Brevet FR2509996A1 — publié le 19830128

La présente invention se rapporte à un appareil destiné à mélanger des liquides à des débits faibles et elle concerne plus particulièrement un appareil destiné à mélanger deux liquides uniformément et en continu dans un rapport de mélange précis lorsque l'un des liquides possède un débit beaucoup plus faible que l'autre et que le mélange résultant est déchargé continuellement de l'appareil, également à un faible débit.L'appareil est donc particulièrement utile pour préparer en continu des dialysats, des fluides de substitution pour reins artificiels: des fluides de perfusion, dis fluides de désinfection, des fluides de lavage, etc, par un procédé dans lequel un concentré liquide acheminé à un débit faible est mélangé dans un rapport de mélange prédéterminé avec un liquide diuluant qui possède un débit relativement élevé, pour obtenir un mélange déchargé à un début faible. Les appareils destinés à mélanger des liquides en continu comprennent ceux dans lequel est incorporé un mélangeur en ligne. Etant donné que le mélangeur en ligne est conçu de manière à injecter un liquide en continu dans un courant continu d'un autre liquide pour l'y mélanger, il est nécessaire d'utiliser des moyens capables d'injecter le liquide en continu à un débit précis pour pouvoir mélanger les deux liquides uniformément dans un rapport précis. Les moyens permettant d'injecter un liquide dans un mode pulsatoire sont incapables de réaliser un mélange uniforme meme s'ils peuvent être mis en oeuvre avec une haute précisIon et ces moyens sont donc inutilisables.Au contraire, les moyens capables d'injecter un liquide en continu avec une haute précision et qui sont également capables de manipuler un liquide à un débit faible constituent des moyens très spéciaux et extrêmement motteux. Les moyens comprenant un mélangeur en ligne ne peuvent donc pas être utilisés en pratique pour mélanger des liquides uniformément dans un rapport précis lorsque l'un des liquides possède un débit faible. Le problème mentionne plus haut sera dé crit de façon plus précise. Le fluide de substitution qui doit ~être utilisé pour un traitement d'hémofiltration est préparé à une haute concentration spécifiée et contenue dans un grand nombre de flacons (habituellement d'une capacité de 1000 ml) et ce fluide est acheminé des flacons au corps du patient, les flacons étant remplacés successivement l'un ptr l'autre pendant le traitement. Etant donné que les flacons de fluide de substitution sont très mal commodes à préparer, à stocker et à remplacer pendant le traitement, il serait très avantageux de pouvoir préparer le fluide de substitution en diluant un concentré de ce fluide avec de l'eau pure stérélisée et exempte d'agents pyrogènes à la concentration désirée pendant l'exécution du traitement.En conséquence, si l'on tente d'utiliser un appareil comprenant le mélangeur en ligne mentionné plus haut pour la dilution, on se trouve confronté à la nécessité d'utiliser des moyens permettant d'acheminer le concentré en continu et avec précision à un débit faible, par exemple d'environ 1 à environ 12 ml/mn, pour tenir compte de la concentration des concentrés de fluides de substitution qu'on trouve dans le commerce, ainsi que des tolérances sur la concentration sésirée du fluide de substitution. Malheureusement, ces moyens sont actuellement des moyens très spe- ciaux et excessivement coûteux.L'appareil comprenant le mélangeur en ligne exige donc un coût élevé qui s'ajoute au montant des frais du traitement au rein artificiel, en limitant ainsi les applications de cette thérapie, ce qui constitue donc un inconvénient. La présente invention, qui a été faite compte tenu de la situation décrite ci-dessus, a pour objet un appareil pour le mélange de liquide, qui peut avantageusement être utilisé également pour diluer des concentrés tels que des concentrés pour fluides de substitution sans nécessiter les moyens coûteux mentionnés plus haut. Plus précisément, l'invention a pour objet un appareil destiné à mélanger des liquides à des débits faibles, caractérisé en ce qu'il comprend : a) un mélan- geur comprenant un récipient cyclindrique muni d'un dlé- ment de fermeture supérieur, d'une première entrée de liquide formée dans une partie inférieure de la paroi latérale du récipient et quia'ouvre dans une direction tangentielle à ladite paroi latérale, d'une deuxième entrée de liquide formée dans le fond du récipient et débouchant verticalement vers le haut, et d'une sortie de mélange formée au centre de l'élément de fermeture et servant à décharger le mélange d'un premier liquide et d'un deuxième liquide ; b) un premier réservoir de liquide relié à la première entrée de liquide du mélangeur par une conduite de liaison ; c) une première pompe prévue sur la conduite de liaison entre la première entrée de liquide du mélangeur et le premier réservoir de liquide pour fournir le premier liquide dans un mode pulsatoire ; d) un deuxième réservoir de liquide relié à la deuxième entrée de liquide du mélangeur par une conduite de liaison ; e) une deuxième pompe prévue sur la conduite de liaison entre la deuxième entrée de liquide du mélangeur et le deuxième réservoir de liquide pour fournir le deuxième liquide dans un mode pulsatoire ; f) un détecteur de concentration prévu dans le voisinage de la sortie de mélange du mélangeur ou sur une conduite de déchargement de liquide reliée à la sortie de mélange ; et g) une unité de commande destinée à commander la première et la deuxième pompes de manière que les alimentations pulsatoires de liquides débitées par les pompes soient différentes par leur période de pulsation et destinée également à commander les alimentations de manière à ajuster la concentration en réponse à des signaux émis par le détecteur. Selon une première caractéristique de l'invention, pendant que le premier liquide est animé dlun mouvement tourbillonnaire dans le récipient cylindrique du mélangeur par le fait qu'on le fait pénétrer dans ce récipient dans une direction tangentielle à sa paroi latérale, on fait pénétrer le deuxième liquide dans le récipient à travers le fond de ce dernier, dans une direction alignée sur l'axe du mouvement tourbillonnaire. Il est ainsi mélangé avec le courant tourbillonnaire de sorte que le mélange résultant est déchargé du récipient à travers la partie centrale de son élément de fermeture supérieure.Ceci constitue une caractéristique originale en ce sens que l'écoulement tourbillonnaire est utilisé pour opérer un mélange ce qui est en relation totalement inverse par rapport à la pratique classique de l'utilisation d'un tel courant tourbillonnaire ou spiral pour la séparation dans des cyclones. Selon une autre caractéristique, le premier et le deuxième liquides sont introduits dans le récipient dans un mode pulsatoire par la première et la deuxième pompes. Selon une autre caractéristique, on fait en sorte que le débit d'entrée du premier liquide et le débit d'entrée du deuxième liquide soient différents par la période de leur pulsation. Selon encore une autre caractéristique, la concentration est mesurée par le détecteur et elle est ajustée par la transmission du résultat de la mesure en réaction à travers l'unité de commande. Compte tenu de ce qui précède, l'invention a encore pour objet un procédé pour mélanger des liquides qui consiste à faire pénétrer un premier liquide dans un récipient cylindrique à travers une entrée située dans une partie inférieure de sa paroi latérale, dans un mode pulsatoire, dans une direction tangentielle à la paroi laterale, ce récipient ayant un élément de fermeture supérieur,on fait pénétrer un deuxième liquide dans le récipient , dans une direction verticale dirigée vers le haut, à travers une autre entrée située au centre de son fond, simultanément avec le premier courant de liquide, dans un mode pulsatoire qui diffère de celui du premier liquide par la période de pulsation, et on décharge le mélange composé du premier liquide et du deuxième liquide par une sortie située eu centre de l'élément de fermeture supérieure. L'expression "récipient cylindrique utilisée dans le présent mémoire désigne un récipient ayant une surface interne cylindrique et l'expression "paroi la térale " se rapporte à la paroi latérale de ce récipient qui forme ladite surface interne. On peut prévoir plusieurs entrées situées en différents emplacements pour l'intro duction du premier liquide. Avec l'utilisation de l'appareil de mélange suivant l'invention, il est possible de mélanger des liquides en continu et de façon uniforme dans un rapport de mélange précis, même si ces liquides sont fournis à des débits relativement faibles. L'appareil est très utile. en pratique puisque les alimentations de liquide, même si elles se produisent à des faibles débits, peuvent être réglées avec précision par réglage des nombres des impulsions, avec utilisation de pompes qu'on peut se procurer à bas prix. L'appareil suivant l'invention, qui est adapté pour mélanger des liquides en un circuit fermé, remplit les conditions d'aseptie et peut être utilisé pour diluer des concentrés afin de préparer des fluides pour perfusions, des fluides désinfectants, des fluides de lavage, etc., aussi bien que des fluides de substitution. Etant donné que le deuxième liquide peut être acheminé à un débit inférieur à celui du premier liquide, l'appareil peut être particulièrement utilisable pour mélanger un premier liquide fourni à un débit faible tout en obtenant avec précision un mélange uniforme. L'appareil suivant l'invention est approprié pour fournir un mélange liquide avec un faible débit de sortie, pouvant atteindre environ 450 ml/mn, plus avantageusement, environ 100 ml/mn. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description qui va suivre. Aux dessins annexés donnés uniquement à titre d'exemple la Fig. 1 est une vue en coupe verticale montrant une forme de réalisation du mélangeur dans un appareil suivant l'invention ; la Fig.2 est une vue en coupe représentant le mélangeur de la Fig. 1 la Fig.# 3 est un schéma qui montre les formes des courants de liquides dans le mélangeur de la Fig. 1 la Fig. 4 est un schéma qui montre la construction d'un appareil suivant l'invention, réalisé sous la forme d'une installation pour fournir un fluide de substitution à un rein artificiel la Fig. 5 est un graphique qui montre les résultats obtenus en mesurant la conductibilité électrique d'un mélange de liquide fourni par l'appareil suivant l'invention la Fig.6 est une vue en coupe verticale montrant un mélangeur en ligne déjà connu la Fig. 7 est un graphique qui montre les résultats obtenus en mesurant la conductibilité électrique d'un mélange liquide fourni par le mélangeur en ligne de la Fig.6, et la Fig.8 est un graphique qui montre les résultats d'une expérience conduite en utilisant l'appareil suivant l'invention à différents rapports de fréquence de pulsation entre le premier liquide et le deuxième liquide, avec mesure de la conductibilité électrique du mélange résultant, le graphique représentant les différences entre la valeur mesurée et la valeur cible. La Fig. 1 montre un mélangeur 1 destiné être utilisé dans une installation suivant l'invention. Le mélangeur est essentiellement composé d'un récipient cylindrique 2 et d'un élément de fermeture 3 de ce récipient. Le recipient cylindrique 2 a un diamètre inté rieur D de 29 mm et une hauteur H de 30 mm, et comporte une première entrée de liquide 6 formée dans une partie de sa paroi latérale 5, à une hauteur de 1 mm audessus de son fond 4 et qui débouche tangentiellement à la paroi latérale 5. Le récipient présente en outre au centre de son fond 4, une deuxième entrée de liquide 7 qui débouche verticalement vers le haut et a un diamètre intérieur 1 de 3 mm. La première entrée de liquide 6 est munie à l'extérieur d'un tube 8 qui s'étend tangentiellement à la paroi latérale 5 et qui présente un diamètre d de 1 mm. L'élément de fermeture supérieur 3 présente la forme d'un cône ayant une hauteur h d'environ 2,5mm et il présente en son centre une sortie de mélange 9 ayant un diamètre intérieur a de 6 mm. Lorsqu'un premier liquide est introduit dans un mode pulsatoire dans le récipient 2, à travers la première entrée de liquide 6 du mélangeur en même temps qu'on introduit un deuxieme liquide dans ce mélangeur à travers la deuxième entrée de liquide 7 dans un mode pulsatoire dont la période de pulsation diffère de celle du premier liquide, le premier liquide pénètre dans le mélangeur tangentiellement à la paroi latérale 5 du récipient et, sous cet effet, il circule en tourbillon le long de la paroi latérale 5 tandis que le deuxième liquide pénètre sous la forme d'une colonne alignée sur l'axe de l'écoulement tourbillonnaire, comme on le voit sur la Fig. 3. Le deuxième liquide se mélange au premier liquide sous l'effet de la force centrifuge, puisque le poids spécifique du deuxième liquide est habituellement plus grand que celui du premier liquide.L'introduction du premier liquide et du deuxième liquide dans le reci- pient se produit dans un mode pulsatoire ainsi qu'on l'a mentionné plus haut, de sorte qu'il peut se produire un temps mort. Toutefois, dans le récipient le brassage peut s'effectuer d'une façon continue en raison du fait que le courant tourbillonnaire subsiste ou se produit en permanence. De cette façon, un mélange uniforme, brasse parfaitement, sort du récipient 2 à travers la sortie de mélange 9 ménagée dans l'élément de fermeture supérieur 3. On décrira ci-après une forme particulière de réalisation d'une installation dans laquelle est incor porée un mélangeur de l'invention. La Fig. 4 représente une installation 30 de formation d'un fluide de substitution dans laquelle ce fluide est préparé en diulant un concentré de fluide de substitution S avec de l'eau stérilisée W jusqu'à une concentration spécifiée. Ce fluide est contenu dans un réservoir 20 et est amené au corps H d'un patient par un appareil de perfusion 23. L'installation 30 comprend un ensemble 10 qui constitue un appareil suivant l'invention et qui comprend le mélangeur 1 décrit plus haut, un réservoir de concentré 11, un réservoir d'eau stérilisée 12, des conduites 15 et 16 qui relient le mélangeur 1 aux réservoirs 11 et 12 respectivement, des pompes 13 et 14 montées dans les conduites 15 et 16 respectivement, un détecteur de concentration 17 et une unité de commande 18. Le concentré S contenu dans le réservoir 11 est introduit dans le mélangeur 1 à travers la deuxième entrée de liquide 7 de ce dernier, dans un mode pulsatoire, par la pompe 13 qui est commandée par impulsions par l'unité de commande 18. L'eau stérilisée W contenue dans le réservoir 12 est introduite dans le mélangeur 1 à travers la première entrée de liquide# 6 de ce mélangeur, dans un mode pulsatoire , par la pompe 14 qui est de même commandée par impulsions. Les pompes 13 et 14 sont commandées par l'unité de commande 18 de façon à présenter des périodes de pulsation différentes. Le mélange uniforme préparé dans le mélangeur 1 de la façon qui a déjà été indiquée plus haut et qui sert de fluide de substitution possédant une concentration spécifiée, est débité par la sortie de mélange 9. Le détecteur de concentration 17 est monté dans une conduite de débit de liquide 19, à proximité de la sortie de mélange 9 du mélangeur 1, pour contrô ler la concentration du fluide de susbtitution de sorte que, lorsque cela est nécessaire les pompes 13 et 14 peuvent être commandées par l'unité de commande 18 pen dant le fonctionnement pour faire varier la concentra tion du fluide de substitution. Le réservoir 20 est un récipient ayant une ca pacité d'environ 1000 ml. Les pompes 13 et 14 sont com mandées par l'unité de commande 18 en réponse aux si gnaux émis par des jauges de niveau 21 et 22 de telle manière que le réservoir 20 contienne toujours une quan tité de fluide de substitution comprise dans un interval le prédéterminé. On a effectué des expériences avec l'nappa reil mélangeur suivant l'invention de la façon qui est décrite dans les exemples ci-dessous. EXEMPLE EXPERIMENTAL 1 Au moyen du mélangeur 1 représenté aux Fig.l et 2, on a acheminé de l'eau traitée par osmose inverse qui sera désigné dans la suite par l'expression eau RO) en qualité de premier liquide à un débit de 945# J /impul- sion, avec une période de pulsation de 102,8 impulsions/n. La largeur d'impulsion est de 120 ms. Un concentré de fluide de substitution (de la marque "Kindaly GF", produit de la firme Fuso Yakuhin Kogyo, Ltd, Japon), possédant un poids spécifique de 1,20, était acheminé en qualité de deuxième liquide à un débit de 36,1 J /impulsion, avec une période de pulsation de 81,3 impulsions/mn. Pour la détection de la concentration, on mesurait la conductibilité électrique du mélange résultant en un point de la conduite situé immédiatement en aval de la sortie de mélange 9 du mélangeur 1. L'opération de mélange a été poursuivie pendant 5 heures. Les différences séparant les valeurs instan tanées mesurées pendant l'opération de la valeur cible, à savoir 14 mS/ cm, étaient dans l'intervalle de + 1,5%. La différence entre la valeur moyenne et la valeur cible était de - 0,3 %. La Fig. 5 est une partie d'un graphique qui montre la valeur mesurée. Si l'on poursuivait le brassage du mélange pour qu'il soit plus homogene, on observait qu'il avait une conductibilité électrique de 13,95 mS/cm. EXEMPLE COMPARATIF 1 On a répété le mode opératoire de l'exemple expérimental 1 dans les mêmes conditions, sauf qu'on a utilisé le mélangeur en ligne 1' représenté sur la Fig.6 en remplacement du mélangeur 1. Le mélangeur en ligne 1' possède une première entrée de liquide 6' une deuxième entrée de liquide 7' et une sortie de mélange 9'. Les différences séparant la valeur cible, de 14 mS/cm des valeurs instantanées obtenues étaient comprises dans l'intervalle de + 11 %. La différence entre la valeur moyenne et la valeur cible était de - 2,5%. La Fig.7 est une partie d'un graphique représentant la valeur mesurée. Si l'on brassait davantage le mélange résultant pour le mélanger de façon plus homogène, on observait qu'il possédait une conductivité électrique de 13,65 mS/cm. EXEMPLE EXPERIMENTAL 2 On a répété le mode opératoire de l'exemple expérimental 1 dans les mêmes conditions, sauf qu'on a utilisé un mélangeur ayant une capacité d'environ 20 ml et possédant la même construction que celui représenté aux Fig. 1 et 2 et qu'on faisait varier le rapport liant la période de la pulsation d'introduction de l'eau RO à la période de la pulsation d'introduction du concentré sur l'intervalle allant de 0,6 à 1,6. Les résultats sont représentés à la Fig.8, sur laquelle on a porté en ordonnées le rapport en pourcentage, positif ou négatif liant la valeur de la demidifférence entre le maximum des valeurs instantanées et le minimum des valeurs instantanées à la valeur cible 14 mS/cm, en portant en abscisses la fréquence des impulsions d'introduction de l'eau R.O. divisée par la fréquence des impulsions d'introduction du concentré. L'exemple expérimental 1 et l'exemple comparatif 1 montrent que l'appareil suivant l'invention est susupérieur au mélangeur en ligne en ce sens qu'il permet d'obtenir un mélange uniforme possédant une grande présision en volume et en temps. L'exemple expérimental 2 révèle que l'on peut donner une meilleure uniformité au mélange en établissant une différence de période de pulsation de l'introduction entre le premier liquide et le deuxième liquide et cet exemple montre que le rapport liant la période de pulsation de l'introduction du premier liquide à celle du deuxième liquide est de préférence d'une valeur pouvant atteindre 0,9 ou au moins 1,1. - REVENDICATIONS - 1.- Appareil destiné à mélanger des liquides à des débits faibles, caractérisé en ce qu'il comprend (a) un mélangeur (1) comprenant un récipient cylindrique (2) muni d'un élément de fermeture supérieur (3), d'une première entrée de liquide (6) formée dans une partie inférieure de la paroi latérale (5) du récipient et qui s'ouvre dans une direction tangentielle à ladite paroi latérale, d'une deuxième entrée de liquide (7) formée dans le fond (4) du récipient et débouchant verticalement vers le haut, et d'une sortie de mélange (9) formée au centre de l'élément de fermeture et servant à décharger le mélange d'un premier liquide et d'un deuxième liquide; (b) un premier réservoir de liquide (12) relié à la première entrée de liquide (6) du mélangeur par une conduite de liaison (16), (c) une première pompe (14) prévue sur la conduite de liaison (16) entre la première entrée de liquide du mélangeur et le premier réservoir de liquide pour fournir le premier liquide dans un mode pulsatoire; (d) un deuxième réservoir de liquide (11) relié à la deuxième entrée de liquide (7) du mélangeur par une conduite de liaison (15); (e) une deuxième pompe (13) prévue sur la conduite de liaison (15) entre la deuxième entrée de liquide du mélangeur et le deuxième réservoir de liquide pour fournir le deuxième liquide dans un mode pulsatoire; (f) un détecteur de concentration (17) prévu dans le voisinage de la sortie du mélange (9) du mélangeur ou sur une conduite de déchargement de liquide (19) reliée à la sortie du mélange; et (g) une unité de commande (18) destinée à commander la première et la deuxième pompes (14,13) de manière que les alimentations pulsatoires de liquides débitées par les pompes soient différentes par leur période de pulsation, cette unité étant destinée à commander les alimentations pour ajuster la concentration en réponse à des signaux émis par le détecteur (17). 2.- Appareil suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le rapport liant la période de pulsation de l'introduction du premier liquide à la période de pulsation de l'introduction du deuxième liquide est située entre environ 0,9 et au moins environ 1,1. 3.- Procédé pour mélanger des liquides à des débits faibles , caractérisé en ce qu'on fait pénétrer un premier liquide dans un récipient cylindrique à travers une entrée située dans une partie inférieure de sa paroi latérale avec un débit pulsatoire et tangentiellement à cette paroi latérale, le récipient possédant un élément de fermeture supérieur; on fait pénétrer un deuxième liquide dans le récipient, verticalement de bas en haut, à travers une autre entrée située au centre de son fond, simultanément avec lsin- troduction du premier liquide, dans un mode pulsatoire dont la période de pulsation diffère de celle du premier liquide, et on décharge le mélange formé du premier liquide et du deuxième liquide par une sortie située au centre de l'élément de fermeture supérieur. 4.- Procédé suivant la revendication 3, caractérisé en ce que le rappport liant la période de pulsation de l'introduction du premier liquide à la période de pulsation de l'introduction du deuxième liquide peut atteindre environ 0,9 ou au moins environ 1,1. 5.- Appareil suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il est utilisé pour débiter le mélange à un débit pouvant atteindre environ 200 ml/mn. 6.- Appareil suivant la revendication 5, caractérisé en ce que le rapport de mélange entre le deuxième liquide et le premier liquide peut atteindre environ 0,1. 7.- Appareil suivant la revendication 6, caractérisé en ce que le premier liquide est de liteau stérilisée et le deuxième liquide est un fluide de substitution pour reins articiels. 8.- Procédé suivant l'une quelconque des revendications 3 et 4, caractérisé en ce qu'il est utilisé pour débiter le mélange à un débit pouvant atteindre environ 200 ml/mn. 9.- Procédé suivant la revendication 8, caractérisé en ce que le rapport de mélange entre le deuxième liquide et le premier liquide peut atteindre environ 0,1. 10.- Procédé suivant la revendication 9, caractérisé en ce que le premier liquide est de l'eau stérilisée et que le deuxième liquide est un fluide de substitution pour reins artificiels.