Brevet FR2607588A1 — publié le 19880603

1-DESCRIPTION La présente invention concerne un appareillage qui automatise la détermination de la puissance des traitements thermiques assurant la conservation et l'innocuité de produits alinentaires ou pharmaceutiques. Elle concerne principalenent des traitements de stérilisation-cuisson appliqués à des produits préalablement conditionnés dans des récipients hermétiquenent ferMés ou non. Conditionnés en récipients hermétiques et stérilisés par la chaleur ils portent alors le non de conserves appertisées.Leur conservation est assurée pour plusieurs années quelle que soit la température des locaux de stockage.L'invention s'adresse également å des seni-conserves;produits ayant subi en récipient herpétique ou hors récipients, des traitements plus modérés qui s'apparentent b des cuissons. Dans ce cas la température de stockage de ces semi-conserves est de 40C.Leur durée de vie est alors approximativement comprise entre 2 et 26 senaines.Le traitenent thermique vise avant tout la destruction des spores bactériennes les plus thermorésistantes parmi les systèmes biologiques. I1 engendre toujours à des degrés divers, une oü plusieurs transformations physiques et chimiques au sein du produit.Ces transformations portent alors le nom de cuisson.L'inactivation des enzymes qui stabilise le produit en fait partie. On sait Maintenant que la plupart de ces phénomènes sont régis par des cinétiques du premier ordre.Les paramètres connus de ces cinétiques pernettent de cibler des transformations déterminées qui sont traduites en terne de couples temps température de référence appellés valeurs de F ou Fz/Tref. Pratiquenent,dans la plupart des cas, les procédés therniques de stérilisation-cuisson sont caractérisés par au moins une phase de chauffage suivie d'une phase de refroidissenent.Souvent la période de chauffage se décompose en une phase de montée(CUT) à une certaine température dite de régime(Tr) et d'une autre de maintien de cette teMpérature pendant un certain temps (B)Ce couple temps-température (B/Tr) s'appelle barène de stérilisation ou de cuisson selon que l'on vise la destruction des microorganismes ou d'autres transformations physico-chimiques.Déterminer ces barèmes par des Méthodes nodernes consistent å trouver une équivalence entre les valeurs de Fz/Tref relatives à l'aliient et les conditions de traiteients thermiques en surface que l'on imposera à l'extérieur de l'aliment.De la l'iMportance de la mesure de la puissance d'un traitement therMique en terne de valeurs de FzfTref au cours du traitement thermique et celle de calculer des barèmes de stérilisation - cuisson lorsque l'on pose l'objectif à atteindre (Valeur de Fz/Tref.connue). La détermination des traitements thermiques de stérilisation ou de cuisson se fait traditionnellement en Mesurant à l'aide d'une sonde thermoélectrique, l'évolution de la teMpérature, au point le Moins chauffé du récipient et,dans le cas d'une stérilisation, au point le plus contamminé en spores bactériennes. À partir de l'évolution de température on détermine par intégration nuMérique la valeur de Fz/Tref(méthode de Bigelow et Méthode des trapèzes)qui indique,par rapport 9 une valeur de Fz/Tref prédéterninée,le degré de cuisson et/ ou de stérilisation atteind.D'autres méthodes de mesure des valeurs de Fz/Tref sont mis en oeuvre qui ne font pas appel à la détermination de la teMpérature dans le produit Mais bien å des capillaires de verre contenant une substance chixique,biologique comme des Microorganismes.Cette méthode a fait l'objet d'un brevet(n de publication 2155057,invention de l'auteur du présent brevet dépose le 5 octobre 1971 "Procédé permettant de Mesurer des transformations biophysicochimiques dans des produits soumis à des traitements thermiques.") Afin de faciliter le calcul des valeurs de Fz/Tref,l'auteur avec trois autres inventeurs ont breveté un système permettant de calculer automatiquement les valeurs de F, Stérilisatrices ou Cuisatrices ( N0 d'enregistrement national 7005290 déposé le 13 février 1970"Appareil permettant de chiffrer automatiquement les effets du traitement thermique des conserves").Cet appareil effectue l'intégration par un système analogique à partir des données de températures fournies par les sondes introduites dans les récipients de conserve contenant le produit à stériliser.Plus tard apparaitront sur le marché des systèmes digitaux plus compacts.Les systèmes des deux méthodes brevetées citées ci-dessus ainsi que ceux des appareils digitaux ne déterminent pas le moment où doit conencer la phase de refroidissement ou tout changement de régime dans le traitement thermique. La mise en oeuvre de Méthodes de résolution semianalytiques (fléthode de Ball par exemple) ou analytiques permettent de résoudre ces problèmes.Les calculs se font après le traitement thermique sur la base d'une exploitation des données expérimentales des températures. La mesure de température,au sein d'un produit où la conduction prédomine, peut introduire des erreurs importantes dans la détermination des valeurs de TStTref et des barèmes. Ceci conduit b la non stérilité du produit donnant lieu a de graves intoxications alimentaires. (Botulisme entre autre.) Souvent les mesures sont instables.Elles sont affectées par des variations brusques du champ électrique,qui se produisent par exemple, à l'ouverture d'une vanne électromagnétique fonctionnant à proximité. Enfin les appareils et les mesures qui en découlent sont sensibles aux conditions d' humidité et de température élevées,de salinité et d'acidité de l'air;lgair ambiant utilisé tel quel comme agent de refroidissement détériore les composants électroniques des circuits en les laissants fonctionner souvent d'une manière erratique.Les systèmes qui utilisent le condenseur d'un groupe froid pour decharger l'air de son humidité ont l'inconvénient, de devoir faire fonctionner un compresseur et des relais;source de parasitage.Ces systèmes peuvent perturber la mesure et fausser les calculs de valeurs stérilisatrices et de barèmes. Le système selon l'invention permet,en cours de traitement thermique, de calculer automatiquement le moment où l'on devra proceder au refroidissement du stérilisateur tout en s'assurant de la qualité des mesures obviant aux défauts précités. à titre indicatif mais non limitatif nous donnons dans les dessins de la planche i un exemple de réalisation. La figure 1 montre les éléments que doit comporter le système pour fonctionner correctement.La figure 2, détaille les particularités de l'absorbeur d'humidité de l'air qui refroidit et maintiens l'hygrométrie de l'électronique du système. Le système coMporte obligatoirement les éléments suivants: a)Une unité centrale å base de microprocesseur (I) et un clavier {2} pour l'entrée des instructions de fonctionnement. b)un compteur de temps, c)un convertisseur analogique numérique permettant d' effectuer simultanément au moins deux mesures de température, l'une dans le milieu chauffant et refroidissant{3) du stérilisateurs (4) l'autre dans l'aliment (5) ou dans un solide de diffusivité thermique connue (6) d)des sondes thermoélectriques de toutes natures (thermocouple,résistance électrique, thermistance ) ou d'autres sondes par exemple des capteurs de pression.Toutes les sondes sont enrobées, d'un isolant thermique au moins dans la partie qui est en contact avec le produit et avec le milieu chauffant et refroidissant afin de minimiser l'apport direct en calories du milieu chauffant par l'intermédiaire de la sonde. e)des sorties pour permettre la commande d'éléments péréphériques telles que wannes,résitances électriques,signaux lumineux etc. Le système comporte accessoirement un ou plusieurs lecteurs de disquettes (7) ,un écran (8) et une imprimante {9),un logiciel d'exploitation sur disquette ou sur disque dur, Le logiciel-,transcrit soit en mémoire morte soit sur disque, -commande: a).la mémorisation des valeurs numériques des signaux analogiques transmis par les capteurs(sondes)transformés par le convertisseur analogique nusérique.Ces valeurs sont restituées sous forme de courbes ou de tableaux , en temps réels sur l'écran et en différé sur l'imprimante. b).l'exploitation, des données pendant la première phase du traitement thermique par un algorithme spécifique pour déterminer la valeur des paramètres thermiques fh et j du produit dans le cas d'une conserve, la diffusivité thermique,ou tous autres paramètres connus de l'homme de l'art qui ont pour objet la description analytique des transferts de chaleur dans le produit. c)l'exploitation immédiate de ces caractéristiques thermiques pour déterminer au cours de la stérilisation le moment où une nouvelle phase devra s'éxécuter(le refroidissement par exemple dans le cas d'une stérilisation thermique d'un produit alimentaire ou pharmaceutique.) la prise en compte de nouvelles conditions apparues en cours ou non du traitement thermique tels que baisse de la température de régime en dessous de celle qui était prévue,modifications du format des récipients,de la température initiale des boites etc. d)l'exploitation des systèmes cités ci-après: Le système électronique de mesure exploite,par l'intermédiaire d'une sonde,la température au centre géométrique d'un cylindre plein (6) de dimensions connues, de matière résistante a 150 C, Le cylindre et sa sonde parfaitement solidarisés par du joint thermiquement résistant sont placés dans le stérilisateur(4} où ils recoivent un traitement thermique similaire à celui que subirait un produit solide conditionné dans un récipient dont les dimensions sont approximativement celles du cylindre.La courbe de température et les paramètres fh et j qui en sont déduits sont comparés automatiquement a une courbe calculée FA partir de la diffusivité thermique du matériau constituant le cylindre.Toute déviation importante par rapport å la courbe standard traduit une anomalie de la sonde de température.Cette anomalie est quantifiable. Le système calcule en effet les valeurs de fh et de j a partir des mesures de la sonde dans le cylindre et les rapporte aux valeurs standards calculées a partir de la diffusivité thermique du matériau. Si les valeurs de fh sont approximativement de 25 X ou plus inférieures au valeurs de fh et j du standard alors la sonde ne peut plus donner de mesures correctes.Ceci est dû au fait que dans la partie rigide de certaines sondes sont aménagés deux ou trois cannaux par où passeront les fils des thermocouples ou des autres types de capteur thermique. L'étanchéité est assurée en remplissant les espaces libres par du joint.Cotse la pression à l'extérieur du récipient est supérieure au moins dans les premières minutes de traitement à la pression interne,des molécules de vapeur ou d'eau surchauffée peuvent se frayer un chemin au travers du joint qui bouche les canaux par où passent les fils.Ces molécules transfèrent directement les calories du milieu de chauffage jusqu'au point de mesure. Ce phénomène apparaît dans des sondes neuves ou usagées. Le système,s'étalonne constamment avec une sonde de référence (10)et compense les pertes de signaux électriques. Cette compensation va permettre d'intercaler pour les thermocouples, de longs fils de même nature entre la soudure chaude et la soudure froide.Ceci permet d'éloigner l'appareil de mesure des stérilisateurs pour se mettre dans un endroit moins hostile,à l'abri des projections d'eau ou de vapeur.Le système peut être éloigné ainsi d'une vingtaine de mètres sans enregistrer de déviations importantes dans les mesures. L'appareillage est recouvert par un caisson étanche ( en matériaux transparents tels que verre ou plastique dont un battant peut s'ouvrir pour accéder aux différentes parties du système. Au centre de la partie supérieure est fixé un tube coudé (12) d'environ 12 mm de diamètre muni dans sa partie horizontale d'un clapet antiretour (13) et d'une pompe (14)placée sur le circuit d'air.Âu bas du caisson est fixé une cartouche cylindrique(15) contenant un sel hygroscopique ou un autre dessiccant.La communication avec l'intérieur du caisson s'établit par 11 intermédiaire d'un déflecteur en col de cigne (16).L'air frais passant au travers de la cartouche de déssechant est obligé de passer sur l'électronique des appareils du système (7),(8),(9).et d'y circuler par l'intermédiaire d'embouts creux disposés en ligne.Chaque appareil du système est isolé du précédent par une plaque support transparente qui réalise un compartiment étanche.(17). Une sonde d'humidité (18) et la sonde thermométrique de référence (10) renseignent sur l'humidité et la température du caisson. Le système peut afficher l'hygrométrie et la température et mettre en marche ou arrêter la pompe (14) lorsque des seuils de température et d'hygrométrie sont franchis. Si la température est trop basse le système peut fonctionner en circuit fermé en agissant sur le robinet à deux voies (19) de communication avec l'extérieur.L'air continuera è se décharger de son eau mais il se réchauffera par les appareils sur lesquels il passe.Le logiciel est programmé pour réaliser la régulation de l'enceinte de ces deux paramètres. La figure 2 détaille le système de déshumidification de l'air ou de tout autre gaz. il est construit en matériau transparent comme le verre. il est constitué de deux parties encastrables:le capuchon (i) et la cartouche(2) qui se déboîtent facilement pour permettre le remplissage en sel du cylindre creux inférieur .Le capuchon(1} comporte le col de cigne et l'embout plongeant d'arrivée d'air frais(3).Celui-ci s'évase en cône à son extrémité (4).La partie conique,sauf le fond, est percée de multiples trous.L'air frais est ainsi obligé de remonté dans la cartouche sans entrer en contact direct avec la solution saline concentrée.Le fond de l'embase cônique(4)se trouve à quelques millimètres au dessus d'une grille(5) à larges mailles qui retient le sel solide mais laisse passer la solution saturée dans la cuvette inférieure(6).Àu contact de l'humidité du gaz,le sel se dissout progressivement. La solution saturée en sel s'écoule au travers de la grille et est recueillie dans la cuvette où elle peut être vidangée par ouverture du robinet(7).Le niveau de solution saturée est visible å l'oeil.Le niveau Maximum situé a quelques millimètres de la grille(5) est détecté par une sonde(8) branchée sur l'unité centrale. Le logiciel prend en charge cette détection et avertit sur l'écran de l'obligation de vidanger la cuvette par (7).Une variante consiste i injecter par le bas de l'appareillage du gaz neutre sous pression en bombe,utilisée pour nettoyer entre autre l'électronique.La détente du gaz est mise à profit pour refroidir l'enceinte.LA bombe se substitue alors à la cartouche de déssechant et l'embout vient se fixer en (10),la pompe est alors déconnecté:le gaz sortant librement par le haut de l'appareil. Une autre variante consiste à connecter la bombe de gaz neutre sur l'arrivée en (2) du fluide frais,qui pourra se décharger de son excès d'humidité au travers de la cartouche(15) L'exemple comparatif qui suit, donné a titre illustratif permet de mieux faire comprendre les moyens mis en oeuvre, 1' Intérêt et l'originalité du système. Dans l'exemple ci-dessous trois mesures simultannées de températures sont effectuées.Une sonde thermocouple cuivre -constantan plonge dans la poche thermométrique de l'autoclave (Stérilisateur thermique)et suit l'évolution de température du milieu chauffant et refroidissant b partir duquel les transferts de chaleur sont s'opérer dans le pâté de foie placé dans des boites à conserve rondes de format 1/4 basse (diamètre intérieur 100 mm.).Une deuxième sonde mesure,au centre géométrique l'évolution de température dans le cylindre plein de dimensions équivalentes .La troisième sonde est placée par l'intermédiaire d'un presse étoupe ad hoc,au centre géométrique d'une boite de conserve de pâté provenant du lot à stériliser.L'opérateur met en marche l'unité centrale après avoir branché les sondes thermoélectriques, l'imprimante et le système de déhumidification et de purification de l'air.Un menu s'affiche sur ltécran.L'opérateur choisi dans la rubrique "informations" de contrôler l'état hygrométrique de l'air de l'enceinte qui af-fiche 85 X à l'écran.La sonde de niveau de la solution de Chlorure de calcium,utilisé comme déssechant,indique que la cuvette est pleine.L'opérateur vide la cuvette et recharge la cartouche avec du chlorure de Calcium solide.Le seuil d'humidité étant fixé å 65%,la pompe se met en route automatiquement .De l'air passe au travers de la cartouche de dEssechant.La pompe s'arrête lorsque l'humidité s'est abaissée endessous de 65X Le seuil de température de l'enceinte est fixé à 300C. En cours defonctionnement la température est montée 12 fois au dessus de cette limite.ce qui a déclenché 12 fois le système de pompage de l'air frais au travers de l'enceinte.En fin d' expérimentation l'air avait un degré hygrométrique de 46%. Dans le menu principal l'opérateur introduit les paramètres de la stérilisation souhaités,115 C pour Tr température du barème et 3,5 min pour la valeur stérilisatrice F10/121,1 L'unité centrale lui demande de vérifier la bonne connexion et la justesse des températures des trois sondes de texpératures.Le système étalonne ensuite les sondes par rapport å la sonde de référence placée dans l'enceinte, affiche les températures et démarre l'enregistrement et le traitement des données. Les trois sondes;nue,connectées à la boite de pâté et au cylindre sont mises en place dans l'autoclave.Ce drenier est fermé. L'opérateur enregistre le moment où la chauffe de l'autoclave commence.Le système affiche l'évolution des trois températures sous forme graphique au fur et è mesure du déroulement de l'expérience. Le calcul des valeurs de fh et de j se fait indépendamment å partir des deux sondes connectées au cylindre et b la boite de conserve. Le système sauvegarde les données automatiquement et périodiquement sur un fichier de la disquette en cours d'expérimentation. I1 indique après 13 minutes environ de fonctionnement: - pour le cylindre plein la valeur de fh de 31,72 min et la valeur de j de 1,95 - pour la boite de pâté la valeur de fh de 31,00 min et 1,82 pour j. Simultanément est affiché 1,06 pour la première mesure dans le cylindre(rapport des valeurs fh expérimental à fh théorique) et 61 minutes de barème,temps B passé d la température de régime de 11 autoclave qui était de 115,60 C en voyenne.Lorsque les 61 minutes de traitement thermique se sont écoulées,l'unité centrale à envoyer ur. sessage commandant la phase de refroidissement de l'autoclave. Après refroidissement la température interne du paté de porc et volaille est de 47,3 C. La fin des mesures est commandée par le retrait des boites ayant subie la stérilisation, de l'autoclave. L'opérateur imprime les résulats mémorisés par l'unité centrale,tableau des températures en fonction du temps,courbes de températures,courbe des cumuls de valeur stérilisatrice courbes en coordonnées semi-log qui visualisent les paramètres fh et j et enfin le tableau spécifiant les caractéristiques thermiques des produits et les conditions expérimentales de fonctionnement de l'autoclave,les valeurs de FZ/Tref calculées par la méthode d'intégration numérique(Trapèzes)du cylindre et de la boite,le rapport fh cylindre sur fh boite. Date d'expérience:3 juillet 1986,15 H.32 m.17s. Conditions expérimentales Produit:Cylindre plein et boites de pâté Dimensions des récipients:1/4 basse. Valeurs souhaitées F10/121,1:3,5 min. Ts:115 C Valeurs obtenues. CUT:5 minutes. Tr: 115,6 C. Ti: 24,20C Tp: 473O C B : 61,0 min. Contrôle des valeurs de Fz/Tref. F10/121,1 cyl: 3,672 F10/121,1 boite:3,61 Caractéristiques thermiques Cylindre plein. Boite de pâté. fh 31,72 31,00 j 1,82 fh cyl/bte:1,06 L'originalité de l'invention réside dans le fait que: 1: le système détermine la durée d'un traitement thermique de stérilisation, pasteurisation ettou cuisson en cours de fabrication du produit lorsque lui est donné une valeur de FzJTref, valeur relative 9 une puissance stérilisante ou relative à un degré de cuisson. 2: le système contrôle la qualité des signaux émis: a) par la mesure de l'étanchéité des sondes au. passage direct du fluide chauffant ou refroidissant dans la partie recouverte d'un isolant. par une correction permanente de la réponse électrique donnée par des sondes thermoélectriques qui peuvent être de toute nature c) par la mesure préalable de la réponse électrique des sondes pour déterminer des anomalies de connexion ou de fonctionnement par exemple. 3:Le système s'autocontrôle par la régulation en température et en humidité du gaz de l'enceinte de protection dans lequel il fonctionne il va de soi que le système selon l'invention et les moyens mis en oeuvre décrits ci-dessus peuvent être appliqués à la détermination de traitements thermiques d'autres produits que les produits alimentaires;les produits pharmaceutiques par exemple. il va de soi également que le système ne s'adresse pas exclusivement 9 des conserves dans le sens légal du terme comme celles où le produit est stérilisé en vrac et conditionné aseptiquement. Il va également de soi que l'on entend par traitement thermique aussi bien un chauffage suivi d'un refroidissement du produit que l'inverse. il va de soi que l'algorithme utiliser pour calculer les paramètres thermiques nécessaires a la détermination du refroidissement peut être modifié. il va de soi que la protection, contre les ambiances agressives, de l'unité centrale et de ses périphériques telle que decrite dans l'invention, peut trouver d'autres applications pour d'autres logiciels. La présente invention n'a du reste été décrite qu'à titre purement explicatif,mais nullement limitatif et toute modification pourra y être apportée sans sortir de son cadre tel que défini dans les revendications ci-après. REVENDICATIONS 1.Procédé permettant de déterminer automatiquement,en cours de traitement thermique de stérilisation-cuisson d'un produit alinentaire,la durée du barème et le moment du refroidissement par l'intermédiaire d'une valeur de FzfTref prédéterminée relative au degré de stérilisation des microorganismes etfou de cuisson de l'aliment,procédé caractérisé par le fait que l'on introduit une sonde thermoélectrique dans le milieu extérieur et une ou plusieurs sondes, au sein de l'aliment lesquelles sont reliées b une unité centrale qui est programmée pour en faire une exploitation mathématique donnant les caractéristiques thermiques du produitith et j),le degré de stérilisation ou de cuisson atteind et désiré au cours du traitement thermique. (valeur de Fz/Tref.) 2.Procédé selon la revendication 1 caractérisé par le fait que l'exploitation mathématique correcte des données demande la vérification périodique de l'étanchéite de l'isolant des sondes thermoélectriques en contact direct avec les fluides chauffant et refroidissant des stérilisateurs (autoclaves) par une mesure de température dans un cylindre de matière solide et homogène, de dimensions comparables å celles de récipients de conserve subissant le même traitement thermique que l'aliment, et la même exploitation mathématique. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2,caractérisé par le fait que le signal analogique des sondes thermoélectriques est testé et corrige en permanence par rapport d un étalon. 4.Procédé selon la revendication 1,2 ou 3 caractérise par le fait que le systèse,tavaillant en milieu industriel agressif pour la fiabilité de ses mesures, gère sa propre ambiance en xaintenant,par sondes thermoélectriques et hygrométrique,la température et 1' humidité de l'air du caisson étanche qui le protège, à un niveau compatible avec le bon fonctionnement de son electronique,en y faisant passer de l'air frais qui sera débarrassé de son humidité en le faisant passer dans un déshumidificateur contenant un sel hygroscopique qui se dissout au contact de l'-eau de l'air 5.Procédé selon la revendication(4) qui empêche l'air de refroidissement des enceintes d'entrainer du sel hygroscopique sur les éléments électroniques par un déflecteur en col de cigne et par un embout d'arrivée d'air évasé dans le fond dont les orifices sont dirigés vers le haut. 6.Procédé selon les revendications 4 et 5 qui separe,par une grille ,le sel solide de sa solution saturée s'écoulant au fur et à mesure de sa formation dans une cuvette. 7. Procédé selon les revendications 1,4,5,6 qui détecte le niveau de remplissage maximum de la cuvette par la solution saturée et affiche à l'écran la nécessité de vidanger la solution et de comlpléter le remplissage en sel solide de la cartouche. 8.Procédé selon les revendications 1,4,5,6,7 qui mesure et régule la température et l'hygrométrie des appareils protégés par une enceinte étanche par l'intermédiaire de deux sondes couplées à l'unité centrale,en agissant sur la mise en route ou l'arrêt d'une poMpe. 9.Procédé selon la revendication 1 qui permet d'effectuer automatiquement des calculs de traitements thermiques divers à partir des données expérimentales de pénétration de chaleur obtenues par la mise en oeuvre de l'invention.