Brevet FR2701923A1 — publié le 19940902

La présente invention concerne un dispositif global de remplissage aseptique des boîtes métalliques ou autres, qui inclut le traitement préalable et la stérilisation des boîtes ainsi que leur refroidissement éventuel par des "processeurs" à alvéoles. I. DOMAINE D'APPLICATION Principalement l'industrie de la conserve alimentaire pour des boîtes de diverses formes en métal ou autres matériaux matières plastiques, verre, etc... Ce dispositif peut s'adapter à une grande diversité de procédés de stérilisation (chaleur, radiations, action chimique de gaz ou liquides, etc...). Une partie du contenu final de la boîte peut être traité (lavage, cuisson, stérilisation, etc...) avec la boîte si ces produits ont été disposés dans la boîte avant son arrivée dans le dispositif, les autres composants pouvant être introduits ultérieurement dans des conditions aseptiques. Toute l'industrie de la conserve alimentaire est concernée par ce nouveau matériel. Il permet de présenter des conserves, beaucoup plus variées qu'un simple légume en boîte, avec assaisonnement, viande, etc... sans que ceux-ci aient perdu leur saveur propre par une cuisson du mélange dans la boîte fermée comme ceci se fait dans les conserves en boîtes actuelles. II. TECHNIQUES ANTERIEURES Dans la plupart des système antérieurs, l'ensemble des composants alimentaires est introduit simultanément dans l'emballage - avec ou sans pré-cuisson - et cet ensemble, après fermeture étanche de l'emballage, est soumis à un cycle thermique de nature à assurer sa stérilisation. Cette "surcuisson" ajoutée au fait que les goûts se mélangent entre les composants limite la qualité gastronomique des préparations. Pour résoudre ce problème, des systèmes de remplissage aseptique ont été proposés sans qu'aucun n' assure de façon pratique la préparation de la bote, le traitement différencié de son contenu et sa fermeture dans des conditions aseptiques. III. DESCRIPTION DU MATERIEL Pour simplifier, nous décrirons ce dispositif et son fonctionne ment pour un cas particulier de forme de boîtes (ici : rondes) et d'une certaine forme d'alvéoles (d'autres sont possibles) et de disposition sur le tambour (voir plus loin "Configurations"). Ce cas particulier peut convenir dans des utilisations en conserve alimentaire. Les différents éléments consituants sont représentés sur la Fig. 1 qui correspond à une configuration particulière de notre système. A. Dispositif d'introduction des boîtes dans le dispositif. B. Le processeur circulaire. Le néologisme "processeur" aura pour signification ici : matériel destiné à exécuter les différentes phases d'un procédé ("process" en anglais). C. Enceinte de remplissage aseptique. D. Système de refroidissement des boîtes. Commençons par l'élément central Processeur circulaire (B) C'est un tambour rotatif à axe de rotation généralement horizontal, mais qui peut être incliné ou vertical, constitué comme suit 1 - Sur sa périphérie sont régulièrement réparties des traverses dans lesquelles ont été creusées des alvéoles (l) dont la forme peut être par exemple celle représentée fig. 1 et fig. 2. Vues en coupe fig. 3, de telles alvéoles peuvent recevoir les boîtes (2), leur axe étant horizontal pour un tambour à axe horizontal. Vues en élévation - coupe, fig. 4, les boîtes (2) y logent avec un jeu sur la hauteur des boîtes qui permet leur introduction et leur sortie sans difficulté, mais suffisamment petit pour empêcher que ne s'échappent des matières solides en morceaux. Les boîtes peuvent être de formes diverses et les alvéoles devront être adaptées aux botes. 2 - Un système mécanique peut être prévu pour maintenir la boîte dans son alvéole après son introduction. Par exemple fig.3, un axe (3) avec un volet (4) peut jouer ce rôle lorsqu'il est tourné d'un huitième de tour : dans l'alvéole de gauche, la boîte ne peut pas sortir. 3 - Un autre mécanisme, par exemple un poussoir (5) peut être prévu pour sortir la boîte positivement de son alvéole. Voir Fig. 3 cette opération d'éjection de la boîte de l'alvéole de droite. 4 - Eventuellement, on peut installer des conduits (6) fig. 4 allant de distributeurs-tiroirs (7) fixes à des orifices dans l'alvéole pour permettre d'introduire des fluides, ou au contraire aspirer ceux-ci pour les évacuer. 5 - Des couvercles fixes (8) fig. 1 et fig. 4, de profils cylindriques, ferment l'atmosphère des alvéoles. A travers eux, on peut introduire les fluides désirés avec leur pression et leur température pour réaliser l'atmosphère dans l'alvéole exigée par le procédé que l'on veut faire subir aux boîtes. La longueur de l'arc de cercle couvert par chaque couvercle fixera la durée d'action de chaque phase en fonction de la vitesse de rotation du tambour. 6 - Un entraînement mécanique fait tourner l'ensemble du tambour du processeur soit à vitesse constante, soit pas à pas, au pas des alvéoles. Un soin particulier doit être apporté aux garnitures des joints coulissants entre tambour et couvercles ou distributeurs-tiroirs pour limiter les fuites de fluides. 7 - Nous n'avons considéré qu'une ligne d'alvéoles sur la périphérie du tambour du processeur, mais ce tambour peut comporter plusieurs alignements d'alvéoles côte à côte (comme si on accolait plusieurs couronnes représentées fig. 2). C'est par la multiplication des lignes de boîtes traitées que l'on pourra obtenir des cadences de production de boîtes plus importantes. Dispositif d'introduction des boîtes dans le dispositif (A) Voir Fig. 5. Les boîtes arrivent dans une goulotte. Une vis à pas variable (9) les espace et un doigt (10) à mouvement de va et vient introduit une boîte au passage de chaque alvéole. A noter que l'on peut remplir la boîte avec des produits solides avant de l'introduire dans l'alvéole. Il suffit de guider la boîte entre des guides plats qui obstruent l'ouverture de la boîte remplie, avec un jeu pas trop important pour éviter le passage de morceaux pendant le glissement contre ce guide. De même dans l'alvéole, et à la sortie de la boîte de son alvéole, il n'y aura pas de perte de produit cuit si on emploie des légumes peu friables après cuisson, même si la boîte s'est trouvée en position horizontale dans l'alvéole. Enceinte de remplissage aseptique (C) Cette enceinte commence sur le processeur circulaire à l'endroit où les boîtes passent du processeur à l'enceinte avec une étanchéité entre les deux atmosphères. Par ailleurs un maintien en surpression de cette enceinte, par rapport à la pression atmosphérique, permettra de la garder stérile. Au passage de chaque alvéole dont l'asmosphère est stérile ainsi que sa boîte (par le traitement subi dans le cycle du processeur), la bote est poussée vers l'enceinte ou, dans d'autres dispositions, peut descendre par gravité. A son arrivée dans l'enceinte, la boîte est prise par un dispositif (genre chantourneur ou vireur de boîte) pour être déposée en position verticale, son ouverture tournée vers le haut, sans perte de produit si elle en contient, à l'entrée d'un chemin de glissement. Voir Fig. 1. Ensuite la boîte avancera pas à pas (ou d'un mouvement continu) au moyen de taquets sur barres d > amenage (ou sur chaînes) pour passer aux diverses stations nécessaires pour des opérations qui pourront être - aspiration des résidus de condensation ou autres liquides - remplissage des produits solides - jutage des produits liquides - tassage, vibration, agitation ou toute autre action mécanique - pose et sertissage du couvercle A noter que le déplacement des boîtes dans l'enceinte stérile peut être aussi bien circulaire que rectiligne. Dans ce cas, les boîtes sont logées dans les indentations d'une étoile à axe vertical (il peut y avoir plusieurs boîtes par indentation comme Fig. 9) et les dispositifs de remplissage peuvent alors être montés en carrousel. Cette disposition est particulièrement intéressante dans le cas où seulement un liquide fait l'objet du remplissage aseptique. Le sertissage peut alors être réalisé sur un deuxième carrousel. Des équipements spécifiques sont employés pour le traitement en continu (en dehors de l'enceinte) des produits solides et liquides qui arrivent aux stations de remplissage propres à la consommation et stériles. De même, les couvercles des boîtes doivent arriver stériles au poste de sertissage. On peut les stériliser en les faisant avancer en pile dans une atmosphère à température élevée ou par tout autre moyen. Après sertissage, les boîtes sortent par un sas à l'air libre et ne nécessitent aucun autre traitement pour la conservation des aliments qu'elles contiennent. Evidemment, si le processeur en amont traite plusieurs files de boîtes, il y aura autant de files de boîtes parallèles dans l'enceinte de remplissage aseptique. Système de refroidissement des boîtes (D) Les boîtes sont refroidies par aspersion d'eau ou par immersion si elles ne flottent pas, puis séchées et stockées. A noter que si l'enceinte est sous atmosphère à pression élevée, la boîte va se "gonfler" en arrivant à l'air libre, en attendant que le refroidissement fasse tomber sa pression interne. Ceci peut être préjudiciable à la boîte, surtout si elle fabriquée en métal mince. On peut éviter cette contrainte passagère en faisant déboucher le sas de sortie de l'enceinte dans une enceinte intermédiaire, avec atmosphère à pression un peu moins élevée que celle de l'enceinte aseptique, pour y commencer le refroidissement. La boîte sortira ensuite par un autre sas à l'air libre. Dans le cas où l'on utiliserait des boîtes en métal particulièrement mince et pour lesquelles il serait nécessaire de réduire progressivement la pression de l'enceinte dans laquelle elles se trouvent, au fur et à mesure que leur refroidissement fait diminuer leur pression interne, il conviendrait, à la sortie de l'enceinte de remplissage aseptique de re-disposer les boîtes serties dans les alvéoles d'un processeur circulaire. Dans celui-ci les boîtes seraient refroidies par une circulation d'eau dans les alvéoles et des couvercles (8) permettraient de maintenir dans les secteurs successifs des pressions décroissantes jusqu'à la pression atmosphérique en accompagnant le refroidissement de la boîte. Ce processeur de refroidissement sert en même temps de sas de sortie. Dans le cas particulier des boîtes cylindriques, le corps qui a la structure d'un tube résiste bien à des pressions internes. Par contre ses fond et couvercle subissent, avec des risques de déformation permanente, les pressions internes trop élevées. On peut loger ce type de boîte pleine à refroidir dans des alvéoles particulières d'un processeur de refroidissement : après introduction de la boîte, deux tampons viennent appuyer sur fond et couvercle pour les maintenir en position pendant le refroidissement. Il peut même n être plus nécessaire de maintenir une surpression sur ce type d'alvéole. IV. UTILISATION DU DISPOSITIF Une très grande diversité de procédés peut être obtenue avec notre système, ce qui permet de s'adapter aux besoins spécifiques des produits à conditionner. 1 - Dans le processeur circulaire stérilisation des boîtes seules : dans le cycle du processeur, on pourra trouver des opérations de soufflage, vide mécanique, purge de l'atmosphère, lavage (avec éventuellement des détergents), stérilisation chimique par gaz ou liquide, stérilisation par la chaleur (avec liquide, vapeur ou gaz ou un mélange de tels éléments), stérilisation par rayonnement ionisant, rinçage, séchage, etc... . traitement des boîtes contenant des produits. La boîte peut être préalablement remplie de produits solides en morceaux légumes, pâtes, etc... Dans le cycle du processeur, il faudra effectuer les opérations qui rendent ce produit consommable (blanchiment, cuisson) et qui le rendent en même temps stérile ainsi que la boîte qui l'accompagne. A noter que certains traitements peuvent aussi être appliqués à ces produits avant remplissage de la boîte ou dans la boîte avant introduction dans le processeur. 2 - Dans l'enceinte stérile de remplissage aseptique Les boîtes s'arrêtent aux différentes stations. Si le temps d'arrêt n'est pas assez long pour compléter certaines opérations (par exemple lorsque la boîte doit être remplie d'un liquide), au lieu de ralentir toute la ligne, on pourra le faire sur 2 ou 3 stations à moins que l'on ait choisi un carrousel de jutage pour justement augmenter le temps de remplissage. Toutes les opérations nécessaires pour compléter le contenu de la boîte seront exécutées sur ces stations dont le nombre sera adapté aux produits à traiter. Eventuellement, des injections de gaz ou vapeur (si compatibles avec l'atmosphère de l'enceinte) pourront être faites au sertissage. 3 - Refroidissement I1 pourra être nécessaire de garder la boîte verticale tant qu'elle n'est pas refroidie pour respecter la présentation à l'intérieur de la boîte. Il faut aussi manipuler sans heurt les boîtes au moment où le vide se produit à l'intérieur, si c'est le cas, pour éviter une entrée accidentelle d'air ou eau non stérile. V. CONFIGURATIONS La configuration de la Fig. 1 correspond à une introduction des boîtes en point haut du tambour. On peut aussi bien choisir l'introduction en point bas comme en Fig. 6 car le système d'introduction des boîtes peut être placé à tout point de la périphérie du processeur. De même l'enceinte de remplissage aseptique peut être placée à différents endroits, ce qui permet de concilier les avantages de chaque configuration, avec les impératifs des traitements à réaliser. La partie libre du processeur, entre l'entrée de l'enceinte aseptique et le système d'introduction des boîtes, peut être utilisée pour le nettoyage des alvéoles et pour vérifier le bon fonctionnement de leurs accessoires. On peut aussi profiter de l'accès à ces alvéoles pour en retirer des boîtes que l'on aurait détectées défectueuses (par exemple déformées) et qui auraient été volontairement non transférées dans l'enceinte de remplissage aseptique pour éviter des enrayages. La configuration de la Fig. 7, qui utilise deux processeurs circulaires P1 et P2 au lieu d'un seul, apporte des possibilités nouvelles. Il n'y a pas de difficultés pour passer les boîtes qui ont terminé leur traitement dans P1 à être tranférées vers les alvéoles de P2. Voir Fig. 8. L'utilisation de deux processeurs en série apporte des avantages pour l'exécution de cycles de traitement longs ou demandant l'emploi de pressions élevées dans les alvéoles - si le cycle du procédé demande un long parcours des alvéoles, il est préférable d'avoir deux processeurs de dimensions réduites au lieu d'un seul qui serait de grand diamètre et pourrait poser des problèmes mécaniques. - si le procédé à réaliser demande sur une partie du cycle à utiliser des pressions élevées dans les alvéoles, il apparaîtra alors des problèmes d'étanchéité et de tenue mécanique sur les couvercles qui subiront des efforts importants. On peut alors utiliser le processeur P2 sans couvercles et le placer dans une enceinte fixe dans laquelle on maintiendra l'asmosphère à pression élevée voulue. Les problèmes d'étanchéité et efforts seront alors réduits car ils ne concerneront que les passages des boîtes de PI à P2 et de P2 à l'enceinte aseptique. Ils pourront ainsi être maîtrisés. Evidemment, plus de deux processeurs peuvent être utilisés en série, certains pouvant être disposés dans une enceinte étanche. Plusieurs processeurs peuvent d'ailleurs être disposés dans la même enceinte. Dans le cas où le procédé de traitement ne comporte qu'une seule phase, par exemple la stérilisation de boîtes vides par l'action de gaz ou vapeur à haute température et éventuellement à haute pression, on reviendra à une configuration à un seul processeur mais celui-ci sera alors placé à l'intérieur d'une enceinte étanche (comme P2 ci-dessus). L'axe de rotation des processeurs peut être incliné - par exemple pour permettre un écoulement des liquides de lavage ou de condensation dans une boîte comportant un rétreint. L'axe de rotation des processeurs peut aussi être vertical si l'on trouve avantage à traiter la bote verticale. De nombreuses variantes de types d'alvéoles peuvent être envisagées. En voici deux exemples non limitatifs - alvéole comme représentée fig. 2 mais dans laquelle on pourrait mettre 3 boîtes en profondeur. Fig. 9. - alvéole débouchant sur le côté du tambour. De forme cylindorique, elle recevrait des boîtes rondes en bout. Fig. 10. Les alvéoles peuvent aussi être amovibles : l'alvéole peut être détachée du tambour, un dispositif y installe la boîte (ou un autre type d'emballage) et une fois ainsi complétée, l'alvéole est re-fixée sur le tambour du processeur. En particulier, l'alvéole qui reçoit la boîte ou l'emballage peut être une sorte de coquille qui est ensuite introduite et fixée dans une cavité du tambour. Ce dispositif est recommandé dans le cas d'utilisation de boîtes ou d'emballages qui auraient une mauvaise tenue mécanique par exemple lors d'une stérilisation à température élevée. Dans le cas où on utilise un processeur horizontal à axe de rotation vertical placé dans une enceinte- étanche et que l'atmosphère prévue pour le remplissage aseptique soit la même que celle se trouvant dans l'enceinte du processeur, les opérations de remplissage aseptique - si elles sont simples - peuvent se faire sur le dernier secteur du processeur. Ensuite lorsque la boîte quitte l'alvéole du processeur, elle passe par le dispositif de sertissage S avant de sortir de l'enceinte étanche par un sas. Voir la vue de dessus Fig. 11. Notre système se prête donc à des applications très diverses -permettant de satisfaire tous les besoins en traitement de boîtes pour le remplissage aseptique. REVENDICATIONS 1) Dispositif global de remplissage aseptique des boîtes métalliques ou autres, qui inclut le traitement préalable et la stérilisation des boîtes ainsi que leur refroidissement éventuel par des "processeurs" à alvéoles. Ce système est destiné à assurer le procédé complet, en partant des boîtes vides, de traitement de ces boîtes dans un ou plusieurs "processeurs" à alvéoles pour des opérations de lavage, de stérilisation, ou d'autres traitements ... (avec la possibilité de traiter en même temps certains produits dans la boîte), de leur remplissage aseptique, dans une enceinte stérile, avec des produits solides, liquides ou gazeux ainsi que de sertissage de leur couvercle, éventuellement de refroidissement final appliqué à la boîte remplie et fermée en sortie de l'enceinte stérile. Ce système est caractérisé par le traitement complet, en utilisant un ou plusieurs processeurs à alvéoles, de la boîte vide à la boîte remplie et sertie (ou autre fermeture étanche) en conditions aseptiques de sorte qu'à la sortie du dispositif la boîte soit prête pour le stockage en magasin. 2) Dispositif appelé "processeur" pour le traitement des emballages alimentaires ou sanitaires (le plus souvent métalliques) caractérisé par le traitement de chacun de ceux-ci (un à un, ou par groupe homogène de récipients) dans une alvéole de forme adaptée disposée à la périphérie d'un tambour cylindrique qui tourne de façon continue ou pas-à-pas, alvéole dont la face ouverte, ou des orifices ménagés à travers le tambour, sont mis en communication, successivement avec des segments de couronne qui épousent la forme du tambour cylindrique (sur une face quelconque de celui-ci > cylindres externe ou interne, ou face latérale) et permettent d'injecter ou d'éjecter des fluides (liquide ou gaz) à des température et pression adaptées à l'opération désirée - lavage, séchage, cuisson, stérilisation, mise sous gaz inerte, etc... Les alvéoles sont normalement disposées à intervalles réguliers autour du cylindre, et en plusieurs rangées côte à côte éventuellement, le tout étant appelé, par la suite, tambour processeur. 3) Dispositif selon la revendication 2) ci-dessus, caractérisé par le fait que l'ouverture de l'emballage est suffisamment masquée pendant son transfert dans l'alvéole durant son séjour dans celle-ci et son évacuation, pour permettre l'introduction de morceaux solides d'aliments sans que ceux-ci ne s'échappent. 4) Dispositif, selon les revendications précédentes, caractérisé par l'inclinaison - horizontale ou autre - de l'axe de rotation du tambour-processeur de nature à permettre l'évacuation de tout liquide - en particulier les condensats de vapeur d'eau - durant le traitement de l'emballage si on le désire. 5) Dispositif, selon les revendications précédentes, assurant positivement la retenue de l'emballage dans l'alvéole, ou son transfert dans une alvéole lui faisant face dans un tambour à mouvement synchrone même si les forces de gravité contrarient ces opérations, par la combinaison de doigts rotatifs, coulissants ou extensibles équipant chaque alvéole. 6) Dispositif suivant les revendications précédentes mais utilisant des alvéoles particulières pour y loger les boîtes pendant le traitement dans les processeurs caractérisé par la possibilité de séparer celles-ci des tambours des processeurs (par exemple pour y installer la boîte) et de re-fixer ultérieurement celles-ci sur le tambour du processeur. 7) Dispositif selon les revendications précédentes, caractérisé par le fait que l'un ou plusieurs des tambours processeurs soit (soient) maintenu(s) dans sa(leur) totalité dans une atmosphère unique, dans une enceinte qui l'entoure totalement à l'exception des zônes d'entrée ou sortie vers les dispositifs de transfert avec les étanchéités voulues pour le maintien des atmosphères imposées par le procédé suivi. 8) Dispositif dans des alvéroles à utiliser avec des boîtes pleines cylindriques à refroidir au moyen d'un processeur de refroidissement, caractérisé par l'utilisation de deux tampons venant en serrage sur le fond et le couvercle de la boîte après son introduction dans l'alvéole pour lui permettre de supporter une pression intérieure élevée momentanée. 9) Dispositif suivant la revendication 1 concernant plus spécialement l'enceinte stérile de remplissage aseptique caractérisé par l'introduction directe des boîtes qui étaient dans les alvéoles du dernier processeur vers l'enceinte stérile, sans nécessité de sas, par l'étanchéité de l'orifice d'entrée des boîtes dans cette enceinte directement, sur le tambour du processeur et sans risque de perturber l'atmosphère stérile de l'enceinte si les fluides accompagnant la boîte dans son alvéole sont compatibles avec cette atmosphère.