Brevet FR2513536A1 — publié le 19830401

Dispositif de filtration d'un liquide La présente invention concerne un dispositif de filtration d'un liquide. Par le brevet français n0 2.160.853, on connais un dispositif de filtration d'un liquide comportant un réservoir du liquide à filtrer, ce réservoir étant relié par un circuit de pompage au volume interne d'un filtre constitué de deux plaques poreuses en regard l'une de l'autre. les dispositifs de ce type présentent l'inconvénient d'avoir un fonctionnement irrégulier, le régime optimum n'étant atteint qu'au bout d'un temps assez long, les performances décroissant ensuite jusqu'au colmatage du filtre. La présente invention a pour but de pallier cet inconvénient. La présente invention a pour objet un dispositif de filtration d'un liquide, comportant - un réservoir contenant le liquide à filtrer, - un filtre poreux relié au réservoir par une canalisation - et des moyens pour recueillir le filtrat caractérisé en ce que - le filtre est un tube cylindrique de révolution, ce filtre étant fermé à ses extrémités de façon à constituer une chambre reliée au réservoir par une canalisation, et qu'il comporte en outre - des moyens pour maintenir le liquide sous pression constante à ltentrée de la chambre, - un noyau sensiblement cylindrique monté en rotation coaxialement dans la chambre - et un moteur accouplé au noyau pour l'entrainer en rotation. Des formes particulières d'exécution de l'objet de la présente invention sont décrites ci-dessous, à titre d'exemple, en référence aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 représente schématiquement un mode de réalisation du dispositif selon l'invention, - la figure 2 est une vue en coupe longitudinale d'une cartouche de filtration faisant partie du dispositif illustré par la figure 1, - et la figure 3 est une coupe transversale, à plus grande échelle, de la cartouche représentée sur la figure 2. Sur la figure 1, un liquide 1 à filtrer tel que du lait est contenu dans un réservoir 2 dont le volume gazeux supérieur est en communication avec un détendeur 3 branché à la sortie d'une bouteille de gaz comprimé 4. Le liquide 1 du réservoir 2 est en communication par une canalisation 5 avec le volume interne d'une cartouche de filtration 6. Celle-ci comporte, à l'intérieur d'une enveloppe cylindrique 7, un tube poreux 8 cylindrique de révolution, par exemple réalisé en céramique. L'enveloppe-7 et le tube 8 sont coaxiaux ; les deux extrémités du tube 1 sont fermées respectivement par deux flasques 9 et 10 s'appuyant que l'enveloppe 7, la canalisation 5 débouchant à liintérieur de la chambre formée par le tube 8 et les flasques 9 et 10. Un noyau cylindrique coaxial 11 est muni d'un arbre 12 monté en rotation sur deux paliers ménagés dans les flasques 9 et 10.A une extrémité de l'arbre 12 est fixée une poulie 13 accouplée par une courroie 14 à une poulie 15 montée sur l'arbre de sortie d'un moteur d'entralnement 16. De préférence, le tube poreux 8 comporte une partie tubulaire périphérique munie de pores relativement gros et une partie tubulaire intérieure munie de pores fins. La partie intérieure constitue la membrane de filtration proprement dite, alors que la partie périphérique sert de support à la membrane, ces deux parties étant bien entendu solidaires entre elles. Le volume interne de la cartouche 6 compris entre le tube de filtration 8 et l'enveloppe 7 est relié à un appareil de mesure de débit 17 à travers un système de refoulement commandable 18 et deux canalisations 19 et 20, l'appareil 17 étant relié par une canalisation 21 à une cuve, non représentée, apte à recueillir le filtrat. Le volume interne de la cartouche 6 compris entre le noyau 11 et le tube 8 est relié, à travers une pompe volumétrique 22 et deux canalisations 23 et 24 à une autre cuve, non représentée, apte à recueillir le rétentat c'est-à-dire la partie du liquide n'ayant pas traversé le tube de filtrage 8. Une cuve auxiliaire 25 remplie du liquide à filtrer est reliée au réservoir 2 à travers une pompe 26. Enfin, un système d'asservissement 27 est relié électriquement d'une part à l'appareil 17 et d'autre part à la commande électrique des pompes 22 et 26. La figure 2 montre un exemple de réalisation de la cartouche de filtration 6 représentée schématiquement sur la figure 1. On voit sur la figure 2 que l'enveloppe cylindrique de la cartouche est constituée par un tube 28 taraudé intérieurement à ses deux extrémités de façon à pouvoir s'engager par vissage dans deux filetages 29 et 30 ménagés respectivement sur deux embouts 31 et 32 qui jouent le rôle des flasques 9 et 10 visibles sur la figure 1. Le tube poreux en céramique 8 comporte deux extrémités non poreuses 35 et 36 qui s'appuyent sur des épaulements des embouts 31 et 32 par l'intermédiaire de joints toriques 33 et 34. Le noyau 37 comporte à ses extrémités deux bouts d'arbre coaxiaux 38 et 39 montés en rotation dans les embouts 31 et 32 au moyen de deux roulements 40 et 41. Le noyau 37 est muni dans l'exemple représenté de quatre ailettes longitudinales 42, 43, 44 et 45, de faible hauteur, visibles sur la figure 3 qui est une coupe transversale de la cartouche suivant de plan III-III indiqué sur la figure 2. A l'intérieur des embouts 31 et 32 sont fixés deux joints toriques 46 et 47 dont les lèvres frottent sur les bouts d'arbre 38 et 39 lorsque le noyau 37 est entrainé en rotation. Sur l'embout 31 est fixée une tubulure d'entrée 48 qui correspond à l'arrivée de la canalisation 5 (figure 1) dans la cartouche. De même, une tubulure de sortie 49 est fixée sur l'embout 32, cette tubulure correspondant au départ de la canalisation 23 (figure 1). Une tubulure de sortie 50 est fixée sur le tube 28 du côté opposé à la tubulure 48, la tubulure 50 correspondant au départ de la canalisation 19 (figure 1). Des joints toriques 51 et 52 s'engagent dans des rainures ménagées sur les embouts 31 et 32 et portent sur la surface cylindrique intérieure du tube 28, de façon à assurer l'étanchéité du volume compris entre les tubes 8 et 28.L'étanchéité du volume compris entre le noyau 37 et le tube 8 est assurée par les joints 33, 34, 46 et 47. Le dispositif décrit ci-dessus et illustré par les figures 1 à 3 fonctionne de la manière suivante. La pression du liquide à l'entrée de la cartouche 6 est maintenue à une valeur constante qu'il est possible de régler en agissant sur le détendeur 3. On met ensuite en marche le moteur 16 de façon à faire tourner le noyau 11 dans la cartouche de filtration. Le liquide à filtrer soumis à une pression constante s'écoule dans la cartouche à travers la canalisation 5. Le liquide compris entre le noyau 11 et le tube de filtration 8 est soumis, à cause de la rotation du noyau, à un mouvement rotatoire tangentiel par rapport à la surface interne du tube 8 . Une partie de ce liquide traverse les pores du tube 8. La présence d'ailettes sur le noyau (voir figures 2 et 3) augmente la turbulence du liquide et accélère le débit de filtration. Le système de refoulement 18 comporte essentiellement un cylindre dans lequel coulisse un piston et des moyens pour commander la course du piston, à intervalles de temps prédéterminés, de façon à refouler le filtrat vers la cartouche en sens inverse de son écoulement normal, et créer ainsi sur la surface extérieure du tube poreux 8 une pression inverse suffisante pour décolmater le filtre. En particulier, cette pression inverse permet de décoller de la surface interne du tube poreux 8 les particules solides qui obstruent les pores de la membrane. Pendant le fonctionnement normal du dispositif, le système 18 n'étant pas commandé, le filtrat remplit l'espace compris entre les tubes 8 et 7, puis s'écoule librement par la canalisation 19, le système 18, la canalisation 20, l'appareil 17 et la canalisation 21 vers sa cuve de récupération, le système 18 ne s'opposant nullement à l'écoulement du filtrat. Le système d'asservissement 27 reçoit l'information du débit de filtrat mesuré par l'appareil 17 et commande en retour la rotation de la pompe volumétrique 22 de façon à maintenir un rapport constant prédéterminé entre les débits de perméat et rétentat. Comme représenté sur la figure 2 le système d'asservissement 27 peut commander aussi la rotation de la pompe 26 de façon à maintenir un débit prédéterminé du liquide à filtrer du réservoir 25 au réservoir 2, ce débit compensant le débit total deperméat et de rétentat sortant de la cartouche de filtration. Le dispositif de filtration décrit ci-dessus présente les avantages suivants. La rotation du noyau communique au liquide une vitesse élevée tangentiellement à la paroi du filtre, de façon à diminuer considérablement l'effet de colmatage dû à l'agglomération des particules à filtrer sur la paroi cylindrique interne du filtre. De plus ces particules sont évacuées en permanence dans le rétentat. On constate que pendant le fonctionnement la pression du liquide situé dans la cartouche entre le noyau et le tube de filtration est uniforme sur toute la surface interne du tube 8, alors que, dans les dispositifs selon l'art antérieur, cette pression décroit de l'entrée à la sortie de la cartouche. De plus, la pression sur le tube 8 dépend très peu de la distance radiale entre le noyau et le tube de filtrage, cette distance pouvant varier notamment dans le cas d'une légère ovalisation du tube de filtration. Il en résulte que, dans le dispositif selon l'invention, le colmatage du filtre s'effectue de façon isotrope sur toute sa surface.Cela entrain une plus grande facilité de nettoyage du filtre par application sur la membrane d'une pression inverse moyenne, par exemple au moyen d'un système tel que 18 Il est évident que cette méthode de nettoyage du filtre serait beaucoup plus difficile à utiliser pour les dispositifs selon l'art antérieur dans lesquels le tube de filtration se colmate de façon très irrégulière, car il serait nécessaire d'appliquer alors une pression inverse élevée pour assurer le nettoyage des parties du filtre les plus colmatées. Dans le dispositif selon l'invention, la pression à l'entrée de la cartouche et la vitesse de rotation du noyau constituent deux paramètres qu'il est possible de régler indépendamment pour adapter le fonctionnement de l'appareil à chaque cas particulier. Il est à noter aussi qu'à chaque instant, le volume du liquide soumis à des contraintes (c'est-à-dire celui compris entre le noyau et le tube de filtration) est très faible et que le régime permanent de fonctionnement s'établit au bout d'un temps très court. Il suffit donc d'un très faible volume de liquide pour réaliser une opération de filtration ce qui est un avantage lorsqu'il s'agit de liquides rares ou chers. Le fonctionnement du dispositif selon l'invention est donc particulièrement régulier et homogène, ce qui entraîne, par rapport aux dispositifs selon l'art antérieur, une fiabilité accrue et une augmentation de l'intervalle de temps à respecter entre deux colmatages successifs. Le liquide à filtrer n'est soumis à des contraintes que pendant un temps très court, ce qui diminue le risque de dénaturation du liquide par échauffement pendant l'opération de filtration. Comme il a été vu au cours de la description précédente, le dispositif selon l'invention se prête particulièrement bien à un fonctionnement continu avec une grande facilité d'ajustement du rapport volumique filtrat/rétentat. Lorsqu'il s'agit par exemple de filtrer les bactéries contenues dans un liquide, l'évacuation en continu des bactéries diminue les risques de prolifération. Enfin le dispositif selon l'invention est particulièrement simple car il ne comporte pas de pompe de circulation pour alimenter la cartouche. Il est à noter que, dans certains cas, il n'est pas nécessaire d'utiliser un gaz comprimé pour créer la pression constante de liquide à l'entrée de la cartouche ; il suffit de prévoir des moyens (tels que 17, 27 et 26) pour maintenir le liquide du réservoir à un niveau constant prédéterminé. La partie essentielle du dispositif, c'est-à-dire la cartouche de filtration et son moteur d'entraSnement est d'un encombrement limité. Il est possible de disposer cette partie essentielle dans une enceinte maintenue à température constante, ce qui peut être nécessaire dans le cas de filtration de certains liquides biologiques. Dans ce cas, le faible échauffement du liquide provoqué par le fonctionnement du dispositif a alors une influence négligeable sur sa température d'équilibre. Le dispositif selon l'invention peut être appliqué par exemple à 11 extraction des matières grasses et de la caséine du lait. A titre indicatif, pour une pression à l'entrée de la cartouche de deux bars et avec une membrane filtrante dont les pores ont une dimension moyenne de 0,26 micron, on obtient un débit de perméat de l'ordre de 20 1/heure par m2 de surface filtrante. Sous faible pression, par exemple sous une pression de 50 mbars, le débit de perméat est peu sensible au facteur de concentration (défini comme le rapport du volume total de rétentat et de perméat au volume de rétentat) le débit de perméat passe de 9,6 l/heure/m2 à 9,1 1/h/m2 lorsque le facteur de concentration s'élève de 2,5 à 5.Le débit de perméat augmente légèrement quand la vitesse de rotation du noyau augmente il passe de 7 à 9,6 l/h/m2 lorsque la vitesse de rotation augmente de 1000 à 1900 t/mn. Bien entendu, la présence d'ailettes sur le noyau influe sur le débit de perméat. Avec un noyau à ailettes longitudi 2 nales, le débit augmente avec la pression : il passe de 14,5 l/h/m2 à 23,3 l/h/m2 lorsque la pression augmente de 0,5 à 2,5 bars. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée au mode de réalisation décrit et représenté qui n'a été donné qu'à titre d'exemple. En particulier on peut, sans sortir du cadre de l'invention, remplacer certains moyens techniques par des moyens équivalents. C'est ainsi que le tube poreux de filtration peut être réalisé non seulement en céramique, mais aussi en divers matériaux poreux tels qu'un métal fritté. De plus les ailettes disposées éventuellement sur la surface cylindrique extérieure du noyau peuvent avoir une forme quelconque. En particulier elles peuvent être hélicoldales suivant l'axe du noyau en vue de favoriser l'écoulement longitudinal du rétentat dans la cartouche. Le dispositif selon la présente invention peut etre appliqué, d'une façon générale, à la filtration de nombreux liquides, en particulier à la filtration de liquides alimentaires tels que le lait et la bière, cette filtration pouvant avoir pour but de stériliser le liquide par élimination des bactéries. REVENDICATIONS 1/ Dispositif de filtration d'un liquide, comportant - un réservoir contenant le liquide à filtrer, - un filtre poreux relié au réservoir par une canalisation - et des moyens pour recueillir le filtrat, caractérisé en ce que - le filtre est un tube cylindrique de révolution, ce filtre étant fermé à ses extrémités de façon à constituer une chambre reliée au réservoir par une canalisation, et qu'il comporte en outre - des moyens (3, 4) pour maintenir le liquide sous pression constante à l'entrée de la chambre, - un noyau (11) sensiblement cylindrique monté en rotation coaxialement dans la chambre - et un moteur (16) accouplé au noyau pour l'entralner en rotation. 2/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la surface cylindrique du noyau comporte des ailettes (42 à 45). 3/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens pour maintenir le liquide sous pression constante sont des moyens pour maintenir le liquide (1) du réservoir (2) à un niveau constant. 4/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens pour maintenir le liquide sous pression constante comportent une source de gaz comprimé (3, 4) en communication avec le volume gazeux supérieur du réservoir (9). 5/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le tube (8) comporte une partie tubulaire extérieure macroporeuse et une partie tubulaire intérieure microporeuse. 6/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens pour recueillir le filtrat comportent une enveloppe cylindrique (7) entourant le filtre, cette enveloppe étant munie d'une ouverture de sortie (50). 7/ Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens commandables (18) pour refouler le filtrat vers ladite ouverture afin de créer une pression inverse de filtrat sur la surface cylindrique extérieure du filtre, cette pression étant suf- fisante pour décolmater le filtre lorsqu'il est colmaté. 8/ Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que la chambre comporte une percée (49) pour laisser sortir la partie du liquide n'ayant pas traversé le filtre. 9/ Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comporte - un appareil de mesure de débit (17) relié à ladite ouverture, - une pompe volumétrique (22) dont l'entrée est reliée à ladite percée - et un système d'asservissement (27) capable de régler le débit de la pompe volumétrique en fonction du débit du filtrat mesuré pour ledit appareil. 10/ Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une cuve auxiliaire (25) remplie dudit liquide et reliée par une pompe d'alimentation (26) audit réservoir (2), ledit système d'asservissement étant capable en outre de régler le débit de ladite pompe d'alimentation en fonction du débit du filtrat mesuré par ledit appareil. 11/ Dispositif selon la revendication 1, earactérisé en ce qu'il comporte en outre une enceinte entourant ladite chambre, cette enceinte étant maintenue à température constante. 12/ Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 et 5, caractérisé en ce que le tube (8) est réalisé en céramique. 13/ Dispositif selon l'une quelconques des revendications 1 et 5, caractérisé en ce que le tube (8) est en métal fritté.