Brevet FR2184597A1 — publié le 19731228

La présente invention concerne une nouvelle technique de lyophilisation accélérée comprenant le chauffage de l'intérieur de la matière à lyophiliser au moyen de pertes diélectriques et de rayons infra-rouges, de manière que les températures de la surface extérieure et de l'intérieur de la matière à lyophiliser se maintiennent égales. Avec le procédé de la présente invention on obtientun cycle de lyophilisation d'une durée très courte en comparaison avec les possibilités des techniques appliquées et connues Jusqutici à ce jour. Comme l'on sait, la lyophilisation est un procédé de deshy dratation-par sublimation sous vide. Le procédé conventionnel de lyophilisation comprend les phases suivantes a) la matière à deshydrater est congelée à une température et une vitesse qui dépendent du type de matière. b) La matière congelée est placée dans une chambre où on fait le vide dont le degré dépend aussi de la nature de la matière. c) Pendant la sublimation (le passage direct de 11 eau libre de la matière de 11 état solide vers l'état gazeux) il est nécessaire de fournir de l'énergie aux molécules de l'eau sans fondre cependant la matière congelée. rendant la deuxième phase de la deshydratation, çà veut dire après que la plus grande partie de l'eau libre a été éliminée par sublimation, on élimine le restant de l'eau (eau de constitution) par évaporation. d) L'eau qui est libérée pendant la deshydratation est. fixée dans un condenseur qui possède une surface froide (à moins que-400 C) dont la dimension dépend de la quantité d'eau à fixer. e) La matière, après avoir été deshydratée, est enfermée dans un emballage étanche dans lequel on a appliqué une atmosph'ere inerte ou un vacuum. le procédé de lyophilisation accélérée selon la présente invention diffère des procédés conventionnels décrits ci-dessus par l'utilisation concomitante de sources différentes pour fournir l'énergie aux molécules de l'eau pendant la sublimation et l'évaporation. le chauffage de la matière à lyophiliser s'obtient au moyen de rayons infra-rouges en petites parties par conduction et convection, et au moyen de pertes diélectriques. A la fin de quelques minutes la matiere en lyophilisation, due à la sublimation qui a commencé immédiatement parce que la matière se trouve dans le vide, présente déjà une zone superficielle sèche, mais contient dans son intérieur encore toute ou presque toute l'eau qui sty trouvait antérieurement. Afin que la sublimation ne s'arrete pas, il est nécessaire de chauffer la matière. Mais la température à l'intérieur est toujours plus basse que celle à la surface, en conséquence des difficultés de transfert d'énergie de l'extérieur vers l'intérieur, et ces difficultés augmentent à mesure que l'épaisseur de la couche sèche augmente.Comme le chauffage de la surface de la matière en lyophilisation a des limites données par sa propre nature, l'énergie des molécules d'eau à l'intérieur reste toujours au dessous des niveaux optimaux pour la sublimation, avec le résultat que l'hydratation ainsi dure trop longtemps. Un chauffage exclusivement par radiofréquence a été proposé et décrit par Copson et ses collaborateurs en 1957, et avec ce procédé on obtenait une lyophilisation de très courte durée. Cependant, la réalisation pratique de cette technique a toujours présenté de grandes difficultés, parce qu'on a besoin, pour chauffer quelques centaines de kilos due matières à lyophiliser, de puissances très élevées qui obligent l'emploi de tensions très élevées, qui-en combinaison avec la pression basse qu'on applique- donnent le risque de décharges électriques entre les électrodes, ce qui fait brûler fréquemment la matière. Outre d'autres inconvénients, parmi lesquels se trouve le coût élevé de l'installation, le phénomène décrit ci-dessus a empêché une réalisation pratique du procédé. le commencement de la lyophilisation selon la présente invention est entièrement conventionnel et seulement au bout de quelques minutes, quand la différence maxima s t établit entre les températures de la surface et de l'intérieur de la raSi re, on commence avec e chauffage par pertes diélectriques, avec le but d'élever le température de l'intérieur de 1 matière jusqu'au niveau de la température à la surface, vu que l'éner- gie du champs de radiofréquence se transforme en grande partie en énergie thermique à l'intérieur de la matière par pertes diélectriques, spécialement où il se trouve de l'eau. A partir de ce moment et jusqu'à la fin de la lyophilisation selon la présente invention, la matière est toujours chauffée simultanément par des rayons infra-rouges et par le champs de radiofréauence, et les températures de la surface et de l'intérieur sont; maintenues toujours égales. te double chauffage décrit ci-dessus, qui a pour but de maintenir les deux températures mentionnées au me me niveau, n'a pas été décrit jusqu'Q- maintenant, ni utilisé dans les tsÙii- ques de lyophilisation, et rend superfl-el'utilisation de génératrices de radiofréquence de haute puissance, ce qul réduit ainsi les tensions appliquées aux électrodes et les risques de décharges avec la brûlure conséquente de la matière en lyophilisation, tandis que le coût de l'installation est considérablement réduit. Selon les principes de la présente irn-ention, on calicule la puissance de la génératrice de radiofréquence de la tanière suivante. On sait que la puissance nécessaire pour produire dans une masse de m grammes, une élévation de température #t en degrés centigrades et dans un temps t', est donnée par l'ex- pression P1 = 4,2 Ce #t m t' dans laquelle Ce est la capacité calorifique spécifique et t' le nombre de secondes du chauffage. Comme la transformation de l'énergie électrique en chaleur, dans un champ de radiofréquence, se réalise avec un ren- dement de 60% à 70 P1 x 100 et P1 x 100 70 60 La formule qui interprète le chauffage dans un champ de radiofréquence d'un diélectrique homogène qui remplit complètement l'espace entre les électrodes séparés par moe distance de d centimètres, d'autre part, est la suivante P2 = 0,556 E 2d Vf# dans laquelle Ed = le gradient de la tension f = la fréquence V = le volume de la matière à chauffer t = le facteur de pertes, égal au produit du facteur de la puissance et la constante diélectrique Comme génératrice d'énergie de radiofréquence on peut utiliser selon-la présente invention a) Génératrices de valves électroniques b) Génératrices de magnétron c) e-énêratrices de klystron d) Génératrices d'amplitron selon les puissances nécessaires en fonction de la quantité de la matière à chauffer. B'il est nécessaire d'appliquer des puissances plus élevées, l'associatioei de plusieur petites génératrices est plus pratique et plus conomiQ, parce qu'cl obtient un gai dans l'uniformité du champ de micro-ondes, on fait une immobilisation de capital plus petite pour des pièces de réser ve et il n'y a jamais un arret total de l'installation dans le cas d'une avarie d'une génératrice, ce qui est très important. La génératrice qui est considérée être appliquée le plus facilement selon la présente invention est celle-ci qui est montée en #, cependant on peut alternativement appliquer un montage en tank avec la disposition et la liaison éléctri- que des électrodes dans la chambre de lyophilisation réalisées selon la figure I des plans annexes. Cette figure est une vue schématique en coupe de la chambre de lyophilisation avec tabliers liés à la source d'énergie, le matériel à lyophiliser tt logé entre eux. Comme l'on voit, on out utiliser une seule génératrice ou deux genératrices, et dans ce cas, les tabliers l et 2 sont liés à une génératrice et les tabliers 3 et 4 à l'autre génératrice, tandis qu'on doit avoir soin, cependant, de commencer le fonctionnement des deux génératrices simultanément avec les oscillateurs en opposition de phase et oscillants rigoureuse ment avec la même fréquence. Selon la présente invention, le mme principe peut-être appliqué pour des chambres avec un nombre plus grand de tabliers. tes gammes de fréquence à utiliser dans le procédé décrit sont définies par la "Fédéral Communications Commission" et on choisit pour le procèdéles fréquences qui, selon l'expérien ce, sont plus faciles à utiliser, ont le rendement thermique le plus élevé et l'ionisation la plus facile de l'atmosphère résiduelle. Le degré de vide utilisé dans la chambre de lyophilisation pour l'exécution du procédé dépend des matières à lyophiliser, et spécialement des propriétés organoleptiques qu'on veut conserver et de la fréquence et de 1'intensité du champ de radiofréquence, avec le but de provoquer l'ionisation et/ où la polarisation des molécules de l'atmosphère résiduelle, y compris l'eau sublimée ou évaporée. tes valeurs du vacuum utilisé se situent généralement entre 10 et 1 000 p de mercure. L'ionisation et/ou lapoLarisation des molécules de l'eau libérée de la matière sont utilisées avec le but d'orienter le déplacement et d'augmenter la vitesse des molécules qui se dirigent versla surface condensatrice et la quantité d'eau fixée. Avec le but d'augmenter la fixation des molécules d'eau ionisées et polarisées dans la surface froide, on utilise selon la présente invention des condensateurs constitués par deux sections avec le fluide frigorigène courant d'une section vers l'autre à travers un tube isolant pour l'électricité et pour la chaleur, et qui est chauffé superficiellement par la liaisona uoe source de 2 à 5 volts à travers une résistance électrique. Ainsi les molécules d'eau ne se fixent pas sur le tube. tes sections du condensateur sont liées l'une au pôle positif et l'autre au parole négatif d'une génératrice de courant continu, qui sert au même temps pour alimenter l'oscillateur de haute fréquence de sorte qu'on forme des champs électrostatiques autour du condensateur Dans les installations du type industriel on peut utiliser deux condensateurs fonctionnant alternativement. Tandis qu'un des condensateurs fixe l'eau, l'autre décon- gèle selon un système qui est déjà appliqué dans beaucoup d' ins- tallations de lyophilisation existantes, mais pour obtenir une décongélation rapide avec le procédé selon la présente invention le chauffage du condensateur ne se réalise pas selon les procédés conventionnels mais par l'induction, utilisant comme source d'énergie celle qui sert pour chauffer la matière à lyophiliser par pertes diélectriques. Pour ce butla borne isolée de la génératrice de haute fréquence, montée-en tf, est liée, au moment opportun, à un cable qui accompagne intérieurement la spirale du condensateur, de sorte qu'on obtient un chaffage inductif dans les deux sections du condensateur, qui à ce moment sont déconnectées de la source continue et mises à terre. Avec le but de contrôlerle chauffage de la matière à lyophiliser, la présente invention prévoit un système cybernétique par rétroaction qui est basé sur les variations de la constante diélectrique de la matière, que l'on observe quand la température de la glace varie et s'approxime de son point de fusion, tandis que la quantité d'eau dans la matière diminue. Au-dessus et au-dessous de valeurs déterminées de la constante diélectrique, selon les matières en séchage, on interrompt le chauffage par pertes diélectriques et aussi, quand on obtient la valeur plus élevée, le chauffage par rayons infra-rouges. Ensuite on présentera quelques exemples d'utilisation du procédé de lyophilisation selon l'invention, en se référant à quatre produits choisis d'un nombre élevé d'essais réalisés par le demandeur et qui sont considérés comme suffisamment significatives et en référence aux diagrammes des fig. 2 à 5 au dessin annexé. Exemple On a lyophilisé les produits suivants 1er - Petits pois - avec un cycle de lyophilisation d'une durée de 22 minutes et avec les caractéristiques indiquées dans le graphique de la fig. 2. 2ème - Moût de bière - avec un cycle de lyophilisation d'une durée de 30 minutes et avec les caractéristiques indues dans le graphique de la fig. 3. 3ème - Extrait de café à 250 - avec un cycle de lyophilisation d'une durée de 70 minutes et avec les caractéristiques indiqués dans le graphique de la fig. 4. 4ème - Concentré de jus de tomate à 22/a - avec un cycle de lyophilisation d'une durée de 37 minutes et avec les caractéristiques indiquées dans le graphique de la fig.5. Dans ces graphiques,les temps en minutes sont portés en abscisse et les températures en ordonnée Observations: Dans tous ces cas les charges initiales étaient 10 kg/m2. Dans une autre série d'essais on vérifiait que, avec le procédé selon la présente invention, l'augmentation de l'épais- seur de la couche de matière n'entraine pas une augmentation du temps de lyophilisation proportionnellement au carré de l'épaisseur de la couche, comme il arrive avec les techniques conventionnelles, mais, au contraire, une au~zentation de 1,5 quand on utilise une couche avec la double épaisseur de celle qui est utilisée dans les conditions habituelles, savoir 10 kg/ m2. REVENDiCATiONS 1. Procédé de lyophilisation accélérée, caractérisé en ce que la lyophilisation s'obtient par l'utilisation simultanée de sources différentes d'énergie, pour fournir l'énergie aux molécules d'eau pendant- la sublimation et l'évaporation, en ce que le chauffage initial de la matière à lyophiliser s'obtient au moyen de rayons infra-rouges, ce qui commence à la fin d'un temps variable avec les conditions de travail et avec la nature de la matière et, généralement quand se présente la différence maximum entre les températures de la surface et de l'intérieur de la matière en lyophilisation, par un chauffage par énergie de radiofréquence qui ne se transforme en énergie thermique par pertes diélectriques qu'à l'intérieur de la matière. 2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la matière, jusqu'à la fin de la lyophilisation7 est toujours chauffée au même temps par des rayons infra-rouges et par leschamps de radiofréquence, de façon à maintenir toujours égales les températures de la surface et de l'intérieur de la matière en lyophilisation. 3. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1, 2, caractérisé en ce que l'on utilise, comme génératrices d'énergie de radiofréquence pour l'application de chauffage par pertes diélectriques, des génératrices de valves électroniques, des génératrices de magnétron des génératrices de clystron ou des génératrices d'amplitron, en joignant plusieures génératrices de petite puissance quand on a besoin de puissances plus élevées, et, dans ce cas, en connectant chaque génératrice à un groupe de tabliers dans la chambre de lyophilisation. 4. Procédé suivant les revendications antérieures, caractésé en ce que le degré du vide à utiliser dans la chambre de lyophlisation est variable selon le type de matière à lyophiliser, selon les propriétés organoleptiques qu'on veut main- tenir dans la matière et selon la fréquence et l'intensité du champ de radiofréquence, tandis que les valeurs du vide varient entre 10 et ZOOO P de mercure. 5. Procédé suivant les revendications antérieures, caractérisé en ce qu'on réalise l'ionisation et/ou la polarisation des molécules d'eau libérées de la matière, pour orienter le déplacement et augmenter la vitesse des molécules qui se dirigent vers la surface condensatrice et la quantité d'eau fixée, en utilisant pour la fixation des molécules d'eau ionisées, des condenseurs constitués par deux sections tandis que le fluide frigorigène se déplace d'une section vers l'autre à travers un tube qui est isolant pour l'électricité et pour la chaleur et qui est chauffé superficiellement au moyen d'un élément conventionnel. 6. Procédé suivant l'une quelconque des revendications antérieures, caractérisé en ce que les sections du condenseur sont liées aux pôles d'une génératrice de courant continu qui pourra être la même que celle quoi alimente l'oscillateur de haute fréquence, de façon à établir des champs électrostatiques autour du condenseur. 7. Procédé suivant l'une quelconque des revendications antérieures, caractérisé en ce qu'on utilise deux condenseurs de fonctionnement alterné, en profitant du chauffage des condenseurs pour réaliser une décongélation rapide par induction, et en utilisant comme source d'énergie celle qui est utilisée pour chauffer la matière à lyophiliser par pertes diélectriques. 8. Procédé suivant l'une quelconque des revendications antérieures, caractérisé en ce qu'on réalise le contrôle du chauffage de la matière en lyophilisation au moyen d'un système cybernétique par rétroaction, qui est basé sur les variations de la constante diélectrique de la matière, que l'on observe quand la température de la place varie et s'approxime de son point de fusion, tandis que la quantité d'eau dans la matière diminue. 9. Procédé suivant itune quelconque des revendications antérieures, caractérisé en ce qui on interrompt, au-dessus et au-dessous de valeurs déterminées de la constante diélectrique, le chauffage par pertes diélectriques et aussi, quand on obtient la valeur plus élevée, le chauffage par rayons infrarouges.