Procédé de réglage ou de stabilisation de la composition de l'atmosphère
au contact de produits et dispositifs pour sa mise en oeuvre
La présente invention a pour objet un procédé de réglage ou de stabilisation de la composition de l'atmosphère se trouvant au contact de produits échangeant de l'oxygène et du gaz carbonique avec le milieu ambiant, et un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé.
On sait que la maturation des fruits dans une enceinte peut être retardée en diminuant la concentration en oxygène de l'atmosphère en contact avec les fruits, et en limitant l'augmentation de sa concentration en anhydride carbonique. On sait, en outre, que l'allure de la maturation des fruits peut être accélérée grâce à l'action de certains gaz tels que l'éthylène. Mettant ces enseignements en pratique, le brevet français No 699360 a fait connaître un mode d'emmagasinage, de transport et de traitement des fruits et produits analogues, avec réglage de la composition de l'atmosphère gazeuse en contact avec le fruit; selon ce procédé connu, on utilise une matière sélectivement perméable à certains gaz pour modifier la concentration des gaz dans l'atmosphère gazeuse.
L'appareillage pour mettre cette procédure en oeuvre comprend une chambre dont une partie est formée d'un corps imperméable aux gaz et l'autre partie de matière sélectivement perméable à certains gaz dont la concentration à Intérieur de la chambre doit être réglée; en outre l'appareil peut comprendre des moyens pour prélever du gaz à l'intérieur de la (ou des) chambre ainsi qu'un appareil de diffusion auquel on fournit le gaz ainsi retiré et dans lequel il s'écoule en contact avec les matières sélectivement perméables à introduire dans la chambre si l'on désire y changer par diffusion la composition de l'atmosphère de ladite chambre.
Comme matière sélectivement perméable à différents gaz, ledit brevet cite entre autres le caoutchouc, dont les membranes utilisées peuvent être protégées par des couvercles perforés ou autres moyens de protection.
L'appareil décrit dans ledit brevet peut comprendre des moyens pour fixer le rapport entre les pressions interne et externe.
Des études ont permis de développer les connaissances décrites dans le brevet ci-dessus: ces études ont permis de déterminer avec précision les conditions auxquelles doit satisfaire le conditionnement de l'atmosphère d'enceintes contenant des produits doués d'une activité à la fois respiratoire et photosynthétique, tels que des organes végétaux divers comme des fruits ainsi que de celle d'enceintes fermées, comme les serres, prévues pour la culture des plantes. Tel qu'il est décrit au brevet précité, le conditionnement des produits végétaux - amélioré ou non par divers accessoires plus particulièrement destinés à l'absorption ou l'élimination du gaz carbonique émis par lesdits végétaux tels que des fruits, entraîne divers inconvénients.
Il s'agit en effet d'exercer une surveillance étroite de la composition de l'atmosphère de l'enceinte de conservation afin que le laveur ou absorbeur soit mis en ceuvre dès que la teneur en CO2 atteint une certaine limite. Un tel dispositif entraîne également des dépenses d'appareillage assez élevées et n'est pas commode à utiliser pour des entreposages dont les conditions peuvent varier entre de larges limites. Dans tous les cas, d'autre part, où l'on absorbe ainsi le gaz carbonique - sauf, cependant, si l'on utilise un laveur à eau - les produits odorants dégagés par les fruits s'accumulent dans l'enceinte de stockage et peuvent provoquer l'apparition de maladies physiologiques telle que l'échaudure.
On sait, en outre, qu'une faible quantité d'éthylène provient des fruits en cours de stockage: aucun laveur ou absorbeur prévu exclusivement pour le gaz carbonique du type de ceux que l'on a jusqu'à présent utilisés, ne peut en même temps éliminer l'éthylène formé. Ceci peut présenter des inconvénients si le stockage est réalisé à une tempéra ture voisine de rambiante, car on sait que l'éthylène est nuisible à la bonne conservation de certains fruits audessus de 70 environ.
On a pu constater au cours des recherches nouvelles effectuées que les résultats désirés, évitant les inconvénients ci-dessus et perfectionnant la procédure décrite au brevet précité, pouvaient être améliorés et adaptés à de nombreuses applications, lorsque certaines conditions particulières sont satisfaites, notamment en utilisant des échangeurs en matière synthétique. On peut alors, grâce aux propriétés sélectives obtenues et choisies, obtenir dans l'atmosphère de stockage les taux d'oxygène et de gaz carbonique désirés, tout en éliminant les substances odorantes et l'éthylène, ce qui a pour effet de faciliter le stockage en atmosphère contrôlée au voisinage de la température ordinaire.
L'exposé qui suit a pour but de rappeler et de préciser les conditions de mise en oeuvre de l'échangeur en matériau synthétique afin d'en déterminer les propriétés. On sait tout d'abord que le mélange gazeux contenu dans l'enceinte de stockage doit comporter des pressions partielles connues, figurant dans les ouvrages spécialisés sur le problème de la conservation en atmosphères contrôlées , à savoir des pressions partielles x d'oxygène et z de gaz carbonique, x et z étant par exemple exprimés en atmosphères.
Pour maintenir auxdites valeurs connues et prédéter min.ées les pressions partielles d'oxygène et de gaz carbonique, l'échangeur doit permettre l'introduction dans l'enceinte d'une quantité convenable d'oxygène et en même temps l'élimination convenable du gaz carbonique. En effet, à cause de la respiration des organes végétaux, l'oxygène tend constamment à se raréfier à leur contact tandis que le gaz carbonique tend, au contraire, à s'accumuler.
On désigne par R et R' respectivement les quantités d'oxygène et de gaz carbonique échangées par unité de temps par la masse totale des fruits traités, à la température considérée et dans le mélange gazeux d'oxygène et de gaz carbonique aux pressions partielles respectives x et z, afin de déterminerlescaractéristiques de perméabilité, pour la diffusion, de l'échangeur permettant d'assurer la constante de la composition en oxygène et en gaz carbonique dans l'enceinte d'entreposage. En premier lieu, la pression totale régnant à l'intérieur de l'enceinte de stockage doit être égale à la pression qui règne à l'extérieur de ladite enceinte, c'està-dire à la pression atmosphérique. Par conséquent, il existe une relation (1) entre les pressions partielles des gaz contenus dans l'enceinte de stockage.
Si l'on désigne par y la pression partielle en azote, on a sensiblement:
x+y+z=l (1) x, y et z étant exprimés en atmosphères.
Dans la généralité des cas, y est supérieur à la pression partielle de l'azote dans l'air (0,79 atm.). Dans ces conditions, l'azote contenu dans l'enceinte de stockage, tend à sortir par diffusion au travers de l'échangeur. Pour maintenir la pression d'une atmosphère dans l'enceinte, il faut donc prévoir une entrée continue d'air.
Soit U le débit d'entrée d'air. Pour que la composition en oxygène et en gaz carbonique de l'atmosphère d'entreposage demeure constante, il faut que les échanges diffusifs à travers les parois de l'échangeur satisfassent aux aux égalités suivantes:
Débit de 02 entrant = R-LU s
Débit de COQ sortant = R'
4
Débit de N2 sortant = 5 U
Dans la présente description, on désigne par Ax, Ay et Az respectivement les variations des pressions partielles x d'oxygène, y d'azote et z de gaz carbonique, après passage du mélange de composition (x, y, z) dans l'échangeur. On peut négliger les variations du débit volumétrique Q à la sortie de l'échangeur.
On peut alors écrire les égalités (2), (3) et (4) ci-après:
Q. Az=R' (2)
Q. z x = Ax=R-l/5U (3)
Q. y = Ay=4/5U (4)
L'importance des variations de tensions (ou des concentrations) de gaz carbonique, d'oxygène, et d'azote, qui sont respectivement:
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dépend donc de l'importance respective des échanges diffusifs qui s'installent à travers les parois de réchangeur et du débit de circulation du mélange gazeux dans l'échangeur. Les échanges par diffusion R', R-1/5U et 4/5 U sont généralement faibles (de l'ordre d'une fraction de litre ou de quelques litres au plus par heure).
Il est donc aisé de choisir une valeur de Q suffisamment grande pour pouvoir considérer Ax, Ay et Az comme négligeables. Dans ces conditions, si ron désigne par P(O2), PtCO2) et P(N2) les perméabilités totales respectives de l'échangeur vis-à-vis de l'oxygène, du gaz carbonique et de l'azote, on obtient aisément les relations ci-après:
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Les perméabilités définies aux relations (5), (6), et (7) seront calculées dans les mêmes unités que les débits R, R' et U, c'est-à-dire en volumes de gaz, par unité de temps et par atmosphère, puisque x, y et z sont exprimés en atmosphères. Ces perméabilités pour un échangeur constitué d'une paroi diffusante de surface totale S et d'épaisseur a pourront encore être ramenées à l'unité de surface et d'épaisseur.
Les conditions, exprimées par les égalités (5), (6) et (7) ci-dessus permettent d'établir une relation entre les caractéristiques de perméabilité unitaires de la matière synthétique, à savoir (PU(09), Pu(CO2) et PU(N2) et certaines données biologiques, qui sont, d'une part, le climat gazeux correspondant aux valeurs des pressions partielles x et z (atm) et, d'autre part, le quotient respi
R' R ratoire des produits R ou son inverse R.
En effet, on tire des égalités (1), (5), (6) et (7) en éliminant y et U l'expression (8) suivante:
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Or, les perméabilités totales de l'échangeur sont, si S est la surface de la paroi diffusante et a son épaisseur:
P(O2) = S/a Pu(O2)
P(CO) = S/a PU(CO9) et
P(N3) = Sía PU(N9)
La relation (8) devient alors:
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Par conséquent, les matières synthétiques qui sont appropriées pour la réalisation de l'échangeur possèdent des perméabilités à l'oxygène PU(O2) au gaz carbonique P"(CO > ) et à l'azote Pl,(N) telles que, dans les conditions de travail prévues, I'égalité (8) soit sensiblement satisfaite.
A titre illustratif de ce qui précède, on a choisi le cas particulier de la conservation de diverses variétés de pommes ou poires qui est améliorée de façon connue par un entreposage dans une atmosphère renfermant 2 0/0 d'oxygène et 5 O/o de gaz carbonique. Dans cette atmosphère. ces variétés de pommes et poires ont un quotient respiratoire un peu supérieur à l'unité et on prendra le cas où R'R = 1,3 (ou R/R' = 0,77).
Connaissant les valeurs respectives de x (x = 0,02) z et de z (z = 0,05), on trouve 0,21-x = 0,26.
0,21-x
La relation (9) montre que, dans ce cas particulier, les matières synthétiques appropriées pour constituer l'échangeur sont celles pour lesquelles:
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Le choix de la matière synthétique pratiquement utilisable dépend donc de la valeur de l'expression
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de la matière considérée, I'homme de l'art pourra évidemment choisir parmi les matériaux dont il dispose, celui dont la valeur r est la plus voisine de 0,26.
C'est ainsi qu'on est amené dans l'exemple considéré: - a éliminer le polypropylène pour lequel r = 0,39 - a éliminer le chlorure de polyvinyle pour lequel
r = 0,17 mais à retenir le polyéthylène pour lequel r = 0,26.
On peut envisager également une autre méthode de détermination de la matière synthétique que celle qui vient d'être décrite, dans le cas où l'on ne connaît pas - ou s'il est difficile de déterminer pratiquement - le quotient respiratoire des organes végétaux à traiter.
On a en effet trouvé que les perméabilités des matières synthétiques devaient satisfaire à la double inégalité (10), ci-après, qui a été établie en tenant compte de l'intervalle des variations possibles du quotient respiratoire R'/R dans le cas d'une bonne conservation des fruits dans le mélange gazeux envisagé.
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En désignant par e le rapport sans dimension
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d'une matière synthétique.
Les matières synthétiques susceptibles d'être utilisées pour la fabrication d'un échangeur, pour l'obtention et le maintien au contact des produits, tels que des fruits, d'une atmosphère contenant xio/o d'oxygène et zo/o de gaz carbonique, sont celles dont la caractéristique Q répond sensiblement à la double condition (11)
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En appliquant ce dernier mode de détermination des matières synthétiques utilisables dans le sens de
I'invention, au traitement des fruits avec atmosphère à 2% d'oxygène et 5 /o de gaz carbonique, la double inégalité (11) devient: 0,186e60,26
Pour du propylène Q = 0,30
Pour du P.V.C. Q = 0,17
Pour du polyéthylène, par contre, on vérifie que:
:
0,18 < Q = 0,20 < 0,26
Pour un matériau à base de silicones (diméthylpolysiloxane) on vérifie aussi 0,18 < = 0,19 < 0,26
La diffusion des gaz respiratoires et de l'azote à travers I'échangeur conformément au procédé envisagé peut donc être déterminée en fonction des besoins et l'on a en général intérêt, pour la conservation prolongée des fruits, à choisir des matériaux ayant en outre les caractéristiques générales ci-après:
Perméabilité à la vapeur d'eau: P(HaO) très faible
Perméabilité à l'éthylène: P(C2H4) grande
Perméabilité aux essences odorantes: P(essences) très grande.
Moyennant un choix convenable du matériau synthétique constitutif de l'échangeur, on peut assurer en permanence dans une enceinte où sont stockés des fruits, tels que des pommes, une composition appropriée de l'enceinte de stockage; par exemple, on peut maintenir les valeurs de x, y, z ci-dessus définies, de la façon suivante:
x = 0,02 atm.
y = 0,93 atm.
z = 0,05 atm.
Lorsqu'on a choisi la matière synthétique appropriée, il convient de déterminer la surface à donner à la membrane de diffusion en faisant intervenir, évidemment, la masse de produits à traiter. A cet effet, on peut faire appel, à l'égalité (6) susmentionnée qui s'écrit:
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dans laquelle R' représente la quantité de gaz carbonique dégagée par la masse totale de produits entreposés dans l'unité de temps choisie. Cette quantité R' est une donnée courante en matière de conservation des produits.
S'il s'agit d'une membrane homogène et d'un régime de diffusion des gaz à travers la matière, à l'exclusion de perforations, la relation (6) s'écrira, en faisant intervenir Pu(COO), la perméabilité ramenée à l'unité de surface (S) et d'épaisseur (a) de membrane,
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Les caractéristiques dimensionnelles de la membrane ou de la plaque de diffusion peuvent alors être déterminées grâce à la relation (12)
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dans laquelle S et a représentent respectivement la surface et l'épaisseur de l'échangeur à mettre en oeuvre.
Dans l'exposé qui précède, on a supposé que le débit
Q du mélange gazeux qui circule dans l'échangeur était grand par rapport aux valeurs des pressions partielles respectives de l'oxygène, du gaz carbonique et de l'azote dans le mélange. De la sorte, les valeurs des variations desdites pressions partielles (ou des concentrations) ont pu être valablement considérées comme négligeables.
Toutefois, il est possible, lorsque la masse des organes à traiter est grande ou encore lorsqu'on désire utiliser un faible débit Q (par exemple pour éviter une trop grande surpression de l'atmosphère dans réchangeur, ou pour diminuer le prix de revient de la pompe de circulation...) que les valeurs Ax, Ay et Az ne soient plus négligeables.
Les perméabilités P(CO,) P(Os) et P(N2) de l'échangeur sont alors définies par les égalités:
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Si l'on pose d'une manière générale P =P e-1Q les relations 5', 6', 7' deviennent
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qui sont la généralisation des expressions (S), (6) et (7) et où n désigne la perméabilité effective de l'échangeur, laquelle dépend de Q, tandis que P, évidemment indépendant de cette dernière valeur, est la perméabilité réelle (ou intrinsèque) de l'échangeur.
Pour définir les matières utilisables pour confectionner l'échangeur, on est donc théoriquement conduit à utiliser la double inégalité:
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qui est la généralisation de la condition (10), cette dernière étant en principe valable seulement pour Q infini.
Mais les termes e-P/Q, en fait, sont peu différents de 1 la plus petite valeur du rapport -P/Q étant supérieure à -1/2, En effet, le calcul montre que la valeur minimale de Q dans les expressions (5'), (6') et (7') est fixée par celui des constituants (cor, Oo ou N) qui diffuse le plus rapidement au travers des parois de l'échangeur.
En supposant, comme c'est souvent le cas, qu'il s'agisse du gaz carbonique, on démontre que:
R'e
Q minimum = z , e = base des logarithmes népériens.
R'
Etant donné que P(CO2) est supérieur à - on voit, en définitive que
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est plus grand que -
e lorsqu'il atteint sa valeur minimale.
Donc il est convenable d'écrire que
-P/Q > -l/2
Les considérations précédentes conduisent finalement à admettre que la double inégalité (10) définit la matière à utiliser de façon suffisamment convenable quelle que soit la valeur du débit Q du mélange gazeux.
Pour déterminer les caractéristiques dimensionnelles de l'échangeur dans le cas le plus général, il est donc nécessaire de résoudre le système des équations (13) et (14) ci-après:
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Pour calculer la perméabilité globale de l'échangeur P(CO2) on décrit la relation (13) sous forme logarithmique, pour obtenir la relation (15):
:
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On peut alors déterminer la solution graphique du système par intersection de la fonction
yt = Loge P (CO2) et de la droite
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Après avoir déterminé P(CO2), à l'aide de l'égalité (15) on peut calculer les caractéristiques dimensionnelles
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A titre d'exemple, on a calculé ci-après la surface d'un échangeur constitué d'une membrane tissée en fibres synthétiques, par exemple en Nylon , et enduite d'un caoutchouc silicone (diméthylpolysiloxane), pour obtenir et maintenir au contact d'une tonne de pommes (variété Golden Delicious ) une atmosphère à la pression at mosphérique et dont la composition est la suivante:
z = 0,04atm.
x = 0,03atm.
y = 0,93 atm.
La respiration des fruits dans ce mélange fournit, pour une tonne, une valeur de R' = 0,04 litre de CO2 par minute à 150.
Dans l'exemple considéré, on disposait d'un échantillon du tissu enduit précité, dont l'épaisseur a était fixée. Par unité de surface et à 15 , on a:
P11(O2) = 3,3 I/j/dm2
Pu(CO2) = 201/j/dm2
PU(N2) = 1,7 I/j/dm2
On constate d'abord que le rapport
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est bien compris entre
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car la double inégalité (10) s'écrit:
0,15 < P = 0,18. < 0,22
Pour définir la surface de l'échangeur, en résout l'équation (15) qui s'écrit dans l'exemple considéré avec Q = 51/mn.
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On peut résoudre graphiquement cette égalité par l'intersection des deux courbes
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On trouve ainsi, dans le cas particulier considéré:
P(CO2) = 1,3 1/mn/tonne ou 18721/j/tonne
On obtient donc:
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L'échangeur sera donc constitué d'un tissu enduit dont la surface est égale à 0,9 m2 par tonne de fruits entreposés.
Il importe de souligner que dans l'intervalle de température 00-150 (ou plus) où le procédé de l'inven- tion est mis en oeuvre, la quantité P(CO2), ainsi que les autres caractéristiques de perméabilité qui interviennent, P(02) et P(N2), croissent sensiblement de la même manière, en fontion de la température, que l'activité respiratoire R' (ou R). Dans ces conditions, les dimensions (surface, épaisseur) définies pour une température comprise dans cet intervalle conviennent pour toutes autres conditions thermiques du même intervalle.
Cette observation revient à dire pour la pratique que l'échangeur selon l'invention convient parfaitement pour la température de stockage des produits, température qui est de préférence comprise entre 0 et 150, et que l'échangeur ainsi calculé conserve sensiblement pour toutes autres conditions thermiques de l'intervalle pré- féré 0 -15 la même efficacité. L'efficacité d'un même échangeur peut être modifiée en jouant sur l'importance du débit de fluide qui le traverse sur l'étendue de sa surface libre ou encore sur les conditions de sa ventilation extérieure.
Il peut être toutefois utile de disposer d'un échangeur dont on peut faire varier à volonté de façon simple et progressive l'efficacité. On peut y parvenir par des moyens très simples: il suffit, en effet, de réchauffer ou de refroidir la membrane diffusante.
En effet, on sait que le transfert de gaz par diffusion à travers les matières synthétiques, telles que le polyéthylène, augmente avec la température; on pourra donc soit accroître l'efficacité de l'échangeur par apport de chaleur, soit la diminuer par apport de froid.
Le réchauffement de la membrane (ou plaque) de diffusion peut être réalisé par un moyen quelconque, par exemple au moyen d'air chaud naturel extérieur soufflé sur l'échangeur, ou d'un courant d'air, chauffé par le condenseur du groupe frigorifique destiné à refroidir l'enceinte de stockage des denrées. On peut également prévoir des résistances électriques incorporées à la membrane de diffusion (èu appliquées sur cette membrane).
Le refroidissement de la membrane de diffusion peut être obtenu diversement et facilement au moyen d'air froid naturel extérieur soufflé sur l'échangeur. On peut aussi, entre autres, refroidir artificiellement la membrane, notamment au moyen de cellules à Effet Peltier disposées sur la membrane, etc.
Ainsi, il est possible d'adapter le fonctionnement de l'échangeur aux conditions de fonctionnement parti culières prévues et d'éviter de faire un calcul poussé de l'échangeur au départ.
Le réchauffement de l'échangeur offre donc un grand intérêt dans le cas des matières synthétiques dont la perméabilité croît très vite avec la température. Il permet, en effet, de réduire considérablement la surface de l'échangeur.
A titre illustratif, on a déterminé précédemment que, pour conserver 10 tonnes de pommes dans un mélange gazeux comprenant 3 /0 d'oxygène et 4 Dlo de gaz carbonique, il faut un échangeur constitué, par exemple, par une membrane d'élastomère à base de silicones, ayant une surface de 9 m2.
Cette surface a été calculée pour un échangeur fonctionnant à la même température que la masse des fruits entreposés, qui, pour fixer les idées, sera supposée égale à 5O C. Si le stockage est maintenu à 50 C, mais si la température de l'échangeur est portée à 300 C, la surface diffusante devra être seulement de 3 m2 environ, ce qui représente donc une économie importante de la matière synthétique constitutive de l'échangeur. D'une façon générale on pourra donc considérablement améliorer le fonctionnement de l'échangeur, soit en faisant varier la température dudit échangeur au cours de l'entreposage des produits pour assurer une meilleure souplesse dans le procédé de réglage de la composition de l'atmosphère de stockage, soit en maintenant les fruits à température plus basse que l'échangeur pour réduire l'encombrement de celui-ci.
On a vu qu'il était possible de constituer des membranes sélectivement perméables diffusantes à base de silicones, par exemple des membranes tissées en fibres synthétiques telles que le nylon, enduites d'une silicone.
L'échangeur peut être situé soit à l'extérieur soit en totalité ou en partie à l'intérieur de l'enceinte contenant les produits. Un mode préféré de réalisation de l'invention résulte de ce qui suit, on a constaté que les membranes sélectives à base de silicones sont beaucoup plus avantageuses que toutes les autres parce que leur perméabilité aux gaz reste pratiquement indépendante de la température à l'intérieur d'un large intervalle de températures correspondant à l'utilisation des dispositifs prévus; on a pu, en mettant cette réalisation au point, préciser rinfluence de la nature du support de la membrane échangeuse sur la perméabilité aux gaz de ladite membrane et étudier l'influence des condensations et de rhumidité relative de l'air sur la perméabilité des membranes d'élastomères silicones.
Pour ce qui concerne l'action de la température, on a constaté, en examinant les enseignements ci-dessus, que l'intensité respiratoire r des produits à traiter c'està-dire l'absorption de s ou l'émission de CQ à la température varie suivant la loi ci-après: log r # log rO + kt où r0 est l'intensité d'absorption de O, ou celle de l'émission de CO, à 00, où k est un coefficient caractéristique des produits, sensiblement égal à 0,04 pour les poires et les pommes et où t est la température centigrade.
Il en résulte que si t augmente, il y a lieu d'augmenter la surface S échangeuse ou le débit Q du mélange gazeux à conditionner, et que si t diminue, il y a lieu de diminuer S ou Q. On a vu plus haut à ce sujet que le flux de diffusion des gaz à travers l'échangeur est directement proportionnel à S et que les perméabilités réelles z de l'échangeur sont liées au débit Q par les relations:
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où PO2 et PCO2 sont les perméabilités totales de l'échangeur pour O et CO2 respectivement.
D'autre part, la première forme de réalisation du procédé fournit le S moyen de calculer le rapport S de la surface de
a l'échangeur à son épaisseur en fonction des perméabilités unitaires et des quantités unitaires d'oxygène et de CO2 échangées dans l'unité de temps par la masse totale des produits (fruits ou autres) traités. On a alors constaté qu'un support en tissu à mailles fines et serrées diminue la perméabilité de la membrane échangeuse: si l'on compare deux membranes de même surface S et de même épaisseur a d'élastomère silicone, l'une imaginaire, réalisée sans support, I'autre, réelle, dans laquelle les fils constituant le tissu occupent une surface s, il a été constaté que la perméabilité est diminuée par le tissu dans le rapport s/S.
Par exemple une membrane imaginaire d'élastomère silicone de 40 microns d'épaisseur aurait une perméabilité au gaz carbonique de 60 litres/ 24 heures par 1 dm2. Par contre la membrane réelle correspondante, fabriquée à partir de 1 dm2 d'un tissu type gaze, d'une épaisseur de 23/100mu, avec 20 fils de chaîne et 8 fils de trame au cm, garde une surface libre égale seulement à 0,60 dm2, de sorte que sa perméabilité est réduite à 35 litres/24 heures.
Les essais effectués sur des membranes d'élastomères silicones ont permis d'établir la faible influence de l'humidité relative des gaz mis au contact des membranes échangeuses d'élastomères silicones . Au cours de mesures effectuées sur une membrane entre 70 o et 100 O/o d'humidité relative, valeurs qui correspondent à des fluctuations fréquentes de l'hygrométrie au cours du stockage ou du traitement d'organes végétaux, aucune modification de la perméabilité n'a pu être décelée dans cet intervalle.
Des essais ont également montré que les condensations déposées sur les membranes échangeuses à base de silicones sont sans action sur leur perméabilité aux gaz, à condition que les membranes ne soient pas montées horizontalement et que le support par sa structure ou sa nature ne retienne pas l'eau condensée sur la surface échangeuse. Partant de ces faits, on peut utiliser un support de la membrane en élastomère silicone constitué d'un tissu non hygroscopique, tel que du nylon, dont le rapport de la surface libre à la surface totale est d'autant plus grand que la perméabilité désirée est plus grande, et que ledit support avec sa membrane ou la membrane silicone seule est monté en une position empêchant la stagnation de l'eau à leur contact, par exemple en une position non horizontale, de préférence verticale.
Les membranes échangeuses peuvent faire partie d'appareillages montés à l'intérieur ou à l'extérieur d'un local, ou constituer une partie d'une paroi verticale de ce local.
Lorsque le local ou enceinte peut être considéré comme ayant une atmosphère de composition stable et homogène dans tout son volume, sans la nécessité d'un brassage artificiel, les perméabilités à 2 CO2 et N2 sont fournies par les égalités (5), (6) et (7) précitées.
Lorsque l'atmosphère du local ou enceinte doit être homogénéisée par un brassage, il est nécessaire de connaître le débit Q d'air au contact de la membrane échangeuse; si ce débit Q est faible, relativement aux échanges à réaliser à travers la membrane, on assure un déplacement tangentiel de l'air sur les membranes et on applique alors les égalités (5'), (6') et (7') ci-dessus.
Les membranes peuvent être directement utilisées pour constituer tout ou partie des parois constituant les emballages, notamment de fruits. Pour des emballages de grande capacité et contrairement à certaines indications de la technique antérieure, I'étanchéité de l'enve- loppe n'est pas nécessaire, l'enveloppe restant toutefois pratiquement étanche; en effet, on évite par quelques défauts minimes d'étanchéité l'apparition d'une dépression dans l'emballage qui serait susceptible de détériorer les parois ou les fruits; la membrane fonctionne alors comme un échangeur incorporé à la paroi d'une enceinte dont l'atmosphère n'a pas besoin d'être brassée et la perméabilité de la fenêtre se calcule par les relations 5-6-7 rappelées plus haut.
Ces minimes défauts volontaires d'étanchéité sont réalisés d'une manière judicieuse d'après les résultats des constructions établies et peuvent être éventuellement obtenus au moyen d'orifices appropriés.
Le dessin annexé illustre une mise en oeuvre du procédé et représente des formes d'exécution du dispositif, objets de l'invention, à titre d'exemple:
la fig. 1 est une coupe schématique en élévation d'une première forme d'exécution,
la fig. 2 est une vue schématique en plan d'une seconde forme d'exécution,
la fig. 3 est une coupe schématique en élévation d'une troisième forme d'exécution,
la fig. 4 est une vue illustrant la fabrication d'un élément qui comprend cette forme d'exécution,
la fig. 5 est un diagramme illustrant cette mise en oeuvre avec le dispositif représenté à la fig. 3,
la fig. 6 est une coupe schématique d'un autre élément qui peut comprendre ces formes d'exécution, et
la fig. 7 est un diagramme relatif à la fig. 6.
Dans une installation pour la conservation des fruits représentée à la fig. 1, la masse 1 de fruits est placée dans une enceinte de stockage 2. Un échangeur 3 en matière synthétique est placé à l'extérieur de l'enceinte 2.
et l'atmosphère gazeuse régnant dans l'enceinte parcourt l'installation en circuit fermé grâce à une pompe 5, dans des canalisations 6 et 7 tout en étant continuellement brassée par un ventilateur 4. L'enceinte présente une ouverture 8 reliée à un équilibreur de pression 9 qui permet l'entrée d'un peu d'air dans l'enceinte lorsque la pression dans celle-ci tend à s'abaisser au-dessous de l'atmosphère et qui est constitué par un tube 9a dont une extrémité débouche à l'air dans l'atmosphère ambiante et rautre extrémité plonge dans une cuve à eau 9b reliée hermétiquement à l'ouverture 8 de l'enceinte 2.
On a matérialisé par des flèches le flux gazeux circulant dans l'installation. Lorsque. après quelques jours, un régime stable de marche du système est obtenu, il entre en 8 un débit constant U d'air destiné à équilibrer les pressions interne et externe. L'atmosphère régnant dans l'enceinte de stockage brassée par le ventilateur 4 est aspirée par la pompe 5 à travers la canalisation 6.
Avant de parvenir à l'échangeur 3, le mélange gazeux primitif a étté enrichi en CO2. et appauvri en O2 par la respiration des fruits. En passant sur l'échangeur, le mélange gazeux cède à l'atmosphère ambiante par unité de surface et de temps une quantité d'azote égale à 4/5 U, une quantité de gaz carbonique égale à R', ainsi que de l'éthylène et des essences odorantes, tandis qu'une quantité d'oxygène (R- 1/5 U) est introduite par diffusion à travers l'échangeur 3 dans le mélange gazeux. Ce mélange aspiré par la pompe 5 constitue dans la canalisation 7 un mélange gazeux convenablement enrichi en 2 et appauvri en CO2 qui est recyclé dans l'enceinte 2. On conçoit, d'après ce qui précède, que le procédé est avantageusement continu.
Dans le mode de réalisation représenté à la fig. 2, une enceinte 12, vue en plan, contient une masse de fruits 11. On a prévu deux échangeurs 13a et 13b en matériau synthétique traversant l'enceinte de stockage respectivement par des ouvertures 18a, 20a et 18b, 20b.
L'équilibre des pressions interne et externe est assuré en 1 8a par une soupape d'admission d'air, par exemple par un dispositif analogue à celui représenté dans le mode de réalisation de la fig. 1. Le fonctionnement d'une telle installation est sensiblement le même que celui du dispositif de la fig. 1. Pour éliminer vers l'extérieur l'azote excédentaire et le gaz carbonique formé par la respiration ainsi que l'éthylène et les essences odorantes, on prévoit dans ce cas un balayage des échangeurs 13a et 13b par de l'air qui, introduit respectivement en 1 8a et 1 Sb, entraîne les gaz précités et sort en 20a et 20b.
L'air pur introduit en 18a et 18b sort donc en 20a et 20b enrichi en CO2, C2H4 et essences odorantes et appauvri en oxygène.
On a représenté en élévation à la fig. 3 une installation pratiquement utilisée pour la conservation des fruits. Une masse 30 de fruits est placée dans des caisses ou sur des plateaux superposés 31; on a disposé des planches protectrices 31a et 31b à la partie supérieure et inférieure des éléments 31. La planche inférieure 31b repose sur le sol par rintermédiaire de barres 31c, en bois par exemple, pouvant servir à la manutention et permettant l'isolement du lot de fruits.
Les fruits sont entourés d'une enceinte étanche aux gaz 32, avantageusement en matière synthétique soudable, telle que du polyéthylène ou autre. Cette enceinte 32 peut être refroidie ou non. Elle a la forme d'une simple bâche entourant comDlètement le lot de fruits 30. On peut aisément réaliser l'étanchéité d'une telle enceinte en plaçant d'abord une feuille horizontale de matière plastique soudable 32b sur la planche 31 b, après quoi on dispose les fruits 30. La feuille 32b déborde le long des côtés de la planche 31b, ce qui permet de souder les pans 32a de la bâche sur les bords de la feuille 32b, par des soudures 32c. La bâche 32 est munie, sur deux faces opposées, de deux ouvertures 38a 38b. Une tubulure 36 part de l'ouverture 38a et conduit les gaz vers un échangeur 33.
L'ouverture 38b reçoit les gaz provenant de l'échangeur 33 par une tubulure 37 munie d'un frigorifère 42. Différents appareils de mesure et de contrôle sont montés sur la tubulure 36 ou 37, notamment un manomètre à eau 40 et un dispositif 41 de prise d'échantillon gazeux. Une pompe étanche 35 mon tée sur un bâti 35a assure la circulation du flux gazeux.
Un ventilateur 34 placé devant l'échangeur 33 crée une circulation d'air pour entraîner les gaz diffusés hors de 1' échangeur. Enfin un équilibreur de pression, en l'espèce une valve à eau 39, assure les rentrées d'air nécessaire dans l'atmosphère de stockage pour maintenir l'équilibre des pressions externe et interne. Le mélange gazeux contenu dans la chambre à fruits est aspiré par la pompe étanche 35 et refoulé dans l'échangeur 33.
Ensuite le mélange retourne directement dans la chambre à fruits. La pompe 35 peut être encore placée en amont de l'échangeur sur la canalisation 36.
A titre d'exemple, on a utilisé une bâche formée d'une feuille de chlorure de polyvinyle de 300 microns d'épaisseur. On a entreposé 250 kg de pommes Jona thane > ) dans I5 caisses empilées en trois rangées paral- lèles comportant chacune 5 caisses superposées. Les dimensions de la bâche étaient environ de 60 X 120 X 135 cm, ce qui correspondait sensiblement à un volume intérieur de l'ordre de 1 m3. On a placé cette enceinte de stockage dans une chambre isotherme à 200 et on l'a reliée à un échangeur décrit en détail ci-après.
On a mis en oeuvre, comme matériau synthétique pour la constitution de l'échangeur, une feuille mince se présentant sous forme d'une gaine plate que l'on a plissée et maintenue par une bande adhésive.
Ainsi qu'on peut le voir sur la fig. 4, cette opération se réalise sans difficulté en enfilant dans une gaine 43, provenant d'un rouleau 44 et gonflée d'air issu en 45 d'un petit compresseur, un tube léger 46, en verre par exemple, de diamètre inférieur à celui de la gaine plate 43. u est alors facile de plisser le film plastique autour du tube 46 dans le sens transversal. On colle ensuite une bande adhésive 47 suivant deux génératrices opposées.
On retire alors le tube 46, ce qui fournit un canal central aui permet aux gaz de circuler sans perte de charge notable.
Au cours de ce travail, dans les cas où l'on désire une bonne étanchéité, il faut prendre toutes les précautions nécessaires pour ne pas perforer la gaine 43 par le frottement sur des surfaces rugueuses ou par des chocs.
Les deux extrémités de la gaine 43 sont ensuite soudées après la mise en place de deux tubulures d'entrée et de sortie pour le raccordement au circuit.
Dans le cas particulier précité du traitement des nommes, on a utilisé comme matériau constitutif de l'échangeur, du polyéthylène sous forme de pellicllles minces de deux énaisseurs différentes (50 u et 80a).
Pour un tel matériau les perméabilités respectives à l'oxygène et au gaz carbonique sont avec une différence de pression partielle de 1 atmosphère et à 150:
P(O): 30cm3/dm8/24h pour 50foc d'épaisseur
19 cm3/dm2/24 h pour 80 cc d'épaisseur
P(CO): 150cm9/dm2/24 h pour 50 d'épaisseur
9S cm3/dm2/24 h pour 80 ffi d'épaisseur
La surface de l'échaneeur a été déterminée de facon à permettre l'obtention d'un mélange gazeux très pauvre en oxygène (comnosition apnroximative de l'atmosphère de stockage:
2 /n O0, 5| /o COi et 93 /o No) à la tem- pérature du local d'entreposage isotherme (200).
On a constitué une gaine de 150m de longueur formée de deux tronçons avec - 50m de feuille de polyéthylène d'épaisseur 80 mi
crons (surface d'échange: 12 m2) - 100 m de feuille de polyéthylène d'épaisseur 50 mi
crons (surface d'échange: 24 m2).
Grâce au plissage décrit précédemment on peut reduire considérablement la longueur apparente de l'échangeur. En effet, un mètre d'échangeur plissé correspond environ à six mètres de gaine plate. L'encombrement total de l'échangeur est donc de 25 mètres environ. On a disposé alors en serpentin l'échangeur ainsi plissé et on l'a maintenu dans un cadre rigide, dont le volume était de 0,15 m3 environ.
A titre indicatif, avec un tel échangeur, la circulation continue des gaz est assurée par la pompe 35 avec un débit de 3 litres/mn, la dépression à l'aspiration étant alors de 2 cm d'eau. L'échangeur introduit une perte de charge de 0,5 cm d'eau.
On a déterminé de jour en jour l'évolution des pourcentages d'oxygène et de gaz carbonique dans l'atmosphère gazeuse de stockage, et l'on a consigné les résultats obtenus sur le diagramme de la fig 5.
La fig. 5 est relative à la conservation des pommes dans l'installation de la fig. 3, ainsi qu'il a été dit plus haut. On peut constater, au cours du temps, deux stades successifs d'évolution de l'atmosphère dans l'enceinte de stockage.
Dans un premier stade ou stade transitoire qui dure seulement quelques jours, le pourcentage en Oe décroît fortement, tandis que le pourcentage en CO2 croît d'abord, puis diminue ensuite progressivement avant de devenir sensiblement stationnaire. Ce stade s'accompagne, ainsi qu'il est normal, d'introductions importantes d'air par la vanne à eau 39, car les fluctuations de la pression interne sont élevées.
Le deuxième stade, qui est le stade proprement dit de conservation dans le traitement décrit à la fig. 5, correspond à une stabilisation de la composition du mélange gazeux et a été représenté pour les douze premiers jours. Le mélange possède alors une composition sensiblement constante, à savoir: O2: : 2,5 ou
CO2 :6,510/o
N2: 910/o
En même temps les entrées d'air sont devenues extrêmement faibles, matérialisant ainsi de façon visible l'établissement du régime permanent.
Cette stabilisation de la composition de l'atmosphère dure plusieurs semaines ou plusieurs mois selon la température, I'espèce , la variété et le stade initial des fruits.
L'exemple pratique considéré montre que le procédé décrit avec lequel on met en oeuvre un échangeur en matière synthétique, permet d'obtenir et de maintenir à une valeur sensiblement constante, une composition déterminée de l'atmosphère de stockage, notamment une très faible teneur en oxygène (2 ! /o à 3 o/o) et une faible teneur en gaz carbonique (50/6 à 60/0).
Un tel résultat a été obtenu avec un échangeur réalisé à partir d'une feuille mince en polyéthylène. n faut remarquer d'ailleurs que l'on peut fabriquer un tel échangeur à partir d'une feuille unique de polyéthylène, d'épaisseur SOIL par exemple.
Chaque cas particulier de traitement peut être résolu par le procédé décrit moyennant un choix convenable des caractéristiques de l'échangeur (surface d'échange), si l'on prévoit une matière synthétique donnée et répondant aux conditions de perméabilité mentionnées précédemment. On conçoit donc que les applications du procédé peuvent être nombreuses et ne sont pas limitées à des types particuliers de matériau synthétique. Ainsi, un matériau doué de propriétés de perméabilité améliorées pourra donner lieu à l'utilisation d'échangeurs moins encombrants et de surface plus réduite.
A titre illustratif de ces dernières indications, on a mis en oeuvre pour la fabrication de l'échangeur une membrane consituée d'une toile enduite d'une couche d'élastomère (silicones) présentant une grande perméabilité aux gaz. L'élastomère mis en oeuvre était du diméthylpolysiloxane. On peut utiliser un tel composé pur sous la forme d'un tube ou en couche mince sur support d'un tissu textile. On a représenté schématiquement à la fig. 6 un mode de réalisation avantageux d'un échangeur composé d'un petit nombre d'éléments rendus étanches par collage, soudage, etc. On a constaté en effet que la membrane enduite de silicones était extrêmement per méable aux odeurs et très perméable, en outre, à l'éthylène. L'échangeur décrit à la fig. 6 convient alors particulièrement bien aux besoins du procédé.
L'échangeur 50 comprend une série d'éléments 51 constitués d'une membrane (toile) enduite de silicones (diméthylpolysiloxane), dont les bords jointifs 52 ont été solidarisés et rendus étanches par collage de la couche d'élastomère.
Deux tubes 54, 55 sont scellés étroitement sur chaque élément d'extrémité de l'échangeur 50. Le mélange gazeux à contrôler est balayé selon 56 à l'intérieur de l'échangeur à travers les tubes 54, 55.
Les perméabilités vis-à-vis du gaz carbonique et de l'oxygène sont de beaucoup supérieures à celle, du polyéthylène, comme ]e montre le tableau suivant:
Perméabilité à 150
pour CO2 exprimée en Rapport
cm3/24 h/dm2/1 atm. P(CO2)/P(02)
Diméthylpolysiloxane
sur tissu (enduc
tion de 50 à 60
microns environ 20.000 6-7
Polyéthylène
(50 microns) 150 4,5
L'efficacité d'un échangeur réalisé à partir de dimé- thylpolysiloxane est donc plus grande que l'échangeur plissé à base de polyéthylène. La surface d'échange peut donc être considérablement réduite et l'on a par exemple constaté qu'un tissu recouvert de silicones, ayant une surface de 0,9 m2 pouvait convenir à la conservation de 1 tonne de fruits.
La fig. 7 illustre les résultats obtenus en utilisant un tel échangeur pour la conservation de 1 tonne environ de pommes a Golden Delicious à 120: la composition de l'atmosphère au contact des fruits s'est maintenue au taux voulus de O2 (3 < )/o) et de CO2 (5 e/o).
Au diagramme de la fig. 7, les courbes (a) et (c) représentent respectivement les teneurs en CO2 et en 2 de l'atmosphère gazeuse de l'enceinte d'entreposage, tandis que les courbes (b) et (d) représentent respectivement ces mêmes teneurs après passage du mélange gazeux,à un débit de 5 litres/mn, à travers l'échangeur sus-décrit en référence à la fig. 6.
Le procédé décrit s'applique non seulement aux locaux pour fruits et analogues, mais il permet d'assurer en outre tout conditionnement gazeux pour des cul- tures spéciales, pour assurer un réglage de la teneur de l'enceinte en gaz carbonique dans les périodes de régression de ce gaz (photosynthèse à la lumière).
Il peut également s'appliquer aux emballages pour fruits et analogues et il peut présenter également un intérêt industriel pour les échanges gazeux au niveau de fenêtres ménagées dans de petits emballages ou dans des doublures de caisses ou sacs en polyéthylène, de panneaux isolés thermiquement ou non pour les grands emballages, de panneaux pour chambres démontables étanches non isolées - frigorifiques ou non - éventuellement logeables en chambres froides traditionnelles, de panneaux de chambres froides isolées, démontables ou de chambres étanches traditionnelles, d'échangeurs pour chambres froides étanches de tous types, etc.