Brevet FR2525864A1 — publié le 19831104

PROCEDE DE TRAITEMENT A TEMPERATURE ELEVEE DE LIQUIDES COMME LE LAIT, ET APPAREILS POUR SA MISE EN OEUVRE. La présente invention concerne le traitement à température élevée de liquides, tels que le lait, avec un minimum de dommage thermique. La dégradation microbiologique de denrées alimen- taires peut être empêchée, retardée ou réduite par deux procédés: réfrigération et congélation ou stérilisation thermique Une réfrigération poussée et une congélation sont généralementpeu économiques et peuvent être inefficaces avec certains micro-organismes psychrophiles, par exemple les Pseudomonas fragi formant des colonies dans le lait La stéri- lisation thermique, donnant un produit aseptique, est donc souhaitable Malheureusement,la stérilisation thermique peut endommager -des constituants sensibles à la chaleur et les contraintes qu'elle impose pour la conception de l'installa- tion limitent les débits de production. Le but de la présente invention est de suggérer un perfectionnement à un traitement à "ultra-haute tempéra- ture" (appelé ci-après traitement URT) pour la stérilisation de liquides traités ayant un constituant sensible à la cha- leur, de manière que les accroissements du dommage thermique causé par un fonctionnement de l'installation à des capaci- tés réduites soient réduits au min:inum Le procédé et l'appa- reil sont utilisables pour un éventail de liquides traités, par exemple du lait, des jus de fruits, des extraits de le- vures et de viande, des huiles végétales et des préparations chimiques. Deux types de traitement UHT ont été pratiqués. En premier lieu, il y a un traitement direct, dans lequel de la vapeur d'eau est injectée directement dans le liquide traité En deuxième lieu, il y a un traitement indirect dans lequel on utilise une certaine forme d'échangeur de chaleur indirect. Durant le traitement, deux effets peuvent être considérés comme se produisant simultanément: un effet sté- rilisant et un effet thermochimique qui entraîne des domma- ges thermiques Les deux effets sont accrus par un accrois- sement de la durée de-traitement. Le problème de conception économique des usines de traitement UHT est de produire une installation qui main- tiendra un courant de débit variable de liquide traité à la température de stérilisation pendant un temps suffisant pour que le liquide traité soit stérilisé, mais réduira au mini- mum le dommage thermique dû h 1 la température élevée, en ne maintenant pas le liquide traité à cette température plus longtemps que nécessaire. Selon un premier aspect de l'invention, il est prévu un procédé de traitement indirect à ultra-haute-tempé- rature pour un liquide traité, dans lequel la durée effecti- ve de séjour du liquide traité dans un échangeur de chaleur est maintenue tandis que la vitesse d'écoulement du liquide traité varie, par une variation choisie de l'aire efficace de la surfacede transfert de chaleur de l'échangeur de chaleur. Durant un traitement UHT indirect, l'effet stéri- lisant augmente avec la durée de séjour du liquide traité à l'intérieur de l'échangeur de chaleur, comme le dommage ther- mique Il existe une durée optimale de séjour pour une tempé- rature et un débit donnés Quand le débit du liquide traité à l'intérieur de l'échangeur de chaleur est, par exemple, réduit, la durée effective de séjour peut être maintenue par une réduction de l'aire des surfaces de l'échangeur de cha- leur à travers lesquelles la chaleur est transférée. De préférence, la variation choisie de l'aire efficace de la surface de transfert de chaleur est obtenue en détournant la totalité ou une partie du fluide de service à travers des espaces d'écoulement choisis du circuit de servi- ce de l'échangeur de chaleur En variante, la variation choisie dans l'aire efficace de la surface de transfert de 2525864- 3, chaleur est obtenue en détournant une partie ou la totalité du liquide traité à travers des espaces d'écoulement choisis du circuit de traitement de l'échangeur de chaleur. En détournant soit le fluide de service soit le liquide traité à travers seulement des espaces d'écoulement choisis de leurs circuits respectifs, on peut maintenir la durée de séjour efficace Quand le débit du liquide traité est, par exemple, réduit, alors l'aire de la surface de trans- fert de chaleur de l'échangeur de chaleur est réduite aussi. Quand on détourne le fluide de service, le trajet d'écoulement du liquide traité est inaltéré Cela peut etre une exigence essentielle dans certains cas, o un trajet d'écoulement parallèle dans le circuit hygiénique du liquide traité est inacceptable. Quand on détourne le fluide traité, il peut Otre possible, dans certains cas, à la fois de réduire la capacité de l'installation et de permettre qu'un nettoyage en place ait lieu dans ceux de ces espaces d'écoulement à travers les- quels le fluide traité ne passe plus. Commodément, l'échangeur de chaleur est un échan- geur de chaleur à plaques. Par l'expression "échangeur de chaleur à plaques". on désigne un échangeur de chaleur comprenant un ensemble séparable de plaques assemblées de manière étanche, normale- ment ondulées, disposées dans une relation espacée face à face de façon à définir des espaces d'écoulement entre les plaques adjacentes Les plaques comportent des trous alignés formant des orifices ou des collecteurs pour l'introduction de milieux dans les espaces d'écoulement et leur évacuation de ces espaces, le système d'étanchéité comprend des joints qui règlent l'écoulement entre les collecteurs ou orifices et les espaces d'écoulement normalement de manière qu'un milieu s'écoule à travers un espace d'écoulement sur deux et un autre milieu à travers les espaces d'écoulement intermé- diaires. Dans un mode de mise en oeuvre, le liquide traité est du lait et la portion des espaces d'écoulementà travers laque Ue lefluidede service est détourné est une portion continues terminale, distale, des espaces d'écoulement. Par le détournement du fluide de service dans une série continue d'espaces d'écoulement, les valves nécessaires sont réduites au minimum Le détournement dans seulement les espaces d'écoulement distaux est préféré car le liquide traité restera à la température, quelle qu'elle soit, à la- quelle il quitte la portion efficace de l'échangeur de chaleur Si le détournement était, par exemple, entièrement proximal, la durée effective de séjour ne serait pas réduite, à un débit constant, par détournement du fluide de service. Donc l'extrémité distale de l'échangeur de chaleur est la meilleure position pour une extrémité de la série continue d'espaces d'écoulement pour des raisons tant thermodynamiques que mécaniques. La portion des espaces d'écoulement à travers laque Ile le fi:ddedserd Diceestdgtourné peut être un quart des espaces d'écou- lement. Le rapport des débits du fluide de service et du liquide traité peut être maintenu sensiblement égal à l'uni- té. Selon un deuxième aspect de l'invention, il est prévu un appareil pour le traitement à ultra-haute-températu- re d'un liquide traité comprenant un échangeur de chaleur, des moyens pour faire circuler un fluide de service à travers une série d'espaces d'écoulement de l'échangeur de chaleur et des moyens pour faire circuler un liquide traité sélective- ment à travers la totalité ou une partie de la seconde série d'espaces d'écoulement. Selon un troisième aspect de l'invention, il est prévu un appareil pour le traitement à ultra-haute-températu- re d'un liquide traité comprenant un échangeur de chaleur, des moyens pour faire circuler un fluide traité à travers une série d'espaces d'écoulement de l'échangeur de chaleur et des moyens pour faire circuler un fluide de service sélec- tivement à travers la totalité ou une partie de la seconde série d'espaces d'écoulement. Pour mieux faire comprendre l'objet de la présen- te invention, on va en décrire ci-après, à titre d'exemples purement illustratifs et non limitatifs, deux modes de réali- sation représentés sur le dessin annexé. Sur ce dessin: la figure 1 est une représentation schématique d'une installation de stérilisation de lait par traitement UHT incorporant un mode de réalisation de l'invention; et la figure 2 est une représentation schématique d'une partie d'une installation de stérilisation de lait par traitement UHT incorporant un autre mode de réalisation de l'invention. Sur la figure 1, le diagramme illustre un appareil pour le traitement UHT indirect de lait avec un détournement du fluide de service. Le lait entre le long de la canalisation 1, à une température de 50 C, en provenance d'une zone de réception de lait ou de stockage en vrac de lait et entre dans une série 2 d'espaces d'écoulement d'un premier échangeur de chaleur. La température du lait cru est portée à 740 C par échange de chaleur avec le lait traité présent dans l'autre série d'espaces d'écoulement 3 Cette régénération directe sert à conserver l'énergie. Le lait cru préchauffé quitte l'échangeur de chaleur 2, 3 par la canalisation de sortie 4 vers un homogé- néiseur 5 L'homogénéiseur fournit la pression nécessaire pour entralner le lait à travers l'installation jusqu'à l'ins- tallation de remplissage aseptique qui suit, et peut servir aussi de régulateur de débit. De l'homogénéiseur 5, le lait passe, par la cana- lisation 6, à une série d'espaces d'écoulement 7 d'un échan- geur de chaleur récupérateur 7, E L'échangeur de chaleur récupérateur 7, 8 porte la température du lait à 1220 C La chaleur nécessaire pour cette élévation de température est fournie par le fluide récupérateur circulant à travers l'autre série d'espaces d'écoulement 8. Le circuit récupérateur comprend les espaces d'écoulement 8, une canalisation de retour 9, un refroidis- seur 10, une canalisation 11, des espaces d'écoulement 12 et une canalisation 13 Le r 6 le du circuit récupérateur est un transfert indirect de la chaleur enlevée au lait stérili- sé tandis qu'il se refroidit au lait cru préchauffé Le fluide récupérateur à 780 C quitte le refroidisseur 10 le long de la canalisation Il et entre dans les espaces d'écoulement 12 de l'échangeur de chaleur récupérateur 12, 25 o il enlè- ve une quantité de chaleur suffisante pour porter sa tempé- rature à 1280 C Le fluide récupérateur passe ensuite par la canalisation 13 aux espaces d'écoulement 8 o la majeure partie de cette quantité de chaleur est transférée au lait cru préchauffé dans les espaces d'écoulement 7 La tempéra- ture du fluide régénérateur tombe à 820 C et il est ramené le long de la canalisation de retour 9 au refroidisseur 10, qui empêche un échauffement excessif L'incorporation d'un tel circuit récupérateur permet une grande économie de chaleur dans le traitement UHT. La canalisation 14 conduit le lait chauffé à une série d'espaces d'écoulement 15 du premier échangeur de chaleur dans la partie à température élevée 15, 16 Les échangeurs de chaleur à température élevée 15, 16 et 17, 18 chauffent le lait à 13 Mo C A cette température, la stérilisa- tion se produit rapidement, habituellement en deux secondes. La canalisation 19 relie les deux échangeurs de chaleur à température élevée et fait passer le lait de la série d'espa- ces d'écoulement 15 à la série d'espaces d'écoulement 170 Dans cet exemple, l'échangeur de chaleur 15, 16 a une lon- gueur triple de celle de l'échangeur de chaleur 17, 180 Dans une installation classique de traitement UHT, il y aurait seulement un échangeur de chaleur à température élevée La présente invention prévoit deux échangeurs de chaleur ou plus à ce stade Ils peuvent se trouver dans la même structure. Le circuit dufluide de service comprend les espa- ces d'écoulement 16, la canalisation 20, le réchauffeur 21, la canalisation 22, les espaces d'écoulement 18 et la cana- lisation 23 Le fluide de service à 140 'C quitte le réchauf- feur 21 le long de la canalisation 22 et passe à travers les espaces d'écoulement 18, par la canalisation 23 et les espa- ces d'écoulement 16 pour sortir et passer dans la canalisa- tion 20 à 1240 C Il est ramené au réchauffeur 21 par la canalisation 20 La valve 28 est normalement ouverte et la valve 29 est normalement fermée La canalisation 30 contourne les espaces d'écoulement 16 quand la valve 29 est ouverte et la valve 28 fermée. Le rapport entre le débit du fluide de service à travers les espaces d'écoulement 16 et 18 et celui du liquide traité dans les espaces d'écoulement 15 et 17 est maintenu sensiblement à l'unité par un régulateur de débit qui peut, par exemple, être incorporé dans le réchauffeur 21 Avec un rapport des débits égal à l'unité, la différence de tempéra- ture à travers les surfaces de transfert de chaleur sera constante dans toute la partie à température élevée, et le profil des températures sera linéaire Un profil non linéaire des températures entrafne un dommage thermique accru De plus, la vitesse de dép 6 t de matières encrassantes est fonction de la différence de température; il est connu qu'un profil non linéaire favorise le dépàt. Le lait chauffé est conduit par un tube de retenue 24 à un groupe d'espaces d'écoulement 25 de l'échangeur de chaleur récupérateur 12, 25 Le double processus de stérilisa- tion et de dommage thermique continue dans le tube de retenue 24 à 138 C. Du tube de retenue 24, le lait passe à un groupe d'espaces d'écoulement 25 de l'échangeur de chaleur récupé- rateur 12, 25 o la température est abaissée à 880 C, une certaine quantité de chaleur étant enlevée par le fluide récupérateur circulant à travers les espaces d'écoulement 12. La canalisation 26 conduit le lait traité de l'é- changeur de chaleur récupérateur 12, 25 à un groupe d'espaces d'écoulement 3 de l'échangeur de chaleur 2, 3 La température du lait traité tombe à 190 C durant son passage à travers les espaces d'écoulement 3, car de la chaleur est échangée avec le lait brut dans l'autre groupe d'espaces d'écoulement 2. La canalisation 27 conduit le lait traité à une installation d'emballage aseptique. Un dommage thermique peut se produire à des tempé- ratures de plus de 80 'C, avec déphosphorylation partielle des caséines et dénaturation des protéines du sérum La déphos- phorylation des caséines conduit à la destruction des micel- les La dénaturation des protéines du sérum, telles que la lactoglobuline, peut libérer des composés volatils du soufre tels que l'hydrogène sulfuré et certains mercaptans, qui altè- reront le goût du lait. Toutefois, pour un traitement UHT efficace, les températures du lait doivent rester dans l'intervalle 135- 150 'C pendant au moins deux secondes, pour une destruction efficace des spores bactériennes résistant à la chaleur, des bactéries thermorésistantes, des moisissures thermorésistan- tes et d'autres organismes * O résistants, comme les leptospires. Si le profil température-temps pour le procédé de traitement UHT est connu, alors on peut calculer l'effet * e * * * e stérilisant et le dommage thermique Il y a lieu de noter que les zones de récupération contribuent à ce facteur Le choix d'une combinaison température-temps est un compromis pour une installation donnée fonctionnant à sa capacité nominale. Actuellement, une caractéristique d'une installa- tion de traitement UHT est son incapacité de traiter des quantités de lait inférieures à sa capacité nominale Les avantages de petites dimensions, de convenance pour nettoya- ge en place d'économies de chaleur, de haute qualité du pro- duit et d'automatisation ne peuvent pas être obtenus tant que le problème de débit variable n'est pas résolu. Antérieurement, il était courant de résoudre les problèmes de débit variable en faisant fonctionner l'instal- lation de traitement UHT à pleine capacité et en utilisant un réservoir tampon stérile entre l'installation UHT et l'installation de remplissage aseptique Toutefois, c'est une solution coûteuse augmentant la complexité de l'installa- tion. Un rapport typique de variation de débit peut Otre de 4 pour 1 Cela réduira considérablement la qualité du produit, car le faible débit signifiera une durée effective de séjour plus longue et le dommage thermique associé. Dans des conditions de débit réduit, le besoin de chaleur en provenance du fluide de service circulant dans les espaces d'écoulement 16 et 18 est réduit d'une manière corres- pondante et l'aire nécessaire de transfert de chaleur est réduite par fermeture de la valve 28 et ouverture de la valve 29 Cela fait passer le fluide de service le long de la cana- lisation 30 qui contourne les espaces d'écoulement 16 Le lait chauffé à 1220 C entrant dans les espaces d'écoulement 15 en pro- venancede lacanalisation 4 n'estpaschauffé,mais est maintenuàla température de récupération de 1220 C L'espace d'écoulement 15 sert de tube de retenue intermédiaire dans ces conditions. Dans ce mode de mise en oeuvre, il est nécessaire de maintenir le parcours de traitement 14, 15, 19, 17, 24 inaltéré et de modifier seulement le côté service, car il serait inacceptable d'avoir un trajet d'écoulement en paral- lèle tel que 16, 30 du côté traitement, hygiénique. Les échangeurs de chaleur récupérateurs peuvent aussi être modifiés de la même manière, bien que les avanta- ges ne soient pas aussi prononcés car le liquide traité se trouve à une température plus basse Il peut y avoir plus que la seule division de la partie à température élevée en deux échangeurs de chaleur à température élevée tels que 15, 16 et 17, 1; cela élargira l'éventail de débits que le système pourra traiter. Sur la figure 2, le diagramme illustre un appareil pour le traitement UHT indirect de lait avec un détournement du liquide traité, La canalisation 31 conduit le lait à partir d'un échangeur de chaleur récupérateur sensiblement comme sur la figure 1 à un groupe d'espaces d'écoulement 32 d'un échangeur à température élevée 32, 33 La canalisation 34 conduit le lait à un deuxième groupe d'espaces d'écoulement 35 d'un échangeur de chaleur à température élevée 35, 36 Le lait passe ensuite dans un tube de retenue 37. Le circuit de service comprend un réchauffeur 38, une canalisation 39, des espaces d'écoulement 36, une cana- lisation 40, des espaces d'écoulement 33 et une canalisation de retour 41. Dans ce mode de réalisation, la canalisation 31 comprend une valve 45 et une canalisation 42 communique avec la canalisation 31 et contient des valves 46 et 48 tandis que la canalisation 34 comprend des valves 47 et 49. A la capacité nominale, les valves 45, 47 et 49 sont ouvertes, les valves 46 et 4 é sont fermées Quand on opère à un débit réduit, l'un des échangeurs de chaleur à tempé- rature élevée 32, 33 ou 35, 36 est enlevé du circuit de traitement Pour isoler l'échangeur de chaleur à température élevée 32, 33, les valves 45 et 47 sont fermées et la valve 46 est ouverte Les espacesd'écoulement 32 peuvent alors &tre nettoyés en place Une installation 50 de nettoyage en place peut être prévue. Une fermeture des valves 46, 49 et 51 avec les valves 45, 47 et 48 ouvertes isolera les espaces d'écoule- ment 35 L'installation de nettoyage en place peut 9 tre celle 50 utilisée pour les espaces d'écoulement 32. Bien que cet exemple soit illustré par référence à une installation de traitement UHT pour le lait, l'invention peut aussi être appliquée dans d'autres cas o on désire une stérilisation thermique de produits thermodégradables. Diverses variantes sont possibles dans le cadre général de la présente invention Par exemple, les espaces d'écoulement alternés peuvent 8 tre dans une disposition "en parallèle" plut 6 t qu"'en série". REVENDICATIONS 1 Procédé de traitement à ultra-haute-température d'un liquide traité, selon lequel le liquide traité préchauf- fé est porté à une température de stérilisation par échange indirect de chaleur avec un fluide de service et maintenu brièvement à la température de stérilisation avant refroidis- sement, caractérisé par le fait que l'aire effective de transfert de chaleur de l'échangeur de chaleur est réduite, lors d'une réduction de débit, en faisant en sorte que le liquide traité ou le fluide de service contourne une certaine proportion des espaces d'écoulement dans l'échangeur de cha- leur. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'échangeur de chaleur est un échangeur de chaleur à plaques. 3 Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que le liquide traité est du lait. 4 Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que, lors d'une réduction de débit, on fait passer le fluide de service seulement à travers une partie terminale distale continue des espaces d'écoulement. Procédé selon la revendication 4, caractérisé par le fait que la portion des espaces d'écoulement à travers le fluide de service est détourné correspond au quart des es- paces d'écoulement. 6 Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que le rapport des débits du fluide de service et du liquide traité est maintenu sensiblement à l'unité. 7 Appareil pour le traitement indirect à ultra- haute-température d'un liquide traité,caractérisé par le fait qu'il comprend un pré-chauffeur, un échangeur de chaleur ayant deux groupes d'espaces d'écoulement ( 32, 33, 35, 36) pour porter le liquide traité à une température de stérilisation en échange indirect de chaleur avec un fluide de service, des moyens pour faire circuler le fluide de service à travers un groupe d'espaces d'écoulement ( 36, 33) de l'échangeur de chaleur et des moyens pour faire circuler le liquide traité sélectivement à travers la totalité ( 32 et 35) ou une partie seulement ( 3 2 ou 35) du second groupe d'espaces d'écoulement ( 32, 35). 8 Appareil pour le traitement indirect à ultra- haute-température d'un liquide traité, caractérisé par le fait qu'il comprend un pré-chauffeur, un échangeur de chaleur ayant deux groupes d'espaces d'écoulement ( 15, 17, 182, 16) pour porter le liquide traité à une température de stérilisa- tion par échange indirect de chaleur avec un fluide de servi- ce, des moyens pour faire circuler le liquide traité à tra- vers un groupe d'espaces d'écoulement ( 15, 17) de l'échangeur de chaleur et des moyens pour faire circuler le fluide de service sélectivement à travers la totalité ( 18 et 16) ou une partie seulement ( 18) du second groupe d'espaces d'écoulement ( 18, 16).