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PROCEDE ET DISPOSITIF POUR LA PASTEURISATION DE LIQUIDES SENSIBLES
A LA CHALEUR.
On sait que la pasteurisation est un traitement par la chaleur que l'on peut faire subir à certains produits en vue de détruire les micro- organismes qu'ils contiennent et qui peuvent être nocifs, soit pour la san- té des consommateurs, soit pour les opérations ultérieures que doit subir le produit, en particulier pour sa conservation.
Mais le traitement par la chaleur de certains produits délicats, comme par exemple le lait, risque d'entrainer la perte de certaines de leurs qualités, à tel point que leur stérilisation est rendue fort difficile et même, dans certains cas, inapplicable.
C'est ainsi que la pasteurisation du lait s'efféctue actuelle- ment par trois procédés
1 - Un chauffage très court à haute température (85 C)
2 - Un chauffage à 72 C pendant 40 secondes
3 - Un chauffage à 63 C pendant 30 minutes.
La première méthode est la plus commode. Mais le lait qui a été porté à 85 ne possède plus toutes les qualités du lait cru (altération des enzymes, précipitation partielle des protides, impossibilité de séparation complète de la matière grasse, altération du goût).
En opérant à 72 pendant 40 secondes, on arrive à tuer les ger- mes. Mais on conserve tout juste la possibilité de séparer la matière gras- se. Il faut contrôler avec beaucoup de soin la température, et l'opération nécessite des appareils délicats et fragiles. En outre, si l'on chauffe par exemple pendant 50 secondes, la capacité d'écrémage disparaît. Or, il
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est difficile d'assurer dans toute la masse du liquide en cours de trâi- tement une température rigoureusement uniforme, ainsi que de maintenir un temps de traitement rigoureusement constant pour toutes les parties de ce liquide.
En opérant à 63 pendant 30 minutes, les tolérances de durée de traitement deviennent plus grandes et la température est plus facile à surveiller, mais il devient impossible d'utiliser un procédé continu.
' Ces défauts des méthodes de pasteurisation par chauffage ont fait naître l'opinion qu'il ne serait pas possible de résoudre dans cette voie le problème posé. On a dès lors cherché à détruire les bactéries à froid, par exemple par rayons ultra-violets ou par ondes ultra-sonores.
Or, l'auteur de la présente invention a constaté que la façon dont était conduite jusqu'à présent la pasteurisation et dont étaient construits tous les réchauffeurs de liquide connus jusqu'à ce jour ne per- mettait pas un contrôle de la température et de la durée de chauffage suf- fisamment précis pour satisfaire aux conditions ci-dessus rappelées.
Dans ces appareils, en effet, tout au moins une partie du liquide à pasteuri- ser : a) est portée, par le contact inévitable avec la surface de chauffage du réchauffeur, à des températures trop élevées dépassant de beaucoup la température théorique de chauffage b) subit un traitement à chaud trop long, étant donné que la durée moyenne de séjour dû liquide dans le pasteurisateur, en fait déjà trop longue, est dépassée de 50 % et plus, par suite des vitesses de pas- sage différentes des diverses particules du liquide (couche limite freinée par le contact avec la paroi) c) reste encore pendant un temps appréciable à des températu- res élevées après avoir quitté la surface de chauffe.
De ce fait, la valeur du produit température-temps, nécessaire pour une pasteurisation suffisante, est, pour une partie du liquide, dé- passée à un point tel que les pertes de qualité du lait mentionnées ci- dessus deviennent inévitables.
On peut mettre en relief,avec plus de précision le caractère inéluctable, dans les conditions actuelles, de ces pertes de qualité.
La nécessité d'un réchauffage aussi uniforme que possible de toutes les particules de lait conduit-à étendre le lait en une couche mince (env. 5 mm) sur la surface de chauffe. Dans les pasteurisateurs mo- dernes à plaques le lait est dirigé sur un côté de la plaque et le fluide chauffant sur l'autre. A cause des petites sections de passage du lait (en- viron 1,5 c/m2) développées sur une grande longueur (env. 5 mètres) la vi- tesse de passage du lait ne peut pratiquement pas dépasser lm/sec. alors que celle du fluide chauffant, par exemple de l'eau chaude, est d'environ 4 m/sec. et plus.
Les coefficients de transmission thermique étant proportionnels aux vitesses, le coefficient de transmission thermique al (eau chaude-sur- face de chauffe) est environ 4 fois plus grand que le coefficient de trans- mission thermique a2 (surface de chauffe-lait). Dans le cas de l'applica- tion beaucoup plus commode pour le service, de-vapeur comme fluide chauf- fant, la proportion a1 devient encore bien plus grande que 4. a2
Or, la formule qui permet de .calculer la température de la surface de chauffe tSC est la suivante :
EMI2.1
al. x t fluide chauffant z t lait - 2¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯ 1 + al a2
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Si, par exemple, le lait doit être chauffé à 85 (t. lait = 85) et s'il faut employer comme fluide chauffant de la-vapeur à 0,5 atm. effi- cace (t fluide chauffant = 110 ), il en résulte pour une proportion al = 4, a2
EMI3.1
t= 4x110+85 = 1050 1 + 4
Par ailleurs le calcul montre que, si la vitesse de passage du lait est de 0,8 m/sec, l'épaisseur de la couche limite laminaire est égale à 0,4 mm.
Dans la section du canal chauffée des deux côtés, le lait se trouve donc avoir une épaisseur de 2 x 0,4 = 0,8 mm en passage laminaire le long d'une surface de chauffe qui est à une température d'environ 100 .
Comparée avec la profondeur totale du canal qui est de 8 mm, cette épaisseur de 0,8 mm représente environ la % du lait total, qui ne sont pas chauffés à 85 maximum, mais à environ 100 .
Etant donné que le lait coule plus lentement dans la couche li- mite laminaire que hors de cette couche, la durée de l'effet de chauffe est beaucoup plus longue pour les particules de cette couche. A ces tempé- ratures trop élevées viennent donc s'ajouter des durées de chauffage trop longues. Ces dernières se trouvent encore prolongées par le fait que le lait, après avoir quitté la surface de chauffe ne se refroidit pas rapide- ment, mais au contraire reste encore assez longtemps à des températures élevées.
On reconnaît donc les trois défauts fondamentaux des pasteu- risateurs aètuels :
1 - température trop élevée des surfaces de chauffe;
2 - durée de séjour à température élevée trop longue et inéga- le;
3 - maintien du liquide pasteurisé à des températures élevées après qu'il a quitté la surface de chauffe.
La présente invention a pour objet'un procédé de pasteurisation qui permet d'éviter ces divers inconvénients et d'obtenir par conséquent un produit homogène et qui a conservé, dans la mesure compatible avec la théorie de la pasteurisation, ses qualités initiales. Ce procédé consiste fondamentalement à entraîner le liquide contre une paroi chauffante à l'ai- de d'organes de laminage déplacés à une vitesse périphérique minimum de 12m/sec, en ménageant entre ces-organes de laminage et la paroi chauffante un intervalle égal au maximum à 2 mm, puis à faire passer brusquement le- dit liquide sur une paroi réfrigérante, immédiatement après son passage sur la' paroi chauffante.-
L'invention a également pour objet un dispositif qui permet la mise en application du procédé ci-dessus,
et qui consiste fondamentalement en une chambre cylindrique dont au moins une partie de la paroi intérieure est chauffée de façon connue en soi, et dans l'axe de laquelle est monté un rotor susceptible d'être accouplé à des moyens d'entraînement à grande vitesse et portant des palettes ou organes d'entraînement similaires dont la tranche externe est au plus à une distance de 2 mm. de la paroi chauf- fante, des orifices étant d'autre part disposés pour introduire le liquide à une extrémité de la chambre et pour l'extraire à l'autre extrémité, la partie de la chambre qui forme paroi chauffante étant prolongée par une partie refroidie par des moyens connus en soi et formant paroi réfrigérante.
Le dessin ci-joint montre un exemple de réalisation d'un dis- positif conforme à l'invention ; dans ce dessin
Fig. 1 est une coupe axiale du dispositif muni de chauffage par la vapeur;
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Fige 2 est une coupe diamétrale par II-II de fige 1;
Fig. 3 est une coupe analogue d'une variante de réalisation,
Le dispositif tel qu'il est représenté au dessin comporte une paroi cylindrique entinue 1 entourée, sur une partie de sa longueur, par une chemise 2 et, sur le reste de sa longueur par une seconde chemise 3, les extrémités de la paroi cylindrique étant fermées par des couvercles 4 et 5, ce dernier étant de préférence de diamètre légèrement supérieur au diamètre de la paroi, le couvercle 4 comporte un orifice d'entrée 6 tandis qu'un orifice de sortie non représenté au dessin est disposé tangentielle- ment à la périphérie du couvercle 5. Un arbre 7 passant à travers une pres- se-étoupe 8 porte un rotor cylindrique 9 pourvu d'ailettes 10, ainsi que des palettes 11.
Dans la variante représentée à la fig. 3, le rotor 3 est rem- placé par un tambour 3' de diamètre presqu'égal au diamètre intérieur de la paroi de chauffage, ce tambour portant des cannelures en saillie 10'.
Le diamètre de la paroi chauffante et la vitesse d'entraîne- ment du rotor sont choisis de telle façon que la vitesse linéaire des ex- trémités des ailettes ou organes d'entraînement 10 ou 10' soit d'au moins 12 m/sec, et la distance entre cette paroi et ces extrémités est inférieu- re à 2 mm. Dans le cas des fig. 1 et 2, le diamètre du corps du rotor n'a pas d'importance pour le fonctionnement du dispositif, mais, dans le cas du tambour représenté à la fig. 3, le diamètre du rotor- doit être inférieur d'environ 6 mm. à celui de la paroi chauffante.
Le rotor étant en mouvement dans la paroi cylindrique, un li- quide quelconque introduit par l'orifice 6 se trouve violemment projeté et maintenu contre la paroi 1 par l'action des organes d'entraînement 10 ou 10' il formera donc une couche pratiquement cylindrique et d'épaisseur uniforme- sur toute la longueur de cette paroi, jusqu'à tomber dans l'espace de dia- mètre supérieur du couvercle 5, ou les palettes 11 le forceront à sortir par l'orifice de sortie ménagé en cet endroit. Si l'on injecte de la vapeur par l'orifice 12 de la chemise 2, celle-ci chauffe la paroi sur la longueur qui lui correspond; si, de même, on introduit par l'orifice 13 un liquide de refroidissement (par exemple le lait froid qui va être ultérieurement traité), la chemise 3 refroidit la paroi sur le restant de sa longueur.
Le liquide dntroduit par 6 parcourt donc dans la chambre un chemin en hélice ; le cas de la fig. l, il laisse entre lui et le corps du rotor un espace libre, et l'épaisseur de la couche de liquide dans l'ap- pareil est réglée, pour un régime donné du moteur, par l'admission de li- quide en 6 et l'évacuation, tandis que, dans le cas de la fig. 3, l'espace entre le rotor et la paroi fixe est pratiquement rempli par le liquide, dont on peut alors régler le débit en l'introduisant dans l'appareil à l'aide d'une pompe.
Ce dispositif présente les avantages suivants a) il permet d'abord d'éviter les températures trop élevées de surfaces de chauffe. De la formule citée plus haut, il résulte que la tem- pérature de surface de chauffe se rapproche d'autant plus de la température du liquide que le rapport al devient plus petit. Pour a2 infini la tempé- a2 rature de la surface de chauffe deviendrait égale à la température du li- quide. La solution du problème technique, qui consiste à rendre a2 aussi grand que possible, est obtenue par le dispositif décrit ci-dessus.
Pour un réchauffeur à lait, c'est une vitesse périphérique d'en- viron 20m/sec, avec une distance entre le bord extrême des organes d'entraî- nement et la surface de chauffe de 1,8 mm, qui s'est avérée la meilleure.
Il en résulte pour a2 des valeurs allant jusqu'à 100.000 Ecal/m2 h, de sorte que l'on peut atteindre pour le rapport al une valeur.,de 0,1 avec a2 t = 0.1 x 110 + 85 = 87,3 . A ces allures, la couche laminaire a prati-
1,1 quement disparu.
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b) il permet d'éviter une durée moyenne de séjour trop élevée du liquide dans le pasteurisateuro Dans un appareil à débit continu de li- quide, cette durée est donnée par la rotation s temps moyen (en sec.) =
EMI5.1
Char se (Kg) x 3g00 débit par heure (Kg)
Plus la charge est petite, plus le temps moyen est petit, la solution du problème technique, qui consiste à rendre la charge très peti- te, réside dans le..fait qu'avec la vitesse de rotation du liquide indiquée ci-dessus, celui-ci s'étend sur la surface presque comme une chemise cylin- drique d'une épaisseur allant jusqu'à 3 mmo On peut alors réduire considé- rablement la surface de chauffe, d'une part à cause du coefficient de trans- mission thermique élevé, d'autre part, à cause du gradient de température (vapeur-liquide)
applicable dans ce procédéPour un réchauffeur de lait de 3000 litres/ heure, le volume en contact avec la surface de chauffe ne doit pas dépasser 1 litre, et la durée-moyenne de séjour du lait sur la surface de chauffe n'est que de 0,8 sec. c) il permet d'éviter l'inégalité des durées'du séjour pour les diverses particules de liquideo
Il faut en effet : - Supprimer les espaces morts dans la chambre de traitement à chaud.
- Créer un chemin de passage obligatoirement égal pour tou- tes les particules de liquide.
- Obtenir une vitesse de passage pratiquement égale pour tou- tes les particules du liquide.
Or, ainsi que le montrent les figo la et b, la chambre de trai- tement ne contient pas d'espaces morts; le chemin de pa'ssage, en forme d'hé- lice, obtenu par une vitesse de rotat-ion très élevée, est extrêmement sta- ble ; la turbulence,poussée à son maximum, fait pratiquement disparaître la couche limite laminaire et crée ainsi, pour toutes les particules du liquide, une vitesse de passage aussi uniforme que possible. d) Il permet la suppression de toute durée de séjour addition- nelle du liquide à des températures supérieures à la température dangereuse.
La surface de chauffe du réchauffeur se transforme en effet im- médiatement en une surface de.réfrigération, qui n'a pour but que de refroi- dir brusquement le liquide, depuis la température finale-de pasteurisation jusqu'à des températures non dangereuses. Ce refroidissement ne dure que quelques fractions de secondes. e) Grâce à la température de la surface de chauffe, qui est tou- jours située aux environs immédiats de la température du lait, et à la du- rée de l'effet de chauffe qui est uniformément brève'pour toutes les parti- cules, les dépôts sur la surface de-chauffe (semblables aux dépôts de tartre sur la surface de chauffe d'une chaudière à vapeur), considérés jusqu'à pré- sent comme inévitables, sont entièrement supprimés.
Par exemple on a chauffé 4000 litres de lait écrémé de 11 S H (25 - Dornic} de 48 à 92 C avec-un d bit de 1500 litres par heure. Le lait écrémé a complètement coagulé. Cepen- dant la surface de chauffe à la vapeur à 117 C n'a pas présenté la moindre trace de dépôt.
Cette qualité du pasteurisateur permet d'utiliser du lait déjà acide pour en faire des produits.de qualité. Il y a là un avantage économi- que très important, notamment dans les pays où le lait déjà acidifié est de rigueur.
Le fait que la surface de chauffe reste propre entraine égale- ment pour le service de l'appareil une facilité et une économie de. main d'oeuvre, puisque le nettoyage d'un pasteurisateur à plaque nécessite en- viron 2 heures.
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f) Alors que la surface de chauffe nécessaire était jusqu'à présent de
EMI6.1
dans l'appareil conforme à l'invention, cette valeur est de
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Le nouvel appareil n'exige donc qu'une surface de chauffage d'environ 7 % de celles employées jusqu'à ce jour. Le-pasteurisateur de- vient plus petit et plus facile à manier.. g) Etant donné que la surface de chauffe ne se recouvre pas de dépôts et ne se salit pas, même en cas de réchauffement de lait acide, mais au contraire reste bien propre, on peut employer l'aluminium comme matériau de construction.
Il en résulte une forte réduction de prix. h) Enfin il est inutile de construire le nouvel appareil en différentes dimensions, puisque, par le seul réglage de la vapeur de chauf- fe, il peut être adapté à n'importe quel débit compris entre 500 et 5000 litres/heure. Ceci permet la fabrication en série et la réduction de prix corrélative.
REVENDICATIONS.
1. Procédé de pasteurisation pour des liquides sensibles à l'ac- tion de la chaleur, consistant fondamentalement à entraîner le liquide con- tre une paroi chauffante à l'aide d'oganes de laminage déplacés à une vi- tesse périphérique minimum de 12 m/sec, un intervalle égal au maximum à 2 mm étant ménagé entre ces organes de laminage, après quoi ledit liquide est brusquement amené à passer sur une paroi réfrigérante, immédiatement après son passage sur la paroi chauffante.
2. Dispositif de mise en oeuvre du procédé selon la revendica- tion 1 consistant fondamentalement en une chambre cylindrique dont au moins une partie de la paroi intérieure est chauffée de façon connue en soi, et dans l'axe de laquelle est monté un rotor entrainé à grande vitesse et por- tant des palettes ou organes d'entraînement similaires dont la tranche ex- terne se trouve à une distance maximum de 2 mm. de la paroi chauffage, l'in- troduction du liquide à une extrémité de la chambre et son extraction à L'autre extrémité, se faisant par-des orifices disposés à cet effet, la partie de la chambre formant paroi chauffante étant prolongée par une par- tie refroidie par des moyens connus en soi et formant paroi réfrigérante.