Brevet FR2955037A1 — publié le 20110715

- 1 - « Appareil de filtration et procédé de contrôle d'un tel appareil » L'invention porte sur un procédé de gestion d'un appareil de filtration. Elle porte également sur un système mettant en oeuvre ce procédé. L'invention porte plus particulièrement sur un procédé de gestion d'un appareil de filtration comportant une membrane semi-perméable réalisant une filtration d'un liquide comprenant des solutés, à l'exclusion du sang, en vue d'optimiser la filtration réalisée. Par filtration on entend un procédé de séparation permettant de séparer les constituants d'un mélange qui possède une phase liquide et une phase solide au travers d'un milieu poreux. Lors de la filtration d'un liquide, le liquide est filtré par gradient de pression et les solutés à éliminer sont transportés par convection avec le liquide. La quantité totale de liquide filtré par unité de temps (taux horaire de filtration) est l'un des paramètres les plus importants. La différence de pression de part et d'autre de la membrane est appelée pression transmembranaire (PTM). Le rapport entre le taux horaire de filtration et la pression transmembranaire est appelé coefficient de filtration (KF). Pour un débit de filtration (QF) donné, l'adsorption dans la membrane de solutés ou la formation de dépôt sur la surface modifie la résistance à la convection et donc la pression transmembranaire (PTM). Le coefficient de filtration (KF= QF / PTM) n'est donc pas constant. Il varie avec les caractéristiques du liquide à filtrer. Si on augmente fortement le débit total filtré, la pression transmembranaire augmente. Une valeur maximale de débit peut être atteinte. C'est le plateau où une augmentation de la pression transmembranaire (PTM) n'entraîne pas d'augmentation de débit (dQf/dPTM =0 ). Cette valeur maximale du débit total filtré est généralement recherchée comme une valeur cible où la résistance convective est importante. La saturation de la membrane par les solutés peut entraîner 2955037 - 2 - des dépôts sur la membrane ou l'intérieur de celle-ci (par adsorption) et diminuer ses performances de manière irréversible. Cette valeur limite de débit est connue sous le nom de flux critique. Un but de l'invention est de pallier ces inconvénients. 5 Un autre but de l'invention est de proposer un procédé de gestion d'un appareil de filtration permettant d'améliorer le fonctionnement et le rendement de l'appareil de filtration. Un autre but de l'invention est de fournir un appareil de filtration présentant un meilleur rendement que les appareils actuellement connus. 10 L'invention permet d'atteindre les buts précités par un procédé de gestion d'un appareil de filtration d'un liquide comprenant des solutés, en vue d'une amélioration du fonctionnement dudit appareil, ledit appareil comportant une membrane semi-perméable, ledit procédé comprenant au 15 moins une itération des étapes suivantes : - détermination d'une valeur, dite instantanée, d'un coefficient de filtration, ledit coefficient correspondant au rapport d'un débit de filtration sur une différence de pression, dite pression transmembranaire, de part et d'autre de ladite membrane semi- 20 perméable, - comparaison de ladite valeur instantanée avec au moins une valeur caractéristique préalablement déterminée ; et - en fonction de ladite comparaison, commande dudit appareil de traitement de manière à atteindre une valeur maximale dudit 25 coefficient de filtration, ladite commande comprenant une variation du débit de filtration à une valeur correspondant à ladite valeur maximale dudit coefficient de filtration. La membrane semi-perméable a pour rôle de filtrer, au moins en partie, les solutés présents dans le liquide. 30 La différence de pression de part et d'autre de la membrane permet le transfert de solutés et de liquide. L'invention porte sur tout liquide comprenant des solutés, à l'exclusion du sang. 2955037 - 3 - L'élimination des solutés par filtration dépend de la perméabilité hydraulique de la membrane semi-perméable. Au cours d'une filtration, pour un débit de filtration constant, l'adsorption dans la membrane de solutés ou la formation de couches superficielles de solutés fait augmenter 5 la résistance à la convection. La perméabilité hydraulique est modifiée. La perméabilité hydraulique est mesurée par la détermination du coefficient de filtration (KF) qui est égal au rapport du débit de filtration sur la pression transmembranaire (PTM). En effet, des études menées par les demandeurs montrent que le 10 coefficient de filtration varie notamment avec le débit de filtration. Sa courbe de variation n'est pas un plateau mais une parabole. La valeur maximale du KUF (KUF max) correspond au meilleur débit de convection par rapport à la contrainte de pression. C'est la valeur de perméabilité hydraulique optimale pour la membrane. Cette valeur qui est obtenue en 15 cours de séance tient compte des caractéristiques du traitement : composition du liquide, débits, type de membrane, surface L'invention permet de déterminer le coefficient de filtration optimal pour utiliser un appareil de filtration à son état de fonctionnement optimal. Avantageusement, le procédé selon l'invention permet d'utiliser un 20 appareil de filtration à son mieux, et non pas à son maximum. En effet, le rendement d'un appareil de filtration est optimal lorsque le coefficient de filtration est maximal, ce qui correspond à un taux de filtration meilleur que ceux obtenus actuellement et ce pour une moindre contrainte de pression transmembranaire. C'est une valeur qui permet d'utiliser l'appareil de 25 filtration à son état de rhéologie optimal. Avantageusement, l'étape de détermination du coefficient de filtration peut comprendre au moins une itération des étapes suivantes : - mesure de la pression transmembranaire, - calcul du débit de filtration réalisée par la membrane semi- 30 perméable, et - calcul de la valeur de coefficient de filtration par division dudit débit de filtration par ladite pression transmembranaire. Lors de l'étape de comparaison, la ou les valeurs caractéristiques préalablement déterminées peuvent comprendre : 2955037 - 4 - - soit des valeurs fournies par le constructeur de l'appareil de filtration, ou - soit des valeurs déterminées lors d'une itération précédente ou lors d'une ou plusieurs séances de filtration préalables. 5 Ainsi, la valeur instantanée du coefficient de filtration peut être comparée à une ou plusieurs valeurs qui sont : - soit fournies par le constructeur de l'appareil de filtration, ou 10 - soit déterminées lors d'une ou plusieurs itérations ou séances de traitement précédentes. Selon un mode de réalisation, la valeur maximale du coefficient de filtration peut être mesurée lors de la séance de filtration en cours par détermination de la variation dudit coefficient de filtration en fonction du 15 débit de filtration, ladite détermination comprenant plusieurs itérations des étapes suivantes : - variation du débit de filtration - mesure de la pression transmembranaire obtenue pour ce débit de filtration, 20 - calcul da la valeur de coefficient de filtration par division dudit débit de filtration par ladite pression transmembranaire, et - mémorisation dudit coefficient de filtration calculé en association avec le débit de filtration ; Dans ce mode de réalisation, le procédé selon l'invention comprend 25 une première itération pendant laquelle une première valeur KFo du coefficient de filtration est déterminée après mesure de la pression transmembranaire. Cette valeur est mise en mémoire. Puis lors d'une deuxième itération, le débit de filtration est modifié et une nouvelle valeur KUFI du coefficient de filtration est déterminée après mesure de la pression 30 transmembranaire. Si KF1>KFo alors KF1 est mis en mémoire et ainsi de suite. La série d'itérations s'arrête lorsqu'on obtient KFk>KFk+I. Le débit de filtration optimal est celui qui correspond au coefficient de filtration KUFk. Dans ce mode de réalisation, la valeur instantanée du coefficient de filtration est comparée à une valeur de filtration déterminée lors de 2955037 - 5 - l'itération précédente. Tel qu'indiqué plus haut la comparaison peut se faire par rapport à une valeur donnée par le constructeur ou déterminée lors de séances précédentes. La détermination de la variation du coefficient de filtration peut se 5 faire à tout moment lors de la séance de filtration. La détermination de la variation peut se faire plusieurs fois lors d'une séance de filtration pour optimiser le rendement de l'appareil de traitement. Elle peut soit se faire de manière automatique, soit être déclenchée par une intervention manuelle de la part d'un opérateur. 10 Tel que précisé plus haut, la variation du coefficient de filtration en fonction du débit de filtration se fait selon une courbe parabolique. Le débit optimal de filtration est celui pour lequel le coefficient de filtration est sensiblement égal à la valeur correspondant au sommet de cette courbe parabolique. 15 Suivant un autre aspect de l'invention, il est proposé un appareil de filtration d'un liquide comprenant des solutés, ledit appareil comprenant une enceinte de filtration comportant une membrane semi-perméable, ledit appareil comprenant : 20 - des moyens de détermination d'une valeur, dite instantanée, d'un coefficient de filtration, ledit coefficient correspondant au rapport d'un débit de filtration sur une différence de pression, dite pression transmembranaire, de part et d'autre de ladite membrane semi-perméable, 25 - des moyens de variation du débit de filtration, et - un module de commande desdits moyens de variation du débit de filtration, en fonction d'une comparaison de ladite valeur instantanée à une valeur dite maximale. Avantageusement, les moyens de détermination de la valeur 30 instantanée du coefficient de filtration peuvent comprendre : - des capteurs de mesure de la pression transmembranaire, et plus particulièrement plusieurs capteurs disposés au niveau de chaque entrée et sortie de l'enceinte de filtration et mesurant la 2955037 - 6 - pression au niveau de chaque entrée et sortie de l'enceinte de filtration ; - des moyens de détermination du débit de filtration, et - des moyens de calcul d'une valeur du coefficient de filtration 5 par division dudit débit de filtration par ladite pression transmembranaire. Chacun des capteurs et les moyens de calculs peuvent être reliés au module de commande. L'appareil selon l'invention peut avantageusement comprendre des 10 moyens de mémorisation agencés pour mémoriser au moins une valeur de coefficient de filtration pour une valeur de débit de filtration. Par ailleurs, les moyens de commande peuvent comprendre des moyens d'exécution d'instructions mémorisées dans des moyens de mémorisation, éventuellement intégrés dans le module de commande, 15 lesdites instructions réalisant un calcul de la valeur maximale du coefficient de filtration lors d'une séance de filtration en cours par détermination de la variation dudit coefficient de filtration en fonction du débit de filtration, ladite détermination comprenant plusieurs itérations des étapes suivantes : - variation du débit de filtration - mesure de la pression transmembranaire obtenue pour ce débit de filtration, - calcul de la valeur de coefficient de filtration par division dudit débit de filtration par ladite pression transmembranaire, et - mémorisation, dans les moyens de mémorisation, dudit coefficient de filtration calculé en association avec le débit de filtration ; Avantageusement, des moyens de déclenchements manuels peuvent être agencés pour un déclenchement manuel : - de la détermination de la valeur instantanée du coefficient de filtration, et/ou - de la détermination de la valeur maximale du coefficient de filtration lors d'une séance de traitement en cours. Ainsi, l'opérateur peut à tout moment et aussi souvent que nécessaire déclencher la détermination de la valeur instantanée du 20 25 30 2955037 - 7 - coefficient de filtration. Si la valeur de filtration est inférieure, d'une valeur prédéterminée, à la valeur maximale de ce coefficient alors le module de commande peut effectuer un réglage du débit de filtration pour atteindre la valeur maximale du coefficient de filtration. 5 L'invention s'applique à tous liquides contenants des solutés tels que des particules, protéines, bactéries, colloïdes, molécules, etc., à l'exclusion du sang. L'invention s'applique plus particulièrement à des liquides alimentaires comprenant des solutés, tels que le vin, le lait etc. L'invention 10 permet d'utiliser différentes membranes, telles que des membranes en matière synthétique ou en céramique, et différents seuils de filtration, c'est-à-dire des pores de la membrane de filtration de la taille du nanomètre au millimètre. 15 D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée d'un mode de mise en oeuvre nullement limitatif, et des dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 illustre des exemples de profil de variation du coefficient de filtration de lait « entier » (32 g/I de protéines) 20 en fonction du débit de filtration. - la figure 2 est une représentation schématique d'un appareil pouvant être mis en oeuvre pour un traitement de filtration La figure 1 montre plusieurs exemples de variations du coefficient de 25 filtration en fonction du débit de filtration pour un même type d'enceinte de filtration également appelée filtre dans la suite de la description. Tel que représenté en figure 1, des mesures montrent que la courbe de variation du coefficient de filtration KF en fonction du débit de filtration, croit, passe par un maximum puis décroît. La forme générale de la courbe est une 30 forme de parabole quel que soit le soluté ou le moment de la filtration par contre les valeurs de KF ainsi que les valeurs maximales sont différentes. Le coefficient de filtration n'est donc pas une constante. Il varie selon de multiples facteurs dont les caractéristiques de la membrane, la surface, les solutés ou les débits. C'est un paramètre majeur en filtration. 2955037 - 8 - La surveillance du coefficient de filtration pendant la filtration permet de contrôler les conditions de travail de l'appareil de filtration et de suivre, au cours du traitement, les deux variables dans le filtre, la performance et les variations des caractéristiques du liquide à filtrer pour améliorer le 5 rendement de la membrane semi-perméable utilisée. Nous allons maintenant décrire, en référence à la figure 2, un appareil 20 de filtration selon l'invention. L'appareil 20 comprend une enceinte de filtration 21 comportant une membrane semi-perméable 22 qui sépare le volume interne de l'enceinte de filtration 21 en deux 10 compartiments : le compartiment 23 qui reçoit le liquide à filtrer et le compartiment 24 qui reçoit le filtrat. L'appareil de filtration 20 comprend en outre une pompe 25 agencée pour faire circuler le liquide par la ligne 26 vers l'enceinte de traitement 21 15 à un débit égal à Q. La pression du liquide à filtrer est mesurée par un capteur 27 disposé avant le compartiment 23 du dialyseur 21. Le liquide à filtrer est en contact avec la membrane semi-perméable 22. Le liquide sort de l'enceinte de filtration 21 par une ligne 28. La 20 pression peut être mesurée par un capteur 29. Une pompe 33 située sur une ligne 39, connectée au compartiment 24 de l'enceinte de filtration 21 fonctionne à un débit contrôlé précisément par un dispositif de type connu et adapté pour mesurer un débit de filtration. Un capteur 35 mesure la pression dans cette ligne 31 avant 25 l'enceinte de filtration 21. Un contrôleur 37 reçoit des données de pression des capteurs 27, éventuellement 29, et 35 et des données de débits de la pompe 33. Le contrôleur 37 est agencé de manière à contrôler le débit de la pompe 33. Ce contrôleur 37 calcule la pression transmembranaire PTM sur la 30 base des valeurs des pressions mesurées aux 3 points par les capteurs 27, 29, et 35. La PTM est égale à la moyenne des pressions du compartiment du liquide à filtrer 23 moins la pression du compartiment 24. En l'absence de trois capteurs, la PTM pourra également être déterminée mais de - 9 - manière moins précise par deux capteurs, l'un situé avant le filtre sur la ligne 26 et l'autre en sortie de filtre sur la ligne 39. Pour le début de la série de mesures du coefficient de filtration, le contrôleur 37 arrête la pompe de filtration 33 et attend la stabilisation des mesures de pression, environ 1 min. Il augmente ensuite la pompe 33 à la valeur de débit programmée, il attend la stabilisation des mesures, environ 1 min, puis calcule la pression transmembranaire PTM;. La valeur du coefficient de filtration calculée sera égale au taux de filtration QF divisé par la valeur PTM;. Le coefficient de filtration sera affiché par l'appareil 20 sur des moyens de visualisation (non représentés) et pourra être comparé avec des valeurs mises en mémoire, par exemple, des valeurs caractéristiques pour le type de filtre ou le liquide à filtrer ou des valeurs de début de filtration ou de valeurs mesurées lors de filtrations précédentes, ceci afin de contrôler les variations inter filtration ou intra filtration et induire une procédure d'amélioration du rendement de l'appareil 20 ou prévoir des messages d'alerte ou des alarmes via le contrôleur 37. Par appui sur un bouton de mise en marche du control, le contrôleur 37 arrête la pompe de filtration 33 et attend la stabilisation des mesures de pression, environ 1 min. Le contrôleur 37 augmente ensuite le débit de la pompe de filtration 33, par paliers, jusqu'à la valeur QFX et pour un temps de stabilisation prédéterminé. A la fin de chaque palier, la PTM sera égale à PTMX. Puis, le coefficient de filtration est déterminé avec la formule : KF = QFx PTM x Pour le premier palier la valeur du coefficient de filtration sera comparée avec des valeurs caractéristiques de différents types de membranes mises en mémoire et avec le débit programmé pour la filtration. Selon le résultat, apparenté au type de membrane, différents paliers seront prévus par le calculateur 37. Le débit de filtration et la PTM devront être inférieurs à des limites programmées sinon la valeur optimale du coefficient de filtration sera considérée comme celle obtenue à la première limite. 2955037 - 10 - La valeur du coefficient de filtration déterminée à la fin de chaque palier sera mise en mémoire et comparée avec les précédentes valeurs. Si cette dernière valeur est inférieure aux valeurs précédentes d'une certaine valeur préprogrammée alors il n'y aura pas de palier supplémentaire. Le 5 calculateur 37 calculera une courbe de tendance des valeurs et ajustera le débit de la pompe de filtration 33 pour obtenir le coefficient d'épuration maximal. Le calculateur 37 engendrera un signal indiquant que la valeur optimale est atteinte 10 Une confirmation de la valeur de débit de la pompe de filtration 33 sera demandée par le calculateur 37. Si la valeur est confirmée, la pompe de filtration 33 sera maintenue à cette valeur pendant le temps prévu ou arrêtée lorsque la quantité de liquide à filtrer sera atteinte. La PTM et le coefficient de filtration seront calculés en permanence. Si la PTM varie 15 d'une valeur prédéfinie le débit de filtration sera automatiquement modifié pour maintenir la PTM constante. Si la valeur n'est pas confirmée, la pompe de filtration 33 sera maintenue à la valeur programmée de débit de filtration. En cours de séance, des recherches de la valeur optimale pourront 20 être effectuées soit manuellement, soit par programmation soit en raison d'une variation du KUF ou de la PTM mesuré dans des limites prédéfinies. Ceci permettra, par exemple, d'éviter le flux critique. Les caractéristiques de la courbe du KF /QF (forme et maximum) permettront de vérifier si le filtre 21 est adapté à la filtration. 25 Cette courbe est une caractéristique d'un liquide à filtrer, non seulement pour une seule filtration, mais aussi au cours de ses modifications de composition. Certaines modifications de composition du liquide à filtrer pourront être détectées en comparant les profils de courbe dans une analyse historique, par exemple dernière ou précédentes 30 filtration. L'invention permet d'améliorer le fonctionnement d'un appareil de filtration d'un liquide comprenant des solutés en fonction des conditions relatives au liquide à filtrer au début de la filtration. 2955037 - 11 - Un autre avantage de l'invention est qu'elle est adaptable aux liquides et aux solutés à filtrer et aux conditions de filtration qui varient au cours de la filtration. Par ailleurs, l'appareil selon l'invention comprend un contrôleur qui 5 peut détecter les changements de paramètres en fonction de la composition du liquide à filtrer et peut donc fournir une analyse historique utile pour améliorer la filtration. L'appareil selon l'invention permet de détecter une hausse anormale de la PTM et donc de prévenir le colmatage irréversible de la membrane 10 semi-perméable. Bien sûr, l'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS1. Procédé pour contrôler un appareil (20) de filtration d'un liquide en vue d'une amélioration du fonctionnement dudit appareil (20), ledit appareil (20) comportant une membrane (22) semi-perméable réalisant une filtration, ledit procédé comprenant au moins une itération des étapes suivantes : - détermination d'une valeur, dite instantanée, d'un coefficient de filtration correspondant au rapport d'un débit de filtration sur une différence de pression, dite pression transmembranaire, de part et d'autre de ladite membrane semi-perméable (22), - comparaison de ladite valeur instantanée avec au moins une valeur caractéristique préalablement déterminée ; et - commande dudit appareil (20) de traitement de manière à atteindre une valeur maximale dudit coefficient de filtration, ladite commande comprenant une variation du débit de filtration à une valeur correspondant à ladite valeur maximale dudit coefficient de filtration. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape de détermination du coefficient de filtration comprend au moins une itération des étapes suivantes : - mesure de la pression transmembranaire, - calcul du débit de filtration réalisée par la membrane semi- perméable (22), et - calcul da la valeur de coefficient de filtration par division dudit débit de filtration par ladite pression transmembranaire. 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la valeur maximale du coefficient de filtration est une valeur prédéterminée : - par le constructeur de l'appareil (20) de filtration, ou - lors d'une ou plusieurs filtrations préalables. 2955037 - 13 - 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la valeur maximale du coefficient de filtration est mesurée lors de la filtration en cours par détermination de la variation dudit coefficient de filtration en fonction du débit de filtration, ladite détermination comprenant 5 plusieurs itérations des étapes suivantes : - variation du débit de filtration - mesure de la pression transmembranaire obtenue pour ce débit de filtration, - calcul da la valeur de coefficient de filtration par division dudit 10 débit de filtration par ladite pression transmembranaire, et - mémorisation dudit coefficient de filtration calculé en association avec le débit de filtration ; 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, 15 caractérisé en ce qu'il comprend en outre une détermination d'une perméabilité hydraulique de la membrane semi-perméable (22) en fonction du coefficient de filtration. 6. Utilisation du procédé selon l'une quelconque des revendications 20 précédentes pour la filtration du lait ou du vin. 7. Appareil (20) de filtration comprenant une enceinte de filtration (21) comportant une membrane semi-perméable (22) réalisant une filtration d'un liquide, ledit appareil (20) comprenant : 25 - des moyens de détermination d'une valeur, dite instantanée, d'un coefficient de filtration correspondant au rapport d'un débit de filtration sur une différence de pression, dite pression transmembranaire, de part et d'autre de ladite membrane semi-perméable, 30 - des moyens (33) de variation du débit de filtration, et - des moyens (37) de commande desdits moyens (33) de variation du débit de filtration, en fonction d'une comparaison de ladite valeur instantanée à une valeur dite maximale, de manière à atteindre un coefficient de filtration maximale.- 14 - 8. Appareil (20) selon la revendication 7, caractérisé en ce que les moyens de détermination de la valeur instantanée du coefficient de filtration comprennent : - des moyens (27,29,35) de mesure de la pression transmembranaire, - des moyens (33) de mesure du débit de filtration réalisée par la membrane semi-perméable, et - des moyens (37) de calcul de la valeur de coefficient de filtration à partir dudit débit de filtration et de ladite pression transmembranaire. 9. Appareil (20) selon l'une quelconque des revendications 7 ou 8, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens pour mémoriser au moins une valeur de coefficient de filtration pour une valeur de débit de filtration. 10. Appareil selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisé en ce que les moyens de commande (37) comprennent des moyens d'exécution d'instructions mémorisées dans des moyens de mémorisation, lesdites instructions réalisant un calcul de la valeur maximale du coefficient de filtration lors d'une filtration en cours par détermination de la variation dudit coefficient de filtration en fonction du débit de filtration, ladite détermination comprenant au moins une itération des étapes suivantes : - variation du débit de filtration - mesure de la pression transmembranaire obtenue pour ce débit de filtration, - calcul da la valeur du coefficient de filtration par division dudit débit de filtration par ladite pression transmembranaire, et - mémorisation dudit coefficient de filtration calculé en association avec le débit de filtration. 5 2955037 - 15 - 11. Appareil (20) selon l'une quelconque des revendications 7 à 10, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens de déclenchement manuel : - de la détermination de la valeur instantanée du coefficient de filtration, et/ou - de la détermination de la valeur maximale du coefficient de filtration lors d'une séance de traitement en cours.