Brevet FR2400851A1 — publié le 19790323

I1 y a souvent intérêt à soumettre des aliments liquides, tels que jus et extraits d'origine végétale, à un traitement de concentration en vue de réduire les frais d'emballage, de transport et d'emmagasinage, d'augmenter le temps de conservation et/ou de faciliter des traitements ultérieurs. A titre d'exemples, on peut citer toutes les sortes de jus de fruit fermentés ou non et les extraits de café. Un procédé de concentration fréquemment adopté consiste à utiliser un évaporateur chauffé à la vapeur, souvent sous dépression. Pour économi- ser la chaleur, on donne la préférence aux évaporateurs à effet multiple, dans lesquels la vapeur subit une recompression. Ce traitement soulève une difficulté : les armes constitutifs relativement volatils s'évaporent avec l'eau à éliminer et sont perdus. Selon un procédé bien connu, on commence par éliminer les arômes constitutifs volatils du liquide à traiter sous l'effet de vapeur directe Ces aromes volatils sont alors entrainés par la vapeur. On peut parfois appliquer ce traitement avec une quantité relativement faible de vapeur de sorte qu'après condensation, les arômes sont obtenus à l'état relativement concentré. La solution (ou éventuellement émulsion) aqueuse d'arômes ainsi obtenue ne represente pas en général plus de 1 à 10 % du liquide de départ soumis à l'évaporation. Par conséquent, en ajoutant le concentré d'arômes au liquide traité, on ne dilue que faiblement ce liquide. Le traitement à la vapeur directe cité ci-dessus est dis "extraction. Un tel traitement est applicable si les arômes constituants à récupérer ont une forte volatilité relative tel est le cas, par exemple, pour l'extraction d'extrait de café. Il en est autrement si les arômes constituants ont une volatilité relative beaucoup plus faible, ce qui est le cas, par exemple, pour de nombreux jus de fruit. La quantité de vapeur d'eau alors nécessaire est souvent beaucoup plus grande, de sorte qu'il peut être indispensable de soumettre les arômes constituants extraits à un traitement ultérieur pour obtenir une solution (ou émulsion) d'arômes concentrée dont l'addition au liquide traité par évaporation ne dilue pas trop ce dernier. Après le traitement d'extraction, on peut concentrer encore les arômes constitutifs dans une colonne de distillation. A cette fin, on peut soit faire passer directement la vapeur chargée d'arômes dans une telle colonne, soit la condenser d'abord et l'envoyer ensuite dans la colonne. On peut opérer l'extraction et la distillation dans une colonne garnie (par exemple d'anneaux Rashig) ou dans une colonne à "coupelles". Eventuellement, on peut aussi opérer conjointement l'extraction et la distillation dans une colonne de distillation, dont la partie inférieure assure l'extraction, ce qui implique l'envoi direct du produit à traiter dans la colonne de distillation. Les indications données ci-dessus seront plus clairement comprises d'après les exemples ci-dessous. On pourra aussi se référer aux ouvrages suivants : on trouvera une étude d'ensemble sur la distillation, la rectification, l'extraction etc., dans l'étude de Perry 'tChemical Engineers Handbook", 5ème édition, 1973, sectionsl3 et 18 ; la récupération des arômes est étudiée en particulier dans l'article de J.L. Bomben S. Bruin, H.A.C. Thijssen et R.L. Merson : "Aroma recovery and retention in concentration and drying of foots", paru dans RAdvances in Food Research", volume 20 (1973), p. 1 Du point de vue technologique, les deux traitements intervenant dans la concentration d'aliments liquides, à savoir la récupération des armes et l'évaporation, sont normalement considérés comme plus ou moins indépendants. Or, la Demanderesse a découvert qu'on peut réaliser une économie d'énergie importante en opérant à peu près conjointement la récupération des arômes et l'évaporation. La présente invention propose un traitement de concentration d'aliments liquides, tels que jus et extraits d'origine végétale, selon lequel on combine l'évaporation dans un évaporateur à effet multiple chauffé à la vapeur avec la récupération des armes constitutifs volatils opérée par extraction puis distillation au moyen de vapeur directe, caractérisé en ce que la vapeur de récupération des arômes volatils est entièrement prélevée sur la vapeur engendrée dans l'évaporateur. Comme il a été dit, on récupère les arômes constitutifs par un traitement d'extraction, au cours duquel ces arômes sont entratnés par de la vapeur émanant du liquide à concentrer, puis on soumet à une distillation le mélange resultant de vapeur et d'arômes. Ainsi qu'on l'exposera ci-apres plus en détail, selon certains modes de mise en oeuvre de l'invention, il est aussi possible d'opérer la récupération des arômes constitutifs par entraînement à la vapeur d'eau de ces arômes dans une colonne d'extraction spéciale en recueillant séparément les vapeurs provenant de certains évaporateurs (d'un groupe évaporateur à effet multiple) à un niveau où le courant de liquide soumis à l'évaporation est encore riche en arômes. Le mot "extraction" tel qu'utilisé ici couvre aussi ce mode d'entraînement des arômes. Comme on l'a dit, l'extraction peut aussi entre opérée dans la partie inférieure d'une colonne de distillation. La combinaison des traitements d'évaporation et de récupération des arômes, telle que décrite ci-dessus, peut être effectuée de diverses manières. Deux considérations majeures sont la volatilité relative effective (o,J des arômes constitutifs intéressés et le degré auquel on souhaite pousser la récupération. La définition de l'expression "volatilité relative effective" est donnée dans l'ouvrage de Bomben et autres précités. Selon un mode de mise en oeuvre préféré de l'invention, la vapeur de téte de distillation obtenue au stade de récupération des arômes est ré-utilisée, en totalité ou en majeure partie, comme agent chauffant dans le traitement d'évapo- ration. De l'exposé donné plus haut, il découle que cette vapeur de tête peut provenir tant de l'extracteur que de la colonne de distillation. Afin d'utiliser la vapeur de tête de distillation comme agent chauffant pour la concentration du liquide à concentrer, on peut l'utiliser tant au pré-chauffage du liquide à concentrer que dans l'un ou plusieurs des évaporateurs du groupe évaporateur. Selon un mode de mise en oeuvre préféré de l'invention1 s'il est prévu un extracteur séparé, la vapeur de tête de distillation arrive de cet extracteur dans l'un des évaporateurs. Le condensé formé dans cet évaporateur va subir dans la colonne de distillation une nouvelle concentration de ses arômes constitutifs. En passant de l'extracteur dans l'évaporateur, la vapeur peut subir un échange de chaleur avec le liquide alimentaire à concentrer, mais la plus grande partie, de loin, de la chaleur qu'elle contient sert dans un évaporateur. Selon un autre mode de mise en oeuvre préféré, il n'est pas prévu d'extracteur séparé. Dans ce cas, des vapeurs dégagées d'un courant à traiter dans des évaporateurs au niveau desquels ce courant est encore riche en arômes constitutifs (et qui servent facultativement, éventuellement après condensation, comme agent chauffant dans un évaporateur suivant) vont subir une concentration d'arômes dans la colonne de distillation en vue de la récupération et de la concentration des arômes constitutifs. Il va de soi que le condensat obtenu à partir de la vapeur de tête de la colonne de distillation, qui peut être formé lorsque cette vapeur sert d'agent chauffant dans l'un ou plusieurs des évaporateurs, est toujours utilisé comme reflux dans cette colonne. A cet égard, il faut, dans tous les traitements décrits ci-dessus, tenir compte de ce que, en présence d'arômes fortement volatils, les gaz inertes ayant pénétré dans l'installation a l'état dissous dans le produit alimentaire ou par des fuites sous l'effet de la dépression, et qu'il faut chasser de l'ensemble du réseau, peuvent être encore assez riches en arômes pour qu'il soit indiqué de les mettre en contact avec le liquide concentré refroidi, dans une colonne d'absorption séparée. Ainsi, les armes fortement volatils qu'ils contiennent sont absorbés dans le liquide concentré et donc retenus. On va maintenant donner des exemples de mise en oeuvre de l'invention, illustrés chacun par l'une des figures des dessins annexés. Pour bien faire comprendre le procédé, on a incorporé a la description et/ou aux schémas de marche donné pour chaque figure'des valeurs de certains paramètres opératoires, ainsi que l'économie de vapeur réalisée par rapport au mode classique de combinaison des traitements de récupération des arômes et de concentration du liquide. Exemple 1 (figure 1) Concentration de jus de raisin de type "Concord grape juice" à partir de produit contenant 10-70 z de solides dissous; sur la base d'une capacité d'élimination d'eau de 1000 kg/h Mise en oeuvre : par évaporation à simple effet dans un évaporateur à tirage descendant, avec récupération des arômes dans une colonne d'extraction et de distillation. Les armes constitutifs fortement volatils sont récupérés (absorbés) dans une colonne d'absorption au moyen de concentré refroidi. Les arômes a volatilité relative supérieure ou égale à 3 sont récupérés à concurrence de 90 %.Autrement dit, l'arôme le plus important du jus de raisin nConcordn, qui est le méthyl-anthranilate à volatilité relative de 3,33, est presque entièrement récupéré (voir l'article de H.A.C. Thijssen "Concentration processes for liquid foods containing volatile flavours and aromas", Journal of Food Technology, 1970, 5, 211-229). En combinant la récupération des arômes avec l'évapo- ration, de façon à prélever toute la vapeur d'eau nécessaire à la récupération des arômes sur le groupe d'évaporation, par envoi non seulement a la colonne d'extraction, mais aussi à la colonne de distillation de vapeur directe provenant de l'évaporateur, on assure une économie de vapeur d'eau de l'ordre de 195 kg/h, soit approximativement 200 kg/h par tonne de capacité d'élimination d'eau.La consommation de vapeur par tonne de capacité d'élimination d'eau, est ainsi ramenée à 625 kg/h, soit une économie d'environ 25 % par rapport aux méthodes classiques. (voir schéma page suivante) SEHEMA DE MARCHE N de Provenance et/ou destination Débit Température (kg/h) ( C) courant Alimente l'extracteur -H2O 1 050 1 -Corps dissous 117 - Total 1 167 5 a) Produit de tête de l'extracteur alimentant le 5-60 premier réchauffeur de courant alimentaire 50-62 b) Condensat d'évaporateur (courant N 17) alimentant le second réchauffeur de courant alimentaire 2 Le produit de queue de l'extracteur (pauvre en aromes) alimentant l'évaporateur 3 Fraction du produit de tête de l'évaporateur 1 197 68 envoyée en tant que vapeur diracte (d'extraction) à l'extracteur 380 68 4 Produit de tête de l'extracteur (vapeurs riches en arômes) qui, après condensation intermédiaire, notamment dans le réchauffeur de produit alimen taire, alimente la colonne de distillation 350 62 5 Fraction du produit de tête de l'évaporateur constituant la vapeur directe qui alimente la colonne de distillation 195 68 6 Produit de tête de la colonne de distillation allant au condenseur 175 62 7 Reflux de colonne de distillation 163 25 SCREMA DE MARCHE N de Provenance et/ou destination Débit Température courant (kg/h) ( C) 8 Concentré d'arômes après refroidissement de 25 à 5 C 12 5 9 Produit de queue de colonne de distillation (eau) 533 68 10 Produit de queue d'évaporateur allant à l'absorbeur après refroidissement de 68 à 5 C 197 5 11 Produit de queue d'absorbeur : courant de concentré de produit 167 - eau 50 (30 %) - corps dissous 117 (70 %) 12 Arômes non condensés et gaz inertes allant à l'absorbeur 18 25 13 Produit de tête (inerte) de l'absorbeur et liaison avec le réseau de mise sous dépression 18 5 14 Fraction du produit de tête de l'évaporateur à réutiliser à la recompression de vapeur (par éjecteur à jet de vapeur) 425 68 15 Arrivée de vapeur fraîche dans l'installation à travers l'éjecteur à jet de vapeur (égale à la consommation de vapeur par tonne de capactié d'élimination d'eau) 625 170 16 Envoi de vapeur de l'éjecteur à l'évaporateur 1 050 110 17 Condensat d'évaporateur envoyé au r6chauffeur 1 050 110 Exemple 2 (voir figure 2) Concentration de jus de fruit a partir de produit contenant 10 a 70 % de solides dissous, sur la base d'une capacité d'élimination d'eau de 1 000 kg/h. Mise en oeuvre : par évaporation a triple effet dans des évaporateurs à tirage descendant, avec récupération des arômes ; circulation du liquide alimentaire ( traiter) a contre-courant par rapport à la vapeur fluide chauffant) ; récupération des armes au moyen d'une colonne d'extraction et de distillation. On récupère les armes constitutifs fortement volatils dans une colonne d'absorption au moyen de concentré refroidi. Les arômes à volatilité relative supérieure ou égale à 3 sont récupérés à concurrence de 90 %. Autrement dit, le constituant majeur de jus de raisin, par exemple du type Concord, qui est le méthyl-anthralinate à volatilité relative de 3,33, est presque entièrement récupéré (voir article de H.A.C. Thijssen, cité dans l'exemple 1). Pour simplifier le schéma de marche, on n'a pas tenu compte des échangeurs de réchauffage du produit à traiter1 etc. En intégrant la récupération des arômes a l'évaporation, par envoi å la colonne de distillation de vapeur directe provenant d'un évaporateur (de second effet) et ré-utilisation du produit de tête de l'extracteur-comme fluide chauffant dans un évaporateur de second effet (qui assure aussi la condensation du produit de tête de la colonne d'extraction) on obtient une économie de vapeur de 350 + 195, soit approximativement 550 kg/h par tonne de capacité d'élimination d'eau.La consommation de vapeur par tonne de capacité d'élimination d'eau est ainsi ramenée à 420 kg/h, soit une différence d'environ 55 % par rapport a la méthode classique. (voir schéma page suivante) SCREMA DE MARCHE N de Provenance et/ou destination Débit Température courant (kg/h) ( C) 1 Produit à traiter envoyé à l'extracteur - H2O 1 050 - solides dissous 117 - total 1 167 62 2 Produit de queue de l'extracteur (pauvre en arômes) envoyé à l'évaporateur de troisième effet 1 197 68 3 Produit de tète de l'extracteur (riche en arômes) envoyé comme agent chauffant à l'évaporateur de second effet 350 62 4 Vapeur alimentant en tant que fluide chauffant l'évaporateur de troisième effet 9fraction du produit de tête de l'évaporateur de second effet) 125 52 5 Condensat de l'évaporateur de troisième effet 125 52 6 Produit de tête de l'évaporateur de troisième effet envoyé au condenseur 150 42 7 Produit de queue de l'évaporateur de troisième effet alimentant l'évaporateur da second effet 1 047 42 8 Produit de queue de l'évaporateur de second affet alimentant l'évaporateur de premier effet 727 52 9 Produit de tête de l'évaporateur de second effet 320 52 10 Fraction du produit de tête de l'évaporateur de second effet envoyée en tant que vapeur directe à la colonne de distillation 195 52 SCREMA DE MARCHE N de Provenance et/ou destination Débit Température courant (kg/h) ( C) 11 Courant d'alimentation de la colonne de distilla tion (formé par le condensat de l'évaporateur de second effet obtenu à partir du produit de tête de l'extracteur) 350 52 12 Produt de quene de la colonne de distillation (eau) 533 52 13 Produit de tête de la colonne de distillation envoyé au condenseur 175 46 14 Reflux de la colonne de distillation 163 25 15 Concentré d'arômes 12 5 16 Arômes non condensés et gaz inertes allant à l'absorbeur 18 25 17 Produit de queue de l'évaporateur de premer 167 68 effet envoyé à l'absorbeur après refroidissement à 5 18 Produit de tète de l'évaporateur de premier effet 560 68 19 Fraction du courant 18 envoyé en tant que vapeur directe à l'extracteur 380 68 20 Fraction du courant 18 à ré-utiliser à la compres sion de vapeur (par éjecteur à jet de vapeur) 180 68 21 Vapeur fraiche arrivant à travers l'éjecteur à l'installation (égale à la consommation de vapeur par tonne de capacité d'élimination d'eau) 420 170 22 Vapeur passant de l'éjecteur à l'évaporateur de premier effet 600 110 SCREMA DE MARCHE N de Provenance et/ou destination Débit Température courant (kg/h) ( C) 23 Conecensat de l'évaporateur de premier effet 600 100 24 Produit de quene de l'absorbeur ; courant de produit concentré 167 5 -eau 50 (30 %) - solides dissous 117 (70 %) 25 Produit de tête de l'absorbeur (gaz inertes) et liaison avec le réseau de mise sous vide 18 5 Exemple 3 (voir figure 3) Concentration de jus de fruit contenant 10 à 70 % de solides dissous, sur la base d'une capacité d'élimination d'eau de 1 000 kg/h. Mise en oeuvre : groupe d'dvaporation à triple effet (à contre-courant) dans des évaporateurs a tirage descendant, avec récupération opérée en recueillant séparément les arômes sur les produits de téte des deux évaporateurs au niveau desquels le courant de produit à traiter est encore riche en arômes, et en concentrant ces arômes dans une colonne de distillation. Les armes fortement volatils sont récupérés dans une colonne d'absorption au moyen de concentré refroidi. Les armes à volatilité relative supérieure ou égale à 3 sont récupérés a 75 %. Pour plus de simplicité, on n'a pas tenu compte, dans le schéma de marche de principe, des échangeurs de chaleur de pré-chauffage etc. En intégrant la concentration des armes au traitement d'évaporation, du fait qu'on alimente la colonne de distillation en vapeur directe prélevée sur un évaporateur de premier effet et qu'on utilise aussi le produit de tête de la colonne de distillation comme agent chauffant dans un corps -d'évaporateur de rang suivant (évaporateur de second effet qui assure aussi la condensation de produit de tête de la colonne de distillation), on obtient une économie de vapeur de 295 kg/h, soitenviron 300 kg/h par tonne de capacité d'élimination d'eau.La consommation de vapeur par tonne de capacité d1élimination d'eau est ainsi ramenée à 340 kg/h, soit une différence par rapport à la méthode classique d'approximativement 45 %. (voir schéma page suivante) SCREMA DE MARCHE N de Provenance et/ou destination Débit Température courant (kg/h) ( C) 1 Alimente le groupe d'évaporation - H2O 1 050 50 - solides dissous 117 - total 1 167 2 Produit de tête de l'évaporateur de troisième effet envoyé à travers le condenseur à la colonne de distillation 225 40 3 Produit de queue de l'évaporateur de troisième effet alimentant l'évaporateur de second effet 942 40 4 Produit de queue de l'évaporateur de second effet alimentant l'6vaporateur de premier effet 692 52 5 Produit de tête de l'évaporateur de second effe envoyé en tant que fluide chauffant à l'évapora teur de trosième effet 250 52 6 Condensat de l'évaporateur de troisième effet ;; rejoint le produit de tête de cet évaporateur pour alimenter la colonne de distillation 250 51 7 Courants N 2 et 6 réunis pour alomenter la colonne de distillation 475 45 8 Produit de tête de l'évaporateur de premier effet 525 68 9 Praction du courant N 8 envoyée en tant que vapeur directe à la colonne de distillation 295 68 SCREMA DE MARCHE N de Provenance et/ou destination Débit Température courant (kg/h) ( C) 10 Produit de quene de la colonne de distillation 758 68 11 Produit de tête de la colonne de distillation envoyé au condenseur (évaporateur de second effet) 275 62 12 Praction du condensat de l'évaporateur de second effet envoyée en tant que reflux à la colonne de distillation 263 62 13 Concentré d'ardmes 12 62 ramené par refroidissement 5 14 Arômes non condensés et gaz inertes envoyés à l'absorbeur 20 62 15 Produit de queue de l'évaporateur de premie effet envoyé à l'absorbeur 167 68 Après refroidissement 5 16 Produit de tète de l'absorbeur (gaz inertes) et liaison avec le réseau de mise sous vide 20 5 17 Produit de queue d l'absorbeur : produit concentrè 167 5 -eau 50 (30 %) - solides dissous 117 (70 %) 18 Fraction du courant n s ré-utilisée à la compression de vapeur (par éjecteur à jet de vapeur) 230 68 SCREMA DE MARCHE N de Provenance et/ou destination Débit Température courant (kg/h) ( C) 19 Vapeur fraîche fournie à travers l'éjecteur à l'installation - Consommation de vapeur par tonne de capacité d'élimination d'eau 340 170 20 Vapeur passant de l'éjecteur à l'évapora teur de premie effet 570 110 21 Condensat de l'évaporateur de premier effet 570 68 REVENDICATIONS 1 - Procédé de concentration d'aliments liquides, tels que jus de fruit et extraits d'origine végétale, selon lequel l'évaporation dans un évaporateur a effet multiple chauffé à la vapeur est combiné avec la récupération des arômes constitutifs volatils opérée par extraction, suivie de distillation au moyen de vapeur directe, caractérisé en ce que la vapeur servant à la récupération des arômes volatils est entièrement prélevée sur la vapeur engendrée dans le groupe évaporateur. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les vapeurs. obtenues par extraction subissent d'abord un traitement de condensation avant d'être distillées. 3 - Procédé selon les revendications 1 et 2, carac terse en ce que les vapeurs obtenues comme produit de tête dans les traitements d'extraction et de distillation sont utilisées en totalité ou en majeure partie comme fluide chauffant dans l'un ou plusieurs des corps d'évaporateur. 4 - Procédé selon l'une quelconque des revendications I à 3, caractérisé en ce qu'on opère lwextraction dans l'un ou plusieurs des évaporateurs, à savoir celui ou ceux où le courant de liquide à concentrer est encore riche en arômes.