Brevet FR2990269A1 — publié le 20131108

La présente invention concerne le domaine des méthodes de lyophilisation de produits. La lyophilisation est une des techniques de déshydratation connue de longue date, utilisée pour la conservation et le stockage de produits alimentaires ou biologiques ou encore pharmaceutiques. Dans le cas des produits alimentaires, le but de la lyophilisation est en général d'obtenir un produit qui présente, après addition d'eau ultérieure, les mêmes caractéristiques que le produit d'origine (le cas du café ou encore des soupes sont des exemples bien connus). Dans le cas des produits pharmaceutiques la lyophilisation est généralement utilisée pour rendre le produit, après ingestion par le patient, plus facile à assimiler. Le principe bien connu de la lyophilisation est d'évacuer l'eau contenue dans des produits congelés par sublimation i.e. par passage direct de l'état solide à l'état gazeux sans passer par la phase liquide. La vapeur d'eau quitte donc le produit et est extraite ou capturée, par exemple à l'aide d'un condenseur ou piège froid : on assiste donc à la formation de glace sur les parois froides, glace qui doit être enlevée périodiquement en dégivrant le condenseur. Mais l'on sait que certains systèmes à forte capacité utilisent des pompes à vide, la vapeur d'eau est alors extraite et évacuée sans piégeage. On distingue alors généralement trois phases essentielles dans un cycle de lyophilisation : - la congélation : où les produits sont réfrigérés à des températures de l'ordre de -20 °C à -80 °C, de façon à bloquer l'eau sous forme solide (glace). - la dessiccation primaire ou « sublimation »: sous vide, mais le niveau de vide mis en place peut varier fortement d'un produit à l'autre, et avec un apport de chaleur, phase qui consiste à sublimer la glace libre (interstitielle), donc sans effet d'ébullition (pas d'eau en phase liquide). La chaleur est le plus souvent apportée par conduction, par le contact avec des étagères, sur lesquelles sont posés les produits, étagères dans lesquelles circule un fluide caloporteur. Certains systèmes disponibles sur le marché mettent cependant en oeuvre un transfert radiatif. Les équipements courants de lyophilisation utilisent souvent, comme on l'a vu plus haut, un piégeage cryogénique sur des échangeurs qui sont refroidis par un cryogène, et notamment de l'azote liquide, ce piégeage de la vapeur produite par la sublimation vient renforcer l'action du système de pompage au vide. - la dessiccation secondaire ou séchage final : qui permet d'extraire par désorption les molécules d'eau piégées à la surface des produits issus de l'étape précédente, étape réalisée en poussant le vide et sous une température généralement augmentée par rapport à la phase précédente. À la fin du cycle, le produit ne contient plus typiquement que 1 % à 5 % d'eau, ce qui est extrêmement faible. Les paramètres de chaque étape sont généralement testés en laboratoire sur des lyophilisateurs dits « pilotes » avant d'être industrialisés, jusqu'à mener à la « recette » convenant le mieux au produit traité. Et en effet on trouve sur le marché des équipements de lyophilisation des arrangements très variés, lyophilisateurs de paillasse, pilotes de tests, lyophilisateurs de production..., rassemblant ainsi des équipements plus ou moins capacitifs, et plus ou moins intégrateurs de toutes les fonctions requises (congélation, condensations... ). En tout état de cause, les équipements disponibles sur le marché, tels que mettant en oeuvre des pièges froids, peuvent être décrits comme présentant une première chambre munie traditionnellement de plateaux où sont déposés les produits, les pièges froids étant situés entre la chambre à plateaux et des moyens de pompage, pièges en communication de fluide avec ladite chambre à plateaux, condenseurs eux même rassemblés dans une chambre de condensation ou une canalisation de condensation, que le condenseur soit de type à réfrigération mécanique ou à piège de condensation refroidi par apport cryogénique (de multiples systèmes sont disponibles sur le marché), par exemple sous la forme d'un faisceau de tubes pour le frigorigène disposés à l'intérieur d'un tambour, ou encore comportant des tubes de frigorigène isolés, fixés sur la paroi extérieure du tambour, mais ceci n'est qu'illustratif. Dans l'ensemble de ce contexte, d'une méthode complexe et consommatrice en énergie, la lyophilisation est généralement réservée aux produits à forte valeur ajoutée (tels les produits pharmaceutiques ou les extraits biologiques) ou encore aux produits alimentaires dont l'exigence de qualité ou d'application (disponibilité, durée de vie..) justifie un tel cout (c'est le cas du café). D'autre part, les produits auxquels la lyophilisation est considérée comme s'appliquant le mieux sont généralement ceux qui vont réaliser un bon contact avec des étagères chauffantes, pour des raisons d'efficacité du transfert thermique bien compréhensibles, ce qui va rendre difficile l'application de cette technologie à des produits n'ayant pas une surface « plane » tels des produits sphériques ou certaines poudres (par exemple des ferments), ou encore certains comprimés pharmaceutiques ayant une forme non favorable. Un des objectifs de la présente invention est alors de proposer des conditions améliorées de lyophilisation, permettant de traiter de tels produits délicats i.e considérés généralement par la profession comme n'entrant pas dans le champs des produits que l'on peut traiter efficacement par les procédés et installations de lyophilisation existants. Comme on le verra plus en détails dans ce qui suit, la solution proposée par la présente invention s'attache à permettre l'obtention de pressions suffisamment basses pour permettre la sublimation sans intervention de pompes à vide, tout en offrant l'apport de chaleur de sublimation requis, notamment pour les cas difficiles évoqués plus haut. Pour cela, on introduit dans la chambre de traitement (celle où sont 5 disposés les produits, en général sur des étagères), préalablement à l'admission du cryogène dans le condenseur/piège froid, une atmosphère de CO2. L'effet de la présence de CO2 dans la chambre est en effet extrêmement intéressant puisque l'on va alors assister, lors de la mise en service ultérieure 10 du condenseur, à la solidification du CO2 sur les parois de ce condenseur, phénomène qui en l'absence de pompe à vide va créer un niveau de pression suffisamment bas pour réaliser la sublimation de la glace hydrique (en vapeur d'eau) selon le processus déjà évoqué plus haut. 15 On doit comprendre que le CO2 utilisé ici n'a pas à être exceptionnellement pur, le CO2 dit « à usage alimentaire » conviendra parfaitement à cette mise en oeuvre, même si pour certaines productions, notamment pharmaceutiques, de meilleures puretés peuvent être requises, mais l'homme du métier des gaz est familier de ces différentes gammes de 20 CO2. De même on a indiqué ici préférer l'introduction de CO2 seul, même si on peut envisager de l'introduire en mélange avec d'autres gaz pouvant purger l'air et dont les propriétés de condensation seraient proches de celles visées ici, c'est par exemple le cas du N20, mais force est de constater que dans ce 25 domaine de l'industrie, le CO2 est considéré comme un gaz peu cher, utilisable en toute sécurité etc... Selon un mode préféré de mise en oeuvre de l'invention, on introduit le CO2 dans le bas de la chambre, par exemple en utilisant un diffuseur, avec un 30 échappement du gaz (mélange de CO2 et d'air) par le haut de la chambre, on utilise alors ainsi avantageusement la densité élevée du CO2 pour réaliser une purge de l'air de la chambre par un effet piston, en nécessitant finalement assez peu de gaz, un peu plus du volume de la chambre apparaît suffisant. Lorsque la purge de l'air a été effectuée (en suivant par exemple le taux d'oxygène résiduel dans la chambre), les valves d'arrivée et d'évacuation de gaz de la chambre sont fermées, et l'on procède à l'admission du cryogène dans le condenseur/piège froid, produisant une baisse de pression dans la chambre et le démarrage du phénomène d'extraction et piégeage de la vapeur d'eau sous forme solide sur le piège, mais aussi la condensation du CO2 (glace sèche) sur le piège froid. Au fur et à mesure du séchage du produit la vitesse de séchage décroit, tout comme la pression dans la chambre, le contrôle/régulation du procédé jouant alors traditionnellement sur l'apport de chaleur pour faire croitre à nouveau la vitesse de séchage, tout en en se préservant de conditions de pression où l'on formerait de l'eau liquide. Et selon un mode avantageux de mise en oeuvre de l'invention on injecte, durant au moins une partie de cette phase de séchage (sublimation), de l'hélium ou un mélange de CO2 et d'hélium, pour améliorer les conditions de transfert thermique aux produits, ce qui se révèle tout particulièrement avantageux dans le cas des produits difficiles à sécher, comme déjà décrit plus haut (contact avec les étagères). La présence de l'hélium permet en effet d'améliorer le transfert thermique à toutes les parties exposées des produits, y compris aux structure internes de ces produits. Dans la mesure où cet Hélium intervient dans un circuit fermé, la quantité d'hélium nécessaire est très faible, on peut donner à titre d'illustration l'exemple suivant : le contrôle de la pression à une valeur de 0.4 torr (53 Pa) durant une période de temps, par l'injection de He, suivie d'une augmentation graduelle à 10 torr (1333 Pa) à la fin de la phase de séchage, en augmentant l'injection d'Hélium, d'où une quantité de 13,16 litres d'hélium pour chaque m3 de chambre, ce qui est infime. La méthode selon l'invention est applicable aux installations existantes sans modifications significatives mais avec l'avantage de pouvoir éliminer les pompes existantes sur l'installation, tout particulièrement quand l'invention est mise en oeuvre selon son mode préféré avec l'injection d'hélium ou d'un mélange CO2-He durant la phase de sublimation. L'invention concerne alors un procédé de lyophilisation de produits, du type qui comprend une étape dite de « dessiccation primaire » ou « séchage » ou « sublimation » des produits, réalisée dans une chambre de traitement, les produits ayant été préalablement congelés, étape effectuée sous un niveau choisi de vide et avec un apport de chaleur, permettant de faire passer tout ou partie de la glace piégée dans les produits à l'état de vapeur sans passer par une phase liquide, et du type où est effectué le piégeage cryogénique des vapeurs produites par la sublimation sur un système d'échangeur refroidis par un cryogène, le procédé se caractérisant en ce que préalablement à l'admission du cryogène dans le condenseur/piège froid, une atmosphère comportant du CO2 est introduite dans la chambre de traitement. Selon un mode préféré de mise en oeuvre de l'invention, on injecte, durant au moins une partie de la phase de sublimation, de l'hélium ou un mélange de CO2 et d'hélium, pour améliorer les conditions de transfert thermique aux produits. REVENDICATIONS1. Procédé de lyophilisation de produits, du type qui comprend une étape dite de « dessiccation primaire » ou « sublimation » des produits, réalisée dans une chambre de traitement, les produits ayant été préalablement congelés, étape effectuée sous un niveau choisi de vide et avec un apport de chaleur, permettant de faire passer tout ou partie de la glace piégée dans les produits à l'état de vapeur sans passer par une phase liquide, et du type où est effectué le piégeage cryogénique des vapeurs produites par la sublimation sur un condenseur refroidis par un cryogène, se caractérisant en ce que préalablement à l'admission du cryogène dans le condenseur/piège froid, une atmosphère comportant du CO2 est introduite dans la chambre de traitement. 2. Procédé de lyophilisation de produits selon la revendication 1, se caractérisant en ce que durant au moins une partie de la phase de sublimation, on injecte dans la chambre de l'hélium ou un mélange de CO2 et d'hélium, pour améliorer les conditions de transfert thermique aux produits.