PROCEDE ET DISPOSITIF DE CONTROLE DE LA LYOPHILISATION SOUS VIDEMETHOD AND DEVICE FOR CHECKING THE VACUUM FREEZE SOU S
La présente invention est relative à un procédé de contrôle de la déshydratation de produits et notamment à un procédé de contrôle de la déshydratation par lyophilisation sous vide de produits initialement congelés. Elle concerne également un procédé permettant de détecter la fin de la déshydratation et notamment un procédé pour détecter la fin de la sublimation d'un produit en cours de lyophilisation. Les procédés selon l'invention peuvent également s'appliquer à d'autres procédés de séchage de produits, non nécessairement congelés au préalable, dans lesquels la chaleur peut être apportée aux produits par un gaz chaud, par contact direct ou encore par rayonnement thermique ou infra-rouge. L'invention concerne aussi des dispositifs pour la mise en oeuvre de ces procédés. Par "produits", on entend tout matériau liquide, pâteux, solide ou solide divisé d'origine animale, végétale ou minérale, apte à subir une déshydratation. Ces matériaux peuvent être traités en vrac ou conditionnés en récipients.The present invention relates to a method for controlling the dehydration of products and in particular to a method for controlling the dehydration by freeze-drying under vacuum of initially frozen products. It also relates to a method for detecting the end of dehydration and in particular a method for detecting the end of sublimation of a product during lyophilization. The methods according to the invention can also be applied to other methods for drying products, not necessarily frozen beforehand, in which heat can be supplied to the products by a hot gas, by direct contact or by thermal radiation or infrared. The invention also relates to devices for implementing these methods. By "products" is meant any liquid, pasty, solid or divided solid material of animal, vegetable or mineral origin, capable of undergoing dehydration. These materials can be processed in bulk or packaged in containers.
La présente invention s'applique plus particulièrement aux matériaux pour lesquels la teneur en eau finale du produit est un critère déterminant ou qui peuvent subir des dommages importants lorsqu'ils continuent d'être fortement chauffés après disparition de l'eau qu'ils contenaient. C'est notamment le cas de tous les produits alimentaires et des produits pharmaceutiques qui peuvent subir une altération de leurs propriétés caractéristiques (texture, couleur, arômes, activité biologique, activité thérapeutique, etc... ) .The present invention applies more particularly to materials for which the final water content of the product is a determining criterion or which can suffer significant damage when they continue to be strongly heated after disappearance of the water which they contained. This is particularly the case for all food products and pharmaceutical products which may undergo an alteration in their characteristic properties (texture, color, aromas, biological activity, therapeutic activity, etc.).
Les procédés de séchage auxquels s'applique l'invention sont tous ceux pour lesquels on peut mesurer la teneur en eau du produit. L'invention s'applique tout particulièrement aux procédés de lyophilisation.The drying methods to which the invention applies are all those for which the water content of the product can be measured. The invention applies very particularly to lyophilization processes.
On sait que la lyophilisation est un procédé basse température durant lequel la majeure partie de l'eau contenue dans un produit est éliminée par sublimation. Comme pour les autres procédés de déshydratation, le but de
la lyophilisation est de diminuer l'activité de l'eau des produits afin d'assurer leur conservation. C'est une technique particulièrement bien adaptée aux produits sensibles à la température et qui permet de conserver la majorité des caractéristiques d'origine des produits. Les produits déshydratés possèdent en outre une porosité élevée qui favorise leur réhydratation ou permet une dissolution rapide. Les contraintes de qualité des produits lyophilisés et les coûts élevés de l'opération nécessitent de bien connaitre la cinétique de déshydratation (vitesse d'élimination de l'eau) afin de pouvoir déterminer l'instant correspondant à la fin de la sublimation et donc l'instant auquel il convient d'arrêter le procédé.We know that freeze-drying is a low temperature process during which most of the water contained in a product is removed by sublimation. As with other dehydration processes, the goal of freeze-drying is to reduce the water activity of the products in order to ensure their conservation. It is a technique particularly well suited to temperature-sensitive products and which allows most of the original characteristics of the products to be preserved. Dehydrated products also have a high porosity which promotes rehydration or allows rapid dissolution. The quality constraints of freeze-dried products and the high costs of the operation require a good understanding of the kinetics of dehydration (speed of elimination of water) in order to be able to determine the instant corresponding to the end of sublimation and therefore the 'when to stop the process.
Jusqu'à présent, faute de méthode satisfaisante, la mesure en ligne de la teneur en eau résiduelle des produits n'est jamais effectuée et les utilisateurs se limitent le plus souvent à des suivis de différentes grandeurs permettant d'apprécier plus ou moins finement la fin de la lyophilisation. La décision de l'arrêt de la lyophilisation se fait selon des règles empiriques pré-établies, généralement sur la base d'un temps après apparition d'un phénomène tel que la remontée en température d'un produit ou la stabilité de la pression totale après isolation de l'enceinte de lyophilisation. Pour estimer en continu la cinétique de déshydratation, la mesure du poids des produits en cours de déshydratation est envisageable. Lors de la lyophilisation, on peut également utiliser la mesure du poids de la glace piégée sur le condenseur. Ceci nécessite de concevoir l'installation de manière à pouvoir réaliser la pesée en continu et s'adapte difficilement à une installation existante. Il est également possible d'effectuer le bilan thermique au niveau du condenseur. Enfin, la simulation par calcul à l'aide d'un modèle mécanistique peut permettre d'apprécier cette cinétique. Ceci nécessite de connaître a priori les grandeurs relatives au produit, à savoir : la
valeur de la porosité du matériau, la conductibilité thermique du matériau congelé et du matériau sec, la teneur en eau, la géométrie de l'échantillon ainsi que les coefficients de transfert de chaleur (conduction, convection, rayonnement) et de transfert de matière interne (valeur de la diffusivité de l'eau dans le produit sec) et externe (diffusivité de la vapeur d'eau dans l'enceinte jusqu'au pièce froid). Une telle simulation est donc relativement complexe. Afin de détecter la fin de la déshydratation et en particulier, la fin de la lyophilisation, différents principes sont utilisables. Un premier ensemble de méthodes consiste à utiliser des mesures indirectes telles que la mesure de la température du produit ou de ses propriétés électriques, des mesures de pression partielle de vapeur d'eau ou d'autres composés volatils, ou bien la composition du gaz présent dans l'enceinte. Dans le cas où l'enceinte de lyophilisation peut être isolée du reste de l'installation, en particulier du condenseur, l'élévation de pression totale dans l'enceinte caractérise un départ d'eau du produit. L'absence de remontée en pression après isolation de l'enceinte peut être un critère de fin de lyophilisation. Enfin, la technique de la résonance magnétique nucléaire simple ou par imagerie peut également être utilisée. Une autre approche consiste à prélever régulièrement des échantillons dans l'enceinte de lyophilisation et à mesurer la teneur en eau, mais elle n'est pas praticable à l'échelle industrielle et se limite donc à des études exploratoires à l'échelle de petits lyophilisateurs.Until now, in the absence of a satisfactory method, the online measurement of the residual water content of the products has never been carried out and users have most often limited themselves to monitoring of different sizes making it possible to more or less finely assess the end of freeze-drying. The decision to stop freeze-drying is made according to pre-established empirical rules, generally on the basis of a time after the appearance of a phenomenon such as the rise in temperature of a product or the stability of total pressure. after isolation of the lyophilization enclosure. To continuously estimate the kinetics of dehydration, it is possible to measure the weight of the products being dehydrated. During freeze-drying, it is also possible to use the measurement of the weight of the ice trapped on the condenser. This requires designing the installation so that weighing can be carried out continuously and is difficult to adapt to an existing installation. It is also possible to carry out the heat balance at the condenser level. Finally, simulation by calculation using a mechanistic model can allow this kinetics to be assessed. This requires a priori knowledge of the quantities relating to the product, namely: value of the porosity of the material, the thermal conductivity of the frozen material and the dry material, the water content, the geometry of the sample as well as the heat transfer coefficients (conduction, convection, radiation) and internal material transfer (value of the diffusivity of water in the dry product) and external (diffusivity of water vapor in the enclosure to the cold room). Such a simulation is therefore relatively complex. In order to detect the end of dehydration and in particular, the end of lyophilization, different principles can be used. A first set of methods consists in using indirect measurements such as the measurement of the temperature of the product or of its electrical properties, measurements of partial pressure of water vapor or other volatile compounds, or else the composition of the gas present. inside the enclosure. In the case where the lyophilization enclosure can be isolated from the rest of the installation, in particular from the condenser, the total pressure rise in the enclosure characterizes a water departure from the product. The absence of pressure build-up after isolation of the enclosure can be a criterion for the end of freeze-drying. Finally, the technique of simple nuclear magnetic resonance or by imaging can also be used. Another approach consists in regularly taking samples in the lyophilization enclosure and in measuring the water content, but it is not practicable on an industrial scale and is therefore limited to exploratory studies on the scale of small freeze-dryers. .
Ces méthodes d'appréciation de la fin de la déshydratation et en particulier de la lyophilisation, sont peu aptes à apprécier tant la teneur en eau finale du produit que la cinétique de déshydratation caractéristique du procédé.
Pour remédier à ces inconvénients, l'invention propose d'évaluer en temps réel la teneur en eau résiduelle du produit en cours de déshydratation pour provoquer, éventuellement de façon automatique, l'arrêt de la déshydratation et/ou le changement des conditions opératoires. Parallèlement à la détermination de la cinétique, un estimateur de fin de déshydratation permet de déclencher, éventuellement de façon automatique, l'arrêt de la déshydratation ou une diminution de la température de chauffe afin de préserver la qualité des produits déjà secs.These methods for assessing the end of dehydration and in particular lyophilization, are not very capable of assessing both the final water content of the product and the dehydration kinetics characteristic of the process. To remedy these drawbacks, the invention proposes to evaluate in real time the residual water content of the product being dehydrated in order to cause, possibly automatically, the stopping of dehydration and / or the change in operating conditions. In addition to determining the kinetics, an end of dehydration estimator makes it possible to trigger, possibly automatically, the stopping of dehydration or a reduction in the heating temperature in order to preserve the quality of the already dry products.
Ainsi, l'invention concerne un procédé de contrôle de la teneur en eau d'un produit en cours de déshydratation dans un appareil de lyophilisation comprenant des moyens pour condenser les vapeurs d'eau, celles-ci s'échappant du produit vers lesdits moyens pour condenser.Thus, the invention relates to a method for controlling the water content of a product being dehydrated in a lyophilization apparatus comprising means for condensing the water vapors, these escaping from the product towards said means to condense.
Selon l'invention, le procédé consiste à déterminer, de façon continue, la teneur en eau à partir de la valeur du débit massique de vapeur d'eau s'échappant du produit, lequel est placé dans une enceinte de lyophilisation, cette valeur étant déterminée à partir de la mesure des valeurs de pression totale de l'enceinte de lyophilisation et des pressions partielles de vapeur d'eau dans le flux de vapeur entre ledit produit et lesdits moyens pour condenser les vapeurs d'eau et à la surface desdits moyens, une procédure de réglage effectuée initialement ayant établi, pour le produit en cause, la relation entre ces différentes valeurs.According to the invention, the method consists in continuously determining the water content from the value of the mass flow rate of water vapor escaping from the product, which is placed in a lyophilization enclosure, this value being determined from the measurement of the total pressure values of the freeze-drying enclosure and of the partial pressures of water vapor in the vapor flow between said product and said means for condensing water vapors and on the surface of said means , an adjustment procedure carried out initially having established, for the product in question, the relationship between these different values.
Dans l'ensemble de la description, on entend par "débit massique d'eau s'échappant du produit", la quantité d'eau s'échappant du produit, par unité de temps.Throughout the description, the term "mass flow rate of water escaping from the product" means the quantity of water escaping from the product, per unit of time.
L'invention concerne également un procédé de détection de la fin de la déshydratation d'un produit, qui est caractérisé en ce qu'il consiste à établir les valeurs de la quantité de vapeur d'eau s'échappant du produit d'une part, selon un mode mixte convection-diffusion valable au
cours de la déshydratation et d'autre part, selon un mode purement diffusif valable à la fin de la déshydratation et à déterminer l'écart entre ces deux valeurs, la fin de la déshydratation étant atteinte quand cet écart est voisin de la valeur 0.The invention also relates to a method for detecting the end of the dehydration of a product, which is characterized in that it consists in establishing the values of the quantity of water vapor escaping from the product on the one hand , according to a mixed convection-diffusion mode valid at during dehydration and on the other hand, in a purely diffusive mode valid at the end of dehydration and to determine the difference between these two values, the end of dehydration being reached when this difference is close to the value 0.
De préférence, le produit étant en cours de lyophilisation dans un appareil de lyophilisation comprenant une enceinte dans laquelle est placé ledit produit et des moyens pour condenser les vapeurs d'eau, les deux valeurs de la quantité de vapeur d'eau s'échappant du produit sont déterminées à partir de la mesure des valeurs de pression totale de l'enceinte de lyophilisation et des pressions partielles de vapeur d'eau dans le flux de vapeur entre ledit produit et lesdits moyens pour condenser les vapeurs et à la surface desdits moyens, la fin de la sublimation étant atteinte lorsque l'écart entre les deux valeurs est voisin de la valeur O.Preferably, the product being lyophilization in a lyophilization apparatus comprising a chamber in which said product is placed and means for condensing the water vapors, the two values of the quantity of water vapor escaping from the product are determined from the measurement of the values of total pressure of the lyophilization enclosure and of the partial pressures of water vapor in the flow of vapor between said product and said means for condensing the vapors and at the surface of said means, the end of the sublimation being reached when the difference between the two values is close to the value O.
L'invention concerne également un dispositif convenant à la mise en oeuvre du procédé de contrôle de la teneur en eau d'un produit en cours de déshydratation dans un appareil de lyophilisation.The invention also relates to a device suitable for implementing the process for controlling the water content of a product being dehydrated in a lyophilization apparatus.
Le dispositif comprend trois capteurs, le premier détectant la pression totale dans l'enceinte de lyophilisation, le deuxième, la pression partielle de vapeur d'eau entre le produit en cours de lyophilisation et les moyens pour condenser les vapeurs d'eau et le troisième, la pression partielle de vapeur d'eau à la surface desdits moyens, ainsi qu'un organe d'interprétation relié à ces trois capteurs et déterminant le débit massique instantané de vapeur d'eau s'échappant du produit à partir des valeurs mesurées par lesdits capteurs, ledit organe pouvant ainsi déterminer, de façon continue, la teneur en eau à partir de la valeur du débit massique d'eau s'échappant du produit. De préférence, le dispositif est relié à un organe de commande de l'appareil de lyophilisation.
L'invention concerne enfin un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé de détection de la fin de la déshydratation d'un produit.The device comprises three sensors, the first detecting the total pressure in the lyophilization enclosure, the second, the partial pressure of water vapor between the product being lyophilized and the means for condensing the water vapors and the third , the partial pressure of water vapor on the surface of said means, as well as an interpretative device connected to these three sensors and determining the instantaneous mass flow rate of water vapor escaping from the product from the values measured by said sensors, said member thus being able to determine, continuously, the water content from the value of the mass flow rate of water escaping from the product. Preferably, the device is connected to a control member of the lyophilization apparatus. The invention finally relates to a device for implementing the method for detecting the end of dehydration of a product.
Un tel dispositif comprend des moyens déterminant les valeurs de la quantité de vapeur d'eau s'échappant du produit d'une part, selon un mode mixte convection- diffusion valable au cours de la déshydratation et d'autre part, selon un mode purement diffusif valable à la fin de la déshydratation, ainsi qu'un organe d'interprétation déterminant, en continu, l'écart entre ces deux valeurs, le moment où cet écart atteint sensiblement la valeur O correspondant à la fin de la déshydratation.Such a device comprises means determining the values of the quantity of water vapor escaping from the product on the one hand, according to a mixed convection-diffusion mode valid during dehydration and on the other hand, according to a purely mode diffusive valid at the end of the dehydration, as well as an interpretative organ determining, continuously, the difference between these two values, the moment when this difference reaches appreciably the value O corresponding to the end of the dehydration.
En particulier, l'invention concerne un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé de détection de la fin sublimation d'un produit en cours de lyophilisation dans un appareil de lyophilisation. Ce dispositif comprend trois capteurs, le premier détectant la pression totale dans l'enceinte de lyophilisation, le deuxième, la pression partielle de vapeur d'eau entre le produit en cours de lyophilisation et lesdits moyens pour condenser les vapeurs d'eau et le troisième, la pression partielle de vapeur d'eau à la surface desdits moyens, ainsi qu'un organe d'interprétation relié à ces trois capteurs et déterminant l'écart entre les valeurs de la quantité de vapeur d'eau s'échappant du produit vers lesdits moyens selon d'une part, un mode mixte convection-diffusion, valable en cours de sublimation et d'autre part, un mode purement diffusif, valable à la fin de la sublimation, le moment où cet écart atteint sensiblement la valeur 0 correspondant à la fin de la sublimation.In particular, the invention relates to a device for implementing the method for detecting the end of sublimation of a product during lyophilization in a lyophilization apparatus. This device comprises three sensors, the first detecting the total pressure in the lyophilization enclosure, the second, the partial pressure of water vapor between the product being lyophilized and said means for condensing the water vapors and the third , the partial pressure of water vapor on the surface of said means, as well as an interpretative member connected to these three sensors and determining the difference between the values of the quantity of water vapor escaping from the product towards said means according on the one hand, a mixed convection-diffusion mode, valid during sublimation and on the other hand, a purely diffusive mode, valid at the end of sublimation, the moment when this difference reaches appreciably the value 0 at the end of the sublimation.
De préférence, le dispositif est relié à un organe de commande de l'appareil de déshydratation qui, lorsque la teneur en eau a atteint une valeur prédéterminée, procède automatiquement à une nouvelle phase de fonctionnement, notamment la procédure d'arrêt de l'installation, une
modification des conditions opératoires ou un autre traitement, de nature physique, chimique ou mécanique.Preferably, the device is connected to a control member of the dehydration device which, when the water content has reached a predetermined value, automatically proceeds to a new phase of operation, in particular the procedure for stopping the installation. , a modification of operating conditions or other treatment, of a physical, chemical or mechanical nature.
L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, avantages et caractéristiques de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit, faite au regard des dessins annexés sur lesquels :The invention will be better understood and other objects, advantages and characteristics thereof will appear more clearly on reading the description which follows, made with reference to the appended drawings in which:
- la figure 1 illustre schématiquement une installation pour un exemple de mise en oeuvre du procédé selon l'invention, - la figure 2 illustre une première variante de dispositif pour un exemple de mise en oeuvre du procédé, adaptée à une première configuration d'appareil de lyophilisation (à condenseur interne), la figure 3 illustre une deuxième variante de dispositif pour un exemple de mise en oeuvre du procédé, adaptée à une deuxième configuration d'appareil de lyophilisation (à condenseur externe),- Figure 1 schematically illustrates an installation for an example of implementation of the method according to the invention, - Figure 2 illustrates a first variant of device for an example of implementation of the method, adapted to a first configuration of apparatus of freeze-drying (with internal condenser), FIG. 3 illustrates a second variant of device for an example of implementation of the method, adapted to a second configuration of freeze-drying device (with external condenser),
- la figure 4 est une courbe illustrant les résultats d'essais fournis par le procédé et le dispositif selon l'invention pour la lyophilisation de lait demi-écrémé et,FIG. 4 is a curve illustrating the results of tests provided by the method and the device according to the invention for the lyophilization of semi-skimmed milk and,
- la figure 5 est une courbe illustrant les résultats d'essais fournis par le procédé et le dispositif selon l'invention pour la lyophilisation de rondelles de banane.- Figure 5 is a curve illustrating the test results provided by the method and the device according to the invention for the lyophilization of banana rings.
Les éléments communs aux différentes figures seront désignés par les mêmes références.The elements common to the different figures will be designated by the same references.
En référence à la figure 1, on désigne par 1 un appareil de déshydratation. Un tel appareil comprend, de façon classique, une enceinte dans laquelle sont placés les produits à traiter.With reference to FIG. 1, 1 denotes a dehydration apparatus. Such an apparatus comprises, conventionally, an enclosure in which the products to be treated are placed.
La référence 2 désigne des capteurs placés en des lieux appropriés afin de relever en continu des valeurs déterminées qui vont être définies plus précisément.
Le procédé selon l'invention est basé sur l'étude des quantités de matière s'échappant du produit en cours de déshydratation.Reference 2 designates sensors placed in suitable places in order to continuously record determined values which will be defined more precisely. The method according to the invention is based on the study of the quantities of material escaping from the product during dehydration.
La quantité de matière s'échappant du produit en cours de déshydratation peut être déterminée directement, notamment en utilisant des techniques d'adsorption infra¬ rouge ou de résonance magnétique nucléaire.The quantity of material escaping from the product during dehydration can be determined directly, in particular by using infrared adsorption or nuclear magnetic resonance techniques.
Elle peut aussi être déterminée au moyen de modèles, représentatifs des transferts de matière. De manière connue, pendant la déshydratation, la matière s'échappe du produit selon un mode mixte, du type convection-diffusion. Le modèle correspondant à ce mode de transfert est le modèle de Stephan-Nusselt. On peut à cet égard se reporter à l'ouvrage suivant : BIRD R.B., STEWART W.E. et LIGHTFOOT E.N. , 1960. Transport phenomena. John Wiley & Sons, New York, USA.It can also be determined using models, representative of material transfers. In known manner, during dehydration, the material escapes from the product in a mixed mode, of the convection-diffusion type. The model corresponding to this transfer mode is the Stephan-Nusselt model. In this regard, we can refer to the following work: BIRD R.B., STEWART W.E. and LIGHTFOOT E.N., 1960. Transport phenomena. John Wiley & Sons, New York, USA.
Ce modèle est basé sur l'hypothèse suivante : en régime permanent établi, le transfert de matière s'effectue sous l'effet d'un gradient de potentiel au sein d'un fluide inerte.This model is based on the following assumption: in steady state established, the transfer of matter is carried out under the effect of a potential gradient within an inert fluid.
Il prend la forme suivante :It takes the following form:
dans laquelle : in which :
Cn : représente la concentration molaire (mole. L"3)C n : represents the molar concentration (mole. L " 3 )
D : représente la diffusivité (L2.t-1) ξ : représente la fraction molaire etD: represents the diffusivity (L 2 .t -1 ) ξ: represents the molar fraction and
-* î : représente la direction du transfert. L'étude des transferts de matière montre qu'en fin de déshydratation le modèle mixte convection-diffusion tend vers une expression plus simple. Physiquement, le transfert de matière devient purement diffusif.- * î: represents the direction of the transfer. The study of material transfers shows that at the end of dehydration the mixed convection-diffusion model tends towards a simpler expression. Physically, the transfer of matter becomes purely diffusive.
On suppose qu'en régime permanent établi, le transfert de matière ne s'effectue que sous le seul effet d'un
gradient de potentiel. Le modèle de Stephan-Nusselt (1) peut alors être simplifié et prendre la forme :It is assumed that in steady state established, the transfer of material takes place only under the sole effect of a potential gradient. The Stephan-Nusselt model (1) can then be simplified and take the form:
où Jl* représente la densité de flux molaire (moles.t_1. "2).where Jl * represents the molar flux density (moles.t _1 . " 2 ).
Ce modèle (2) est communément dénommé modèle de Fick.This model (2) is commonly known as the Fick model.
Les procédés selon l'invention sont notamment basés sur l'utilisation de ces modèles lorsque l'on ne dispose pas de moyens permettant une détermination directe de la quantité de vapeur d'eau s'échappant du produit en cours de déshydratation.The methods according to the invention are notably based on the use of these models when there are no means allowing direct determination of the quantity of water vapor escaping from the product during dehydration.
Ces modèles peuvent être utilisés pour tout type de procédés de déshydratation pour lesquels il est possible de déterminer la teneur en eau du produit.These models can be used for any type of dehydration process for which it is possible to determine the water content of the product.
Ils peuvent, en général, s'exprimer sous une forme simplifiée. Les capteurs 2 permettent de déterminer les valeurs des grandeurs intervenant dans ces modèles. Les procédés selon l'invention sont notamment applicables aux procédés de lyophilisation. Dans ce cas, le produit est placé dans un appareil de lyophilisation comprenant, de façon classique, une enceinte pour les produits et des moyens servant à condenser les vapeurs d'eau, tels qu'un condenseur. Pour ce type de procédés, le modèle de Stephan-Nusselt (1) peut être exprimé sous une forme simplifiée.They can, in general, be expressed in a simplified form. The sensors 2 make it possible to determine the values of the quantities involved in these models. The methods according to the invention are particularly applicable to lyophilization methods. In this case, the product is placed in a lyophilization apparatus comprising, in a conventional manner, an enclosure for the products and means serving to condense the water vapors, such as a condenser. For this type of process, the Stephan-Nusselt model (1) can be expressed in a simplified form.
En effet, dans le cas d'un tel mode de transfert dans un gaz considéré immobile, le débit massique d'eau instantané est proportionnel au logarithme du rapport des valeurs de pression partielle du gaz immobile au niveau du condenseur et dans l'enceinte de lyophilisation.In fact, in the case of such a transfer mode in a gas considered to be stationary, the instantaneous mass flow of water is proportional to the logarithm of the ratio of the partial pressure values of the stationary gas at the level of the condenser and in the enclosure of lyophilization.
Ainsi, à partir de la mesure des valeurs de pression totale de l'enceinte de lyophilisation et des pressions partielles de vapeur d'eau dans le flux de vapeur et à la surface du condenseur, il est possible de déterminer
l'information cinétique désirée. L'association de ces trois mesures est indispensable pour apprécier la cinétique de déshydratation. Lorsque le procédé utilisé est un procédé de lyophilisation, les capteurs 2 sont prévus pour déterminer les valeurs de pression. On peut noter que pour un condenseur fonctionnant en équilibre thermodynamique, la valeur de pression partielle de vapeur d'eau du condenseur peut être déduite de la température de fonctionnement du condenseur. On désigne par 3 un organe d'interprétation des mesures effectuées à chaque instant par les capteurs 2. Cet organe d'interprétation qui reçoit les données relevées par les capteurs traduit, en fonction du type de produit lyophilisé, de la géométrie de l'appareil utilisé et des conditions opératoires, la teneur en eau résiduelle moyenne du produit en cours de déshydratation , à partir du modèle de Stephan-Nusselt (1).Thus, from the measurement of the values of total pressure of the lyophilization chamber and of the partial pressures of water vapor in the vapor flow and at the surface of the condenser, it is possible to determine the desired kinetic information. The combination of these three measures is essential to assess the kinetics of dehydration. When the method used is a lyophilization method, the sensors 2 are provided for determining the pressure values. It can be noted that for a condenser operating in thermodynamic equilibrium, the value of partial pressure of water vapor of the condenser can be deduced from the operating temperature of the condenser. Designate by 3 an interpretation unit for the measurements made at each instant by the sensors 2. This interpretation unit which receives the data recorded by the sensors translates, as a function of the type of lyophilized product, of the geometry of the device. used and operating conditions, the average residual water content of the product being dehydrated, from the Stephan-Nusselt model (1).
En fin de déshydratation, comme indiqué précédemment, le mode de transfert devient purement diffusif. Or, dans le cas d'un tel mode de transfert, le modèle de Fick (2) peut être exprimé sous une forme simplifiée. Le débit massique d'eau instantané quittant le produit est proportionnel au gradient de pression partielle de vapeur d'eau entre l'enceinte de lyophilisation et celle du condenseur.At the end of dehydration, as indicated above, the transfer mode becomes purely diffusive. However, in the case of such a transfer mode, the Fick model (2) can be expressed in a simplified form. The instantaneous mass flow of water leaving the product is proportional to the partial pressure gradient of water vapor between the lyophilization enclosure and that of the condenser.
Ainsi, l'organe d'interprétation 3 effectue le calcul du débit massique d'eau instantané quittant le produit dans le cas d'un mode de transfert mixte convection-diffusion, et dans le cas d'un mode de transfert purement diffusif, en utilisant les résultats des mesures provenant des capteurs 2.Thus, the interpretation unit 3 performs the calculation of the instantaneous mass flow of water leaving the product in the case of a mixed convection-diffusion transfer mode, and in the case of a purely diffusive transfer mode, in using the measurement results from the sensors 2.
L'organe 3 permet ainsi de décrire en temps réel la fin de la déshydratation au moyen d'un indicateur chiffré dont l'écart par rapport à la valeur zéro traduit le fait que la phase de sublimation est terminée ou non. Cet indicateur ne nécessite aucune connaissance sur le produit
en cours de déshydratation ni aucun autre paramètre que les trois grandeurs mesurées par les capteurs 2.The member 3 thus makes it possible to describe in real time the end of the dehydration by means of an encrypted indicator whose deviation from the zero value reflects the fact that the sublimation phase is completed or not. This indicator does not require any knowledge of the product during dehydration or any other parameter than the three quantities measured by the sensors 2.
La teneur en eau et l'estimateur de fin de sublimation ainsi établis peuvent être directement transmis à l'opérateur qui peut alors arrêter la lyophilisation si la teneur en eau a atteint une valeur prédéterminée. Il peut également modifier les conditions opératoires, notamment la température et/ou la pression, permettant de poursuivre l'opération, notamment par l'intermédiaire d'un organe de commande 5 pilotant les conditions de fonctionnement de l'appareil 1.The water content and the sublimation end estimator thus established can be directly transmitted to the operator who can then stop the lyophilization if the water content has reached a predetermined value. It can also modify the operating conditions, in particular the temperature and / or pressure, making it possible to continue the operation, in particular by means of a control member 5 controlling the operating conditions of the device 1.
L'opérateur peut également procéder à un autre traitement :The operator can also carry out another processing:
- de nature physique : tel qu'un broyage ou une désorption pour permettre l'extraction de l'eau fortement liée,- physical in nature: such as grinding or desorption to allow the extraction of strongly bound water,
- de nature mécanique : tel que la fermeture et le sertissage des flacons contenant les produits en cours de déshydratation, - de nature chimique : tel que l'aspersion d'arômes, de colorants, de conservateurs (antioxydant par exemple) ou de sucres d'enrobage ; un traitement de stérilisation.- mechanical: such as closing and crimping the bottles containing the products being dehydrated, - chemical: such as the spraying of flavors, colors, preservatives (antioxidant for example) or sugar 'coating; sterilization treatment.
La teneur en eau et l'estimateur de fin de sublimation peuvent également être directement transmis à l'organe de commande 5 qui procède automatiquement au démarrage d'une nouvelle phase de fonctionnement, lorsque la teneur en eau a atteint une valeur prédéterminée. Cette nouvelle phase peut être par exemple la procédure d'arrêt de l'installation, la modification des conditions opératoires ou un autre traitement, de nature physique, chimique ou mécanique.The water content and the sublimation end estimator can also be directly transmitted to the control member 5 which automatically proceeds to the start of a new operating phase, when the water content has reached a predetermined value. This new phase can be, for example, the installation shutdown procedure, the modification of operating conditions or another treatment, of a physical, chemical or mechanical nature.
Les grandeurs peuvent notamment être transmises à un dispositif d'affichage 4.The quantities can in particular be transmitted to a display device 4.
On peut aussi prévoir que l'organe d'interprétation 3 effectue les comparaisons souhaitées et agisse directement sur l'organe de commande 5.
Les procédés selon l'invention ont plus particulièrement été décrits pour un produit en cours de lyophilisation mais ils sont applicables à tout autre procédé de déshydratation. La figure 2 représente un appareil de lyophilisation dit à condenseur interne.It is also possible to provide that the interpretation member 3 performs the desired comparisons and acts directly on the control member 5. The processes according to the invention have more particularly been described for a product in the course of lyophilization but they are applicable to any other dehydration process. FIG. 2 represents a so-called lyophilization apparatus with internal condenser.
La référence 9 désigne l'enceinte hermétique dans laquelle a lieu la lyophilisation et la référence 10, les moyens permettant de créer et de maintenir le vide souhaité dans l'enceinte 9.The reference 9 designates the hermetic enclosure in which the lyophilization takes place and the reference 10, the means making it possible to create and maintain the desired vacuum in the enclosure 9.
Dans l'enceinte 9, est prévu un piège froid ou condenseur 6 servant à condenser les vapeurs d'eau et un système 8 de support et de fourniture de l'énergie thermique nécessaire à la lyophilisation. Le produit 7 à lyophiliser est placé à l'intérieur du système 8.In the enclosure 9, a cold trap or condenser 6 is provided which is used to condense the water vapors and a system 8 for supporting and supplying the thermal energy necessary for lyophilization. The product 7 to be lyophilized is placed inside the system 8.
Le dispositif selon l'invention comprend essentiellement trois capteurs 2a, 2b, et 2c et un organe d'interprétation 3 relié auxdits capteurs. Ceux-ci sont placés à l'intérieur de l'enceinte 9, le capteur 2c étant disposé à proximité du condenseur 6.The device according to the invention essentially comprises three sensors 2a, 2b, and 2c and an interpretation member 3 connected to said sensors. These are placed inside the enclosure 9, the sensor 2c being placed near the condenser 6.
A chaque instant, les capteurs 2a, 2b, 2c établissent respectivement la valeur de la pression totale dans l'enceinte de lyophilisation 9, la valeur de la pression partielle de vapeur d'eau dans l'enceinte 9 dans le flux de vapeur entre le produit 7 et le condenseur 6 et la valeur de pression partielle de vapeur d'eau à la surface du condenseur 6 et ils transmettent ces valeurs à l'organe d'interprétation. Cet organe comporte en mémoire les coefficients permettant de relier le débit massique instantané de vapeur d'eau s'échappant du produit au logarithme du rapport des pressions partielles du gaz immobile au condenseur 6 et dans l'enceinte de lyophilisation 9. Ces coefficients ont été déterminés lors d'une procédure initiale de réglage qui sera décrite plus loin.
L'organe d'interprétation calcule ainsi en continu le débit massique d'eau instantané quittant le produit 7 et donc la teneur résiduelle en eau de ce produit.At each instant, the sensors 2a, 2b, 2c respectively establish the value of the total pressure in the lyophilization enclosure 9, the value of the partial pressure of water vapor in the enclosure 9 in the vapor flow between the produces 7 and the condenser 6 and the partial pressure value of water vapor at the surface of the condenser 6 and they transmit these values to the interpretative member. This member has in memory the coefficients making it possible to link the instantaneous mass flow rate of water vapor escaping from the product to the logarithm of the ratio of the partial pressures of the stationary gas to the condenser 6 and in the lyophilization enclosure 9. These coefficients have determined during an initial adjustment procedure which will be described later. The interpretive organ thus continuously calculates the instantaneous mass flow of water leaving the product 7 and therefore the residual water content of this product.
Parallèlement, l'organe d'interprétation 3 calcule, à partir des valeurs fournies par les mêmes capteurs 2a, 2b, et 2c, l'écart entre l'expression réelle du logarithme des rapports des pressions partielles du gaz immobile à la surface du condenseur 6 et dans l'enceinte de lyophilisation 9, expression correspondant à un mode de transfert mixte diffusion-convexion et l'expression simplifiée correspondant à un mode de transfert purement diffusif. Cette expression simplifiée est valable lorsque la fin de sublimation est atteinte. La convergence rapide de cette valeur vers la valeur zéro est caractéristique de la fin de sublimation.At the same time, the interpretation unit 3 calculates, from the values supplied by the same sensors 2a, 2b, and 2c, the difference between the real expression of the logarithm of the ratios of the partial pressures of the stationary gas to the surface of the condenser 6 and in the freeze-drying enclosure 9, expression corresponding to a mixed diffusion-convection transfer mode and the simplified expression corresponding to a purely diffusive transfer mode. This simplified expression is valid when the end of sublimation is reached. The rapid convergence of this value towards zero is characteristic of the end of sublimation.
La figure 3 illustre un dispositif selon l'invention pour un appareil de lyophilisation dit à condenseur externe. Cet appareil diffère du précédent en ce que le condenseur 6 est placé dans une enceinte 11 reliée par un conduit 12 à l'enceinte 9 contenant le système 8 de support du produit à lyophiliser et de fourniture de l'énergie thermique nécessaire à la lyophilisation.FIG. 3 illustrates a device according to the invention for a lyophilization device called an external condenser. This device differs from the previous one in that the condenser 6 is placed in an enclosure 11 connected by a conduit 12 to the enclosure 9 containing the system 8 for supporting the product to be lyophilized and for supplying the thermal energy necessary for lyophilization.
Le dispositif selon l'invention comprend toujours trois capteurs 2a, 2b, et 2c et un organe de vérification 3. Le capteur 2a est placé dans l'enceinte 9, le capteur 2b dans le conduit 12 et le capteur 2c dans l'enceinte 11.The device according to the invention always comprises three sensors 2a, 2b, and 2c and a verification member 3. The sensor 2a is placed in the enclosure 9, the sensor 2b in the conduit 12 and the sensor 2c in the enclosure 11 .
Le fonctionnement est identique à celui décrit au regard de la figure 2.The operation is identical to that described with regard to FIG. 2.
Le procédé de contrôle de la fin de déshydratation a été décrit pour un procédé de lyophilisation. Cependant, ce procédé est applicable à tout procédé de déshydratation. Il est basé sur l'utilisation des modèles de Stephan-Nusselt et de Fick, la différence entre les valeurs de débit massique d'eau données par chacun de ces modèles, convergeant vers la valeur O lors de la fin de la déshydratation.
En ce qui concerne la position des capteurs, les résultats les plus satisfaisants sont obtenus de la façon suivante : le capteur de pression totale est placé dans l'enceinte, le capteur de pression partielle dans l'enceinte est placé dans le flux de vapeur le plus homogène (pas près du condenseur ou du produit) et le capteur déterminant la pression partielle à la surface du condenseur est, de préférence, un capteur de température du condenseur qui est placé directement sur le condenseur, la valeur de pression partielle étant facilement déduite de la valeur de la température du condenseur.The process for controlling the end of dehydration has been described for a lyophilization process. However, this process is applicable to any dehydration process. It is based on the use of the Stephan-Nusselt and Fick models, the difference between the values of mass flow rate of water given by each of these models, converging towards the value O at the end of the dehydration. As far as the position of the sensors is concerned, the most satisfactory results are obtained as follows: the total pressure sensor is placed in the enclosure, the partial pressure sensor in the enclosure is placed in the vapor flow. more homogeneous (not near the condenser or the product) and the sensor determining the partial pressure on the surface of the condenser is preferably a condenser temperature sensor which is placed directly on the condenser, the partial pressure value being easily deduced the value of the condenser temperature.
Pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention, il convient de réaliser une procédure initiale de réglage du dispositif, en relation avec l'appareil de déshydratation 1, les conditions opératoires et le produit 7 considérés. Cette procédure est plus particulièrement décrite pour un appareil de lyophilisation.For the implementation of the method according to the invention, an initial procedure for adjusting the device should be carried out, in relation to the dehydration apparatus 1, the operating conditions and the product 7 considered. This procedure is more particularly described for a lyophilization apparatus.
Cette procédure consiste en des essais qui peuvent être effectués comme suit : le produit 7 dont on connaît la teneur en eau initiale est lyophilisé pendant des durées variables, préalablement choisies par l'homme de l'art en fonction de la nature du produit et des conditions opératoires utilisées. Les capteurs 2a, 2b et 2c mesurent en continu les valeurs de la pression totale de l'enceinte, de la pression partielle de vapeur d'eau dans l'enceinte entre le produit et le condenseur et de. la pression partielle de vapeur d'eau à la surface du condenseur. Après arrêt de la lyophilisation, les teneurs finales en eau du produit obtenues pour les différentes durées testées sont déterminées. Les valeurs des durées de lyophilisation et des teneurs en eau finales obtenues sont utilisées pour la détermination des coefficients nécessaires au calcul de la cinétique de déshydratation et qui sont mémorisés dans l'organe d'interprétation 3. Selon le degré de précision souhaité par l'homme de l'art, le nombre d'essais nécessaire à l'identification est compris entre 1 et 3 par
nature de produit et par condition opératoire de la lyophilisation.This procedure consists of tests which can be carried out as follows: product 7, the initial water content of which is known, is lyophilized for variable durations, previously chosen by a person skilled in the art according to the nature of the product and the operating conditions used. The sensors 2a, 2b and 2c continuously measure the values of the total pressure of the enclosure, of the partial pressure of water vapor in the enclosure between the product and the condenser and of. the partial pressure of water vapor on the surface of the condenser. After the freeze-drying has stopped, the final water contents of the product obtained for the different durations tested are determined. The values of the lyophilization durations and of the final water contents obtained are used for the determination of the coefficients necessary for the calculation of the kinetics of dehydration and which are stored in the interpretation unit 3. According to the degree of precision desired by the skilled in the art, the number of tests necessary for identification is between 1 and 3 per nature of product and by lyophilization operating condition.
Ainsi, le réglage est effectué pour un appareil donné, en fonction du produit à traiter et des conditions opératoires utilisées.Thus, the adjustment is made for a given device, depending on the product to be treated and the operating conditions used.
On peut souligner que le procédé selon l'invention peut facilement être mis en oeuvre dans des installations existantes. En effet, par exemple dans les installations de lyophilisation, sont généralement prévus deux types de capteur : un capteur mesurant la pression totale de l'enceinte et un capteur mesurant la température du condenseur (dont on peut déduire la pression partielle de vapeur d'eau à la surface du condenseur) . Il suffit donc de prévoir un capteur pour la mesure de la pression partielle de vapeur d'eau entre le produit et le condenseur.It should be emphasized that the method according to the invention can easily be implemented in existing installations. In fact, for example in lyophilization installations, two types of sensor are generally provided: a sensor measuring the total pressure of the enclosure and a sensor measuring the temperature of the condenser (from which the partial pressure of water vapor can be deduced on the surface of the condenser). It is therefore sufficient to provide a sensor for measuring the partial pressure of water vapor between the product and the condenser.
Les figures 4 et 5 illustrent, pour deux types d'essais, les résultats fournis par le procédé et le dispositif selon l'invention.Figures 4 and 5 illustrate, for two types of tests, the results provided by the method and the device according to the invention.
La figure 4 est relative à la lyophilisation sous une pression 100 Pa de 25 flacons en verre contenant 5 ml de lait demi-écrémé préalablement congelés à -20°C et placés sur une plaque chauffée à 50°C.FIG. 4 relates to the lyophilization under a pressure of 100 Pa of 25 glass vials containing 5 ml of semi-skimmed milk previously frozen at -20 ° C and placed on a plate heated to 50 ° C.
Les croix représentent la cinétique de déshydratation observée expérimentalement par collecte régulière des échantillons sous vide et pesée de ceux-ci.The crosses represent the kinetics of dehydration observed experimentally by regularly collecting the samples under vacuum and weighing them.
La courbe en trait plein représente le modèle cinétique de déshydratation élaboré par l'organe d'interprétation après la procédure préalable de réglage et la courbe en trait pointillé, la variation de l'estimateur de fin de lyophilisation.The curve in solid line represents the kinetic model of dehydration worked out by the interpretative organ after the preliminary procedure of adjustment and the curve in dotted line, the variation of the estimator of end of lyophilization.
La figure 5 est relative à la lyophilisation sous une pression de 50 Pa de 52,9 g de rondelles de banane préalablement congelées à -80°C et placées en vrac sur une plaque chauffée à 60°C en plateaux séparés contenant chacun environ 26,5 g de produit.
Les croix représentent la cinétique de déshydratation observée expérimentalement par collecte des échantillons sous vide et pesée de ceux-ci.FIG. 5 relates to the lyophilization under a pressure of 50 Pa of 52.9 g of banana rings previously frozen at -80 ° C. and placed in bulk on a plate heated to 60 ° C. in separate trays each containing about 26, 5 g of product. The crosses represent the kinetics of dehydration observed experimentally by collecting samples under vacuum and weighing them.
La courbe en trait plein représente le modèle cinétique de déshydratation élaboré par l'organe d'interprétation après la procédure préalable de réglage, et la courbe en trait pointillé, la variation de l'estimateur de fin de lyophilisation.The solid line curve represents the kinetic dehydration model developed by the interpretative body after the prior adjustment procedure, and the dotted line curve, the variation of the end of lyophilization estimator.
Ces figures montrent que le procédé selon l'invention permet de contrôler, de façon précise, la teneur en eau d'un produit en cours de lyophilisation et de déterminer, de façon automatique, la fin de la lyophilisation.These figures show that the method according to the invention makes it possible to precisely control the water content of a product during lyophilization and to determine, automatically, the end of lyophilization.
De plus, le tableau 1 montre comment la présente invention peut être utilisée pour améliorer la lyophilisation. L'exemple a trait à la lyophilisation du champignon de Paris (Agaricus Bisporus) pour lequel le taux résiduel en octène-l-ol-3 peut être considéré comme représentatif de la perte d'arômes subie par le champignon de Paris au cours du traitement. Ainsi, plus le taux résiduel en octène est important, meilleure est la qualité en arômes du champignon lyophilisé.In addition, Table 1 shows how the present invention can be used to improve freeze drying. The example relates to the lyophilization of the button mushroom (Agaricus Bisporus) for which the residual octene-l-ol-3 level can be considered as representative of the loss of aromas suffered by the button mushroom during treatment . Thus, the higher the residual octene level, the better the quality in aromas of the lyophilized fungus.
Le tableau 1 regroupe les résultats de six essais effectués dans des conditions opératoires différentes. Cependant, dans tous les essais, le taux résiduel en eau est identique.
Table 1 combines the results of six tests carried out under different operating conditions. However, in all the tests, the residual water content is identical.
TABLEAU 1TABLE 1
N°Essai Conditions Taux de résiduel Durée de opératoires en octène-l-ol-3 lyophilisation (produit congelé = (h) 100 %)No. Test Conditions Residual rate Duration of operations in octene-l-ol-3 lyophilization (frozen product = (h) 100%)
El 60βC/5 Pa 28,4 16El 60 β C / 5 Pa 28.4 16
E2 60°C/50 Pa 16,9 14E2 60 ° C / 50 Pa 16.9 14
E3 60°C/100 Pa 8,7 12E3 60 ° C / 100 Pa 8.7 12
E4 25°C/100 Pa 10,9 20E4 25 ° C / 100 Pa 10.9 20
E5 90DC/100 Pa 9,5 10E5 90 D C / 100 Pa 9.5 10
E6 90°C/5 Pa jusque 50 % 30,1 10 d'eau puisE6 90 ° C / 5 Pa up to 50% 30.1 10 of water then
60βC/50 Pa60 β C / 50 Pa
Les résultats montrent que l'on obtient des taux résiduels en octène-l-ol-3 différents selon les conditions opératoires et des durées totales de lyophilisation également variables, pour une même teneur en eau finale. A conditions opératoires fixées, le taux résiduel maximal observé correspond à 28,4 % dans l'essai El pour une durée de 16 h de lyophilisation. En utilisant un changement des conditions opératoires de lyophilisation à une teneur en eau moyenne du produit voisine de 50 %, on montre dans l'essai E6 qu'il est possible d'obtenir un taux résiduel de 30,1 %, pour une durée de lyophilisation de 10 h.The results show that different residual levels of octene-1-ol-3 are obtained depending on the operating conditions and also total variable lyophilization times, for the same final water content. Under fixed operating conditions, the maximum residual rate observed corresponds to 28.4% in the El test for a duration of 16 h of lyophilization. By using a change in the lyophilization operating conditions at an average water content of the product close to 50%, it is shown in test E6 that it is possible to obtain a residual rate of 30.1%, for a duration of 10 h freeze-drying.
Ainsi, les conditions opératoires de l'essai E6 permet d'obtenir à la fois un gain en arômes et un gain énergétique.Thus, the operating conditions of test E6 makes it possible to obtain both a gain in aromas and an energy gain.
Le procédé selon l'invention, en assurant le suivi de la cinétique de déshydratation, permet donc de modifier les conditions opératoires pour limiter au maximum la perte d'arômes. La seule méthode connue aujourd'hui qui pourrait
être utilsée dans ce sens est la méthode par pesée. Or, comme cela a été souligné précédemment, cette méthode ne peut pratiquement être mise en oeuvre que dans une installation conçue à cet effet. Il est très difficile de modifier les installations existantes dans ce but.The method according to the invention, by monitoring the kinetics of dehydration, therefore makes it possible to modify the operating conditions to minimize the loss of aromas. The only method known today that could to be used in this sense is the weighing method. However, as has been pointed out previously, this method can practically only be implemented in an installation designed for this purpose. It is very difficult to modify existing installations for this purpose.
Les signes de référence insérés après les caractéristiques techniques mentionnées dans les revendications, ont pour seul but de faciliter la compréhension de ces dernières, et n'en limitent aucunement la portée.
The reference signs inserted after the technical characteristics mentioned in the claims, have the sole purpose of facilitating the understanding of the latter, and in no way limit their scope.