Brevet FR2746108A1 — publié le 19970919

PROCEDE DE CONCENTRATION D'UNE SOLUTION TELLE QUE MOUTS DE RAISIN A BASSE TEMPERATURE ET PRESSION ATMOSPHERIQUE L'invention concerne un procédé d'évaporation/extraction d'une solution du type des moûts et jus de raisin ou analogues permettant d'élever la concentration de la solution comme par exemple d'augmenter le titre d'alcool de moûts de raisin stocké dans une cuve de fermentation ; l'invention concerne également un dispositif mettant en oeuvre le procédé. On connaît bien le principe de chaptalisation permettant d'enrichir les moûts en sucre afin d'élever le titre d'alcool des jus de raisin au moment de leur fermentation. Ces techniques sont bien connues et aboutissent à augmenter le titre d'alcool d'une production de vin tout en conservant son volume initial. Aujourd'hui et compte tenu des surproductions que connaissent certains vignobles, les techniques dites soustractives sont préférées aux premières techniques de chaptalisation ; pour l'essentiel, ces procédés visent à concentrer les moûts pour leur retirer de l'eau. On utilise déjà un certain nombre de ces techniques, par exemple le passerillage hors souche, la cryoextraction, l'osmose inverse, et plus récemment l'évaporation à base température sous vide. Si le procédé de passerillage convient parfaitement bien aux vins blancs notamment liquoreux, l'osmose inverse et l'évaporation basse température sous vide semblent mieux adaptées pour renforcer les moûts rouges dilués. La présente invention entre précisément dans la deuxième catégorie des concentrateurs de solutions et notamment de moûts de raisin à basse température particulièrement efficace dans la concentration des vins rouges ou blancs. Jusqu'ici on considérait qu'étant donné que la température de dégradation des moûts de raisin est comprise entre 25"C et 35"C selon les cépages, il était absolument impossible d'évaporer sous pression atmosphérique l'eau contenue dans les moûts de raisin puisque cette évaporation ne pouvait se faire qu'au delà d'une température de 100"C. Dans ces conditions, il a été souvent proposé pour baisser la température d'évaporation, de procéder par évaporation sous vide, parfois même complétée par des circuits tubulaires annexes alimentés en fluide frigorigène, risquant au passage le blocage thermique de l'installation par le givre ou encore la poluttion des vapeurs de la solution à concentrer. Outre l'investissement fort important de telles installations, les risques de pollution de la solution, il reste encore que de tels système s consomment énormément d'énergie et nécessitent un entretien coûteux. C'est pourquoi il a été proposé plus récemment des techniques d'évaporation/condensation fonctionnant sous vide, telles que décrites dans le brevet français FR2.665.245 et qui est caractérisé en ce que l'unité d'évaporation/concentration comporte un dispositif de compression avant condensation d'une partie de la vapeur de solution obtenue dans le compartiment d'évaporation. Une telle unité de concentration quelque soit son efficacité par ailleurs, représente encore des coûts d'investissement et d'entretien extrêmement élevés, dans la mesure où, il est nécessaire d'adjoindre à la production de calories des dispositifs de mise sous vide de l'enceinte de concentration, ainsi que plusieurs dispositifs de thermocompression, dont on connaît et le coût et la fragilité. En outre, une telle unité de concentration n'est pas réellement mobile et déplaçable compte tenu de son encombrement d'une part, et de sa mise en oeuvre d'autre part. La présente invention vise donc à palier tous les inconvénients précédemment évoqués en proposant un procédé de concentration de solutions, tels que notamment les moûts, jus de raisin, ou analogues caractérisé en ce qu'il comporte les étapes consistant à - amener à partir d'une cuve de stockage la solution à concentrer prise à sa température de stockage, en partie haute d'un caisson d'évaporation, pour la diffuser en nappe, avantageusement par gravité et à la pression atmosphérique, - contraindre les gouttelettes de la solution ainsi diffusées à venir ruisseler autour d'éléments chauffants entravant leur chute, - maintenir la température desdits éléments chauffants autour de 80"C pour créer une évaporation partielle de la solution sans que la température du concentrat final n'excède 50 à 55"C, - extraire mécaniquement les vapeurs ainsi obtenues en créant à l'intérieur du caisson un courant d'air très turbulent à partir d'une entrée d'air froid et sec selon un débit réglé pour éviter toute recondensation des vapeurs tout en limitant leur vitesse pour éviter le risque d'entraînement du concentrat, - récupérer le concentrat en fond du caisson pour le renvoyer par exemple en tête de la cuve de stockage et créer ainsi un cycle continu de concentration de la solution. Bien entendu, l'invention concerne également un dispositif mettant en oeuvre le procédé qui vient d'être donné en proposant un concentrateur de solution obtenu à partir d'un caisson d'évaporation muni - en partie haute, d'au moins une barre de diffusion connectée à une cuve de stockage de la solution, par une canalisation extérieure munie d'une vanne de réglage du débit, - en partie médiane, d'un jeu d'éléments chauffants s'étendant sous la ou les barre(s) de diffusion pour recevoir et faire ruisseler les gouttelettes de solution diffusées pour les vaporiser partiellement, lesdits éléments étant reliés à une production de calories externe et, - en partie basse, d'un réceptacle pour recueillir le concentrat relié à une canalisation extérieure de soutirage éventuellement couplée avec une pompe de relevage pour envoyer le concentrat en tête de la cuve de stockage, ce concentrateur étant caractérisé en ce que le caisson est muni d'un extracteur soutirant l'air humide en un point du capot de fermeture supérieur, la section de l'entrée d'air, la température de l'air entrant et le débit de l'extracteur étant réglés pour qu'à débit donné de la solution à concentrer, il nly ait ni recondensation des vapeurs, ni entraînement du concentrat résultant d'une vitesse d'extraction excessive. On comprend facilement qu'un tel procédé soit particulièrement avantageux pour la concentration de solutions tels que moûts de raisin afin d'augmenter le titre d'alcool des jus obtenus par soutirage d'eau et non par addition de sucre. Le procédé conforme à l'invention ne prévoyant qu'une évaporation à basse température et à la pression atmosphérique en préconisant de soumettre les moûts à un choc thermique créant des vapeurs immédiatement entraînées par extraction mécanique forcée à partir d'un air à température ambiante, voire à partir d'un air refroidi, procure incontestablement un concentrat dont la température est relativement faible (de l'ordre de 50"C) sans pour autant nécessiter des installations compliquées et coûteuses en investissement, en fonctionnement et en entretien. D'autres avantages ressortiront mieux encore de la description qui va suivre d'un exemple particulier de concentrateur conforme à l'invention donné ci-après seulement à titre d'illustration non limitative des caractéristiques de l'invention en référence au dessin annexé sur lequel - la figure 1 est un synoptique de l'installation complète du concentrateur de solution en fonctionnement pour le traitement de moûts de raisin dans une cuve de stockage, - la figure 2 représente en perspective la disposition interne du caisson d'évaporation conforme à l'invention montrant entre autres les dispositions relatives des éléments chauffants en nappes et leurs accessoires, coopérant avec deux barres de diffusion des moûts à concentrer. En référence à la figure 1 des dessins, il sera maintenant décrit un exemple de réalisation pratique de concentrateur destiné à traiter une cuve de fermentation de moûts de raisin afin de parvenir à élever son titre d'alcool par évaporation partielle de l'eau contenue dans les moûts. A cet effet, le caisson d'évaporation 1 du concentrateur conforme à l'invention, est relié à une cuve de fermentation 2 contenant à l'origine par exemple 1.650 litres de moûts, stockés à une température voisine de 16"C, par une canalisation 3 couplée avec une vanne 4 destinée à réguler le débit des moûts vers le caisson 1 du concentrateur ; le caisson 1 est en réalité une cuve en inox de forme parallèlépipédique ayant pour l'exemple une longueur de 2,20 m sur une hauteur de 1,45 m et une largeur de 0,55 m. Le caisson 1 comporte en partie supérieure un couvercle 5 prévu pour une fermeture relativement étanche de la cuve. Le couvercle 5 présente sur sa surface supérieure une prise d'air 6 circulaire dont le diamètre est égal à 30 cm couplée avec un extracteur d'air 7 réglé en fonctionnement nominal pour un débit de 900 m3/heure. A l'intérieur du caisson 1, situé dans la partie la plus élevée de la cuve proche du couvercle 5, six barres de diffusion 8 sont couplé(es) par l'une de leurs extrémités à la vanne 4 reliant par la canalisation 3 le caisson 1 à la cuve de stockage 2 ; pour la clarté du dessin, seules deux barres de diffusion 8 ont été représentées sur la perspective de la figure 2 ; chaque barre de diffusion 8 disposée longitudinalement et horizontalement dans le caisson 1 de part et d'autre du le plan de symétrie dudit caisson est munie avantageusement d'un certain nombre de perçages 9 de diamètre relativement petit, égal dans l'exemple à 2,5 mm, et disposés tout le long des barres 8 à intervalles réguliers espacés de 2,5 cm environ. Bien entendu, les barres 8 peuvent être de toutes formes possibles et comporter d'autres dispositions de perçages 9, susceptibles d'être mieux adaptés à d'autres débits pour des traitements de grande ampleur notamment. Disposées en dessous et au droit des barres de diffusion 8 dans des directions parallèles suivant des plans horizontaux successifs et espacés de 8 cm, seize nappes 10 comportant chacune six éléments tubulaires chauffants 11, ayant un diamètre externe de 25 mm, s'étendent pratiquement sur toute la longueur du caisson 1 chaque nappe 10 est en fait constituée par un serpentin tubulaire dont l'une des extrémités est couplée à une nourrice d'alimentation 12 principale, et l'autre à une nourrice d'échappement 13 et ce, conformément à la représentation en perspective simplifiée de la figure 2. Les deux nourrices d'entrée et de sortie, 12 et 13, sont disposées verticalement de part et d'autre d'une même face latérale du caisson 1. La nourrice d'alimentation 12 est reliée en partie basse à une canalisation EC à la sortie d'une unité de production de calories, c'est-à-dire une simple chaudière 14 produisant de l'eau chaude et la nourrice de sortie 13 est reliée en partie haute à une canalisation externe EF de retour à la chaudière 14. Suivant ce schéma, le fluide caloporteur, de l'eau dans l'exemple, est porté à une température voisine de 80"C, qui est ensuite introduite à l'entrée de chaque nappe 10, pour amener enfin les surfaces externes de chaque élément chauffant 11 à une température superficielle voisine de 70"C. On remarquera que la chaudière 14 maintient la température des nappes pendant toute la durée du traitement, un circuit de circulation par simple convexion, éventuellement secondée par une pompe de circulation, s'établissant entre la production de la chaudière 14 et les nappes 10 des éléments chauffants 11. La circulation d'air à l'intérieur du caisson 1, comme on l'a vu, forcée par l'extracteur mécanique 7, qui vient coopérer avec une entrée d'air 15 de section égale à 1.325 cm2 environ prévue en partie basse du caisson 1 sur une face latérale de manière à être le plus éloigné possible de la sortie d'air humide 6 disposée sur la surface supérieure du couvercle 5 du caisson 1. L'entrée 15 d'air frais AF peut être selon une première variante laissée libre, ce qui procure une ventilation interne avec un air à température ambiante. Il est bien certain que plus la température de l'air AF d'entrée est basse et plus le degré hygrométrique de cet air est faible, plus la ventilation interne sera à même de se charger d'humidité pour un même volume d'air entraîné, c'est-à-dire plus l'extraction d'eau sera importante et le rendement du concentrateur sera grand ; c'est pourquoi il est accessoirement prévu de coupler à l'entrée d'air 15 un classique dispositif refroidisseur 16 qui est représenté en pointillés sur la figure 1. On notera qu'en utilisation normale, le refroidissement de l'air d'entrée n'apparait pas nécessaire, ce qui limite encore les coûts de fonctionnement. Il peut être d'ailleurs nécessaire, au contraire de ce qui vient d'être dit, de réchauffer l'air entrant par l'entrée 15 ; pour cela, on intercale un simple jeu de résistances 17 dans l'air aspiré AF. Il est en effet possible, dans certains cas particuliers d'utilisation, qu'il soit nécessaire de réguler la température de l'air AF admis dans le caisson 1 afin de limiter la recondensation des vapeurs avant leur extraction. Bien entendu, l'entrée d'air 15 peut être de toute forme que l'on voudra, mais les essais ont démontré une bonne efficacité en prenant une entrée de forme rectangulaire de 25 cm de hauteur et de 53 cm de largeur. Il est évident que l'air entrant AF doit être dirigé le plus possible vers le fond de la cuve pour lui assurer un trajet intérieur le plus enveloppant possible autour des nappes 10 ; pour cela on ajoutera avantageusement un déflecteur avant l'entrée 15 tel que schématisé en figure 1 ; l'entrée d'air 15 est, en outre, située en partie inférieure du caisson 1 juste au dessus du réceptacle 18 prévu au fond du caisson 1 pour recueillir les concentrats 19 après ruissellement des gouttelettes de moût sur les nappes 10 des éléments chauffants 11 ; les jus 19 ainsi recueillis dans le réceptacle 18 sont à une température n'excédant pas 50"C en phase terminale du traitement ; on sait tout à fait qu'à cette température là, les qualités organoleptiques du vin ne sont en aucun cas atteintes, et des études ont montré que le comportement à long terme des vins ainsi concentrés, ne subissaient aucune modification au cours de leur vieillissement. Le concentrat 19 est alors récupéré par un orifice 20 couplé à une canalisation 21 qui renvoie à l'aide d'une pompe 22 les jus ainsi concentrés en tête de la cuve de stockage 2 afin de perpétuer le cycle de fonctionnement jusqu'à ce que le titre alcoolique des moûts contenus dans la cuve atteigne la valeur que l'on s'est fixé. En fonctionnement, le concentrateur conforme à la description qui vient d'être donnée, a été utilisé pour concentrer des moûts stockés dans une cuve 2 contenant 1.650 litres au départ de l'opération de concentration. A ce moment la température interne du moûts était en moyenne de 16"C ; les mesures au mustimètre indiquaient au même instant 1.070, soit un titre de 9,7 d'alcool (des mesures parallèles au réfractomètre indiquaient 10,3 d'alcool). Au démarrage de l'opération, la température de l'eau dans la chaudière 14 était égale à 70"C et le débit de l'extracteur 7 était réglé à 900 m3/heure alors que la température de l'air à l'extérieur avoisinait 15"C, le refroidisseur 16 n'étant pas utilisé pour l'expérience. Après 3 heures et 10 minutes de fonctionnement, la quantité restante de moûts était de 1.340 litres, sa température interne étant invariante à 16"C et le mustimètre indiquait alors 1.090 soit 11,8 d'alcool (lecture directe au réfractomètre 12,3 d'alcool). On a pu également relever que la température du jus extrait du caisson d'évaporation était égal à 53"C c'est-à-dire sans influence sur les jus traités. Il ressort en définitive qu'après un petit peu plus de 3 heures de fonctionnement, la concentration moyenne est de l'ordre de 100 litres par heure donnant pour le cas d'espèce une élévation du titre d'alcool pour la cuve considérée de 2". Naturellement, l'installation conforme à ce qui vient d'être décrit, peut être utilisée pour réchauffer les moûts dans une cuve de fermentation, pour provoquer ou améliorer la fermentation du vin ; on comprend alors que pour cette utilisation il suffise d'utiliser les nappes d'éléments chauffants alimentées comme pour la concentration par une chaudière à bonne température. De même, il est évident que l'on peut traiter de la même manière, d'autres produits que des moûts de raisin, et le dispositif est directement applicable à toutes solutions chimiques ou agro-alimentaires telles que par exemple les jus de fruit ou analogues. REVENDICATIONS 1 - Procédé de concentration de solutions telles que notamment les moûts et les jus de raisin ou analogues, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes consistant à - amener, à partir d'une cuve de stockage la solution à concentrer, prise à sa température de stockage, en partie haute d'un caisson d'évaporation pour la diffuser en nappe, avantageusement par gravité et à la pression atmosphérique, - contraindre les gouttelettes de la solution ainsi diffusée, à venir ruisseler autour d'éléments chauffants entravant leur chute, - maintenir la température desdits éléments chauffants autour de 80"C pour créer une évaporation partielle de la solution sans que la température du concentrat final n'excède 50"C, - extraire mécaniquement les vapeurs ainsi obtenues en créant à l'intérieur du caisson, un courant d'air très turbulent à partir d'une entrée d'air froid et sec, selon un débit réglé pour éviter toute recondensation des vapeurs tout en limitant leur vitesse afin d'éviter le risque d'entraînement du concentrat, - récupérer le concentrat en fond de caisson pour le renvoyer par exemple en tête de la cuve de stockage, et créer ainsi un cycle continu de concentration de la solution. 2 - Procédé selon la revendication précédente caractérisé en ce que l'extraction des vapeurs est opérée par le haut du caisson et de préférence à l'une de ses extrémités, l'entrée d'air se faisant par le bas du caisson à l'extrémité opposée. 3 - Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'entrée d'air est couplée avec un refroidisseur permettant d'abaisser la température de l'air admis. 4 - Concentrateur de solutions telles que notamment jus et moûts de raisin ou analogues, mettant en oeuvre le procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, obtenues à partir d'un caisson d'évaporation (1) muni - en partie haute, d'au moins une barre de diffusion (8) connectée à une cuve de stockage (2) de la solution par une canalisation extérieure (3) avantageusement munie d'une vanne de réglage (4) du débit, - en partie médiane, d'un jeu d'au moins une nappe (10) d'éléments chauffants (11) s'étendant sous la ou les barres de diffusion (8) pour recevoir et faire ruisseler les gouttelettes de solutions diffusées pour les vaporiser partiellement, lesdits éléments (11) étant reliés à une production de calories externe (14) et, - en partie basse, d'un réceptacle (18) pour recueillir le concentrat (19) relié à une canalisation extérieure (21) de soutirage, éventuellement couplée avec une pompe de relevage (22) pour envoyer le concentrat (19) en tête de la cuve de stockage (2), caractérisé en ce que le caisson (1) est muni d'un extracteur (7) soutirant l'air humide AH en un point (6) du capot de fermeture (5) supérieur, la section de l'entrée d'air (15), la température de l'air entrant AF et le débit de l'extracteur (7) étant réglé pour qu'à un débit donné de la solution à concentrer, il n'y ait ni recondensation des vapeurs, ni entraînement du concentrat (19) résultant dune vitesse d'extraction excessive. 5 - Concentrateur selon la revendication 4 caractérisé en ce que chaque élément chauffant (11) est un tube creux (10) avantageusement déployé en serpentin pour former au moins une nappe (10) horizontale et préférentiellement plusieurs nappes (10) horizontales empilées les unes sous les autres. 6 - Concentrateur selon la revendication 4 caractérisé en ce que chaque nappe (10) est reliée à l'une de ses extrémités, à une nourrice d'arrivée (12) de fluide caloporteur, par exemple de l'eau, connectée à la sortie EC d'une unité de production de calories externes, par exemple une chaudière (14), l'autre extrémité des nappes (10) étant connectée à une nourrice de sortie (13) elle-même reliée à l'entrée EF de la même unité de production de calories (14). 7 - Concentrateur selon l'une quelconque des revendications 4 à 6 caractérisé en ce que la ou les barres de diffusion 8 est ou sont constituée(s) par au moins un tube disposé horizontalement au dessus et dans la même direction que les éléments chauffants (11), le ou les tubes étant régulièrement percé(s) sur toute leur longueur sur un secteur angulaire faisant face aux éléments de chauffage (11). 8 - Concentrateur selon l'une quelconque des revendications 4 à 7 caractérisé en ce que l'entrée d'air (15) située en partie basse du caisson (1) du côté le plus éloigné de la sortie haute (6) connectée à l'extracteur (7), à une distance du fond du caisson (1) correspondant au moins à la hauteur du réceptacle (18) recueillant le concentrat (19). 9 - Concentrateur selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'entrée d'air (15) peut être libre, c'est-à-dire que l'air introduit est à la température de l'air ambiant, ou couplée à un organe de refroidissement (16) pour abaisser l'air admis AF ou couplée à des résistances (17) pour réchauffer l'air admis AF. 10 - Application du procédé selon la revendication 2 pour parvenir à une élévation du titre d'alcool de 9,7"à 11,80 en trois heures de traitement, caractérisé en ce qu'on utilise un concentrateur comprenant seize nappes (10) de six tubes (11) conforme à la revendication 8 pour traiter 1.650 litres de moûts de raisin à la température de 16"C, les éléments chauffants (11) étant traversés par une eau portée à 700C par une chaudière (14), l'air admis AF à l'intérieur du caisson (1) dont la section d'entrée est de 1.325 cm2 étant à 15"C et extrait à raison de 900 m3/heure correspondant à une évaporation de 100 litres/heure.