PROCEDE ET DISPOSITIF DE CONTROLE DE LA LYOPHILISATION SOUS VIDE

Description

[0001] 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.

[0002] 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.

[0003] 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...).

[0004] 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.

[0005] 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 connaître 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.

[0006] 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.

[0007] On peut citer le document DE-A- 27 43 993 dont l'objet est d'optimiser la durée de lyophilisation. Il décrit un procédé de lyophilisation contrôlé en mesurant la vitesse de lyophilisation et en la maintenant inférieure à une valeur déterminée, de façon à ce que la température du matériau en cours de lyophilisation soit inférieure à son point eutectique.

[0008] Plusieurs méthodes de détermination de la vitesse de lyophilisation peuvent être utilisées, basées notamment sur la mesure du débit de vapeur, du changement de poids ou encore de l'apport de chaleur au lyophilisateur.

[0009] Cependant, ce procédé ne permet pas de déterminer la teneur en eau d'un produit en cours de lyophilisation, ni la fin de la déshydratation du produit.

[0010] 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.

[0011] On peut également citer le document EP-A-0 546 932 qui concerne un procédé de régulation de lyophilisation, selon lequel on mesure le flux évaporatoire et on agit sur la température des étagères de l'appareil de lyophilisation pour se rapprocher d'un flux optimal prédéterminé. Le but de ce procédé est de diminuer la durée du traitement de lyophilisation sans dégradation des produits.

[0012] Le flux évaporatoire est mesuré à partir du bilan thermique calculé en continu soit sur les étagères, en mesurant la différence de température du fluide caloporteur entre l'entrée et la sortie des étagères, le débit de fluide circulant dans les étagères, le débit de fuite d'air et la température de l'air entrant dans l'enceinte où se trouve le produit soit sur le piège, en mesurant la différence de températures du fluide caloporteur entre l'entrée et la sortie du piège et le débit du fluide circulant dans le piège, ou encore par comparaison des valeurs des flux thermiques des étagères à celui du piège.

[0013] 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.

[0014] 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'élevation 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.

[0015] 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.

[0016] 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.

[0017] 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.

[0018] 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.

[0019] 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.

[0020] L'invention concerne également un procédé de détection de la fin de la déshydratation d'un produit en cours de déshydratation dans un appareil de lyophilisation comprenant une enceinte dans laquelle est placé le produit et des moyens pour condenser les vapeurs d'eau.

[0021] Ce procédé 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, les deux valeurs de la quantité de vapeur d'eau s'échappant du produit étant 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, le procédé consistant également à déterminer l'écart entre ces deux valeurs, la fin de la déshydratation étant atteinte lorsque cet écart est voisin de la valeur 0.

[0022] 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 et comportant un appareil de lyophilisation, lequel comprend une enceinte et des moyens pour condenser les vapeurs.

[0023] 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.

[0024] De préférence, le dispositif est relié à un organe de commande de l'appareil de lyophilisation.

[0025] L'invention concerne enfin un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé de détection de la fin de la déshydratation d'un produit en cours de déshydratation dans un appareil de lyophilisation, lequel comprend une enceinte et des moyens pour condenser les vapeurs d'eau.

[0026] 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 déshydratation et d'autre part, un mode purement diffusif, valable à la fin de la déshydratation, le moment où cet écart atteint sensiblement la valeur 0 correspondant à la fin de la déshydratation.

[0027] 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.

[0028] L'invention sera mieux comprise et d'autres buts et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit, faite au regard des dessins annexés sur lesquels :

• 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),
• 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,
• 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.

[0029] Les éléments communs aux différentes figures seront désignés par les mêmes références.

[0030] 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.

[0031] 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.

[0032] Le procédé selon l'invention est basé sur l'étude des quantités de matière s'échappant du produit en cours de déshydratation.

[0033] 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.

[0034] Elle peut aussi être déterminée au moyen de modèles, représentatifs des transferts de matière.

[0035] 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.

[0036] 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.

[0037] Il prend la forme suivante :

dans laquelle :
C_n :  représente la concentration molaire (mole. L^-3)
D :  représente la diffusivité (L².t^-1)
ξ :  représente la fraction molaire et


:  représente la direction du transfert.

[0038] 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.

[0039] 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 :

où J1* représente la densité de flux molaire (moles.t^-1. L^-2).

[0040] Ce modèle (2) est communément dénommé modèle de Fick.

[0041] 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.

[0042] 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.

[0043] Ils peuvent, en général, s'exprimer sous une forme simplifiée. Les capteurs 2 permettent de déterminer les valeurs des grandeurs intervenant dans ces modèles.

[0044] 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.

[0045] 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.

[0046] 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.

[0047] 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).

[0048] En fin de déshydratation, comme indiqué précédemment, le mode de transfert devient purement diffusif.

[0049] 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.

[0050] 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.

[0051] 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.

[0052] 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.

[0053] L'opérateur peut également procéder à un autre traitement :

• de nature physique : tel qu'un broyage ou une désorption pour permettre l'extraction de l'eau fortement liée,
• 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.

[0054] 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.

[0055] Les grandeurs peuvent notamment être transmises à un dispositif d'affichage 4.

[0056] On peut aussi prévoir que l'organe d'interprétation 3 effectue les comparaisons souhaitées et agisse directement sur l'organe de commande 5.

[0057] 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.

[0058] La figure 2 représente un appareil de lyophilisation dit à condenseur interne.

[0059] 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.

[0060] 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.

[0061] Le produit 7 à lyophiliser est placé à l'intérieur du système 8.

[0062] 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.

[0063] 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.

[0064] 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.

[0065] 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.

[0066] 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.

[0067] 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.

[0068] 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.

[0069] Le fonctionnement est identique à celui décrit au regard de la figure 2.

[0070] 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 0 lors de la fin de la déshydratation.

[0071] 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.

[0072] 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.

[0073] 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.

[0074] Ainsi, le-réglage est effectué pour un appareil donné, en fonction du produit à traiter et des conditions opératoires utilisées.

[0075] 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.

[0076] Les figures 4 et 5 illustrent, pour deux types d'essais, les résultats fournis par le procédé et le dispositif selon l'invention.

[0077] 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.

[0078] Les croix représentent la cinétique de déshydratation observée expérimentalement par collecte régulière des échantillons sous vide et pesée de ceux-ci.

[0079] 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.

[0080] 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.

[0081] Les croix représentent la cinétique de déshydratation observée expérimentalement par collecte des échantillons sous vide et pesée de ceux-ci.

[0082] 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.

[0083] 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.

[0084] 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-1-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.

[0085] 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.

TABLEAU 1

N°Essai	Conditions opératoires	Taux de résiduel en octène-1-ol-3 (produit congelé = 100 %)	Durée de lyophilisation (h)
E1	60°C/5 Pa	28,4	16
E2	60°C/50 Pa	16,9	14
E3	60°C/100 Pa	8,7	12
E4	25°C/100 Pa	10,9	20
E5	90°C/100 Pa	9,5	10
E6	90°C/5 Pa jusque 50 % d'eau puis 60°C/50 Pa	30,1	10

[0086] Les résultats montrent que l'on obtient des taux résiduels en octène-1-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 E1 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.

[0087] Ainsi, les conditions opératoires de l'essai E6 permet d'obtenir à la fois un gain en arômes et un gain énergétique.

[0088] 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.

[0089] 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.

Revendications

1. 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 dudit produit vers lesdits moyens pour condenser, caractérisé en ce qu'il 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 (9), cette valeur étant déterminée à partir de la mesure des valeurs de pression totale de l'enceinte de lyophilisation (9) et des pressions partielles de vapeur d'eau dans le flux de vapeur entre ledit produit (7) et lesdits moyens (6) pour condenser les vapeurs d'eau et à la surface desdits moyens (6), une procédure de réglage effectuée initialement ayant établi, pour le produit en cause, la relation entre ces différentes valeurs.

2. Procédé de détection de la fin de la déshydratation d'un produit en cours de déshydratation dans un appareil de lyophilisation comprenant une enceinte dans laquelle est placé le produit et des moyens pour condenser les vapeurs d'eau, 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, les deux valeurs de la quantité de vapeur d'eau s'échappant du produit étant déterminées à partir de la mesure des valeurs de pression totale de l'enceinte de lyophilisation (9) et des pressions partielles de vapeur d'eau dans le flux de vapeur entre ledit produit (7) et lesdits moyens (6) pour condenser les vapeurs et à la surface desdits moyens (6), le procédé consistant également à déterminer l'écart entre ces deux valeurs, la fin de la déshydratation étant atteinte lorsque cet écart est voisin de la valeur 0.

3. Dispositif convenant à la mise en oeuvre du procédé de contrôle selon la revendication 1 et comportant un appareil de lyophilisation, lequel comprend une enceinte et des moyens pour condenser les vapeurs d'eau, caractérisé en ce qu'il comprend trois capteurs (2a, 2b, 2c), le premier (2a) détectant la pression totale dans l'enceinte de lyophilisation (9), le deuxième (2b), la pression partielle de vapeur d'eau entre le produit (7) en cours de lyophilisation et les moyens (6) pour condenser les vapeurs d'eau et le troisième (2c), la pression partielle de vapeur d'eau à la surface desdits moyens (6), ainsi qu'un organe d'interprétation (3) relié à ces trois capteurs (2a, 2b, 2c) 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.

4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il est relié à un organe de commande (5) de l'appareil de lyophilisation (1).

5. Dispositif convenant à la mise du procédé de détection selon la revendication 2 et comportant un appareil de lyophilisation, lequel comprend une enceinte et des moyens pour condenser les vapeurs d'eau, caractérisé en ce qu'il comprend trois capteurs (2a, 2b, 2c), le premier (2a) détectant la pression totale dans l'enceinte de lyophilisation (9), le deuxième (2b), la pression partielle de vapeur d'eau entre le produit (7) en cours de lyophilisation et lesdits moyens (6) pour condenser les vapeurs d'eau et le troisième (2c), la pression partielle de vapeur d'eau à la surface desdits moyens (6), ainsi qu'unorgane d'interprétation (3) relié à ces trois capteurs (2a, 2b, 2c)) et déterminant l'écart entre les valeurs de la quantité de vapeur d'eau s'échappant du produit (7) vers lesdits moyens (6) selon d'une part, un mode mixte convection-diffusion, valable en cours de déshydratation et d'autre part, un mode purement diffusif, valable à la fin de la déshydratation, le moment où cet écart atteint sensiblement la valeur 0 correspondant à la fin de la déshydratation.

6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il est relié à un organe de commande (5) de l'appareil de déshydratation (1) 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.

Ansprüche

1. Verfahren zur Kontrolle des Wassergehalts eines Produkts im Verlaufe der Entwässerung in einer Lyophilisierungsvorrichtung, die Mittel zum Kondensieren von Wasserdämpfen umfaßt, wobei diese aus dem Produkt zu den Mitteln zum Kondensieren entweichen, dadurch gekennzeichnet, daß es das kontinuierliche Bestimmen des Wassergehalts aus dem Wert des Massendurchsatzes des Wasserdampfs, der aus dem Produkt entweicht, das in einen Lyophilisierungsbehälter (9) gestellt wird, umfaßt, wobei dieser Wert ausgehend von der Messung der Werte des Gesamtdrucks im Lyophilisierungsbehälter (9) und der Partialdrücke des Wasserdampfs im Dampfstrom zwischen dem Produkt (7) und den Mitteln (6) zum Kondensieren der Wasserdämpfe und an der Oberfläche der Mittel (6) bestimmt wird, wobei durch ein Regelverfahren, das am Anfang durchgeführt wurde, die Beziehung zwischen den verschiedenen Werten für das fragliche Produkt festgelegt wurde.

2. Verfahren zum Nachweis des Endes der Entwässerung eines Produkts im Verlaufe der Entwässerung in einer Lyophilisierungsvorrichtung, die einen Behälter, in den das Produkt gebracht wird, sowie Mittel zum Kondensieren von Wasserdämpfen umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß es das Feststellen der Werte der Wasserdampfmenge, die aus dem Produkt entweicht, einerseits nach einem gemischten Konvektions-Diffusions-Modus, der im Verlaufe der Entwässerung gültig ist, und andererseits nach einem reinen Diffusionsmodus, der am Ende der Entwässerung gültig ist, umfaßt, wobei die zwei Werte der Wasserdampfmenge, die aus dem Produkt entweicht, ausgehend von der Messung der Werte des Gesamtdrucks im Lyophilisierungsbehälter (9) und der Partialdrücke des Wasserdampfs im Dampfstrom zwischen dem Produkt (7) und den Mitteln (6) zum Kondensieren der Wasserdämpfe und an der Oberfläche der Mittel (6) bestimmt wird, wobei das Verfahren außerdem das Bestimmen der Abweichung zwischen diesen beiden Werten umfaßt, wobei das Ende der Entwässerung erreicht ist, wenn diese Abweichung in der Nähe des Wertes 0 liegt.

3. Vorrichtung, die zur Durchführung des Kontrollverfahrens gemäß Anspruch 1 geeignet ist und die eine Lyophilisierungsvorrichtung umfaßt, die einen Behälter sowie Mittel zum Kondensieren von Wasserdämpfen umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß sie drei Sensoren (2a, 2b, 2c), wobei der erste (2a) den Gesamtdruck im Lyophilisierungsbehälter (9), der zweite (2b) den Partialdruck des Wasserdampfs zwischen dem Produkt (7), das gerade lyophilisiert wird, und den Mitteln (6) zum Kondensieren der Wasserdämpfe und der dritte (2c) den Partialdruck des Wasserdampfs an der Oberfläche der Mittel (6) nachweist, sowie ein Auswertungselement (3), das mit diesen drei Sensoren (2a, 2b, 2c) verbunden ist und den momentanen Massendurchsatz des Wasserdampfs, der aus dem Produkt entweicht, aus den von den Sensoren gemessenen Werten bestimmt, umfaßt, wobei das Element auf diese Weise kontinuierlich den Wassergehalt aus dem Wert des Massendurchsatzes des Wassers, das aus dem Produkt entweicht, zu bestimmen vermag.

4. Vorrichtung gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit einem Steuerelement (5) der Lyophilisierungsvorrichtung (1) verbunden ist.

5. Vorrichtung, die zur Durchführung des Nachweisverfahrens gemäß Anspruch 2 geeignet ist und die eine Lyophilisierungsvorrichtung umfaßt, die einen Behälter sowie Mittel zum Kondensieren von Wasserdämpfen umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß sie drei Sensoren (2a, 2b, 2c), wobei der erste (2a) den Gesamtdruck im Lyophilisierungsbehälter (9), der zweite (2b) den Partialdruck des Wasserdampfs zwischen dem Produkt (7), das gerade lyophilisiert wird, und den Mitteln (6) zum Kondensieren der Wasserdämpfe und der dritte (2c) den Partialdruck des Wasserdampfs an der Oberfläche der Mittel (6) nachweist, sowie ein Auswertungselement (3), das mit diesen drei Sensoren (2a, 2b, 2c) verbunden ist und die Abweichung zwischen den Werten der Menge des Wasserdampfs, der aus dem Produkt (7) zu den Mitteln (6) entweicht, einerseits nach einem gemischten Konvektions-Diffusions-Modus, der im Verlaufe der Entwässerung gültig ist, und andererseits nach einem reinen Diffusionsmodus, der am Ende der Entwässerung gültig ist, bestimmt, umfaßt, wobei der Moment, an dem diese Abweichung im wesentlichen den Wert 0 erreicht, dem Ende der Entwässerung entspricht.

6. Vorrichtung gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit einem Steuerelement (5) der Lyophilisierungsvorrichtung (1) verbunden ist, das, wenn der Wassergehalt einen vorbestimmten Wert erreicht hat, automatisch in eine neue Funktionsphase übergeht, insbesondere zum Vorgang des Anhaltens des Gerätes, zu einer Modifikation der Betriebsbedingungen oder zu einer anderen Behandlung physikalischer, chemischer oder mechanischer Art.

Claims

1. A process for controlling the water content of a dehydrating product in a lyophilization unit comprising means for condensing water steams, the latter escaping from the said product towards the said condensation means, characterised in that it consists in determining, continuously, the water content from the value of the mass flow rate of the water steam escaping from the product, whereby the latter is placed in a lyophilization casing (9), whereas this value is determined on the basis of the measurement of the total pressure values of the lyophilization casing (9) and of the partial pressures of the water steam in the steam flow between the said product (7) and the said means (6) for condensing the water steams and at the surface of the said means (6), since an adjustment procedure, carried out initially, has established for the product under consideration, the relation between these different values.

2. A process for detecting the end of the dehydration of a dehydrating product in a lyophilization unit comprising a casing in which the product is placed and means for condensing the water steams, characterised in that it consists in establishing the quantitative values of the water steam escaping from the product on the one hand, according to a mixed convection-diffusion mode valid during the dehydration and, on the other hand, according to a purely diffusing mode valid at the end of the dehydration, whereas both quantitative values of the water steam escaping from the product are determined on the basis of the measurement of the total pressure values of the lyophilization casing (9) and the partial pressures of the water steam in the steam flow between the said product (7) and the said means (6) for condensing the steams and at the surface of the said means (6), whereby the process also consists in determining the deviation between both values, since the end of dehydration is reached when this deviation is close to zero.

3. A device suitable for the implementation of the control process according to claim 1 and comprising a lyophilization unit, whereas the latter consists of a casing and of means for condensing the water steams, characterised in that it comprises three sensors (2a, 2b, 2c), the first (2a) detecting the total pressure in the lyophilization casing (9), the second (2b), the partial pressure of the water steam between the product (7) during lyophilization and the means (6) for condensing the water steams and the third (2c) the partial pressure of the water steam at the surface of the said means (6), as well as an interpretation unit (3) connected to these three sensors (2a, 2b, 2c) and determining the instantaneous mass flow rate of the water steam escaping from the product on the basis of the values measured by the said sensors, whereas the said unit can thus determine, continuously, the water content on the basis of the value of mass flow rate of the water escaping from the product.

4. A device according to claim 3, characterised in that it is connected to a control unit (5) of the lyophilization unit (1).

5. A device suitable for the implementation of the detection process according to claim 2 and comprising a lyophilization unit, whereas the latter consists of a casing and of means for condensing the water steams, characterised in that it comprises three sensors (2a, 2b, 2c), the first (2a) detecting the total pressure in the lyophilization casing (9), the second (2b), the partial pressure of the water steam between the product (7) during lyophilization and the means (6) for condensing the water steams and the third (2c) the partial pressure of the water steam at the surface of the said means (6), as well as an interpretation unit (3) connected to these three sensors (2a, 2b, 2c) and determining the deviation between the quantitative values of the water steam escaping from the product (7) towards the said means (6) according to a mixed convection-diffusion mode valid during the dehydration and, on the other hand, according to a purely diffusing mode valid at the end of the dehydration, the moment when this deviation reaches more or less zero, corresponding to the end of dehydration.

6. A device according to claim 5, characterised in that it is connected to a control unit (5) of the dehydration unit (1) which, when the water content has reached a preset value, proceeds automatically to a new operating phase, notably the shutdown procedure of the installation, a modification of the operating conditions or another process, of physical, chemical or mechanical nature.

Dessins