WO2023165937A1 - Dispositif de lyophilisation - Google Patents

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WO2023165937A1
WO2023165937A1 PCT/EP2023/054873 EP2023054873W WO2023165937A1 WO 2023165937 A1 WO2023165937 A1 WO 2023165937A1 EP 2023054873 W EP2023054873 W EP 2023054873W WO 2023165937 A1 WO2023165937 A1 WO 2023165937A1
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WO
WIPO (PCT)
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evaporation
chamber
condensation
fixed
pressure
Prior art date
Application number
PCT/EP2023/054873
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English (en)
Inventor
Jean Delaveau
Xavier GALLAND
Original Assignee
Lyophitech
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F26—DRYING
    • F26B—DRYING SOLID MATERIALS OR OBJECTS BY REMOVING LIQUID THEREFROM
    • F26B5/00—Drying solid materials or objects by processes not involving the application of heat
    • F26B5/04—Drying solid materials or objects by processes not involving the application of heat by evaporation or sublimation of moisture under reduced pressure, e.g. in a vacuum
    • F26B5/06—Drying solid materials or objects by processes not involving the application of heat by evaporation or sublimation of moisture under reduced pressure, e.g. in a vacuum the process involving freezing
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F26—DRYING
    • F26B—DRYING SOLID MATERIALS OR OBJECTS BY REMOVING LIQUID THEREFROM
    • F26B11/00—Machines or apparatus for drying solid materials or objects with movement which is non-progressive
    • F26B11/02—Machines or apparatus for drying solid materials or objects with movement which is non-progressive in moving drums or other mainly-closed receptacles
    • F26B11/022—Arrangements of drives, bearings, supports
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F26—DRYING
    • F26B—DRYING SOLID MATERIALS OR OBJECTS BY REMOVING LIQUID THEREFROM
    • F26B11/00—Machines or apparatus for drying solid materials or objects with movement which is non-progressive
    • F26B11/02—Machines or apparatus for drying solid materials or objects with movement which is non-progressive in moving drums or other mainly-closed receptacles
    • F26B11/028—Arrangements for the supply or exhaust of gaseous drying medium for direct heat transfer, e.g. perforated tubes, annular passages, burner arrangements, dust separation, combined direct and indirect heating
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F26—DRYING
    • F26B—DRYING SOLID MATERIALS OR OBJECTS BY REMOVING LIQUID THEREFROM
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    • F26B11/02—Machines or apparatus for drying solid materials or objects with movement which is non-progressive in moving drums or other mainly-closed receptacles
    • F26B11/04—Machines or apparatus for drying solid materials or objects with movement which is non-progressive in moving drums or other mainly-closed receptacles rotating about a horizontal or slightly-inclined axis

Definitions

  • the invention relates to the field of devices providing treatment of products by freeze-drying.
  • the invention relates more particularly to devices performing bulk freeze-drying.
  • the invention finds a particularly advantageous application in the fields of pharmaceutical preparation and food preparation and, more generally, for all industries with high added value which require a process of preservation by freeze-drying.
  • the invention can be implemented in the field of biotechnology for the production of inoculum for the fermentation of biomass, in the food field for the freeze-drying of fruits, vegetables, beverages and food preparations, in the field of health for the lyophilization of proteins, peptides, enzymes, bacteria, viruses, living cells, sensitive formulation based on antibodies or sensitive molecules, plasma fraction or formulation of sensitive polymers .
  • Freeze-drying is a low-temperature dehydration operation which consists of eliminating by sublimation most of the water contained in a product. Lyophilization makes it possible to obtain high quality final products without degrading the structure and retaining a large part of the activity of the microorganisms or cells. Freeze-dried products have a long-term storage capacity due to the lower water activity of the product.
  • freeze-drying is, on the other hand, limited by its cost and remains much lower than the use of other drying processes.
  • the low productivity in freeze-drying is due to the discontinuous mode of operation under vacuum which results in long treatment times of between ten hours and several days.
  • Investment and operating costs are also high.
  • the energy consumption of a freeze-drying device is typically around 1,500 to 2,500 kWh per ton of water to be eliminated.
  • freeze-drying only applies to products with a high added value.
  • processes based on atomization or fluidized bed are commonly used because they are significantly less expensive.
  • the sectors of the pharmaceutical industries (vaccines, serum, drugs) and bio-industries (yeasts) are much more strongly concerned by the freeze-drying processes which are the only processes making it possible to obtain preservation of an active principle (biological activity and / or medicated) in a product stored at room temperature.
  • Freeze-drying requires the use of a device comprising an evaporation chamber, incorporating heating means, configured to sublimate the water contained in frozen products, and a condensation chamber connected to the evaporation chamber.
  • the condensation chamber incorporates an ice trap to collect water vapor from the evaporation chamber.
  • cooling means are arranged in the condensation chamber to cool the ice trap.
  • the chambers are also evacuated by a vacuum pump so as to pass the triple point of water and allow the passage of water from the solid phase to the gaseous phase.
  • the freeze-drying process has a first step consisting in freezing the products in the evaporation chamber or before the introduction of the products into this chamber. Rapid freezing is sought so as to form small ice crystals. Indeed, freezing too slowly has the effect of promoting the formation of large crystals liable to damage the structure of the product by tearing the walls of its cells, for example for yeasts, viruses and animal or plant cells.
  • a second step is to create a vacuum in the evaporation chamber, the low pressure, usually well below 1 hPa, allowing the water in the form of ice to turn into vapor without thawing the products.
  • the products receive a heat input to provide the energy necessary for the latent heat of the sublimation of the ice into steam.
  • the steam enters the conditioned condensation chamber to transform the water vapor into ice by the use of the ice trap maintained at low temperature, for example -60°C.
  • freeze-drying process thus makes it possible to extract up to 95% of the water contained in the products. Freeze-drying can reduce product moisture to an extremely low level, between 1% and 10% of the product's density, and prevent bacteria and molds from proliferating and enzymes from triggering chemical reactions that could to damage the product. It follows that freeze-dried products have a very long shelf life. In airtight packaging, away from moisture, light and oxygen, freeze-dried products can be stored at room temperature for many years.
  • Bulk freeze-drying is mainly used in the industrial sector, and in particular in the food industry, because it allows large quantities of products to be treated for limited periods of time. Bulk freeze-drying makes it possible to obtain an average freeze-drying time of between five and fifty hours. Reducing freeze-drying time reduces energy consumption, production time and therefore production cost. In addition, the limitation of the freeze-drying time reduces the exposure of the product to heat. It is thus possible to improve the quality of the freeze-dried product.
  • WO 82/02246 describes a freeze-drying device formed of a cylinder having two concentric parts: respectively a central compartment acting as an evaporation chamber and a peripheral compartment acting as a condensation chamber.
  • the two concentric chambers are installed around an axis rotation allowing to perform a rotational movement during the freeze-drying to avoid the agglomeration of the products.
  • document WO 2017/178740 proposes using an evaporation chamber mounted on a controlled axis of rotation to perform a back and forth movement with a low angle of rotation, between -90 and 90°.
  • a product inlet and outlet which are fixed in relation to the evaporation chamber.
  • the product inlet and outlet are connected by flexible connectors to the evaporation chamber so that slight back and forth movements cause the flexible connectors to deform around the evaporation chamber without breaking the connection between the evaporation chamber and the entry and exit of products.
  • the condensation chamber is arranged as close as possible to the evaporation chamber, so that the vapor extracted from the products to be freeze-dried is very quickly captured and stored in the condensation chamber.
  • the immediate proximity of the two chambers prevents the steam from condensing along the walls of the evaporation chamber and risking falling back into the products.
  • the evaporation chamber and the condensation chamber are both set in motion on the same axis of rotation.
  • a powerful motor must be selected to be able to move all the chambers simultaneously.
  • these motors consume a lot of energy and have a large size.
  • the technical problem that the invention proposes to solve is to set up a freeze-drying device using a rotational movement that consumes less energy and is more compact.
  • the present invention aims to solve this problem by separating the rotational axis condensation chamber and by mounting it fixed in relation to the chamber. of evaporation. Only the evaporation chamber is then set in motion by the motor, which makes it possible to select a less powerful motor, which therefore consumes less energy and is more compact.
  • the fixed condensation chamber is connected to the moving evaporation chamber by flexible connectors, called “second flexible connectors", which are capable of moving and deforming to absorb the displacements of the evaporation chamber. relative to the condensation chamber.
  • the invention relates to a freeze-drying device comprising:
  • an evaporation chamber comprising means for heating said evaporation chamber configured to carry out sublimation of the solvent contained in the frozen products intended to be placed in said evaporation chamber, said evaporation chamber being mounted so as to be rotatable around an axis;
  • At least one condensation chamber communicating with said evaporation chamber, and comprising means for cooling said condensation chamber configured to transform the vapor from said evaporation chamber into ice;
  • the invention is characterized in that the at least one condensation chamber is mounted fixed relative to said evaporation chamber, said evaporation chamber and said at least one condensation chamber being connected by second flexible connectors.
  • the device comprises at least two condensation chambers.
  • a steam collector provided with steam flow control means can then be arranged between the evaporation chamber and the condensation chambers. The vapor collector thus receives the vapor from the evaporation chamber and controls the flow of vapor sent to each condensation chamber as a function of the trapping capacity of said condensation chamber.
  • the trapping capacity corresponds to the flow of vapor that can be condensed by the condensation chamber in a predetermined time interval.
  • this trapping capacity can change over time.
  • the steam can be condensed by an ice trap in the form of a coiled tube in which circulates a heat transfer fluid, for example liquid nitrogen.
  • the number N of flexible connectors is proportional to the vaporization rate of the evaporation chamber 5.
  • the evaporation chamber has an operating temperature between -30°C and -20°C, a pressure between 200 and 600 pbar, and
  • the condensation chamber has an operating temperature between -100 and -50°C, a pressure between 40 and 200 pbar.
  • the second flexible connectors are selected with:
  • parameters can be set, depending on constraints related to the use of certain products to be freeze-dried, for example.
  • the nature of the solvent may require particular pressure and temperature ranges to carry out the lyophilization.
  • the evaporation and condensation chambers when it is desired to evaporate an aqueous solvent with an evaporation rate of between 10 and 11 kg/h, and the evaporation and condensation chambers have the following parameters:
  • the evaporation chamber has an operating temperature between -30°C and -20°C, a pressure between 400 and 580 pbar, and
  • the condensation chamber has an operating temperature set at -60°C, a pressure set at 100 pbar.
  • the second flexible connectors are selected with:
  • evaporation and condensation chambers when it is desired to evaporate an aqueous solvent with an evaporation rate of between 9 and 11 kg/h, and the evaporation and condensation chambers have the following parameters:
  • the evaporation chamber has an operating temperature of -20°C, a pressure of 600 pbar, and
  • the condensation chamber has an operating temperature of between -100 and -50°C, a pressure of between 100 and 200 pbar.
  • the second flexible connectors are selected with:
  • the evaporation chamber has an operating temperature of -30°C, a pressure of 600 pbar, and
  • the condensation chamber has an operating temperature set at -60°C, a pressure of between 100 and 200 pbars.
  • the second flexible connectors are selected with:
  • evaporation and condensation chambers when it is desired to evaporate an aqueous solvent with an evaporation rate set at 10 kg/h, and the evaporation and condensation chambers have the following parameters:
  • the evaporation chamber has an operating temperature of -20°C, a pressure between 200 and 250 pbar, and
  • the condensation chamber has an operating temperature fixed at -60° C., a pressure fixed at 100 pbars.
  • the second flexible connectors are selected with:
  • evaporation and condensation chambers when it is desired to evaporate an aqueous solvent with an evaporation rate set at 11 kg/h, and the evaporation and condensation chambers have the following parameters:
  • the evaporation chamber has an operating temperature between -30°C and -10°C, a pressure between 400 and 550 pbar, and
  • the condensation chamber has an operating temperature fixed at -70°C, a pressure fixed at 100 pbars.
  • the second flexible connectors are selected with:
  • the evaporation chamber has an operating temperature set at -15°C, a pressure set at 300 pbar, and
  • the condensation chamber has an operating temperature fixed at -70°C, a pressure fixed at 100 pbars.
  • the second flexible connectors are selected with:
  • a seventh embodiment when it is desired to evaporate an organic solvent having an apparent molar mass fixed at 0.025 kg/mol, with an evaporation rate of 10 kg/h, and that the evaporation chambers and condensate have the following parameters:
  • the evaporation chamber has an operating temperature between -30°C and -20°C, a pressure between fixed at 300 pbar, and
  • the condensation chamber has an operating temperature of between -90 and -70°C, a pressure of between 50 and 100 pbars.
  • the second flexible connectors are selected with:
  • Figure 1 is a schematic structural representation of a freeze-drying device according to a first embodiment of the invention
  • Figure 2 is a schematic structural representation of a freeze-drying device according to a second embodiment of the invention.
  • Figure 3 is a sectional view of the position of a partition relative to the evaporation chamber in a first position of the freeze-drying device of Figure 1;
  • Figure 4 is a sectional view of the position of a partition relative to the evaporation chamber in a second position of the freeze-drying device of Figure 1;
  • Figure 5 is a sectional view of the position of a partition relative to the evaporation chamber in a third position of the freeze-drying device of Figure 1.
  • FIG. 1 illustrates a freeze-drying device comprising an evaporation chamber 5 and a condensation chamber 10.
  • An inlet 1 in the form of a hopper is connected to the evaporation chamber 5 via a first connector flexible 42.
  • the hopper is also equipped with a first lock 2 so as to introduce products to be freeze-dried when the lock 2 is open.
  • An outlet 8 in the form of a hopper is also connected to the evaporation chamber 5 via a flexible connector.
  • the hopper is also equipped with a second lock 9 so as to extract the freeze-dried products when the lock 9 is open.
  • Locks 2 and 9 also make it possible to guarantee the tightness and sterility of chambers 5, 10. For example, locks 2, 9 of the brand "
  • the invention can be implemented with a single entry/exit performing the two functions of introduction and extraction of the products.
  • the evaporation chamber 5 has a double external wall in which a heat transfer fluid circulates to heat the evaporation chamber 5.
  • the internal surface of the evaporation chamber 5 is mirror polished so as to promote the sliding of the the load and minimize the slope angle.
  • the heat transfer fluid is heated by an external device connected to the double wall by a fluid inlet 15 and a fluid outlet 16.
  • a steam inlet 31 is also connected to the evaporation chamber 5 in order to sterilize the evaporation chamber 5.
  • the heat transfer fluid can be heated by a heat exchanger coupled to an external heat source.
  • the heating can be provided by an electric heating mantle powered via flexible electric cables.
  • the heating mantle is made of silicone and a heating resistor transforms electrical energy into heat. This heating system is advantageous since the electrical cables are more flexible and therefore more resistant to the shearing stresses linked to the to-and-fro movements of the evaporation chamber in comparison with a pipe carrying a coolant.
  • the products can be introduced in a frozen form through the inlet 1. Alternatively, the products can be frozen directly in the evaporation chamber 5.
  • the products are introduced at room temperature and the heat transfer fluid circulating in the outer double wall is refrigerated at a very low temperature, for example of the order of ⁇ 60° C., so as to cause the products to freeze before the evaporation step. Freezing can also be carried out in inlet 1. For example, freezing can be obtained directly in pellets by means of a drip falling in a stream of nitrogen.
  • the condensation chamber 10 is connected to the evaporation chamber 5 via second flexible connectors 41.
  • several condensation chambers 10 can be connected to the evaporation chamber 5 via the second flexible connectors 41
  • the second flexible connectors 41 are connected to the condensation chamber via a vapor collector not shown in the figures.
  • the second flexible connectors 41 supply the vapor collector via a vapor inlet.
  • the steam collector comprises several steam outlets connected to different inlets distributed regularly along the condensation chamber 10. The latter is then supplied by several inlet streams, which makes it possible to better distribute the steam in the chamber and to avoid condensation.
  • the passage of the steam through the second flexible connectors 41, between the evaporation chamber 5 and the condensation chamber 10 is controlled via an airlock 4.
  • the airlock 4 can comprise a grid or a filter allowing the steam to pass and retaining the particles of the product that may be carried away by the water vapour.
  • the filter is made of Gore-Tex®, registered trademark.
  • the condensation chamber 10 comprises an ice trap 11 taking the form of a coiled tube in which circulates a heat transfer fluid, for example liquid nitrogen.
  • the heat transfer fluid is produced by an external device and it is led into the pipe through an inlet 17 to an outlet 18.
  • the heat transfer fluid can be cooled by a heat exchanger coupled to an external cold source.
  • the cooling means 17, 18 are implemented when the airlock 4 is open and the steam enters the condensation chamber.
  • the vapor then freezes on the tube of the ice trap 11.
  • the number of turns and the section of the tube forming the ice trap 11 are determined according to the quantity of vapor to be recovered.
  • a steam inlet 32 is also connected to the condensation chamber 10 in order to sterilize the condensation 10 and evaporation chambers prior to start-up. of the freeze-drying process itself.
  • the airlock 4 is opened and steam is introduced into the two chambers 5, 10.
  • the steam injected by the steam injection nozzle 32 causes the melting of the ice present on the ice trap 11.
  • a purge 33 thus extracts the steam injected to evaporate the ice contained in the condensation chamber 10 as well as the steam generated for sterilization.
  • the condensation chamber 10 is also connected to a vacuum pump 6 via a pipe provided with a valve 7.
  • This vacuum pump 6 is configured to place the condensation chamber 10 and the evaporation 5 when the airlock 4 is open.
  • the valve 7 is kept open and the vacuum is maintained by the condensation of the steam on the ice trap 11.
  • the vacuum values are between 10 pbar and 600 pbar.
  • the evaporation chamber 5 is mounted fixed to an axis of rotation 30, while the condensation chamber 10 is mounted fixed relative to the evaporation chamber 5.
  • the evaporation chamber 5 is cylindrical and the shaft 30 passes through the center of the two flat faces of the cylinder so as to evenly distribute the mass of the evaporation chamber 5 around shaft 30.
  • Shaft 30 is driven in rotation by a motor 12.
  • two opposite rotational movements of the evaporation chamber are induced by the axis 30 driven by the motor 12 and are limited in amplitude so as to create a back and forth movement.
  • Figures 3 to 5 illustrate the positions of pin 30 during this back and forth movement.
  • axis 30 In a first position, illustrated in FIG. 3, axis 30 is not driven in rotation by motor 12.
  • a first movement of motor 12, illustrated in FIG. 4, drives axis 30 on itself and therefore the evaporation chamber 5 in a first direction of rotation with an angular displacement al less than 180 °.
  • a second movement of the motor 12, illustrated in FIG. 5, drives the axis 30 on itself and consequently the evaporation and condensation chambers in a second direction of rotation, opposite to the first direction of rotation, with a displacement angular a2 substantially equal to the angular displacement of the first movement.
  • the movement back and forth thus corresponds to a rocking of the axis 30, that is to say a rotation of the axis 30 on itself in one direction then in the other.
  • the axis 30 therefore does not perform a complete rotation, thus limiting the risk of winding of the flexible connectors connecting the external devices of the evaporation chamber 5.
  • the flexible connectors are configured to deform and absorb the displacements of the evaporation chamber 5 during rotations so as to maintain a sealed and sterile connection.
  • the evaporation chamber 5 also comprises baffles arranged inside the evaporation chamber 5.
  • the baffles extend radially towards the inside of the evaporation chamber 5 and make it possible to improve the mixing of the products during freeze-drying.
  • “Palamatic®” brand coulters can be used.
  • the axis 30 can be mounted horizontally relative to the cylindrical body of the evaporation chamber 5.
  • the device advantageously comprises means for pivoting the axis in the vertical plane making it possible to guide the products placed in the evaporation chamber 5 towards the outlet 8 when the freeze-drying time is reached.
  • the shaft 30 can be mounted with a bias, that is to say inclined in the vertical plane so as to guide the products towards the outlet 8 throughout the freeze-drying process.
  • outlet 8 is lower than inlet 1 so that gravity is used to move the freeze-dried products to outlet 8.
  • the flexible connectors 41, 42 have the function of connecting a fixed element to a mobile element, such as the evaporation chamber 5.
  • the inlet 1 and outlet 8 hoppers are connected to the evaporation chamber 5 by sterile flexible sleeves.
  • the heating and cooling means of the two chambers 5, 10 as well as the vacuum pump 6 are also connected to the respective chambers by first flexible connectors 42.
  • the first flexible connectors 42 are made of stainless steel to meet to the constraints of sterility.
  • the first flexible connectors 42 advantageously have turns so as to limit work hardening of the stainless steel. Alternatively, other materials may be used without changing the invention.
  • the first flexible connectors 42 make it possible to guarantee the connection of these elements with the evaporation chamber 5, even when the latter is driven in rotation on itself by the motor 12.
  • the condensation chamber 10 fixes can also be connected to the discharge hoppers by flexible connectors or on the contrary be connected to the discharge hoppers by any other type of connector, since it does not have the same rotational constraints.
  • the bending capacity of the first flexible connectors 42 makes it possible to absorb the displacements of the evaporation chamber 5 relative to the external elements.
  • the length of the connectors is also chosen to guarantee that the connection is maintained during the rotation of the evaporation chamber 5.
  • flexible connectors of the brand “Staubli®” or else “GECITECH®” can be used.
  • condensation chamber 10 is also connected to the evaporation chamber by second flexible connectors 41.
  • the second flexible connectors 41 are made of stainless steel or polyvinyl chloride (PVC) reinforced to meet temperature and sterility constraints.
  • the second flexible connectors 41 advantageously have turns so as to limit hardening. Alternatively, other materials may be used without changing the invention.
  • the bending capacity of the second flexible connectors 41 makes it possible to absorb the displacements of the evaporation chamber 5 relative to the condensation chamber 10.
  • the length L of the second flexible connectors 41 is also chosen to guarantee the maintenance of the connection during the rotation of the evaporation chamber 5.
  • the chambers 5, 10 are preferably instrumented by temperature 20, 24 and pressure 21 sensors.
  • Two sensors 20, 21 are arranged in the evaporation chamber 5 to control the temperature and the pressure in the evaporation chamber 5.
  • a third sensor 24 is arranged in the condensation chamber 10 to control the temperature of the condensation chamber 10. It follows that an operator can follow the freeze-drying process by means of the sensors 20, 21, 24 and estimate the quantity of water eliminated from the products over time. It is thus possible to determine the precise moment for which a desired concentration of water is reached to stop the freeze-drying.
  • the number N of second flexible connectors 41 can be defined with a proportionality coefficient with the evaporation rate of the vapor contained in the evaporation chamber 5.
  • the proportionality coefficient between the number N of second flexible connectors 41 and the evaporation rate depends on the length L is for example between 0.7 and 1.
  • the evaporation chamber has an operating temperature T1 varying between -30°C and -20°C, a PI pressure varying between 400 and 580 pbar.
  • the second flexible connectors 41 are then selected with:
  • an organic solvent having an apparent molar mass of between 0.02 and 0.025 kg/mol, with an evaporation rate of 10 kg/h.
  • the second flexible connectors 41 are selected with:
  • the freeze-drying device can also comprise several condensation chambers. As illustrated in Figure 2, the freeze-drying device may for example comprise two condensation chambers 10A and 10B. In order to distribute the steam from the evaporation chamber 5 between the two condensation chambers 10A and 10B, a steam collector 43 can be added.
  • the vapor collector 43 is positioned at the outlet of the second flexible connectors 41 and is connected to the condensation chambers 10A and 10B by connectors 44A, 44B.
  • the number, length and diameter of the connectors 44A, 44B can be chosen according to the dimensions of the condensation chamber 10A, 10B considered.
  • the vapor collector 43 is mounted fixed relative to the evaporation chamber 5.
  • the vapor collector 43 and the condensation chambers 10A and 10B being fixed relative to each other, the connectors 44A, 44B can be pipes rigid or flexible without changing the invention.
  • Control means make it possible to modify the flow rate of steam sent to one or the other of the condensation chambers 10A, 10B.
  • the control means can be controlled manually or automatically by positioning for example a sensor within each condensation chamber 10A, 10B.
  • the sensor can thus measure the trapping capacity of the chamber and, depending on the value of this measurement, the flow of steam sent to the chamber is adapted to allow the trap to regenerate.
  • the sensor can measure the thickness of the layer of ice accumulated around the trap 11A, 11B. If this layer of ice is thicker than a predetermined threshold, the flow of steam reaching the trap 11A, 11B can be reduced to give the trap time to regenerate by reducing the thickness of the layer of ice. During this time, the steam flow reaching the other trap 11A, 11B can be increased to compensate for the decrease on the other trap and thus maintain a constant overall treatment flow.
  • the invention makes it possible to develop a freeze-drying device that consumes less energy and is more compact.

Abstract

L'invention concerne un dispositif de lyophilisation comportant : une chambre d'évaporation montée mobile en rotation autour d'un axe (30); une chambre de condensation (10) communiquant avec ladite chambre d'évaporation, une entrée et une sortie de produits (1, 8) reliées à ladite chambre d'évaporation (5) par des premiers connecteurs flexibles, les entrée et sortie de produits (1, 8) étant montées fixes par rapport à la chambre d'évaporation, et un moteur (12) entraînant ledit axe (30) sur lui-même selon le mouvement de va-et-vient, ladite chambre de condensation (10) étant montée fixe par rapport à ladite chambre d'évaporation (5), lesdites chambre d'évaporation (5) et de condensation (10) étant reliées par des seconds connecteurs flexibles.

Description

TITRE DE L’INVENTION : DISPOSITIF DE LYOPHILISATION
DOMAINE TECHNIQUE
L’invention se rapporte au domaine des dispositifs assurant un traitement de produits par lyophilisation. L’invention concerne plus particulièrement les dispositifs réalisant une 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 dans le domaine de la biotechnologie pour la production d’inoculum en vue de la fermentation de la biomasse, dans le domaine alimentaire pour le lyophilisation de fruits, légumes, boissons et préparations alimentaires, dans le domaine de la santé pour la lyophilisation de protéines, de peptides, d’enzymes, de bactéries, de virus, de cellules vivantes, de formulation sensibles à base d’anticorps ou de molécules sensibles, de fraction plasmatique ou de formulation de polymères sensibles.
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 rapidement 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 des autres procédés de 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 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 les procédés de lyophilisation qui sont les seuls procédés permettant d’obtenir une conservation d’un principe actif (activité biologique et/ou médicamenteuse) dans un produit stocké à température ambiante.
La lyophilisation requiert l’usage d’un dispositif comprenant une chambre d’évaporation, intégrant des moyens de chauffage, configurée pour sublimer l’eau contenue dans des produits congelés, et d’une chambre de condensation reliée à la chambre d’évaporation. La chambre de condensation intègre un piège à glace permettant de recueillir la vapeur d’eau issue de la chambre d’évaporation. Pour ce faire, des moyens de refroidissement sont disposés dans la chambre de condensation pour refroidir le piège à glace. 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 d’évaporation ou avant l’introduction des produits dans cette chambre. Une congélation rapide est recherchée de sorte à former des petits cristaux de glace. En effet, 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 1 hPa, permettant à l’eau sous forme de glace de se transformer en vapeur sans décongeler les produits. Pour ce faire, 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 conditionnée pour transformer la vapeur d’eau en glace par l’utilisation du piège à glace maintenu à basse température, par exemple -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. Il 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.
La lyophilisation en vrac est principalement utilisée dans le secteur industriel, et notamment de l’industrie alimentaire, car elle permet de traiter de grandes quantités de produits sur des durées limitées. La lyophilisation en vrac permet en effet d’obtenir un temps moyen de lyophilisation compris entre cinq et cinquante heures. La réduction du temps de lyophilisation permet de réduire la consommation énergétique, 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.
La lyophilisation en vrac impose cependant d’introduire les produits pêle-mêle dans le lyophilisateur. Or, il existe un risque d’agglomération des produits, qui pourrait détériorer la qualité des produits lyophilisés.
Pour résoudre ce problème, il est possible de mettre en mouvement le lyophilisateur pendant le processus de lyophilisation. Les mouvements de rotation permettent ainsi d’éviter l’agglomération des produits dans la chambre d’évaporation lors de la lyophilisation tout en limitant le temps du processus de lyophilisation.
Pour ce faire, le document WO 82/02246 décrit un dispositif de lyophilisation formé d’un cylindre présentant deux parties concentriques : respectivement un compartiment central faisant office de chambre d’évaporation et un compartiment périphérique faisant office de chambre de condensation. Les deux chambres concentriques sont installées autour d’un axe de rotation permettant d’effectuer un mouvement de rotation lors de la lyophilisation pour éviter l’agglomération des produits.
Cependant, ce document impose d’ouvrir les chambres pour introduire et extraire les produits avant et après la lyophilisation. Cette ouverture est complexe à mettre en œuvre lorsqu’il faut également garantir que le vide soit appliqué aux chambres lors de la lyophilisation.
Pour répondre à ce problème, le document WO 2017/178740 propose d’utiliser une chambre d’évaporation montée sur un axe de rotation commandé pour effectuer un mouvement de va- et-vient avec un faible angle de rotation, compris entre -90 et 90°. Pour éviter de devoir ouvrir la chambre d’évaporation avant et après la lyophilisation, celle-ci est reliée à une entrée et une sortie de produits qui sont fixes par rapport à la chambre d’évaporation. L’entrée et la sortie de produits sont connectées par des connecteurs flexibles à la chambre d’évaporation de sorte que les faibles mouvements de va-et-vient entraînent une déformation des connecteurs flexibles autour de la chambre d’évaporation sans rompre la connexion entre la chambre d’évaporation et l’entrée et la sortie de produits.
Cependant, dans tous les dispositifs de lyophilisation existants, la chambre de condensation est disposée au plus proche de la chambre d’évaporation, de sorte que la vapeur extraite des produits à lyophiliser soit très rapidement captée et stockée dans la chambre de condensation. La proximité immédiate des deux chambres permet d’éviter que la vapeur ne se condense le long des parois de la chambre d’évaporation et risque de retomber dans les produits.
Pour les dispositifs de lyophilisation utilisant un mouvement de rotation, tels que décrit dans les documents WO 82/02246 et WO 2017/178740, la chambre d’évaporation et la chambre de condensation sont toutes deux mises en mouvement sur un même axe de rotation. Dans certains modes de réalisation du document WO 2017/178740, il est même possible d’utiliser deux chambres de condensation. Ainsi, un moteur puissant doit être sélectionné pour pouvoir mettre en mouvement toutes les chambres simultanément. Or, ces moteurs consomment beaucoup d’énergie et présentent un encombrement important.
Le problème technique que se propose de résoudre l’invention est de mettre en place un dispositif de lyophilisation utilisant un mouvement de rotation moins consommateur en énergie et plus compacte.
EXPOSE DE L’INVENTION
La présente invention vise à résoudre ce problème en désolidarisant la chambre de condensation de Taxe de rotation et en la montant fixe par rapport à la chambre d’évaporation. Seule la chambre d’évaporation est alors mise en mouvement par le moteur, ce qui permet de sélectionner un moteur moins puissant, donc moins consommateur en énergie et plus compacte. En outre, la chambre de condensation fixe est connectée à la chambre d’évaporation en mouvement par des connecteurs flexibles, dits « seconds connecteurs flexibles », qui sont capables de se mouvoir et de se déformer pour absorber les déplacements de la chambre d’évaporation par rapport à la chambre de condensation.
Contre toute attente, même si l’utilisation de seconds connecteurs flexibles augmente la distance entre la chambre d’évaporation et la chambre de condensation, il a été constaté que la vapeur générée par la chambre d’évaporation ne condense pas sur les parois de la chambre d’évaporation ou des flexibles et ne retombe pas dans les produits en cours de lyophilisation si les flexibles sont correctement dimensionnées, c’est-à-dire si le type et le nombre des flexibles permet d’extraite toute la vapeur produite en fonction des paramètres de pression et de température des chambres. La qualité des produits lyophilisés reste donc inchangée. Ainsi, contrairement à l’enseignement constant de l’état de la technique, il n’est pas nécessaire de placer la chambre de condensation directement à proximité de la chambre d’évaporation.
A cet effet, l’invention concerne un dispositif de lyophilisation comportant :
- une chambre d’évaporation comprenant des moyens de chauffage de ladite chambre d’évaporation configurés pour réaliser une sublimation du solvant contenu dans les produits congelés destinés à être disposés dans ladite chambre d’évaporation, ladite chambre d’évaporation étant montée mobile en rotation autour d’un axe ;
- au moins une chambre de condensation communiquant avec ladite chambre d’évaporation, et comportant des moyens de refroidissement de ladite chambre de condensation configurés pour transformer la vapeur issue de ladite chambre d’évaporation en glace ;
- une entrée et une sortie de produits reliées à ladite chambre d’évaporation par des premiers connecteurs flexibles, les entrée et sortie de produits étant montées fixes par rapport à la chambre d’évaporation, et
- un moteur entraînant ledit axe sur lui-même selon le mouvement de va-et-vient suivant :
- un premier mouvement entraînant ledit axe dans un premier sens de rotation avec un angle de rotation compris entre 5° et 90° ; et
- un second mouvement entraînant ledit axe dans un second sens de rotation, opposé au premier angle de rotation, avec un angle de rotation compris entre -5° et -90°.
L’invention se caractérise en ce que l’au moins une chambre de condensation est montée fixe par rapport à ladite chambre d’évaporation, ladite chambre d’évaporation et ladite au moins une chambre de condensation étant reliées par des seconds connecteurs flexibles. Dans certains modes de réalisation, le dispositif comporte au moins deux chambres de condensation. Un collecteur de vapeur munit de moyens de contrôle du débit de vapeur peut alors être disposé entre la chambre d’évaporation et les chambres de condensation. Le collecteur de vapeur reçoit ainsi la vapeur issue de la chambre d’évaporation et contrôle le débit de vapeur envoyé à chaque chambre de condensation en fonction de la capacité de piégeage de ladite chambre de condensation.
Selon l’invention, la capacité de piégeage correspond au débit de vapeur pouvant être condensée par la chambre de condensation dans un intervalle de temps prédéterminé. En pratique, cette capacité de piégeage peut évoluer au cours du temps. Par exemple, la vapeur peut être condensée par un piège à glace prenant la forme d’un tube enroulé dans lequel circule un fluide caloporteur, par exemple de l’azote liquide.
Lorsque la vapeur entre en contact avec le piège à glace, elle se solidifie sur la paroi du piège. Ainsi, de la glace s’accumule par couches sur les parois du piège. Plus cette couche de glace est épaisse et moins le piège est efficace. La capacité de piégeage de la chambre de condensation diminue alors et il peut être utile d’envoyer la vapeur vers un autre piège via le collecteur de vapeur en attendant que le piège se regénère et retrouve des performances suffisantes.
En pratique, afin de limiter les pertes énergétiques liées au passage par les seconds connecteurs flexibles reliant la chambre de condensation à la chambre d’évaporation, il est possible de déterminer le nombre de connecteurs flexibles optimal. Cette détermination du nombre de flexibles dépend de plusieurs paramètres tels que la pression et la température des chambres d’évaporation et de condensation, le débit souhaité de traitement des produits à lyophiliser, et le diamètre et la longueur des connecteurs flexibles à disposition.
En pratique, lorsque tous les autres paramètres sont fixés, le nombre N de connecteurs flexibles est proportionnel au débit de vaporisation de la chambre d’évaporation 5. Lorsqu’il est recherché d’évaporer un solvant avec un débit d’évaporation, et que les chambres d’évaporation et de condensation présentent les paramètres suivants :
- la chambre d’évaporation présente une température de fonctionnement comprise entre -30°C et -20°C, une pression comprise entre 200 et 600 pbars, et
- la chambre de condensation présente une température de fonctionnement comprise -100 et - 50°C, une pression comprise entre 40 et 200 pbars.
Alors, les seconds connecteurs flexibles sont sélectionnés avec :
- un diamètre compris entre 0.08 et 0.12 m, - une longueur comprise entre 2 et 10 m, et
- un nombre de flexibles proportionnel au débit d’évaporation, avec un coefficient de proportionnalité compris entre 0.7 et 1.
Il existe différents modes de réalisation dans lesquels des paramètres peuvent être fixés, en fonction de contraintes liées à l’exploitation de certains produits à lyophiliser par exemple. Typiquement, la nature du solvant peut nécessiter des gammes de pression et de température particulières pour réaliser la lyophilisation.
Selon un premier mode de réalisation, lorsqu’il est recherché d’évaporer un solvant aqueux avec un débit d’évaporation compris entre 10 et 11 kg/h, et que les chambres d’évaporation et de condensation présentent les paramètres suivants :
- la chambre d’évaporation présente une température de fonctionnement comprise entre -30°C et -20°C, une pression comprise entre 400 et 580 pbars, et
- la chambre de condensation présente une température de fonctionnement consignée à -60°C, une pression fixée à 100 pbars.
Alors, les seconds connecteurs flexibles sont sélectionnés avec :
- un diamètre compris entre 0.1 et 0.105 m,
- une longueur comprise entre 3 et 4,5 m, et
- un nombre de flexibles compris entre 7 et 13.
Selon un deuxième mode de réalisation, lorsqu’il est recherché d’évaporer un solvant aqueux avec un débit d’évaporation compris entre 9 et 11 kg/h, et que les chambres d’évaporation et de condensation présentent les paramètres suivants :
- la chambre d’évaporation présente une température de fonctionnement de -20°C, une pression de 600 pbars, et
- la chambre de condensation présente une température de fonctionnement comprise entre - 100 et -50°C, une pression compris entre 100 et 200 pbars.
Alors, les seconds connecteurs flexibles sont sélectionnés avec :
- un diamètre fixé à 0.08 m,
- une longueur fixée à 3 m, et
- un nombre de flexibles compris entre 11 et 13.
Selon un troisième mode de réalisation lorsqu’il est recherché d’évaporer un solvant aqueux avec un débit d’évaporation fixé à 9 kg/h, et que les chambres d’évaporation et de condensation présentent les paramètres suivants :
- la chambre d’évaporation présente une température de fonctionnement de -30°C, une pression de 600 pbars, et
- la chambre de condensation présente une température de fonctionnement fixée à -60°C, une pression comprise entre 100 et 200 pbars.
Alors, les seconds connecteurs flexibles sont sélectionnés avec :
- un diamètre fixé à 0,08 m,
- une longueur comprise entre 3 et 7 m, et
- un nombre de flexibles compris entre 10 et 15.
Selon un quatrième mode de réalisation, lorsqu’il est recherché d’évaporer un solvant aqueux avec un débit d’évaporation fixé à 10 kg/h, et que les chambres d’évaporation et de condensation présentent les paramètres suivants :
- la chambre d’évaporation présente une température de fonctionnement de -20°C, une pression comprise entre 200 et 250 pbars, et
- la chambre de condensation présente une température de fonctionnement fixée à -60°C, une pression fixée à 100 pbars.
Alors, les seconds connecteurs flexibles sont sélectionnés avec :
- un diamètre fixé à 0.12 m,
- une longueur comprise entre 2 et 3 m, et
- un nombre de flexibles compris entre 11 et 18.
Selon un cinquième mode de réalisation, lorsqu’il est recherché d’évaporer un solvant aqueux avec un débit d’évaporation fixé à 11 kg/h, et que les chambres d’évaporation et de condensation présentent les paramètres suivants :
- la chambre d’évaporation présente une température de fonctionnement comprise entre -30°C et -10°C, une pression comprise entre 400 et 550 pbars, et
- la chambre de condensation présente une température de fonctionnement fixé à -70°C, une pression fixée à 100 pbars.
Alors, les seconds connecteurs flexibles sont sélectionnés avec :
- un diamètre fixé à 0.1 m,
- une longueur fixée à 4 m, et
- un nombre de flexibles compris entre 9 et 13.
Selon un sixième mode de réalisation, lorsqu’il est recherché d’évaporer un solvant organique ayant une masse molaire apparente comprise entre 0.02 et 0.025 kg/mol, avec un débit d’évaporation de 10 kg/h, et que les chambres d’évaporation et de condensation présentent les paramètres suivants :
- la chambre d’évaporation présente une température de fonctionnement fixée à -15°C, une pression fixée à 300 pbars, et
- la chambre de condensation présente une température de fonctionnement fixé à -70°C, une pression fixée à 100 pbars.
Alors, les seconds connecteurs flexibles sont sélectionnés avec :
- un diamètre fixé à 0.12 m,
- une longueur comprise entre 5 et 8 m, et
- un nombre de flexibles compris entre 9 et 14.
Selon un septième mode de réalisation, lorsqu’il est recherché d’évaporer un solvant organique ayant une masse molaire apparente fixée à 0,025 kg/mol, avec un débit d’évaporation de 10 kg/h, et que les chambres d’évaporation et de condensation présentent les paramètres suivants :
- la chambre d’évaporation présente une température de fonctionnement comprise entre -30°C et -20°C, une pression comprise fixée à 300 pbars, et
- la chambre de condensation présente une température de fonctionnement comprise entre-90 et -70°C, une pression comprise entre 50 et 100 pbars.
Alors, les seconds connecteurs flexibles sont sélectionnés avec :
- un diamètre fixé à 0.1 m,
- une longueur comprise entre 7 et 10 m, et
- un nombre de flexibles compris entre 18 et 24.
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 :
[Fig.l] La figure 1 est une représentation structurelle schématique d’un dispositif de lyophilisation selon un premier mode de réalisation de l’invention ;
[Fig.2] La figure 2 est une représentation structurelle schématique d’un dispositif de lyophilisation selon un deuxième mode de réalisation de l’invention ;
[Fig.3] La figure 3 est une vue en coupe de la position d’une cloison par rapport à la chambre d’évaporation dans une première position du dispositif de lyophilisation de la figure 1 ;
[Fig.4] La figure 4 est une vue en coupe de la position d’une cloison par rapport à la chambre d’évaporation dans une deuxième position du dispositif de lyophilisation de la figure 1 ; et [Fig.5] La figure 5 est une vue en coupe de la position d’une cloison par rapport à la chambre d’évaporation dans une troisième position du dispositif de lyophilisation de la figure 1.
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 sous la forme d’une trémie est reliée à la chambre d’évaporation 5 par l’intermédiaire d’un premier connecteur flexible 42. La trémie est en outre équipée d’une première écluse 2 de sorte à introduire des produits à lyophiliser lorsque l’écluse 2 est ouverte. Une sortie 8 sous la forme d’une trémie est également reliée à la chambre d’évaporation 5 par l’intermédiaire d’un connecteur flexible. La trémie est en outre équipée d’une seconde écluse 9 de sorte à extraire les produits lyophilisés lorsque l’écluse 9 est ouverte. Les écluses 2 et 9 permettent également 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 fluide 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.
Le fluide 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. En variante, le fluide caloporteur peut être chauffé par un échangeur de chaleur couplé à une source de chaleur externe. De préférence, le chauffage peut être assuré par un manteau électrique chauffant alimenté via des câbles électriques flexibles. Le manteau chauffant est réalisé en silicone et une résistance chauffante permet de transformer l’énergie électrique en chaleur. Ce système de chauffage est avantageux puisque les câbles électriques sont plus flexibles et par conséquent plus résistants vis-à-vis des contraintes de cisaillement liées aux mouvements de va-et-vient de la chambre d’évaporation en comparaison d’une tuyauterie transportant un fluide caloporteur. 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, les produits sont introduits à température ambiante et le fluide caloporteur circulant dans la double paroi externe est réfrigéré à une température très basse, par exemple de l’ordre de -60°C, de sorte à entrainer la congélation des produits avant l’étape d’évaporation. Une congélation peut également être réalisée dans l’entrée 1. Par exemple, la congélation peut être obtenue directement en pellets au moyen d’un goutte à goutte tombant dans un courant d’azote.
La chambre de condensation 10 est reliée à la chambre d’évaporation 5 par l’intermédiaire de seconds connecteurs flexibles 41. En variante, plusieurs chambres de condensation 10 peuvent être reliées à la chambre d’évaporation 5 par le biais des seconds connecteurs flexibles 41. Dans certains modes de réalisation, les seconds connecteurs flexibles 41 sont connectés à la chambre de condensation par l’intermédiaire d’un collecteur de vapeur non représenté sur les figures. Les seconds connecteurs flexibles 41 alimentent le collecteur de vapeur via une entrée de vapeur. Le collecteur de vapeur comporte plusieurs sorties de vapeur connectées à différentes entrées réparties régulièrement le long de la chambre de condensation 10. Cette dernière est alors alimentée par plusieurs flux d’entrée, ce qui permet de mieux répartir la vapeur dans la chambre et d’éviter la condensation.
Le passage de la vapeur à travers les seconds connecteurs flexibles 41, entre la chambre d’évaporation 5 et la chambre de condensation 10 est contrôlé via un sas 4. Le sas 4 peut comporter une grille ou un filtre laissant passer la vapeur et retenant les particules du produit risquant d’être entraînées 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, par exemple 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. En variante, le fluide caloporteur peut être refroidi par un échangeur de chaleur couplé à une source de froid externe.
Les moyens de refroidissement 17, 18 sont mis en œuvre lorsque le sas 4 est ouvert et que la vapeur pénètre dans la chambre de condensation. La vapeur congèle alors 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 les chambres de condensation 10 et d’évaporation préalablement à la mise en route du procédé de lyophilisation proprement dit. 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. Pendant le procédé proprement dit, 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’un tuyau muni d’une vanne 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. Par exemple, les valeurs de vide sont comprises entre 10 pbar et 600 pbar.
La chambre d’évaporation 5 est montée solidaire d’un axe de rotation 30, tandis que la chambre de condensation 10 est montée fixe par rapport à la chambre d’évaporation 5. De préférence, la chambre d’évaporation 5 est cylindrique et l’axe 30 passe par le centre des deux faces planes du cylindre de sorte à répartir uniformément la masse de la chambre d’évaporation 5 autour de l’axe 30. L’axe 30 est entrainé en rotation par un moteur 12.
Selon l’invention, deux mouvements de rotation opposés de la chambre d’évaporation sont induits par l’axe 30 entrainé par le moteur 12 et sont limités en amplitude de sorte à créer un mouvement de va et vient.
Les figures 3 à 5 illustrent les positions de l’axe 30 lors de ce mouvement de va et vient. Dans une première position, illustrée sur la figure 3, l’axe 30 n’est pas entrainé en rotation par le moteur 12. Un premier mouvement du moteur 12, illustré sur la figure 4, entraine l’axe 30 sur lui-même et par conséquent de la chambre d’évaporation 5 dans un premier sens de rotation avec un déplacement angulaire al inférieur à 180°.
Un second mouvement du moteur 12, illustré sur la figure 5, entraine l’axe 30 sur lui-même et par conséquent les chambres d’évaporation et de condensation 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. Le mouvement de va et vient correspond ainsi à un balancement de l’axe 30, c’est-à-dire une rotation de l’axe 30 sur lui- même dans un sens puis dans l’autre. L’axe 30 n’effectue donc pas de rotation complète limitant ainsi le risque d’enroulement des connecteurs flexibles reliant les dispositifs externes de la chambre d’évaporation 5. Au contraire, les connecteurs flexibles sont configurés pour se déformer et absorber les déplacements de la chambre d’évaporation 5 lors des rotations de sorte à maintenir une connexion étanche et stérile.
Les mouvements de rotation permettent ainsi 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 peut être monté horizontalement par rapport au corps cylindrique de la chambre d’évaporation 5. Dans ce mode de réalisation, le dispositif comporte avantageusement des moyens de pivotement de l’axe dans le plan vertical permettant de guider les produits disposés dans la chambre d’évaporation 5 vers la sortie 8 lorsque le temps de lyophilisation est atteint.
En variante, l’axe 30 peut être monté avec un biais, c’est-à-dire incliné dans le plan vertical de sorte à guider les produits vers la sortie 8 durant tout le processus de lyophilisation. Dans ce mode de réalisation, la sortie 8 est plus basse que l’entrée 1 de sorte à utiliser la gravité pour déplacer les produits lyophilisés vers la sortie 8.
Ainsi, pour répondre aux contraintes de rotation de la chambre d’évaporation 5, les connecteurs flexibles 41, 42 ont pour fonction de relier un élément fixe à un élément mobile, tel que la chambre d’évaporation 5.
En l’espèce, les trémies d’entrée 1 et de sortie 8 sont raccordées à la chambre d’évaporation 5 par des manchons souples stériles. 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 premiers connecteurs flexibles 42. De préférence, les premiers connecteurs flexibles 42 sont réalisés en acier inoxydable pour répondre aux contraintes de stérilité. Les premiers connecteurs flexibles 42 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 premiers connecteurs flexibles 42 permettent de garantir la connexion de ces éléments avec la chambre d’évaporation 5, même lorsque celle-ci est entraînée en rotation sur elle mêmes par le moteur 12. Selon les modes de réalisation, la chambre de condensation 10 fixe peut également être reliée aux trémies de décharge par des connecteurs flexibles ou au contraire être reliée aux trémies de décharge par tout autre type de connecteur, puisqu’elle ne présente pas les mêmes contraintes de rotation. La capacité de flexion des premiers connecteurs flexibles 42 permet d’absorber les déplacements de la chambre d’évaporation 5 par rapport aux éléments externes. La longueur des connecteurs est également choisie pour garantir le maintien de la connexion lors de la rotation de la chambre d’évaporation 5. Par exemple, les connecteurs flexibles de la marque « Stâubli®» ou encore « GECITECH® » peuvent être utilisés.
En outre, la chambre de condensation 10 est également raccordée à la chambre d’évaporation par des seconds connecteurs flexibles 41.
De préférence, les seconds connecteurs flexibles 41 sont réalisés en acier inoxydable ou en Polychlorure de vinyle (PVC) armé pour répondre aux contraintes de température et de stérilité. Les seconds connecteurs flexibles 41 présentent avantageusement des spires de sorte à limiter l’écrouissage. En variante, d’autres matériaux peuvent être utilisés sans changer l’invention. La capacité de flexion des seconds connecteurs flexibles 41 permet d’absorber les déplacements de la chambre d’évaporation 5 par rapport à la chambre de condensation 10. La longueur L des seconds connecteurs flexibles 41 est également choisie pour garantir le maintien de la connexion lors de la rotation 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.
En pratique, il n’est actuellement pas possible de trouver sur le mâché un unique second connecteur flexible 41 d’un diamètre suffisant pour évacuer correctement la vapeur. Les seconds connecteurs flexibles 41 existants présentent soit des tailles maximales limitées, soit une rigidité trop importante. Un compromis entre un rayon de courbure suffisamment petit pour limiter l’encombrement et un diamètre suffisamment gros peut cependant être déterminé afin de limiter le nombre de flexibles. En pratique, pour déterminer le nombre N, le diamètre D et la longueur L des seconds connecteurs flexibles 41, l’homme du métier pourra appliquer les lois de la mécanique des fluides. Le nombre N, le diamètre D et la longueur L des seconds connecteurs flexibles 41 est notamment conditionné par les conditions de pression Pl, P2 et de température Tl, T2 régnant dans les chambres 5 et 10 et mesurées par les capteurs 20, 21, 24.
En particulier, en fixant les autres paramètres, le nombre N de seconds connecteurs flexibles 41 peut être défini avec un coefficient de proportionnalité avec le débit d’évaporation de la vapeur contenue dans la chambre d’évaporation 5. Le coefficient de proportionnalité entre le nombre N de seconds connecteurs flexibles 41 et le débit d’évaporation dépend de la longueur L est par exemple compris entre 0.7 et 1.
Il existe différents modes de réalisation dans lesquels certains de ces paramètres peuvent être fixés, en fonction de contraintes liées à l’exploitation de certains produits à lyophiliser par exemple. Typiquement, la nature du solvant peut nécessiter des gammes de pression et de température particulières pour réaliser la lyophilisation.
Selon un premier exemple de réalisation, il est recherché d’évaporer un solvant aqueux avec un débit d’évaporation compris entre 10 et 11 kg/h.
Lorsque la chambre de condensation présente une température T2 de fonctionnement fixée à - 60°C et une pression P2 fixée à 100 pbars, alors la chambre d’évaporation présente une température Tl de fonctionnement variant entre -30°C et -20°C, une pression PI variant entre 400 et 580 pbars.
Les seconds connecteurs flexibles 41 sont alors sélectionnés avec :
- un diamètre D compris entre 0.1 et 0.105 m,
- une longueur L comprise entre 3 et 4,5 m, et
- un nombre N de flexibles compris entre 7 et 13.
Selon un deuxième exemple de réalisation, il est recherché d’évaporer un solvant organique ayant une masse molaire apparente comprise entre 0.02 et 0.025 kg/mol, avec un débit d’évaporation de 10 kg/h.
Lorsque la chambre d’évaporation 5 présente une température de fonctionnement Tl fixée à - 15°C et une pression PI fixée à 300 pbars, et la chambre de condensation 10 présente une température de fonctionnement T2 fixé à -70°C et une pression P2 fixée à 100 pbars, alors les seconds connecteurs flexibles 41 sont sélectionnés avec :
- un diamètre D fixé à 0.12 m,
- une longueur L comprise entre 5 et 8 m, et
- un nombre de flexibles N compris entre 9 et 14.
Le dispositif de lyophilisation peut également comporter plusieurs chambres de condensation. Tel qu’illustré sur la figure 2, le dispositif de lyophilisation peut par exemple comporter deux chambres de condensation 10A et 10B. Afin de répartir la vapeur issue de la chambre d’évaporation 5 entre les deux chambres de condensation 10A et 10B, un collecteur de vapeur 43 peut être ajouté.
Le collecteur de vapeur 43 est positionné en sortie des seconds connecteurs flexibles 41 et est connecté aux chambres de condensation 10A et 10B par des connecteurs 44A, 44B. Le nombre, la longueur et le diamètre des connecteurs 44A, 44B peut être choisi en fonction des dimensions de la chambre de condensation 10A, 10B considérée.
Le collecteur de vapeur 43 est monté fixe par rapport à la chambre d’évaporation 5. Le collecteur de vapeur 43 et les chambres de condensation 10A et 10B étant fixes l’une par rapport aux autres, les connecteurs 44A, 44B peut être des tuyauteries rigides ou flexibles sans changer l’invention.
Des moyens de contrôle permettent de modifier le débit de vapeur envoyé à l’une ou l’autre des chambres de condensation 10A, 10B. Les moyens de contrôle peuvent être commandés manuellement ou de manière automatique en positionnant par exemple un capteur au sein de chaque chambre de condensation 10A, 10B. Le capteur peut ainsi mesurer la capacité de piégeage de la chambre et, selon la valeur de cette mesure, le débit de vapeur envoyé à la chambre est adapté pour permettre au piège de se régénérer.
Par exemple, lorsque les chambres de condensation 10A, 10B comportent un piège à glace 11A, 11B, le capteur peut mesurer l’épaisseur de la couche de glace accumulée autour du piège 11 A, 11B. Si cette couche de glace est plus épaisse qu’un seuil prédéterminé, le débit de vapeur parvenant au piège 11 A, 11B peut être diminué pour laisser le temps au piège de se régénérer en diminuant l’épaisseur de la couche de glace. Pendant ce temps, le débit de vapeur parvenant à l’autre piège 11 A, 11B peut être augmenté pour compenser la diminution sur l’autre piège et ainsi conserver un débit de traitement global constant.
Pour conclure, l’invention permet de mettre au point un dispositif de lyophilisation moins consommateur en énergie et plus compacte.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif de lyophilisation comportant :
- une chambre d’évaporation (5) comprenant des moyens de chauffage (15, 16) de ladite chambre d’évaporation (5) configurés pour réaliser une sublimation du solvant contenu dans les produits congelés destinés à être disposés dans ladite chambre d’évaporation (5), ladite chambre d’évaporation (5) étant montée mobile en rotation autour d’un axe (30) ;
- au moins une chambre de condensation (10) communiquant avec ladite chambre d’évaporation (5), et comportant 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 ;
- une entrée et une sortie de produits (1, 8) reliées à ladite chambre d’évaporation (5) par des premiers connecteurs flexibles (42), les entrée et sortie de produits (1, 8) étant montées fixes par rapport à la chambre d’évaporation (5), et
- un moteur (12) entraînant ledit axe (30) sur lui-même selon le mouvement de va-et- vient suivant :
- un premier mouvement entraînant ledit axe (30) dans un premier sens de rotation avec un angle de rotation (al) compris entre 5° et 90° ; et
- un second mouvement entraînant 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° ; caractérisé en ce que ladite au moins une chambre de condensation (10) est montée fixe par rapport à ladite chambre d’évaporation (5), ladite chambre d’évaporation (5) et ladite au moins une chambre de condensation (10) étant reliées par des second connecteurs flexibles (41).
2. Dispositif de lyophilisation selon la revendication 1, dans lequel le dispositif comportant au moins deux chambres de condensation (10) et un collecteur de vapeur (43) munit de moyens de contrôle du débit de vapeur, le collecteur de vapeur (43) est disposé entre la chambre d’évaporation (5) et les chambres de condensation (10), le collecteur de vapeur (43) reçoit la vapeur issue de la chambre d’évaporation et contrôle le débit de vapeur envoyé à chaque chambre de condensation Dispositif de lyophilisation selon la revendication 1, dans lequel lorsqu’il est recherché d’évaporer un solvant présentant un débit d’évaporation, et que les chambres d’évaporation (5) et de condensation (10) présentent les paramètres suivants :
- la chambre d’évaporation (5) présente une température de fonctionnement (Tl) comprise entre -30°C et -20°C, une pression (PI) comprise entre 200 et 600 pbars,
- la chambre de condensation (10) présente une température de fonctionnement (T2) comprise -100 et -50°C, une pression (P2) comprise entre 40 et 200 pbars, les seconds connecteurs flexibles (41) sont sélectionnés avec :
- un diamètre (D) compris entre 0.08 et 0.12 m,
- une longueur (L) comprise entre 2 et 10 m, et
- un nombre de flexibles (N) proportionnel au débit d’évaporation, avec un coefficient de proportionnalité compris entre 0.7 et 1. Dispositif de lyophilisation selon la revendication 1 ou 2, dans lequel lorsqu’il est recherché d’évaporer un solvant aqueux avec un débit d’évaporation compris entre 10 et 11 kg/h, et que les chambres d’évaporation (5) et de condensation (10) présentent les paramètres suivants :
- la chambre d’évaporation (5) présente une température de fonctionnement (Tl) comprise entre -30°C et -20°C, une pression (PI) comprise entre 400 et 580 pbars,
- la chambre de condensation (10) présente une température de fonctionnement (T2) consignée à -60°C, une pression (P2) fixée à 100 pbars, les seconds connecteurs flexibles (41) sont sélectionnés avec :
- un diamètre (D) compris entre 0.1 et 0.105 m,
- une longueur (L) comprise entre 3 et 4,5 m, et
- un nombre de flexibles (N) compris entre 7 et 13. Dispositif de lyophilisation selon la revendication 1 ou 2, dans lequel lorsqu’il est recherché d’évaporer un solvant aqueux avec un débit d’évaporation compris entre 9 et 11 kg/h, et que les chambres d’évaporation (5) et de condensation (10) présentent les paramètres suivants :
- la chambre d’évaporation (5) présente une température de fonctionnement (Tl) de - 20°C, une pression (PI) de 600 pbars,
- la chambre de condensation (10) présente une température de fonctionnement (T2) comprise entre -100 et -50°C, une pression (P2) compris entre 100 et 200 pbars, les seconds connecteurs flexibles (41) sont sélectionnés avec
- un diamètre (D) fixé à 0.08 m,
- une longueur (L) fixée à 3 m, et
- un nombre de flexibles (N) compris entre 11 et 13.
6. Dispositif de lyophilisation selon la revendication 1 ou 2, dans lequel lorsqu’il est recherché d’évaporer un solvant aqueux avec un débit d’évaporation fixé à 9 kg/h, et que les chambres d’évaporation (5) et de condensation (10) présentent les paramètres suivants :
- la chambre d’évaporation (5) présente une température de fonctionnement (Tl) de - 30°C, une pression (PI) de 600 pbars,
- la chambre de condensation (10) présente une température de fonctionnement (T2) fixée à -60°C, une pression (P2) comprise entre 100 et 200 pbars, les seconds connecteurs flexibles (41) sont sélectionnés avec :
- un diamètre (D) fixé à 0,08 m,
- une longueur (L) comprise entre 3 et 7 m, et
- un nombre de flexibles (N) compris entre 10 et 15.
7. Dispositif de lyophilisation selon la revendication 1 ou 2, dans lequel lorsqu’il est recherché d’évaporer un solvant aqueux avec un débit d’évaporation fixé à 10 kg/h, et que les chambres d’évaporation (5) et de condensation (10) présentent les paramètres suivants :
- la chambre d’évaporation (5) présente une température de fonctionnement (Tl) de - 20°C, une pression (PI) comprise entre 200 et 250 pbars,
- la chambre de condensation (10) présente une température de fonctionnement (T2) fixée à -60°C, une pression (P2) fixée à 100 pbars, les seconds connecteurs flexibles (41) sont sélectionnés avec :
- un diamètre (D) fixé à 0.12 m,
- une longueur (L) comprise entre 2 et 3 m, et
- un nombre de flexibles (N) compris entre 11 et 18. . Dispositif de lyophilisation selon la revendication 1 ou 2, dans lequel lorsqu’il est recherché d’évaporer un solvant aqueux avec un débit d’évaporation fixé à 11 kg/h, et que les chambres d’évaporation (5) et de condensation (10) présentent les paramètres suivants : - la chambre d’évaporation (5) présente une température de fonctionnement (Tl) comprise entre -30°C et -10°C, une pression (PI) comprise entre 400 et 550 pbars,
- la chambre de condensation (10) présente une température de fonctionnement (T2) fixé à -70°C, une pression (P2) fixée à 100 pbars, les seconds connecteurs flexibles (41) sont sélectionnés avec :
- un diamètre (D) fixé à 0.1 m,
- une longueur (L) fixée à 4 m, et
- un nombre de flexibles (N) compris entre 9 et 13. Dispositif de lyophilisation selon la revendication 1 ou 2, dans lequel lorsqu’il est recherché d’évaporer un solvant organique ayant une masse molaire apparente comprise entre 0.02 et 0.025 kg/mol, avec un débit d’évaporation de 10 kg/h, et que les chambres d’évaporation (5) et de condensation (10) présentent les paramètres suivants :
- la chambre d’évaporation (5) présente une température de fonctionnement (Tl) fixée à -15°C, une pression (PI) fixée à 300 pbars,
- la chambre de condensation (10) présente une température de fonctionnement (T2) fixé à -70°C, une pression (P2) fixée à 100 pbars, les seconds connecteurs flexibles (41) sont sélectionnés avec :
- un diamètre (D) fixé à 0.12 m,
- une longueur (L) comprise entre 5 et 8 m, et
- un nombre de flexibles (N) compris entre 9 et 14. Dispositif de lyophilisation selon la revendication 1 ou 2, dans lequel lorsqu’il est recherché d’évaporer un solvant organique ayant une masse molaire apparente fixée à 0,025 kg/mol, avec un débit d’évaporation de 10 kg/h, et que les chambres d’évaporation (5) et de condensation (10) présentent les paramètres suivants :
- la chambre d’évaporation (5) présente une température de fonctionnement (Tl) comprise entre -30°C et -20°C, une pression (PI) comprise fixée à 300 pbars,
- la chambre de condensation (10) présente une température de fonctionnement (T2) comprise entre-90 et -70°C, une pression (P2) comprise entre 50 et 100 pbars, les seconds connecteurs flexibles (41) sont sélectionnés avec :
- un diamètre (D) fixé à 0.1 m,
- une longueur (L) comprise entre 7 et 10 m, et
- un nombre de flexibles (N) compris entre 18 et 24.
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