Brevet FR3093442A1 — publié le 20200911

Description Titre de l'invention : Méthode de mélange d'un liquide visqueux par un mélangeur à récipient rotatif exempt d'organe de brassage du liquide. Domaine technique de l'invention 100011 La présente invention relève du domaine des mélangeurs d'un liquide à récipient rotatif exempt d'organe de brassage du liquide, tel que sans pale ni hélice par exemple. L'invention porte plus spécifiquement sur de tels mélangeurs dont faxe de rotation est incliné par rapport à la gravité au cours du mélange du liquide. L'invention concerne une méthode de mélange d'un liquide par de tels mélangeurs, ainsi qu'un mélangeur de mise en oeuvre d'une telle méthode. Art antérieur [0002] Pour mélanger un liquide avec un adjuvant, tel qu'un autre liquide plus ou moins visqueux ou un adjuvant pulvérulent, il est d'usage d'utiliser un mélangeur comprenant un récipient de réception du liquide monté sur un châssis. Il est courant qu'un tel récipient loge au moins un organe tournant de brassage du liquide, tel que des pales ou une hélice par exemple, qui procure une homogénéisation entre le liquide et l'adjuvant à mélanger au liquide. [0003] Cependant l'organe de brassage provoque un fort cisaillement au sein du liquide, par décollement de sa couche limite. Ceci est préjudiciable pour le liquide, notamment pour un liquide biologiquement sensible comme par exemple pour les cultures de cellules en solution dans un bioréacteur. De plus préalablement à toute opération de mélange du liquide, l'organe de brassage doit être rigoureusement nettoyé pour éviter une pollution du liquide devant être mélangé, une telle opération étant contraignante. Cette opération est d'autant plus délicate pour des liquides biologiquement sensibles pour lesquels un environnement stérile est nécessaire. Par ailleurs, la puissance nécessaire pour l'entraînement de l'organe de brassage est inopportunément très élevée dans le cadre d'un volume conséquent de liquide à mélanger contenu dans un récipient de grandes dimensions. [0004] C'est pourquoi il a été développé des mélangeurs à récipient exempt d'organe de brassage du liquide. [0005] Selon une approche, le récipient est alors équipé d'accessoires spécifiques, comme par exemple un accessoire d'injection de gaz au sein du liquide. L'injection de gaz procure un mélange du liquide avec l'adjuvant par suite de son agitation par des bulles de gaz. En outre, si le gaz qui est injecté correspond au gaz dissous à mélanger, tel que de l'oxygène ou du dioxyde de carbone par exemple pour des liquides biologiques, 2 l'injection de bulles directement dans le liquide permet d'accélérer l'homogénéisation du gaz dissous au sein du récipient. [0006] Cependant l'adjonction d'un tel accessoire complexifie la structure du mélangeur. En outre, une telle injection de gaz n'est pas toujours compatible pour le mélange de certains liquides, notamment des liquides biologiquement sensibles et/ou des liquides industriels. Une telle incompatibilité résulte notamment de la difficulté de pouvoir injecter un gaz stérile et/ou du risque d'un endommagement des éléments sensibles contenus dans le liquide par suite de son cisaillement provoqué par le mouvement des bulles dans le liquide. [0007] Selon une autre approche, le récipient est entraîné en mobilité sur le châssis afin de générer un écoulement dans le liquide qu'il contient et ainsi favoriser son mélange avec l'adjuvant. [0008] Cependant, le montage en mobilité du récipient sur le châssis peut être structu- rellement complexe, comme par exemple être réalisé par un montage du récipient tournant autour de deux axes de rotation concourants. Une telle solution est à éviter car elle induit encore une complexification de l'organisation du mélangeur et/ou d'avoir à limiter la capacité du récipient et donc le volume de liquide pouvant être mélangé au cours d'une même opération de mélange. [0009] Pour éviter de tels inconvénients et/ou contraintes, il est connu d'utiliser un mélangeur exempt d'organe de brassage du liquide, selon lequel l'axe de rotation du récipient est incliné par rapport à son axe de gravité. On pourra par exemple se reporter au document WO 2017/149034-A1 (MEUNIER Patrice, MANASSEH Richard), qui décrit un tel mélangeur dont le récipient est entraîné en rotation à vitesse constante ou à vitesse faiblement variable. Présentation générale de l'invention [0010] 11 est fait le constat que la mise en oeuvre de tels mélangeurs mérite d'être per- fectionnée, pour optimiser leur capacité à mélanger un liquide présentant une forte viscosité, comme par exemple pour certains liquides industriels ou pour des liquides biologiquement sensibles. [0011] Dans ce contexte, l'invention a pour objet une méthode de mise en oeuvre d'un mélangeur de liquide à récipient rotatif qui est exempt d'organe de brassage et dont l'axe de rotation du récipient est incliné par rapport à son axe de gravité au cours du mélange du liquide. L'invention a aussi pour objet un tel mélangeur de liquide configuré pour optimiser les résultats obtenus par la mise en oeuvre d'une méthode conforme à l'invention. [0012] L'invention vise notamment à proposer une telle méthode et un tel mélangeur permettant de mélanger un adjuvant dans un liquide en évitant l'ensemble des contraintes et/ou des inconvénients précédemment mentionnés. 3 [0013] Un autre but de l'invention est de proposer une solution permettant de mélanger effi- cacement un liquide en volume conséquent et/ou présentant une forte viscosité, comme notamment un liquide industriel de revêtement de surface tel qu'une peinture ou un vernis par exemple. [0014] Un autre but de l'invention est de proposer une solution permettant de mélanger effi- cacement un liquide dans un environnement stérile, tel qu'un liquide hiologiquement sensible comme par exemple un liquide agroalimentaire, un liquide de culture biologique et/ou un liquide industriel à protéger contre une éventuelle pollution. [0015] Un autre but de l'invention est de proposer une telle méthode et un tel mélangeur permettant de mélanger efficacement un liquide le plus rapidement possible, y compris un liquide contenu en volume conséquent dans le récipient et/ou présentant une forte viscosité. [0016] Les buts visés par la présente invention sont atteints isolément ou en combinaison par application des dispositions qui suivent. [0017] La méthode de l'invention est une méthode de mise en oeuvre d'un mélangeur de liquide avec un adjuvant, comprenant un récipient d'extension axiale à paroi de révolution pour la réception du liquide présentant une surface libre. [0018] Le récipient est monté tournant sur un châssis et est exempt d'organe de brassage du liquide à l'intérieur du récipient. Le récipient en station de fonctionnement du mélangeur est axialement incliné par rapport à son axe de gravité et est entraîné en rotation selon une vitesse angulaire variable. Ladite paroi de révolution est notamment la paroi du récipient délimitant sa capacité de réception du liquide à mélanger. La génératrice définissant la révolution de la paroi du récipient peut être par exemple une droite, conférant au récipient une conformation cylindrique ou conique, ou par exemple encore une courbe ou une droite brisée à au moins un point d'inflexion conférant par exemple au récipient une conformation tronconique. [0019] Dans ce contexte, la méthode de l'invention est reconnaissable en ce que la mise en rotation du récipient est réalisée en fonction de paramètres comprenant au moins le rayon du récipient, la quantité de liquide à l'intérieur du récipient et la viscosité du liquide, suivant un mode de fonctionnement du mélangeur comprenant des cycles itératifs de mise en rotation du récipient selon des sens de rotation alternés. Chaque cycle comprend au moins deux séquences successives de variation de la vitesse angulaire de rotation du récipient. [0020] Autrement dit le mélange d'un liquide dont au moins la viscosité et le volume contenu dans le récipient d'un rayon donné sont préalablement identifiés, conditionnent la mise en rotation du récipient conformément au dit mode de fonctionnement, qui comprend des cycles itératifs de mise en rotation du récipient suivant des sens de rotation alternés. Chaque cycle de mise en rotation du récipient comprend des séquences successives selon lesquelles les modalités de mise en rotation du récipient varient, notamment en vitesse et/ou en accélération. [0021] La durée et la cinématique de mise en rotation du récipient au cours des différentes séquences sont identifiées en fonction de la valeur desdits paramètres. [0022] L'inversion du sens de rotation du récipient est génératrice d'une vitesse d'écoulement du liquide orienté suivant l'axe de rotation du récipient, ce qui permet d'homogénéiser le mélange du liquide avec l'adjuvant depuis la hase vers le sommet du récipient. En outre, l'inversion du sens de rotation du récipient permet de générer un cisaillement modéré du liquide en périphérie du récipient, avec pour effet d'étirer l'adjuvant qui se présente notamment sous forme de nappe. [0023] Ceci a finalement pour effet d'accélérer la diffusion de l'adjuvant dans le liquide, en procurant un compromis acceptable entre un cisaillement du liquide, maintenu de faible ampleur, et une performance optimisée du mélange obtenu au cours d'une opération de mélange la plus brève possible. En effet par rapport à la méthode décrite dans le document WO 2017/149034-Al où la vitesse de rotation est constante ou faiblement variable, la méthode relevant de la présente invention permet de diminuer le temps de mélange d'un facteur au moins égal à quatre. [0024] Selon des modalités préférées de mise en oeuvre de la méthode, chacune des séquences alterne une phase d'accélération et une phase de décélération de la rotation du récipient, qui éventuellement sont séparées l'une de l'autre par une phase intermédiaire de maintien d'un entraînement du récipient en rotation à une vitesse angulaire maximale constante. [0025] Les durées individuelles des différentes phases composant une même séquence sont notamment déterminées en fonction de la valeur (lesdits paramètres. Les durées individuelles de la phase d'accélération et de la phase de décélération sont préférentiellement identiques, la variation de la vitesse angulaire du récipient étant aussi préférentiellement identique pour la phase d'accélération et la phase de décélération. A titre indicatif, les durées individuelles des différentes phases composant une même séquence peuvent par exemple être exprimées en nombre de tours de rotation du récipient. [0026] Le nombre de tours de rotation du récipient pour chacune des phases d'accélération et de décélération d'une même séquence, peut être le plus faible possible ou autrement dit au plus proche d'une valeur nulle, selon la capacité motrice d'entraînement en rotation du récipient et selon la viscosité du liquide. [0027] Selon une forme de réalisation en phase intermédiaire, la mise en rotation du récipient est de préférence maintenue à une vitesse angulaire maximale qui est constante pendant au moins un tour de rotation du récipient. Selon une variante, la phase intermédiaire est susceptible d'être éphémère, la phase de décélération succédant dans ce cas au plus tôt à la phase d'accélération. [0028] Selon une forme de réalisation, pour chacune desdites séquences, la phase d'accélération et la phase de décélération sont chacune réalisées selon des modes linéaires de variation de la vitesse angulaire de rotation du récipient. [0029] Selon une variante pour chacune desdites séquences, la phase d'accélération et la phase de décélération sont successivement réalisées selon un mode parabolique de variation de la vitesse angulaire de rotation du récipient. [0030] Selon des modalités préférées de mise en oeuvre de la méthode, la dite vitesse angulaire maximale de rotation du récipient est identifiée au moins par application d'une première règle suivante : rt Max 2R / g 1, dans laquelle 2 ma' est la vitesse angulaire maximale de rotation du récipient, R est le rayon du récipient et y est la viscosité cinématique du liquide. De telles modalités procurent un écoulement du liquide à l'intérieur du récipient en rotation qui est suffisant pour procurer un mélange satisfaisant du liquide. [0032] De préférence, la durée de mise en oeuvre des séquences est identique pour chacun des cycles et est définie par le nombre de tours de rotation du récipient lors du mélange du liquide. A titre indicatif pour chacune des séquences d'un cycle, le nombre de tours de rotation du récipient est potentiellement compris entre 1 et 20 rotations, ce qui permet de limiter au mieux la durée d'homogénéisation de l'adjuvant au sein du liquide. [0033] La méthode de l'invention permet de mélanger des liquides ayant une viscosité pouvant atteindre au moins 1.000 fois (mille fois) celle de l'eau, ce qui correspond à des viscosités cinématique de l'ordre de 103 m2.s et/ou des volumes de liquide à l'intérieur du récipient pouvant atteindre plusieurs centaines de litres, et cela nonobstant l'absence d'organes de brassage du liquide à l'intérieur du récipient. La méthode est particulièrement adaptée au mélange de liquides industriels pour le revêtement de surfaces, tels que des vernis ou des peintures par exemple, ou encore au mélange de liquides sensibles maintenus en environnement stérile, tels que des liquides biologiques et/ou des liquides agroalimentaires. [0034] L'invention a aussi pour objet un mélangeur de liquide apte à la mise en oeuvre d'une 6 méthode conforme à l'invention. Le mélangeur est du type comprenant un récipient d'extension axiale à paroi de révolution pour la réception du liquide. Le récipient est monté tournant sur un châssis et est exempt d'organe de brassage du liquide à l'intérieur du récipient. Le récipient en station de fonctionnement du mélangeur est incliné suivant son axe d'extension par rapport à son axe de gravité. [0035] Le mélangeur de l'invention est reconnaissable en ce qu'il est équipé d'une moto- risation de mise en rotation du récipient, dont la mise en oeuvre est placée sous dépendance d'une servocommande régulant la mise en oeuvre de la motorisation conformément à l'application de la méthode de l'invention. La servocommande est notamment équipée d'une mémoire intégrant une logique de calcul de mise en rotation alternée du récipient en fonction de la valeur de paramètres préalablement saisis en ladite mémoire. Lesdits paramètres sont au moins relatifs à l'une au moins des caractéristiques dimensionnelles du récipient, dont son rayon, le volume de liquide contenu à l'intérieur du récipient et l'une au moins des caractéristiques physicochimiqucs du liquide, dont au moins sa viscosité. [0036] Selon une forme de réalisation, le récipient présente une capacité de réception du liquide adaptée pour une mise en oeuvre efficace de la méthode, qui est conforme à la troisième règle suivante : H / R est compris entre 1 et 3, dans laquelle H est la hauteur maximale de la colonne du liquide pouvant être contenu à l'intérieur du récipient axialement orienté suivant son axe de gravité, en présentant une surface libre, et dans laquelle R est le rayon du récipient. [0037] Selon une forme de réalisation en station de fonctionnement du mélangeur, l'angle d'inclinaison axiale du récipient par rapport à son axe de gravité est compris entre 5° et 45°. A titre indicatif il est constaté que pour la plupart des liquides, dans le contexte de la méthode de l'invention, un angle d'inclinaison axiale du récipient par rapport à son axe de gravité de 25°+/- 5° (25 degrés plus ou moins cinq degrés), procure un résultat satisfaisant. [0038] Le mélangeur est de préférence équipé d'un organe de réglage de l'inclinaison du récipient sur le châssis, pour pouvoir faire varier l'inclinaison du récipient selon diverses stations de fonctionnement du mélangeur, notamment en fonction des caractéristiques physicochimiques du liquide à mélanger. En d'autres termes, le récipient est susceptible d'être incliné suivant un angle spécifique via ledit organe de réglage, en fonction du liquide à mélanger. Présentation des figures [0039] L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui suit d'exemples de réalisation de la présente invention, en relation avec les figures 7 suivantes : [0040] [fig.1] La figure 1 est une illustration schématique d'un mélangeur de liquide conforme à un exemple de réalisation de l'invention. [0041] [fig.2] La figure 2 est un schéma représentant un exemple de mise en oeuvre d'une méthode conforme à un exemple de réalisation de l'invention. [0042] Description détaillée d'un mode de réalisation de l'invention [0043] Les figures et leurs descriptions détaillées non limitatives, exposent l'invention selon des modalités particulières qui ne sont pas restrictives quant à la portée de l'invention telle que définie par les revendications. Les figures et leurs descriptions détaillées d'exemples de réalisation de l'invention peuvent servir à mieux la définir, si besoin en relation avec la description générale qui vient d'en être faite. [0044] Sur la figure 1, un mélangeur 1 de liquide 2 avec un adjuvant comprend un récipient 3 rotatif d'extension axiale Al qui est exempt d'organe de brassage. Le mélange du liquide 2 est obtenu à partir de la seule rotation T1 du récipient 3 autour de son axe d'extension AI, le récipient 3 présentant une paroi 4 de révolution pour la réception du liquide 2 telle qu'une paroi 4 cylindrique selon l'exemple de réalisation illustré. [0045] Le récipient 3 est monté tournant Tl sur un châssis 5 et est entraîné en rotation Tl par une motorisation 6 dont la mise en oeuvre est placée sous la dépendance d'une servocommande 7. La servocommande 7 est équipée d'une mémoire 8 intégrant une logique de calcul 9 contrôlant la mise en rotation Tl du récipient 3 en fonction des valeurs de différents paramètres 10 qui sont préalablement saisies en ladite mémoire 8. [0046] En station de fonctionnement du mélangeur 1, le récipient 3 est axialement Al incliné d'un angle a (alpha) par rapport à son axe de gravité A2, comme illustré en traits continus. A cet effet, le mélangeur 1 est de préférence équipé d'un organe de réglage 11 de l'angle a d'inclinaison du récipient 3. Ainsi, le récipient 3 peut être plus ou moins axialement Al incliné par rapport à son axe de gravité A2, notamment en fonction du liquide 2 à mélanger, à titre indicatif entre 5° (cinq degrés) et 45° (quarante cinq degrés). La mise en oeuvre de l'organe de réglage 11 peut éventuellement être aussi motorisée sous dépendance de la servocommande 7. Dans ce cas, l'angle a d'inclinaison du récipient 3 peut être déterminé par la logique de calcul 9 à partir des valeurs des paramètres 10 préalablement saisies, et l'inclinaison du récipient 3 être contrôlée par la servocommande 7. [0047] Parmi lesdits paramètres 10, un premier paramètre est relatif au volume de liquide 2 contenu à l'intérieur du récipient 3 en présentant une surface libre, en étant par exemple identifié par la hauteur H de la colonne de liquide 2 contenu à l'intérieur du récipient 3 de rayon R, considéré orienté axialement Al suivant son axe de gravité A2, comme 8 illustré en surimpression en traits interrompus. Les dits paramètres 10 comprennent aussi un deuxième paramètre relatif audit rayon R du récipient 3 et un troisième paramètre relatif à la viscosité du liquide 2. [0048] Sur la figure 2, il est proposé une méthode pour mélanger un liquide 2 via le mélangeur 1 illustré sur la figure 1, en tenant compte des valeurs des paramètres 10 qui sont préalablement saisies en ladite mémoire 8 par un opérateur et qui sont exploitées par la logique de calcul 9 équipant la servocommande 7 contrôlant au moins la mise en rotation Tl du récipient 3, voire aussi son inclinaison. [0049] Une variation de la vitesse angulaire Q de rotation du récipient 3 est repérée en ordonnée en fonction du temps (t) repéré en abscisse. Une ligne médiane identifie en ordonnée une vitesse angulaire rt ode rotation Tl du récipient 3 de valeur nulle, soit Q 0= O. Il est compris ici que la vitesse angulaire SI de rotation Ti du récipient 3 augmente de part et d'autre de ladite ligne médiane, selon des sens Si, S2 respectifs de mise en rotation Tl du récipient 3. [0050] Plus particulièrement une variation du sens Sl, S2 de rotation Tl et de la vitesse angulaire Q de rotation Ti du récipient 3 sont identifiées et contrôlées par la servocommande 7, en fonction des valeurs des paramètres 10 au moins relatifs au rayon R du récipient 3, à la quantité et à la viscosité du liquide 2 contenu à l'intérieur du récipient 3. La logique de calcul 9 identifie une mise en rotation Tl du récipient 3 selon des cycles itératifs Cl, C2 qui sont donc successivement identiques. Il est compris que sur la figure 2 les cycles Cl, C2 sont représentés à titre illustratif au nombre de deux. [0051] En début de chaque cycle Cl, C2 la vitesse initiale SI 0de rotation Tl du récipient 3 est de valeur nulle. Chaque cycle comprend des séquences successives Cia, Clb ; C2a, C2b, comprenant chacune des phases Pl, P2, P3 successives de mise en rotation Ti du récipient 3 selon des cinématiques spécifiques déterminées par la logique de calcul 9. Pour chacune des séquences Cia, Clb ; C2a, C2b, une première phase est une phase d'accélération Pl de la vitesse angulaire SI de rotation Ti du récipient 3, suivie d'une deuxième phase intermédiaire P2 de mise en rotation Tl du récipient 3 à une vitesse angulaire maximale S/ m a, , qui est maintenue constante selon l'exemple illustré, suivie d'une troisième phase de décélération P3 de la rotation Ti du récipient 3. [0052] A l'issue de chaque séquence Cia, Clb ; C2a, C2b, le sens Si, S2 de rotation Ti du récipient 3 est inversé. Selon l'exemple illustré, les phases d'accélération Pl et de décélération P3 sont chacune réalisées suivant un mode linéaire de variation de la vitesse angulaire 1/ de rotation Tl du récipient 3, ou autrement dit suivant une fonction affine (D de variation de la vitesse angulaire SI de rotation Ti du récipient 3. [0053] Les phases d'accélération Pl et de décélération P3 sont identifiées par la logique de calcul 9 de la servocommande 7, en fonction de la vitesse angulaire maximale !à M,' de 9 rotation Tl du récipient 3, en prenant notamment en compte la quantité et la viscosité du liquide 2 contenu à l'intérieur du récipient 3 pour optimiser l'efficacité du mélange du liquide 2 et pour éviter un cisaillement significativement délétère du liquide 2. [0054] La vitesse angulaire maximale 52 ma, de rotation Tl du récipient 3 est identifiée par la logique de calcul 9 de la servocommande 7, en prenant en compte le rayon R du récipient 3 et l'unité d'accélération de la pesanteur g en surface de la terre, et/ou en prenant en compte le rayon R du récipient 3 et la viscosité du liquide 2. La quantité de liquide 2 contenue à l'intérieur du récipient 3 est identifiée en prenant en compte le rayon R du récipient 3 et la hauteur H de la colonne du liquide 2 contenu à l'intérieur du récipient 3 en présentant une surface libre, le récipient 3 étant considéré axialement Al orienté suivant son axe de gravité A2. [0055] L'invention procure un mélange homogène du liquide 2 et de l'adjuvant dans tout le récipient 3 pour des fluides visqueux, ce qui est difficilement réalisable avec des mélangeurs à pales. En effet, pour un liquide visqueux mélangé avec un mélangeur à pales, par exemple du type à turbine, des zones du liquide non mélangées restent souvent présentes dans le récipient. [0056] Par comparaison avec la méthode décrite dans le document WO 2017/149034-Al selon laquelle le sens de rotation du récipient est constant et/ou faiblement variable, l'invention permet de mélanger des liquides 1000 fois plus visqueux et de diminuer le temps nécessaire à l'obtention d'un mélange performant du liquide d'un facteur au moins égal à quatre. 10