FR3050261A1

FR3050261A1 - Dispositif et procede de lyophilisation

Info

Publication number: FR3050261A1
Application number: FR1653297A
Authority: FR
Inventors: Jean Delaveau
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2016-04-14
Filing date: 2016-04-14
Publication date: 2017-10-20
Anticipated expiration: 2036-04-14
Also published as: FR3050261B1

Abstract

L'invention concerne un dispositif de lyophilisation comportant : - une chambre d'évaporation (5) et une chambre de condensation (10) connectée à ladite chambre d'évaporation (5) et montées sur un axe (30), - des compartiments formés dans ladite chambre d'évaporation (5) par des cloisons (40), et - un moteur (12) relié audit axe (30) et configuré pour entrainer ledit axe (30) selon au moins trois mouvements complémentaires : - deux mouvements entrainant ledit axe (30) selon un mouvement de va et vient avec un angle de rotation compris entre 5° et 90° ; et - un troisième mouvement entrainant ledit axe (30) avec un angle de rotation compris entre 90° et 180° de sorte à déplacer les produits entre deux compartiments consécutifs de ladite chambre d'évaporation (5).

Description

DISPOSITIF ET PROCEDE DE Ï.YOPHÏUSATION

Domaine Technique L’invention concerne le domaine des dispositifs assurant un traitement de produits par lyophilisation. L’invention concerne plus particulièrement les dispositifs réalisant une lyophilisation vrac. L’invention concerne également un procédé de lyophilisation vrac. L’invention trouve une application particulièrement avantageuse dans les domaines de la préparation pharmaceutique et de la préparation alimentaire et, plus généralement, pour toutes les industries à valeur ajoutée élevée qui nécessitent un procédé de conservation par lyophilisation. Par exemple, l’invention peut être mise en œuvre en biotechnologie pour la production d’inoculum en vue de la fermentation de la biomasse ou en chimie pour la lixiviation des sols et les stations d’épuration.

Art anterieur

La lyophilisation est une opération de déshydratation à basse température qui consiste à éliminer par sublimation, la majeure partie de l’eau contenue dans un produit. La lyophilisation permet d’obtenir des produits finaux de haute qualité sans dégrader la structure et en conservant une grande partie de l’activité des microorganismes ou des cellules. Les produits lyophilisés présentent une capacité de conservation à long terme due à l’abaissement de l’activité de l’eau du produit.

En effet, en abaissant l’activité de l’eau dans le produit, aucun organisme vivant ne peut se développer et l’ensemble des réactions chimiques qui se font dans l’eau ne peuvent se produire. La très faible activité de l’eau permet également de bloquer toute activité de développement microbiologique. Ainsi, la forme et l’aspect des produits lyophilisés sont bien conservés et leurs qualités aromatiques sont bien supérieures à celles des produits séchés par des procédés d’atomisation, de lit fluidisé ou de séchage simple par évaporateur à plusieurs effets.

En outre, la transition des produits de l’état congelé à l’état déshydraté, en l’absence d’une forte proportion d’eau liquide, réduit les possibilités de développement des réactions d’altération. Un autre avantage technologique majeur de la lyophilisation repose sur la capacité des produits lyophilisés à se réhydrater instantanément grâce aux pores microscopiques formés par la glace sur leur surface au moment de la congélation. L’utilisation de la lyophilisation est, en revanche, limitée par son coût et demeure bien inférieure à l’utilisation du séchage. La faible productivité en lyophilisation est due au mode de fonctionnement discontinu sous vide qui se traduit par des durées de traitement importantes comprises entre une dizaine d’heures et plusieurs jours. Les frais d’investissement et de fonctionnement sont également élevés. Par exemple, la consommation énergétique d’un dispositif de lyophilisation est typiquement de l’ordre de 1 500 à 2 500 kWh par tonne d’eau à éliminer.

En conséquence, la lyophilisation ne s’applique que pour des produits ayant une forte valeur ajoutée. Dans les industries alimentaires, on peut citer le café, les herbes et aromates, des plats cuisinés, ou encore les ingrédients sensibles à la déshydratation par la chaleur (légumes, fruits, produits de la mer...). Pour les soupes déshydratées instantanées, les préparations culinaires et les céréales pour petits déjeuners, les procédés de séchage basés sur l’atomisation ou le lit fluidisé sont couramment utilisés car ils sont nettement moins chers. Les secteurs des industries pharmaceutiques (vaccins, sérum, médicaments) et des bio-industries (levains) sont beaucoup plus fortement concernés par le procédé de lyophilisation qui seul leur permet d’obtenir la propriété la plus caractéristique de la technique, à savoir la conservation d’un principe actif (activité biologique et/ou médicamenteuse) dans un produit qui sera stocké à température proche de la température ambiante.

La lyophilisation requiert l’usage d’un dispositif qui se compose d’une chambre de congélation reliée à des moyens de refroidissement, d’une chambre d’évaporation reliée à des moyens de chauffage et d’une chambre de condensation reliée à la chambre d’évaporation. La chambre de condensation est configurée pour recueillir la vapeur d’eau issue de la chambre d’évaporation sur un piège à glace.

Des moyens de refroidissement sont disposés dans la chambre de condensation pour congeler la vapeur d’eau issue de la chambre d’évaporation. L’eau sous forme de vapeur se transforme alors en glace dans la chambre de condensation et la glace est stockée dans la chambre de condensation sur le piège à glace. En outre, la chambre de congélation et la chambre d’évaporation peuvent être constituées d’une seule et même chambre reliée aux moyens de refroidissement et aux moyens de chauffage. De préférence, les chambres sont également mises sous vide par une pompe à vide de sorte à passer le point triple de l’eau et permettre le passage de l’eau de la phase solide à la phase gazeuse.

Le procédé de lyophilisation présente une première étape consistant à congeler les produits dans la chambre de congélation et d’évaporation pour permettre leurs séchages à basse température. Une congélation rapide est recherchée de sorte à former des petits cristaux de glace. Une congélation trop lente a pour effet de favoriser la formation de cristaux volumineux susceptibles d’endommager la structure du produit en déchirant les parois de ses cellules, par exemple pour les levures, les virus et les cellules animales ou végétales. Une seconde étape consiste à créer un vide dans la chambre d’évaporation, la faible pression, généralement bien inférieure à 6,1 hPa, permettant à l’eau sous forme de glace de se transformer en vapeur sans décongeler les produits. Les produits reçoivent un apport de chaleur pour fournir l’énergie nécessaire à la chaleur latente de la sublimation de la glace en vapeur. La vapeur pénètre dans la chambre de condensation alors que la chambre de condensation est conditionnée pour transformer la vapeur d’eau en glace par l’utilisation d’un piège à glace maintenu à très basse température, généralement -60°C.

Ce procédé de lyophilisation permet ainsi d’extraire jusqu’à 95% de l’eau contenue dans les produits. La lyophilisation peut permettre de ramener l’humidité du produit à un taux extrêmement bas, compris entre 1% et 10% de la masse volumique du produit, et d’empêcher les bactéries et moisissures de proliférer et les enzymes de déclencher des réactions chimiques susceptibles de détériorer le produit. U s’ensuit que les produits lyophilisés se conservent très longtemps. Dans un emballage hermétique, à l’abri de l’humidité, de la lumière et de l’oxygène, les produits lyophilisés peuvent se conserver à température ambiante pendant de nombreuses années. En outre, la haute qualité des produits stérilisés impose également une stérilisation de la chaîne de stérilisation.

Cependant, ce procédé de lyophilisation présente plusieurs inconvénients liés aux apports importants de chaleur et de refroidissement nécessaires, à la mise sous vide des chambres d’évaporation et de condensation et à la nécessité d’assurer une stérilisation de ces chambres. Les apports de chaleur et de refroidissement nécessaires imposent l’utilisation d’éléments très performants fonctionnant, par exemple, avec de l’azote liquide. La mise sous vide des chambres et les besoins de stérilisation imposent quant à eux l’utilisation d’une enceinte étanche et d’une pompe de mise sous vide. En outre, lors de la sublimation, il existe un risque agglomération des produits ce qui détériore la qualité des produits lyophilisés.

De plus, le temps de lyophilisation dépend de la taille des particules du produit à lyophiliser et de la surface du conteneur permettant le transfert de chaleur. Une solution classique consiste à répartir les produits à lyophiliser dans des petits flacons. La répartition du produit à lyophiliser se fait sous forme liquide. Après la lyophilisation, le produit apparait sous forme d’un gâteau poreux épousant la forme du flacon. Le temps moyen de lyophilisation est ainsi compris entre deux et trois jours. Cependant, la répartition des produits à lyophiliser dans un grand nombre de flacons nécessite une importante taille de la chambre d’évaporation. Il s’ensuit que la puissance des moyens de chauffage, des moyens de refroidissement et des moyens de mise sous vide doit être augmentée en conséquence.

La demande de brevet internationale N° 2012/018320 propose de réduire le temps de lyophilisation en utilisant une lyophilisation en vrac de sorte à augmenter la surface du conteneur permettant le transfert de chaleur. En effet, cette demande de brevet divulgue une chambre cyclonique comportant une hélice configurée pour entrainer les produits dans un mouvement cyclonique lors de la lyophilisation. Bien que ce dispositif permette de lyophiliser des produits en vrac, il est particuliérement complexe à mettre en œuvre sous vide.

La lyophilisation en vrac permet d’obtenir un temps moyen de lyophilisation compris entre cinq et cinquante heures. La réduction du temps de lyophilisation permet de réduire la consommation, le temps de production et donc le coût de production. En outre, la limitation du temps de lyophilisation réduit l’exposition du produit à la chaleur. Il est ainsi possible d’améliorer la qualité du produit lyophilisé.

Le brevet européen N° 2 578 976 propose de réduire le temps de lyophilisation en utilisant également une lyophilisation en vrac. Pour ce faire, une cuve disposée dans la chambre d’évaporation est montée sur un axe entrainé en rotation lors de la lyophilisation. La cuve est montée dans une enceinte stérile et l’axe débouche sur une ouverture de l’enceinte afin d’être entrainé par un moteur. Un joint est positionné autour de l’axe au niveau de l’ouverture de l’enceinte pour garantir la mise sous vide de l’enceinte sans perte de pression au niveau de l’ouverture. Ce joint est configuré pour supporter des pressions de 2.5 bars pour des températures variant entre -60 et 120 °C.

Pour réaliser la lyophilisation, un opérateur raccorde une entrée stérile à la chambre d’évaporation en passant par l’enceinte stérile de sorte à atteindre la cuve. Les produits à lyophiliser sont ensuite disposés dans la cuve en traversant l’entrée stérile et l’enceinte stérile. L’opérateur débranche alors l’entrée tout en veillant à conserver la stérilité dans l’enceinte. La lyophilisation est ensuite effectuée alors que le moteur entraine en rotation la cuve de sorte à brasser les produits pour éviter leur agglomération. Les chambres d’évaporation et de condensation sont en communication mais ne tournent pas. Lorsque la lyophilisation est terminée, l’opérateur raccorde une sortie stérile à la chambre d’évaporation par l’enceinte stérile de sorte à extraire les produits lyophilisés de la cuve.

En raison des pressions mises en œuvre et de la différence de températures, le joint disposé autour de l’axe se dégrade rapidement ce qui peut entrainer un défaut d’étanchéité ou de stérilité. En outre, ce dispositif de lyophilisation impose également une manutention très précise de l’opérateur afin de garantir la stérilité des produits.

En outre, les dispositifs de lyophilisation nécessitent des étapes de manutention d’un opérateur entre deux lyophilisations. Il s’ensuit que la lyophilisation est un traitement qui est très peu automatisé augmentant ainsi le temps de production et donc le coût des produits lyophilisés.

Le problème de l’invention consiste donc à développer un dispositif de lyophilisation en vrac répondant aux inconvénients des dispositifs de l’art antérieur et permettant de réaliser une lyophilisation en continue.

Expose de l’invention

La présente invention vise à résoudre ce problème en montant l’entrée et la sortie de la chambre d’évaporation sur des connecteurs flexibles et en agitant les chambres d’évaporation et de condensation suivant un mouvement de va et vient. Il s’ensuit que l’entrée et la sortie sont connectées en permanence à la chambre d’évaporation et il n’est plus nécessaire de monter les deux chambres dans une enceinte stérile.

En outre, la lyophilisation est réalisée en continue par des compartiments ménagés dans la chambre d’évaporation. Un mouvement de grande amplitude permet de transférer les produits à lyophiliser entre les compartiments de la chambre d’évaporation de sorte à créer un chemin de lyophilisation à l’intérieur de la chambre d’évaporation. A cet effet, selon un premier aspect, l’invention concerne un dispositif de lyophilisation comportant : - une chambre d’évaporation, - des moyens de chauffage de la chambre d’évaporation configurés pour réaliser une sublimation des produits disposés dans la chambre d’évaporation, - une chambre de condensation connectée à la chambre d’évaporation, et - des moyens de refroidissement de la chambre de condensation configurés pour transformer la vapeur issue de la chambre d’évaporation en glace, - la chambre d’évaporation et la chambre de condensation étant montées sur un axe. L’invention se caractérise en ce que le dispositif comporte en outre : - une entrée et une sortie de produits reliées à la chambre d’évaporation par des connecteurs flexibles, - des compartiments formés dans la chambre d’évaporation par des cloisons s’étendant sur une partie seulement de la hauteur de la chambre d’évaporation, et - un moteur relié à l’axe et configuré pour entraîner l’axe selon au moins trois mouvements complémentaires : - un premier mouvement entraînant l’axe dans un premier sens de rotation avec un angle de rotation compris entre 5° et 90° ; - un second mouvement entraînant l’axe dans un second sens de rotation, opposé au premier angle de rotation, avec un angle de rotation compris entre -5° et -90° ; et - un troisième mouvement entraînant l’axe avec un angle de rotation compris entre 90° et 180°, ce troisième mouvement étant couplé à un positionnement incliné de la chambre d’évaporation de sorte à déplacer les produits par gravité entre deux compartiments consécutifs de ladite chambre d’évaporation. L’invention permet ainsi de réaliser une lyophilisation de produits en vrac. La lyophilisation en vrac permet d’obtenir un temps moyen de lyophilisation compris entre cinq et cinquante heures. La réduction du temps de lyophilisation permet de réduire la consommation, le temps de production et donc le coût de production. En outre, la limitation du temps de lyophilisation réduit l’exposition du produit à la chaleur. Il est ainsi possible d’améliorer la qualité du produit lyophilisé. L’entrée et la sortie de produits sont reliées de manière inamovible avec la chambre d’évaporation. Ainsi, il n’est plus nécessaire de monter les chambres d’évaporation et de condensation dans une enceinte stérile et le problème de joint au niveau de l’enceinte stérile ne se pose plus. La suppression de l’enceinte limite l’encombrement du dispositif et la puissance nécessaire des moyens de chauffage, de refroidissement et de mise sous vide. Il s’ensuit que la consommation énergétique du dispositif de lyophilisation est réduite de 20 à 40% par rapport aux dispositifs de l’art antérieur pour une même quantité de produits.

En outre, l’invention permet d’effectuer une lyophilisation en continu, c’est-à-dire que des produits peuvent être introduits régulièrement au cours du temps sans nécessiter l’arrêt complet du processus de lyophilisation. Ainsi, des produits peuvent être introduits par l’entrée dans le premier compartiment de la chambre d’évaporation alors que d’autres produits disposés dans la chambre d’évaporation et dans d’autres compartiments sont toujours en cours de lyophilisation. De la même manière, des produits lyophilisés peuvent être extraits de la chambre d’évaporation alors que d’autres produits sont toujours en cours de lyophilisation.

Selon un mode de réalisation, l’entrée comporte une chambre de chargement cloisonnée entre deux écluses et la sortie comporte une chambre de déchargement cloisonnée entre deux écluses.

Ce mode de réalisation permet de garantir l’étanchéité et la stérilité de l’introduction et de l’extraction des produits dans la chambre d’évaporation tout en respectant la mise sous vide des produits entrant ou la mise à pression atmosphérique des produits sortants.

Selon un mode de réalisation, l’ouverture de l’écluse séparant l’entrée de la chambre d’évaporation et l’ouverture de l’écluse séparant la sortie de la chambre d’évaporation sont synchronisées avec le troisième mouvement dudit moteur. Ce mode de réalisation permet de ne pas interrompre le cycle de lyophilisation pour introduire ou extraire des produits dans la chambre d’évaporation.

Selon un mode de réalisation, l’entrée de produit est configurée pour introduire des produits congelés. Ce mode de réalisation permet de dissocier l’étape de congélation de l’étape d’évaporation. La congélation est préférentiellement effectuée sous la forme de pellets, de granulés ou de particules congelées.

Selon un mode de réalisation, le dispositif comporte deux chambres de condensation reliées à la chambre d’évaporation par deux sas distincts, la première chambre de condensation étant connectée avec la chambre d’évaporation par ouverture du premier sas et fermeture du second sas de sorte à utiliser la première chambre de condensation pour piéger la vapeur issue de la chambre d’évaporation, la seconde chambre de condensation étant alors régénérée lors de l’utilisation de la première chambre de condensation et inversement. Ce mode de réalisation permet de vider la glace piégée dans l’une ou l’autre des chambres de condensation sans interrompre le processus de lyophilisation en continu.

Selon un mode de réalisation, le dispositif comporte deux pompes à vide, une première pompe à vide reliée à la première chambre de condensation et une seconde pompe à vide reliée à la seconde chambre de condensation. Ce mode de réalisation permet de garantir la mise sous vide des chambres de condensation lorsqu’elles sont connectées à la chambre d’évaporation et la dépression de ces chambres lorsqu’elles sont dans une phase de régénération.

Selon un mode de réalisation, la chambre d’évaporation est inclinée entre l’entrée la sortie. Ce mode de réalisation permet de diriger les produits disposés dans un compartiment vers le prochain compartiment en direction de la sortie. En variante, l’axe peut être incliné uniquement lors du mouvement de grande amplitude destiné au transvasement du produit entre deux compartiments.

Selon un mode de réalisation, les cloisons de la chambre d’évaporation présentent deux formes distinctes montées alternativement dans la chambre d’évaporation, les deux formes présentant des échancrures axialement décalées et destinées au passage du produit à lyophiliser entre deux compartiments. Le décollage axial des deux cloisons consécutives permet de limiter le risque de déplacement du produit entre plusieurs compartiments lors du mouvement de grande amplitude visant à transférer le produit entre deux compartiments.

Selon un mode de réalisation, le moteur est configuré pour entraîner l’axe selon un quatrième mouvement complémentaire avec les trois mouvements, le quatrième mouvement entraînant l’axe dans un sens opposé au sens du troisième mouvement avec un angle de rotation compris entre 90° et 180° de sorte à déplacer les produits entre deux compartiments consécutifs de la chambre d’évaporation. Ce mode de réalisation permet également d’améliorer le transfert du produit entre deux compartiments consécutifs.

Selon un second aspect, l’invention concerne un procédé de lyophilisation mis en œuvre par un dispositif selon le premier mode de réalisation, le procédé comportant les étapes de : - mise sous vide de la chambre d’évaporation et de la chambre de condensation, - remplissage d’un premier compartiment de la chambre d’évaporation par ouverture de l’entrée de produits, - refroidissement de la chambre de condensation par les moyens de refroidissement de sorte à solidifier la vapeur pénétrant dans la chambre de condensation, - chauffage de la chambre d’évaporation par les moyens de chauffage jusqu’à obtenir une sublimation des produits contenus dans les compartiments de la chambre d’évaporation, - agitation de la chambre d’évaporation par déplacement de l’axe selon deux mouvements complémentaires répétés durant toute la durée de séjour dans chaque compartiment : - un premier mouvement entrainant l’axe dans un premier sens de rotation avec un angle de rotation compris entre 5° et 90°, - un second mouvement entrainant l’axe dans un second sens, opposé au premier sens de rotation, avec un angle de rotation compris entre 5° et 90°, - déplacement des produits entre deux compartiments consécutifs par déplacement de l’axe selon un troisième mouvement avec un angle de rotation compris entre 90° et 180°, ce troisième mouvement étant couplé à un positionnement incliné de la chambre d’évaporation (5), et - extraction des produits de la chambre d’évaporation.

De préférence, un opérateur supervise ces étapes de fabrication au moyen de capteurs de température disposés dans la chambre d’évaporation et dans la chambre de condensation.

Description sommaire des figures

La manière de réaliser l’invention, ainsi que les avantages qui en découlent ressortiront bien de la description du mode de réalisation qui suit, à l’appui des figures annexées dans lesquelles : - la figure 1 est une représentation structurelle schématique d’un dispositif de lyophilisation selon un premier mode de réalisation de l’invention ; - les figures 2a à 2d sont des vues en coupe de la position d’une cloison par rapport à la chambre d’évaporation dans quatre positions distinctes du dispositif de lyophilisation de la figure 1 ; - la figure 3 est une représentation structurelle schématique d’un dispositif de lyophilisation selon un second mode de réalisation de l’invention ; et - les figures 4a à 4e sont des vues en coupe de la position de deux cloisons consécutives par rapport à la chambre d’évaporation dans cinq positions distinctes du dispositif de lyophilisation de la figure 3.

Description detaillee de l’ invention

La figure 1 illustre un dispositif de lyophilisation comportant une chambre d’évaporation 5 et une chambre de condensation 10. Une entrée 1 est reliée à la chambre d’évaporation 5 par l’intermédiaire d’une chambre de chargement 41 de sorte à introduire des produits à lyophiliser. Pour ce faire, la chambre de chargement 41 est cloisonnée entre deux écluses 2a, 2b.

Des produits sont introduits dans la chambre de chargement 41 depuis l’entrée 1 lorsque la première écluse 2a est ouverte. La première écluse 2a est ensuite fermée et la seconde écluse 2b est ouverte de sorte à introduire les produits dans la chambre d’évaporation 5.

Une sortie 8 est également reliée à la chambre d’évaporation 5 par l’intermédiaire d’une chambre de déchargement 42 également cloisonnée entre deux écluses 9a, 9b. Les écluses 2 et 9 permettent de garantir l’étanchéité et la stérilité des chambres 5, 10. Par exemple, des écluses 2, 9 de la marque « Agilent Technologies ®» ou « Gericke ® » peuvent être utilisées. En variante, l’invention peut être mise en œuvre avec une seule entrée/sortie réalisant les deux fonctions d’introduction et d’extraction des produits.

La chambre d’évaporation 5 présente une double paroi externe dans laquelle un liquide caloporteur circule pour faire chauffer la chambre d’évaporation 5. De préférence, La surface interne de la chambre d’évaporation 5 est polie miroir de sorte à favoriser la glisse de la charge et minimiser l’angle de talus. Ce liquide caloporteur est chauffé par un dispositif externe relié à la double paroi par une entrée de fluide 15 et une sortie de fluide 16. Une entrée de vapeur 31 est également connectée à la chambre d’évaporation 5 afin de stériliser la chambre d’évaporation 5. Ces moyens de chauffage 15, 16 permettent de réaliser une sublimation des produits congelés disposés dans la chambre d’évaporation.

Les produits peuvent être introduits sous une forme congelée par l’entrée 1. En variante, les produits peuvent être congelés directement dans la chambre d’évaporation 5. Dans ce mode de réalisation, le fluide caloporteur circulant dans la double paroi externe peut être réfrigéré à une température très faible, par exemple de l’ordre de -60°C. Une congélation peut également être réalisée dans l’entrée 1. Par exemple, la congélation peut être obtenue directement en pellets au moyen d’un goûte à goûte tombant dans un courant d’azote.

La chambre de condensation 10 est reliée à la chambre d’évaporation 5 par l’intermédiaire d’un sas 4. Le sas 4 est configuré pour laisser passer la vapeur entre la chambre d’évaporation 5 et la chambre de condensation 10.

En outre, le sas 4 peut comporter une grille ou un filtre laissant passer la vapeur et retenant les particules du produit risquant d’être entrainées par la vapeur d’eau. De préférence, le filtre est réalisé en Gore-Tex ®, marque déposée.

La chambre de condensation 10 comporte un piège à glace 11 prenant la forme d’un tube enroulé dans lequel circule un fluide caloporteur, de préférence de l’azote liquide. Le fluide caloporteur est produit par un dispositif externe et il est conduit dans le tuyau par une entrée 17 jusqu’à une sortie 18.

Les moyens de refroidissement 17, 18 sont mis en œuvre lorsque le sas 4 est ouvert et que la vapeur pénétre dans la chambre de condensation de sorte à congeler cette vapeur sur le tube du piège à glace 11. Le nombre de spires et la section du tube formant le piège à glace 11 sont déterminés en fonction de la quantité de vapeur à récupérer.

Une entrée de vapeur 32 est également connectée à la chambre de condensation 10 afin de stériliser la chambre d’évaporation 5. Pour ce faire, dans une étape préalable à la lyophilisation, le sas 4 est ouvert et de la vapeur est introduite dans les deux chambres 5, 10. La vapeur injectée par la buse d’injection de vapeur 32 entraine la fusion de la glace présente sur le piège à glace 11. Une purge 33 extrait ainsi la vapeur injectée pour évaporer la glace contenue dans la chambre de condensation 10 ainsi que la vapeur générée pour la stérilisation.

La chambre de condensation 10 est également connectée à une pompe à vide 6 par l’intermédiaire d’une varme 7. Cette pompe à vide 6 est configurée pour mettre sous vide la chambre de condensation 10 et la chambre d’évaporation 5 lorsque le sas 4 est ouvert. Lorsque le vide est créé dans ces deux chambres, la vanne 7 est maintenue ouverte et le vide est conservé par la condensation de la vapeur sur le piège à glace 11.

Selon l’invention, l’entrée 1 et la sortie 8 sont reliées à la chambre d’évaporation 5 par des connecteurs flexibles. Avantageusement, les moyens de chauffage et de refroidissement des deux chambres 5, 10 ainsi que la pompe à vide 6 sont également reliés aux chambres respectives par des connecteurs flexibles. De préférence, les connecteurs flexibles sont réalisés en acier inoxydable pour répondre aux contraintes de stérilité.

Les connecteurs flexibles présentent avantageusement des spires de sorte à limiter l’écrouissage de l’acier inoxydable. En variante, d’autres matériaux peuvent être utilisés sans changer l’invention.

Les connecteurs flexibles ont pour fonction de relier un élément fixe et externe aux chambres 5, 10 de sorte à garantir une connexion de ces éléments avec les chambres 5,10 lorsque ces chambres sont entraînées en rotation par le moteur 12. La capacité de flexion de ces connecteurs permet ainsi d’absorber les déplacements des chambres 5, 10 par rapport aux éléments externes.

La longueur des connecteurs est également choisie pour garantir le maintien de la connexion lors de la rotation des chambres 5, 10. Par exemple, les connecteurs flexibles de la marque « Stàubli ®» peuvent être utilisés.

Les deux chambres 5, 10 sont montées sur un axe 30. De préférence, les deux chambres sont cylindriques et l’axe 30 passe par le centre des deux faces planes des cylindres de sorte à répartir uniformément la masse des chambres 5, 10 autour de l’axe 30. Sur la figure 1, l’axe 30 est connecté sur l’extrémité de la chambre de condensation 10, opposée à l’extrémité reliée avec la chambre d’évaporation 5. En variante, l’axe 30 peut être relié à la chambre d’évaporation 5. En outre, l’axe 30 peut être maintenu, libre en rotation, par des supports. L’axe 30 est entrainé en rotation par un moteur 12.

Selon l’invention, la chambre d’évaporation 5 comporte des cloisons 40 s’étendant sur une partie seulement de la hauteur de la chambre d’évaporation 5 formant des compartiments entre ces cloisons 40.

De préférence, la chambre d’évaporation 5 étant cylindrique, les cloisons 40 s’étendent radialement par rapport à la chambre d’évaporation 5. Le sommet de chaque cloison 40 est pourvu d’une échancrure 39 destinée à permettre le passage des produits entre deux compartiments consécutifs. Les figures 2 illustrent un exemple de réalisation de ces cloisons par la présence d’un méplat sur la partie supérieure de la cloison 40.

Au moins trois mouvements de rotation opposés sont induits par le moteur 12 dont deux mouvements sont limités en amplitude de sorte à créer un mouvement de va et vient. Dans une première position, illustrée sur la figure 2a, l’axe 30 n’est pas entraîné en rotation par le moteur 12, la chambre d’évaporation 5 est droite. L’échancrure 39 de la cloison 40 est positionnée sur la partie supérieure de la chambre d’évaporation 5 et les produits sont contenus dans le compartiment délimité par la cloison 40.

Un premier mouvement du moteur 12, illustré sur la figure 2b, entraîne l’axe 30 dans un premier sens de rotation avec un déplacement angulaire al compris entre 5° et 90°. Cette rotation de faible amplitude ne permet pas aux produits disposés dans le compartiment de migrer vers les compartiments adjacents car la hauteur de la cloison 40 est suffisante pour contenir les produits.

Un second mouvement du moteur 12, illustré sur la figure 2c, entraine l’axe 30 dans un second sens de rotation, opposé au premier sens de rotation, avec un déplacement angulaire a2 sensiblement égal au déplacement angulaire du premier mouvement. Cette rotation de faible amplitude ne permet pas aux produits disposés dans le compartiment de migrer vers les compartiments adjacents car la hauteur de la cloison 40 est suffisante pour contenir les produits. Le mouvement de va et vient correspond ainsi à un balancement de l’axe 30.

Un troisième mouvement du moteur 12, illustré sur la figure 2d, entraine l’axe 30 avec un angle de rotation a3 compris entre 90° et 180°. Ce mouvement de grande amplitude vise à autoriser le déplacement des produits entre deux compartiments consécutifs car l’échancrure 39 de la cloison 40 est disposée vers le bas. L’axe 30 peut être disposé horizontalement par rapport au corps cylindrique des chambres 5, 10.

Dans ce mode de réalisation. Taxe peut subir une translation afin de guider les produits disposés dans la chambre d’évaporation 5 entre deux compartiments consécutifs lors du troisième mouvement. En variante, l’axe 30 peut être monté avec un biais de sorte à guider les produits contre la cloison 40 lors du mouvement de va et vient et entre deux compartiments consécutifs lors du mouvement de grande amplitude.

Le mouvement de va et vient permet d’éviter l’agglomération des produits dans la chambre d’évaporation 5 lors de la lyophilisation tout en limitant le temps du processus de lyophilisation. Avantageusement, la chambre d’évaporation 5 comporte également des chicanes disposées à l’intérieur de la chambre d’évaporation 5. Les chicanes s’étendent radialement vers l’intérieur de la chambre d’évaporation 5 et permettent d’améliorer le mélangeage des produits lors de la lyophilisation. Par exemple, des socs de la marque « Palamatic ®» peuvent être utilisées. L’axe 30 n’effectue donc pas de rotation complète limitant ainsi le risque d’enroulement des connecteurs flexibles reliant les dispositifs externes aux chambres 5, 10. Au contraire, les connecteurs flexibles sont configurés pour se déformer et absorber les déplacements des chambres 5, 10 lors des rotations de sorte à maintenir une connexion étanche et stérile.

De préférence, les cloisons 40 sont réalisées en métal de sorte à conduire la chaleur au cœur de la chambre d’évaporation 5. En outre, le processus de lyophilisation étant particulièrement dépendant des différences de températures et de pression, les chambres 5, 10 sont préférentiellement instrumentées par des capteurs de température 20, 24 et de pression 21.

Deux capteurs 20, 21 sont disposés dans la chambre d’évaporation 5 pour contrôler la température et la pression dans la chambre d’évaporation 5. Un troisième capteur 24 est disposé dans la chambre de condensation 10 pour contrôler la température de la chambre de condensation 10. Il s’ensuit qu’un opérateur peut suivre le processus de lyophilisation au moyen des capteurs 20, 21, 24 et estimer la quantité d’eau éliminée des produits au cours du temps. Il est ainsi possible de déterminer le moment précis pour lequel une concentration recherchée en eau est atteinte pour arrêter la lyophilisation.

Pour réaliser la lyophilisation au moyen du dispositif précédemment décrit, un opérateur ou un automate ouvre l’écluse 2b. Des produits à lyophiliser sont ainsi introduits dans le premier compartiment de la chambre d’évaporation 5, par exemple des produits préalablement congelés. L’écluse 2b est ensuite fermée et l’écluse 2a est ouverte une fois le vide établi dans l’écluse, de sorte à introduire de nouveaux produits dans la chambre de chargement 41.

La mise sous vide est initialement réalisée par ouverture de la vanne 7 et actionnement de la pompe à vide 6. Lorsque le vide est créé, la vanne 7 reste ouverte et la pompe à vide 6 continue de fonctionner mais le vide est essentiellement assuré par la condensation de la vapeur sur le piège 11. L’étape suivante consiste à réaliser la sublimation des produits congelés. Pour ce faire, les produits congelés sont chauffés par l’actionnement des moyens de chauffage 15, 16 de la chambre d’évaporation 5 et actionnement des moyens de refroidissement 17,18 de la chambre de condensation 10.

Par exemple, la température des produits dans la chambre d’évaporation 5 est déplacée de -30°C à -25°C sous un vide de 6,1 hPa. L’eau des produits congelés est alors sublimée et pénètre dans le chambre de condensation 10 sous forme de vapeur où elle est congelée et piégée dans la chambre de condensation 10 par le piège à glace 11 dont la température est, de préférence, comprise entre -50°C et -60°C. Par exemple, la grille présente au niveau du sas 4 peut empêcher l’envolement de particules de produit si la vitesse d’évaporation est importante.

Pendant ce temps, le moteur 12 entraine l’axe 30 en rotation selon les trois mouvements précédemment décrits. Les deux mouvements de va et vient sont répétés de manière alternative pendant un premier cycle. Lorsque le temps de séjour des produits dans le premier compartiment est atteint, le moteur 12 entraine l’axe 30 en rotation selon le troisième mouvement de grande amplitude de sorte à déplacer les produits du premier compartiment vers le second compartiment. Lorsque les produits ont été transférés vers le second compartiment, l’écluse 2b est ouverte et de nouveaux produits sont introduits dans le premier compartiment suivant le processus décrit précédemment.

Lorsque la durée de lyophilisation est atteinte pour obtenir la concentration en eau recherchée et que le premier produit a été déplacé entre tous les compartiments, l’écluse 9a est ouverte et les produits lyophilisés sont extraits de la chambre d’évaporation 5 par la chambre de déchargement 42. L’écluse 9a est ensuite refermée et l’écluse 9b est ouverture pour extraire le produit par la sortie 8. De la même façon que pour l’entrée, les produits sont introduits dans l’écluse mise sous vide, puis une fois que l’écluse 9a est fermée, le vide est cassé et la pression est amenée au moyen d’azote stérile à la pression atmosphérique avant d’ouvrir l’écluse 9b. Une fois la chambre 42 vidée, l’écluse 9b est fermée et le vide est rétabli dans la chambre 42 en attendant le prochain chargement.

Lorsque tous les produits ont été lyophilisés, la vanne du sas 4 est fermée et les moyens de chauffage 15, 16 et de refroidissement 17, 18 sont stoppés. Pour extraire la glace piégée dans la chambre de condensation 10, de la vapeur d’eau est introduite dans la chambre de condensation 10 par les buses d’injection de vapeur 31, 32 de sorte à entraîner une fusion de la glace et une stérilisation des deux chambres 5, 10. La vapeur ainsi contenue dans les deux chambres 5, 10 est extraite par la purge 33. Pour finir, l’écluse 9 est refermée et une nouvelle série de lyophilisation peut être effectuée.

La Figure 3 illustre un second mode de réalisation de l’invention dans lequel deux chambres de condensation 10a, 10b sont reliées à la chambre d’évaporation 5 par deux sas 4a, 4b distincts.

Les deux chambres de condensation 10a, 10b sont sensiblement identiques et présentes chacune un piège à glace lia, 11b alimenté par des moyens de refroidissement 17a, 17b, 18a, 18b tels que décrits avec le premier mode de réalisation de l’invention. La mise en œuvre de deux chambres de condensation 10a, 10b permet de régénérer l’une des chambres alors que l’autre fonctionne de sorte à extraire la glace stockée sous forme d’eau. Pour ce faire, la première chambre 10a est connectée à la chambre 5 par ouverture du sas 4a alors que la deuxième chambre 10b n’est pas connectée à la chambre 5 par fermeture du sas 4b. L’eau sous forme de glace est emprisonnée dans la première chambre 10a lors du processus de lyophilisation.

Lorsque le piège à glace lia de la première chambre 10a est sensiblement plein, le sas 4b est ouvert puis le sas 4a est fermé de sorte à utiliser la seconde chambre 10b pour piéger la vapeur d’eau. Pendant rutilisation de la seconde chambre 10b, la première chambre 10a est dépressurisée puis de la vapeur est injectée par la buse 32a de sorte à évacuer l’eau piégée sous forme de glace. La première chambre 10a peut ensuite être réutilisée lorsque le piège à glace 11b de la seconde chambre 10b est sensiblement plein.

De préférence, lorsque la lyophilisation est réalisée sous vide, chaque chambre de récupération 10a, 10b est connectée à une pompe à vide 6a, 6b par l’intermédiaire d’une vanne 7a, 7b. Ainsi, avant d’ouvrir le sas 4a, 4b reliant une chambre de récupération 10a, 10b à la chambre d’évaporation 5, le vide est mis dans la chambre de récupération 10a, 10b.

En outre, lors de la régénération du piège à glace lia, 11b, la vanne 7a, 7b est ouverte sans actionner la pompe à vide 6a, 6b correspondante de sorte à dépressuriser la chambre de condensation 10a, 10b. L’injection de la vapeur lors de la régénération d’une chambre de condensation 10a, 10b permet également de stériliser cette chambre de condensation 10a, 10b.

En outre, tel qu’illustré sur les Figures 4, les cloisons 40a, 40b présentent deux formes distinctes montées alternativement dans la chambre d’évaporation 5. De préférence, la chambre d’évaporation 5 étant cylindrique, les cloisons 40a, 40b s’étendent radialement par rapport à la chambre d’évaporation 5.

Chaque cloison 40a, 40b se présente sous la forme d’un disque dont une portion formant sensiblement un quart du disque est prélevée de sorte à former une échancrure 39a, 39b. Chaque échancrure 39a, 39b est destinée à permettre le passage des produits entre deux compartiments consécutifs. Les échancrures 39a, 39b de deux cloisons 40a, 40b consécutives sont décalées axialement par rapport à l’axe de révolution du cylindre formant la chambre d’évaporation 5, tel qu’illustré sur le figure 4a lorsque le moteur 12 n’entraine pas la chambre d’évaporation 5 en rotation. Le décalage axial entre les deux échancrures 39a, 39b de deux cloisons 40a, 40b consécutives est sensiblement de 90°.

De la même manière que pour le premier mode de réalisation, lorsque la moteur 12 imprime un mouvement de va et vient de faible amplitude, tel qu’illustré sur les figures 4b et 4c, les échancrures 39a, 39b de deux cloisons 40a, 40b ne sont pas positionnées en bas de la chambre d’évaporation 5 et les produits sont contenus dans leurs compartiments respectifs.

Un premier mouvement de forte amplitude, illustré sur la figure 4d, induit un décalage axial a3 compris entre 90° et 180° vers la droite. La première échancrure 39a de la première cloison 40a est disposée sur le côté gauche alors que la seconde échancrure 39b de la seconde cloison 40b est disposée sur la partie inférieure de la chambre d’évaporation 5. Il s’ensuit que la seconde cloison 40b permet le passage du produit alors que la première cloison 40a retient les produits.

Un second mouvement de forte amplitude, illustré sur la figure 4e, induit un décalage axial a4 compris entre 90° et 180° vers la gauche. La première échancrure 39a de la première cloison 40a est disposée sur la partie inférieure de la chambre d’évaporation 5 alors que la seconde échancrure 39b de la seconde cloison 40b est disposée sur le côté gauche. Il s’ensuit que la première cloison 40a permet le passage du produit alors que la seconde cloison 40a retient les produits.

Ces deux mouvements de fortes amplitudes permettent de gérer le déplacement des produits entre les compartiments. De préférence, un mouvement de grande amplitude est synchronisé avec l’ouverture des écluses 2b et 9a destinées à permettre l’introduction et l’extraction des produits de la chambre d’évaporation 5. L’invention permet ainsi de lyophiliser des produits disposés en vrac dans la chambre d’évaporation 5 et en continu, c’est-à-dire sans stopper les moyens de chauffage 15, 16 et de refroidissement 17, 18 entre deux produits à lyophiliser.

La consommation en énergie du dispositif de lyophilisation de l’invention est réduite de 20 à 40% par rapport aux dispositifs de l’art antérieur pour une même quantité de produits.

En outre, il est désormais possible de réaliser des cycles plus rapides grâce à l’amélioration des transferts thermiques et de matières et avec un meilleur contrôle sur le processus de lyophilisation au moyen des capteurs de température. Le produit étant mélangé, il est plus homogène et les informations recueillis par les capteurs 20, 21, 24 permettent de mieux caractériser le produit.

Le nombre de compartiments n’est pas limité. Il permet de fixer la fréquence de sortie du produit. Comme un compartiment sur deux est utilisé pour ne pas avoir de mélange dans deux compartiments consécutifs, la fréquence de sortie du produit se calcule ainsi : si le temps de séjour du produit est de 10 heures, avec vingt compartiments il est possible de faire sortir toutes les heures une charge de produit. Avec quarante compartiments et un temps de séjour de 10 heures, il est possible de réduire la fréquence de sortie toute les demi-heures.

La fréquence de sortie de l’évaporateur devient une variable qui dépend du nombre de compartiments et du temps de séjour global dans la chambre d’évaporation 5. Le temps de séjour du produit dans le lyophilisateur peut également dépendre d’autres facteurs tels que la taille des pellets ou des granules entrés et de la fréquence du mouvement d’agitation. L’invention permet également de lyophiliser des produits de manière automatisée et stérile car l’opérateur n’a pas de connexion physique à effectuer au niveau de l’entrée 1 et de la sortie 8 de la chambre d’évaporation 5. En outre, il est possible de modifier les conditions de chauffage entre deux compartiments consécutifs afin d’améliorer le processus de lyophilisation. L’invention a été mise en œuvre de manière efficace avec une chambre d’évaporation 5 dont la contenance est comprise entre 0.01 et 1 m^. En variante, il est possible de réaliser une lyophilisation sans mettre sous vide les chambres 5, 10 en utilisant la technique de la zéodratation. Ainsi, la pompe à vide 6 et la vanne 7 peuvent être supprimées. En variante, le dispositif de lyophilisation peut extraire d’autres solvants distincts de l’eau, par exemple de l’alcool.

Claims

REVENDICATIONS

1. Dispositif de lyophilisation comportant : - une chambre d’évaporation (5), - des moyens de chauffage (15, 16) de ladite chambre d’évaporation (5) configurés pour réaliser une sublimation des produits disposés dans ladite chambre d’évaporation (5), - une chambre de condensation (10) connectée à ladite chambre d’évaporation, et - des moyens de refroidissement (17, 18) de ladite chambre de condensation (10) configurés pour transformer la vapeur issue de ladite chambre d’évaporation (5) en glace, - ladite chambre d’évaporation (5) et ladite chambre de condensation (10) étant montées sur un axe (30), caractérisé en ce que le dispositif comporte en outre : - une entrée et une sortie de produits (1, 8) reliées à ladite chambre d’évaporation (5) par des connecteurs flexibles, - des compartiments formés dans ladite chambre d’évaporation (5) par des cloisons (40) s’étendant sur une partie seulement de la hauteur de ladite chambre d’évaporation (5), et - un moteur (12) relié audit axe (30) et configuré pour entrainer ledit axe (30) selon au moins trois mouvements complémentaires : - un premier mouvement entrainant ledit axe (30) dans un premier sens de rotation avec un angle de rotation (al) compris entre 5° et 90° ; - un second mouvement entrainant ledit axe (30) dans un second sens de rotation, opposé au premier angle de rotation, avec un angle de rotation (a2) compris entre -5° et -90°; et - un troisième mouvement entrainant ledit axe (30) avec un angle de rotation (a3) compris entre 90° et 180°, ce troisième mouvement étant couplé à un positionnement incliné de la chambre d’évaporation (5) de sorte à déplacer les produits par gravité entre deux compartiments consécutifs de ladite chambre d’évaporation (5).
2. Dispositif de lyophilisation selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite entrée (1) comporte une chambre de chargement (41) cloisonnée entre deux écluses (2a, 2b), et en ce que ladite sortie (8) comporte une chambre de déchargement (42) cloisonnée entre deux écluses (9a, 9b).
3. Dispositif de lyophilisation selon la revendication 2, caractérisé en ce que l’ouverture de ladite écluse (2b) séparant ladite entrée (1) de ladite chambre d’évaporation (5) et l’ouverture de ladite écluse (9a) séparant ladite sortie (8) de ladite chambre d’évaporation (5) sont synchronisées avec ledit troisième mouvement dudit moteur (12).
4. Dispositif de lyophilisation selon l’une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ladite entrée de produit (1) est configurée pour introduire des produits congelés.
5. Dispositif de lyophilisation selon l’une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu’il comporte deux chambres de condensation (10a, 10b) reliées à ladite chambre d’évaporation (5) par deux sas (4a, 4b) distincts, une première chambre de condensation (10a) étant connectée avec ladite chambre d’évaporation (5) par ouverture du premier sas (4a) et fermeture du second sas (4b) de sorte à utiliser ladite première chambre de condensation (10a) pour piéger une vapeur issue de ladite chambre d’évaporation (5), une seconde chambre de condensation (10b) étant alors régénérée lors de l’utilisation de ladite première chambre de condensation (10a) et inversement.
6. Dispositif de lyophilisation selon la revendication 5, caractérisé en ce qu’il comporte deux pompes à vide (6a, 6b), une première pompe à vide (6a) reliée à ladite première chambre de condensation (10a) et une seconde pompe à vide (6b) reliée à ladite seconde chambre de condensation (10b).
7. Dispositif de lyophilisation selon l’une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qne ladite chambre d’évaporation (5) est inclinée entre ladite entrée (1) et ladite sortie (8).
8. Dispositif de lyophilisation selon l’une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les cloisons (40) de ladite chambre d’évaporation (5) présentent deux formes distinctes montées alternativement dans ladite chambre d’évaporation (5), les deux formes présentant des échancrures (39) axialement décalées et destinées au passage du produit à lyophiliser entre deux compartiments.
9. Dispositif de lyophilisation selon la revendication 8, caractérisé en ce que ledit moteur (12) est configuré pour entrainer ledit axe (30) selon un quatrième mouvement complémentaire avec lesdits trois mouvements, ledit quatrième mouvement entrainant ledit axe (30) dans un sens opposé au sens du troisième mouvement avec un angle de rotation (a4) compris entre -90° et -180° de sorte à déplacer les produits entre deux compartiments consécutifs de ladite chambre d’évaporation (5).
10. Procédé de lyophilisation mis en œuvre par un dispositif selon l’une des revendications 1 à 9, le procédé comportant les étapes de : - mise sous vide de la chambre d’évaporation (5) et de la chambre de condensation (10), - remplissage d’un premier compartiment de ladite chambre d’évaporation (5) par ouverture de ladite entrée de produits (1), - refroidissement de ladite chambre de condensation (10) par lesdits moyens de refroidissement (17, 18) de sorte à solidifier la vapeur pénétrant dans ladite chambre de condensation (10), - chauffage de ladite chambre d’évaporation (5) par lesdits moyens de chauffage (15, 16, 31) jusqu’à obtenir une sublimation des produits contenus dans lesdits compartiments de ladite chambre d’évaporation (5), - agitation de ladite chambre d’évaporation (5) par déplacement dudit axe (30) selon deux mouvements complémentaires répétés durant toute la durée de séjour dans chaque compartiment : - un premier mouvement entrainant ledit axe (30) dans un premier sens de rotation avec un angle de rotation (al) compris entre 5° et 90°, - un second mouvement entrainant ledit axe (30) dans un second sens, opposé au premier sens de rotation, avec un angle de rotation (al) compris entre 5° et 90°, - déplacement des produits entre deux compartiments consécutifs par déplacement dudit axe (30) selon un troisième mouvement avec un angle de rotation (a3) compris entre 90° et 180°, - ce troisième mouvement étant couplé à un positionnement incliné de la chambre d’évaporation (5), et - extraction des produits de ladite chambre d’évaporation (5).