Brevet FR2537402A1 — publié le 19840615

TRAITEMENT A HAUTE TEMPERATURE DE LIQUIDES La présente invention concerne le traitement à ultra-haute température de liquides, comme du lait, avec un minimum de dégradation due à la chaleur. La dégradation microbiologique des produits ali- mentaires peut 9 tre emp&chée ou réduite par deux procédés: réfrigération et congélation ou bien stérilisation thermique. Une réfrigération et une congélation étendues ne sont géné- ralement pas économiques et peuvent ne pas réussir avec certains microorganismes psychrophiles; par exemple, Pseudomonas fragi colonisant le lait Une stérilisation thermique, pour un produit aseptique, est par conséquent souhaitable Malheureusement, la stérilisation thermique peut endommager les composants sensibles à la chaleur et les contraintes que cela impose sur la conception des installa- tions limitent la gamme de débit. La présente invention a pour but d'améliorer un traitement "ultra-haute température" (ci-après traitement UHT) pour la stérilisation des liquides ayant un composant sensible à la chaleur, de façon à diminuer les augmentations de dégradation due à la chaleur provoquées par un fonction- nement de l'installation à capacités réduites Le procédé et le dispositif s'appliquent à une gamme de liquides, par exemple du lait, des jus de fruits, des extraits de levures et de viandes, des huiles végétales et des préparations chimiques. Pendant le traitement UHT, deux effets peuvent 8 tre considérés comme se produisant simultanément; l'effet stérilisant et un effet thermo-chimique qui a pour résultat la dégradation thermique ou due à la chaleur Les deux effets sont augmentés par une augmentation de la longueur du "temps de fixation", qui est la période pendant laquelle le liquide est maintenu à la température de stérilisation ou de "fixation". Deux types de traitement UHT ont été mis en pratique. D'abord, il y a un traitement direct, o de la vapeur est directement injectée dans le liquide Deuxièmement, il y a un traitement indirect o l'on utilise une certaine forme d'échangeur de chaleur, pour élever le liquide particulier qui est stérilisé à une température appelée ci-après "température caractéristique de fixation". Après un traitement UHT, il était de pratique courante d'emballer aseptiquement le produit stérile Le problème majeur avec les installations de traitement UHT se pose là: la machine de remplissage aseptique peut néces- siter un débit différent du produit stérile pour différents volumes d'emballages Par exemple, la remplisseuse aseptique peut avoir la possibilité de remplir des paquets ayant des dimensions de 1 litre, 0,5 litre et 0,25 litre Dans ces circonstances, l'installation UHT devra fonctionner à une certaine gamme de débits. Une solution déjà connue aux problèmes de l'obten- tion d'un bon produit à un débit variable consiste à faire fonctionner une installation UHT par intermittence à son plein débit et à utiliser un réservoir tampon stérile, entre l'installation UHT et la remplisseuse aseptique C'est une solution coûteuse, ajoutant de la complexité aux opérations de nettoyage de l'installation Il n'a pas été possible de réduire le débit à travers l'installation de traitement UHT sans affecter la qualité du produit. Dans l'évaluation de l'effet stérilisant et de la dégradation due à la chaleur provoqués par un-procédé UHT, on emploie les paramètres du système qui suivent: At (dégradation thermique totale) et Fo (effet stérilisant total) Par exemple, dans une installation connue, fonction- nant à une température caractéristique de fixation de 1380 C, un abattement à un quart du débit augmente Fo de 8,3 à 34,3 (unités arbitraires) et augmente At de 8860 à 36020 (unités arbitraires) On peut voir que l'effet de l'abattement est important et peut conduire à un produit non satisfaisant. Selon la présente invention, on prévoit une méthode de traitement indirect d'un liquide à ultra-haute température caractérisée en ce que le débit du liquide peut &tre modifié et dans laquelle la température de fixation du liquide est choisie entre la température caractéristique de fixation de ce liquide et une température au-dessus de ladite température caractéristique de fixation, l'agencement étant tel que, tandis que le débit du liquide baisse, la température de fixation baisse également. Si, dans la méthode de stérilisation, on emploie une température supérieure à la température habituelle et un temps de fixation suffisamment écourté, alors tandis que le débit du liquide baisse, le temps accru de fixation peut être compensé en réduisant la température de fixation La dégradation thermique accrue peut par conséquent Etre diminuée, tout en maintenant un effet stérilisant satis- faisant. Dans un mode de réalisation préféré, le liquide est du lait et la température de fixation varie entre 138 et 1400 C. La présente invention sera mieux illustrée à titre d'exemple en se-référant au schéma joint dans lequel: La figure unique est une représentation d'une partie d'une installation de stérilisation du lait par traitement UHT, o est incorporé un mode de réalisation de l'invention. Le lait entre par la ligne 1, à une température de 50 C, en provenance d'une réception ou de stockage de lait en vrac et il entre dans un groupe d'espaces d'écoulement d'un premier échangeur de chaleur 2,3 La température du lait brut est élevée à 740 C par la chaleur échangée avec le lait traité dans l'autre groupe d'espaces d'écoulement 3. Cette régénération directe sert à conserver l'énergie. Le lait brut préchauffé quitte l'échangeur de chaleur 2,3 par la ligne de sortie 4 vers un homogénérseur 5. L'homogénérseur produit la pression requise pour entraîner le lait à travers l'installation vers l'installation de remplissage aseptique qui suit, et peut également servir de régulateur d'écoulement. De l'homogénéiseur 5, le lait passe par la ligne 6, vers un groupe d'espaces d'écoulement 7 d'un échangeur de chaleur régénérateur de chaleur 7,8 L'échangeur de chaleur régénérateur 7,8 élève la température du lait à 1220 C. La chaleur requise pour-cette augmentation de température est fournie par le fluide régénérateur qui circule dans l'autre groupe d'espaces d'écoulement 8. Le circuit régénérateur comprend les espaces d'écoulement 8 et la ligne de retour 9, un refroidisseur 10, une ligne d'alimentation 11, des espaces d'écoulement 12 et une ligne 13 Le circuit régénérateur a pour but le transfert indirect de chaleur du lait stérilisé au lait brut préchauffé Le fluide régénérateur à 780 C quitte le refroi- disseur 10 le long de la ligne d'alimentation 11 et il entre dans les espaces d'écoulement 12 de l'échangeur de chaleur régénérateur 12,25 o il retire une quantité de chaleur suffisante pour élever sa température à 1200 C Le fluide générateur passe alors par la ligne 13 vers les espaces d'écoulement 8 o la majorité de cette quantité de chaleur est transférée au lait brut préchauffé dans les espaces d'écoulement 7 La température du fluide régénérateur baisse à 820 C et il est ramené, le long de la ligne 9, au refroi- disseur 10 qui empêche une surchauffe L'incorporation d'un tel circuit régénérateur donne au traitement UHT une forte économie thermique. La ligne 14 transporte le lait chauffé vers un groupe d'espaces d'écoulement 15 de l'échangeur de chaleur à haute température 15, 16 L'échangeur de chaleur à haute température 15, 16 chauffe le lait à une température de 1400 C. A cette température, une stérilisation se produit rapidement, usuellement en 2 à 4 secondes Le circuit du fluide de fonctionnement de l'échangeur de chaleur à haute température comprend les espaces d'écoulement 16, les lignes 17 et 18 et le réchauffeur 19, qui sert également de pompe et de régulateur d'écoulement Le fluide de fonctionnement à 1420 C quitte le réchauffeur 19 le long de la ligne-18 et traverse l'espace d'écoulement 16 pour émerger dans la ligne 17 à 1240 C et retourner au réchauffeur Un moyen 28 de réglage de la température est prévu pour régler la température du fluide de fonctionnement dans la ligne 18. Le rapport du débit du fluide de fonctionnement dans l'espace d'écoulement 16 à celui du liquide dans l'espace d'écoulement 15, est sensiblement maintenu égal à l'unité par un régulateur d'écoulement qui peut par exemple Etre incorporé dans le réchauffeur 21 Avec un rapport d'écoulement égal à l'unité, la différence de température à travers les surfaces de transfert de chaleur sera constante dans toute la section à haute température et le profil de température sera linéaire. Un profil de température non linéaire a pour résultat une augmentation de la dégradation thermique Par ailleurs, l'allure de dépft de matières d'encrassement est fonction de la différence de température; on sait qu'un profil non linéaire augmente le dép 6 t. Le lait chauffé passe dans le tube de fixation 20 à 140 'C Pendant le passage du lait à travers le tube de fixation, la stérilisation et la dégradation thermique continuent La température caractéristique de fixation pour le lait est de 1380 C et le temps de fixation est de 4 secondes. Dans la méthode donnée à titre d'exemple en suivant les ensei- gnements de la présente invention, on emploie une température de fixation de 140 'C pendant un temps de fixation de 2 secondes lorsque l'installation fonctionne à son débit maximum. Du tube de fixation 20, le lait passe vers un groupe d'espaces d'écoulement 25 de l'échangeur régénérateur de chaleur 12,25 o la température est abaissée à 880 C, une certaine quantité de chaleur étant retirée par le fluide régénérateur qui circule à travers les espaces d'écoulement 12. La ligne 26 transporte le lait du second échangeur régénérateur de chaleur 12,25 dans un groupe d'espaces d'écoulement 3 de l'échangeur de chaleur 2,3 La température du lait traité baisse à 19 'C pendant son passage dans les espaces d'écoulement 3, parce que de la chaleur est échangée avec le lait froid dans l'autre groupe d'espaces d'écoulement 2. La ligne 27 transporte le lait traité vers une installation aseptique d'emballage. Dans le lait, une dégradation thermique peut se produire à une température supérieure à 80 OC, avec déphos- phorylation partielle de la caséine et dénaturation des protéines du sérum La déphosphorylation de la caséine conduit à une interruption des micelles, tandis que la dénaturation des protéines du sérum, comme la lactoglobuline, peut libérer des composés volatils de soufre, comme le sulfure d'hydrogène et certains mercaptans Ces deux effets altéreront le goût du lait Cependant, dans le traitement UHT, le lait doit rester au dessus d'une température de 1350 C pendant au moins deux secondes si l'on veut détruire les spores bactériennes résistant à la chaleur, les bactéries thermoduriques, les moisissures thermoduriques et autre organismes résistants comme les leptospires Si l'on connaft le profil température- temps pour le'procédé du traitement UHT, alors on peut calculer l'effet stérilisant et la dégradation thermique et il faut noter que la section de régénération contribue à ces facteurs Le choix de la combinaison temps/température est un compromis pour une installation donnée fonctionnant à sa capacité nominale. Un rapport typique d'abattement pour une installa- tion peut 8 tre de 4 à 1 Cela peut réduire considérablement la qualité du produit, car le débit'signifiera un plus long temps effectif de résidence dans le tube de fixation avec la dégradation thermique qui l'accompagne. Dans ce mode de réalisation, l'abattement est accompagné d'une réduction de la température du fluide de fonctionnement dans la ligne 18, sous le contr 6 le du moyen de réglage de la température 28 Cela réduit la quantité de chaleur transférée de l'espace d'écoulement 16 à l'espace d'écoulement 15 et cela réduit la température du lait dans le tube de fixation 20 La température du lait dans le tube de fixation est réduite de 1400 C à 1380 C pour le rapport typique d'abattement de 4 à 1 La réduction de température compense ainsi l'augmentation du temps dé fixation qui se produit avec le plus faible débit. Une surveillance du système peut être accomplie par des capteurs (non représentés) et par un système de commande par microprocesseur (non représenté), agissant par l'intermédiaire du moyen de réglage 28. Bien que cet exemple ait été illustré en se réfé- rant à une installation de traitement UHT du lait, l'inven- tion peut également s'appliquer à d'autres cas o l'on souhaite la stérilisation thermique d'un fluide thermo- dégradable. Par exemple, la température caractéristique de fixation d'un jus de fruit ayant une acidité en dessous de p H 4,6 est de 900 C pour un temps de fixation de 30 secondes. Comme autre exemple, la température caractéristique de fixation pour du jus de fruit d'acidité moyenne, comme du jus de tomate, sera de 1200 C pour 45 secondes. La température au-dessus de la température caractéristique de fixation à laquelle l'installation fonctionne à un plein débit est déterminée par des paramètres de l'installation comme la section transversale des espaces d'écoulement et autres détails particuliers de construction. La longueur du tube de fixation est déterminée d'une façon semblable. REVENDICATIONS 1 Procédé de traitement indirect à ultra-haute température pour un liquide caractérisé en ce que le débit du liquide peut être modifié et en ce que la température de fixation du liquide est choisie entre la température carac- téristique de fixation de ce liquide et une température au-dessus de ladite température caractéristique de fixation, l'agencement étant tel que, tandis que le débit du liquide baisse, la température de fixation baisse également. 2 Procédé selon la revendication 1 caractérisée en ce que la température de fixation est choisie par un moyen de réglage de température. 3 Procédé selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que le liquide est du lait. 4 Procédé selon la revendication 3 caractérisé en ce que la température caractéristique de fixation est de 1380 C et en ce que la limite supérieure de la température de fixation est de 140 'C. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le liquide est un jus de fruit ayant une acidité en dessous de p H 4,6. 6 Procédé selon la revendication 5 caractérisé en ce que la température caractéristique de fixation est de 900 C. 7 Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que-le liquide est un jus de fruit de p H inférieur à 4,6. 8 Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que la température caractéristique de fixation est de 1200 C. 9 Dispositif pour le traitement indirect à ultra- haute température d'un liquide caractérisé en ce que le débit du liquide peut etre modifié et en ce que des moyens ( 28) sont prévus pour choisir la température de fixation du liquide entre la température caractéristique de fixation dudit liquide et une température au-dessus de ladite température caracté- ristique de fixation, l'agencement étant tel que, tandis que le débit du liquide baisse, la température de fixation baisse également. 10 Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comprend un moyen pour faire varier le débit du liquide. 11 Dispositif selon la revendication 10 > caractérisé en ce qu'il est utilisé avec un moyen externe pour faire varier le débit du liquide.