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Sublimation à basse pression dans un véhicule gazeux,
La présente Invention se rapporte à la lyophilisation ' d'articles cellulaires ou de matière poreuse, par exemple des pro- duits alimentaires ou analogues., La lyophilisation consiste à, congeler les articles, à placer les articles congelés dans une chambre de séchage à basât pression, à appliquer de la chaleur;
pour sublimer la glace, à éliminer la vapeur d'eau de la chambre mesure de sa formation, et à poursuivre ce processus jusqu'à ce que les produits soient séchés..Si on le désire, les articles peuvent être congelés directement dans la chambre de séchage avant l'opération de sublimation.
Dans ce procédé, coma il ne se dégage pratiquement pas de liquide au cours du séchage des articles, les fibres ou les structures matricielles des articles tels que les produits
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alimentaires ne sont pas suffisamment mouillées aux température* de séchage qui entrent en jeu pour réduire leur attrait commercial sous la forme d'articles sèches rapidement reconstituables.
D'autre part, les articles ne doivent pas être soumis à des tempé- ratures suffisamment élevées pour provoquer des changements ou des détériorations. Lorsque les articles séchés sont reconsti- tués en y ajoutant de l'eau, leurs caractéristiques initiales, y compris leur goût, sont rétablies dans une large mesure. Des procédés de ce genre auxquels se rapporte la présente invention sont couramment appelés procédés de lyophilisation, et ce terme est utilisé dans la suite de la description pour désigner le procédé de l'invention, et l'appareil pour la mine en oeuvre de ce procédé.
Bien que la /orme de l'invention qui va être décrite soit un procédé de lyophilisation au sens le plus large, le pro- cède peut être utilisé pour sécher des produite qui ne sont pas congelés mais qui seraient détériores par l'application d'une chaleur excessive. D'autre part, le procédé peut être utilisé pour éliminer les liquides autres que de l'eau, de substances autres que des produits alimentaires.
Deux obstacles importants ont empêche la diffusion des procédés de lyophilisation à grande capacité pour le séchage de produits alimentaires tels que fruits, légumes, viande, été*
Le premier obstacle est que la durée de séchage est considérable, ce qui provoque une utilisation inefficace du personnel et des machines. L'autre obstacle est que les frais de traitement tels que les frais de pompage, les frais de force motrice et les fac- teurs de perte thermique étaient élevés.
Comme les produits ali- men@aires sèches doivent être vendus sur un marché très compétitif, un appareil qui peut convenir pour le laboratoire, par exemple pour la préparation de quantités relativement faibles de produits biologiques d'un prix élevé devient souvent impossible à appliquer du point de vue économique lorsqu'on travaille sur des quantités de l'ordre de la tonne, requises dans l'industrie alimentaire.
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comme on le Terra en detail plus loin, l'appareil de la présente invention utilise unvéhicule gaaeux qui circule à , faible pression dans la chambre de séchage au cours du processus de séchage et remplit la double fonction de fournir la chaleur de sublimation (ou Bêchage) pour libérer la vapeur d'eau du noyau de glace de la matière soumise au séchage et d'entraîner la vapeur d' eau sublimée par balayage à la surface de la matière soumise au séchage dans la chambre.
Dans un procédé de lyophilisation, la glace à la sur- face du produit se sublime d'abord, laissant une couche extérieure poreuse sèche qui entoure un noyau de produit congelé. Dans la présente invention, le véhicule gazeux diffuse à travers la
Coque de matière séché* qui entoure le noyau de glace et s'intro- duit dans les porte, les "cellules", ou les interstices de la sa* trice de la matière. Par conséquent, la chaleur est transmise au noyau de glace à partir du véhicule gaz@= par conduction par l'intermédiaire du gaz dans les pores et par conduction à travers la coque de matière séchée qui entoure le noyau de glace jusqu'à ce dernier.
Dans la présente invention, le véhicule gazeux et la vapeur d'eau entraînée sortent de la chambre de séchage pour pas- ser dans un condenseur réfrigère où ces vapeurs sont condensées.
Le véhicule gazeux est condensé en un liquide et la vapeur d'eau est condensée en glace qui est ensuite fondue* Le véhicule gaseux liquéfié est séparé par gravité de l'eau, et le véhicule gazeux est réchauffé pour le faire repasser à l'état de vapeur ou phase gazeuse convenant pour la recirculation dans la chambre de séchage
En fonctionnement de cet appareil, la pression dans la chambre de séchage est maintenue à une valeur suffisamment faible pour que le véhicule gueux et la vapeur d'eau ne soient pas refroidis à leurs points de rosée respectifs tandis qu'ils passent dans la chambre de séchage.
Le véhicule Pieux est vapo- rise avant d'être introduit dans la chambre de séchage et condensé à une température plus basse après être sorti de la chambre, de
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telle.sorte qu'une différence de pression t'établit entre l'en- trio et la sortie de la chambre de séchage et fournit la force d'entraînement nécessaire pour que le véhicule gazeux circule dans cette chambre.
Le véhicule gazeux fournit donc la chaleur de sublimation et balaie la vapeur d'eau sublimée sans qu'il soit nécessaire d'utiliser une soufflerie pour faire circuler le véhicule gazeux dans la chambre de séchage
En d'outrée mate, les produits alimentaires dans la', chambre de séchage servent de restriction de courant dans le cir- cuit de véhicule gazeux et comme le véhicule gazeux chaud cède sa chaleur aux aliments,
la température et la tension partielle du véhicule gazeux diminuent et atteignent finalement la tension partielle présente dans le condenseur de vapeur' Cette différence de pression entre l'entrée et la sortie de la chambre de séchage sert au pompage ou à la aise en circulation du véhicule gazeux et de la vapeur d'eau entraînée.
Comme on l'a mentionné plus haut, le véhicule gazeux sortant de la chambre de séchage sous la pression indiquée entraî- ne la vapeur d'eau sublimée dans le condenseur de vapeur. Dans ce condenseur, des serpentins réfrigérés absorbent la chaleur requise pour condenser (liquéfier) le véhicule gazeux et pour con- geler la vapeur d'eau entraînée en cristaux de glace.
Un but de l'invention est de procurer un procédé de lyophilisation à véhicule gazeux qui permette d'effectuer le cycle de séchage en une période relativement courte et à un prix de revient économiquement acceptable* Des procédés dans lesquels tous les facteurs sont conjugués pour accélérer le séchage sont connus, mais les procédés connus de ce type ne sont pas commercial ment acceptables* Par exemple, on a proposé que la chaleur de sublimation soit fournie au noyau de glace à une vitesse accélérée en utilisant la chaleur rayonnante pour le premier stade de séchai et en complétant le séchage à l'aide de micro-ondes.
Toutefois, les frais d'installation d'un tel appareil à grande échelle sont excessifs et non compétitifs* 'Suivant la présente invention, le
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chauffage par rayonnement et par lI101O-on41. peut ttre utilité plus tai dans le cycle de séchage lorsque 1a sublimation est Pe.
de, et un véhicule gazeux peut être utilisé ensuite dans le cycle lorsque la sublimation devient plus difficile
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Un autre but de l'invention est go procurer ua appareU de lyophilisation du type à "è1cu11 gâteux qui n'exige pas de pompage mécanique pouf obtenir la circulation désirée du véhicule pal\1X dans la chambre de séchage,, Ces bute sont atteinte ta U t41S sont un irhiou3i.< Caseu oon 1en...b1... d<i9 tupératures et prtition pratique , et de préférence 1mmi.oib1, à l'tau.
Un autre but est de faire fonctionner l'appareil à véhicule genoux condenuble dwtw une gaont de pressions et d4 . ttmptfraturts qui permet de se rapproche, du taux de séchage de casse maximum susceptible d'être atteint en théorie dans un appareil à véhicule gaz. Le tome "taux de edouge dt tun " peut Stre défini comme le poids de vapeur d'eau dlwnde par heure par unité de surface et par unité d'épaisseur de la matière
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néchèe. Le taux de séchage de masse peut ttre également défini comme le poids d'eau élimine par heure divisé par le poids ini- tial du produit y compris l'eau dans le produit.
Dans la présente
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Invention, le taux de séchage de masse est rendu optimum en choi- situent une zone de fonctionnement dans laquelle la pression
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du gaz est suffisamment élevée pour assurer une excellente trana** mission de chaleur au noyau de glace par conduction mais pas sutt1Nmment élevée pour inhiber indeeirableaent le transport de, la vapeur d'eau libérée du noyau de glace et à travers la coque de matière séché*.
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Un autre but*ost de procurer un appareil de lropb1:U.-. : nation qui permette d$utiliser un chargement continu par trans- porteur. Cette caractéristique cet rdalloable dans l'Appareil à véhicule gazeux de l'invention parce que le séchage t'effectue assez rapidement et pour une capacité ou un débit déterminé, il n'est pas nécessaire que la chambre de séchage contienne une quantité Importante de produit à un moment donné quelconque* fient
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ce rapport,
l'appareil à véhicule gazeux de l'invention est tupi* rieur aux appareils habituels de séchage par le vide où la vapeur d'eau est simplement extraite ou condensée à mesure qu'elle se forme et ou la pression peut être inférieure à 1 mm de mercure.
Dans les formes classiques à pression ultraréduite, un volume im- portant de matière à sécher doit se trouver dans la chambre de sé- chage pour assurer un débit adéquate
Un autre but encore de l'invention *et de procurer un appareil du type décrit où soit évitée pratiquement toute perte de véhicule à l'état sagou% ou liquide*
Un autre but de l'invention cet de lyophiliser avec un apport d'énergie total minimum, soit sous forme d'énergie thermique soit sous forme d'énergie mécanique ou électrique.
Un appareil de réfrigération est requis pour condenser le véhicule en liquide et pour congeler la vapeur d'eau en cristaux de glace. Dans l'appa- roll suivant l'invention, une partie de l'énergie requise pour faire fonctionner le compresseur de réfrigération est récupérée en faisant passer le gaz de réfrigération chaud dans l'appareil de fusion de la glace, ce réfrigérant faisant fondre les cristaux de glace. L'eau ainsi obtenue et le véhicule liquéfie sont séparés par gravite.
Le réfrigérant préchauffe et évapore le véhicule liquéfié dans un bouilleur pour le réchauffer et le recirculer dans la chambre de séchage,
La façon dont ces buts de l'invention peuvent être atteints ressortira de la description détaillée, donnée ci-après, d'un procédé et d'un appareil pour la mise en oeuvre de l'inven- tion.
Dans les dessins :
Fige 1 est une représentation schématique d'un appa- reil suivant l'invention; Fige 2 est un graphique montrant comment la conductivité thermique du gaz occlus, celle de la matière solide et la conduc- tivité thermique totale varient avec la pression dans la chambre de séchage pour un produit alimentaire typique, des pèches par
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Fig. 3 est un graphique montrant comment la capacité de la vapeur 4'.au iL circuler à travers la coque de la matière . tachée varie avec la pression dans la chambre de séchage;
Fil- 4 cet un graphite composite de la conductivité thermique totale du coefficient de transport de masse de la vapeur d'eau et du taux de séchage de masse pour différentes pressions dans la chambre de séchage) Fige 5 est un graphique montrant les caractéristiques de pression-température'de la vapeur d'eau et des différents véhicules.
On décrira d'abord les caractéristiques les plus sail- lantes de l'appareil pour la mise en oeuvre de l'invention. Se référant à la Fig. 1, le produit alimentaire est placé dans une chambre de séchage 10 dans laquelle on fait passer un véhicule gazeux chauffé, non toxique, insoluble dans l'eau (de l'heptane par exemple). Le véhicule gazeux fournit la chaleur de sublima- tion et entraîne la vapeur d'eau sublimée dans un condenseur réfrigéré 20. Dans ce condenseur, la vapeur d'eau et le véhicule gazeux sont tous deux condensés. unesuspension de cristaux de glace et de véhicule liquide passe dans un appareil de fusion de glace 30 où l'eau est séparée par gravité.
Le liquide sortant de l'appareil de fusion de la glace et le véhicule liquide venant directement de la partie inférieure du condenseur 20 sont dirigés vers le bouilleur 36 et revaporisés par des réfrigérants chauds.
Le véhicule gazeux vaporisé dans le bouilleur est chauffé tandis qu'il passe dans un surchauffeur au-dessus du bouilleur. Le véhi cule gazeux sec, chaud pénètre à nouveau dans la chambre de séohag et le cycle de lyophilisation continue. Comme le véhicule gazeux est condensé à une pression plus faible que sa pression d'entrée, une pression positive s'établit dans la chambre de séchage, ce qui élimine la nécessité d'une soufflerie ou d'un ventilateur de cirou lation.
Avant de passer à une description détaillée d'une forme de l'invention, on trouvera ci-dessous un résumé de certains des
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problèmes physiques et des considérations qui Interviennent dans la lyophilisation et particulièrement dans l'utilisation d'un . véhicule galeux. Il y a deux problèmes fondamentaux qui concernent l'exécution d'un processus de lyophilisation en une durée relati- vement courte ou cycle. Ces problèmes sont i (I) Le problème de la transmission de chaleur au noyau de glace dans la Ratière.
(II) Le problème de l'élimination de la vapeur d'eau qui se sublime à partir du noyau de lace.
Le taux de l'élimination de la vapeur d'eau doit être suffisamment élevé pour maintenir la pression partielle de la vapeur d'eau sur le noyau de glace suffisamment basse pour empê- cher une température excessive du noyau de glace et la fusion qui en recuite.
Chacun de ces problèmes fait entrer en jeu plusieurs facteurs qui sont décrits plus loin* Dans certains cas, on ne peut rendre un facteur optimum qu'aux dépens d'un Autre et on obtient des paramètres apparemment incompatibles. Comme on le verra, l'appareil de l'invention fonctionne dans une gamme de pressions et de températures qui a été soigneusement choisie pour tenir compte de ces conditions* Suivant la présente invention l'appa- roll est réglé de façon à fonctionner suivant le compromis le plut efficient entre des critères apparemment incompatibles de façon à obtenir le taux de séchage de masse optimum.
Ces facteurs'1 et II indiqués plus haut seront exposés en détail pour faciliter la compréhension de l'importance des gammes de fonctionnement qui ont été choisies suivant la présente invention.
(I) Transmission de chaleur au noyau de dace dans la matière (a) Effet de latempérature du noyau de glace
La transmission de chaleur au noyau de glace est d'au- tant plus grande que la température du noyau est plus basse parce que le taux de transmission de chaleur entre deux corps est une fonction de leur différence de température Par conséquente quand
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le noyau de glace est plus froide e'est-a-aire que sa température est plus basse par rapport à la temporaire du véhicule axtst , la transmission de chaleur du véhicule galeux au noyau de glace est d'autant plus grande.
Ce critère suggérerait de porter au sa*
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xlmua it température du véhicule gazeux et Au minimum la tmpdra. ture du noyau de glace, nuls dans l'appartil de l'invention la fixation d'autre* conditions de fonctionnement dite raine la tempé- rature du noyau de glace Par conséquent, comme on le verr,, dans 10&ppartil de l'invention il n'ext pas n4ue*ouîre de tenter de régler directement la température du noyau de glace.
(b) Effet de la tea.pér#1fftreil da la surface dl la geouit de matibri La transmission de chaleur par conduction à travers la matière elle-mtot vers It noyau de glace est d'autant plus grande que la température superficielle dt la coque de matière séché* qui entoure le noyau est plus élevée.
La température de la surface ex- térieure de la coque de matière séchée qui entoure le noyau de glace est principalement une fonction de la température du véhi-
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cule gâteux passant à travers la chaabre de séchage, Amdo dans l'appareil de l'invention, la température superficielle de la
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matière séché@ est commandée en réglant la température du vdhî- cule gazeux* Toutefois la température de la coque de matière séché* doit être maintenue en dessous d'une température qui car boni serait les parties séchées du produit,
de telle sorte qu'on ne peut porter au delà de limitations extrinsèques la température du véhicule gazeux citée plus haut.
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(c) Effet de la oonduotivite themioue la oopue séchée et de 1& vapeur occluse sur la transmis pfron de chaleur ait nexau dt clâcit.-
Dans l'appareil de l'invention, la chaleur de sublima- tion doit être fournie par transmission de chaleur du véhicule gazeux au noyau de glace. Cette transmission du courant de véhicule gazeux balayant l'extérieur de la coque jusqu'au, noyau de glace
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'effectue de deux manières. Une manière est la conduction à travers
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la matière solide de la coque composite de matière séché@ Jusqu'au
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noyau.
L'autre est une transaisaion par conduotion de la ah*lw? à travers le mélange gaseux retenu dans les cellules, les pores, les capillaires ou la matrice de la coque d.... t1r..'ob',. Ce ' mélange de gaa occlus comprend la vapeur d'eau oubliait à partir du noyau de glace et If ,.lhiW1. gazeux Qui a d1tf\&l' dans la coque. Cette transmission de chaleur t'erfeotue du Cas occlus jusqu'à une cellule, un pore ou là pêMla'ua capluairel de cette paroi au gaz oc<Mu< d4ma 1< port fti.tr1J , Xa paroi opposée du pores et ainsi de suite jusqu'à a4, que la chaleur soit transmise au noyau de glace.
La conductlritf thermique totale est la tome de ces deux effets*
Dans le cas de matière cellulaire telle que des fruits, des légumes, de la viande ou Analogues, ou de matières poreuses telles que des concentrés de café séchât la plus grande partie
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du volume de la coque de matière aîchée qui entoure le noyau de glace est occupée par ce mélange de gaz occlus* L'effet est le même qu'il s'agisse de pores ou de cellules et les termes plue généraux "poreux" et "pores" sont utilisés pour le tout.
Lorsque l'appareil fonctionne dans la Came de pressions qui con- vient le mieux pour la lyophilisation de produite alimentaires ou analogues en utilis&nt suivant l'invention du n-heptane comme véhicule gazeux, environ 54% de la conductivité thermique nette de cette coque composite de matière et de gaz occlus sont respon- sables de la transmission de chaleur à travers le gaz occlus dans les pores de la matière. Le chiffre correspondant pour une matiè-
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re ¯uoroch1m1que (FC-75) est 'ou, et d'autres fluorooarbures donnent des résultats semblables.
Comme on l'a mentionné, puisque la coque de matière séohée est toujours en contact par une de
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ses parties avec le noysu de glace, la conductivité thermique totale comprend également l'effet de la'transmission directe de chaleur depuis le courant externede véhicule gazeux à travers la matière solide elle-même et jusqu'au noyau de glace.
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On se référera à présent à la Flg. 2 qui comprend une courbe représentant la conductivité thermique totale K d'une
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la CondUat4Vtt$ thetaiqse 40 occlui (l'heptane) à din4, rente# pressions et aux températures entrant 4a jeu dans le procède. La Fi g. 2 présente également des courbes montrant la '" contribution individuelle du gaz et la contribution individuelle de la matière solide à la courbe de conductivité thermique totale.
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se référant à 1a courbe de la Pis.
2 à des presiio1 inférieure! à 0l, ma de mercures la contribution du gaz est fui- ble mais à mesure que 1a pression augmente au delà de ce point, la contribution du gaz augmente rapidement. Ceci peut étre expliqué de la manière suivants* Lorsque la pression des gaz occlut est très faible, le nombre de molécules de gaz qui occupent un volume donné (par exemple un pore ou un capillaire de la matière alimentaire) est également réduit* Dans ces conditions, le trajet
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libre moyen des molécules entre les collisions lntemoléculatres est plus important que le diamètre des pores, Suivant la th#orie cinétique des gaz,
la conductivité thermique est proportionnelle ' au produit de la densité du gaz et du trajet libre moyen* Dans ce cas, où le trajet libre moyen est maintenu constant par la paroi du pore ou de la cellule, la conductivité thermique du gaz est proportionnelle à la densité de gas qui, à son tour, est propor-
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tionnelle à la pression* Ceci est représenté sur la courbe' "part'* du gaz" de la Fige 2 et correspond à la partie essentielle )* ?
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droite de la courbe à gauche et en dessous du point "x". [ \ :
On notera que lorsque la partie droite de la courbe représentant ' la contribution du gaz à gauche du point "tE" est ajoutée 1 on tributton en valeur constante de la matière solide, le raifort exprimé par la ligne droite cet perdu sur le graphique d*4j4 tivite theratiqu'e fatale obtent!' j-j La théorie cinétique des gai albel que la eondmtë4t' thermique du gaz oit indépendante de 14 'pression si le trajetf z libre moyen des moléculeu est réduit par rapport aux dimuotîbb de 1* espace qui les entoure.
Pana le présent cas, aux prelt, les plus élevées (supérieures à 30 mm de mercure environ), le nombre de molécules qui occupent un pore du produit alimentai* * est fortement accru de telle sorte que lois collisions entre loti
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molécule* dominent par opposition aux collisions entre des molé- cules et les parois du pore. Dans ces circonstances, le trajet libre moyen des molécules est réduit par rapport au diamètre du pore et la conductivité thermique reste ou devient constante à mesure que la pression augmente davantage.
Cet état est repré- .enté sur la courbe "part du gaz" de la Fige 2 par la partie à valeur essentiellement constance de la courbe à droite du point "y".
Entre le point "x" et le point "y" se trouve une zone de transition où le rapport entre la contribution de la conduoti- vite thermique du gaz et la pression change d'un rapport de pro- portionnalité directe à un rapport de conductivité constante quand la pression change.
Cette transition graduelle est le résultat de variations des dimensions des pores dans la matière séché@, de telle sorte qu'il n'existe aucune pression unique pour laquelle le trajet libre moyen devienne égal au diamètre des pores* En outre, le phénomène appelé "saute de température" qui se manifeste par une différence définît de température entre la surface solide ot le gaz immédiatement adjacent à la surface devient notable lors- qu'on passe de pressions élevées à une pression plus basses La "saute de température" provoque une réduction apparente de la oon- ductivité thermique lorsqu'on passe à des pressions intérieures dans la zone de transition.
La courbe de conductivité thermique totale de la Pige 2 est la somme algébrique des courbes de la contribution ou part du gaz et de la contribution ou part de la matière solide. La forme de la section sinueuse de la courbe qui . une seconde dérivée positive, c'est-à-dire la section d'environ 0,01 à 1,0 mm de mer- cure, est bien en dessous de la gamme de fonctionnement.
La forme de cette section provient simplement de l'addition algébrique d'une ligne horizontale droite et d'une ligne pratiquement droite inclinée sur une ordonnée logarithmique, et dans ce cas, l'effet de la conduction directe domine., Toutefois, l'autre section incur- vés de la courbe, à savoir la section entre 2,0 et 30 mm de mer- cure, a une signification physique par rapport aux dimensions des
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cellules ou des pores, et au trajet moléculaire libre Moyen cotant on l'a expliqué,
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Pour résumer, le* rapports entre la pression et la con- ductilité thermique peuvent être compris en considérant comment le trajet libre moyen et le nombre de collisions des molécules de gaz varient avec la pression du gaz.
Aux pressions extrêmement
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faible , il n'y a que peu de collisions tntermo14cu1a1rl', et les molécules du gaz se heurtent principalement aux parois de la
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cellule, du pore ou des capillaires de la natlère poreuse, Le trajet libre moyen des molécules est limité à la ditacneion moyenne des interstices ou pores dans lesquels elles sont contenues* toutefois le nombre de molécules est si faible que la conductivité thermique due au gaz occlus est négligeable.
A mesure que la pression augmente, on atteint un point
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(point adjacent nxn, fin. 2) oïl le nombre de molécules entrant en collision avec la matrice solide augmente sensiblement en propor- tion directe avec l'augmentation de la pression, Lorsque la près
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sion est portée jusqulâ une valeur de plusieurs millimètres de mercure (dans la zone de transition, Fige 2) un nombre important de collisions intermoleculairea commencent à se produire.
Dans cette région de pression (la Ion. où fonctionne l'appareil), le
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comportement du gaz subit une transition graduelle vers le eoapor- tement qu'il présente à des pressions encore plus élevées au- dessus du point "y" où le type dominant de collisions est inter- moléculaire par opposition aux collisions avec la matière solide qui les entoure. A mesure que la pression continue à augmenter
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(au-dessus de la zone du point nys, Fil. z) les collisions 1nte01éoulairel dominent et, en fait, à des pressions qui ne sont pas trop éloignées de cette région, la conductivité thermique reste constante et n'augmente plus à mesure que la pression augmente.
Comme on peut le voir à la Pige 2, la conductivité ther- mique totale des produits alimentaires séchés présente une valeur
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relativement faible pratiquement constante (0,009) à des pres- dons inférieures à 0,01 mm de mercure, et une seconde valeur pratiquement constante (0,0194) qui est 2,15 fois plus élevée que la première valeur pratiquement constante. Cette seconde valeur pratiquement constante se présente à des pressions supérieures à 30 mm de mercure environ.
Suivant la présente invention, il existe une zone de transition importante entre ces deux pressions, à savoir la sono entre 2 et 30 mm de mercure où la valeur la plus basse de la conductivité thermique totale X (en utilisant de l'heptane comme véhicule gazeux) est encore relativement éle- vée (supérieure à 0,15 unité) et où K augmente à partir de cette valeur passe presque Jusqu'au maximum possible de 0,0194 unité.
La gamme de fonctionnement plus basse de 22 mm de mercure est choisie parce qu'elle représente l'extrémité inférieure de la zone de transition. En dessous d'une pression d'environ 2 mm de mercure, la conductivité thermique se réduit rapidement dans un rapport exprimé par une ligne pratiquement droite,
Lorsque tous ces facteurs sont rendus optima, on trouve qu'en considérant la conductivité thermique seule dans le cas de produits alimentaires tels que la viande de boeuf, les légu- mes, les fruits etc., il existe une pression de vapeur totale (pouvant descendre jusqu'à 5 à 15 mm de mercure et pouvant aller quelquefois jusqu'à 30 mm de mercure environ) pour laquelle la conductivité thermique est presque à son maximum. Au-dessus de .
30 mm de mercure, le taux d'augmentation de la conductivité thermique avec la pression tombe si rapidement qu'on ne retire aucun avantage de ces pressions élevées.
D'autre part, suivant la présente invention, on tient compte du fait qu'à mesure que la pression de vapeur d'eau augmente, la température du noyau de glace augmente puisque la température du noyau de glace s'adapte à la pression de vapeur à laquelle il est soumis.
Le liquide dans l'aliment est généralement une solu- tion, et le point de température euteotique de ce liquide est
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inférieur à la température correspondant au triple point de l'eau.
Il n'est généralement pas réalisable du point de vue commercial de travailler en dessous de la température sutectique, de sort,* que la pression partielle de la vapeur d'eau sera maintenue, entre la température du point euteotique et celle du triple point, en un point qui réduit dans une mesure acceptable la quantité de solution liquide subsistant dans la matière au cours du séchage,
Lorsque le séchage est complètement terminé, la matière est parfai- tement sèche et la quantité très faible d'eau dans la solution qui était présente est évaporée.
Comme il ressort de la. Fig. 2, la conductivité thermique
K peut être réglée en agissant sur la pression dans la chambre de séchage et, dans la gamme examinée, la conductivité thermique aug- mente à mesure que la pression dans la chambre de séchage augmente.
On peut mentionner également que la capacité de trans- mission de chaleur du véhicule gazeux lui-même qui balaie le pro- duit varie directement avec sa densité et par conséquent avec sa pression. Donc, en plus.de sa faible conductivité thermique aux pressions très faibles, le véhicule gazeux lui-même a une faible capacité de transport de chaleur par unité de volume à ces fai- bles pressions. Dans la zone de pression de travail utilisée dans l'invention, la conductivité thermique du véhicule gazeux est relativement élevée.
II' Elimination de la .vapeur d'eau de la matière.
(a) Effet de la température du noyau de glace.
La vitesse de l'élimination de la vapeur d'eau augmente à mesure que la température du noyau de glace augmente. A mesure que la température du noyau de glace augmente, la pression de va- peur de la glace augmente également ce qui augmente la force qui écarte la vapeur du noyau de glace et par conséquent, augmente la vitesse d'élimination de la vapeur d'eau. On notera que l'effet de ce phénomène par rapport aux avantages obtenus est incompatible avec le paragraphe 1 (a) ou une augmentation de la température du noyau de glace abaisse la transmission de chaleur à ce noyau
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et, par conséquent, constitue un inconvénient.
Toutefois, comme on l'a déjà mentionné, dans le fonc- tionnement de l'appareil suivant l'invention, la température du noyau de glace est déterminée par le choix d'autres paramè- tris- Dans un cas comme dans l'autre, la pression partielle de la vapeur d'eau est maintenue suffisamment basse, c'est-à-dire entre le point eutectique et le triple pointa pour que la tempé- rature du noyau de glace ne devienne pas trop élevée et pour que la glace ne fonde pas* (b) Effet de la concentration de vapeur d'eau à la surface de la coque de matière séchée
La concentration de vapaur d'eau à la surface de la coque de matière séchée,
c'est-à-dire de la matière entre la sur. face du produit et le noyau de lace, ralentit toute nouvelle sublimation de la vapeur d'eau provenant du noyau de glace. Les molécules d'eau quittent le noyau de glace par sublimation suivant des lois statistiques et, d'après les mêmes lois,$ les molécules de la vapeur d'eau qui entoure le noyau peuvent également y repénétrer. Cet effet de retour est augmenté à mesure que la concentration de vapeur d'eau à la surface de la matière augmente.
On se rappellera que les lois de la physique indiquent que le rapport entre la pression de vapeur intrinsèque sur de la glace à une température déterminée et la pression de vapeur d'eau réelle qui peut être présente est un facteur qui détermine la vitesse de sublimation. Les molécules de vapeur d'eau sortent du noyau de glace et y pénètrent à nouveau et ces changements de phase moléculaire se compensent aux conditions d'équilibre, c'est- à-dire lorsque les deuxpressions de vapeur sont égales* Cette action de sublimation de la surface du noyau de glace n'est pas affectée par la pression partielle coexistant* des molécules du véhicule galeux.
Le véhicule gazeux préféré, le n-heptane, n'est pas miscible à l'eau et ne se dissout pas dans la glace, de telle sorte que les deux gaz (ou les vapeurs, si on préfère utiliser ce terme) réagissent indépendamment au point de vue amorçage du pro- cossus de sublimation.
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La concentration de vapeur d'eau à la surface de la
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coque de matière séché* peut être réglée fcet, en fait, fit monde à une valeur irez faible dans la présente invention en agissant sur la température et le courant de véhicule gazeux. Ce dernier est
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doutant plus efficace pour abaisser la concentration de vapeur d'eau à la surface de la coque de matière oh qu'il est plus sec$ e'ett-a-dire que son humidité relative est plus faible# La vitesse de sublimation à partir du noyau de glace est augmenté* en proportion.
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(c) Effet du coefficient de transport de tasie de la vapeur d'eau a travers la matière eechee ocapoeite fitjjRdirftfon.aai-P.ççJHis. ,.. ,,,,, , ., , , , ...M1 #.,,.
Si tous les autres facteurs sont ignorer la durée de séchage est réduite à mesure que le coefficient de transfert de mais* de la vapeur d'eau est augmente. Le coefficient de trans-
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fert de casse comprend les effets du courant ou <aouveaent de diffusion de* molécules de vapeur d'eau depuis la surface du noyau de glace et à travers la coque Intermédiaire de matière
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eechee et de véhicule gazeux occlus,
et le courant hydrodynaai- que des molécules sur les abat# trajetµ$ La mesure dans laquelle chacun de ces effets Individuels contribue au coefficient de transfert de masse d'ensemble ne peut être exprimée de façon simple. L'effet net est proportionnel à la différence entre la pression de vapeur d'eau dans le noyau de glace et la pression totale dans la chambre de séchage, différence de pression qui établit la force motrice qui écarte la vapeur d'eau du noyau de glace.
Toutefois l'effet d'une force motrice déterminée est lui - même en rapport avec les propriétés physiques de la matière soumise au séchage et avec les propriétés du gaz véhicule gazeux, par exemple son poids moléculaire. A mesure que la pression du véhicule gazeux ou de la vapeur occluse dans les pores de la matière soumise au séchage diminue,
les molécules de vapeur d'eau qui ont été sublimées à partir du noyau de glace peuvent se déplacer
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d'autant plus facilement a travers les pores de la matière séchée et à travers les parois poreuses jusqu'à la surface de la matière où elles peuvent être balayées par le véhicule gazeux.
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On se reportera à présent au graphique de la Fig. 3 qui se passe en grande parti* d'explication. Comme on peut le voir à la fige 3, il existe deux phases distinctes dans la courbe du coefficient de transport de masse* Aux pressions inférieures à 0,2 tain de mercure environ, le coefficient de transport de masse D est constant à sa valeur maximum.
Aux pressions supérieures à 2 mm de mercure environ, le coefficient de transport de casse se réduit à mesure que la pros- sion augmente,, Il existe une zone de transition approximativement entre les pressions de 0,2 et de 2 mm de mercure qui relie les deux zones précitées.
Comme dans le cas de la conductivité thermique, le coef- ficient de transport de masse peut être réglé en agissant sur la pression dans la chambre de séchage* Ce coefficient est d'autant plus élevé et la vitesse du courant de vapeur d'eau provenant du noyau de glace passant par les pores et se joignant au courant de véhicule gazeux est d'autant plus grande que la pression est plus basse. Comme l'indique la Fig. 3, la zone de fonctionnement suivant la présente invention est comprise entre la limite de pression supérieure de la zone de transition du coefficient de transport de masse (environ 2 mm de mercure) et une pression d'environ 30 mm de mercure.
Comme indiqué à la Fil- 2, la plus basse de ces pressions (2 met de mercure) correspond à la pression inférieure de la zone de transition de conductivité thermique.
La pression la plus haute est la pression pour laquelle la con- ductivité thermique K (Fil. 2) est devenue pratiquement constante.
La comparaison des Figs. 2 et 3 révèle que dans la zone de travail de la présente invention, à Mesure que la pression de vapeur totale est réduite de la pression de travail plus élevée de 30 mm de mercure à la pression moins élevée de 2 mm de mercure, le coefficient de transport de masse augmente de plusieurs c entai- j nes de pour-cent (environ 800%) tandis que la réduction correspon- dante de la conductivité thermique n'est que d'un peu plus de 20%.
Dans la présente invention, le coefficient de transport de masse
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dans la zone de fonctionnement indiquée à la Fig. 3 suffit pour libérer la vapeur d'eau dégagée par suite de la chaleur fournie . au noyau de glace suivant les principes examinés à propos de la conductivité thermique.
' Il est à présent possible d'expliquer comment les diffé- l'enta paramètres de fonctionnement sont choisis suivant les indi- cations de la, présente invention* En comparant les trois facteurs énumérés tous (I) transmission de chaleur au noyau de glace, et (II) élimination de la vapeur d'eau de la matière, comme on l'a mentionne, le facteur (a) dans chaque cas, à savoir l' effet de la température du noyau de glace, n'est pas directement réglable lorsque le procédé est mis en marche et ne peut donc être règle indépendamment pour réduire la durée de séchage.
Ceci parce que la température du noyau de glace au cours du séchage est unique- ment déterxinde par les équations de chaleur et de transfert de masse correspondant à l'appareil une fois que les facteurs (b) et (c) des rubriques 1 et II ci-dessus ont été fixés.
Les postes (b) des deux rubriques principales (I) et (II) sont facilement réglés et ne sont pas incompatibles. Ces postes sont : la température de la coque de matière séchée et la concentration de vapeur d'eau à la surface de la coque. Ces postes peuvent être optimalisés en réglant la température du véhicule gazeux, son débit et son degré de sic@ité, de telle sorte que dans la présente invention un choix des caractéristiques du véhi- cule gazeux assurant des avantages par rapport à un des facteurs des postes (b) cités plus haut assure également des avantages par rapport à l'autre facteur.
Les postes (c) de la rubrique CI) transmission de cha- leur au noyeu de glace, et de la rubrique (II) élimination de la vapeur d'eau sont généralement incompatibles. Ces postes sont : la conductivité thermique du gaz occlus dans la coque de matière séchée et le coefficient de transport de masse de la vapeur d'eau sublimée à travers la coque composite et son volume important de gaz occlus.
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Comme on l'a décrit plus haut, si la pression dans la chambre de séchage est augmentée d'une faible valeur (par exemple
1 ou 2 mm de mercure) à une valeur plus élevée (par exemple 30 mm de mercure), la conductivité thermique de la partie séchée compo- site intermédiaire de la matière et du gaz occlue augmente, puis reste pratiquement constante.
Inversement, à mesure que la prose±= dans la chambre de séchage augmente dans la même gamme, le coefficient de transport de masse de la vapeur d'eau venant du noyau de glace à travers la coque séchée composite intermédiaire de matière de gaz occlus et jusqu'à la surface de la matière pour être entraxe par le . véhicule gazeux diminue mais reste suffisamment élevé.
Dans le cas du coefficient de transport de masse, l'augmentation de près sion au lieu d'être favorable comme dans le cas du facteur de conductivité thermique devient un inconvénient* En fait, à la pression atmosphérique, l'effet de transport de masse cité a une valeur si faible que, même si le véhicule gazeux pouvait balayer toute la vapeur d'eau de la surface de la coque et maintenir ainsi une pression de vapeur d'eau égale à zéro à la surface de la ma- tière séchée, le transport de masse de la vapeur sublimée à par- tir du noyau de glace jusqu'à, la surface de la matière séchée serait si lent que la durée de séchage deviendrait exagérément longue.
Il faut encore noter que la capacité de transmission , de chaleur par unité de volume du gaz augmente avec la pression et qu'aux très faibles pressions, de grands volumes de véhicule gazeux doivent circuler pour fournir la chaleur de sublimation.
Comme on l'a mentionné et suivant l'invention, ces fac- teurs apparemment incompatibles sont rendus optima en choisissant une pression de travail dans la chambre de séchage dans une sone ' de pression ou la courbe de conductivité thermique se trouve dans une sone de transition, à savoir ure sono de pression où le trajet libre moyen des molécules du véhicule gazeux sont du mime ordre général que les dimensions moyennes intérieures des pores,
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des cellules ou des capillaires de la matrice de la matière à sécher* Toute augmentation supplémentaire de la pression du véhi- cule gazeux ne favorise pas la transmission de chaleur de la sur- face extérieure de la coque de matière séchée jusqu'au noyau de glace$
On se référera à prient AU graphique composite de la Fig. 4.
Ce graphique superpose les courbes de conductivité thermi- que et de transport de masse examinées plus haut et ajoute une courbe représentant le taux de séchage de masse W qui en résulte pour un produit alimentaire typique.. tel'que des pêches, On noter* que la zone de gamme de travail d'ensemble déjà cité* comprend la bosse de la courbe de la vitesse de séchage de masse* Toutefois,
suivant la présente invention une gamme de pression! de travail typique est beaucoup plus réduite et de 5,67 à 11 mm de mercure dans l'exemple cité* Cette gamme coïncide pratiquement avec la sont de la vitesse de séchage de masse optimum sur la courbe* Dans cette gamme de pressions,
les effets du transport de ses sont encore suffisamment importante bien que se réduisant rapide- ment à mesure que la pression augmente pour que la vapeur d'eau sublimée à partir du noyau de glace atteigne la surface de la matière séché@ pour être entraînée par le véhicule gazeux à une vitesse assurant une durée de séchage réduite.
Comme on l'a déjà Indiqué, si une quantité suffisante de chaleur pour la oubli- mation a atteint le noyau de glace, dès que la vapeur d'eau atteint la surface de la matière, il n'y a plus de problème parce que le véhicule gazeux peut être facilement réglé pour balayer cette vapeur d'eau hors de la chambre de séchage* La pression partielle de la vapeur d'eau ne dépasse jamais 1,3 mm de mercure environ ce qui est bien en dessous de la pression du triple point de telle sorte que la sublimation se produit.
Dans les procédés déjà proposés utilisant un véhicule gazeux, ce gaz circule dans l'appareil à une pression totale re- lativement élevée, par exemple à la pression atmosphérique* Dans ces conditions, on peut voir aux Figs.
3 et 4 que les caractérisa
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ques de transport de masse de la vapeur d'eau à travers le gaz occlus dans la matière séchée intermédiaire sont si faibles que même lorsque la surface de la matière séchée est débarrassée de la vapeur d'eau par le véhicule gazeux, la quantité de vapeur d'eau éliminée de cette région du noyau de glace n'est pas suffisamment grande et des quantités supplémentaires de vapeur d'eau ne peuvent être sublimées à partir du noyau de glace à travers la coque in- termédiaire de matière séchée pour rendre le procède pratique.
Ces appareille exigent de* duré.. de séchage exagérément longues.
D'autre part, si l'on utilisait les appareils connus du type à véhicule gazeux non condensable à des pressions totales suffisamment basses pour atteindre un transport de masse acceptable de la vapeur d'eau à travers la coque Intermédiaire de matière séchée, les conditions de volume et de vitesse nécessaires pour le dispositif de pompage du véhicule gazeux seraient très sévères ce qui à nouveau rendrait le prix de revient de l'appareil économique- ment sans intérêt.
La zone de travail optimum, en termes de vitesse d'éli- mination de la vapeur d'eau, est la région dans laquelle la pression est suffisamment élevée pour obtenir une conductivité thermique relativement élevée et une transmission de chaleur élevée au noyau de glace, mais cette pression ne peut être élevée au point; de réduire le transport de masse suffisamment pour inhiber exces- sivement le passage de la vapeur d'eau venant du-noyau de glace à travers la coque de matière séchée et le procédé est mis en oeuvre sans augmenter la température du noyau de glace suffisamment pour propre une quantité commercialement inacceptable de solution concentrée non congelée de matières solides et d'eau au cours du procédé de séchage.
Comme on l'a mentionné., la quantité très faible de solution qui se forme est également évaporée au cours du cycle de séchage.
Comme on l'a indiqué, la zone de fonctionnement en termes de gamme de pressions peut être définie comme étant la zone de transition de la courbe de conductivité thermique à la tempe-
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rature choisit* Cette sont peut également être définie comme étant la gamme de pressions dans laquelle le trajet libre moyen des molécules de gaz et les dimensions aoyennes des pores, cellules, ou capillaires sont pratiquement égaux ou dont du même ordre.
La zone de pression de travail* peut être encore décrite comme' étant la sono dans laquelle la conductivité thermique est aussi élevée que possible mais ou, pourtant, la pression n'est pas élevée au point d'empêcher le passage de la vapeur d'eau hors de la matrice à un degré tel qu'on dépasserait la température maximum admissible pour le noyau de glace*
Les critères de base et paramètre. découverts comme déterminant le fonctionnement suivant la présente invention ayant été expliqués, on se référera à présent à la Fig. 1 qui est une représentation schématique des éléments essentiels d'un appareil de lyophilisation du type discontinu pour la mise en oeuvre de l'invention.
DESCRIPTION GENERALE DE L'APPAREIL.
Se référant à la Fig. 1, le produit à sécher est plaoé dans la chambre de séchage 10 dont les détails ne font pas partie de la présente invention. Dans le cas de légumes, de champignons ou analogues, le produit est coupé en dit ou transformé d'une autre manière en morceaux assez petits. Dans le cas de viandes, le produit est coupé en dés ou en tranches relativement minces de la façon habituelle. Dans l'appareil discontinu représenté, la porte étanche habituelle 12 est prévue pour charger et décharger le pro- duit.
Av&nt d'être placé dans la chambre de séchage, le produit est réparti sur des plateaux en treillis 14 qui sont disposés horizontalement et qui permettent le passage du gaz à travers,le produit et les fonds des plateaux. Le produit à sécher, indiqué d'une manière générale en 16, a été préalablement congelé dans des ' appareils industriels classiques dont les détails ne font pas partie de l'invention.
Un passage de sortie 18 relie la chambre de séchage 10 au condenseur 20, ce condenseur étant prévu pour condenser et li-
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quéfier le véhicule galeux HV et congeler la vapeur d'eau entrai née WV en cristaux de glace X. Comme on' l'A déjà Mentionné, le véhicule galeux HV utilité dans la forme de l'invention qui va être décrite est de la vapeur d'heptane à l'état gazeux. Associé au condenseur de vapeur principal 20, un appareil de réfrigération est indiqué par R.
Cet appareil comprend le compresseur habituel
22 dans lequel le gaz réfrigérant est comprimé et conduit par un tuyau de réfrigérant chaud 24 vers un serpentin 28 dans un appa- reil de fusion de glace 30. L'appareil de fusion de glace 30 sert de premier stade de condenseur du réfrigérant et fournit la chaleur nécessaire pour faire fondre les cristaux de glace X formés au cours du processus de séchage.
Un tuyau de sortie 34 fait passer le réfrigérant chaud sortant du serpentin de fusion de glace 28 dans un bouilleur 36 où l'heptane liquéfié HL est évaporé, pour former la phase vapeur ou gazeuse HV. Cette évaporation est effectuée au moyen d'un serpentin d'évaporation 38 qui est relié au tuyau 34 et qui est plongé dans le véhicule liquide HL dans le bouilleur 36* Une con- duite de sortie du réfrigérant 40 relie le serpentin de l'évapora- teur d'heptane 38 à un détendeur 42 et le réfrigérant refroidi et condensé quittant le détendeur 42 se détend dans les serpentins de réfrigération 44 montés dans la partie supérieure du condenseur de vapeur principal 20,
Le réfrigérant qui est à présent gazeux, est revoyé au compresseur 22 depuis les serpentins de condenseur
44 par une conduite d'aspiration 46.
Pour débarrasser les serpentins de réfrigération 44 des cristaux de glace accumulés, une pompe 50 d'arrosage des serpentins est prévue avec une conduite d'entre. 51 qui reçoit l'heptane li- quide HL de la partie inférieure du condenseur. La sortie de la pompe est reliée à un distributeur 52 qui se trouve au-dessus du serpentin de réfrigération 44.
Ce distributeur est muni de petits ajutages ou orifices de façon que le véhicule liquéfié HL extrait de la partie inférieure de la pompe du condenseur 50 soit pulvérisé sur le serpentin de réfrigération 44 pour détacher et entraîner les cristaux de glace X qui y sont déposés. A la partie inférieure du condenseur, un agitateur 54 est prévu, entraîné par un moto-
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réducteur 55, Cet agitateur 54 non seulement agit* 1$ Mttà de glace et d'heptane liquide mais encore sert de pompe pour faire
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passer ce saga* par une conduite 56 dans l'appareil de fusion 4e la glace 30, Si nécessaire, une pompe (non représentée) peut être égaleacnt aontét dans la conduite 56 pour transporter plus POÛ- t,
rrea0.errt le magma vers l'appareil de fusion de glace. L'eau Il ,formée dans l'appareil de fusion de la glace par la chaleur tour.*
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ni* à partir du serpentin de condensation du réfrigérant est ponpée à la pression atmosphérique et déchargé* par une pompe due d'charIf de l'eau 58 dont l'entré est lt1iê. à l'appareil der fusion 30.
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Une conduite primaire pour l'heptanw liquidé 60 est montée à la parti* supérieure du carter du oond'M uy de vapeur principal 20 et aboutit à une conduite secondaire de véhicule- li- quide 62 venant de la partie supérieure de 1 'appareil de fusion
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de glace z0, Les conduites 60 et 62 ae rejoignent pour former une conduite commune 64 qui aboutit au bouilleur 36 dans une sont située en dessous du serpentin 38 du bouilleur.
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La pression "b" entre le niveau du liquide dans le con- donseur de vapeur 20 et le liquide dans le bouilleur b est rendue équivalente à la différence entre la pression dans le bouilleur et celle dans le condenseur* Comme on peut le voir, cette pression
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équivaut à ,8 mm de Hg, ce qui correspond à 116 aat 4 'hep tan* liquide.
Dans l'appareil de ùnion de lace 30, l'interface entre l'heptane liquide et l'eau doit être maintenu à un niveau suffisamment bas pour empêcher que l'eau atteigne la conduit* 62 aboutissant au bouilleur 36, et cependant suffisamment élevé
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pour que l'heptane puisse atteindre la pompe µ$ On Utilité un dispositif de réglage du niveau et une soupape électromagnétique 65. dans la conduite 60,
Le dispositif de réglage du niveau est représente sché- Statiquement. Il utilise un capteur 66 avec- un* sonde ou électrode
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à niveau haut et à niveau bas et un appareil de commande 67.
L'ap
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pareil de commande comprend une partie qui fait fonctionner la sou- pape 65 et une partie qui met en marche ou arrête le moteur de la pompe 58. Lorsque l'interface heptane-eau tombe au niveau de l'électrode de niveau bas$ la pompe 58 est arrêtée et la soupape 65 ouverte pour augmenter le passage de l'heptane dans la conduite 62. Ceci permet l'entrée d'une quantité plus Importante de magma dans l'appareil de fusion de glace et l'interface remonte.
Lorsque l'interface atteint l'électrode de niveau haut du capteur 66, la soupape 65 est fermée et la pompe 58 mise en marche ce qui fait re descendre le niveau de l'interface* Des appareils de réglage de niveau du type décrit sont fabriques par Fielden Electronics, Inc., Huntington, New York et vendus sous l'appellation "Tektor". Les détails du réglage du niveau ne font pas partie de l'invention et ne sont pas décrits.
La pression hl entre le niveau de liquide dans le con- denseur de vapeur 20 et la partie supérieure de l'heptane liquide dans l'appareil de fusion de glace 30 doit être uniquement suffi- sante pour empêcher la vaporisation de l'heptane dans l'appareil de fusion de glace. A 40 F (4,4 C) cette pression est de 20 mm de Hg environ. Comme la pression de vapeur totale dans le condenseur de vapeur 20 est de 5,67 mm de Hg, la pression hl Indiquée doit être de 11,1 pouces (282 mm) pour un véhicule liquide ayant la densité de l'heptane.
Afin d'éliminer l'air et les autres gaz non condensa- blés qui pourraient être entraînes dans l'appareil ou qui pourraient pénétrer dans l'appareil par des fuites au cours du séchage, un pur@eur réfrigéré 70 est prévu dans le condenseur 20. Ce purgeur 70 est formé d'un récipient ferme comportant une conduite d'entrée 72 venant de la paroi supérieure du condenseur 20. Une pompe à vide 74 est reliée au récipient du purgeur pour éliminer les gaa non condensables tels que l'air.
Afin de récupérer la vapeur du véhicule gazeux éventuellement non condensée qui serait aspirée par la pompe 74, le purgeur est réfrigère par un serpentin 76 qui est relié à un appareil de réfrigération (non représente) dont
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les détails ne font pas partit de l'invention. Le véhicule gazeux condensé et la vapeur d'eau éventuellement condensée sont renvoyât du purgeur au condenseur 20 par un tuyau de retour 78.
Revenant au bouilleur 36, directement au-dessus de ce bouilleur se trouve un surchauffeur de véhicule gazeux 80 dans lequel le véhicule gazeux vaporisé HV est surchauffé par des tuyaux de vapeur 82 disposés dans la chambre de surchauffe. De la vapeur est fournie à la température nécessaire pour donner la sur- chauffe désirée au gaz vaporisé HV, et est réglée par une soupape à vapeur 83. Le véhicule gazeux sec surchauffé est conduit du sur- chauffeur 80 à l'orifice d'entrée d'une chambre de séchage 10 par un passage 84. Le passage 84 et les autres parties de l'appareil sont isolés, par exemple par le calfeutrage 86 représenté en par- tie sur le passage 84. Ce calfeutrage et toute autre isolation éventuellement nécessaire ont été supprimés du schéma de la Fil. 1 pour plus de clarté.
Pour économiser le véhicule gazeux subsistant dans la chambre de séchage et dans les passages 18 et 84 au cours des opé- rations de chargement et de déchargement, on utilise les vannes d'isolation 90 et 92. Un purgeur réfrigéré 94 est relié au passage de retour 84 par une conduite 96 et une vanne 98* Une pompe à vide 100 élimine l'air et les gaz non condensables. Un serpentin réfri- géré 102 liquéfie les gaz condensables et.ces liquides sortent du purgeur 94 par une conduite de retour 104. Une vanne 106 dirige le liquide condensé vers le condenseur 20 par une conduite 108 ou l'évacué par une conduite 110.
FONCTIONNEMENT GENERAL DE L'APPAREIL.
Le fonctionnement général de l'appareil suivant l'inven- tion sera décrit ci-après.
Les critères envisagés pour le choix d'un véhicule gazeux ou liquide pour faire fonctionner l'appareil de lyophilisa- : tion lorsqu'on traite des produits alimentaires seront examinés plus loin* Il suffira ici de préciser que le véhicule utilisé dans la forme de l'invention décrite est l'heptane dont les caractéristi-
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que 8 physiques sont Indiquées ci-dessus* Dans la forme décria l'heptane utilisé est le n-heptane (heptane normal).
PROCEDE PRELIMINAIRE. PmJM. Ui.Em.
Les vannes 90 et 92 ont été ferais à l'issue du cycle de séchage précédent et après que le produit a été introduit dans la chambre de séchage et que la porte a été fermée, la première opération du procédé est d'éliminer l'air de la cambre de sé- chage et des tuyaux qui y aboutissent* Dans ce but, on ouvre la vanne du purgeur 98 et la pompe à vide 100 est aise en marche et fonctionne jusqu'à ce que pratiquement tout l'air bloqué entre les vannes 90 et 92 ait été aspire. Ceci entraîne l'élimination d'une certaine quantité de vapeur d'eau qui s'est formée au cours de la mise sous Vide, mais si on le désire, la vapeur d'eau peut être condensée dans le purgeur 94.
Lorsque l'évacuation est complète, on ferme la vanne 98 du purgeur et on arrête la pompe à vide 100.
Les vannes 90 et 92 des passages du véhicule gazeux peuvent être alors ouvertes. Pour commencer un nouveau cycle de séchage, l'appa- reil de réfrigération R est mis en marche et lorsque la vanne 83, commandant l'arrivée de vapeur au surchauffeur, est ouverte pour l'admission de vapeur, l'appareil est prêt à fonctionner.
Cycle du véhicule gazeux.
Le cycle du véhicule sera décrit ci-après en commençant au poste H du passage 94 à l'entrée de la chambre de séchage. Les conditions dans cette section du passage 84 sont pratiquement les mêmes que celles du passage tout entier. Les états et les condi- tions du véhicule et de l'eau aux différents postes de l'appareil apparaissent au tableau I qui est basé sur une élimination d'eau de 100 livres/heure 45 kg/heure. Le tableau I peut être considéré comme représentant les conditions au début du cycle d'un procédé discontinu ou les conditions moyennes dans un procédé continu.
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TABLEAU 1 - CONDITIONS DU PHOCEDS ftMï'l al' Js2'W'1'rélt,t1QQ t1'e 41 100 liyp<t/hmiy .
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<tb>
Postes <SEP> Teap. <SEP> Pression <SEP> Pression <SEP> Débit
<tb>
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#F ma de as totale livres/ liat 922tane la% jHL&J: bourg âgewe JGfiU A 6,0 4e36 1,31 3#67 1980 Vapeur Vapour B 5#0 non .1n1t1- 1780 Liquida
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<tb> catif
<tb>
<tb> C <SEP> 5,0 <SEP> " <SEP> 200 <SEP> Liquide <SEP> Solide
<tb>
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D 32,0 100 # # Liquid.
32,0 100 Liquide P 6,8 If 80 . Liquide 0 32,3 11,5 - 1105 1880 vapeur
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<tb> H <SEP> 161,3 <SEP> 11,0 <SEP> - <SEP> 11,0 <SEP> 1680 <SEP> vapeur
<tb>
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Au poste H, la vapeur dfhoptant sèche et chaude a une tpérature de :1,' (72"C) et une pression de Il sa de Hg.
Après que des condition* stables d'aau).rrant du vihaule gttwux 00 sont êtablieol conditions qui peuvent 4tre atteintes très tôt dans la cycle, la vapeur sortant de la chambre de séchage de la dtat4on à est un mélange de vapeur d'heptane froid UV et de vapeur d'eau Wu. Dans cette station, la température du mélange de vapeur ' est de 6*F (-14'C) et comme on peut le voir au tableau 1 la pris- olon totale est de 5,p67 mai de Hg.
Ces conditions établissent une différence de pression entre la chambre de séchage et les stations
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H et A de plus de 5 mm de Hg ce qui crée la force de pompage né- cessaire pour faire circuler le gaz et la vapeur d'eau dans la chambre de séchage. La pression moyenne dans la chambre de séchage
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est d'environ 8 am de Hgt En passant dans la chambre de séchage, le véhicule gazeux fournit Xa chaleur de sublimation à la matière souaise au séchage et au noyau de glace et le noyau de glace est sublime par conduction thermique et diffusion de la vapeur deau hors du noyau de glace,
comme décrit précédemment* Le véhicule gazeux en- traîne et balaie la vapeur d'eau qui a été sublimée hors du noyau de glace et qui a diffusé jusqu'à la surface de la coque de matière séchée.
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Le produit alimentaire dans la partie supérieure de la chambre de séchage est le premier exposé au véhicule gazeux chaud
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pénétrant dans la chambre et est le pr8ld.tr t..Iob,r.
A mesure que le processus do séchage et poursuite il forme une couche de matière séchée à la partie supérieure da la chambre de séchage qui a été chauffée à la môme température que la véhicule gazeux ,p6huS... trrnt dans la chambres En dessous da la coucha de matière séchée ce trouve la xono de séchage oïl la chaleur est transmise du véhi- cule gazeux au noyau de glace du produit congelé tandis que la
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vapeur d'eau sublimé est balayée par la véhicula gueux.
Vara le fond de la zone de séchage, le véhicula r'est considérablement refroidi et est mélangé à une proportion importante de vapeur d'eaull Dans cette région, le taux de séchaga de masse des particules de produit est plus lent parce que la différence de température entre la surface et le noyau de glace est moindre de telle sorte que la transmission de chaleur au noyau est plus lente. La diffusion de vapeur d'eau du noyau à la surface est également plus lente parce qu'il y a moins de différence dans les pressions de vapeur d'eau
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entre le noyau de glace et la surface. A la partie inférieurs de la zone de séchage, le véhicule et la vapeur d'eau ont été refroidis à la température des produits congelés et la pression partielle de la vapeur d'eau est égale à la pression de vapeur de la glace dans le produit congelé.
En dessous de la zone de séchage, il ne se pro- duit pas de séchage et le produit reste congelé jusqu'à ce que la
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zone de séchage descendre jusqu0à lui. Au cours du cycle de séchage, ; la zone de séchage descend progressivement de la partie supérieure à la partie inférieure de la chambre de séchage et finalement le processus de séchage est terminé. Le produit alimentaire ou autre soumis à la dessiccation constitue un obstacle à l'écoulement du véhicule gazeux de telle sorte que la différence de pression de
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plus de 5 WI1 de ES peut être maintenue au cours du cycle de séchage..
Au moment où le mélange froid et humide de véhicule gazeux et de vapeur d'eau pénètre dans le condenseur 20, il coule
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sur le serpentin de refroidissement 44 ce qui coudant@ la vapeur d'heptane à l'état liquide HL et la vapeur d'eau est congelée pour former des cristaux de glace X. Le véhicule liquide tombe à la partie inférieure du condenseur 20 pour former une masse d'heptane liquide HL.
Les cristaux de glace X sont détachés des serpentins par pulvérisation d'heptane liquida venant du distributeur 52 et comme ils sont plus lourds que l'heptane liquide HL; les cristaux de glace se déposent par gravité au fond du condenseur. L'agita- teur 54 entraîné par le réducteur 5µ maintient les cristaux de glace à l'état fluide pour que le magma de cristaux de glace et le véhicule liquide puissent s'écouler dans l'appareil de fusion de glace 30.
'
Comme on l'a mentionné plus haut,, afin d'éliminer l'air et les autres gaz non condensables qui pénètrent par des fuites dans l'appareil ou qui ont été emprisonner la pompe à vide 74 et le purgeur réfrigéré 70 sont maintenus en fonctionnement au cours du ' cycle de séchage. Le véhicule gazeux et la vapeur d'eau qui seraient éventuellement entraînés dans le purgeur y sont condensés par les serpentins de réfrigération 76 et renvoyée au condenseur par la conduite 78.
Comme on l'a mentionnée le courant venant du condenseur : de vapeur 20 est divisé en deux courante. L'heptane liquide s'écoule directement d'une partie supérieure du carter du conden- seur à vapeur 20 par la conduite 60 et joint l'heptane sortent de l'appareil de fusion de glace dans la conduite 62 comme décrit plus haut Les conduites 60 et 62 se rejoignent pour former la conduite 64 qui dirige l'heptane liquide vers le bouilleur 36,
Dans l'appareil de fusion de glace,
les serpentins de réfrigération 28 font fondre les cristaux de glace X dans de l'eau W et l'eau est pompée à la pression atmosphérique et dé- chargée par la pompe 58. L'appareil de réglage de niveau maintient l'interface heptane-eau dans l'appareil de fusion de glace entre les électrodes du capteur 66 comme décrit.
La masse d'heptane liquide HL dans le bouilleur est
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vaporisée par le réfrigérant chaud dans le serpentin 38 poux former de la vapeur d'heptane HV. Les conditions de cette vapeur à la . station 0 sont données au tableau 1 et on peut voir que la vapeur 'd'heptane est à une température de 32,3 F (0,17 C) et a une pression de 11, mm de Hg. La vapeur d'heptane HV est surchauffée par les serpentins de surchauffe 82 comme décrit plus haut pour la ramener à l'état du poste H où la vapeur est à une température de 161,3 F (72 C) et à une pression de 11 mm de Hg.
La circulation décrite ci-dessus d'un véhicule gazeux condensable suivie de sa condensation et réévaporation communique de la chaleur au noyau de glace dans le produit et balaie la vapeur d'eau sublimée, le tout sans qu'il soit nécessaire d'utili.. ser une soufflerie. L'efficience de ce procédé est telle que la durée de séchage est fortement réduite par rapport à celle des opérations de séchage classiques par lyophilisation sous vide poussé. Par exemple, dans une installation suivant l'invention, une couche épaisse de 1 pouce (25 mm) de produit alimentaire tel que des pèches ou des pois, peut être séchée en moins de 1 heure, alors que la lyophilisation classique sous vide poussé des mêmes matières premières prend 6 à 9 heures.
Le cycle de réfrigération sera à nouveau résumé briève- ment. Le réfrigérant se détend au détendeur 42 dans le serpentin 44 du condenseur de vapeur 20. Le réfrigérant absorbe la chaleur de vaporisation de lá vapeur d'heptane et la chaleur de sublimation de la vapeur d'eau dans le serpentin 44. Le réfrigérant détendu pénètre dans le compresseur par la conduite 46 et le réfrigérant chaud comprimé passe par la conduite 24 vers l'appareil de fusion de la glace 30. Comme on l'a mentionné,- dans le serpentin 28 de l'appareil de fusion de la glace le réfrigérant fournit la chaleur nécessaire pour faire tondre les cristaux de glace X dans une masse d'eau W.
Le réfrigérant pénètre dans le bouilleur 36 par la conduite 34 et au moyen d'un serpentin 38, le réfrigérant fournit la chaleur de vaporisation de l'heptane liquide HL qui est reconver- ti en heptane vapeur HV. Ce réfrigérant liquide refroidi sort du
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bouilleur par la conduite 40 et passe par la vanne de déteste 42 et le réfrigérant se redétend dans le serpentin du condenseur
44 pour congeler la vapeur d'eau et former des cristaux de glace et condenser le véhicule à l'état liquida HL comme décrit précé- demment,
Lorsque le cycle de séchage a été complet*, l'appareil de réfrigération est arrêté, l'alimentation de vapeur au surchauf- tour est Interrompue et les vannes 90 et 92 sont fermées* En utilisant des vannes 98 et 106 et le purgeur réfrigère 94, on peut purger les passages 18, 84 et la chambre de séchage du véhi- cule gazeux résiduel et renvoyer le véhicule condensé au conden- cour,
Le produit niché peut être alors retiré de la chambre de séchage après que le vide * été rompu.
Si l'on utilise un procédé continu, avec le,* sas à air et les purgeurs habituels à l'entrée du produit et à la sortie de l'appareil de séchage.$ les vannes 90 et 92 ne sont pas nécessaires* VESICULE GAZEUX - Caractéristiques essentielles pour la séparation de phase directe.
1. Lorsque les produits alimentaires sont séchés, si un résidu quelconque du véhicule est absorbé par le produite ce rési- du doit être non toxique dans les quantités présentes.
2. Le véhicule ne peut réagir (doit être inerte) avec la matière à sécher, ni avec l'eau pour la séparation de phase directe.
3. Le véhicule doit avoir une pression de vapeur in- trinsèque à la température du noyau de glace dans la matière qui soit plus élevée que sa pression de vapeur partielle dans la cham- bre de séchage au cours du fonctionnement à la température du noyau de glace. On évite ainsi la condensation du véhicule gueux dans la chambre de séchage.
Le véhicule qui est utilisé dans l'Appareil qui a été décrit est l'heptane normal. Sa pression de vapeur est indiquée -T ; comme suit dans le Handbook of Chemistry and Physics (Chemical Rubber Publishing Co., Cleveland, Ohio) :
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Pression mm de Hg, 1 10 40 100 400 760 Température (approximative) F -30 28 72 107 172 209 Le poids spécifique du n-heptane liquide est 0,684 à 68 F (20 C) comparé à l'eau à 39,2 F (4 C).
VEHICULE GAZEUX - Caractéristiques désirables.
1. Il doit être ininflammable,
2. Il doit avoir à la température du noyau de glace dans la matière une pression de vapeur intrinsèque qui se rapproche autant que possible de sa pression de travail réelle ou pression partielle à la température du noyau de glace. Toutefois comme on l'a mentionné plus haut, ces pressions peuvent être si voisines que le véhicule gazeux tombe à sa pression de vapeur intrinsèque à la température du noyau de glace par suite d'un écart des condi- tions de travail qui pourrait se produire par suite de petites irrégularités de fonctionnement* Si la température du véhicule gazeux tombait trop bas, ce véhicule se condenserait dans la chambre de séchage.
La Fig. 5 est un graphique comparant les caractéristi- ques pression-température de vapeur de l'heptane aveo celles de l'eau. On voit que la courbe de l'heptane suit d'assez près la courbe de l'eau mais se trouve au-dessus de la courbe de l'eau sur l'échelle de température. Ce déplacement représente un facteur de sécurité en cours de fonctionnement, qui évite que le véhicule se condense dans la chambre de séchage..
Cette caractéristique, c'est-à-dire le fait que la courbe pression-température de vapeur du support est déplacée vers le naut par rapport à la courbe correspondant* -de l'eau, la n'en est pas trop écartée, améliore l'efficience du condenseur. Elle permet le fonctionnement du condenseur de vapeur sans exiger de températures extrêmement basses. Ce facteur à son tour réduit la différence de température entre le véhicule liquéfié dans le con- denseur et la température à laquelle le véhicule doit être porté dans le bouilleur du véhicule. Le résultat est une réduction de la quantité de travail effectuée par le compresseur de réfrigérateur afin de condenser et de réévaporer le véhicule gazeux.
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3, Le véhicule doit avoir un rapport relativement élevé entre la chaleur spécifique (phase vapeur) et la chaleur latente de vaporisation. Comme la chaleur spécifique du véhicule galeux en phase vapeur augmente, la vitesse d'écoulement de masse requise pour fournir la chaleur latente de sublimation diminue.
Il est désirable que le véhicule ait une chaleur spécifique aussi élevée que possible maie pas aux dépens d'une chaleur de vaporisa tion latente exagérément élevée, La Quantité de chaleur aise en circulation par le compresseur de réfrigération entre l'évaporateur de réfrigération (condenseur d'heptane et de vapeur d'eau) et le bouilleur d'heptane est d'autant plus grande que la chaleur de vaporisation est plus élevée. Une augmentation de cette quantité de chaleur exige un travail plus important de la part du groupe de réfrigération.
L'heptane normal dans son état gazeux a une capacité thermique de 0,38 BTU/livre F à 30 F (0,38 kcal/ C kg à -1,11 C) et une chaleur latente de vaporisation de 160 BTU/livre (88,9 kcal/ kg) à une pression de 12 mm de Hg et une température de 32 F (0*C) ce qui correspond pratiquement à l'état du gaz dans le bouilleur avant d'être surchauffé. Le rapport entre la chaleur spécifique et la chaleur de vaporisation citée (fois 100) est de 0,237. Le rapport spécifique de l'heptane surchauffé est un peu plus élevé.
4. Le poids moléculaire du véhicule doit être aussi bas que possible. En tenant compte d'une certaine vitesse de passage de masse dans la chambre de séchage, une augmentation du poids moléculaire du véhicule réduit la fraction de poids de la vapeur d'eau que le véhicule peut entraîner pour une température déterminée de glace et une pression de vapeur de la glace.
Il en résulte que le véhicule le plus désirable rend optima les effets du rapport de chaleur spécifique et ceux du poids moléculaire. Par exemple, le n-heptane a un poids moléculaire de 100,2. Des essais ont été effectués avec un véhicule fluoro- carboné fourni par Minnesota Mining &nd Manufacturing Co., St. Paul
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Minnesota, appelé #Fluoroeheaieal PC-'15". Le PGrY est pnno1pa.
1ement du perfluoro-2-butyitétrahydrofurane de formule ,'16 .' Cette matière a un rapport (foie 100) entre la chaleur spécifique Cal./g% C 110.C) et la chaleur latente de vaporisation (cals à point d'ébullition) de W- (100) 0,6' comparé au abat rapport (fois 100) de 0±'M (100) - 0,231 pour le n-heptane. Cette matière est un liquide incolore et inodore, toutefois le poids 'moléculaire du fluoreearbur. "pou15" cite'est quatre fois celui du n-heptane et malgré le rapport plus favorable entre les chaleurs spécifique., cette augmentation du poids moléculaire du fluoro- carbure réduit la capacité du véhicule de balayer la vapeur d'eau sublimée d'environ 30% par rapport à la capacité de l'heptane.
Toutefois, ce fluorooarbure posséda d'autres caractéristiques essen- tielles et désirables d'un véhicule et par conséquent peut être envisagé pour le procédé aux dépens d'une durée de séchage un peu plus longue. Les caractéristiques de température et de pression de vapeur du FC-75 sont données à la Fig. 5 avec celles de l'hexane et de l'alcool éthylique qui peut être également utilisé.
Un autre fluorocarbure convenant comme véhicule est
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fabriqué par 3.1. Du Pont de Nemours de C*, 'W1lm1ncton, Delavare, sous l'appellation "Fréon 2UN* Cet hydrocarbure fluoré est le 1,1,1,3-tétrachlorotétrafluoropropane de la formule CC1,CF2cra en.
Sa toxicité est faible et il bout à 114,5 C, se congèle
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à 9yd C, a une densité à 25-C de 1,6927 et une chaleur spécifique de z20 oa1/BI-C . 2560,
5. Le véhicule et l'eau (ou glace) sont de préférence mutuellement insolubles de façon que le véhicule gaz= liquéfié puisse être séparé directement de l'eau et de la glace sans qu'on doive recourir au fractionnement.
6. Pour la séparation par gravité, le véhicule doit avoir un poids spécifique à la température de congélation de l'eau ou à une température inférieure qui diffère de celui de l'eau ou de la glace à ces températures. Cette différence doit être suffi-
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santé pour assurer une séparation gr"Y1JIétnque'd\1 véhicule gazeux
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liquide à X* fois de I#e Ü-'tt de lA glac4; lopheptans normal utilité dans ,,"'apP8..IU décrit m ditail est un hydrocarbure parattimique saturé et par conséquent est Inerte# inactif et tr< <ttbl*.
Ceci Ln41c\&1 490 d'autres hydrocarbure nozxument liquides dans 1 aërte du aéthaat pour- ratent convenir et o#est le cas au point de vu caractirlot4ques oh1IÙqU... lfouttto1', IPhydrocarbure tu4c11atfaent 1l1t'nw, dans 1 4rit, à savoir loboxanop n'est pas au..1 désirable que 1'btptfAnt au point de vu de l'.oQnora11 de tonoUo&U1..' de 2.'ap- p.,e11.
Dans le cas de I#hexme# le trfhicuit en #te aonduemb à 6 ma de Hg# <M6is< une température de condonteur de -300? (4*0) < L''n.ra1. nécessaire pour qu'un apparu de r4trigdrat4on pusse fonotionner à cette basse teapï'*tuï'<t est beaucoup plus grande que pour un appareil fonctionnent à 5*F (**X5*C) toulmento Cool ne .1nl1'1. pas que 1 Vexant ne puisse être utilité nais Il est aoint tffioient que l'h<ptMt car la dépense 4'8\':&1' eut plus élevé*, Comme on peut 1-t voir à la Pis# 5, l'ûcool dthylique peut être également utilité eoaatt un y4hiCNJ.. *ait il taut alors un* dîstill4ktion pour roodparer 1'.10001.
Dans le 0&. de 1$hydrocarbure Immédiatement Wp4ri1U1', à savoir l'octane, 1a température au point d'tbullition t'Mffi'- sa=ont élevé# pour que la gaz soit à une température plus 4Xtt4t que l'heptane lorsqu$il est introduit dans 1a chambre de siobageo, Par confisquent, si l 'oc Une était utilité comme véhioulop la température du noyau de glace et la faible pression correspondant*' requise dans la chambre de séchage pour assurer la sublimatlon tant tu.1on, représenteraient de* conditions lJ21iU1 t.. telles que le gaz d'octane se séparerait par condensation dans la ohubre de séchage et par conséquent, se pourrait entraîner la Vapeur 4'..u.
Bien que la forme de l'invention qui été décrite en
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détail corresponde à un procédé discontinu puisque des pressions
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très faibles ne sont pas requises dans la chambre de séchage comme dans le cas de$ procédés de lyophilisation classiques à vide poussé, l'intention et pratt 1 un fonotionndaent continu. Des bas à air sont nécessaires, Un système de sas oonvenant peur Xa pré-
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sente Invention est décrit dans le brevet américain n* 2.515.098.
D'autre part, des liquides concentrât tels que des concentrés de café, peuvent être sèches dans un appareil continu fonctionnant suivant la présente invention. Un transporteur continu susceptible de recevoir des concentrés est décrit dans le brevet américain n 2.602.573.
Bien qu'un passage séparé 18 soit représente pour relier la chambre de séchage 10 avec le condenseur de vapeur principal 20, il *$,agit pratiquement d'une seule chambre et on peut considérer ces deux parties de l'appareil corne une seule chambre*
Dans un procédé discontinu) les serpentins de réfri- gération 44 dans le condenseur principal ne doivent pas être dégivres au cours du séchage et peuvent l'être à la fin du cycle de séchage.
Si des plateaux dhauffés 14 sont utilises, une partie ou l'ensemble du surchauffeur de véhicule lieux 80 peut être supprimé et on peut compter sur le véhicule gazeux pour entrainor la chaleur des plateaux et la conduire jusqu'au noyau de glace de la matière.
REVENDICATIONS.
**ATTENTION** fin du champ DESC peut contenir debut de CLMS **.
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Sublimation at low pressure in a gaseous vehicle,
The present invention relates to the freeze-drying of cellular articles or porous material, for example food products or the like. Lyophilization involves, freezing the articles, placing the frozen articles in a base drying chamber. pressure, to apply heat;
to sublimate the ice, to remove water vapor from the chamber to measure its formation, and to continue this process until the products are dried. If desired, the items can be frozen directly in the chamber drying before the sublimation operation.
In this process, practically no liquid is released during the drying of the articles, the fibers or the matrix structures of the articles such as the products.
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Foods are not wet enough at the drying temperatures * involved to reduce their market appeal as dry, quickly reconstituting items.
On the other hand, the articles should not be subjected to temperatures high enough to cause changes or deterioration. When the dried articles are reconstituted by adding water thereto, their original characteristics, including their taste, are restored to a large extent. Processes of this kind to which the present invention relates are commonly referred to as lyophilization processes, and this term is used in the remainder of the description to denote the process of the invention, and the apparatus for the mine carrying out this process. .
Although the elm of the invention which will be described is a lyophilization process in the broadest sense, the process can be used to dry products which are not frozen but which would be damaged by the application of. excessive heat. On the other hand, the process can be used to remove liquids other than water, from substances other than food products.
Two major obstacles have prevented the diffusion of high-capacity freeze-drying processes for drying food products such as fruits, vegetables, meat, summer *
The first obstacle is that the drying time is considerable, which causes inefficient use of personnel and machines. The other obstacle is that the processing costs such as pumping costs, motive power costs and heat loss factors were high.
As dry food products have to be sold in a very competitive market, an apparatus which may be suitable for the laboratory, for example for the preparation of relatively small quantities of high-priced biological products often becomes impossible to apply. from an economic point of view when working with quantities of the order of a ton, required in the food industry.
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As will be discussed in detail below, the apparatus of the present invention utilizes a gasoline vehicle which circulates at low pressure in the drying chamber during the drying process and performs the dual function of providing the heat of sublimation (or digging). ) to liberate water vapor from the ice core of the drying material and to entrain the sublimated water vapor by sweeping over the surface of the drying material in the chamber.
In a freeze-drying process, the ice on the surface of the product first sublimates, leaving a dry porous outer layer that surrounds a core of frozen product. In the present invention, the gaseous vehicle diffuses through the
A shell of dried material * which surrounds the ice core and enters the gates, "cells", or interstices of the material's salt. Therefore, heat is transmitted to the ice core from the gas vehicle @ = by conduction through the gas in the pores and by conduction through the shell of dried material that surrounds the ice core to the latter. .
In the present invention, the gaseous vehicle and the entrained water vapor exit the drying chamber to pass into a refrigerated condenser where these vapors are condensed.
The gaseous vehicle is condensed into a liquid and the water vapor is condensed into ice which is then melted * The liquefied gas vehicle is separated by gravity from the water, and the gaseous vehicle is reheated to return it to the state vapor or gas phase suitable for recirculation in the drying chamber
In operation of this apparatus, the pressure in the drying chamber is maintained at a value low enough that the ragged vehicle and the water vapor are not cooled to their respective dew points as they pass through the drying chamber. drying.
The pile vehicle is vaporized before being introduced into the drying chamber and condensed at a lower temperature after exiting the chamber.
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such. so that a pressure difference establishes you between the inlet and the outlet of the drying chamber and provides the driving force necessary for the gaseous vehicle to circulate in this chamber.
The gaseous vehicle therefore supplies the heat of sublimation and sweeps the sublimated water vapor without the need to use a blower to circulate the gaseous vehicle in the drying chamber.
In addition, the food products in the drying chamber serve as a current restriction in the gas carrier circuit and as the hot gas carrier transfers its heat to the food.
the temperature and the partial tension of the gaseous vehicle decrease and finally reach the partial tension present in the vapor condenser 'This pressure difference between the inlet and the outlet of the drying chamber is used for pumping or to ease the circulation of the vehicle gas and entrained water vapor.
As mentioned above, the gaseous vehicle leaving the drying chamber at the indicated pressure entrains the sublimated water vapor in the vapor condenser. In this condenser, refrigerated coils absorb the heat required to condense (liquefy) the gas carrier and to freeze the water vapor entrained in ice crystals.
An object of the invention is to provide a gaseous vehicle freeze-drying process which allows the drying cycle to be carried out in a relatively short period and at an economically acceptable cost. Processes in which all the factors are combined to accelerate drying are known, but known methods of this type are not commercially acceptable * For example, it has been proposed that the heat of sublimation be supplied to the ice core at an accelerated rate using radiant heat for the first stage of dried and completing the drying using microwave.
However, the cost of installing such an apparatus on a large scale is excessive and uncompetitive. According to the present invention, the
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radiant heating and by lI101O-on41. may be useful later in the drying cycle when sublimation is Pe.
de, and a gaseous vehicle can then be used in the cycle when sublimation becomes more difficult
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Another object of the invention is to provide a cake-like freeze-drying apparatus which does not require mechanical pumping to achieve the desired circulation of the vehicle through the drying chamber. These stops are reached. U t41S are an irhiou3i. <Caseu oon 1en ... b1 ... d <i9 tuperatures and practical pretition, and preferably 1mmi.oib1, at the vice.
Another object is to operate the device at the driving knees dwtw a gaont of pressures and d4. ttmptfraturts which makes it possible to approach the maximum breakage drying rate likely to be reached in theory in a gas vehicle appliance. The volume "rate of edouge dt tun" can be defined as the weight of water vapor dlwnde per hour per unit area and per unit thickness of the material.
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nechèe. The bulk drying rate can also be defined as the weight of water removed per hour divided by the initial weight of the product including water in the product.
In the present
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Invention, the mass drying rate is made optimum by choosing an operating zone in which the pressure
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of the gas is high enough to provide excellent heat transfer to the ice core by conduction but not high enough to indeeirably inhibit the transport of water vapor released from the ice core and through the shell of dried material *.
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Another goal is to provide a propb1: U.- apparatus. : nation which allows the use of continuous loading by carrier. This characteristic can be applied in the gas vehicle apparatus of the invention because the drying takes place fairly quickly and for a determined capacity or flow rate, it is not necessary for the drying chamber to contain a significant quantity of product. at any given time * trust
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this report,
the gaseous vehicle apparatus of the invention is superior to conventional vacuum drying apparatus where water vapor is simply extracted or condensed as it is formed and where the pressure may be less than 1 mm of mercury.
In conventional ultra-low pressure forms, a large volume of material to be dried must be in the drying chamber to ensure adequate flow.
Yet another object of the invention * and to provide an apparatus of the type described in which virtually any loss of vehicle in the sago% or liquid state * is avoided.
Another object of the invention is to lyophilize with a minimum total energy input, either in the form of thermal energy or in the form of mechanical or electrical energy.
A refrigeration unit is required to condense the vehicle into liquid and to freeze the water vapor into ice crystals. In the apparatus according to the invention, part of the energy required to operate the refrigeration compressor is recovered by passing the hot refrigeration gas through the ice melting apparatus, this refrigerant melting the ice. ice crystals. The water thus obtained and the liquefied vehicle are separated by gravity.
The refrigerant preheats and evaporates the liquefied vehicle in a boiler to heat it and recirculate it in the drying chamber,
The manner in which these objects of the invention can be achieved will become apparent from the detailed description given below of a method and apparatus for carrying out the invention.
In the drawings:
Fig. 1 is a schematic representation of an apparatus according to the invention; Fig 2 is a graph showing how the thermal conductivity of the occluded gas, that of the solid matter and the total thermal conductivity vary with pressure in the drying chamber for a typical food product, peaches by
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Fig. 3 is a graph showing how the capacity of the vapor 4'.au iL to flow through the shell of the material. stain varies with pressure in the drying chamber;
Wire- 4 this a composite graphite of the total thermal conductivity of the mass transport coefficient of water vapor and the mass drying rate for different pressures in the drying chamber) Fig. 5 is a graph showing the pressure characteristics -temperature of water vapor and different vehicles.
The most salient features of the apparatus for implementing the invention will first be described. Referring to Fig. 1, the food product is placed in a drying chamber 10 through which is passed a heated, non-toxic, water-insoluble gaseous vehicle (eg heptane). The gaseous vehicle provides the heat of sublimation and entrains the sublimated water vapor in a refrigerated condenser 20. In this condenser, both the water vapor and the gaseous vehicle are condensed. A suspension of ice crystals and liquid vehicle passes through an ice melter 30 where the water is separated by gravity.
The liquid exiting the ice melter and the liquid vehicle coming directly from the lower part of the condenser 20 are directed to the boiler 36 and re-vaporized by hot refrigerants.
The gaseous vehicle vaporized in the boiler is heated as it passes through a superheater above the boiler. The dry, hot gaseous vehicle re-enters the seohag chamber and the freeze-drying cycle continues. As the gaseous vehicle is condensed at a pressure lower than its inlet pressure, a positive pressure builds up in the drying chamber, eliminating the need for a blower or a circulating fan.
Before proceeding to a detailed description of one form of the invention, a summary of some of the
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physical problems and considerations involved in freeze drying and particularly in the use of a. mangy vehicle. There are two basic problems which relate to performing a freeze-drying process in a relatively short time or cycle. These problems are i (I) The problem of heat transfer to the ice core in the Dobby.
(II) The problem of removing water vapor which sublimates from the lace core.
The rate of water vapor removal must be high enough to maintain the partial pressure of water vapor on the ice core low enough to prevent excessive temperature of the ice core and the resulting melting. annealed.
Each of these problems brings into play several factors which are described later * In some cases, one factor can only be made optimum at the expense of another and one obtains apparently incompatible parameters. As will be seen, the apparatus of the invention operates within a range of pressures and temperatures which has been carefully chosen to take account of these conditions. According to the present invention the apparatus is set to operate according to the compromise the most efficient between apparently incompatible criteria so as to obtain the optimum mass drying rate.
These factors' 1 and II indicated above will be discussed in detail to facilitate an understanding of the importance of the operating ranges which have been chosen in accordance with the present invention.
(I) Heat transmission to the dacian core in the material (a) Effect of the temperature of the ice core
The heat transmission to the ice core is greater the lower the core temperature because the rate of heat transmission between two bodies is a function of their temperature difference Therefore when
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the ice core is cooler e'a-ary the lower its temperature compared to the temporary of the vehicle axtst, the heat transmission from the mangy vehicle to the ice core is all the greater.
This criterion would suggest bringing to the sa *
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xlmua it temperature of the gaseous vehicle and At minimum the tmpdra. ture of the ice core, null in the apparatus of the invention the setting of other * so-called operating conditions slows down the temperature of the ice core Consequently, as will be seen, in 10 & ppartil of the invention it Do not attempt to adjust the temperature of the ice core directly.
(b) Effect of the tea.pér # 1fftreil on the surface of the geouit of matibri The transmission of heat by conduction through the material itself towards the ice core is all the greater as the surface temperature of the shell of dried material * surrounding the core is higher.
The temperature of the outer surface of the hull of dried material which surrounds the ice core is primarily a function of the temperature of the vehicle.
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pasty cule passing through the drying chamber, Amdo in the apparatus of the invention, the surface temperature of the
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dried material @ is controlled by regulating the temperature of the gaseous vessel * However, the temperature of the dried material shell * must be kept below a temperature which, as a bonus would be the dried parts of the product,
so that the temperature of the gaseous vehicle mentioned above cannot be raised beyond extrinsic limitations.
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(c) Effect of heat wave activity on dried oopue and occluded vapor on heat transfer to nex at the crack.
In the apparatus of the invention, the heat of sublimation must be provided by transmitting heat from the gas vehicle to the ice core. This transmission of the gaseous vehicle current sweeping the exterior of the hull to the ice core
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'performs in two ways. One way is conduction through
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the solid material of the composite shell of dried material @ Until
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core.
The other is a transaisaion by conduotion of the ah * lw? through the gas mixture retained in the cells, pores, capillaries or matrix of the shell d .... t1r .. 'ob' ,. This occluded gaa mixture comprises the water vapor forgetting from the ice core and If, .lhiW1. gaseous Which d1tf \ & l 'in the hull. This heat transmission erfeotue you from the occluded case to a cell, a pore or there pMla'ua capluairel of this wall to the gas oc <Mu <d4ma 1 <port fti.tr1J, Xa opposite wall of the pores and so on. until a4, that the heat is transmitted to the ice core.
The total thermal conductivity is the volume of these two effects *
In the case of cellular material such as fruits, vegetables, meat or the like, or porous materials such as coffee concentrates, most of the time has dried.
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of the volume of the shell of elder material which surrounds the ice core is occupied by this occluded gas mixture * The effect is the same whether it is pores or cells and the more general terms "porous" and " pores "are used for the whole thing.
When the apparatus is operated in the range of pressures most suitable for the lyophilization of food products or the like using n-heptane as a gaseous vehicle according to the invention, about 54% of the net thermal conductivity of this composite shell. of material and occluded gas are responsible for the transmission of heat through the gas occluded in the pores of the material. The corresponding number for a subject
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re ¯uoroch1que (FC-75) is' or, and other fluorooarbons give similar results.
As mentioned, since the shell of seo-material is always in contact by one of
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its parts with the ice core, total thermal conductivity also includes the effect of the direct transmission of heat from the external vehicle gas stream through the solid matter itself and to the ice core.
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We will now refer to Flg. 2 which includes a curve representing the total thermal conductivity K of a
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the CondUat4Vtt $ thetaiqse 40 occlui (heptane) at din4, rente # pressures and at the temperatures entering 4a game in the process. The Fi g. 2 also presents curves showing the individual contribution of gas and the individual contribution of solid matter to the total thermal conductivity curve.
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referring to the Udder curve.
2 at lower presiio1! At 0.1 m of mercury the gas contribution is leaked but as the pressure increases beyond this point the gas contribution increases rapidly. This can be explained as follows * When the pressure of the occluded gases is very low, the number of gas molecules which occupy a given volume (e.g. a pore or capillary of the food material) is also reduced * Under these conditions , the path
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free mean of molecules between collisions intemoleculators is greater than the diameter of the pores, According to the kinetic theory of gases,
the thermal conductivity is proportional to the product of the density of the gas and the mean free path * In this case, where the mean free path is kept constant by the wall of the pore or cell, the thermal conductivity of the gas is proportional to the density of gas which, in turn, is
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tional to the pressure * This is represented on the '"part' * of the gas" curve in Fig. 2 and corresponds to the essential part) *?
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right of the curve to the left and below point "x". [\:
It will be noted that when the right part of the curve representing 'the contribution of the gas to the left of the point "tE" is added 1 tributton in constant value of the solid matter, the horseradish expressed by the straight line this lost on the graph d * 4j4 fatal thermal activity get! ' The kinetic theory of the gases shows that the thermal conduction of the gas is independent of pressure if the average free path of the molecules is reduced relative to the dimensions of the space surrounding them.
In the present case, at the highest prelts (greater than approximately 30 mm of mercury), the number of molecules which occupy a pore of the food product * * is greatly increased so that the laws of collisions between loti
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molecule * dominate as opposed to collisions between molecules and the pore walls. Under these circumstances, the average free path of the molecules is reduced relative to the pore diameter, and the thermal conductivity remains or becomes constant as the pressure increases further.
This state is represented on the "part of gas" curve of Fig. 2 by the essentially constant value part of the curve to the right of the "y" point.
Between point "x" and point "y" is a transition zone where the ratio of the contribution of the thermal conduction of the gas to the pressure changes from a direct proportionality ratio to a conductivity ratio. constant when the pressure changes.
This gradual transition is the result of variations in the size of the pores in the dried material @, such that there is no single pressure at which the mean free path becomes equal to the pore diameter * Further, the phenomenon called " temperature jump "which manifests itself as a definite difference in temperature between the solid surface and the gas immediately adjacent to the surface becomes noticeable when changing from high pressures to lower pressure. The" temperature jump "causes a reduction apparent thermal conductivity when moving to internal pressures in the transition zone.
The total thermal conductivity curve of Rod 2 is the algebraic sum of the curves of the contribution or share of gas and of the contribution or share of solid matter. The shape of the sinuous section of the curve which. a second positive derivative, ie the section of about 0.01 to 1.0 mm of mercury, is well below the operating range.
The shape of this section comes simply from the algebraic addition of a straight horizontal line and a nearly straight line inclined on a logarithmic ordinate, and in this case the effect of direct conduction dominates., However, the another curved section of the curve, namely the section between 2.0 and 30 mm in mercury, has a physical significance in relation to the dimensions of the
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cells or pores, and the free molecular path Costing medium has been explained,
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To sum up, the relationship between pressure and thermal conductivity can be understood by considering how the mean free path and the number of collisions of gas molecules vary with the pressure of the gas.
At extremely high pressures
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weak, there are few collisions tntermo14cu1a1rl ', and the molecules of the gas mainly collide with the walls of the
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cell, pore or capillaries of the porous natlère, The average free path of the molecules is limited to the average ditacneion of the interstices or pores in which they are contained * however the number of molecules is so low that the thermal conductivity due to the occluded gas is negligible.
As the pressure increases, a point is reached
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(adjacent point nxn, end. 2) where the number of molecules colliding with the solid matrix increases appreciably in direct propor- tion with the increase in pressure, when the near
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The pressure is raised to a value of several millimeters of mercury (in the transition zone, Fig. 2), a significant number of intermolecular collisions begin to occur.
In this pressure region (the Ion where the device operates), the
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The behavior of the gas undergoes a gradual transition to the vaporization it exhibits at even higher pressures above the "y" point where the dominant type of collisions is inter-molecular as opposed to collisions with the solid matter which causes them. surrounded. As the pressure continues to rise
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(above the area of point nys, Fil. z) 1nte01éoulairel collisions dominate and, in fact, at pressures which are not too far from this region, the thermal conductivity remains constant and no longer increases as the pressure increases.
As can be seen in Fig. 2, the total thermal conductivity of the dried food products has a value
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relatively low substantially constant (0.009) at pressures less than 0.01 mm Hg, and a second substantially constant value (0.0194) which is 2.15 times greater than the first substantially constant value. This second practically constant value occurs at pressures greater than about 30 mm of mercury.
According to the present invention, there is an important transition zone between these two pressures, namely the sound between 2 and 30 mm of mercury where the lower value of the total thermal conductivity X (using heptane as gaseous vehicle ) is still relatively high (greater than 0.15 units) and where K increases from this value almost goes up to the possible maximum of 0.0194 units.
The lower operating range of 22 mm Hg is chosen because it represents the lower end of the transition zone. Below a pressure of about 2 mm of mercury, thermal conductivity decreases rapidly in a ratio expressed by a practically straight line,
When all these factors are made optimum, it is found that when considering thermal conductivity alone in the case of food products such as beef, vegetables, fruits etc., there is a total vapor pressure (which can be going down to 5 to 15 mm of mercury and sometimes going up to about 30 mm of mercury) for which the thermal conductivity is almost at its maximum. Above .
At 30 mm of mercury, the rate of increase in thermal conductivity with pressure drops so quickly that no benefit is derived from these high pressures.
On the other hand, according to the present invention, it is taken into account that as the water vapor pressure increases, the temperature of the ice core increases since the temperature of the ice core adapts to the pressure of. vapor to which it is subjected.
The liquid in the food is usually a solution, and the euteotic temperature point of this liquid is
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lower than the temperature corresponding to the triple point of water.
It is generally not feasible from a commercial point of view to work below the sutectic temperature, of sort, * that the partial pressure of the water vapor will be maintained, between the temperature of the euteotic point and that of the triple point, at a point which reduces to an acceptable extent the amount of liquid solution remaining in the material during drying,
When the drying is completely complete, the material is completely dry and the very small amount of water in the solution which was present is evaporated.
As emerges from the. Fig. 2, thermal conductivity
K can be regulated by acting on the pressure in the drying chamber and, in the range examined, the thermal conductivity increases as the pressure in the drying chamber increases.
It may also be mentioned that the heat transfer capacity of the gaseous vehicle itself which sweeps the product varies directly with its density and therefore with its pressure. Thus, in addition to its low thermal conductivity at very low pressures, the gaseous vehicle itself has a low heat transport capacity per unit volume at these low pressures. In the working pressure zone used in the invention, the thermal conductivity of the gas vehicle is relatively high.
II 'Elimination of water vapor from the material.
(a) Effect of ice core temperature.
The rate of water vapor removal increases as the temperature of the ice core increases. As the temperature of the ice core increases, the vapor pressure of the ice also increases which increases the force which pushes the vapor away from the ice core and therefore increases the rate of vapor removal from the ice core. water. Note that the effect of this phenomenon with respect to the advantages obtained is incompatible with paragraph 1 (a) or an increase in the temperature of the ice core lowers the heat transmission to this core.
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and, therefore, is a disadvantage.
However, as already mentioned, in the operation of the apparatus according to the invention, the temperature of the ice core is determined by the choice of other parameters. , the partial pressure of the water vapor is kept sufficiently low, that is to say between the eutectic point and the triple pointa so that the temperature of the ice core does not become too high and so that the ice does not melt * (b) Effect of the concentration of water vapor on the surface of the shell of dried material
The concentration of water vapor on the surface of the dried material shell,
that is, material between the sur. face of the product and the lace core, slows down any further sublimation of water vapor from the ice core. The water molecules leave the ice core by sublimation according to statistical laws and, according to the same laws, the molecules of the water vapor which surrounds the nucleus can also re-enter it. This feedback effect is increased as the concentration of water vapor on the surface of the material increases.
It will be remembered that the laws of physics indicate that the ratio between the intrinsic vapor pressure on ice at a given temperature and the actual water vapor pressure that may be present is a factor which determines the rate of sublimation. The water vapor molecules come out of the ice core and reenter it again and these molecular phase changes offset each other at equilibrium conditions, that is, when the two vapor pressures are equal * This sublimation action of the surface of the ice core is not affected by the coexisting partial pressure * of the molecules of the mange carrier.
The preferred gaseous vehicle, n-heptane, is immiscible with water and does not dissolve in ice, so that the two gases (or vapors, if we prefer to use that term) react independently to the water. point of view of initiation of the sublimation process.
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The concentration of water vapor at the surface of the
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shell of dried material * can be adjusted and, in fact, made to a low value in the present invention by acting on the temperature and the gas current. This last one is
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doubting more effective in lowering the concentration of water vapor on the surface of the material shell oh that it is drier $ e'et that is to say that its relative humidity is lower # The rate of sublimation from the ice core is increased * in proportion.
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(c) Effect of the transport coefficient of tasie of water vapor through dry matter ocapoeite fitjjRdirftfon.aai-P.ççJHis. , .. ,,,,,,.,,, ... M1 #. ,,.
If all other factors are ignored the drying time is reduced as the corn transfer coefficient of water vapor is increased. The coefficient of trans-
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breakage rate includes the effects of the current or diffusion of water vapor molecules from the surface of the ice core and through the shell Intermediate of matter
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eechee and occluded gas vehicle,
and the hydrodynamic current of molecules on the slaughterhouse # pathµ $ The extent to which each of these Individual effects contributes to the overall mass transfer coefficient cannot be expressed in a simple way. The net effect is proportional to the difference between the water vapor pressure in the ice core and the total pressure in the drying chamber, a pressure difference which establishes the motive force which pushes the water vapor away from the ice core. ice.
However, the effect of a given driving force is itself related to the physical properties of the material subjected to drying and to the properties of the gaseous carrier gas, for example its molecular weight. As the pressure of the gas vehicle or vapor occluded in the pores of the material subjected to drying decreases,
water vapor molecules that have been sublimated from the ice core can move around
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all the more easily through the pores of the dried material and through the porous walls to the surface of the material where they can be swept by the gas vehicle.
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We will now refer to the graph of FIG. 3 which largely goes without saying. As can be seen in fig 3, there are two distinct phases in the curve of the mass transport coefficient * At pressures below about 0.2 tin of mercury, the mass transport coefficient D is constant at its maximum value .
At pressures above about 2 mm Hg, the breakage transport coefficient decreases as the pros- sion increases ,, There is a transition zone between approximately the pressures of 0.2 and 2 mm Hg which connects the two aforementioned areas.
As in the case of thermal conductivity, the mass transport coefficient can be adjusted by acting on the pressure in the drying chamber * This coefficient is all the higher and the speed of the stream of water vapor coming from of the ice core passing through the pores and joining the gaseous vehicle stream is greater the lower the pressure. As shown in Fig. 3, the operating zone according to the present invention is between the upper pressure limit of the transition zone of the mass transport coefficient (about 2 mm of mercury) and a pressure of about 30 mm of mercury.
As shown in Fil-2, the lower of these pressures (2 m of mercury) corresponds to the lower pressure of the thermal conductivity transition zone.
The highest pressure is the pressure at which the thermal conductivity K (Fil. 2) has become practically constant.
The comparison of Figs. 2 and 3 reveal that in the working area of the present invention, as the total vapor pressure is reduced from the higher working pressure of 30 mm of mercury to the lower pressure of 2 mm of mercury, the coefficient mass transport increases by several hundred percent (about 800%), while the corresponding reduction in thermal conductivity is only a little over 20%.
In the present invention, the mass transport coefficient
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in the operating zone shown in Fig. 3 is sufficient to release the water vapor released as a result of the heat supplied. to the ice core following the principles discussed in connection with thermal conductivity.
It is now possible to explain how the various operating parameters are chosen according to the indications of the present invention. By comparing the three factors listed all (I) heat transfer to the ice core, and (II) removing water vapor from the material, as mentioned, the factor (a) in each case, namely the effect of the temperature of the ice core, is not directly adjustable. when the process is started and therefore cannot be independently adjusted to reduce the drying time.
This is because the temperature of the ice core during drying is only determined by the heat and mass transfer equations corresponding to the apparatus after factors (b) and (c) of items 1 and II above have been fixed.
Items (b) of the two main headings (I) and (II) are easily adjusted and are not incompatible. These items are: the temperature of the dried material shell and the concentration of water vapor at the surface of the shell. These stations can be optimized by adjusting the temperature of the gas vehicle, its flow rate and its degree of dryness, so that in the present invention a choice of the characteristics of the gas vehicle ensuring advantages over one of the factors of positions (b) mentioned above also provides advantages over the other factor.
Items (c) of item CI) transmission of heat to the ice core, and item (II) elimination of water vapor are generally incompatible. These items are: the thermal conductivity of the gas occluded in the shell of dried material and the mass transport coefficient of the water vapor sublimated through the composite shell and its large volume of gas occluded.
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As described above, if the pressure in the drying chamber is increased by a small amount (for example
1 or 2 mm of mercury) at a higher value (eg 30 mm of mercury), the thermal conductivity of the dried intermediate composite part of the material and the occluded gas increases and then remains practically constant.
Conversely, as the prose ± = in the drying chamber increases in the same range, the mass transport coefficient of water vapor from the ice core through the intermediate composite dried shell of occluded gas material and up to the surface of the material to be centered by the. gaseous vehicle decreases but remains sufficiently high.
In the case of the mass transport coefficient, the increase in nearness instead of being favorable as in the case of the thermal conductivity factor becomes a disadvantage * In fact, at atmospheric pressure, the mass transport effect quoted has such a low value that, although the gaseous vehicle could sweep all the water vapor from the surface of the hull and thus maintain zero water vapor pressure at the surface of the dried material, the mass transport of the sublimated vapor from the ice core to the surface of the dried material would be so slow that the drying time would become unreasonably long.
It should also be noted that the transmission capacity of heat per unit volume of gas increases with pressure and that at very low pressures, large volumes of gaseous vehicle must circulate to provide the heat of sublimation.
As mentioned and according to the invention, these apparently incompatible factors are made optimum by choosing a working pressure in the drying chamber in a pressure area where the thermal conductivity curve lies in a range of. transition, namely a pressure sound where the average free path of the molecules of the gaseous vehicle are of the same general order as the average interior dimensions of the pores,
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cells or capillaries of the matrix of the material to be dried * Any further increase in the pressure of the gas vehicle does not promote the transmission of heat from the outer surface of the shell of the dried material to the ice core $
Reference is made to the composite graph of FIG. 4.
This graph superimposes the thermal conductivity and mass transport curves discussed above and adds a curve representing the resulting mass drying rate W for a typical food product .. such as peaches. Note * that the already quoted overall working range area * includes the bump of the mass drying speed curve * However,
according to the present invention a pressure range! typical working speed is much smaller and 5.67 to 11 mm Hg in the example cited * This range practically coincides with the are of the optimum mass drying rate on the curve * In this pressure range,
the effects of the transport of ses are still sufficiently great although rapidly reducing as the pressure increases that the water vapor sublimated from the ice core reaches the surface of the dried material to be entrained by the gaseous vehicle at a speed ensuring reduced drying time.
As already indicated, if a sufficient quantity of heat for forgetting has reached the ice core, as soon as the water vapor reaches the surface of the matter, there is no longer a problem because the gaseous vehicle can be easily adjusted to sweep this water vapor out of the drying chamber * The partial pressure of the water vapor never exceeds approximately 1.3 mm of mercury which is well below the pressure of the triple point so that sublimation occurs.
In the processes already proposed using a gaseous vehicle, this gas circulates in the apparatus at a relatively high total pressure, for example at atmospheric pressure. Under these conditions, it can be seen in Figs.
3 and 4 that characterized them
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The mass transport rates of water vapor through the gas occluded in the intermediate dried material are so low that even when the surface of the dried material is freed of water vapor by the gaseous vehicle, the amount of vapor of water removed from this region of the ice core is not large enough and additional amounts of water vapor cannot be sublimated from the ice core through the intermediate shell of dried material to make the process. convenient.
These devices require unreasonably long drying times.
On the other hand, if the known devices of the non-condensable gaseous vehicle type were used at total pressures low enough to achieve an acceptable mass transport of water vapor through the intermediate shell of dried material, the conditions the volume and speed required for the pumping device of the gaseous vehicle would be very severe, which again would make the cost of the device economically uninteresting.
The optimum working area, in terms of water vapor removal rate, is the region in which the pressure is high enough to achieve relatively high thermal conductivity and high heat transfer to the ice core, but this pressure cannot be raised to the point; to reduce the mass transport sufficiently to inhibit excessively the passage of water vapor from the ice core through the shell of dried material and the process is carried out without increasing the temperature of the ice core sufficiently to clean a commercially unacceptable amount of unfrozen concentrated solution of solids and water during the drying process.
As mentioned, the very small amount of solution which forms is also evaporated during the drying cycle.
As indicated, the operating zone in terms of pressure range can be defined as the transition zone from the thermal conductivity curve to temperature.
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rature chooses * This can also be defined as the range of pressures in which the average free path of gas molecules and the average dimensions of pores, cells, or capillaries are practically equal or of the same order.
The working pressure zone * can be further described as' being the sound system in which the thermal conductivity is as high as possible but where, yet, the pressure is not so high as to prevent the passage of vapor from it. water out of the matrix to such a degree that the maximum allowable temperature for the ice core would be exceeded *
The basic criteria and parameter. discovered as determining the operation according to the present invention having been explained, reference will now be made to FIG. 1 which is a diagrammatic representation of the essential elements of a freeze-drying apparatus of the discontinuous type for the implementation of the invention.
GENERAL DESCRIPTION OF THE APPLIANCE.
Referring to Fig. 1, the product to be dried is placed in the drying chamber 10, the details of which do not form part of the present invention. In the case of vegetables, mushrooms or the like, the product is cut to size or otherwise processed into fairly small pieces. In the case of meats, the product is diced or relatively thinly sliced in the usual way. In the discontinuous apparatus shown, the usual sealed door 12 is provided for loading and unloading the product.
Before being placed in the drying chamber, the product is distributed over mesh trays 14 which are arranged horizontally and which allow the passage of gas through, the product and the bottoms of the trays. The product to be dried, generally indicated at 16, has been previously frozen in conventional industrial apparatus, the details of which do not form part of the invention.
An outlet passage 18 connects the drying chamber 10 to the condenser 20, this condenser being provided for condensing and releasing.
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to defy the mangy vehicle HV and freeze the input water vapor WV to ice crystals X. As already mentioned, the mangy vehicle HV useful in the form of the invention which will be described is steam. of heptane in the gaseous state. Associated with the main steam condenser 20, a refrigeration apparatus is indicated by R.
This device includes the usual compressor
22 wherein the refrigerant gas is compressed and conducted through a hot refrigerant pipe 24 to a coil 28 in an ice melter 30. The ice melter 30 serves as a first stage condenser of the refrigerant and provides the heat required to melt the ice crystals X formed during the drying process.
An outlet pipe 34 passes the hot refrigerant exiting the ice melting coil 28 into a boiler 36 where the liquefied heptane HL is evaporated, to form the vapor or gas phase HV. This evaporation is carried out by means of an evaporation coil 38 which is connected to the pipe 34 and which is immersed in the liquid vehicle HL in the boiler 36 * A refrigerant outlet pipe 40 connects the evaporator coil. - heptane controller 38 to an expansion valve 42 and the cooled and condensed refrigerant leaving the expansion valve 42 expands in the refrigeration coils 44 mounted in the upper part of the main steam condenser 20,
The refrigerant, which is now gaseous, is returned to compressor 22 from the condenser coils
44 by a suction line 46.
To rid the refrigeration coils 44 of accumulated ice crystals, a coil sprinkler pump 50 is provided with an inlet line. 51 which receives the liquid heptane HL from the lower part of the condenser. The output of the pump is connected to a distributor 52 which is located above the refrigeration coil 44.
This distributor is provided with small nozzles or orifices so that the liquefied vehicle HL extracted from the lower part of the condenser pump 50 is sprayed on the refrigeration coil 44 to loosen and entrain the ice crystals X which are deposited there. At the lower part of the condenser, an agitator 54 is provided, driven by a motor.
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reducer 55, This agitator 54 not only acts * $ 1 Mttà of ice and liquid heptane but also serves as a pump to make
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pass this saga * through a line 56 into the melting apparatus 4th the ice 30, If necessary, a pump (not shown) can also be installed in the line 56 to transport more POU- t,
rrea0.errt the magma to the ice melting device. Water II, formed in the apparatus for melting ice by heat tower. *
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ni * from the condensing coil the refrigerant is pumped to atmospheric pressure and discharged * by a water charIf pump 58 whose inlet is lt1iê. to the fusion apparatus 30.
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A primary line for liquid heptanw 60 is fitted to the upper part of the main steam tank casing 20 and terminates in a liquid vehicle secondary line 62 coming from the top of the steam generator. fusion
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ice z0, The pipes 60 and 62 ae join to form a common pipe 64 which leads to the boiler 36 in a are located below the coil 38 of the boiler.
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The pressure "b" between the level of the liquid in the vapor condenser 20 and the liquid in the boiler b is made equivalent to the difference between the pressure in the boiler and that in the condenser. As can be seen, this pressure
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equivalent to .8 mm Hg, which corresponds to 116 aat 4 'hep tan * liquid.
In the lace termination apparatus 30, the interface between liquid heptane and water must be maintained at a level sufficiently low to prevent water from reaching the conduit 62 leading to the boiler 36, and yet sufficiently high.
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so that the heptane can reach the pump µ $ On Useful a level control device and an electromagnetic valve 65. in line 60,
The level adjuster is shown schematically. It uses a 66 sensor with a * probe or electrode
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high and low level and a control device 67.
The ap
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such a control comprises a part which operates the valve 65 and a part which starts or stops the motor of the pump 58. When the heptane-water interface falls to the level of the low level electrode the pump 58 is stopped and the valve 65 opened to increase the passage of heptane in the line 62. This allows the entry of a greater quantity of magma into the ice melter and the interface rises.
When the interface reaches the high level electrode of the sensor 66, the valve 65 is closed and the pump 58 is started, which lowers the level of the interface * Level regulators of the type described are manufactured by Fielden Electronics, Inc., Huntington, New York and sold as "Tektor". The details of the level adjustment do not form part of the invention and are not described.
The pressure h1 between the liquid level in the vapor condenser 20 and the top of the liquid heptane in the ice melter 30 should only be sufficient to prevent vaporization of the heptane in the liquid. ice melting apparatus. At 40 F (4.4 C) this pressure is approximately 20 mm Hg. Since the total vapor pressure in the vapor condenser 20 is 5.67 mm Hg, the indicated pressure hl should be 11.1 inches (282 mm) for a liquid vehicle having the density of heptane.
In order to remove air and other non-condensing gases which might be entrained in the apparatus or which might enter the apparatus through leaks during drying, a refrigerated trap 70 is provided in the condenser. 20. This trap 70 is formed by a closed vessel comprising an inlet pipe 72 coming from the upper wall of the condenser 20. A vacuum pump 74 is connected to the vessel of the trap to remove non-condensable gaa such as air. .
In order to recover the vapor from the gaseous vehicle, possibly not condensed, which would be sucked by the pump 74, the trap is cooled by a coil 76 which is connected to a refrigeration device (not shown), of which
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the details are not part of the invention. The condensed gaseous vehicle and any condensed water vapor are returned from the trap to the condenser 20 through a return pipe 78.
Returning to the boiler 36, directly above this boiler is a gas vehicle superheater 80 in which the vaporized gas vehicle HV is superheated by steam pipes 82 disposed in the superheat chamber. Steam is supplied at the temperature necessary to give the desired superheat to the vaporized gas HV, and is controlled by a steam valve 83. The superheated dry gaseous vehicle is conducted from the superheater 80 to the inlet port. from a drying chamber 10 by a passage 84. The passage 84 and the other parts of the apparatus are isolated, for example by the caulking 86 shown in part on the passage 84. This caulk and any other insulation that may be necessary have been removed from the Wire diagram. 1 for clarity.
In order to save the gaseous vehicle remaining in the drying chamber and in passages 18 and 84 during the loading and unloading operations, isolation valves 90 and 92 are used. A refrigerated trap 94 is connected to the drain passage. return 84 via a pipe 96 and a valve 98 * A vacuum pump 100 removes air and non-condensable gases. A refrigerated coil 102 liquefies the condensable gases and these liquids exit from the trap 94 through a return line 104. A valve 106 directs the condensed liquid to the condenser 20 through a line 108 or discharged through a line 110.
GENERAL OPERATION OF THE APPLIANCE.
The general operation of the apparatus according to the invention will be described below.
The criteria envisaged for the choice of a gaseous or liquid vehicle for operating the freeze-drying apparatus when processing food products will be examined below. It will suffice here to specify that the vehicle used in the form of the the invention described is heptane, the characteristics of which
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as 8 physical are shown above * In the form described the heptane used is n-heptane (normal heptane).
PRELIMINARY PROCESS. PmJM. Ui.Em.
The valves 90 and 92 have been made at the end of the previous drying cycle and after the product has been introduced into the drying chamber and the door has been closed, the first operation of the process is to remove the air of the drying camber and the pipes leading to it * For this purpose, the bleeder valve 98 is opened and the vacuum pump 100 is easily started and operated until virtually all the air trapped between the valves 90 and 92 has been sucked. This results in the removal of a certain amount of water vapor which has formed during the evacuation, but if desired, the water vapor can be condensed in trap 94.
When the evacuation is complete, the valve 98 of the trap is closed and the vacuum pump 100 is stopped.
The valves 90 and 92 of the gaseous vehicle passages can then be opened. To start a new drying cycle, the refrigeration appliance R is switched on and when the valve 83, controlling the supply of steam to the superheater, is opened for the admission of steam, the appliance is ready to use. function.
Gaseous vehicle cycle.
The vehicle cycle will be described below starting at station H of passage 94 at the entrance to the drying chamber. The conditions in this section of passage 84 are substantially the same as those of the entire passage. The states and conditions of the vehicle and the water at the various stations of the apparatus are shown in Table I which is based on a water removal of 100 lbs / hour 45 kg / hour. Table I can be taken to represent the conditions at the start of the cycle of a batch process or the average conditions in a continuous process.
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TABLE 1 - PHOCEDS CONDITIONS ftMï'l al 'Js2'W'1'rélt, t1QQ t1'e 41 100 liyp <t / hmiy.
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Posts <SEP> Teap. <SEP> Pressure <SEP> Pressure <SEP> Flow
<tb>
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#F ma de as total pounds / liat 922tane the% jHL & J: bourg agewe JGfiU A 6.0 4e36 1.31 3 # 67 1980 Vapeur Vapor B 5 # 0 no .1n1t1- 1780 Liquida
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<tb> cative
<tb>
<tb> C <SEP> 5.0 <SEP> "<SEP> 200 <SEP> Liquid <SEP> Solid
<tb>
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D 32.0 100 # # Liquid.
32.0 100 Liquid P 6.8 If 80. Liquid 0 32.3 11.5 - 1105 1880 vapor
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<tb> H <SEP> 161.3 <SEP> 11.0 <SEP> - <SEP> 11.0 <SEP> 1680 <SEP> steam
<tb>
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At the H station, the hot, dry optic steam has a temperature of: 1. '(72 "C) and a pressure of 11% of Hg.
After stable water conditions * leaving the gttwux 00 vihaule are established, the conditions which can be reached very early in the cycle, the steam leaving the drying chamber of the state at is a mixture of cold heptane vapor. UV and Wu water vapor. In this station the temperature of the vapor mixture is 6 * F (-14 ° C) and as can be seen in Table 1 the total prison is 5, p67 May of Hg.
These conditions establish a pressure difference between the drying chamber and the stations.
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H and A of more than 5 mm of Hg which creates the pumping force necessary to circulate gas and water vapor in the drying chamber. The average pressure in the drying chamber
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is about 8 am Hgt Passing through the drying chamber, the gaseous vehicle supplies the heat of sublimation to the dry matter and the ice core and the ice core is sublime by thermal conduction and vapor diffusion water out of the ice core,
as described previously * The gaseous vehicle entrains and sweeps the water vapor which has been sublimated out of the ice core and which has diffused up to the surface of the dried material shell.
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The food product in the upper part of the drying chamber is the first exposed to the hot gaseous vehicle
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entering the room and is the pr8ld.tr t..Iob, r.
As the drying and continuing process it forms a layer of dried material at the top of the drying chamber which has been heated to the same temperature as the gaseous vehicle, p6huS ... in the chamber below the drying chamber. layer of dried material is the drying xono where the heat is transmitted from the gas vehicle to the ice core of the frozen product while the
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sublimated water vapor is swept away by the beggar vehicle.
Vara the bottom of the drying zone, the vehicle is cooled considerably and is mixed with a large proportion of water vapor In this region, the rate of mass drying of the product particles is slower because the difference in temperature between the surface and the ice core is lower so that the heat transfer to the core is slower. The diffusion of water vapor from the core to the surface is also slower because there is less difference in the water vapor pressures.
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between the ice core and the surface. At the lower part of the drying zone, the vehicle and the water vapor have been cooled to the temperature of the frozen products and the partial pressure of the water vapor is equal to the vapor pressure of the ice in the product. frozen.
Below the drying zone, no drying takes place and the product remains frozen until the
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drying area go down to it. During the drying cycle,; the drying zone gradually descends from the upper part to the lower part of the drying chamber and finally the drying process is completed. The food or other product subjected to desiccation constitutes an obstacle to the flow of the gas vehicle so that the pressure difference of
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more than 5 WI1 of ES can be maintained during the drying cycle.
As the cold and wet mixture of gaseous vehicle and water vapor enters the condenser 20, it flows
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on the cooling coil 44 which bends @ the liquid heptane vapor HL and the water vapor is frozen to form ice crystals X. The liquid vehicle falls to the bottom of the condenser 20 to form a mass of liquid heptane HL.
The ice crystals X are detached from the coils by spraying liquid heptane from distributor 52 and since they are heavier than liquid heptane HL; the ice crystals are deposited by gravity at the bottom of the condenser. Stirrer 54 driven by 5µ reducer maintains ice crystals in a fluid state so that ice crystal magma and liquid carrier can flow into ice melter 30.
'
As mentioned above, in order to remove air and other non-condensable gases which leak into the apparatus or which have been trapped the vacuum pump 74 and the refrigerated trap 70 are maintained in operation during the drying cycle. The gaseous vehicle and the water vapor which would possibly be entrained in the trap are condensed there by the refrigeration coils 76 and returned to the condenser via the line 78.
As mentioned, the stream coming from the steam condenser 20 is divided into two streams. Liquid heptane flows directly from an upper portion of the vapor condenser housing 20 through line 60 and joins the heptane exiting the ice melter in line 62 as described above. 60 and 62 meet to form the pipe 64 which directs the liquid heptane to the boiler 36,
In the ice melting apparatus,
the refrigeration coils 28 melt the ice crystals X in water W and the water is pumped at atmospheric pressure and discharged by the pump 58. The level regulator maintains the heptane- interface. water in the ice melter between the electrodes of sensor 66 as described.
The mass of liquid heptane HL in the boiler is
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vaporized by the hot refrigerant in coil 38 lice to form heptane vapor HV. The conditions of this steam at the. station 0 are given in Table 1 and it can be seen that the heptane vapor is at a temperature of 32.3 F (0.17 C) and has a pressure of 11.0 mm Hg. The heptane vapor HV is superheated by the superheat coils 82 as described above to return it to the H-station state where the steam is at a temperature of 161.3 F (72 C) and a pressure of 11 mm Hg.
The above-described circulation of a condensable gaseous vehicle followed by its condensation and re-evaporation communicates heat to the ice core in the product and sweeps away the sublimated water vapor, all without the need for use. . to be a wind tunnel. The efficiency of this process is such that the drying time is greatly reduced compared to that of conventional drying operations by high vacuum freeze drying. For example, in a plant according to the invention, a 1 inch (25 mm) thick layer of food product such as peaches or peas can be dried in less than 1 hour, whereas conventional high vacuum freeze drying of same raw material takes 6 to 9 hours.
The refrigeration cycle will be briefly summarized again. The refrigerant expands at the expansion valve 42 in the coil 44 of the vapor condenser 20. The refrigerant absorbs the heat of vaporization of the heptane vapor and the heat of sublimation of the water vapor in the coil 44. The expanded refrigerant enters. into the compressor through line 46 and hot compressed refrigerant passes through line 24 to the ice melter 30. As mentioned, in the coil 28 of the ice melter the refrigerant provides the heat necessary to shear ice crystals X in a body of water W.
The refrigerant enters the boiler 36 through line 34 and by means of a coil 38 the refrigerant supplies the heat of vaporization of the liquid heptane HL which is reconverted to vapor heptane HV. This cooled liquid refrigerant comes out of the
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boiler through line 40 and passes through the detest valve 42 and the refrigerant expands back into the condenser coil
44 to freeze the water vapor and form ice crystals and condense the vehicle in the liquid state HL as described above,
When the drying cycle has been completed * the refrigeration appliance is stopped, the supply of steam to the superheater is Interrupted and valves 90 and 92 are closed * Using valves 98 and 106 and the refrigeration trap 94 it is possible to purge the passages 18, 84 and the drying chamber of the residual gas vehicle and return the condensed vehicle to the condensate,
The nested product can then be removed from the drying chamber after the vacuum * has been broken.
If a continuous process is used, with the usual air lock and bleeders at the product inlet and at the outlet of the dryer. $ Valves 90 and 92 are not required * GAS VESICLE - Essential characteristics for direct phase separation.
1. When food products are dried, if any residue of the vehicle is taken up by the product that residue should be non-toxic in the amounts present.
2. The vehicle cannot react (must be inert) with the material to be dried, nor with water for direct phase separation.
3. The vehicle must have an intrinsic vapor pressure at the temperature of the ice core in the material that is higher than its partial vapor pressure in the drying chamber during operation at the temperature of the ice core. ice. This prevents condensation of the piggy vehicle in the drying chamber.
The vehicle which is used in the apparatus which has been described is normal heptane. Its vapor pressure is indicated -T; as follows in the Handbook of Chemistry and Physics (Chemical Rubber Publishing Co., Cleveland, Ohio):
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Pressure mm of Hg, 1 10 40 100 400 760 Temperature (approximate) F -30 28 72 107 172 209 The specific gravity of liquid n-heptane is 0.684 at 68 F (20 C) compared to water at 39.2 F (4 C).
GAS VEHICLE - Desirable features.
1. It must be non-flammable,
2. It must have at the temperature of the ice core in the material an intrinsic vapor pressure which approaches as closely as possible its actual working pressure or partial pressure at the temperature of the ice core. However, as mentioned above, these pressures can be so close that the gaseous vehicle drops to its intrinsic vapor pressure at the temperature of the ice core due to a deviation in working conditions which could occur. due to small irregularities in operation * If the temperature of the gas vehicle drops too low, this vehicle will condense in the drying chamber.
Fig. 5 is a graph comparing the pressure-temperature vapor characteristics of heptane with those of water. We see that the heptane curve follows quite closely the water curve but is above the water curve on the temperature scale. This displacement represents a safety factor during operation, which prevents the vehicle from condensing in the drying chamber.
This characteristic, that is to say the fact that the pressure-temperature curve of vapor of the support is shifted towards the naut relative to the corresponding curve * -of water, the is not too far removed, improves the efficiency of the condenser. It allows the operation of the steam condenser without requiring extremely low temperatures. This in turn reduces the temperature difference between the vehicle liquefied in the condenser and the temperature to which the vehicle is to be heated in the vehicle boiler. The result is a reduction in the amount of work done by the refrigerator compressor in order to condense and re-evaporate the gaseous vehicle.
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3, The vehicle must have a relatively high ratio between specific heat (vapor phase) and latent heat of vaporization. As the specific heat of the mangy vehicle in the vapor phase increases, the mass flow rate required to provide the latent heat of sublimation decreases.
It is desirable that the vehicle have as high a specific heat as possible but not at the expense of an excessively high latent heat of vaporization. The amount of heat easily circulated by the refrigeration compressor between the refrigeration evaporator (condenser). heptane and water vapor) and the heptane boiler is larger the higher the heat of vaporization. An increase in this amount of heat requires more work on the part of the refrigeration unit.
Normal heptane in its gaseous state has a heat capacity of 0.38 BTU / pound F at 30 F (0.38 kcal / C kg at -1.11 C) and a latent heat of vaporization of 160 BTU / pound ( 88.9 kcal / kg) at a pressure of 12 mm Hg and a temperature of 32 F (0 * C) which practically corresponds to the state of the gas in the boiler before being superheated. The ratio between the specific heat and the heat of vaporization cited (times 100) is 0.237. The specific ratio of superheated heptane is somewhat higher.
4. The molecular weight of the vehicle should be as low as possible. By taking into account a certain speed of mass passage through the drying chamber, an increase in the molecular weight of the vehicle reduces the weight fraction of the water vapor that the vehicle can entrain for a given ice temperature and pressure. steaming ice.
As a result, the most desirable vehicle optimizes the effects of specific heat ratio and those of molecular weight. For example, n-heptane has a molecular weight of 100.2. Tests were carried out with a fluorocarbon vehicle supplied by Minnesota Mining & nd Manufacturing Co., St. Paul
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Minnesota, called #Fluoroeheaieal PC-'15 ". The PGrY is pnno1pa.
Preparation of perfluoro-2-butyitetrahydrofuran of formula, '16. ' This material has a ratio (liver 100) between the specific heat Cal./g% C 110.C) and the latent heat of vaporization (boiling point calluses) of W- (100) 0.6 'compared to suppressant ratio (times 100) of 0 ± 'M (100) - 0.231 for n-heptane. This material is a colorless and odorless liquid, however the molecular weight of fluorearbur. "pou15" is four times that of n-heptane and despite the more favorable specific heat ratio, this increase in the molecular weight of the fluorocarbon reduces the vehicle's ability to sweep sublimated water vapor by approximately 30% relative to the capacity of heptane.
However, this fluorooarbon possessed other essential and desirable characteristics of a vehicle and therefore may be considered for the process at the expense of a somewhat longer drying time. The temperature and vapor pressure characteristics of FC-75 are given in Fig. 5 with those of hexane and ethyl alcohol which can also be used.
Another fluorocarbon suitable as a vehicle is
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manufactured by 3.1. Du Pont de Nemours de C *, 'W1lm1ncton, Delavare, under the name "Freon 2UN * This fluorinated hydrocarbon is 1,1,1,3-tetrachlorotetrafluoropropane of the formula CC1, CF2cra en.
Its toxicity is low and it boils at 114.5 C, freezes
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at 9yd C, has a specific gravity at 25-C of 1.6927 and a specific heat of z20 oa1 / BI-C. 2560,
5. The vehicle and water (or ice) are preferably mutually insoluble so that the gas = liquefied vehicle can be separated directly from the water and ice without resorting to fractionation.
6. For gravity separation, the vehicle must have a specific gravity at or below freezing water temperature that differs from that of water or ice at these temperatures. This difference must be sufficient
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health to ensure separation gr "Y1JIétnque'd \ 1 gaseous vehicle
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liquid at X * times the glac4; Normal lopheptans useful in ,, "'apP8..IU described m ditail is a saturated parattimic hydrocarbon and therefore is Inert # inactive and tr <<ttbl *.
This Ln41c \ & 1490 other hydrocarbon nozxument liquids in the aethaat arte may be suitable and o # is the case in characteristically oh1IÙqU ... lfouttto1 ', IPhydrocarbon tu4c11atfaent 1l1t'nw, in 14rit, namely loboxanop is not as desirable as 1'btptfAnt from the point of view of tonoUo's oQnora11 & U1 .. 'of 2.'app- p., e11.
In the case of I # hexme # the trfhicuit in #te aonduemb at 6 ma Hg # <M6is <a condonteur temperature of -300? (4 * 0) <L''n.ra1. necessary so that an apparition of r4trigdrat4on could function at this low teapï '* tuï' <t is much greater than for a device working at 5 * F (** X5 * C) toulmento Cool ne .1nl1'1. not that 1 Vexant can not be useful but It is also important that the h <ptMt because the expenditure 4'8 \ ': & 1' was higher *, As we can 1-t see at Pis # 5, the Ethyl alcohol can also be useful when a y4hiCNJ .. * it is then necessary a * dîstill4ktion to repair 1'.10001.
In the 0 &. of 1 $ hydrocarbon Immediately Wp4ri1U1 ', namely octane, the temperature at the boiling point t'Mffi'- sa = have raised # so that the gas is at a temperature more 4Xtt4t than heptane when it is introduced In the siobageo chamber, by confiscating, if the ice was used as a vehicle, the temperature of the ice core and the corresponding low pressure required in the drying chamber to ensure the sublimation so much, would represent such conditions. lJ21iU1 t .. such that the octane gas would condense in the drying oil and therefore, could entrain the Steam 4 '.. u.
Although the form of the invention which has been described in
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detail corresponds to a batch process since the pressures
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Very low levels are not required in the drying chamber as with conventional high vacuum lyophilization processes, the intention and the continuous function. Air stockings are necessary, An airlock system suitable for Xa pre-
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The invention is described in U.S. Patent No. 2,515,098.
On the other hand, concentrated liquids, such as coffee concentrates, can be dry in a continuous apparatus operating in accordance with the present invention. A continuous conveyor capable of receiving concentrates is described in US Pat. No. 2,602,573.
Although a separate passage 18 is shown to connect the drying chamber 10 with the main steam condenser 20, it essentially acts as a single chamber and these two parts of the apparatus can be considered as a single chamber. *
In a batch process) the refrigeration coils 44 in the main condenser need not be defrosted during drying and can be defrosted at the end of the drying cycle.
If heated trays 14 are used, some or all of the premise vehicle superheater 80 can be omitted and the gaseous vehicle can be relied upon to entrain the heat from the trays and conduct it to the ice core of the material.
CLAIMS.
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