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Appareil et procédé pour fabriquer des boyaux en collagéne par extrusion continue.
Là présente invention concerne la fabrication de boyaux en collagène tels que des boyaux synthétiques pour saucisses et, plus particulièrement, un appareil et un procédé perfectinnnés pour fabriquer un boyau en collagène par extrusion continue.
Le produit de l'invention, après des traitements de finissage appropriés convient en particulier comme boyau comestible pour des saucisses de porc fraîches qui doivent être cuites par le consommateur ainsi que des saucisses du type saucisses de Vienne ou de Francfort. Ces dernières saucisses sont en général préparées par fumaison et cuisson lors de l'emballage et sont réchauffées avant d'être consommées. Lorsque ces saucisses sont pourvues de boyaux comestibles, il n'est pas nécessaire d'enlever le boyau avant de manger la saucisse.
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Les boyaux naturels obtenus à partir d'intestins de mouton, de porc et de boeuf présentent certains inconvénients inhérents tels au'une paroi non uniforme et poreuse, des dimensions et une comestibilité variables, et des prix ainsi oue des quantités disponibles qui varient largement. A l'exception de certains boyaux obtenus à partir d'intestins de mouton, les boyaux naturels sont coriaces.
De plus, les boyaux naturels sont difficiles à nettoyer et à préparer pour la consommation humaine: En outre, l'épaisseur de la paroi et le diamètre des boyaux naturels varient ce qui occasionne des difficultés pendant leur bourrage ou remplissage à grande vitesse pratiqué actuellement. En raison de ces inconvénients, on a souvent essayé de fabriquer de meilleurs boyaux synthétiques comestibles à partir de sources de protéines telles que le collagène.
La présente invention procure une nouvelle extrudeuse ainsi qu'un procédé d'extrusion utile grâce auquel un boyau peut être obtenu à partir de collagène animal sous une forme per- mettant de produire des boyaux synthétiques de résistance adéquate mais qui sont exceptionnellement tendres et peuvent être cuits sans fondre, ni rétrécir, ni éclater. '*
DEFINITIONS. ,
Pour la clarté et la brièveté de la description, on définira certains termes utilisés dans ce mémoire et utiles pour bien comprendre l'invention, de la façon suivante :
Par le terme "fibrille de collagène" on entend l'unité de structure des tissus de collagène formés de plusieurs milliers ou même millions d'unités de tropocollagène.
La fibrille de collagène, telle qu'on la trouve dans une peau de bovin, mesure à l'état complètement déshydrate de 50 à 1000 de diamètre et sa longueur est indéfinie. On a pu observer des fibrilles de collagène de peau mesurant 20.000.000 A (2 mm) de longueur. Les @
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fibrilles de collagène dans une peau de bovin. sont disposées en faisceaux pour former des fibres de collagène mesurant plusieurs milliers de A de diamètre et de longueur indéfinie.
On a pu observer;des "fibres" de collagène de peau de bovin (à distinguer des fibrilles) qui mesurent d'environ 10.000 à 20.000 A à l'état déshydraté et on croit qu'il existe des fibres de collagène allant jusqu'à 1 mm de diamètre (10.000.000 A) à l'état déshydraté. Chaque fibre de collagène contient des centaines ou même des milliers de fibrilles réunies par une gaine. Les fibres de collagène, à leur tour, sont-groupées en faisceaux suffisamment importants pour être visibles à l'oeil nu et constituant le réseau fibreux habituel visible des peaux de toute nature.
Par le "fibrille de collagène gonflée", on entend l'état que présentent des fibrilles de collagène lorsaue des' fragments de peaux de bovins ou analogues ont été progressivement réduits et que les fibrilles qu'ils contiennent ont,été gonflées jusqu'à plus de 100 fois leur volume initial dans une quantité suffisante d'une solution d'acide faible. La pression du gonflement des fibrilles brise la gaine fibreuse relativement inélastique .qui les entoure et détruit donc l'identité de la fibre. Les fibrilles de collagène gonflées peuvent alors être séparées des résidus des gaines de fibres par filtration. Mais il faut remarquer que pour rompre la structure fibreuse par gonflement, le rapport du fluide de gonflement au collagène doit être élevé.
Le terme "masse fluide de fibrilles de collagène gonflées" s'applique ici à une telle masse après filtration, lorsqu'elle est prête à être extrudée. Dans cet état, les gaines de fibres séparées ont été éliminées. Suivant l'invention, une telle masse fluide de fibrilles de colin gêne gonflées doit contenir de 2,5 à 6 % environ de tissu collagène sur la base d'un poids à sec.
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Des boyaux typiques obtenus à partir d'un tube extrudé suivant l'invention, ont les propriétés suivantes lorsqu'ils sont éprouvés sur une machine d'essai de traction Instron, par le procédé décrit dans la demande de brevet belge de même date intitulée "Boyaux en collagène comestible et procédé pour les fabriquer". Chaque éprouvette de boyau est chauffée à 99 C avec de la vapeur vive avant d'être éprouvée en traction.
La variation de longueur due au retrait d'une éprouvette de 3 pouces (7,6 cm) du boyau chauffé à 99 C avec de la vapeur vive va de 1,0 à 2,0 pouces (2,5 à 5 cm) environ.
L'allongement par livre (kg) de traction est d'environ 2,0 à 20,0 pouces (5,1 à 51 cm).
La résistance à la traction à chaud va,de 0,10 à environ 1,0 livre (45,4 à 450 g) environ.
La traction de retrait va d'environ 0,08 à 0,50 livre (36,3 à 227 g).
Le pourcentage de reprise élastique (longueur du boyau au point de rupture) divisé par la longueur initiale de l'éprouvette essayée multipliée par 100 va d'ehviron 81à environ 150.
La résistance à l'éclatement.est d'au moins 10 à 28 livres/ pouce carré (0,7 à 1,96 kg/cm2). La l'résistance à l'éclatement" est la pression d'air en livres/pouce carré (kg/cm2) nécessaire pour faire éclater un boyau en collagène extrudé sec présentant une épaisseur de paroi 'de 1 mil (0,025 mm). Les valeurs de la "résistance à l'éclatement" exprimées dans ce mémoire ont été déterminées sur une machine d'essai perkins Mullen (modèle C). Du fluide sous des pressions uniformément croissantes dilate un diaphragme en caoutchouc extensible et agit simultanément dans un manomètre Bourdon.
La mabire à éprouver est fermement pincée cantre une plaque métallique qui permet au diaphragme de se dilater lite- ment par une ouverture circulaire contre 1 pouce carré (6,45 cm2) ,
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de sa surface. Comme l'éprouvette se déforme sous la pression, le diaphragme épouse le profil exact de la matière.
DESCRIPTION GENERAL±
Des boyaux naturels sont faits d'un réseau de fibres et de faisceaux de fibres de collagène entrelacés en substance également repartis et possèdent donc essentiellement les caractéristiques de résistance nécessaires tandis que les boyaux obtenus à partir des meilleurs intestins de mouton sont également comestibles lorsqu'ils sont cuits. Mais les boyaux en collagéhe synthétiques disponibles jusqu'à présent sont incapables de remplacer d'une manière satisfaisante le produit naturel en particulier en ce qui concerne leur tendreté et leur réponse à la cuisson.
On a, par conséquent, proposé jusqu'à présent de produire un boyau en collagène artificiel à partir de matières animales fibreuses telles que par exemple des peaux ébourrées qui ont été soumises à des traitements de chaulage classiques. Le collagène présent dans cette matière fibreuse chaulée est transformé par une désintégration mécanique et par l'action gonflante de certains acides en une pâte de faisceaux fibreux et de fibres qui est ensuite extrudée sous forme d'un tube.
Cette pâte ou ces masses pâteuses ont habituellement une teneur en matières solides de l'ordre de 10 à 25 % quoique, dans certains cas, les matières solides ne dopassent pas environ 8 %. Ces pâtes sont extrud4es sous des pressions relativement grandes de l'ordre de plusieurs centaines d'atmosphères qui sont reauises en raison de la nature fortement visqueuse des masses pâteuses relativement sèches. Les boyaux ainsi produits sont relativement épais, coriaces et difficiles à manger après cuisson.
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Ces propriétés indésirables des boyaux en collagène artificiels connu:!sont encore accentuées et compliquées par les genres de traitements auxquels les boyaux sont habituellement soumis après extrusion. Ces boyaux, lorsqu'ils sont bourrés de chair à saucisse comestible, ne résistent pas à une cuisson dans la poéle à frire et subissent un retrait expulsant la chair saucisse.
Suivant la, présente invention, on a découvert qu'un tube en matière de boyau en collagène à paroi mince peut être fabriqué à partir d'une masse fluide de fibrilles de collagène gonflées ayant une teneur en collagène de beaucoup inférieure celle qu'on utilise jusqu'à présent par exemple de l'ordre d'au moins 2,5 % à moins de 6 %, de préférence d'environ .3,5 à 5 %. On a remarqué que des fibrilles de-collagène dans une peau de bovin déchaulée gonflent jusqu'à plus de 100 fois leur volume initial si on place une peau de bovin déchiquetée, progressivement réduite en particules de très petites dimensions, dans une quantité suffisante d'une solution d'acide faible telle que 1,2 % d'acide lactique dans l'eau.
La pression que les fibrilles exerce en gonflant brise la gaine de fibres relativement non élastique qui entoure la fibre contenant les fibrilles et détruit donc la fibre. Les fibrilles de collagène gonflées peuvent alors être séparées des résidus des gaines des fibres par filtration. Un boyau tubulaire à paroi mince extrudé suivant l'invention à partir de cette masse relativement aqueuse de fibrilles gonflées excessivement fines, lorsqu'il est soumis à des traitements de post-extrusion appropriés, produit des boyaux pour saucisse qui sont très tendres et si faciles à mastiquer qu'à la consommation, ils se distinguent à peine de la chair à saucisse elle-même.
Néanmoins, des boyaux pour saucisse préparés suivant l'invention, possèdent une'résistance à la traction et une résistance à l'éclatement suffisantes pour pouvoir être bouillonnés, bourrés *et liés suivant des techniques industrielles
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sans se rompre ou s'étirer d'une manière excessive. De plus, on a constaté que ces boyaux résistent aux contraintes et aux températures qu'ils subissent lors d'une cuisson dans une poêle à frire de sorte que le boyau ne subit en substance pas de retrait et ne se rompt pas ou ne fond pas 'et n'expulse pas la chair qu'il contient pendant la cuisson.
Mais, l'utilisation de masses fluides de fibrilles de collagène gonflées (c'est-à-dire des masses dans lesquelles le collagène a été réduit en particules de dimension fibrillaire et dans lesquelles la proportion de collagène dans la masse de fibrilles gonflées est du petit ordre décrit plus haut) pose des problèmes pour extruder et manipuler le boyau tubulaire extrudé à partir du moment où il quitte l'orifice de l'extrudeuse jusqu'à ce qu'il ait été séché et ramené à sa dimension finale dans laquelle il doit être mis en accordéon et ultérieurement utilisé.
La nature délicate des fibrilles de collagène gonflées est telle que la masse de fibrilles fluide doit être manipulée avec soin pendant le processus d'extrusion lui-même pour éviter toute dégradation de la matière ainsi que toute stratification indésirable et la formation de points faibles dans le produit final.
Quoique les pourcentages préférés de collagène donnés jusqu'à présent pour mettre l'invention en pratique ne soient pas très critiques jusqu'à lp première décimale, l'extrusion et les traitements de post-extrusion de masses fluides de fibrilles de collagène gonflées contenant moins d'environ 2,5 % de collagène est impossible. Quoique l'extrusion d'une telle masse comportant une teneur en collagène comprise entre 2 % et 2,5 % soit théoriquement possible, la nature aqueuse de la masse diminue ses propriétés visco-élastiques et introduit des problèmes de manipulation après l'extrusion et augmente ainsi le temps requis pour la coagulation au point que son utilisation est tout à fait impossible.
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D'autre part, une masse fluide de fibrilles de collagène gonflées comportant une teneur en collagène d'environ 4 % est' optimum pour l'extrusion tandis qu'une teneur de,5 et jusqu'à 6 % permettent encore l'extrusion. Mais, au-dessus de 6 %, la viscosité de¯la masse est telle que l'extrusion exige une énergie excessive et que des problèmes d'échauffement et autres se.. posent par suite du frottement. De plus, le traitement de post- extrusion du boyau tubulaire extrudé exige des manipulations spéciales.
Il est bien entendu, comme décrit en détail'dans le demande de brevet belge de même date intitulée "Procédé pour produire un boyau tubulaire en collagène" que, dans les gammes préférées et possibles décrites plus haut de collagène, l'extrusion d'une telle matière aqueuse ou contenant peu de collagène produit un corps tubulaire excessivement fragile qui doit être manipulé avec la plus grande délicatesse et le plus grand soin pendant les traitements ultérieurs au cours desquels il est coagulé, durci, plastifié et séché.
Dans la pratique de l'invention, lorsque la masse de fibrilles de collagène gonflées sort de l'orifice de l'extrudeuse, elle comprend essentiellement un liquide qui doit immédiatement subir un traitement de coagulation afin de conserver la forme qui lui a été donnée à sa sortie de l'embouchure de l'extrudeuse pendant qu'il se déplace encore sous l'action de l'énergie cinétique imprimée par la force d'extrusion. Une fois que cette coagulation initiale se produit, le boyau extrudé possède une forme et une intégrité tangibles propres mais il reste néanmoins faible, fragile, et sujet à une rupture lorsqu'il passe à l'état humide par plusieurs traitements de conditionnement ultérieurs.
En dépit de sa nature fragile, les exigences exactes d'une pro- duction continue sont telles que ces boyaux tubulaires initialement aqueux doivent être ramenés d'une épaisseur de paroi initiale à l'orifice de l'extrudeuse par exemple environ 14 fois plus forte,, à une épaisseur de paroi finale d'environ 1 mil (0,025 mm) tout en conservant le diamètre intérieur qui a été déterminé par l'orifice d'extrusion.
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Dans des extrudeuses connues utilisées avec les masses de collagène fibreuses plastiques décrites, la masse pâteuse est introduite directement dans un passage d'extrusion annulaire oblong et est extrude de ce passage sous les fortes pressions requises sans que le collagène subisse un mélange ou une homogénéisation appréciable pendant l'extrusion. Une cause majeure des points faibles dans des boyaux en collagène extrudés est la tendance des faisceaux de fibres de collagène, des fibres et même des fibrilles à se réunir ou à se rassembler et à s'orienter dans le sens de l'extrusion du collagène lorsqu'ils rencontrent un obstacle dans leur trajet pendant l'extrusion.
Ces obstacles comprennent habituellement un agglomérat de collagène dans la masse plastique, qui est retenu ou arrêté dans l'orifice étroit de la chambre d'extrusion. Jusqu'à présent, comme la structure de base du collagène qui est composée .de fibres et de faisceaux de fibres était d'un ordre de grandeur de beau- coup supérieur à celui des fibrilles gonflées, et comme aucune homogénéisation appréciable ne se produisait pendant l'extrusion, on obtenait souvent des boyaux présentant une ligne de joint ou un défaut en substance longitudinal dans sa paroi, formé par des fibres de collagène réunies ou rassemblées par une extrudeuse engorgée. Ce défaut diminue notablement la résistance d'un tel boyau.
De plus, des fibres de collagène gonflées et des faisceaux de libres tendent facilement à s'orienter dans le sens général de l'extrusion ou dans d'autres sens déterminés par la construction de l'extrudeuse. Une orientation dans un sens particulier d'une fraction substantielle de l'épaisseur d'un boyau rend le boyau facilement susceptible de se fissurer ou de se déchirer dans le sens de l'orientation, la ligne de déchirure se produisant en général dans la zone située entre les fibres de collagène orientées.
On a essayé d'améliorer la résistance au déchirement
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en orientant les fibres au hasard en recourant à une opération ayant pour effet (le mêler, rassembler ou feutrer les fibres, mais cette répartition anarchique des fibres ainsi produites n'a pas o donné de produit satisfaisant.
Un phénomène inhérent à des masses fluides de fibres ou de fibrilles de collagène gonflées pose un problème important et difficile pour former des objets extrudés en cette matière.
Lorsqu'une telle masse de collagène fluide subit des conditions d'écoulement, elle est affectée d'une manière telle qu'elle se "souvient" des conditions de l'entourage dans lesquelles elle a été mise en écoulement. Lorsque deux masses fluides de ce genre, préconditionnées de cette façon, sont amenées en contact l'une avec l'autre, la séparation déterminée par leurs surfaces de contact persiste dans la masse fluide et persiste même dans des formes dans lesquelles cette masse est ultérieurement extrudée ou autrement façonnée. La formation et la persistance de ces zones de séparation ou interfaces dans des objets extrudés à partir de masses de collagène dans lesauelles elles existent, créent des zones faibles qui affaiblissent d'une manière permanente le produit ainsi formé.
. Ainsi, si on oblige une masse fluide de fibrilles de collagène gonflées à s'écouler dans une cavité annulaire à partir d'une entrée périphérique, la masse en écoulement est divisée et les courants séparés se rassemblent à un endroit déterminé dans leurs trajets annulaires. La zone où les courants séparés se rencontrent et se fondent l'un dans l'autre reste dans la "mémoire" de la matière comme une zone d'interface persistante et devient à l'usage une zone de faiblesse. Cet interface affaiblie persiste lors des manipulations ultérieures de la matière, à moins que la masse fluide soit suffisamment intimement mélangée à l'interface pour éliminer cet interface..
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Suivant la présente invention, on surmonte ou évite ces difficultés d'interface en appliquant des forces de cisaillement rotatives continues et intensives à la masse de matière à extruder pendant son passage dans l'extrudeuse. Le "souvenir" précédent de l'interface est ainsi détruit et aucun effet de stratification ne peut se produire pendant le processus d'extrusion. La matière fluide n'est jamais divisée en courants séparés comportant des surfaces qui se rejoignent dans le processus d'extrusion, mais suit toujours des trajets complètement circulaires radialement vers l'extérieur et vers l'intérieur pendant son passage dans l'extrudeuse.
En pratique, des boyaux à saucisses sont soumis à une traction dans un sens parallèle à l'axe longitudinal du boyau pendant la fabrication, comprenant des opérations de séchage, de mise en accordéon et de liage. De plus, lorsqu'on remplit le boyau de chair à saucisse et qu'on le cuit, le boyau est soumis à des pressions d'éclatement internes. Un boyau satisfaisant doit posséder des caractéristiques de résistance suffisamment élevées et uniformes pour résister à ces forces tout en n'étant pas coriace, épais ou autrement difficile à manger.
La résistance d'un boyau fait de fibrilles de collagène gonflées est apparemment due aux fibrilles de collagène qui forment ce boyau. La section la plus faible d'un tel boyau' en collagène semble être la zone située entre les différentes fibrilles de collagène lorsqu'elles ont été gonflées et séchées en place. Par conséquent un facteur important qui affecte la résistance d'un boyau est la répartition des fibrilles de collagène dans ce boyau. Une répartition uniforme ou homogène des fibrilles de collagène, en particulier une répartition au hasard dans la paroi du boyau, élimine la formation de points faibles dans la paroi du boyau due à l'absence de fibrilles en quantité suffisante à l'endroit affaibli.
L'aspect et la structure microscopique interne du boyau qui possède ces propriétés sont décrits plus en détail dans la demande de brevet belge de même date intitulée "Boyaux en col:.agène comestibles et procédé pour les fabriquera
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BUTS.
La présente invention a donc notamment pour buts de procurer; un nouveau mécanisme d'extrusion qui produise un boyau en collagène formé de fibrilles gonflées ayant de meilleures caractéristiques de résistance ; une nouvelle extrudeuse servant à extruder en continu, à partir d'une masse fluide de fibrilles de collagène gonflées, un tube pour des boyaux en collagène présentant une répartition en substance uniforme de fibrilles de collagène; un procédé d'extrusion nouveau et utile ainsi que des moyens pour éviter la formation d'interfaces, comme mentionné plus haut, dans la masse fluide de fibrilles de collagène gonflées et pour détruire ces interfaces qui peuvent s'être formées dans la masse avant son passage dans et par l'extrudeuse;
' un mécanisme d'extrusion servant à extruder en continu un boyau en collagène à partir d'une masse fluide de fibrilles de collagène gonflées, dans lequel les éléments extrudeurs impriment une action de cisaillement rotative transversale à la masse fluide pendant le processus d'extrusion pour éliminer tout effet de stratification dans cette masse de collagène; un nouveau procédé pour-extruder un boyau en collagène continu à partir d'une masse fluide de fibrilles de collagène . gonflées en soumettant la masse fluid à une action de cisaillement rotative transversale pour éliminer les.effets de stratification dans la masse de collagène et pour amener la masse fluide à s'écouler en trajets circulaires continus pendant le processus d'extrusion.
Ces buts ainsi que d'autres encore. peuvent être atteints suivant la présente invention qui, dans ses différents aspects, comprend un nouvel appareil pour fabriquer un boyau en collagène synthétique et de nouvelles opérations pour fabriquer un tel produit.
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Suivant les techniques prérérées actuellement utilisées pour préparer la masse fluide de fibrilles de collagène gonflées pour l'extruder suivant l'invention, le procédé préfère utilise comme matière première des peaux fraîches ébourrées (congelées ou salées) de préférence de bovins qui n'ont pas été traitées avec de la chaux ou d'autres agents alcalins ou avec des enzymes. Des exemples représentatifs de la préparation de cette messe préférée de fibrilles de collagène gonflées sont décrits dans la demande de brevet américain n 64.664 déposée le 24 octobre 1960.
Cette demande de brevet décrit également d'une manière générale, principalement dans un sens chimique, les autres traitements auxquels le boyau extrudé de fibrilles de collagène gonflées' est soumis pour réaliser le procédé de la présente invention.
Des parties prises dans l'exemple 1 de cette demande de brevet sont exposées ci-après pour montrer et expliquer le procédé et les traitements physiques utilisés dans l'invention, mais l'invention n'est pas limitée à cet exemple comme les spécialistes s'en rendront facilement compte.
Dans cet exemple, on lave des peaux de bovins fraîches à,l'eau froide à 13 C ou moins dans un tambour rotatif pendant . , 10 à 24 heures. Après lavage, on écharne les peaux au moyen d'une écharneuse et on élimine les poils et l'épiderme au moyen d'un couteau à ruban. Ce nettoyage préliminaire s'effectue au moyen de machines et d'outils de tannerie standard .
On coupe à la main les poils restants et les parties mal nettoyées et on groupe cinq peaux que l'on découpe en morceaux de 0,5 à 4 pouces carrés (3,2 à 25,8 cm2) puis on les réduit en pulpe en les faisant passer trois fois dans un hachoir à viande, chaque passe étant de plus en plus fine. Les première et seconde passes s'effectuent par des trous de 18 et 8 mm respectivement.
La passe finale s'effectue par des trous de 1,5 mm de diamètre.
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Il est important pendant le hachage de maintenir la pulpe en dessous de 20 C. , cet effet, on peut ajouter de la glace broyée aux peaux eu moment ou on les introduit dans le hachoir.
On dilue ensuite la pulpe broyée à l'eau courante à 16 C pour obtenir un magma contenant 7,4^% de matières solides sèches.
On traite ensuite ce magma (125 parties) avec 125 parties d'une solution aqueuse d'acide lactique à 2,4% on utilisant un mélangeur incliné tel que celui fabriqué par la Société Cherry Burell (modèle 24) pour former une masse homogène de fibrilles de collagène gonflées. Il est Important pendant cette opération de gonflement à l'acide de maintenir la température en dessous d'environ 25 C. Le mélange ainsi obtenu contient 3,7 % de matières solides de peau et 12, % d'acide lactique.
Après avoir mélangé la pulpe à l'acide, on disperse la masse de fibrilles de collagène gonflées dans un homogénéiseur approprié tel qu'un homogénéiseur Manton-Gaulin (modèle 125-K-5BS) pourvu d'une valve à deux étages et fonctionant avec une chute de pression de 1500 livres/pouce carré (105 kg/cm2). Dans la masse fluide finale de fibrilles de collagène gonflées ainsi préparées, les fibrilles individuelles sont libérées des faisceaux de fibres et les fibres sont dégagées des gaines.
Elles absorbent tout le liquide et gonflent pour passer d'un diamètre initial de l'ordre de 300 à 1000 à un diamètre maximum fraîchement gonflé (après 1 jour) de l'ordre de 15000
On filtre ensuite la masse fluide de fibrilles de collagène gonflées obtenue par le procédé décrit plus haut (qui n'est donné qu'à titre d'exemple et sans limitation spécifique) à travers un filtre présentant des trous de 7 mil (0,18 mm) pour éliminer toutes les matières collagènes non gonflées ainsi que les matières non collagènes après quoi la masse est prête à être extrudée.
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Suivant l'invention, on effectué la répartition désirée des fibrilles de collagène dans le boyau en utilisant un mécanisme d'extrusion perfectionné comprenant-des passages entre des éléments plats qui peuvent tourner les\uns par rapport aux autres autour d'un axe central qui s'étend dans le sens général de l'extrusion, de préférence verticalement, l'élément plat intérieur a de préférence la forme d'un disque de diamètre notablement supérieur à son épaisseur axiale et comportant une surface supérieure plane en substance perpendiculaire au sens de l'extrusion.
La surface supérieure de 1'élément ou disque intérieur est placée à courte distance d'une face plane coopérantede de l'élément extérieur formant entre elles un passage d'extrusion supérieur mince et plat communiquant avec une chambre de \ décharge annulaire au centre du disque, ,qui s'étend parallèlement au sens d'extrusion général.
Une masse fluide de fibrilles de collagène gonflées est: refoulée sous pression dans le sens de l'extrusion et est pressée contre la face inférieure de l'élément ou disque intérieur de \ l'extrudeuse dans l'espace séparant les éléments intérieur et extérieur. La pression d'alimentation dirige la masse de fluide radialement vers l'extérieur, par le passage inférieur relativement, profond, vers la périphérie'du disque où elle passe autour du bord circonférentiel du disque dans le passage d'extrusion plat supérieur, qui est de préférence moins profond que le premier passage ou passage inférieur.
Dans le passage d'extrusion supérieur, le mouvement de rotation ininterrompu du ou des organes d'extrusion crée une tension circulaire dans la masse fluide des fibrilles de oollagéne gonflées qui présente des propriétés visco-élastioues. Une matière visco-élastique est une matière ayant des propriétés élastiques et visqueuses, c'est-à-dire que, quoique la matière soit visqueuse, elle possède une certaine élasticité de forme.
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En soumettant une matière visc 4 T,tiaue à des forces de rotation, on crée une tension circulaire dans cette matière qui contracte la matière radialement vers le centre de rotation plutôt que vers l'extérieur comme c'est normalement le cas avec d'autres genres de fluide, par exemple de l'eau. Ce phénomène est appelé "effet Weissenberg". La tension circulaire ainsi créée dans la masse visco-élastique de fibrilles de collagène gonflées refoule la masse de collagène radialement vers l'intérieur depuis la périphérie du disque le long du passage d'extrusion supérieur vers la chambre de décharge annulaire centrale d'où elle est éxtrudée sous forme d'un tube dans un bain de déshydratation ou de coagulation.
La nouvelle extrudeuse de l'invention utilise donc la propriété visco-élastique de la'masse de fibrilles gonflées pour diminuer notablement la pression d'extrusion. De plus, en soumettant la masse de collagène à une action de cisaillement régulière par les éléments de 1'extrudeuse dans un sens trans- versal au sens de l'extrusion, on disperse tous les agglomérats de collagène rassemblés et on effectue une répartition uniforme des différentes fibrilles de collagène dans la masse fluide qui pénètre dans la chambre de décharge.
On atteint la répartition désirée des fibrilles de collagène gonflées en soumettant en substance toutes.les fibrilles dans les passages d'extrusion étrolits à des forces de rotation transversales régulières agissantedans des plans espacés parallèles aux forces d'extrusion, fatales. En soumettant les fibrilles à des forces planes parallèles, on croit qu'on obtient une répartition parallèle'plane des fibrilles tandis que les forces de cisaillement rotatives. effectuent une orientation statistique des fibrilles dans ces plans parallèles, mais la Demanderesse n'entend pas se limiter à cette théorie de fonctionne- ment, comme expliqué plus loin dans ce mémoire.
Simultanément,
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la masse fluide de fibrilles est prêtée de toute rupture par broyage, turbulence et contacts de rupture lorsqu'elle passe dans les passages plats et lisses ménagés dans l'extrudeuse.
Suivant le procédé de la présente invention, on extrude un tube en collagène en refoulant une masse visco-élastique fluide de fibrilles de collagène gonflées vers le haut sous pression dans une zone annulaire intérieure lisse concentridue à un axe longitudinal qui s'étend dans le sens de l'extrusion, en dirigeant le courant de fibrilles gonflées pendant une partie de son trajet dans la zone annulaire radialement vers l'extérieur puis radialement vers l'intérieur (sous l'action des forces de tension circulaires de l'effet Weissenberg) dans la zone de sortie annulaire.
A cet effet on utilise des zones planes espacées reliées entre elles qui s'étendent latéralement par rapport au sens général d'extrusion et on soumet les fibres de collagène gonflées dans les zones planes à des forces de cisaillement transversales au sens d'extrusion pour répartir uniformément les fibrilles de collagène contenues dans la masse qui,rentre dans la zone annulpire.
Bien entendu, la description générale qui précède et la description détaillée qui suit ne sont données qu'à titre d'exemple et ne.limitent l'invention en aucune façon.
Pour bien faire comprendre l'invention on se référera ci-après, à. titre d'exemple, aux dessins annexés dans lesquels: la Fig. 1 est une coupe verticale d'une forme d'exécu- tion de l'invention; la Fig. 2 est une coupe verticale semblable à la Fig. 1 d'une seconde forme d'exécution de l'invention; la Fig. 3 est une coupe verticale semblable à la Fig. 1 d'une troisième forme d'exécution de l'invention;
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'la Fig. 4 est une coupe verticale semblable à la Fig. 1- d'une quatrième forme d'exécution de l'invention; la Fie. 5 est une vue en plan schématique, à plus grandeééchelle, de la paroi d'un corps tubulaire extrudé montrant la répartition anarchique des fibrilles de collagène qui semble se produire;
et la Fig. 6 est une coupe de la paroi représentée sur la Fig. 5 suivant la ligne 6-6 de la Fig. 5.
Dans les formes d'exécution préférées de l'invention représentées à titre d'exemple dans les dessins annexés, la Fig. 4 montre d'une manière plus ou moins schématique une construction aimple suivant l'invention. Dans cette forme d'exécution, l'homogénéisation et la répartition des fibrilles de collagène sont effectuées au moyen d'un seul disque tournant..
Comme le montrent les dessins, l'extrudeuse de la Fig. 4 comprend une conduite 100 par laquelle la masse fluide de fibrilles de collagène gonflées est introduite sous une pression hydraulique appropriée dans l'extrudeuse. L'extrudeuse comprend un corps cylindrique.102 qui est percé d'une ouverture centrale formant un passage vertical cylindrique,105 qui le traverse de part en part.
Un mandrin creux 108 est placé axialement dans le corps 102. L'extrémité inférieure du mandrin traverse une base 109 et est fixée à une équerre de support 111 montée sur un bâti approprié (non représenté) qui supporte l'extrudeuse dans une position verticale.
Le corps 102 est recouvert d'un couvercle cylindrique 104 qui est fixé à sa face supérieure plane 103 par des boulons à tête fraisée 101. Le couvercle 104 est également percé d'une ouverture centrale, en 106, formant l'embouchure ou l'ouverture centrale de l'extrudeuse à partir de laquelle le boyau extrudé C est représenté de manière fragmentaire montant verticalement à partir de l'orifice d'extrusion.
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L'orifice d'extrusion annulaire 110 est formé entre l'ouverture 106 du couvercle 104 et le mandrin 108.
A cet effet, le mandrin 108 comporte une section supérieure élargie 112 qui s'étend dans l'ouverture 106 ménagée dans le couvercle 104. Le mandrin 108 se termine à niveau avec la face supérieure du couvercle 104 et est espacé de la périphérie de l'ouverture 106 pour former la chambre de décharge verticale annulaire et l'orifice 110 entre eux pour extruder le boyau tubulaire C vers le haut.
Suivant l'invention, des moyens sont prévus pour soumettre la masse de fibrilles de collagène gonflées à l'action de cisaillement d'un disque plat tournant avant d'extruder la masse par l'orifice 110. Suivant l'invention, ce disque tournant est de préférence placé de façon que la masse fluide soit forcée de se déplacer en contact avec sa face tournante inférieure puis de passer autour de son périmètre et de revenir sur sa face supérieure par des passages formés entre les faces tournantes inférieure et supérieure du disque et des surfaces planes placées au-dessus et en dessous du disque.
Comme le montrent les dessins, le disque 114, qui estrelativement mince et large, est monté de manière à tourner autour de l'axe central de l'extrudeuse et a la forme d'une collerette formée sur l'arbre' d'entraînement tubulaire 116 qui s'étend vers le bas à partir de la face inférieure .du disque dans l'ouverture centrale ménagée dans le corps 102 et qui dépasse de son extrémité inférieure. L'extrémité de l'arbre 116 qui s'étend vers le bas est pourvue d'un pignon extérieur 120 qui peut être entrainé par un mécanisme approprié quelconque et une source de force motrice, non représentée. Le pignon 102 fait partie d'une buselure 122 qui entoure l'extrémité inférieure de l'arbre 116 et qui y est fixée par une vis d'arrêt 123.
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Comme le montrent les dessins, le,disque 114 est relativement grand et relativement mince. Ses faces'supérieure 130 et inférieure
132 sont toutes deux planes et s'étendent en substance sur la totalité du diamètre du disque à partir de l'arbre d'entraînement central 116.
Suivant l'invention, des moyens sont prévus pour amener la masse fluide de fibrille s de collagène gonflées à se déplacer sans à-coups sous pression dans une chambre de mélange d'un endroit situé près de la partie intérieure ou centrale de la face inférieure 132 du disque 114 radialement vers l'extérieur sur la face inférieure du disque où le collagène est soumis à une action de cisaillement rotative comme décrit plus haut. De plus, ce premier passage ou passage inférieur est conçu de manière à aller en diminuant vers l'extérieur vers le périmètre du disque de sorte que l'action de cisaillement entre le dessous du disque tournant et la surface plane opposée dù corps'7.02 devient plus intense à mesure que la matière se déplace en dessous du disque.
A cet effet, la surface intérieure supérieure du corps 102 a la forme d'une chambre cylindrique ou cuvette 134 placée en dessous de la majeure partie de la surface inférieure 132 du disque 114. La surface inférieure plane 136 de la chambre'134 est, comme le montrent les dessins, inclinée vers le bas et vers le centre de manière à procurer une surface plane eh dessous du disque de section essentiellement triangulaire dont la zone la plus profonde est adjacente à la partie centrale de l'extrudeuse.
Comme le montre la partie gauche de la Fig. 4, des moyens sont prévus pour introduire la masse fluide au centre de la chambre de mélange 34 par la conduite d'entrée 100. A cet effet, un canal 138 communique avec l'extrémité intérieure filetée de la conduite 100 et s'enfonce vers l'intérieur puis vers le haut pour introduire la matière près de la partie la plus profonde de la
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chambre 134. Quoiou'une seule entrée soit représentée, plusieurs entrées peuvent être prévues pour introduire la matière à différents points espacés autour de la partie inférieure intérieure de la chambre 34 et près de celle-ci.
La surface inclinée plane 136 s'étend de préférence vers le haut et vers l'extérieur jusqu'à un endroit proche du périmètre du disque 114 mais est aplatie cet endroit pour former,la surface annulaire horizontale 140. La partie finale du passage inférieur plat est horizontale.
Suivant l'invention, la matière fluide monte verticalement lorsqu'elle atteint le périmètre du disque rotatif et revient ensuite radialement vers l'intérieur sur le dessus du disque tournant jusqu'à ce qu'elle atteigne l'orifice d'extrusion 110, A cet.effet, un passage vertical 144 est prvu entre le périmètre du bord vertical du disque tournant 114 et un bord coopérant 146 formé dans le bloc 102. Un passage horizontal plat relativement étroit 148 est prévu entre le dessus du disque tournant plat 130 et la face horizontale inférieure plane 150 du couvercle supérieur 104 pour assurer un déplacement visco-élastique de la matière fluide radialement vers l'intérieur. Ce passage 148 communique à sa partie intérieure ou centrale avec la chambre d'extrusion verticale et l'orifice 110.
Suivant l'invention, et, comme décrit plus en détail avec réf4rence à la Fig. 1, des moyens sont prvus pour soumettre le boyau tubulaire extrudé C à un traitement de coagulation aussitôt qu'il sort de l'orifice d'extrusion. A cet effet, la paroi intérieure et la paroi extérieure du boyau montant sont immergées dans des colonnes montantes de liouide coagulant aussitôt oue le boyau tubulaire sort de l'orifice d'extrusion. Pour obtenir la aolonne de liquide intérieure, on utilise l'intérieur creux du mandrin 108.
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Le boyau produit par l'extrudeuse de la Fig. 4 (ainsi que par celle décrite ci-après) est en général uniforme et homogène. Un exemen microscopique montre que les fibrilles de collasse formpnt le boyau sont orientées d'une manière anarchique mais parallèlement aux plans courbes.formant la surface de la paroi du boyau. Les Figs. 5 et 6 sont des vues schématiaues, à plus grande échelle de cette disposition des fibrilles de collagène qui semble exister dans la paroi du boyau fraîchement extradé avant séchage.
Les fibrilles sont apparemment ainsi disposées par les faces du disque tournant qui coopèrent avec les faces planes
EMI22.1
feronnt les passages de mélange supérieur et inférieur.
Cat. , ,er3 plus haut, en substance toute la masse de collagène '' '-t cazxtenu'..: .ns les passases, en particulier dans le passage supérieur, eb'-'nfluenceo par l'une ou l'autre des faces planes du disque et/ou le,., "4%ces opposées du corps. Normalement., les fibrilles de co7.lagn'::ndent à s'orienter dans le sens de l'extrusion. Avec les faces 130 et 150 par exemple qui exercent des actions de cisaillement transversales opposées sur les parties sup4rieure et inférieure de la masse de collagène qui se d4place radiale.ment vers 1'intérieur dans le passage supérieur 148, les fibrilles de collagène sont soumises à une combinaison de forces. Mais dans l'ensemble ces forces de cisaillement rotatives agissent dans des plans parallèles à la force d'extrusion linéaire.
Cela étant, les fibrilles de collagène semblent être disposées parallèlement aux faces planes du passage. Cette disposition apparemment anarchique mais parallèle semble être conservée lorsque les fibrilles passent dans la chambre d'extrusion verticale relativement courte 110 et sont extrudées sous forme d'un boyau tubulaire en collagène dont les fibrilles de collagène sont orientées statistiquement mais sont parallèles à la surface du boyau. Les fibrilles contenues dans les zones les plus proches des parois cylindriques verticales de la chambre 110 peuvent
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s'orienter d'elles-mêmes plus ou moins longitudinalement et augmentent ainsi la résistance à la traction longitudianle du boyau final.
Dans la. forme d'exécution représentée sur la Fig. 1, l'extrudeuse 10 est représentée avec beaucoup plus de détails.
Par comparaison avec la vue plutôt simple et schématique de la Fig. 4 qui comporte un disque tournant entre des surfaces planes immobiles, l'extrudeuse de la Fig. 1 comporte des surfaces pla-.., nes situées de part et d'autre d'un disque tournant et qui tournent elles-mêmes dans le sens inverse du disque de manière à augmenter les forces de rotation planes imprimées à la masse de fibrilles fluide extrudée. L'entrudeuse 10 est de préférence montée pour travailler verticalement afin d'extruder la masse aqueuse de fibrilles de collagène sous forme d'un boyau tubulaire dans un bain de déshydratation ou de coagulation à recirculation qui circule axialement en contact avec les faces intérieure et extérieure de la paroi du boyau tubulaire.
Le traitement de coagulation et les traitements ultérieurs diminuent finalement l'épaisseur de paroi du boyau qui au départ est par exemple de 14 mils (0,36 mm) pour aboutir à un boyau très mince à sec ayant une épaisseur de paroi de l'ordre de 1 mil (0,025 mm) comme décrit plus en détail dans la demande de brevet belge de même date ' intitulée "Procédé pour fabriquer un boyau tubulaire en collagène".
Ltextrudeuse comprend un corps fixe en substance cylindrique 12 auquel un couvercle sup4rieur 14 et un couvercle inférieur 16 sont fixés par des boulons 17. Les couvercles 14 et 16 obturent les extrémités du corps 12 et un bâti approprié (non représenté) fixé au corps 12 supporte l'extrudeuse 10 dans une position verticale.
Le support central principal pour les parties mobiles de l'extrudeuse est formé par un mandrin creux 18 fixé coaxialement dans le corps 12 à une certaine distance de ce dernier. Le mandrin
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comporte une partie supérieure à épaulements 19 qui s'étend dans une ouverture centrale 15 ménagée dans le couvercle 14 et qui se termine de niveau avec la face supérieure 20 du couvercle.
La surface cylindrique de la partie 19 est espacée de la périphérie de l'ouverture 15 tandis- que l'épaulement est arrondi et est espacé du dessous complémentaire du couvercle 14 pour former un passage de décharge fixe 17 comprenant une section annulaire longitudinale 21 qui est reliée à une section latérale plane.
L'extrémité inférieure du mandrin 18 traverse une ouverture centrale appropriée ménagée dans le couvercle inférieur ou fond 16 et estpourvue d'une bride d'extrémité 22 qui est fixée contre ce dernier par des boulons dont un seulement est représenté. Pour faciliter l'assemblage de l'extrudeuse 10 dans sa position active représentée, le mandrin 18 est contre-alésé. à son extrémité inférieure pour redevoir une buselure creuse taraudée 24.
Suivant l'invention, la masse de fibrilles de collagène gonflées à extruder passe entre les faces planes tournantes de deux disques rotatifs. Comme le montre le dessin, 4eux disques intérieur et extérieur 28 et 30 concentriques'emboîtés l'un dans l'autre et espacés l'un de l'autre sont montés de manière à tourner'l'un par rapport à l'autre, de préférence en sens inverses, autour de l'axe central de l'extrudeuse. Le disque intérieur 28 comprend un plateau supérieur discoîde plat 32 'fixé à un arbre d'entraînement tubulaire 34 qui entoure le mandrin 18 et s'étendant latéralement depuis ce dernier.
Le disque extérieur 30 est affouillé de manière à enserrer le disque intérieur 28 et est pourvu d'un plateau horizontal supérieur 36 fixé à une couronne horizontale inférieure 40 formée sur l'extrémité supérieure d'un arbre d'entraînement tubulaire vertical concentrique extérieur 42.
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Le disque 30 comporte une surface inférieure en substance plane 44 sur la base 46 qui s'étend vers l'intérieur depuis le plateau 36. La surface inférieure 44 est parallèle à la face supérieure du plateau 32 et est espacée de celle-ci pour former un passage d'extrusion supérieur en substance plat et relativement étroit 50 entre elles qui est lisse et ininter- rompu. Une chambre de mélange inférieure en substance plane 51 est également formée entre la face supérieur 52 de la couronne 40 et la face inférieure 54 du disque intérieur 32.
La chambre 51 qui est légèrement plus profonde que le passage d'extrusion 50 communique avec ce dernier autour du bord circonférentiel 58 du disque 32 pour former un trajet continu lisse pour la masse de fluide qui s'écoule dans le passage 50 vers la chambre de décharge 17. Pour distribuer du fluide contenant des fibrilles de collagène dans la chambre et le passage, la surface intérieure supérieure de l'arbre 42 est pourvue d'un épaulement annulaire 41 qui s'étend vers l'intérieur près de la paroi périphérique extérieure de l'arbre 34 et qui forme l'extrémité inférieure d'une chambre de distribution annulaire 43 entre les arbres 42 et 34. L'extrémité supérieure de la chambre 43 communique avec la chambre 51 comme le montrent les dessins.
Un anneau d'étanchéité 45 obture l'extrémité inférieure de la chambre 43 de façon étanche pour empêcher toute contamination de la masse de collagène y contenue.
Les arbres d'entraînement 34 et 42 sont disposés concen- triquement et coaxialement dans le corps 12 comme le montre la Fig. 1, l'arbre d'entraînement intérieur 34 étant placé près du mandrin 18 et l'arbre d'entraînement extérieur 42 étant radialement décalé vers l'extérieur de ce dernier.
Pour faire tourner les arbres d'entraînement 34 et 42, on les munit à leurs extrémités inférieures de pignons à denture conique 60 et 62., respectivement. Le pignon 62 comprend un écrou de blocage 61 vissé sur la face extérieure de l'arbre 42, une couronne dentée conique 63 étant fixée à l'écrou de blocage 61
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des boulon.: 65. Le pLgnon 60 comprend un moyeu 67 vissé sur la face extériqure de l'arbre 34 et une couronne conique 69 fixée au moyeu 67 par des boulons 71. Les couronnes dentées coniques ! 63 et 69 sont opposées l'une à l'autre et sont engrenées par un pignon commun 64. La rotation du pignon 64 fait tourner les arbre: 34 et 42 et par conséquent les disques 28 et 30 en sens inverses..
Le pignon 64 est fixé sur l'extrémité d'un arbre 66 tourillonnant dans des roulements espacés 68 et 70 montés dans un palier 72 encastré dans la paroi du corps 12. Un chapeau 74 qui encercle l'arbre 66 ferme le palier 72 et peut être facilement enlevé pour accéder au palier lorsqu'il le faut.
L'arbre 66 est entrainé par une source de forme motrice appropriée telle qu'un @oteur et un réducteur (non représentés) pour faire tourner les disques 28 et 30 en sens inverses. fes arbres d'entraînement 42 et 34 sont maintenus radialement espacés et axialement en ligne dans le corps 12 de la- façon suivante :
La périphérie extérieure de l'arbre 42 près du disque 40 comporte un épaulement 76 qui porte sur la bague intérieure d'un roulement 80 placé entre la périphérie extérieure de l'arbre 42 et la périphérie intérieure du corps 12.
Le,chemin de roulement intérieur du roulement est à son tour supporté sur une rondelle 82 portant- sur ! le chemin de roulement intérieur d'un second roulement 84 dont le che- min de roulement extérieur repose sur un épaulement annulaire 86 for- mé dans la périphérie intérieure du corps 12. le chemin de roulement ' intérieur du roulement 84 repose sur la face supérieure de l'écrou de blocage 61 qui maintient l'ensemble axialement en place. Une'vis d'a- rêt 78 vissée dans la paroi du corps 12 est capable de supporter le chemin de roulement extérieur du roulement 80 et de maintenir les rou- -lements 80 et 84 alignés et espacés entre le corps 12 et l'arbre 42.
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L'extrémité supérieure de l'arbre 34 est radialement décalée vers l'extérieur près de l'épaulement 41 et forme une nervure annulaire 88 sur sa périphérie extérieure. La nervure 88 porte sur le chemin de roulement intérieur d'un roulement 90 qui est à son tour supporté sur une douille 92 portant sur un second roulement 94 entre les arbres 42 et 34. Le chemin de roulement extérieur du roulement 90 supporte le dessous de l'épaulement 41.
Un écrou de blocage 96 vissé sur la périphérie extérieure de l'arbre 34 supporte le roulement 94 et maintient tout l'ensemble axialement en place entre les arbres 42 et 34. Une vis d'arrêt 98 vissée dans la paroi de l'arbre 42 est capable de supporter le chemin de roulement extérieur du roulement 90 et de le maintenir aligné entre les arbres 42 et 34 tandis qu'une rondelle de butée 60 contribue à maintenir l'arbre 42 et le moyen denté 67 sur, l'arbre 34 axialement espacés l'un de l'autre. L'espace séparant les disques 28 et 30 en dessous du passage 43 et l'espace séparant la périphérie extérieure du disque 30 de la périphérie intérieure du corps 12 sont de préférence remplis d'un lubrifiant approprié 'tel que du glycérol.
Un anneau d'ûtanchéité161 isole la chambre de décharge 17 de l'intérieur du corps 12 pour empêcher le lubrifiant de s'infiltrer dans la chambre 17.
La masse fluide homogénéisée de fibrilles de collagène gonflées préparée comme décrit plus haut est introduite sous pression par des pompes appropriées(non représentées) dans l'extrudeuse 10 par une conduite d'alimentation 162. La masse de collagène provenant de la conduite d'alimentation 162 est pompée par un conduit intermédiaire 164 formé dans le fond 16 et une ouverture alignée 166 ménagée dans le mandrin 18 dans un passage annulaire axial allongé 168.
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Pour former le passage 168, une douille 170 est placée concentriquement dans le mandrin 18 La paroi intérieure du mandrin
18 au voisinage de la douille 170 est contre-alésée par exemple en 172. L'extrémité inférieure du passage annulaire 168 est obturée de-façon étanche par un anneau d'étanchéité 174 pour isoler le pas- sage 168 de l'intérieur de la douille 170.
La masse de collagène qui pénètre dans le passage 168 monte dans ce dernier. Près de l'extrémité supérieure de ce passage, . la masse de collagène passe par plusieurs lumières de sortie radiale- ment espacées 176 ménagées dans le mandrin 18 dans une chambre récep- trice annulaire 178. La chambre 178 est formée par le décalage radial 88 de l'arbre 34 et est délimitée par la surface cylindrique exté- rieure du mandrin fixe 18, la surface cylindrique intérieure de l'arbre mobile 34, le dessous du disque 32 et la face supérieure de la nervure 88.
Des anneaux d'étanchéité opposés 179 isolent les extrémités supérieure et inférieure de la chambre 178 pour empêcher toute,contamination de la masse homogène par le lubrifiant de l'extru- deuse. A partir de la chamore 178, la masse de collagène est refou- lée par un second groupe de lumières radiales espacées 180 ménagées dans.l'arbre 34 qui procurent une communication étranglée avec la chambre de distribution annulaire 43.
Un mélange initial des fibres de collagène est réalisé lorsque le collagène est refoulé par les lumières 180 car ces lumiè- res 180 qui sont ménagées dans l'arbre 34 tournent normalement pendant le passage du collagène.
La masse de collagène fluide contenue dans la chambre 43 est soumise à un second mélange préliminaire car les organes qui délimitent la chambre 43 sont entraînés en rotation en sens inverses. ,
A partir de la chambre 43, la masse de collagène pénètre dans la chambre de mélange plane latérale 51. Dans la chambre 51, une homo- généisation parfaite est effectuée par l'action des surfaces planes
52 et 54 qui tournent en substance en sens inverses. Les surfaces
52 et 54 brisent en dispersent les agglomérats de fibrilles de colla-' gène contenus dans la masse fluide. Ces agglomérats ou accumulations'
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de fibrilles de collagène se forment parfois dans la masse de colla- ! gène gonflée en dépit des opérations de filtrage prévues pendant la préparation de la matière à extruder.
Des fibrilles de colla- gène gonflées possèdent en général une élasticité du genre caoutchouc.
Les agglomérats de fibrilles de collagène gonflées peuvent s'accomo- ' der des orifices des filtres, en se divisant pour traverser les filtres et en reprenant leur état initial une fois qu'ils ont traver- sé les filtres.
Pour disperser ces agglomérats en leurs fibrilles gonflées constituantes, l'invention leur applique une force de dispersion directe. Les surfaces 52 et 54 transmettent une action de cisaille- ment à la masse de collagène qui se déplace dans la chambre 51.
Cette action de cisaillement applique la force de dispersion dans la masse de collagène et tend à briser ou à disperser les agglomérats de fibrilles de collagène dans la masse. L'action de cisaillement - des surfaces 52 et 54 est en général transversale à la masse de col- lagène qui se déplace radialement vers l'extérieur dans la chambre 50.
A la périphérie du disque 32, la masse fluide contenue dans la chambre 50 passe autour du bord 58 dans le passage d'extrusion 50.
Dans le passage 50, la-masse de fibrilles de collagène fluide est homogénéisée par les faces planes tournant en sens inverses 44 et 48 qui délimitent le passage 50. Les faces 44 et 48 transmettent une seconde action de cisaillement transversale à la masse de collagène quie déplace radialement vers l'intérieur du disque 32 vers la chambre de décharge 17. Cette seconde action de cisaillement trans- versale assure que tous les agglomérats de fibrilles de collagène restants soient dispersés avant que la masse de collagène soit déchar- gée sous forme d'un boyau.
Comme on l'a indiqué plus haut, le passage supérieur 50 est plus étroit ou moins profond que la chambre inférieure 51.
Ainsi, dans le passage 50, pratiquement toute la masse de collagène
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est affectée par l'une ou l'autre face 4 et 48 formant le passage 50.
En exerçant une action de cisaillement transversale dans toute l'épaisseur de J.a Masse collagène contenue dans le passage 50, on soumet pratiquement tous les agglomerats de collagène restants à cette action de cisaillement pour les éliminer de la masse avant de la ducharger.
La masse de collagène gonflée contenue dans le passage 50 se déplace radialement vers l'intérieur entre les faces tournantes 44 et 48 et pénètre dans la section plane alignée 23 de la chambre de décharge fixe 17 d'où elle est extrudée vers le haut par la sec- tion longitudinale annulaire 21, sous forme d'un boyau continu, dans un bain de déshydratation à recireulation.
Le bain de déshydratation ou de coagulation est remis en circulation dans un circuit fermé qui comprend un distributeur cylin- drique 182 qui entoure l'ouverture 15 ménagée dans le couvercle 14 près'de la chambre de décharge 17. Une colonne verticale 184 est supportée sur le distributeur 182 et l'intérieur de la colonne 184 communique avec le distributeur 182. Le liquide coagulant pénètre dans le distributeur 182 par une conduite 186 et un conduit aligné 188 ménagé dans le paroi du distributeur 182 puis dans la colonne 184 où il monte verticalement contre l'extérieur du boyau extrudé.
Le liquide coagulant est également introduit à l'intérieur du boyau extrudé par une autre conduite 190 qui communique avec l'in- térieur du mandrin 18. La fraction du liquide qui provient de la , conduite 190 monte dans le mandrin en contact avec la paroi et la face intérieure du boyau extrudé mais à un débit considérablement infé- rieur à celui du liquide qui circule à l'extérieur du boyau afin de ' protéger les parois du boyau contre une rupture et un frottement excessif du liquide. La fraction de liquide contenue dans le boyau est renvoyée,par un tube de trop-plein 182 placé axialement dans le mandrin 18 et s'étendant vers le haut jusqu'à l'extrémité supérieure de là colonne 184.
La partie du liquide qui pénètre dans la colonne 184 par le distri'buteur 182 et qui est en contact avec la périphérie
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du boyau extrudé est déchargée à l'extrémité supérieure de la colonne' 184 dans un réservoir (non représenté).
Puisque la densité du boyau tubulaire extrudé est notable- ment inférieure à celle du liquide coagulant (par exemple une solu- tion de 40% de sulfate d'ammonium) le boyau tubulaire tend à flotter , , dans le bain coagulant ce qui diminue la traction nécessaire pour l'amener à des traitements de conditionnement ultérieurs.
Un autre avantage obtenu en utilisant l'extrudeuse 10 (ainsi que les autres formes d'extrudeuse représentées) réside dans l'utilisation bénéfique des caractéristiques visco-élastiques de la masse fluide de fibrilles de collagène gonflées pour diminuer les pressions d'extrusion requises. La tension circonférentielle déve- j loppée dans une telle masse est directement proportionnelle à la longueur du temps pendant lequel la matière est soumise aux forces de rotation appliquées ainsi qu'à la quantité de matière entraînée en rotation.
Dans la chambre 51, la tendance de la masse de collagène visco-élastique à se déplacer d'une manière centripète sous l'action de la tension circonférentielle doit être surmontée parce que cette masse se déplace radialement vers l'extérieur sous la pression d'ali- mentation hydraulique tout en étant entraînée en rotation par les organes 28 et 38. Maisle phénomène visco-élastique est extrêmement avantageux lorsque la masse atteint le passage 50 qui, comme le mon- tre le dessin, est plus long et plus étroit que la chambre 51 de sorte que pratiquement toute la masse ae collagène y contenue est affectée par la rotation de l'une ou de l'autre des faces 4, 48.
Cela étant, en passant dans le passage 50, la masse de collagène subit plus profondément les forces rotatives qui y sont appliquées et la tension circonférentielle développee dans la masse est par con- sequent accrue. Par conséquent, l'effet de contre-circulation de la tension circonférentielle développée dans la masse de collagène
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lorsqu'elle passe radialement vers l'extérieur dans la chambre 51 est . plus que compense par sa circulation centripète désirée sous la ten- sion circonférentielle elevée développée dans le passage 50.
Par exemple, en pratique, avec des disques 2 et 30 qui tournent à 100-125 tours/minute en sens inverses pendant l'introduc- tion de la masse de collagène gonflée,'une pression d'alimentation hydraulique de 40 à 50 livres/pouce carré (2,8 à 3,5 kg/cm2) est requise pour extruder sans interruption 25 pieds (7,5 m) de boyau par minute tandis qu'avec les disques 23 et 30 arrêtés, une pression de 70 à 90 livres/pouce carré (4,9 à 6,3 kg/cm2 est nécessaire à cet effet. Les pressions d'extrusion moindres sont le résultat de l'utilisation des propriétés visco-élastiques de la masse de colla- gène plastique pour aider à extruder la masse sous la forme d'un boyau continu..
La Fig. 2 represente une variante d'extrudeuse dans laquel- le,des moyens sont prévus pour extruder la masse de collagène fluide. sous forme d'un boyau tubulaire par une chambre à orifice annulaire courte comprenant des parois tournant en sens inverses plut8t qu'une chambre à orifice fixe comme sur la Fig. 1. Dans cette forme d'exécu- tion, l'extrudeuse 210 comprend un corps extérieur 211 comportant une section cylindrique 212, une bride annulaire 214 de section en sub- stance en L et une bride annulaire inférieure 216. Un couvercle an- nulaire 215 est fixé sur la bride annulaire 214 et enferme la section supérieure du corps 211.
L'extrudeuse 210 comprend un distributeur de fibrilles de collagène désigné d'une manière générale en 217 et placé coaxialement dans le corps 211. Le dispositif 217 comprend deux organes espacés concentriques tournant l'un par rapport à l'autre 218 et 220 montés pour tourner autour de l'axe central de l'extrudeuse. L'organe inté- rieure 218 comprend un plateau discoïde supérieur 222 fixé à une bride annulaire 219 formée sur l'extrémité supérieure d'un arbre d'entraînement tubulaire 224. et s'étendant latéralement depuis celle-
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ci.
L'organe extérieur 220 présente une section cylindrique inver- ; sée 226 et est fixé à un épaulement transversal annulaire 228 formé ; sur l'extrémité supérieure d'un second arbre d'entraînement tubulai- re 230. '
La face inférieure plane 232 de la base 234 de la section 226 est montée près de la face supérieure 236 du plateau 222 et à une certaine distance de celle-ci pour former un passage d'extrusion ; radial en substance plat 238 entre elles. De pius, la face supé- rieure 240 de l'épaulement 228 est en partie inclinée et forme avec le dessous 242 du disque 222 une cnambre de mélange annulaire tronconique inversée 244.
La chambre 244 communique avec le passage d'extrusion 238 autour du bord circonférentiel 246 du disque 222 pour former un trajet d'écoulement lisse et continu pour le fluide partant de la périphérie extérieure de l'arbre d'entraînement tu- ; bulaire 224.
L'organe 218 est pourvu à son extrémité supérieure d'une lèvre annulaire relativement courte 247, au centre du disque 222, qui s'étend dans une ouverture centrale 248 ménagée dans la base 234 du disque 220. La lèvre 247 se termine à niveau avec la face supé- rieure 235 de la base 234. La lèvre 247 peut être venue d'une pièce avec l'arbre 224 ou peut être formée séparément et convenable- ment fixée sur le disque 222 ou sur l'arbre 224.
La périphérie de l'ouverture centrale 248 est espacée ae la surface cylindrique exté- ' rieure de la lèvre 247 pour former une chambre de décharge annulaire 250 raccordee à son extrémité inférieure à un passage d'extrusion plat 238 et formant un prolongement transversal annulaire de ce passa- ge.
Les arbres d'entraînement 224 et 230 sont disposés concen- triquement et axialement espacés dans le corps 211 comme le montre la Fig. 2. Les arbres traversent la bride inférieure 216 et sont pourvus près de leurs extrémités inférieures de couronnes dentées
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coniques 252 et 254 respectivement. La couronne dentée 252 comprend' un moyeu annulaire 256 vissé sur la surface cylindrique extérieure de l'arbre 224 et un anneau denté conique 258 fixé au moyeu 256 par des boulons'257. La couronne dentée 254 comprend à son tour un moyeu 260 calé sur la surface cylindrique extérieure de l'arbre 230. à une certaine distance au-dessus de l'extrémité infériéure de ce dernier. Un anneau dente conique 262 est fixé au moyeu 260 par des boulons 261.
Les dentures 258 et 262 sont opposées l'une à l'autre de manière à être engrenées par un pignon commun 264. La rotation du pignon 264 entraine les arbres 234 et 230 et par conséquent les organes 218 et 220, en sens inverses. Le pignon 264 est de construc- tion semblable au pignon 64 de la forme d'exécution décrite.plus haut et fonctionne de la même manière.
L'extrémité inférieure de l'arbre 224 traverse.une ouver- ture ménagée dans la partie inférieure 231 de l'arbre 230 et les arbres 224 et 230 sont maintenus radialement espacés et axialement en ligne dans le corps 211 de la façon suivante :
Deux roulements espaces 266 et 268 sont placés entre la périphérie cylindriq.ue extérieure de 1-'arbre 230 et la périphérie ' , cylindrique interieure de la section 212. Le roulement inférieur 268 porte sur la bride inférieure 216 et.les roulements sont bloqués en place sur la périphérie extérieure de l'arbre 230 par un jonc d'arrêt élastique 270 calé sur la périphérie extérieure de l'arbre 230,.
Un anneau d'espacement 272 et un anneaù d'étanchéité 274 iso- lent l'intérieur des roulements 266 et 268 de sorte qu'on peut ul- bril'ier les roulements sans risquer de contaminer le reste de l'ex- trudeuse..
Le dessous de la bride 219 porte'sur un roulement 276 placé entre les arbres 224 et 230. Le roulement 276 porte à son tour sur une douille 278 supportée sur un second roulement.280 maintenu sur l'extrémité Inférieure 231 de l'arbre 230. et placé entre les arbres 224 et 230. Un jonc d'arrêt élastique 281 sur la périphérie exté-
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rieure de l'arbre 224 contribuer supporter le roulement 280.
Des anneaux d'etancheité espacés 282 et 284 isolent l'intérieur des roulements 276 et 280 qui peuvent ainsi être lubrifiés.
L'extremite inférieure ae l'arbr intérieur 224 est ouver- te et est placée dans i'extrémité supérieure d'un boîtier ouvert 286.
L'arbre 224 s'ajuste avec serrage dans le boîtier 286 et obture 'son extrémité supérieure.
En fonctionnement, une masse homogénéisée de fibrilles de collagène gonflées est préparée comme décrit pour les formes d'exécution qui précèdent. Cette masse est introduite sous pres- sion au moyen d'une conduite d'alimentation (non représentée) par une lumière 288 foree dans la paroi cylindrique du boîtier 286 et pénètre dans une gorge annulaire étanche 290 formée dans la paroi cylindrique intérieure du boîtier. A partir de la gorge 290, la masse est refoulée par des lumières radiales espacées 292 ménagées dans l'extrémité inférieure de l'arbre 224 dans un passage annulaire axial oblong 294.
Pour l'orner le passage 294, une douille 295 est placée concentriquement dans :l'arbre 224. La paroi intérieure de l'arbre est contre-alésée au voisin ge de la douille 295 par exemple en 293 et la douille y est fixée. Un anneau d'étanchéité 291 obture l'extrémité inférieure du passage 294 de façon etanche et isole le passage de l'intérieur de la douille 295.
La masse fluide contenue dans le passage 294 remonte longi- tudialement dans l'arbre tournant 224 Près de l'extrémité supérieu- re de son passage, la masse passe par plusieurs lumières radiales espacées 296 ménagées dans l'extrémite supérieure de l'arbre 224 qui établissent une communication étranglée avec la chambre de mélange annulaire 244
Comme dans la forme d'exécution qui précède, la masse fluide de fibrilles de collagène gonflées se déplace radialement vers l'extérieur dans la chambre 244 entre les éléments 218 et 220
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qui tournent en'sens inverses.
A la périphérie du disque 222, la masse passe autour du bord 246 du disque dans le passage d'extru- sion plat et étroit 238. La masse est à nouveau soumise à l'action des éléments 218 et 220 qui tournent en sens inverses lorsqu'elle se déplace radialement vers l'intérieur dans le passage 238 vers la chambre de décharge annulaire transversale 250 formée par la lè- vre 247 et la base 234 de l'élément 220 qui tournent en sens inver- ses. La masse contenue dans la chambre 250 est extrudée de cette chambre sous forme d'un boyau continu par une ouverture 298 dans un bain de déshydratation à recirculation.
La fig 3 représente une autre variante de l'invention.
Dans cette forme d'exécution, le boyau est extrudé par une chambre de décharge annulaire formée par des parois tournant en sens inver- ses, ce passage étant notablement plus long que celui représenté sur, la Fig. 2.
Sous beaucoup de rapport, l'extrudeuse 310 de cette forme d'exécution est semblable au point de vue construction et fonction- nement à l'extrudeuse 210 représentée sur la Fig. 2. Mais, dans cette variante, la base 234 est pourvue d'une paroi annulaire lon- gitudinale 212 à la périphérie de l'ouverture centrale 248. Le dis- que 222 de la Fig. 2 est remplacé par le disque 314 qui est de construction et de fonctionnement semblables au disque 222 mais qui est sensiblement plus épais pour résister plus facilement aux pres- sions d'extrusion. Le disque 314 comprend une lèvre annulaire cen- trale allongée 316 qui coopère avec la paroi 312 pour former une chambre de décharge annulaire allongée 318'entre elles.
La paroi 312 et la lèvre 316 se terminent de niveau avec l'extrémité su- périeure du corps 211. La chambre 318 est placée en substance trais-' versalement au passage d'extrusion 320 formé par la base 234 et le disque 319 mais communique avec ce dernier à son extrémité infé- rieure. Le passage 320 est semblable au passage 238 de la Fig. 2.
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La masse de fibrilles de collagène gonfléesréparées comme dans les formes d'exécution qui précèdent est introduite sous' pression par la passage 294, la chambre 244 et le passage d'extru- sion 320 qui communiquent entre eux. Les arbres 224 et 23U sont entraînes en rotation en sens inverses pour effectuer la préparation uniforme des fibrilles de collagène cornue dans les formes d'exécu- tion qui précèdent. La masse de collagène contenue dans le passa- ge d'extrusion 320 est extrudée par la chambre de décharge annu- laire allongée 318 sous forme d'un boyau tubulaire aans le bain de déshyaratation à recirculation surjacent.
Dans cette forme d'exécution, les fibrilles de collagène sont extruaées par une chambre de décharge annulaire allongée 318 formée par les organes 312 et 316 qui tournent en sens inverses.
Le boyau produit suivant l'invention à l'aide de l'une quelconque de ces formes d'exécution peut être coagulé, durci, sé- ché, mis en accordéon et lié pour former un boyau à saucisses fa - cile à cuire et à manger.
Bien entendu, l'invention n'est en aucune façon limitée aux détails décrits, auxquels des changements et modifications peuvent être apportés sans sortir de son cadre.
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Apparatus and method for making collagen casings by continuous extrusion.
The present invention relates to the manufacture of collagen casings such as synthetic sausage casings and, more particularly, to an improved apparatus and method for making collagen casing by continuous extrusion.
The product of the invention, after suitable finishing treatments, is particularly suitable as an edible casing for fresh pork sausages which are to be cooked by the consumer as well as sausages of the Vienna or Frankfort type. These latter sausages are generally prepared by smoking and cooking during packaging and are reheated before consumption. When these sausages have edible casings, it is not necessary to remove the casing before eating the sausage.
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Natural casings obtained from the intestines of mutton, pork and beef have certain inherent drawbacks such as non-uniform and porous wall, varying sizes and edibility, and prices as well as widely varying quantities available. With the exception of some casings obtained from sheep intestines, natural casings are tough.
In addition, natural casings are difficult to clean and prepare for human consumption: In addition, the wall thickness and diameter of natural casings vary which causes difficulties during their stuffing or filling at high speed practiced today. Because of these drawbacks, attempts have often been made to make better edible synthetic casings from protein sources such as collagen.
The present invention provides a novel extruder as well as a useful extrusion process whereby a casing can be obtained from animal collagen in a form capable of producing synthetic casings of adequate strength but which are exceptionally soft and can be produced. cooked without melting, shrinking or bursting. '*
DEFINITIONS. ,
For clarity and brevity of the description, certain terms used in this specification and useful for a proper understanding of the invention will be defined as follows:
By the term "collagen fibril" is meant the structural unit of collagen tissues formed from several thousand or even millions of tropocollagen units.
The collagen fibril, as found in bovine skin, measures in the fully dehydrated state from 50 to 1000 in diameter and its length is indefinite. Skin collagen fibrils measuring 20,000,000 A (2 mm) in length were observed. The @
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collagen fibrils in bovine skin. are arranged in bundles to form collagen fibers measuring several thousand A in diameter and indefinite length.
Bovine skin collagen "fibers" (to be distinguished from fibrils) have been observed which measure approximately 10,000 to 20,000 A in the dehydrated state and it is believed that there are collagen fibers up to. 1 mm in diameter (10,000,000 A) in the dehydrated state. Each collagen fiber contains hundreds or even thousands of fibrils held together by a sheath. The collagen fibers, in turn, are grouped into bundles large enough to be visible to the naked eye and constituting the usual fibrous network visible in skin of all kinds.
By "swollen collagen fibril" is meant the condition of collagen fibrils when fragments of bovine skin or the like have been progressively reduced and the fibrils contained therein have been swollen to a greater extent. 100 times their original volume in a sufficient amount of a weak acid solution. The pressure from swelling the fibrils breaks the relatively inelastic fibrous sheath which surrounds them and therefore destroys the identity of the fiber. The swollen collagen fibrils can then be separated from the fiber sheath residues by filtration. But it should be noted that in order to break the fibrous structure by swelling, the ratio of swelling fluid to collagen must be high.
The term "fluid mass of swollen collagen fibrils" applies here to such a mass after filtration, when it is ready to be extruded. In this state, the separate fiber sheaths have been removed. According to the invention, such a fluid mass of swollen hake hake fibrils should contain about 2.5 to 6% collagen tissue on a dry weight basis.
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Typical casings obtained from an extruded tube according to the invention have the following properties when tested on an Instron tensile testing machine, by the method described in the Belgian patent application of the same date entitled " Edible collagen casings and method of making them ". Each tube test piece is heated to 99 C with live steam before being tested in tension.
The variation in length due to the removal of a 3 inch (7.6 cm) test tube from the hose heated to 99 C with live steam is approximately 1.0 to 2.0 inches (2.5 to 5 cm). .
The elongation per pound (kg) of pull is approximately 2.0 to 20.0 inches (5.1 to 51 cm).
Hot tensile strength ranges from about 0.10 to about 1.0 pounds (45.4 to 450 g).
The pullout pull is about 0.08 to 0.50 pounds (36.3 to 227 g).
The percentage of elastic recovery (length of the casing at the point of failure) divided by the initial length of the test piece being tested multiplied by 100 ranges from about 81 to about 150.
The burst strength is at least 10 to 28 pounds / square inch (0.7 to 1.96 kg / cm2). The "burst strength" is the air pressure in pounds / square inch (kg / cm2) required to burst a dry extruded collagen casing having a wall thickness of 1 mil (0.025 mm). Values of "burst strength" expressed in this memo were determined on a Perkins Mullen testing machine (Model C). Fluid under uniformly increasing pressures expands an expandable rubber diaphragm and acts simultaneously in a Bourdon pressure gauge. .
The mabire to be tested is firmly pinched to a metal plate which allows the diaphragm to expand slightly through a circular opening against 1 square inch (6.45 cm2),
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of its surface. As the test piece deforms under pressure, the diaphragm follows the exact profile of the material.
GENERAL DESCRIPTION ±
Natural casings are made of a network of fibers and bundles of intertwined collagen fibers that are substantially equally distributed and therefore have essentially the necessary strength characteristics while casings obtained from the best sheep intestines are also edible when are cooked. But the synthetic collagen casings available heretofore are unable to satisfactorily replace the natural product especially with regard to their tenderness and response to cooking.
It has, therefore, heretofore been proposed to produce an artificial collagen casing from fibrous animal materials such as, for example, ruffled skin which has been subjected to conventional liming treatments. The collagen present in this limed fibrous material is transformed by mechanical disintegration and by the swelling action of certain acids into a paste of fibrous bundles and fibers which is then extruded in the form of a tube.
This paste or pasty masses usually have a solids content of the order of 10 to 25% although in some cases the solids will not exceed about 8%. These pastes are extruded at relatively high pressures on the order of several hundred atmospheres which are formed due to the highly viscous nature of the relatively dry pasty masses. The casings thus produced are relatively thick, tough and difficult to eat after cooking.
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These undesirable properties of known artificial collagen casings are further accentuated and complicated by the kinds of treatments to which casings are usually subjected after extrusion. These casings, when stuffed with edible sausage meat, do not withstand frying in the pan and undergo shrinkage expelling the sausage meat.
According to the present invention, it has been discovered that a tube of thin-walled collagen casing material can be made from a fluid mass of swollen collagen fibrils having a collagen content much lower than that used. heretofore for example on the order of at least 2.5% to less than 6%, preferably about 3.5 to 5%. It has been observed that de-collagen fibrils in limed bovine skin swell to over 100 times their original volume if shredded bovine skin, gradually reduced to very small particles, is placed in a sufficient quantity of a weak acid solution such as 1.2% lactic acid in water.
The pressure exerted by the fibrils in swelling breaks the relatively inelastic fiber sheath which surrounds the fiber containing the fibrils and therefore destroys the fiber. The swollen collagen fibrils can then be separated from the fiber sheath residues by filtration. A thin-walled tubular casing extruded according to the invention from this relatively watery mass of excessively fine swollen fibrils, when subjected to appropriate post-extrusion treatments, produces sausage casings which are very tender and so easy. chewable than when eaten, they are hardly distinguishable from the sausage meat itself.
However, sausage casings prepared according to the invention have sufficient tensile strength and burst strength to be capable of being bubbled, stuffed and bonded according to industrial techniques.
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without breaking or stretching excessively. In addition, it has been found that these casings withstand the stresses and temperatures they undergo when cooking in a frying pan so that the casing does not in substance undergo shrinkage and does not break or melt. 'and does not expel the flesh it contains during cooking.
However, the use of fluid masses of swollen collagen fibrils (i.e. masses in which the collagen has been reduced to particles of fibrillar size and in which the proportion of collagen in the swollen fibril mass is small order described above) causes problems in extruding and handling the extruded tubular casing from the time it leaves the orifice of the extruder until it has been dried and returned to its final dimension in which it must be put in accordion and later used.
The delicate nature of swollen collagen fibrils is such that the fluid fibril mass must be handled with care during the extrusion process itself to avoid material degradation as well as unwanted lamination and weak spot formation in the material. final product.
Although the preferred percentages of collagen given heretofore to practice the invention are not very critical down to the first decimal place, the extrusion and post-extrusion treatments of fluid masses of swollen collagen fibrils containing less. about 2.5% collagen is impossible. Although the extrusion of such a mass comprising a collagen content of between 2% and 2.5% is theoretically possible, the aqueous nature of the mass decreases its viscoelastic properties and introduces handling problems after extrusion and thus increases the time required for coagulation to the point that its use is quite impossible.
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On the other hand, a fluid mass of swollen collagen fibrils having a collagen content of about 4% is optimum for extrusion while a content of, 5 and up to 6% still allows extrusion. But, above 6%, the viscosity of the mass is such that extrusion requires excessive energy and heating and other problems arise as a result of friction. In addition, the post-extrusion treatment of the extruded tubular casing requires special handling.
It is of course, as described in detail in the Belgian patent application of the same date entitled "Method for producing a tubular casing of collagen" that, in the preferred and possible ranges described above of collagen, the extrusion of a collagen. such aqueous or low-collagen material produces an excessively brittle tubular body which must be handled with great delicacy and care during subsequent processing in which it is coagulated, hardened, plasticized and dried.
In the practice of the invention, when the mass of swollen collagen fibrils leaves the orifice of the extruder, it essentially comprises a liquid which must immediately undergo a coagulation treatment in order to maintain the shape which was given to it. exiting the mouth of the extruder while it is still moving under the action of kinetic energy imparted by the extrusion force. Once this initial coagulation occurs, the extruded casing has its own tangible shape and integrity, but it still remains weak, brittle, and prone to breakage when wet through several subsequent conditioning treatments.
Despite its fragile nature, the exact requirements of continuous production are such that these initially aqueous tubular casings must be reduced from an initial wall thickness to the orifice of the extruder eg about 14 times greater. ,, to a final wall thickness of about 1 mil (0.025mm) while retaining the inside diameter which was determined by the extrusion port.
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In known extruders used with the plastic fibrous collagen masses described, the pasty mass is introduced directly into an oblong annular extrusion passage and is extruded from this passage under the high pressures required without the collagen undergoing appreciable mixing or homogenization. during extrusion. A major cause of weak spots in extruded collagen casings is the tendency of bundles of collagen fibers, fibers, and even fibrils to come together or come together and orient in the direction of collagen extrusion when 'they encounter an obstacle in their path during extrusion.
These obstacles usually include an agglomerate of collagen in the plastic mass, which is retained or arrested in the narrow orifice of the extrusion chamber. Heretofore, as the basic structure of collagen which is composed of fibers and fiber bundles was of an order of magnitude much greater than that of swollen fibrils, and since no appreciable homogenization took place during extrusion, casings were often obtained having a joint line or a substantially longitudinal defect in its wall, formed by collagen fibers joined together or brought together by a clogged extruder. This defect significantly reduces the resistance of such a hose.
In addition, swollen collagen fibers and loose bundles easily tend to orient in the general direction of extrusion or in other directions determined by the construction of the extruder. Orientation in a particular direction of a substantial fraction of the thickness of a hose makes the hose easily susceptible to cracking or tearing in the direction of orientation, with the tear line generally occurring in the area located between oriented collagen fibers.
We tried to improve the tear resistance
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by orienting the fibers at random by resorting to an operation having the effect of mixing, gathering or felting the fibers, but this anarchic distribution of the fibers thus produced did not give a satisfactory product.
A phenomenon inherent in fluid masses of swollen collagen fibers or fibrils poses a significant and difficult problem in forming extruded articles of this material.
When such a mass of fluid collagen undergoes flow conditions, it is affected in such a way that it "remembers" the surrounding conditions in which it was flowed. When two such fluid masses, preconditioned in this way, are brought into contact with each other, the separation determined by their contact surfaces persists in the fluid mass and persists even in forms in which this mass is subsequently extruded or otherwise shaped. The formation and the persistence of these zones of separation or interfaces in objects extruded from masses of collagen in which they exist, create weak zones which permanently weaken the product thus formed.
. Thus, if a fluid mass of swollen collagen fibrils is forced to flow into an annular cavity from a peripheral inlet, the flowing mass is divided and the separate streams come together at a determined location in their annular paths. The area where the separate currents meet and merge into each other remains in the "memory" of matter as a persistent interface area and becomes in use a weakness area. This weakened interface persists during subsequent manipulations of the material, unless the fluid mass is sufficiently intimately mixed with the interface to eliminate this interface.
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According to the present invention, these interface difficulties are overcome or avoided by applying continuous and intensive rotary shear forces to the mass of material to be extruded as it passes through the extruder. The previous "memory" of the interface is thus destroyed and no stratification effect can occur during the extrusion process. Fluid material is never divided into separate streams having surfaces which meet in the extrusion process, but always follows completely circular paths radially outward and inward as it passes through the extruder.
In practice, sausage casings are subjected to tension in a direction parallel to the longitudinal axis of the casing during manufacture, including drying, accordioning and binding operations. In addition, when the casing is filled with sausage meat and cooked, the casing is subjected to internal bursting pressures. A satisfactory casing should possess sufficiently high and uniform strength characteristics to withstand these forces while not being tough, thick, or otherwise difficult to eat.
The strength of a casing made of swollen collagen fibrils is apparently due to the collagen fibrils that form this casing. The weakest section of such a collagen casing appears to be the area between the different collagen fibrils when they have been swollen and dried in place. Therefore an important factor that affects the strength of a casing is the distribution of collagen fibrils in that casing. A uniform or homogeneous distribution of the collagen fibrils, in particular a random distribution in the wall of the casing, eliminates the formation of weak spots in the wall of the casing due to the absence of fibrils in sufficient quantity at the weakened spot.
The appearance and the internal microscopic structure of the casing which has these properties are described in more detail in the Belgian patent application of the same date entitled "Collar casings: edible agene and process for making them.
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GOALS.
The present invention therefore aims in particular to provide; a new extrusion mechanism which produces a collagen casing formed from swollen fibrils with better strength characteristics; a novel extruder for continuously extruding, from a fluid mass of swollen collagen fibrils, a tube for collagen casings having a substantially uniform distribution of collagen fibrils; a new and useful extrusion process as well as means for avoiding the formation of interfaces, as mentioned above, in the fluid mass of swollen collagen fibrils and for destroying those interfaces which may have formed in the mass before its passage through and through the extruder;
'' an extrusion mechanism for continuously extruding a collagen casing from a fluid mass of swollen collagen fibrils, wherein the extruder elements impart a rotary shear action transverse to the fluid mass during the extrusion process to eliminate any stratification effect in this mass of collagen; a novel process for extruding a continuous collagen casing from a fluid mass of collagen fibrils. swollen by subjecting the fluid mass to a transverse rotary shearing action to eliminate the effects of layering in the collagen mass and to cause the fluid mass to flow in continuous circular paths during the extrusion process.
These and other goals. can be achieved according to the present invention which, in its various aspects, includes a new apparatus for making a synthetic collagen casing and new operations for making such a product.
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According to the pre-defined techniques currently used to prepare the fluid mass of swollen collagen fibrils for extruding according to the invention, the method prefers to use as raw material fresh ruffled hides (frozen or salted), preferably from bovines which have not. been treated with lime or other alkaline agents or with enzymes. Representative examples of the preparation of this preferred mass of swollen collagen fibrils are described in U.S. Patent Application No. 64,664 filed October 24, 1960.
This patent application also describes generally, primarily in a chemical sense, other treatments to which the extruded casing of swollen collagen fibrils is subjected to carry out the process of the present invention.
Parts taken from Example 1 of this patent application are set out below to show and explain the process and physical treatments used in the invention, but the invention is not limited to this example as those skilled in the art 'will easily realize this.
In this example, fresh bovine hides are washed in cold water at 13 ° C or less in a pendant rotating drum. , 10 to 24 hours. After washing, the skins are sliced using a slipper and the hair and epidermis are removed using a band knife. This preliminary cleaning is carried out using standard tannery machines and tools.
The remaining hairs and poorly cleaned areas are hand cut and five hides are grouped together and cut into 0.5 to 4 square inch (3.2 to 25.8 cm2) pieces and then pulp into passing them three times through a meat grinder, each pass getting finer and finer. The first and second passes are made through holes of 18 and 8 mm respectively.
The final pass is made through 1.5 mm diameter holes.
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It is important during chopping to keep the pulp below 20 ° C., for this purpose crushed ice can be added to the skins as they are introduced into the chopper.
The ground pulp is then diluted with running water at 16 ° C. to obtain a magma containing 7.4% of dry solids.
This magma (125 parts) is then treated with 125 parts of a 2.4% aqueous lactic acid solution using an inclined mixer such as that manufactured by the Cherry Burell Company (model 24) to form a homogeneous mass of swollen collagen fibrils. It is Important during this acid swelling operation to keep the temperature below about 25 ° C. The resulting mixture contains 3.7% skin solids and 12% lactic acid.
After mixing the pulp with the acid, the mass of swollen collagen fibrils is dispersed in a suitable homogenizer such as a Manton-Gaulin homogenizer (model 125-K-5BS) provided with a two-stage valve and operating with a pressure drop of 1500 pounds / square inch (105 kg / cm2). In the final fluid mass of swollen collagen fibrils thus prepared, the individual fibrils are released from the fiber bundles and the fibers are released from the sheaths.
They absorb all the liquid and swell to go from an initial diameter of the order of 300 to 1000 to a freshly inflated maximum diameter (after 1 day) of the order of 15000
The fluid mass of swollen collagen fibrils obtained by the process described above (which is given only by way of example and without specific limitation) is then filtered through a filter having 7 mil (0.18 mm) to remove all non-swollen collagen material as well as non-collagen material after which the mass is ready to be extruded.
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According to the invention, the desired distribution of collagen fibrils in the casing is effected using an improved extrusion mechanism comprising passages between flat members which can rotate relative to each other about a central axis which. extends in the general direction of the extrusion, preferably vertically, the inner flat element preferably has the shape of a disc with a diameter significantly greater than its axial thickness and having a flat upper surface substantially perpendicular to the direction of extrusion.
The upper surface of the inner member or disc is placed a short distance from a cooperating planar face of the outer member forming between them a thin, flat upper extrusion passage communicating with an annular discharge chamber in the center of the disc. ,, which extends parallel to the general direction of extrusion.
A fluid mass of swollen collagen fibrils is forced under pressure in the direction of extrusion and is pressed against the underside of the inner member or disc of the extruder in the space between the inner and outer members. The supply pressure directs the mass of fluid radially outward, through the relatively, deep lower passage, to the periphery of the disc where it passes around the circumferential edge of the disc into the upper flat extrusion passage, which is. preferably shallower than the first passage or lower passage.
In the upper extrusion passage, the uninterrupted rotational movement of the extrusion member (s) creates circular tension in the fluid mass of the swollen collagen fibrils which exhibits viscoelastic properties. A viscoelastic material is a material having elastic and viscous properties, that is, although the material is viscous, it has a certain elasticity in shape.
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EMI16.1
By subjecting a viscous 4 T material to rotational forces, a circular tension is created in this material which contracts the material radially towards the center of rotation rather than outward as is normally the case with other materials. kinds of fluid, eg water. This phenomenon is called the "Weissenberg effect". The circular tension thus created in the viscoelastic mass of swollen collagen fibrils pushes the collagen mass radially inward from the periphery of the disc along the upper extrusion passage to the central annular discharge chamber from where it is formed. is extruded in the form of a tube in a dehydration or coagulation bath.
The novel extruder of the invention therefore uses the viscoelastic property of the mass of swollen fibrils to significantly reduce the extrusion pressure. In addition, by subjecting the collagen mass to a regular shearing action by the elements of the extruder in a direction transverse to the direction of the extrusion, all the collagen agglomerates collected are dispersed and a uniform distribution of the collagen is effected. different collagen fibrils in the fluid mass that enters the discharge chamber.
The desired distribution of swollen collagen fibrils is achieved by subjecting substantially all of the fibrils in the extrusion passageways to regular transverse rotational forces acting in spaced planes parallel to the fatal extrusion forces. By subjecting the fibrils to parallel plane forces, it is believed that one obtains a parallel plane distribution of the fibrils while the rotational shear forces. perform a statistical orientation of the fibrils in these parallel planes, but the Applicant does not intend to limit themselves to this theory of operation, as explained later in this report.
Simultaneously,
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the fluid mass of fibrils is free from breakage by crushing, turbulence and fracture contacts as it passes through the smooth, flat passages in the extruder.
In accordance with the method of the present invention, a collagen tube is extruded by forcing a fluid viscoelastic mass of upwardly swollen collagen fibrils under pressure into a smooth inner annular zone concentrated at a longitudinal axis extending in the direction. of the extrusion, by directing the current of swollen fibrils during part of its path in the annular zone radially outwards and then radially inwards (under the action of the circular tension forces of the Weissenberg effect) in the annular exit zone.
To this end, spaced flat zones connected to one another are used which extend laterally with respect to the general direction of extrusion and the collagen fibers swollen in the flat zones are subjected to shear forces transverse to the direction of extrusion in order to distribute uniformly the collagen fibrils contained in the mass which, enters the zone cancels out.
Of course, the general description which precedes and the detailed description which follows are given by way of example only and do not limit the invention in any way.
To make the invention fully understood, reference will be made hereinafter to. by way of example, to the accompanying drawings in which: FIG. 1 is a vertical section of one embodiment of the invention; Fig. 2 is a vertical section similar to FIG. 1 of a second embodiment of the invention; Fig. 3 is a vertical section similar to FIG. 1 of a third embodiment of the invention;
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'FIG. 4 is a vertical section similar to FIG. 1- of a fourth embodiment of the invention; the Fie. 5 is a schematic plan view, on a larger scale, of the wall of an extruded tubular body showing the uncontrolled distribution of collagen fibrils which appears to occur;
and Fig. 6 is a section of the wall shown in FIG. 5 taken along line 6-6 of FIG. 5.
In the preferred embodiments of the invention shown by way of example in the accompanying drawings, FIG. 4 shows more or less schematically a simple construction according to the invention. In this embodiment, the homogenization and the distribution of the collagen fibrils are carried out by means of a single rotating disc.
As shown in the drawings, the extruder of FIG. 4 comprises a pipe 100 through which the fluid mass of swollen collagen fibrils is introduced under an appropriate hydraulic pressure into the extruder. The extruder comprises a cylindrical body 102 which is pierced with a central opening forming a cylindrical vertical passage 105 which passes right through it.
A hollow mandrel 108 is placed axially in the body 102. The lower end of the mandrel passes through a base 109 and is attached to a support bracket 111 mounted on a suitable frame (not shown) which supports the extruder in a vertical position.
The body 102 is covered with a cylindrical cover 104 which is fixed to its flat upper face 103 by countersunk bolts 101. The cover 104 is also pierced with a central opening, at 106, forming the mouth or the neck. central opening of the extruder from which the extruded hose C is fragmentarily shown rising vertically from the extrusion port.
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The annular extrusion port 110 is formed between the opening 106 of the cover 104 and the mandrel 108.
For this purpose, the mandrel 108 has an enlarged upper section 112 which extends into the opening 106 formed in the cover 104. The mandrel 108 terminates flush with the upper face of the cover 104 and is spaced from the periphery of the. opening 106 to form the annular vertical discharge chamber and port 110 between them to extrude tubular hose C upward.
According to the invention, means are provided for subjecting the mass of swollen collagen fibrils to the shearing action of a rotating flat disc before extruding the mass through the orifice 110. According to the invention, this rotating disc is preferably placed so that the fluid mass is forced to move in contact with its lower rotating face then to pass around its perimeter and to return to its upper face through passages formed between the lower and upper rotating faces of the disc and flat surfaces placed above and below the disc.
As shown in the drawings, the disc 114, which is relatively thin and wide, is mounted so as to rotate about the central axis of the extruder and is in the form of a collar formed on the tubular drive shaft. 116 which extends downward from the underside of the disc into the central opening in the body 102 and which protrudes from its lower end. The downwardly extending end of shaft 116 is provided with an outer gear 120 which can be driven by any suitable mechanism and a source of motive force, not shown. Pinion 102 is part of a nozzle 122 which surrounds the lower end of shaft 116 and which is fixed thereto by a stop screw 123.
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As the drawings show, the disc 114 is relatively large and relatively thin. Its upper and lower faces
132 are both planar and extend substantially the full diameter of the disc from the center drive shaft 116.
According to the invention, means are provided for causing the fluid mass of swollen collagen fibrils to move smoothly under pressure in a mixing chamber from a location near the inner or central part of the underside. 132 of the disc 114 radially outward on the underside of the disc where the collagen is subjected to a rotary shearing action as described above. In addition, this first or underpass is designed to go tapering outward toward the perimeter of the disc so that the shearing action between the underside of the rotating disc and the opposing flat surface of the body '7.02 becomes more intense as the material moves below the disc.
For this purpose, the upper interior surface of the body 102 is in the form of a cylindrical chamber or cup 134 placed below the major part of the lower surface 132 of the disc 114. The flat lower surface 136 of the chamber 134 is, as shown in the drawings, inclined downwards and towards the center so as to provide a flat surface below the disc of essentially triangular section, the deepest area of which is adjacent to the central part of the extruder.
As shown in the left part of Fig. 4, means are provided for introducing the fluid mass into the center of the mixing chamber 34 through the inlet pipe 100. For this purpose, a channel 138 communicates with the threaded inner end of the pipe 100 and sinks towards inside and then upwards to introduce the material near the deepest part of the
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chamber 134. Whatever a single inlet is shown, more than one inlet can be provided to introduce material at different points spaced around and near the lower interior of chamber 34.
The planar inclined surface 136 preferably extends upward and outward to a location close to the perimeter of the disc 114 but is flattened there to form the horizontal annular surface 140. The final portion of the flat underpass is horizontal.
According to the invention, the fluid material rises vertically when it reaches the perimeter of the rotating disk and then returns radially inwardly on top of the rotating disk until it reaches the extrusion orifice 110, A To this end, a vertical passage 144 is provided between the perimeter of the vertical edge of the rotating disc 114 and a cooperating edge 146 formed in the block 102. A relatively narrow flat horizontal passage 148 is provided between the top of the rotating flat disc 130 and the top. flat lower horizontal face 150 of the upper cover 104 to ensure a visco-elastic movement of the fluid material radially inward. This passage 148 communicates at its interior or central part with the vertical extrusion chamber and the orifice 110.
According to the invention, and, as described in more detail with reference to FIG. 1, means are provided for subjecting the extruded tubular casing C to a coagulation treatment as soon as it leaves the extrusion port. To this end, the inner wall and the outer wall of the rising casing are immersed in risers of coagulating fluid as soon as the tubular casing leaves the extrusion orifice. To obtain the interior liquid column, the hollow interior of mandrel 108 is used.
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The casing produced by the extruder of FIG. 4 (as well as that described below) is generally uniform and homogeneous. A microscopic examination shows that the collass fibrils forming the casing are oriented in an anarchic manner but parallel to the curved planes forming the surface of the casing wall. Figs. 5 and 6 are schematic views, on a larger scale, of this arrangement of the collagen fibrils which appears to exist in the wall of the freshly extruded casing before drying.
The fibrils are apparently thus arranged by the faces of the rotating disc which cooperate with the planar faces
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closes the upper and lower mixing passages.
Cat. ,, er3 above, in substance all the mass of collagen '' '-t cazxtenu' ..: .ns the passases, in particular in the upper passage, eb '-' nfluenceo by one or the other of the faces planar disc and / or the opposite side of the body. Normally the co7.lagn ':: n fibrils orient in the direction of extrusion. With faces 130 and 150 through example which exert opposing transverse shear actions on the upper and lower portions of the collagen mass which moves radially inward in the upper passage 148, the collagen fibrils are subjected to a combination of forces. all of these rotating shear forces act in planes parallel to the linear extrusion force.
However, the collagen fibrils appear to be arranged parallel to the flat faces of the passage. This seemingly haphazard but parallel arrangement appears to be retained as the fibrils pass through the relatively short vertical extrusion chamber 110 and are extruded as a tubular collagen casing whose collagen fibrils are statistically oriented but parallel to the surface of the tube. hose. The fibrils contained in the areas closest to the vertical cylindrical walls of the chamber 110 may
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orient themselves more or less longitudinally and thus increase the longitudinal tensile strength of the final casing.
In the. embodiment shown in FIG. 1, the extruder 10 is shown in much more detail.
In comparison with the rather simple and schematic view of FIG. 4 which has a disk rotating between stationary flat surfaces, the extruder of FIG. 1 comprises flat surfaces situated on either side of a rotating disc and which themselves rotate in the opposite direction to the disc so as to increase the plane rotational forces imparted to the mass of fluid fibrils extruded. The entrainer 10 is preferably mounted to work vertically in order to extrude the aqueous mass of collagen fibrils in the form of a tubular casing in a recirculating dehydration or coagulation bath which circulates axially in contact with the inner and outer faces. from the wall of the tubular hose.
The coagulation treatment and subsequent treatments ultimately decrease the wall thickness of the casing which initially is, for example, 14 mils (0.36 mm) to result in a very thin dry casing having a wall thickness of the order of 1 mil (0.025 mm) as described in more detail in the Belgian patent application of the same date entitled "Method for making a tubular collagen casing".
The extruder comprises a substantially cylindrical fixed body 12 to which an upper cover 14 and a lower cover 16 are secured by bolts 17. The covers 14 and 16 close the ends of the body 12 and a suitable frame (not shown) attached to the body 12 supports. the extruder 10 in a vertical position.
The main central support for the mobile parts of the extruder is formed by a hollow mandrel 18 fixed coaxially in the body 12 at a certain distance from the latter. The chuck
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comprises an upper part with shoulders 19 which extends in a central opening 15 formed in the cover 14 and which terminates flush with the upper face 20 of the cover.
The cylindrical surface of portion 19 is spaced from the periphery of opening 15 while the shoulder is rounded and is spaced from the complementary underside of cover 14 to form a fixed discharge passage 17 comprising a longitudinal annular section 21 which is connected to a flat side section.
The lower end of the mandrel 18 passes through a suitable central opening made in the lower cover or bottom 16 and is provided with an end flange 22 which is fixed against the latter by bolts of which only one is shown. To facilitate assembly of the extruder 10 in its active position shown, the mandrel 18 is counterbored. at its lower end to become again a threaded hollow nozzle 24.
According to the invention, the mass of swollen collagen fibrils to be extruded passes between the flat rotating faces of two rotating discs. As shown in the drawing, 4 two inner and outer discs 28 and 30 concentric 'nested in each other and spaced apart from each other are mounted so as to rotate with respect to each other, preferably in reverse directions, around the central axis of the extruder. The inner disc 28 includes a flat discoid top plate 32 'attached to a tubular drive shaft 34 which surrounds and extends laterally from the mandrel 18.
The outer disc 30 is scoured so as to grip the inner disc 28 and is provided with an upper horizontal plate 36 attached to a lower horizontal crown 40 formed on the upper end of an outer concentric vertical tubular drive shaft 42.
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The disc 30 has a substantially planar lower surface 44 on the base 46 which extends inwardly from the plate 36. The lower surface 44 is parallel to the upper face of the plate 32 and is spaced therefrom to form a substantially flat and relatively narrow upper extrusion passage 50 therebetween which is smooth and uninterrupted. A substantially planar lower mixing chamber 51 is also formed between the upper face 52 of the ring 40 and the lower face 54 of the inner disc 32.
The chamber 51 which is slightly deeper than the extrusion passage 50 communicates with the latter around the circumferential edge 58 of the disc 32 to form a smooth continuous path for the mass of fluid which flows in the passage 50 to the chamber of. discharge 17. To deliver fluid containing collagen fibrils into the chamber and passage, the upper inner surface of shaft 42 is provided with an annular shoulder 41 which extends inwardly near the outer peripheral wall. of the shaft 34 and which forms the lower end of an annular distribution chamber 43 between the shafts 42 and 34. The upper end of the chamber 43 communicates with the chamber 51 as shown in the drawings.
A sealing ring 45 closes the lower end of the chamber 43 in a sealed manner to prevent any contamination of the mass of collagen contained therein.
Drive shafts 34 and 42 are arranged centrally and coaxially in body 12 as shown in FIG. 1, the inner drive shaft 34 being placed near the mandrel 18 and the outer drive shaft 42 being radially offset outwardly thereof.
To rotate the drive shafts 34 and 42, they are provided at their lower ends with bevel-toothed pinions 60 and 62, respectively. The pinion 62 comprises a locking nut 61 screwed onto the outer face of the shaft 42, a conical toothed ring 63 being fixed to the locking nut 61
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of bolts .: 65. The pin 60 comprises a hub 67 screwed onto the outer face of the shaft 34 and a conical crown 69 fixed to the hub 67 by bolts 71. The conical toothed crowns! 63 and 69 are opposed to each other and are meshed by a common pinion 64. The rotation of the pinion 64 rotates the shafts: 34 and 42 and therefore the discs 28 and 30 in opposite directions.
Pinion 64 is secured to the end of a shaft 66 journaled in spaced bearings 68 and 70 mounted in a bearing 72 recessed into the wall of the body 12. A cap 74 which encircles the shaft 66 closes the bearing 72 and can be easily removed for access to the landing when required.
The shaft 66 is driven by a source of suitable driving form such as a motor and a reducer (not shown) to rotate the disks 28 and 30 in reverse directions. Its drive shafts 42 and 34 are kept radially spaced apart and axially in line in body 12 as follows:
The outer periphery of the shaft 42 near the disc 40 comprises a shoulder 76 which bears on the inner ring of a bearing 80 placed between the outer periphery of the shaft 42 and the inner periphery of the body 12.
The inner raceway of the bearing is in turn supported on a bearing washer 82! the inner race of a second bearing 84, the outer race of which rests on an annular shoulder 86 formed in the inner periphery of the body 12. the inner race of the bearing 84 rests on the upper face the locking nut 61 which holds the assembly axially in place. A stop screw 78 screwed into the wall of body 12 is capable of supporting the outer race of bearing 80 and keeping bearings 80 and 84 aligned and spaced between body 12 and shaft. 42.
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The upper end of shaft 34 is radially outwardly offset near shoulder 41 and forms an annular rib 88 on its outer periphery. The rib 88 bears on the inner race of a bearing 90 which is in turn supported on a bush 92 bearing on a second bearing 94 between the shafts 42 and 34. The outer race of the bearing 90 supports the underside of the bearing. shoulder 41.
A lock nut 96 screwed onto the outer periphery of shaft 34 supports bearing 94 and holds the whole assembly axially in place between shafts 42 and 34. A set screw 98 screwed into the wall of shaft 42 is capable of supporting the outer raceway of bearing 90 and keeping it aligned between shafts 42 and 34 while a thrust washer 60 helps to hold shaft 42 and toothed means 67 on, shaft 34 axially spaced from each other. The space between the discs 28 and 30 below the passage 43 and the space between the outer periphery of the disc 30 from the inner periphery of the body 12 are preferably filled with a suitable lubricant such as glycerol.
A seal ring 161 isolates the discharge chamber 17 from the interior of the body 12 to prevent lubricant from seeping into the chamber 17.
The homogenized fluid mass of swollen collagen fibrils prepared as described above is introduced under pressure by suitable pumps (not shown) into the extruder 10 through a supply line 162. The mass of collagen from the supply line 162 is pumped through an intermediate conduit 164 formed in the bottom 16 and an aligned opening 166 formed in the mandrel 18 in an elongated axial annular passage 168.
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To form the passage 168, a sleeve 170 is placed concentrically in the mandrel 18 The inner wall of the mandrel
18 in the vicinity of the sleeve 170 is counterbored, for example at 172. The lower end of the annular passage 168 is sealed off by a sealing ring 174 to isolate the passage 168 from the interior of the sleeve. socket 170.
The mass of collagen which enters passage 168 rises in the latter. Near the upper end of this passage,. the mass of collagen passes through a number of radially spaced outlet openings 176 formed in mandrel 18 in an annular receiving chamber 178. Chamber 178 is formed by the radial offset 88 of shaft 34 and is bounded by the surface. cylindrical exterior of the fixed mandrel 18, the interior cylindrical surface of the movable shaft 34, the underside of the disc 32 and the upper face of the rib 88.
Opposing sealing rings 179 isolate the upper and lower ends of chamber 178 to prevent contamination of the homogeneous mass by extruder lubricant. From the chamore 178, the mass of collagen is forced back by a second group of spaced radial openings 180 formed in the shaft 34 which provide a constricted communication with the annular distribution chamber 43.
An initial mixing of the collagen fibers is achieved when the collagen is pushed back through the lumens 180 because these lumens 180 which are provided in the shaft 34 rotate normally during the passage of the collagen.
The mass of fluid collagen contained in chamber 43 is subjected to a second preliminary mixing because the members which delimit chamber 43 are rotated in opposite directions. ,
From chamber 43, the mass of collagen enters the lateral flat mixing chamber 51. In chamber 51, perfect homogenization is effected by the action of the flat surfaces.
52 and 54 which turn in substance in opposite directions. Surfaces
52 and 54 break up by dispersing the agglomerates of collagen fibrils contained in the fluid mass. These agglomerates or accumulations'
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sometimes collagen fibrils form in the collagen mass! gene swelled despite the filtering operations planned during the preparation of the material to be extruded.
Swollen collagen fibrils generally possess rubber-like elasticity.
Agglomerates of swollen collagen fibrils can build up in the orifices of the filters, dividing to pass through the filters and reverting to their original state after passing through the filters.
In order to disperse these agglomerates into their constituent swollen fibrils, the invention applies a direct dispersing force to them. Surfaces 52 and 54 impart a shearing action to the mass of collagen which moves through chamber 51.
This shearing action applies the force of dispersion in the mass of collagen and tends to break up or disperse the clusters of collagen fibrils in the mass. The shearing action of surfaces 52 and 54 is generally transverse to the mass of collagen which moves radially outward in chamber 50.
At the periphery of the disc 32, the fluid mass contained in the chamber 50 passes around the edge 58 in the extrusion passage 50.
In the passage 50, the mass of fluid collagen fibrils is homogenized by the planar faces rotating in opposite directions 44 and 48 which delimit the passage 50. The faces 44 and 48 transmit a second transverse shearing action to the mass of collagen quie. radially inwardly displaces disc 32 toward discharge chamber 17. This second transverse shearing action ensures that any remaining collagen fibril agglomerates are dispersed before the collagen mass is discharged as collagen. a hose.
As indicated above, the upper passage 50 is narrower or shallower than the lower chamber 51.
Thus, in passage 50, practically all the mass of collagen
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is affected by one or the other face 4 and 48 forming the passage 50.
By exerting a transverse shearing action throughout the thickness of the collagen mass contained in passage 50, practically all of the remaining collagen agglomerates are subjected to this shearing action to remove them from the mass before unloading it.
The swollen collagen mass contained in the passage 50 moves radially inward between the rotating faces 44 and 48 and enters the aligned planar section 23 of the stationary discharge chamber 17 from where it is extruded upwardly through the Annular longitudinal section 21, in the form of a continuous hose, in a recireulation dehydration bath.
The dehydration or coagulation bath is recirculated in a closed circuit which includes a cylindrical distributor 182 which surrounds the opening 15 in the cover 14 near the discharge chamber 17. A vertical column 184 is supported on it. the distributor 182 and the interior of the column 184 communicates with the distributor 182. The coagulating liquid enters the distributor 182 through a pipe 186 and an aligned pipe 188 formed in the wall of the distributor 182 then in the column 184 where it rises vertically against the outside of the extruded hose.
The coagulating liquid is also introduced inside the extruded hose through another pipe 190 which communicates with the interior of the mandrel 18. The fraction of the liquid which comes from the conduit 190 rises in the mandrel in contact with the wall. and the interior face of the extruded casing but at a rate considerably less than that of the liquid flowing outside the casing to protect the walls of the casing from breakage and excessive friction of the liquid. The fraction of liquid contained in the hose is returned, through an overflow tube 182 placed axially in the mandrel 18 and extending upwards to the upper end of the column 184.
The part of the liquid which enters column 184 through distributor 182 and which is in contact with the periphery
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of the extruded hose is discharged at the upper end of column 184 into a reservoir (not shown).
Since the density of the extruded tubular casing is appreciably lower than that of the coagulating liquid (for example a 40% solution of ammonium sulphate) the tubular casing tends to float,, in the coagulating bath which decreases the traction. necessary to bring it to subsequent conditioning treatments.
Another advantage obtained by using the extruder 10 (as well as the other forms of extruder shown) is the beneficial use of the viscoelastic characteristics of the fluid mass of swollen collagen fibrils to decrease the required extrusion pressures. The circumferential tension developed in such a mass is directly proportional to the length of time that the material is subjected to applied rotational forces as well as to the amount of material rotated.
In chamber 51, the tendency of the mass of viscoelastic collagen to move in a centripetal manner under the action of circumferential tension must be overcome because this mass moves radially outward under the pressure of. hydraulic supply while being rotated by the members 28 and 38. But the viscoelastic phenomenon is extremely advantageous when the mass reaches the passage 50 which, as shown in the drawing, is longer and narrower than the chamber 51 so that practically all of the collagen mass contained therein is affected by the rotation of one or the other of the faces 4, 48.
However, in passing through passage 50 the collagen mass is more deeply affected by the rotational forces applied therein and the circumferential tension developed in the mass is consequently increased. Therefore, the counter-circulation effect of the circumferential tension developed in the collagen mass
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when it passes radially outward in the chamber 51 is. more than compensated by its desired centripetal circulation under the high circumferential tension developed in passage 50.
For example, in practice, with discs 2 and 30 which rotate at 100-125 rpm in reverse during the introduction of the swollen collagen mass, a hydraulic supply pressure of 40 to 50 pounds / square inch (2.8 to 3.5 kg / cm2) is required to continuously extrude 25 feet (7.5 m) of hose per minute while with discs 23 and 30 off, a pressure of 70 to 90 pounds / square inch (4.9-6.3 kg / cm2 is required for this purpose. The lower extrusion pressures are a result of using the viscoelastic properties of the plastic collagen mass to help extrude the mass in the form of a continuous gut.
Fig. 2 represents a variant of an extruder in which means are provided for extruding the mass of fluid collagen. in the form of a tubular casing by a short annular orifice chamber comprising walls rotating in opposite directions rather than a fixed orifice chamber as in FIG. 1. In this embodiment, the extruder 210 comprises an outer body 211 having a cylindrical section 212, an annular flange 214 of substantial L-shaped section, and a lower annular flange 216. An annular cover 215 is attached to the annular flange 214 and encloses the upper section of the body 211.
Extruder 210 includes a collagen fibril dispenser generally designated 217 and placed coaxially in body 211. Device 217 includes two concentrically spaced members rotating with respect to each other 218 and 220 mounted for rotate around the central axis of the extruder. The inner member 218 includes an upper discoid plate 222 attached to an annular flange 219 formed on the upper end of a tubular drive shaft 224. and extending laterally therefrom.
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this.
The outer member 220 has an inver- cylindrical section; sée 226 and is fixed to an annular transverse shoulder 228 formed; on the upper end of a second tubular drive shaft 230. '
The planar lower face 232 of the base 234 of the section 226 is mounted near the upper face 236 of the platen 222 and at some distance therefrom to form an extrusion passage; substantially flat radial 238 between them. Further, the upper face 240 of the shoulder 228 is partly inclined and forms with the underside 242 of the disc 222 an inverted frustoconical annular mixing cone 244.
Chamber 244 communicates with extrusion passage 238 around circumferential edge 246 of disc 222 to form a smooth and continuous flow path for fluid from the outer periphery of the tu- drive shaft; bular 224.
The member 218 is provided at its upper end with a relatively short annular lip 247, in the center of the disc 222, which extends into a central opening 248 formed in the base 234 of the disc 220. The lip 247 ends flush. with the top face 235 of the base 234. The lip 247 may be integrally formed with the shaft 224 or may be formed separately and suitably secured to the disc 222 or to the shaft 224.
The periphery of central opening 248 is spaced from the outer cylindrical surface of lip 247 to form an annular discharge chamber 250 connected at its lower end to a flat extrusion passage 238 and forming an annular transverse extension of this passage.
Drive shafts 224 and 230 are centrally and axially spaced apart in body 211 as shown in FIG. 2. The shafts pass through the lower flange 216 and are provided near their lower ends with toothed rings.
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conicals 252 and 254 respectively. Ring gear 252 includes an annular hub 256 screwed onto the outer cylindrical surface of shaft 224 and a tapered ring gear 258 secured to hub 256 by bolts 257. The ring gear 254 in turn comprises a hub 260 wedged on the outer cylindrical surface of the shaft 230 at a distance above the lower end of the latter. A tapered tooth ring 262 is attached to hub 260 by bolts 261.
The teeth 258 and 262 are opposed to each other so as to be meshed by a common pinion 264. The rotation of the pinion 264 drives the shafts 234 and 230 and therefore the members 218 and 220, in opposite directions. Pinion 264 is similar in construction to pinion 64 of the embodiment described above and functions in the same manner.
The lower end of the shaft 224 passes through an opening in the lower portion 231 of the shaft 230 and the shafts 224 and 230 are kept radially spaced apart and axially in line in the body 211 as follows:
Two space bearings 266 and 268 are placed between the outer cylindrical periphery of 1-'shaft 230 and the inner cylindrical periphery of section 212. The lower bearing 268 bears on the lower flange 216 and the bearings are locked in place. placed on the outer periphery of the shaft 230 by a resilient snap ring 270 wedged on the outer periphery of the shaft 230 ,.
A spacer ring 272 and a seal ring 274 isolate the interior of the bearings 266 and 268 so that the bearings can be ulcerated without risking contaminating the remainder of the extruder. .
The underside of the flange 219 bears on a bearing 276 placed between the shafts 224 and 230. The bearing 276 in turn bears on a bushing 278 supported on a second bearing. 280 held on the Lower end 231 of the shaft 230 and placed between the shafts 224 and 230. A resilient snap ring 281 on the outer periphery.
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upper shaft 224 help support bearing 280.
Spaced sealing rings 282 and 284 isolate the interior of bearings 276 and 280 which can thus be lubricated.
The lower end of the inner shaft 224 is open and is placed in the upper end of an open housing 286.
Shaft 224 fits snugly into housing 286 and seals its upper end.
In operation, a homogenized mass of swollen collagen fibrils is prepared as described for the above embodiments. This mass is introduced under pressure by means of a supply line (not shown) through a slot 288 drilled in the cylindrical wall of the housing 286 and enters a sealed annular groove 290 formed in the inner cylindrical wall of the housing. From the groove 290, the mass is driven back by spaced radial openings 292 formed in the lower end of the shaft 224 in an oblong axial annular passage 294.
To adorn the passage 294, a sleeve 295 is placed concentrically in: the shaft 224. The inner wall of the shaft is counterbored in the vicinity of the sleeve 295, for example at 293 and the sleeve is fixed therein. A sealing ring 291 seals the lower end of the passage 294 and isolates the passage from the interior of the sleeve 295.
The fluid mass contained in the passage 294 ascends longitudinally in the rotating shaft 224 Near the upper end of its passage, the mass passes through several spaced radial slots 296 formed in the upper end of the shaft 224. which establish choked communication with the annular mixing chamber 244
As in the foregoing embodiment, the fluid mass of swollen collagen fibrils moves radially outward in chamber 244 between elements 218 and 220.
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which turn in opposite directions.
At the periphery of the disc 222, the mass passes around the edge 246 of the disc in the flat, narrow extrusion passage 238. The mass is again subjected to the action of the elements 218 and 220 which rotate in opposite directions when it moves radially inwardly through passage 238 to transverse annular discharge chamber 250 formed by lip 247 and base 234 of member 220 which rotate in reverse directions. The mass contained in the chamber 250 is extruded from this chamber in the form of a continuous hose through an opening 298 in a recirculating dehydration bath.
FIG 3 shows another variant of the invention.
In this embodiment, the hose is extruded by an annular discharge chamber formed by walls rotating in opposite directions, this passage being notably longer than that shown in FIG. 2.
In many respects, the extruder 310 of this embodiment is similar in construction and operation to the extruder 210 shown in FIG. 2. However, in this variant, the base 234 is provided with a longitudinal annular wall 212 at the periphery of the central opening 248. The disc 222 of FIG. 2 is replaced by disc 314 which is similar in construction and operation to disc 222 but which is substantially thicker to more easily withstand extrusion pressures. Disc 314 includes an elongated central annular lip 316 which cooperates with wall 312 to form an elongated annular discharge chamber 318 therebetween.
Wall 312 and lip 316 terminate flush with the upper end of body 211. Chamber 318 is placed substantially transversely to extrusion passage 320 formed by base 234 and disc 319 but communicates. with the latter at its lower end. Passage 320 is similar to passage 238 of FIG. 2.
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The mass of swollen collagen fibrils prepared as in the foregoing embodiments is introduced under pressure through passage 294, chamber 244 and extrusion passage 320 which communicate with each other. The shafts 224 and 23U are rotated in reverse directions to effect the uniform preparation of the horned collagen fibrils in the above embodiments. The mass of collagen contained in the extrusion passage 320 is extruded through the elongated annular discharge chamber 318 as a tubular casing into the overlying recirculating dehydration bath.
In this embodiment, the collagen fibrils are extruded through an elongated annular discharge chamber 318 formed by members 312 and 316 which rotate in opposite directions.
The casing produced according to the invention using any of these embodiments may be coagulated, hardened, dried, accordion-shaped and bonded to form a sausage casing which is easy to cook and to prepare. eat.
Of course, the invention is in no way limited to the details described, to which changes and modifications can be made without departing from its scope.