Brevet FR2565122A1 — publié le 19851206

- 1 La présente invention concerne un équipement utilisé pour séparer ou combiner sélectivement des composants en phases fluides. L'invention convient particulièrement à l'utilisation dans des procédés continus de telles prépa- rations ou combinaisons de composants fluides. On maîtrise le procédé en contraignant les fluides ou les composants des fluides à diffuser au travers de corps céramiques poreux d'un type particulier qui sera décrit ci-dessous avec davantage de détails. Il est très commun d'avoir à séparer des composants de courants fluides au cours de traitement chimique continu de nombreux types et autres opérations d'ingéniérie. L'une des techniques les plus courantes est d'utiliser des membranes semi-perméables de matériaux polymères qui offrent différen- tes perméabilités à différents composants du courant à séparer. Les différences de perméabilité peuvent reposer sur des interactions physiques ou chimiques entre le ou les composant(s) de la membrane et ceux du fluide. Plus couramment, elles reposent simplement sur la présence, dans la membrane, de petits pores qui sont ouverts au passage d'un composant du fluide ayant des molécules ou des particules relativement petites mais qui empêchent le passage d'un autre composant ayant des molécules ou des particules plus grandes. On a constaté dans la pratique que la plupart des séparations à l'échelle commerciale demandent des membranes ayant des pores assez petits, lesquels, par suite, ont une faible vitesse de diffusion, même pour le composant qui les traverse le plus rapidement. La vitesse peut être accrue en soumettant le fluide à une pression, mais cela nécessite que la membrane ait une résistance mécanique suffisante pour résister à cette pression et empêcher son tassage, sa déformation ou sa rupture. Une telle résistance mécanique est normalement obtenue en épaississant la membrane, mais cela réduit la vitesse de diffusion et l'on entre donc. dans un cercle vicieux. L'utilisation d'une forte pression n'est pas'utilisable 2565 122 -2- avec certains fluides, en particulier 'des fluides biolo- giques, tels que le sang. La pression peut endommager les structures cellulaires. Même les suspensions colloïdales non biologiques, telles que nombre de polymères de latex courants, peuvent être sujettes à des dégradations similai- res sous l'effet de la pression. Dans le passé, on a utilisé des céramiques poreuses pour la séparation de composants fluides, fondamentalement dans des procédés de filtration dans lesquels les composants solides finement divisés d'un fluide sont séparés. Du fait de leur sensibilité à la rupture, et de la difficulté de faire des couches céramiques fines ayant une taille de pores étroitement réglée, les filtres céramiques doivent normale- ment être plus épais que les membranes polymères. Par suite, ils offrent des vitesses de séparation encore plus lentes que les membranes polymères. Cela a limité l'utilisation pratique des céramiques comme dispositif de séparation. Une structure de filtration en céramique à couches a cependant été décrite dans la demande de brevet français n 81 06340 déposée le 30 mars 1981. Des moyens pour mélanger des composants dans un fluide à des vitesses contrôlées sont également utiles dans des procédés industriels et médicaux, bien qu'ils soient proba- blement moins souvent utilisés que comme moyens de sépara- tion continue. On a constaté que des corps céramiques supérieurs pour régler la diffusion de composants fluides peuvent être fabriqués en agglomérant certaines poudres de céramique pour donner des corps céramiques ayant une taille de pores hautement uniforme et une grande résistance mécanique. De préférence, des poudres d'au moins deux tailles sont utilisées, obtenant ainsi une structure à multicouches dans laquelle une couche mince ayant des pores relativement petits est réunie à au moins une couche plus épaisse ayant des pores beaucoup plus grands. La couche épaisse fournit la résistance mécanique tandis que la couche mince apporte la sélectivité combinée à une vitesse raisonnable de fonction- -3- nement. Les corps céramiques selon l'invention peuvent être utilisés le plus efficacement lorsqu'ils sont incorporés dans des structures qui diffèrent des feuilles plates S classiques ou des tubes uniques ou des fibres creuses le plus couramment utilisés pour l'élimination de particules contenues dans des liquides ou des gaz de fractionnement de micromolécules. Le produit décrit par la présente invention comprend une série d'espaces cylindriques déterminés par des parois ayant des doubles couches du type précité dans un seul élément de séparation, généralement de forme cylindri- que et de grande longueur. Des répartiteurs ou dispositifs similaires à l'une des extrémités ou aux deux extrémités des éléments sont prévus respectivement pour l'introduction et la récupération des fluides d'entrée et de sortie. L'invention est décrite ci-après en référence aux dessins annexés. La figure 1 est une vue en perspective partielle d'une partie d'une forme d'exécution préférée d'un élément céramique poreux entrant dans le cadre de la présente invention. La figure 2 est une coupe longitudinale prise selon la ligne 2-2 de la figure 1, mais à plus grande échelle. Cette vue en coupe montre la structure à double couche, composée dans ce cas d'une couche à pores fins 28 et d'une couche à pores plus grossiers 26. Dans cette forme d'exécution particulière, l'espace cylindrique central 22 n'est pas revêtu d'une couche à pores plus fins car elle est utilisée comme espace de récupération perméable plutôt que comme moyen de séparation. Cette couche peut se trouver sur toutes les surfaces du dispositif si besoin est. La figure 3 est une vue en perspective d'un appareil utilisant un élément de séparation tel que représenté aux figures 1 et 2, avec un manchon et des conduites pour réunir l'élément de séparation à un courant traité en continu.. La figure 4 est une vue en coupe longitudinale prise selon la ligne 4-4 de la figure 3. -4- Les figures 5, 6 et 8 sont des vues en coupe d'autres formes d'exécution possibles de l'invention, tandis que la figure 7 correspond à la vue en perspective de la forme- d'exécution de la figure 7 prise selon la ligne 8-8. En sélectionnant convenablement les fluides, ces struc- tures représentent un perfectionnement significatif par rapport à la structure antérieurement connue pour microfil- tration ou ultrafiltration, c'est-à-dire la structure décri- te dans la demande de brevet français précitée. Cela est fondamentalement dû à l'augmentation de rapports entre la surface de filtration par unité de volume. L'appareil selon l'invention est de préférence cons- truit en matériau céramique aggloméré, ayant une taille de pores substantiellement uniforme, une bonne résistance mécanique et une résistance à la corrosion. Une grande variété de poudres de céramique connues, telles que les oxydes d'aluminium, de silicium, de zirconium, de titane, de chrome ou de magnésium; les carbures de silicium, titane ou tungstène; ou les minéraux naturels tels que la cordiérite, la mullite, etc... conviennent pour la construction de ces dispositifs. On peut également utiliser des mélanges des composés précités. Un procédé de fabrication de tubes céramiques poreux formés de multiples couches de céramique ayant des porosités différentes est décrit dans la demande de brevet US n 06/550 746 déposée le 9 novembre 1983 ayant pour titre "Apparatus and Methods for Therapeutic Aphoresis". Plus l'élément de réglage de la diffusion est épais, plus la vitesse de passage au travers de l'élément est faible. Il est donc économiquement souhaitable de conserver cette épaisseur aussi petite que possible en conservant toutefois une résistance et une durabilité suffisantes à l'élément. Il est nécessaire que l'épaisseur de la paroi de l'élément de réglage de la diffusion soit d'au moins 1 micron si la paroi toute entière contient des pores d'épaisseur uniforme et que la céramique soit une céramique d'alumine. -- 5 65-- Le fonctionnement de l'invention peut être compris en relation avec les dessins. Les figures 1 et 2 montrent une forme d'exécution préférée de l'invention généralement désignée par la référence 20 et convenant à la séparation en continu de composants fluides. Une série de canaux 24 s'étend tout au long de l'élément 20. Chaque canal 28 a pour paroi une couche mince de céramique 28 à pores fins qui est elle-même entourée d'une céramique 26 à pores plus gros. Un canal central 22 de plus grand diamètre s'étend tout au long de l'élément. On comprendra que les dimensions de la forme d'exécu- tion 20 peuvent être considérablement modifiées. La porosité des couches 28 et 26 peut être réglée séparément en utilisant des poudres de céramique appropriées pour l'agglo- mération, de façon qu'elles aient des pores fondamentalement compris dans la gamme allant d'environ 0,01 micron et 20 microns ou plus. Habituellement, le volume des pores sera de à 55 % du volume total de ces couches, avec généralement au moins 95 % des pores interconnectés sous la forme d'un chemin d'écoulement sinueux. Dans la plupart des applica- tions, on préfère que le dispositif 20 ait un diamètre compris dans la gamme allant d'environ 2 mm à environ mm; que le canal central 22 ait un diamètre allant d'environ 0,5 à 10 mm et que les canaux périphériques 24 aient un diamètre allant d'environ 0,2 à 5 mm, un diamètre n'excédant pas 2 mm étant toutefois préféré. La couche 28 a normalement une épaisseur comprise entre 1 et 15 microns. L'espace entre les pores doit être réglé de façon à être compris entre 0, 1 mm et 2 mm. On peut utiliser toutes longueurs convenables compatibles avec la technologie d'agglomération des céramiques, une longueur de i mètre étant approximativement la limite supérieure réalisable dans l'état actuel de la technique. En pratique normale, l'élément 20 est utilisé en con- jonction avec d'autres équipements représentés aux figures 3 et 4. Un manchon imperméable aux fluides entoure l'élément et, avec les bouchons d'extrémité 34a et 34b et des -6- éléments connecteurs élastiques 38, il empêche le fluide à séparer de s'échapper. Le fluide est avantageusement introduit dans la série de canaux 24 au moyen d'un répartiteur facultatif 40a qui est prévu avec une série correspondante de tubes d'alimentation 42a traversant les ouvertures respectives 44 du bouchon d'extrémité 34a pour être ensuite enfilés à force dans les extrémités des éléments connecteurs élastiques respectifs 38. Les ouvertu- res 44 sont avantageusement pourvues de bagues annulaires 46 pour les rendre étanches aux fuites de fluide. Un connecteur 48a est prévu sur le répartiteur 40a pour réunir ce dernier à une source d'alimentation en fluide non représentée. Les bouchons d'extrémité 34a sont légèrement espacés de l'élé- ment céramique 20 et ce dernier est convenablement position- né à l'intérieur du manchon 32 au moyen d'écarteurs 36. Les connecteurs 50a et 50b donnent accès à l'espace connecté y compris le canal central 22 de l'élément céramique et l'espace 52 entre l'élément céramique et le manchon 32. TToutes les structures auxiliaires utilisées en con- jonction avec l'élément 20 doivent être faites en un matériau imperméable aux fluides et chimiquement inerte par rapport au fluide à transporter. La forme d'exécution de l'invention représentée aux figures 1 à 4 peut être utilisée de diverses manières. L'une des plus simples est un procédé de séparation, à partir d'un fluide F, d'un composant A qui diffuse au travers d'une céramique à pores fins plus rapidement qu'un autre consti- tuant du fluide F. Le fluide F pourrait être introduit par le connecteur 48a dans le répartiteur 40a puis dans les canaux 24 de l'élément céramique 20. Le connecteur 50a serait fermé. Un vide pourrait être maintenu au moyen du connecteur 50b ou le fluide F pourrait être introduit à une pression supérieure à la pression atmosphérique dans le connecteur 48a. Dans les deux cas, le fluide F serait séparé par son passage au travers de l'appareil en un courant Fd dépourvu du composant A et un courant Fe enrichi en constituant A. Le courant Fd pourrait être soutiré par le - 7 connecteur 48b, tandis que le courant F pourrait être e récupéré par le connecteur 50b. Des procédés plus complexes utilisant la forme d'exécu- tion 30 sont facilement concevables par l'homme de l'art. Par exemple, un second fluide G pourrait être introduit dans le connecteur 50b, tandis que le fluide F serait introduit dans le connecteur 48a comme précédemment. Tandis que les fluides passeraient concurremment au travers de l'élément, le composant A diffuserait dans le fluide G. Ainsi, les courants de sortie seraient formés de Fd qui est une variante de F dépourvu de A comme précédemment, et Ge qui est une variante de G enrichi en composant A pouvant être récupéré par le connecteur 50a. Un exemple pratique particulier d'une telle utilisation de la forme d'exécution 30 pour l'échange à contre courant des composants fluides est l'oxygénation artificielle du sang, procédé qui est bien connu comme partie importante de certains traitement médicaux. A cette fin, l'oxygène serait introduit par le connecteur 48a et le sang contenant de fortes pressions partielles de dioxyde de carbone mais peu d'oxygène serait introduit par le connecteur 50b. Lorsque la taille de pores de la couche 28 est suffisamment petite, aucun des composants du sang, sinon l'oxygène et le dioxyde de carbone, ne peut passer au travers de la couche, de telle sorte que le sang ré-oxygéné peut être soutiré par le connecteur 50a et qu'un mélange d'oxygène et de dioxyde de carbone est enlevé par le connecteur 48b. Ce procédé peut être mis en oeuvre avec des différences de pression faibles entre le sang et les courants de fluide oxygéné du fait que la différence de pression partielle de l'oxygène et du dioxyde de carbone d'un côté à l'autre de la- structure composite 28/26 fournit une force d'entraînement suffisant à l'échange. Un exemple typique d'utilisation de la forme d'exécu- tion 30 est le piègeage de cellules dans les cultures de tissus, la propagation cellulaire, la collecte de cellules, le fractionnement de cellules et le recyclage de cellules, - 8 etc, tandis que les composants nutritifs diffusent au travers des couches à pores étroits. L'homme de l'art comprendra que de multiples formes d'exécution du type illustré aux figures 1 à 4 peuvent avantageusement être combinées en tandem ou en parallèle pour obtenir respective- ment de plus grands degrés de séparation ou de plus grands volumes d'écoulement de fluide avec le même degré de séparation. De même, il n'est pas nécessaire d'effectuer des séparations du même type ou de même degré dans des formes d'exécution multiples et successives. Par exemple, le dioxyde de carbone pourrait être enlevé du sang en le soumettant à une dépression dans une première forme d'exécution du type 30, tandis que l'oxygène pourrait être introduit dans le sang dégazé dans une forme d'exécution séparée. De cette manière, on pourrait maîtriser indépendam- ment les taux de dioxyde de carbone et d'oxygène. Une telle maîtrise indépendante peut ne pas être possible dans une forme d'exécution unique fonctionnant avec diffusion croisée entre ces deux gaz. L'un des avantages de la forme d'exécution particulière - du type 20 est qu'elle offre une grande surface spécifique de contact entre les deux courants de fluide. Un autre avantage est que la forme tubulaire de l'élément dans son entier contribue à une bonne résistance mécanique même avec des épaisseurs de parois relativement faibles. De nombreuses autres formes d'exécution de l'invention sont également possibles. Par exemple, la figure 3 montre une forme d'exécution généralement désignée par la référence et ayant deux groupes séparés de canaux 124 et 125 respectivement dans des substrats céramiques 126 et 127. Une région distincte 128 sépare les deux groupes de canaux. Les tailles de pores des régions 126, 127 et 128 peuvent être différentes, comme peuvent l'être également les diamètres des deux groupes de canaux et celui du canal central. On. peut introduire trois fluides différents ou davantage dans une forme d'exécution du type 120. La figure 6 montre une forme d'exécution 220 ayant deux canaux 223 et 224 dont aucun n'est cylindrique ou axial. La forme d'exécution 220 comporte un revêtement céramique non poreux 60, qui remplace le manchon séparé 32 prévu dans la. forme d'exécution 20. Bien que cela ne soit pas représenté à la figure 6, une couche mince de céramique à pores étroits pourrait être prévue comme partie la plus interne de la paroi des canaux 222 et 223. Avec des connecteurs de fluide convenables, on peut réaliser une diffusion croisée entre ces deux canaux, o un fluide unique pourrait être introduit dans les deux canaux et le fluide ayant passé au travers de l'ensemble poreux de la forme d'exécution 220 serait récupéré aux extrémités. Encore une autre variante est représentée aux figures 7 et 8. Ce dispositif 320 est très proche de la forme d'exécution 20 des figures 1 à 4, excepté que le canal central 322 s'étend au-delà de l'extrémité des canaux périphériques 324. Une telle configuration contribue à la séparation des fluides dans le canal 322 du fluide se trouvant dans les canaux 324 au moyen de joints appropriés. Des formes d'exécution de l'invention peuvent être également construites de manière à réaliser un écoulement hélicoidal ou d'autres voies d'écoulement tendant à réduire au minimum la présence de "zones mortes" dans le ou les canaux d'écoulement. Il est entendu que la présente invention peut être réalisée et mise en oeuvre dans d'autres formes que celles représentées ou décrites. - 10 - REVENDICATIONS 1- Appareil de réglage de la diffusion de composants fluides choisis, caractérisé en ce qu'il comprend: (a) un corps céramique poreux (20) ayant au moins un premier canal creux (24) le traversant; (b) des moyens (48a) pour introduire continuellement au moins un premier fluide ayant au moins deux composants chimiques distincts dans ledit canal creux (24) et pour contraindre ledit premier fluide de s'écouler au moins en partie continuellement au travers des pores dudit corps céramique poreux; (c) au moins une première zone dudit corps céramique poreux s'étendant traversalement à l'entier chemin d'écoule- S15 ment du fluide au travers des pores dudit corps et ayant des pores suffisamment étroits pour qu'un composant dudit premier fluide diffuse au travers ladite zone.à une vitesse substantiellement plus grande qu'au moins un autre composant dudit premier fluide; et - (d) des moyens (48b, SOb) pour recueillir séparément (1) la partie dudit premier fluide qui passe au travers des pores dudit corps céramique poreux, et (2) la partie dudit premier fluide qui s'écoule le long dudit canal creux du corps céramique poreux. 2- Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte, dans ledit corps céramique poreux (20), au moins un second canal creux (22) situé de manière à recevoir au moins une partie de l'écoulement provenant de ladite partie dudit premier fluide qui passe au travers des pores dudit corps céramique poreux. 3- Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend une série desdits premiers canaux creux (24) disposés périphériquement autour dudit second canal creux (22). 4- Appareil selon la revendication 3, caractérisé en ce que lesdits canaux creux (24) et le corps céramique (20) ont une forme substantiellement cylindrique. - tI - - Appareil pour régler la diffusion d'un composant choisi d'un fluide dans un autre fluide, caractérisé en ce qu'il comprend: (a) un corps céramique poreux (20) ayant au moins un premier canal creux (24) et un second canal creux (22), chacun desdits premier et second canaux creux traversant longitudinalement ledit corps céramique poreux, et ce dernier réalisant un chemin sinueux continu au travers des pores dudit corps céramique poreux pour l'écoulement de fluide entre lesdits premier et second canaux creux; (b) des moyens (48a) pour introduire continuellement un premier fluide ayant au moins deux composants chimiques distincts dans l'une des extrémités dudit premier canal creux; (c) des moyens (50b) pour introduire continuellement un second fluide dans l'une des extrémités dudit second canal creux; (d) au moins une première zone dudit corps céramique poreux s'étendant transversalement à l'entier chemin d'écou- lement du fluide au travers des pores dudit corps céramique poreux entre lesdits premier et second canaux creux, ladite première zone ayant des pores suffisamment étroits pour qu'un composant dudit premier fluide diffuse au travers de ladite première zone à une vitesse substantiellement plus rapide qu'au moins un autre composant dudit premier fluide; (e) des moyens (48b) pour recueillir à l'extrémité dudit premier canal creux opposée à l'extrémité d'intro- duction dudit premier fluide un troisième fluide qui est appauvri, par rapport audit premier fluide, du composant diffusant le plus rapidement contenu dans ledit premier fluide; et (f) des moyens (50a) pour recueillir à l'extrémité du second canal creux opposée à l'extrémité d'introduction dudit second fluide, un quatrième fluide qui est enrichi, par rapport audit second fluide, en composant diffusant le plus rapidement dudit premier fluide. 6- Appareil selon la revendication 5, caractérisé en ce - 12 - qu'il comporte une série desdits premiers canaux creux (24) disposés périphériquement autour dudit second canal creux (22) qui lui est unique. 7- Appareil selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comprend une série desdits premiers canaux creux (24) disposés périphériquement autour d'une série desdits seconds canaux creux (22). 8- Appareil selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que lesdits premier et second canaux creux (24 et 22) et ledit corps céramique ont une forme substantiellement cylindrique. 9- Procédé de traitement d'un fluide renfermant au moins deux composants chimiques distincts pour l'appauvrir en celui de ces composants qui diffuse le plus rapidement, caractérisé en ce qu'il consiste à l'introduire comme premier fluide dans l'appareil selon la revendication 1 et à recueillir le fluide appauvri à l'extrémité dudit canal creux opposée à l'extrémité d'introduction du fluide. - Procédé de traitement d'un premier fluide, renfer- mant au moins deux composés chimiques distincts, pour l'appauvrir en son composant diffusant le plus rapidement, tout en enrichissant simultanément un second fluide en ce composant, caractérisé en ce qu'il consiste à introduire ledit premier -fluide et ledit second fluide dans l'appareil selon la revendication 5, à recueillir le courant appauvri dudit premier fluide à l'extrémité dudit premier canal creux opposée à l'extrémité d'introduction dans ledit premier canal creux, et à recueillir le courant enrichi dudit second fluide à l'extrémité dudit second canal creux opposée à l'extrémité d'introduction dans ledit second canal creux. 11- Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que ledit courant appauvri dudit premier fluide est enrichi en un composant dudit second fluide. 12- Structure de filtration céramique perfectionnée pour la microfiltration et l'ultrafiltration en écoulement croisé en vue de l'enlèvement de particules à partir de gaz et de fluides, du fractionnement micromoléculaire, du - 13 - recyclage cellulaire ou de la collecte cellulaire, caracté- risée en ce qu'elle comprend: (a) un corps céramique poreux (.20) ayant au moins un premier canal creux (44) le traversant; (b) des moyens (48a) pour introduire un premier fluide contenant une matière particulaire à séparer et contraindre ledit premier fluide à s'écouler en continu au travers des pores dudit corps céramique poreux; (c) des moyens (SOb) pour introduire un second fluide et le contraindre à s'écouler au travers dudit corps à contre courant avec le courant dudit premier fluide, et (d) des moyens (48a, 50a) pour recueillir séparément (1) la partie dudit premier fluide et (2) le second fluide.