Procédé et installation de congélation pour produits biologiques
Le présent brevet a pour objet un procédé de congélation pour produits biologiques liquides tels que des solutions, des suspensions, des suspensions dans des solutions, et une installation pour mettre en oeuvre ce procédé, permettant d'obtenir des particules du type (paillettes) 'est-à-dire des particules dont une dimension est nettement supérieure aux deux autres.
Le procédé selon l'invention est caractérisé en ce qu'on forme un film de la matière à congeler sur une surface réglée, on refroidit cette surface à une température déterminée, dépendant de la nature des produits liquides pour congeler le film, on détache le film solide au moyen d'un couteau racleur horizontal dont le fil est constamment confondu avec une génératrice de la surface, de facon à obtenir finalement le produit biologique congelé sous forme de particules de dimensions réguliè res, dont au moins l'épaisseur est déterminée en agissant sur la température de la surface réglée et le temps de contact du produit liquide avec la surface froide.
L'installation pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention, est caractérisé en ce qu'elle comprend une surface réglée, des moyens pour refroidir la surface réglée et un couteau racleur présentant un fil agencé de manière à pouvoir suivre la surface réglée selon une génératrice.
Le présent procédé de congélation permet d'obtenir des produits congelés sous forme de particules de dimensions régulières qui n'ont pas tendanee à s'agglomérer. I1 permet en autre de congeler des produits vivants car le cycle de refroidissement des produits peut être adopté à leur nature en vue de conserver la vie.
Une mise en oeuvre du procédé selon l'invention sera décrite à titre d'exemple, en se référant au dessin annexé, auquel:
Les fig 1 à 3 sont trois diagrammes explicatifs.
Le procédé de congélation pour produits biologiques liquides tels que solutions, suspensions et suspension dans une solution, et l'installation pour mettre en oeuvre ce procédé, permettant d'atteindre à une vitesse de refroidissement choisie la température, permettent d'atteindre à une vitesse de refroidissement choisie la temps pérature eutectique (solution saline) ou la zone d'eutexie (solution quelconque suspension ou suspension dans une solution quelconque);
ce procédé consiste à provoquer la formation d'un film sur une surface réglée, à refroidir cette surface à ure température déterminée et différente selon la nature des produits biologq,ues pour congeler ce film, à détacher le film solide ainsi forme' par action d'un couteau racleur horizontal dont le film est constamment confondu avec une génératrice de la surface, de façon à obtenir finalement le produit biologique congelé sous forme de particules de dimensions régulières dont au moins l'épaisseur est détermirlet, la température de la surface réglée et le temps de contact du produit liquide avec la surface froide déterminant en partie les dimensions, et en particulier l'épaisseur des particules.
La surface réglée sur laquelle on provoque la formation d'un film de produits biologiques liquides à eongeler est de préférence un cylindre de révolution qui tourne autour de son axe horizontal. La surface de ce cylindre peut être refroidie de différentes façons, à des températures pouvant varier de 0 C à -196 C environ:
- Soit par une circulation, intérieure au cylindre, de fluide préalablement refroidi par un cycle conventionnel ou par échange avec un liquide cryogénique,
- soit par une injection directe, à l'intérieur du cylindre, de liquide cryogénique.
La surface peut être refroidie par exemple à des températures de l'ordre de -20" C à -196 C pour les produits biologiques.
Le cylindre rotatif et congélateur est entrainé dans un mouvement de rotation, la vitesse de rotation du cylindre pouvant varier dans une gamme étendue de l'ordre de O à 120 et de préférence 0 à 60 tours par minute.
L'alimentation en produits biologiqiies liquides à congeler pourra se faire de différentes façons:
- soit par trempage du cylindre congélateur dans un bac d'alimentation contenant les produits liquides.
- soit par débordement des produits liquides à partir d'une goulotte, sur le cylindre congélateur.
- soit par encrage des produits sur le cylindre congélateur par l'intermédiaire d'un ou plusieurs cylindres auxiliaires.
Dans le cas de l'alimentation des produits par trempage du cylindre congélateur dans un bac d'alimentation, le niveau de produits liquides dans ce bac doit être maintenu constant, de façon qu'à une température donnée, le temps de contact entre le cylindre congélateur et les produits liquides reste le même.
De plus, dans le cas de suspensions ou de suspensions dans des solutions, pour éviter une ségrégation ou une sédimentation au sein du produit à congeler, dans le bac lui-même, il est bon d'assurer un recyclage du produit à congeler - par une pompe de circulation par exemple.
Les paillettes obtenues par ce procédé, par action du couteau racleur horizontal détachant le film formé sur le cylindre horizontal, ont des dimensions très régulières. Leur épaisseur, qui est égale à l'épaisseur du film qui se forme sur la surface de congélation est fonction de la température du cylindre refroidi et de sa vitesse de rotation.
Par exemple, on a congelé en utilisant le présent procédé une suspension de levure boulangère dans un milieu protecteur. Le cylindre congélateur a un diamètre de 160 mm et une longueur de 100 mm. Il est refroidi par une circulation de fluide en échange thermique avec un liquide cryogénique.
L'alimentation se fait par trempage dans un bac à niveau constant et recyclage permanent par pompe.
L'angle de trempage a, qui est l'angle interceptant la portion de surface latérale du cylindre en contact avec le produit, est de 300. Le tableau I donne à différentes températures de refroidissement du cylindre congélateur, l'épaisseur en millimètre du film congelé - et l'épaisseur des paillettes congelées obtenues qui lui est égale - en fonction de la vitesse de rotation du cylindre en tours par minute.
Tableau I
Epaisseur
Vitesse du film
Température en t./min. en mm
-250 C 1,1 0,40
2,0 0,29
3,0 0,24
4,0 0,17
5,1 0,13
350 C 1 0,65
2 0,4
2,2 0,37
3,4 0,25
4 0,20
Tableau l (suite)
Epaisseur
Vitesse du film
Température en t./min. en mm
45 C 2,2 0,5
2,6 0,42
3,9 0,37
4,5 0,30
5,2 0,27
7,1 0,19
8,1 0,16
La fig. 1 représente les abaques tracées à partir de ce tableau I.
Les résultats établis par les essais permettent de confirmer les possibilités du présent procédé:
-A une température constante du cylindre congélateur, l'épaisseur des paillettes de produits congelés obtenues par le procédé varie en raison inverse de la vitesse de rotation du cylindre congélateur,
-à une vitesse de rotation constante du cylindre congélateur, l'épaisseur des paillettes produites varie en raison inverse de la température du cylindre.
Ces possibilités de réglage de l'épaisseur des paillettes de produits congelés sont fort intéressantes, mais l'avantage essentiel du procédé, notamment pour les produits liquides biologiques vivants, est que l'on peut amener les produits liquides à certaines températures, et en particulier à la température eutectique (solution saline) ou la zone d'eutexie (autres liquides) à une vitesse de refroidissement choisie.
L'influence de la vitesse de rotation du cylindre sur la vitesse de refroidissement du film a été étudiée expérimentalement et a permis d'arriver au résultat suivant particulièrement intéressant, à savoir que la vitesse de refroidissement était, pour une température donnée du cylindre, d'autant plus élevée que la vitesse de rotation du cylindre était plus grande, et que réciproquement, pour une vitesse de rotation donnée du cylindre, cette vitesse de refroidissement était d'autant plus élevée que la température du cylindre était plus basse.
L'influence de la vitesse de rotation du cylindre congélateur, sur la vitesse de refroidissement d'un film de levures boulangères obtenu par trempage du cylindre dans un bac rempli d'une suspension de levures dans un milieu protecteur approprié a été étudiée expérimentalement pour deux températures du cylindre: -35 C et 45 C. Les abaques expérimentales (fig. 2) donnent le temps mis par la suspension de levures pour passer de la température de +0 C (température de la suspension dans le bac) à la température correspondant à la zone d'eutexie, milieu protecteur choisi, soit -180 C (cette température ayant été déterminée par analyse thermique différentielle).
Sur les abaques, les temps de refroidissement (en secondes) ont été représentés en fonction de la vitesse de rotation en t/min. pour un angle de trempage de 30 , l'angle de trempage étant comme ci-dessus, l'angle interceptant la portion de surface latérale du cylindre en contact avec le lait.
L'examen des abaques montre (fig. 2) que dans le cas du cylindre considéré en travaillant de -350 C à -45" C, on obtient déjà une gamme de temps de refroidissement qui varie de 20 secondes, à -35" C pour une vitesse de 1 t/min. à 3 secondes, à 45" C, pour 9 t/min.
Ce qui donne une gamme de vitesse de refroidissement variant de 50 C par minute à 330" C par minute.
Ainsi le procédé décrit, permet d'imposer au produit biologique congelé le profil de congélation le plus approprié; en agissant sur la température de cylindre et sur sa vitesse de rotation, il est possible de diriger la vitesse de descente en température du produit à congeler et de régler les dimensions des paillettes obtenues. li est bien évident qu'en abaissant la température et en augmentant la vitesse de rotation du cylindre, on peut obtenir des vitesses de refroidissement bien plus élevées, pouvant atteindre par exemple 15000 C/minute, voire plus.
Le procédé est particulièrement adapté aux produits biologiques qui exigent un certain profil de congélation (généralement descente en température rapide), pour qu'ils puissent conserver toutes leurs propriétés biologiques, dans le cas d'organismes unicellulaires, la vie.
En effet, dans le cas des produits vivants tels que des levures, par exemple, il est connu que le taux de survie dépend d'une part de la vitesse de refroidissement jusqu'à la cristallisation commençante et d'autre part de la rapidité ce frauchissement de la zone d'eutexie .
Le tableau II nous donne pour trois températures différentes du cylindre,
Tableau Il
Température Température Temps de contact Vitesse de Taux de survie
du cylindre C des paillettes du film avec le refroidissement O/O
au détachement cylindre sec sur le cylindre
du cylindre C C/min.
A -20 -12 19 50 95,6
B -30 -24 12 130 79,5
C -40 -20 5 200 96,2 et des vitesses de refroidissement variables les taux de survie (test au bleu de méthylène) obtenus après congélation de levures saccharomyces cerevisiaeo dans un milieu protecteur.
Dans le cas A, lorsque les paillettes se détachent du cylindre, leur température est supérieure à celle de la zone d'eutexie (-18 C), elles tombent directement dans un récipient contenant de l'azote liquide où elles subissent un refroidissement très rapide. Dans ce cas, la zone d'eutexie est franchie eu un temps très court, le taux de survie est très élevée.
Dans le cas B, lorsque les paillettes se détachent du cylindre, leur température est nettement inférieure à celle de la zone d'eutexie (-180 C). Dans ce cas, la zone d'eutexie a été franchie sur le cylindre en un temps relativement long et le taux de survie est inférieur au cas A.
Dans le cas C, lorsque les paillettes se détachent du cylindre, leur température est inférieure à celle de la zone d'eutexie , mais ladite zone a été franchie beaucoup plus rapidement que dans le cas B, le taux de survie est de nouveau très élevé comme dans le cas A.
Cet exemple montre que deux profils de refroidissement sont possibles pour obtenir dans la congélation de produits vivants un taux de survie élevé:
-Congélation du produit à une température légèrement supérieure à sa zone d'eutexie suivie d'une trempe rapide par immersion des paillettes dans un fluide cryogénique ou un fluide refroidi à très basse température.
-Congélation du produit à une température inférieure à sa zone d'eutexie, mais avec une vitesse de refroidissement importante supérieure ou égale à 200 C/min.
Ce procédé de congélation est tout particulièrement adapté à la conservation de produits biologiques précieux tels que le sang et toutes ses fractions proteini- ques, les broyats tissulaires, les levures, les champignons, les bactéries et les virus, le plancton et tout produit d'origine vivante, vaccins, serums, anticorps, anotoxines, etc.... La capacité de congélation de produits liquides dans le cas particulier d'un cylindre congélateur, par mètre carré de surface latérale du cylindre et par heure est fonction de la température du cylindre et de sa vitesse de rotation.
Par exemple avec un cylindre de 100 mm de long et 160 mm de diamètre, les capacités de congélation en kg/m2/h obtenues, pour la congélation d'une suspension de levures boulangères sont données dans le tableau III et repris dans les abaques en fig. 3.
Tableau III
Vitesse Température de rotation Capacité
o C en t./min. kg/m2/h
-25 C 1 26,6
2 33,4
3 42,5
4 40,5
5,1 38,5
Tableau III (suite)
Vitesse
Température de rotation Capacité OC C en timin. kg/m2/h
-350 C 1 37
2 47,3
2,2 50
3,4 51
4 47,8
4,3 53
45"C 1 51,9
2,2 64,6
2,6 66,4
3,9 85
4,5 82,3
5,15 84,7
7,1 78,3
8,1 75,4
Il va de soi que pour des températures du cylindre plus basses et des vitesses de rotation plus élevées, on obtiendrait des capacités de congélation nettement supérieures.
La capacité horaire de congélation de la présente installation est dans tous les cas au moins 3 fois supérieure à celle d'une installation comportant une plaque froide de même surface et refroidie à la même température, et dont la face en contact avec le produit n'est pas constamment raclée.
Le procédé décrit peut, comme il a été dit déjà, s'appliquer particulièrement aux produits biologiques liquides vivants en vue de leur conservation à l'état vivant par congélation tels que sang, cellules vivantes, semences vivantes, microorganismes (levures, bactéries, virus, plancton, caampignon)
Le procédé décrit s'applique également bien dans le cas où il est nécessaire que les produits soient manipulés dans des conditons stériles: Il suffit alors de placer le cylindre, le couteau, le bac d'alimentation et le bac de récupération dans une enceinte stérile.