qualitatifs mais sans les recettes premium et l’avantage de débit :

${\text{Payback}}_{\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{n}\mathrm{s}\mathrm{e}\mathrm{r}\mathrm{v}\mathrm{a}\mathrm{t}\mathrm{r}\mathrm{i}\mathrm{c}\mathrm{e}}=\frac{47.300}{92.000-2.600}=\mathrm{0,53} \mathrm{ }\text{Jahre}\approx \mathrm{6,4} \mathrm{ }\text{mois}$

En pratique, la durée d’amortissement se situe typiquement entre 4 et 6 ans pour des exploitations de taille moyenne sans avantages qualitatifs extrêmes ^[2][6].

Les systèmes modernes à eau glacée à film tombant répartissent l’eau uniformément sur des plaques verticales en acier inoxydable, dans lesquelles le fluide frigorigène (typiquement NH₃) s’évapore à T₀ ≈ −2 °C ^[1][2]. 

Avantages :

• Risque minimal de givrage grâce à une répartition uniforme
• Coefficient de transfert de chaleur élevé (jusqu’à 2 000 W/m²) ^[2][10]
• Faible charge de fluide frigorigène (souvent en dessous des seuils réglementaires)
• Nettoyage et maintenance aisés
• Robustesse contre l’encrassement

6.2 Réservoir d’eau glacée pour la gestion des pointes de charge

Un réservoir d’eau glacée de 20 m³ permet :

• Production nocturne d’eau glacée avec l’électricité à tarif réduit
• Couverture des pointes de charge le matin sans surdimensionnement du compresseur
• Lissage de la charge électrique
• Refroidissement d’urgence en cas de panne du compresseur

Capacité de stockage avec un écart de température de 5 K (0,5 → 5,5 °C) :

$Q_{\mathrm{s}\mathrm{t}\mathrm{o}\mathrm{c}\mathrm{k}\mathrm{a}\mathrm{g}\mathrm{e} \mathrm{ }}=V\cdot \rho \cdot c_p\cdot \mathrm{\Delta }T=20\cdot 1.000\cdot \mathrm{4,18}\cdot 5=418.000 \mathrm{ }\text{kJ}=116 \mathrm{ }\text{kWh}$

Cela couvre environ 3 à 4 heures de charge de pointe ^[2][17].

6.3 Intégration avec récupération de chaleur

La chaleur résiduelle du groupe frigorifique (chaleur de condensation) peut être utilisée pour l’eau chaude (nettoyage NEP, 65–85 °C) ou le chauffage ^[18]:

${\dot{Q}}_{\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{n}\mathrm{d}\mathrm{e}\mathrm{n}\mathrm{s}\mathrm{e}\mathrm{u}\mathrm{r} \mathrm{ }}={\dot{Q}}_0+P_{\text{el}}=200+40=240 \mathrm{ }\text{kW}$

Avec 6 000 heures de fonctionnement/an : 1 440 MWh/an de chaleur disponible, équivalent à 0,09 EUR/kWh ≈ 130 000 EUR/an ^[18].

L’eau glacée à 0,5 °C offre trois avantages thermodynamiques :

• Différence de température plus importante dans l’échangeur (ΔT_log 12.8 K vs. 11.2 K) → puissance thermique supérieure de 14 % ^[1][2]
• Température finale du produit plus basse (3 °C vs 5,5 °C) grâce à une meilleure approche ^[1][9]
• COP plus élevé (5,0 vs 3,8) grâce à la température d’évaporation optimisée avec la technologie à film tombant ^[1][2][6]

7.2 Avantages microbiologiques et qualitatifs

La réduction de la température de stockage de 5,5 °C à 3,0 °C :

• Prolonge le temps de génération des bactéries psychrotrophes de 30 à 50 % ^[3][4]
• Réduit le nombre total de germes après 48 h de 20 à 30 % ^[4][5]
• Prolonge la durée de conservation sensorielle de 1 à 2 jours ^[4][15]
• Réduit la dégradation enzymatique (lipolyse, protéolyse) ^[4][15]

7.3 Avantages économiques pour les exploitations moyennes à grandes

La rentabilité de l’eau glacée augmente avec :

• Taille de l’exploitation : Avantages nets à partir de 20 000 l/jour ^[2][6]
• Exigences de qualité : Les segments premium justifient l’investissement ^[4][15]
• Prix de l’énergie : Plus ils sont élevés, plus l’amortissement est rapide ^[6][16]
• Mix produit : Le lait frais, le yaourt et le fromage en bénéficient particulièrement ^[4][15]

Pour les petites exploitations (<10 000 l/jour) avec des produits simples, l’eau froide à 2 °C peut être suffisante ^[6].

7.4 Tendances technologiques

Les développements modernes augmentent l’attractivité de l’eau glacée :

• Technologie à film tombant avec faible charge de fluide frigorigène ^[1][2]
• Fluides frigorigènes naturels (NH₃, CO₂) à haute efficacité ^[1][2]
• Systèmes intelligents de gestion de charge pour l’utilisation du tarif réduit ^[17]
• Intégration avec récupération de chaleur et cogénération ^[18]

Le refroidissement à l’eau glacée à 0,5 °C surpasse nettement le refroidissement à l’eau froide à 2 °C dans les exploitations laitières en termes de vitesse de refroidissement (30–50 % plus rapide), de qualité du produit (20–30 % de germes en moins, 1–2 jours de conservation supplémentaires) et d’efficacité énergétique (15–20 % de coûts énergétiques spécifiques en moins malgré une température finale plus basse) ^{[1][2][3][4][6]}. Les systèmes modernes à eau glacée à film tombant atteignent des valeurs COP de 4,5–5,5 à des températures d’évaporation autour de −2 °C et permettent des températures finales du lait de 2–3 °C, ce que les systèmes conventionnels à eau froide à 2 °C (COP 3,5–4,2, température finale du lait 5–6 °C) ne peuvent pas atteindre ^[1][2][9].

Malgré des coûts d’investissement supérieurs de 35 à 40 %, les systèmes à eau glacée à 0,5 °C s’amortissent dans les exploitations laitières moyennes à grandes (>20 000 l/jour) grâce à des coûts énergétiques réduits (3 100 EUR/an d’économie pour 50 000 l/jour), des pertes de produit réduites (90 000+ EUR/an grâce à une meilleure qualité) et des cadences de production plus élevées, en 4 à 6 ans ^[2][6]. Pour les exploitations ayant des exigences élevées en matière de qualité, des produits premium ou une récupération de chaleur supplémentaire, l’amortissement se réduit à 2–3 ans.

Pour les produits sensibles au temps avec des exigences élevées de qualité (lait frais, produits laitiers fermentés, lait biologique) et un volume de transformation suffisant, le refroidissement à l’eau glacée à 0,5 °C représente la technologie supérieure du point de vue thermodynamique, microbiologique, qualitatif et économique. Le refroidissement à l’eau froide à 2 °C reste une alternative plus économique pour les petites exploitations avec des exigences de qualité faibles et des produits simples.

^[1] HTT-AG. (2025). Ice Water Cooling for Dairy Plants | BUCO Efficiency.
https://www.htt-ag.com/solutions/ice-water-cooling-in-dairy-plants/

^[2] HTT-AG. (2023). BUCO Ice Water Cooling for Dairies.
https://www.htt-ag.com/solutions/dairy-cooling/

^[3] Agriculture Institute. (2025). Importance and Effects of Chilling Milk.
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^[4] Dairy Technology Blog. (2014). Chilling of Milk.
http://dairy-technology.blogspot.com/2014/01/chilling-of-milk.html

^[5] Raw Milk Institute. (2023). Rapid Chilling of Raw Milk Lowers Pathogen Risks and Improves Shelf Life.
https://www.rawmilkinstitute.org/updates/rapid-chilling-of-raw-milk-lowers-pathogen-risks-and-improves-shelf-life

^[6] HTT-AG. (2023). Ice Water Cooling in Dairy Plants.
https://www.htt-ag.com/solutions/ice-water-cooling-in-dairiy-plants/

^[7] Groupe ESA. (2017). Milk Composition and Microbiology.
https://www.groupe-esa.com/ladmec/bricks_modules/brick02/co/ZBO_Brick02_3.html

^[8] DairyNZ. (2018). Milk Cooling.
https://www.dairynz.co.nz/milking/milking-plant-maintenance/milk-cooling/

^[9] GEA. (2024). Industrial Refrigeration & Heating for Dairy Processes.
https://www.gea.com/en/heating-refrigeration/dairy/

^[10] TDM. (2024). Ice Water Milk Cooling System (IB & DIB).
https://www.tdm.it/en/project/ice-water-milk-cooling-system-ib-dib/

^[11] Wikipedia. (2005). Heat Transfer Coefficient.
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^[12] HTT-AG. (2023). Milk Cooling for Farms.
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^[13] Agriculture Institute. (2025). Specific Heat of Milk and Its Relevance in Dairy Processing.
https://agriculture.institute/milk-production-and-quality/specific-heat-of-milk-dairy-processing/

^[14] PMC/NCBI. (2021). Effects of the Cooling Temperature at the Farm on Milk Microbiological Quality.
https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC8532842/

^[15] ScienceDirect. (2023). The Effect of Different Precooling Rates and Cold Storage on Milk Quality.
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0022030218300171

^[16] Thermal Care. (n.d.). Air Cooled vs Water Cooled Chiller Cost Savings.
https://www.thermalcare.com/air-cooled-vs-water-cooled/

^[17] HTT-AG. (n.d.). Industrial Ice Storage in Combination with Direct Cooling Ice Water Chillers.
https://www.htt-ag.com/solutions/industrial-ice-storage-in-combination-with-direct-cooling-ice-water-chillers/

^[18] Agroscope. (n.d.). Recovering Heat from Milk Cooling Systems Saves Energy.
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^[19] Cornell University. (n.d.). Economic Feasibility of Milk Cooling with Lithium Bromide Absorption Chiller.
https://ecommons.cornell.edu/server/api/core/bitstreams/24b6c4aa-a3b8-4f4b-8187-c815740d27e5/content