Brevet FR2798966A1 — publié le 20010330

L'invention se rapporte à une pompe de pression pour liquide chargé de particules, telles des morceaux d'algues ou de pépins ou d'animaux. Elle se rapporte également à l'installation, notamment d'extraction, pourvue de la dite pompe. Par liquide chargé, on comprendra un mélange d'eau et de particules de taille relativement importante en suspension dans l'eau. Dans certains procédés de fabrication en continu d'un produit l'Agar- Agar, extraction d'une matière contenue dans les algues, la qualité résultat dépend la régularité d'alimentation des moyens de mise en #uvre procédé en matière première. Cette matière première est constituée par des algues réduites petits morceaux et maintenues en suspension dans de l'eau. Ce liquide chargé alimente une série d'appareils transformant la matière brute. Pour ce faire, on utilise une pompe qui refoule le liquide chargé qui a été introduit dans la pompe par gravité. a déjà utilisé pour ce faire une pompe dite pompe MOINEAU (FR- 957). Cette pompe comprend - enveloppe tubulaire d'axe sensiblement horizontal, dans laquelle sont délimitées fictivement une première zone amont et une seconde zone aval - logés dans la zone aval, un stator et un rotor formant l'élément actif de la pompe, - logé dans la zone amont, un arbre d'entrainement du rotor, lequel arbre d'entrainement est associé par l'une de ses extrémités au rotor et, l'autre extrémité, à un moteur d'entrainement situé à l'extérieur de l'enveloppe tubulaire, une sortie de pompe située en extrémité aval de l'enveloppe tubulaire et, une entrée d'alimentation de la pompe, située au niveau de la zone amont de l'enveloppe tubulaire et au travers de laquelle pénètre le fluide par gravité. Comme indiqué plus haut, le liquide chargé contient des particules ayant tendance à se rassembler par sédimentation. L'alimentation de la pompe est réalisée par gravité, le liquide chargé étant contenu dans un bac muni d'un agitateur. Ces pompes qui sont bien connues pour, dans nombreuses applications, produire un écoulement régulier ne parviennent avec ce type de liquide chargé, à aboutir à cette régularité d'écoulement qui peut être préjudiciable ' la qualité du produit obtenu. L'invention se propose notamment de résoudre le problème indiqué précédemment. L'invention a donc pour objet une pompe comprenant - une enveloppe tubulaire d'axe sensiblement horizontal, laquelle comprend fictivement une première zone amont et une seconde zone aval, - logés dans la zone aval, un stator et un rotor constituant l'élément actif de la pompe, - logé dans la zone amont, un arbre d'entrainement du rotor, lequel arbre d'entrainement est associé par l'une de ses extrémités au rotor et, par l'autre extrémité, à moteur d'entrainement situé à l'extérieur de l'enveloppe tubulaire, - une sortie de pompe située en extrémité aval de l'enveloppe tubulaire et, - une entrée d'alimentation, située au niveau de la zone amont de l'enveloppe tubulaire et au travers de laquelle pénètre par gravité fluide, cette pompe étant caractérisée en ce que l'arbre d'entrainement rotor est au moins localement constitué par une vis sans fin dont l'hélice orientée pour déplacer le liquide chargé vers l'élément actif que constitue l'ensemble rotor/stator. L'invention a également pour objet l'installation pourvue de la dite pompe. L'invention sera bien comprise à l'aide de la description ci-aprés faite à titre d'exemple non limitatif en regard du dessin ci-annexé qui représente schématiquement - figure 1 : une pompe selon l'invention, - figure 2 : une installation comprenant la pompe. En se reportant au dessin, on voit que, pour alimenter les moyens de mise en oeuvre procédé de production d'une matière extraite de petits morceaux en suspension dans l'eau, cette installation 1 comprend une pompe 2 pour l'alimentation matière brute de différents moyens. Classiquement, cette pompe 2 comprend - une enveloppe 3 tubulaire d'axe 4 sensiblement horizontal, laquelle comprend fictivement une première zone 5 amont et une seconde zone aval, - logés dans la zone 6 aval, un stator 7 et un rotor 8 formant l'élément actif de la pompe 2, - logé dans la zone 5 amont, un arbre 9 d'entrainement du rotor 8, lequel arbre 9 d'entrainement est associé par l'une de ses extrémités au rotor et, par l'autre extremité, à un moteur 10 d'entrainement situé à l'extérieur de l'enveloppe tubulaire, - sortie 11 de pompe située en extrémité aval de l'enveloppe 3 tubulaire et, - une entrée 12 d'alimentation, située au niveau de la zone amont de l'enveloppe tubulaire et au travers de laquelle pénètre par gravité le fluide. Selon une caractéristique de l'invention, l'arbre 9 d'entrainement du rotor est au moins localement pourvu d'une vis 13 sans fin dont l'hélice orientée pour déplacer le liquide chargé vers l'élément actif de la pompe que constitue l'ensemble rotor/stator. Le diamètre de la vis 13 sans fin est, au jeu de fonctionnement près, identique au diamètre interne de l'enveloppe tubulaire. Selon une autre caractéristique, la vis sans fin s'étend sur toute longueur de la zone amont. Cette vis 13 sans fin est, par celle des extrémités associées moteur, guidée en rotation dans un palier, son autre extrémité étant associée au rotor par une articulation 100. La ' sans fin est fixée de manière amovible sur l'arbre d'entrainement ou constitue moins localement l'arbre d'entrainement. En figure 2, on a représenté un exemple d'une installation pour la production d'Agar-Agar mettant en oeuvre la pompe selon l'invention. L'installation comprend la pompe 2 alimentant en continu un système tubulaire 14 c'est à dire un ensemble de tuyaux chauffants disposés en parallèle et en série, tels que par effet joule, susceptibles de porter le mélange réactionnel entre 90 C et 145 C et de préférence à 135 C pendant 10 à 40 minutes et de préférence pendant vingt minutes. Le choix du diamètre de canalisation doit être également optimal, pour d'une part, ne pas créer de perte de charge trop importante et risquer l'obturation et d'autre part, garder une vitesse d'écoulement suffisamment importante pour les raisons évoquées ci-dessus. Pour un type de fluide chargé de particules d'algues suivant les caractéristiques précédentes, un diamètre de l'ordre de 15 à 40 millimetres peut être un bon compromis. Un autre important problème qui doit être résolu lors du traitement est celui de la contre-pression dans l'installation ; en effet, celle-ci est indispensable pour éviter toute vaporisation de l'eau et du produit, surtout quand on opère à des températures au dessus de 100 C, telles que de l'ordre de 120 à 130 C, sachant que, pour obtenir une température du produit de 125 C en sortie de l'installation, les températures de parois des tubes chauffants doivent être plus élevées, telles que 130 à 140 C, dépendant des conditions de débit. La pression dans l'installation doit donc être suffisante pour qu'il n'y ait aucun risque de vaporisation ; pour cela, il faut donc que la surpression aussi bien ' l'entrée qu'en sortie de l'installation soit supérieure à celle de la pression de vaporisation, soit pour 120 C, 0,194 MPa et à 130 C, 0,268 MPa. Pour avoir donc une certaine marge de sécurité, il faut maintenir dans l'installation une pression toujours supérieure et de l'ordre de 3 bars, qui peut être créée naturellement par un écoulement du fluide dans des canalisations de longueur et de diamètre choisi, pour obtenir une perte de charge égale à 0,3 MPa. titre d'exemple, pour un débit de 1000 litres par heure, à une temperature supérieure à 100 C et un diamètre de 18 millimètres, tel qu'évoqué ci-dessus, il faut une longueur nécessaire de canalisation de 469 mètres, ou pour un diamètre de 15 millimètres, une longueur de 346 mètres, ou pour un diamètre 12 millimètres une longueur de 267 mètres. Par ailleurs, une autre contrainte à respecter dans le procédé suivant l'invention, est le temps de séjour des particules d'algues diluées, dans la partie chauffée qui doit être de l'ordre de 20 minutes environ, ce qui pour un debit de 1000 litres par heure, nécessite un volume total de chambre tubulaire de 335 litres. Or, une canalisation de 469 mètres de diamètre en 18 millimètres ne représente que 119 litres ; il est donc nécessaire pour avoir à la fois la contre- pression suffisante et le volume souhaité, de disposer d'un premier ensemble tubulaire de plus gros diamètre satisfaisant aux impératifs du volume, suivi d'un ensemble tubulaire de plus petit diamètre pour créer la perte de charge minimum voulue définie ci-dessus, tels que par exemple 322 mètres d'un tube de 36 millimètres suivi de 267 mètres d'un tube de 12 millimètres ou encore 166 mètres d'un tube 48 millimètres, suivi de 346 mètres d'un tube de 15 millimètres. On peut noter cependant qu'une autre solution pour assurer la compression de l'installation consiste à placer une deuxième pompe 15 en série après l'installation tubulaire 14 pour relever la pression dans celle-ci au dessus de la dite valeur désirée de 0,3 MPa. A la sortie du dit ensemble tubulaire chauffant, pouvant être défini comme comportant un premier étage que l'on peut qualifier de chauffeur, à effet joule, pour monter le produit à la température optimum voulue suivi d'un deuxième étage, dit chambreur, à gros diamètre et maintenant le produit à la température souhaitée pendant la durée minimum voulue, et enfin un troisième étage dit restricteur de conduits de plus faible diamètre, assurant la contre pression suffisante, l'ensemble de la solution passe alors dans un moyen de séparation des résidus afin de récupérer le jus contenant les polymères hydrocolloïdes tels que l'Agar-Agar, tel que dans une essoreuse 16 centrifuge en continu autodébourbeuse, dimensionnée proportionnellement au réacteur précédent, résidus précipités ayant une masse finale égale à trois fois celle initiale. Si la force de gravité centrifuge appliquée aux particules est suffisante telle que celle créée par une vitesse de rotation de l'ordre de 7000 Tlmn, clarification du jus est excellente et permet une opération en continu, comme dans l'extracteur réacteur précédent. La solution obtenue, contenant alors de l'Agar de 1,5 à 2,5 % environ dilution, peut être acheminée par exemple vers une cuve 19, de stockage agitée, pour éviter la prise en masse du volume total et servant de tampon avant les étapes suivantes. Suivant les utilisations ultérieures, une filtration 17 sur filtre à bougie peut être alors recommandée après l'essoreuse centrifuge, en particulier pour les utilisations en biologie. Un blanchiment peut être également recommandé dans des modes de réalisation particuliers, tels que sur résines échangeuses 18 d'ions cationiques, sous forme par exemple NH4+, permettant une déminéralisation du jus d'extraction et anioniques, sous forme par exemple Co3-, permettant la décoloration proprement dite ;les dites résines étant dans un rapport de poids par rapport au volume de la solution colloïdes, de 116ème et le flux étant ascendant. L'avantage d'utiliser des ions ammonium et carbonate, est que ceux-ci sont vaporisables lors du séchage, l'Agar résultant étant alors dessalé. D'autres techniques de blanchiment peuvent être utilisées. Le jus ainsi obtenu peut être ensuite concentré tel que dans un évaporateur 20 sous vide, pour porter titration qui est de l'ordre de 1,5 à 2,5 comme indiqué ci-dessus, soit par exemple 2 %, jusqu'à au moins 10 %, soit de préférence aux alentours de 20 lo en rapport de poids-volume. Suivant l'utilisation que l'on recherche, il peut être nécessaire ensuite de sécher le produit ainsi obtenu pour obtenir une poudre conditionnable, telle que dans une tour 21 d'atomisation ou autre moyen permettant de réduire le taux d'humidité de la poudre obtenue jusqu'a taux de l'ordre de 5 à 10 %. Les phases de séparation de résidus et de concentration jusqu'au séchage éventuellement nécessaire suivant l'application et suivant le procédé de l'invention sont de préférence ceux indiqués ci-dessus, bien que d'autres moyens peuvent être retenus ; ceux préférentiellement décrits et représentés sur la figure unique jointe permettent de rester en production et en traitement continu, toujours sous forme de liquide, à la suite de phase d'extraction proprement dite par dilution puis chauffage pour l'extraction de l'Agar-Agar, à partir des algues broyées, même si ces étapes de procédé ont un bilan énergétique moins bon que dans d'autres méthodes, telles que la concentration par congélation/décongélation mais qui ne permet pas un procédé continu. Différents essais ont été réalisés suivant le procédé de la présente invention et leurs résultats peuvent être cités à titre d'exemple pour confirmer l'optimisation obtenue tels que: - des algues Chondrus et Hypnea ont été ainsi traitées pour extraire du carraghénane ; alors que ces espèces traitées traditionnellement à l'eau chaude entre 90 C et 100 C pendant plus 15 heures ne permettent d'obtenir que de l'ordre de 3 kilos de carraghénanes pour 10 kilos d'algues initiales, chacune de ces espèces traitée dans le système tubulaire suivant le procédé de l'invention avec une dilution de 5 % ou 1I20 en rapport poids-volume à 90 C, ont permis d'obtenir respectivement 6,6 kilos et 5,2 kilos de carraghénanes. Le procédé de la présente invention peut être également appliqué à des résidus d'algues ayant déjà servi lors d'une première extraction suivant un procédé connu, afin d'en extraire encore ce qui resterait dans les dites algues, et ainsi compléter le rendement de production ; des essais selon le procédé décrit precédemment ont été réalisés sur des résidus d'algues Gélidium ayant donc déjà ôte traités pour l'extraction d'Agar dans une usine d'un groupe industriel européen; 5 kilos de tels résidus après circulation alors suivant le procédé de l'invention dans le réacteur tubulaire avec un volume de 100 litres d'eau, après un traitement de 20 minutes à 135 C, ont permis de récupérer encore 650 grammes d'Agar, soit environ 13 % du poids sec de résidus de départ. Compte tenu du fait qu'environ 20 % d'Agar avaient été déjà probablement extraits, hors perte en cours de traitement, il apparait que plus 16,5 % d'Agar étaient donc extractibles dès l'origine, si l'opération suivant la présente invention avait été réalisée ainsi. Différentes expériences et essais ont pu également être réalisés suivant la presente invention à différentes températures, telles que 115 C avec un ratio de dilution de 1122ème ; la quantité d'Agar dissous était de 1,74 % et le rendement moyen de 37 %, compte tenu de la quantité d'algues au départ. Une autre expérience réalisée à 125 C à un ratio de dilution de 1120eme a donné une titration encore plus faible mais avec un excellent rendement de %. Une autre expérience à 135 C avec un ratio de dilution de 1115ème a donné une titration excellente de 2,4 % mais avec un mauvais rendement de 37 %, eu égard la quantité d'algues traitées. Une autre expérience combinant les conditions les plus favorables de titration et de rendement ci-dessus, à 135 C avec un ratio de 1120ème ont permis d'obtenir des titrations et des rendements maximum de 2,34 % et 47 respectivement. En ce qui concerne les étapes de concentration et de séchage, des essais ont été réalisés avec 300 litres de solution d'Agar titrant 2,5 % maintenus à 80 C dans une cuve thermostatée ; cette solution est pompée pour être amenée au sommet d'une tour d'évaporation installée en circuit descendant. Un vide progressivement réalise autour de -0,04 MPa, permet une température d'ébullition aux environs de de la solution, et la température de la vapeur d'entrée est quant à elle limitée à 105 C. Le taux de condensation récupéré en fin d'expérience est mesuré à 262,5 litres, soit une concentration finale de la solution initiale portée à 20 Cette solution maintenue en permanence à plus de 70 C reste suffisamment fluide pour être injectée ensuite dans un atomiseur, par une buse pulvérisant la solution au sommet de l'appareil. L'air entrant est réglé à 135 C et température de sortie est de 85 C ; une poudre très fine non colorée, titrant 5 % d'humidité est recueillie, pesée à 7,2 kilos et peut être alors considérée comme le produit final 15 voulu suivant l'application recherchée après avoir été refroidie. Contrairement au procédé connu dans le domaine de l'extraction de l'alginate, (US-A-3773753), le procédé l'invention ne fait pas appel à une viscosité suffisante du mélange en cours de traitement, mais au contraire à sa fluidité et à un régime tuburlent favorable aux transferts de masses. II s'ensuit que le diamètre et la longueur des tubes ainsi que la vitesse linéaire et donc le débit sont des facteurs interdépendants déterminés pour conduire à un temps de séjour adéquat éviter la sédimentation des particules de matière et les effets de traîne. Le chauffage s'opère sur toute la longueur du parcours de traitement d'où un rendement optimum. Dans une variante de réalisation de l'invention, un logiciel de calcul est prévu pour réguler l'installation. La contre pression qui est obtenue permet d'éviter les vaporisations dans le tube. Dans une autre variante de réalisation de l'invention, le tuyau de contre pression est remplacé par une vanne pneumatique. De préférence, les vannes papillons ou similaires sont à écarter du fait qu'elles peuvent induire des colmatages. La température de sortie est maintenue au dessous de cent degrés Celsius ce qui écarte les risques de vaporisation. Dans cet exemple, l'installation de production d'un produit notamment d'Agar-Agar extrait comprend donc: - une source d'alimentation en matière brute comprenant un agitateur, - une pompe 2 conforme à l'invention, - un système tubulaire chauffé et, - un moyen de séparation des résidus du jus. REVENDICATIONS 1. Pompe de pression pour liquide chargé de particules telles des morceaux d'algues ou de pépins ou d'animaux, comprenant - une enveloppe (3) tubulaire d'axe (4) sensiblement horizontal, laquelle comprend fictivement une première zone (5) amont et une seconde zone aval, - logés dans la zone (6) aval, un stator (7) et un rotor (8) formant l'elément actif de la pompe (2), - logé dans la zone (5) amont, un arbre (9) d'entrainement du rotor (8), lequel arbre (9) d'entrainement est associé par l'une de ses extrémités au rotor et, par l'autre extrémité, à un moteur (10) d'entrainement situé à l'extérieur de l'enveloppe tubulaire, - une sortie (11) de pompe située en extrémité aval de l'enveloppe (3) tubulaire et, - une entrée (12) d'alimentation, située au niveau de la zone amont de l'enveloppe tubulaire et au travers de laquelle pénètre par gravité le fluide, cette pompe étant CARACTERISEE en ce que l'arbre (9) d'entrainement du rotor est au moins localement pourvu d'une vis (13) sans fin dont l'helice est orientée pour déplacer le liquide chargé vers l'élément actif de la pompe que constitue l'ensemble rotor/stator. 2. Pompe selon la revendication 1 caractérisée en ce que le diamètre de la vis 3) sans fin est, au jeu de fonctionnement près, identique au diamètre interne l'enveloppe tubulaire. Pompe selon la revendication 1 caractérisée en ce que la vis sans fin s'étend sur toute la longueur de la zone amont. 4. Pompe selon la revendication 1 caractérisée en ce que la vis 3) sans fin est, par celle des extrémités associées au moteur, guidée en rotation dans un palier, son autre extrémité étant associée au rotor par une articulation. Pompe selon la revendication 1 caractérisée en ce que la sans fin est fixee de manière amovible sur l'arbre d'entrainement. Pompe selon la revendication 1 caractérisée en ce que la vis sans fin constitue au moins localement l'arbre d'entrainement. 7. Installation de production de matière extraite de petits morceaux d'un produit brut en suspension caractérisée en ce qu'elle comprend pompe selon l'une quelconque des revendications 1 à 6. 8. Installation selon la revendication 7 caractérisée en qu'elle comprend - une source d'alimentation en matière brute comprenant un agitateur, - une pompe (2), - système tubulaire chauffé et, - moyen de séparation des résidus du jus. 9. Installation selon la revendication 8 caractérisée en ce qu' à la sortie du dit ensemble tubulaire chauffant, pouvant être défini comme comportant un premier étage que l'on peut qualifier de chauffeur, à effet joule, pour monter le produit à la température optimum voulue suivi d'un deuxième étage, dit chambreur, à gros diamètre et maintenant le produit à la température souhaitée pendant la durée minimum voulue, et enfin un troisième étage dit restricteur de conduits de plus faible diamètre, assurant la contre pression suffisante.