DOMAINE TECHNIQUE

L’invention se rapporte au domaine des dispositifs assurant un traitement de produits par lyophilisation. L’invention concerne plus particulièrement les dispositifs réalisant une lyophilisation vrac.

L’invention trouve une application particulièrement avantageuse dans les domaines de la préparation pharmaceutique et de la préparation alimentaire et, plus généralement, pour toutes les industries à valeur ajoutée élevée qui nécessitent un procédé de conservation par lyophilisation. Par exemple, l’invention peut être mise en œuvre dans le domaine de la biotechnologie pour la production d’inoculum en vue de la fermentation de la biomasse, dans le domaine alimentaire pour le lyophilisation de fruits, légumes, boissons et préparations alimentaires, dans le domaine de la santé pour la lyophilisation de protéines, de peptides, d’enzymes, de bactéries, de virus, de cellules vivantes, de formulation sensibles à base d’anticorps ou de molécules sensibles, de fraction plasmatique ou de formulation de polymères sensibles.

ART ANTERIEUR

La lyophilisation est une opération de déshydratation à basse température qui consiste à éliminer par sublimation, la majeure partie de l’eau contenue dans un produit. La lyophilisation permet d’obtenir des produits finaux de haute qualité sans dégrader la structure et en conservant une grande partie de l’activité des microorganismes ou des cellules. Les produits lyophilisés présentent une capacité de conservation à long terme due à l’abaissement de l’activité de l’eau du produit.

En effet, en abaissant l’activité de l’eau dans le produit, aucun organisme vivant ne peut se développer et l’ensemble des réactions chimiques qui se font dans l’eau ne peuvent se produire. La très faible activité de l’eau permet également de bloquer toute activité de développement microbiologique. Ainsi, la forme et l’aspect des produits lyophilisés sont bien conservés et leurs qualités aromatiques sont bien supérieures à celles des produits séchés par des procédés d’atomisation, de lit fluidisé ou de séchage simple par évaporateur à plusieurs effets.

En outre, la transition des produits de l’état congelé à l’état déshydraté, en l’absence d’une forte proportion d’eau liquide, réduit les possibilités de développement des réactions d’altération. Un autre avantage technologique majeur de la lyophilisation repose sur la capacité des produits lyophilisés à se réhydrater rapidement grâce aux pores microscopiques formés par la glace sur leur surface au moment de la congélation.

L’utilisation de la lyophilisation est, en revanche, limitée par son coût et demeure bien inférieure à l’utilisation des autres procédés de séchage. La faible productivité en lyophilisation est due au mode de fonctionnement discontinu sous vide qui se traduit par des durées de traitement importantes comprises entre une dizaine d’heures et plusieurs jours. Les frais d’investissement et de fonctionnement sont également élevés. Par exemple, la consommation énergétique d’un dispositif de lyophilisation est typiquement de l’ordre de 1 500 à 2 500 kWh par tonne d’eau à éliminer.

En conséquence, la lyophilisation ne s’applique que pour des produits ayant une forte valeur ajoutée. Dans les industries alimentaires, on peut citer le café, les herbes et aromates, des plats cuisinés, ou encore les ingrédients sensibles à la déshydratation par la chaleur (légumes, fruits, produits de la mer...). Pour les soupes déshydratées instantanées, les préparations culinaires et les céréales pour petits déjeuners, les procédés basés sur l’atomisation ou le lit fluidisé sont couramment utilisés car ils sont nettement moins chers. Les secteurs des industries pharmaceutiques (vaccins, sérum, médicaments) et des bio-industries (levains) sont beaucoup plus fortement concernés par les procédés de lyophilisation qui sont les seuls procédés permettant d’obtenir une conservation d’un principe actif (activité biologique et/ou médicamenteuse) dans un produit stocké à température ambiante.

La lyophilisation requiert l’usage d’un dispositif comprenant une chambre d’évaporation, intégrant des moyens de chauffage, configurée pour sublimer l’eau contenue dans des produits congelés, et d’une chambre de condensation reliée à la chambre d’évaporation. La chambre de condensation intègre un piège à glace permettant de recueillir la vapeur d’eau issue de la chambre d’évaporation. Pour ce faire, des moyens de refroidissement sont disposés dans la chambre de condensation pour refroidir le piège à glace. Les chambres sont également mises sous vide par une pompe à vide de sorte à passer le point triple de l’eau et permettre le passage de l’eau de la phase solide à la phase gazeuse.

Le procédé de lyophilisation présente une première étape consistant à congeler les produits dans la chambre d’évaporation ou avant l’introduction des produits dans cette chambre. Une congélation rapide est recherchée de sorte à former des petits cristaux de glace. En effet, une congélation trop lente a pour effet de favoriser la formation de cristaux volumineux susceptibles d’endommager la structure du produit en déchirant les parois de ses cellules, par exemple pour les levures, les virus et les cellules animales ou végétales. Une seconde étape consiste à créer un vide dans la chambre d’évaporation, la faible pression, généralement bien inférieure à 1 hPa, permettant à l’eau sous forme de glace de se transformer en vapeur sans décongeler les produits. Pour ce faire, les produits reçoivent un apport de chaleur pour fournir l’énergie nécessaire à la chaleur latente de la sublimation de la glace en vapeur. La vapeur pénètre dans la chambre de condensation conditionnée pour transformer la vapeur d’eau en glace par l’utilisation du piège à glace maintenu à basse température, par exemple -60°C.

Ce procédé de lyophilisation permet ainsi d’extraire jusqu’à 95% de l’eau contenue dans les produits. La lyophilisation peut permettre de ramener l’humidité du produit à un taux extrêmement bas, compris entre 1% et 10% de la masse volumique du produit, et d’empêcher les bactéries et moisissures de proliférer et les enzymes de déclencher des réactions chimiques susceptibles de détériorer le produit. Il s’ensuit que les produits lyophilisés se conservent très longtemps. Dans un emballage hermétique, à l’abri de l’humidité, de la lumière et de l’oxygène, les produits lyophilisés peuvent se conserver à température ambiante pendant de nombreuses années.

La lyophilisation en vrac est principalement utilisée dans le secteur industriel, et notamment de l’industrie alimentaire, car elle permet de traiter de grandes quantités de produits sur des durées limitées. La lyophilisation en vrac permet en effet d’obtenir un temps moyen de lyophilisation compris entre cinq et cinquante heures. La réduction du temps de lyophilisation permet de réduire la consommation énergétique, le temps de production et donc le coût de production. En outre, la limitation du temps de lyophilisation réduit l’exposition du produit à la chaleur. Il est ainsi possible d’améliorer la qualité du produit lyophilisé.

La lyophilisation en vrac impose cependant d’introduire les produits pêle-mêle dans le lyophilisateur. Or, il existe un risque d’agglomération des produits, qui pourrait détériorer la qualité des produits lyophilisés.

Pour résoudre ce problème, il est possible de mettre en mouvement le lyophilisateur pendant le processus de lyophilisation. Les mouvements de rotation permettent ainsi d’éviter l’agglomération des produits dans la chambre d’évaporation lors de la lyophilisation tout en limitant le temps du processus de lyophilisation.

Pour ce faire, le document WO 82/02246 décrit un dispositif de lyophilisation formé d’un cylindre présentant deux parties concentriques : respectivement un compartiment central faisant office de chambre d’évaporation et un compartiment périphérique faisant office de chambre de condensation. Les deux chambres concentriques sont installées autour d’un axe de rotation permettant d’effectuer un mouvement de rotation lors de la lyophilisation pour éviter l’agglomération des produits.

Cependant, ce document impose d’ouvrir les chambres pour introduire et extraire les produits avant et après la lyophilisation. Cette ouverture est complexe à mettre en œuvre lorsqu’il faut également garantir que le vide soit appliqué aux chambres lors de la lyophilisation.

Pour répondre à ce problème, le document WO 2017/178740 propose d’utiliser une chambre d’évaporation montée sur un axe de rotation commandé pour effectuer un mouvement de va- et-vient avec un faible angle de rotation, compris entre -90 et 90°. Pour éviter de devoir ouvrir la chambre d’évaporation avant et après la lyophilisation, celle-ci est reliée à une entrée et une sortie de produits qui sont fixes par rapport à la chambre d’évaporation. L’entrée et la sortie de produits sont connectées par des connecteurs flexibles à la chambre d’évaporation de sorte que les faibles mouvements de va-et-vient entraînent une déformation des connecteurs flexibles autour de la chambre d’évaporation sans rompre la connexion entre la chambre d’évaporation et l’entrée et la sortie de produits.

Cependant, dans tous les dispositifs de lyophilisation existants, la chambre de condensation est disposée au plus proche de la chambre d’évaporation, de sorte que la vapeur extraite des produits à lyophiliser soit très rapidement captée et stockée dans la chambre de condensation. La proximité immédiate des deux chambres permet d’éviter que la vapeur ne se condense le long des parois de la chambre d’évaporation et risque de retomber dans les produits.

Pour les dispositifs de lyophilisation utilisant un mouvement de rotation, tels que décrit dans les documents WO 82/02246 et WO 2017/178740, la chambre d’évaporation et la chambre de condensation sont toutes deux mises en mouvement sur un même axe de rotation. Dans certains modes de réalisation du document WO 2017/178740, il est même possible d’utiliser deux chambres de condensation. Ainsi, un moteur puissant doit être sélectionné pour pouvoir mettre en mouvement toutes les chambres simultanément. Or, ces moteurs consomment beaucoup d’énergie et présentent un encombrement important.

Le problème technique que se propose de résoudre l’invention est de mettre en place un dispositif de lyophilisation utilisant un mouvement de rotation moins consommateur en énergie et plus compacte.

EXPOSE DE L’INVENTION

La présente invention vise à résoudre ce problème en désolidarisant la chambre de condensation de Taxe de rotation et en la montant fixe par rapport à la chambre d’évaporation. Seule la chambre d’évaporation est alors mise en mouvement par le moteur, ce qui permet de sélectionner un moteur moins puissant, donc moins consommateur en énergie et plus compacte. En outre, la chambre de condensation fixe est connectée à la chambre d’évaporation en mouvement par des connecteurs flexibles, dits « seconds connecteurs flexibles », qui sont capables de se mouvoir et de se déformer pour absorber les déplacements de la chambre d’évaporation par rapport à la chambre de condensation.

Contre toute attente, même si l’utilisation de seconds connecteurs flexibles augmente la distance entre la chambre d’évaporation et la chambre de condensation, il a été constaté que la vapeur générée par la chambre d’évaporation ne condense pas sur les parois de la chambre d’évaporation ou des flexibles et ne retombe pas dans les produits en cours de lyophilisation si les flexibles sont correctement dimensionnées, c’est-à-dire si le type et le nombre des flexibles permet d’extraite toute la vapeur produite en fonction des paramètres de pression et de température des chambres. La qualité des produits lyophilisés reste donc inchangée. Ainsi, contrairement à l’enseignement constant de l’état de la technique, il n’est pas nécessaire de placer la chambre de condensation directement à proximité de la chambre d’évaporation.

A cet effet, l’invention concerne un dispositif de lyophilisation comportant :

- une chambre d’évaporation comprenant des moyens de chauffage de ladite chambre d’évaporation configurés pour réaliser une sublimation du solvant contenu dans les produits congelés destinés à être disposés dans ladite chambre d’évaporation, ladite chambre d’évaporation étant montée mobile en rotation autour d’un axe ;

- au moins une chambre de condensation communiquant avec ladite chambre d’évaporation, et comportant des moyens de refroidissement de ladite chambre de condensation configurés pour transformer la vapeur issue de ladite chambre d’évaporation en glace ;

- une entrée et une sortie de produits reliées à ladite chambre d’évaporation par des premiers connecteurs flexibles, les entrée et sortie de produits étant montées fixes par rapport à la chambre d’évaporation, et

- un moteur entraînant ledit axe sur lui-même selon le mouvement de va-et-vient suivant :

- un premier mouvement entraînant ledit axe dans un premier sens de rotation avec un angle de rotation compris entre 5° et 90° ; et

- un second mouvement entraînant ledit axe dans un second sens de rotation, opposé au premier angle de rotation, avec un angle de rotation compris entre -5° et -90°.

L’invention se caractérise en ce que l’au moins une chambre de condensation est montée fixe par rapport à ladite chambre d’évaporation, ladite chambre d’évaporation et ladite au moins une chambre de condensation étant reliées par des seconds connecteurs flexibles. Dans certains modes de réalisation, le dispositif comporte au moins deux chambres de condensation. Un collecteur de vapeur munit de moyens de contrôle du débit de vapeur peut alors être disposé entre la chambre d’évaporation et les chambres de condensation. Le collecteur de vapeur reçoit ainsi la vapeur issue de la chambre d’évaporation et contrôle le débit de vapeur envoyé à chaque chambre de condensation en fonction de la capacité de piégeage de ladite chambre de condensation.

Selon l’invention, la capacité de piégeage correspond au débit de vapeur pouvant être condensée par la chambre de condensation dans un intervalle de temps prédéterminé. En pratique, cette capacité de piégeage peut évoluer au cours du temps. Par exemple, la vapeur peut être condensée par un piège à glace prenant la forme d’un tube enroulé dans lequel circule un fluide caloporteur, par exemple de l’azote liquide.

Lorsque la vapeur entre en contact avec le piège à glace, elle se solidifie sur la paroi du piège. Ainsi, de la glace s’accumule par couches sur les parois du piège. Plus cette couche de glace est épaisse et moins le piège est efficace. La capacité de piégeage de la chambre de condensation diminue alors et il peut être utile d’envoyer la vapeur vers un autre piège via le collecteur de vapeur en attendant que le piège se regénère et retrouve des performances suffisantes.

En pratique, afin de limiter les pertes énergétiques liées au passage par les seconds connecteurs flexibles reliant la chambre de condensation à la chambre d’évaporation, il est possible de déterminer le nombre de connecteurs flexibles optimal. Cette détermination du nombre de flexibles dépend de plusieurs paramètres tels que la pression et la température des chambres d’évaporation et de condensation, le débit souhaité de traitement des produits à lyophiliser, et le diamètre et la longueur des connecteurs flexibles à disposition.

En pratique, lorsque tous les autres paramètres sont fixés, le nombre N de connecteurs flexibles est proportionnel au débit de vaporisation de la chambre d’évaporation 5. Lorsqu’il est recherché d’évaporer un solvant avec un débit d’évaporation, et que les chambres d’évaporation et de condensation présentent les paramètres suivants :

- la chambre d’évaporation présente une température de fonctionnement comprise entre -30°C et -20°C, une pression comprise entre 200 et 600 pbars, et

- la chambre de condensation présente une température de fonctionnement comprise -100 et - 50°C, une pression comprise entre 40 et 200 pbars.

Alors, les seconds connecteurs flexibles sont sélectionnés avec :

- un diamètre compris entre 0.08 et 0.12 m, - une longueur comprise entre 2 et 10 m, et

- un nombre de flexibles proportionnel au débit d’évaporation, avec un coefficient de proportionnalité compris entre 0.7 et 1.

Il existe différents modes de réalisation dans lesquels des paramètres peuvent être fixés, en fonction de contraintes liées à l’exploitation de certains produits à lyophiliser par exemple. Typiquement, la nature du solvant peut nécessiter des gammes de pression et de température particulières pour réaliser la lyophilisation.

Selon un premier mode de réalisation, lorsqu’il est recherché d’évaporer un solvant aqueux avec un débit d’évaporation compris entre 10 et 11 kg/h, et que les chambres d’évaporation et de condensation présentent les paramètres suivants :

- la chambre d’évaporation présente une température de fonctionnement comprise entre -30°C et -20°C, une pression comprise entre 400 et 580 pbars, et

- la chambre de condensation présente une température de fonctionnement consignée à -60°C, une pression fixée à 100 pbars.

Alors, les seconds connecteurs flexibles sont sélectionnés avec :

- un diamètre compris entre 0.1 et 0.105 m,

- une longueur comprise entre 3 et 4,5 m, et

- un nombre de flexibles compris entre 7 et 13.

Selon un deuxième mode de réalisation, lorsqu’il est recherché d’évaporer un solvant aqueux avec un débit d’évaporation compris entre 9 et 11 kg/h, et que les chambres d’évaporation et de condensation présentent les paramètres suivants :

- la chambre d’évaporation présente une température de fonctionnement de -20°C, une pression de 600 pbars, et

- la chambre de condensation présente une température de fonctionnement comprise entre - 100 et -50°C, une pression compris entre 100 et 200 pbars.

Alors, les seconds connecteurs flexibles sont sélectionnés avec :

- un diamètre fixé à 0.08 m,

- une longueur fixée à 3 m, et

- un nombre de flexibles compris entre 11 et 13.

Selon un troisième mode de réalisation lorsqu’il est recherché d’évaporer un solvant aqueux avec un débit d’évaporation fixé à 9 kg/h, et que les chambres d’évaporation et de condensation présentent les paramètres suivants :

- la chambre d’évaporation présente une température de fonctionnement de -30°C, une pression de 600 pbars, et

- la chambre de condensation présente une température de fonctionnement fixée à -60°C, une pression comprise entre 100 et 200 pbars.

Alors, les seconds connecteurs flexibles sont sélectionnés avec :

- un diamètre fixé à 0,08 m,

- une longueur comprise entre 3 et 7 m, et

- un nombre de flexibles compris entre 10 et 15.

Selon un quatrième mode de réalisation, lorsqu’il est recherché d’évaporer un solvant aqueux avec un débit d’évaporation fixé à 10 kg/h, et que les chambres d’évaporation et de condensation présentent les paramètres suivants :

- la chambre d’évaporation présente une température de fonctionnement de -20°C, une pression comprise entre 200 et 250 pbars, et

- la chambre de condensation présente une température de fonctionnement fixée à -60°C, une pression fixée à 100 pbars.

Alors, les seconds connecteurs flexibles sont sélectionnés avec :

- un diamètre fixé à 0.12 m,

- une longueur comprise entre 2 et 3 m, et

- un nombre de flexibles compris entre 11 et 18.

Selon un cinquième mode de réalisation, lorsqu’il est recherché d’évaporer un solvant aqueux avec un débit d’évaporation fixé à 11 kg/h, et que les chambres d’évaporation et de condensation présentent les paramètres suivants :

- la chambre d’évaporation présente une température de fonctionnement comprise entre -30°C et -10°C, une pression comprise entre 400 et 550 pbars, et

- la chambre de condensation présente une température de fonctionnement fixé à -70°C, une pression fixée à 100 pbars.

Alors, les seconds connecteurs flexibles sont sélectionnés avec :

- un diamètre fixé à 0.1 m,

- une longueur fixée à 4 m, et

- un nombre de flexibles compris entre 9 et 13.

Selon un sixième mode de réalisation, lorsqu’il est recherché d’évaporer un solvant organique ayant une masse molaire apparente comprise entre 0.02 et 0.025 kg/mol, avec un débit d’évaporation de 10 kg/h, et que les chambres d’évaporation et de condensation présentent les paramètres suivants :

- la chambre d’évaporation présente une température de fonctionnement fixée à -15°C, une pression fixée à 300 pbars, et

- la chambre de condensation présente une température de fonctionnement fixé à -70°C, une pression fixée à 100 pbars.

Alors, les seconds connecteurs flexibles sont sélectionnés avec :

- un diamètre fixé à 0.12 m,

- une longueur comprise entre 5 et 8 m, et

- un nombre de flexibles compris entre 9 et 14.

Selon un septième mode de réalisation, lorsqu’il est recherché d’évaporer un solvant organique ayant une masse molaire apparente fixée à 0,025 kg/mol, avec un débit d’évaporation de 10 kg/h, et que les chambres d’évaporation et de condensation présentent les paramètres suivants :

- la chambre d’évaporation présente une température de fonctionnement comprise entre -30°C et -20°C, une pression comprise fixée à 300 pbars, et

- la chambre de condensation présente une température de fonctionnement comprise entre-90 et -70°C, une pression comprise entre 50 et 100 pbars.

Alors, les seconds connecteurs flexibles sont sélectionnés avec :

- un diamètre fixé à 0.1 m,

- une longueur comprise entre 7 et 10 m, et

- un nombre de flexibles compris entre 18 et 24.

DESCRIPTION SOMMAIRE DES FIGURES

La manière de réaliser l’invention, ainsi que les avantages qui en découlent ressortiront bien de la description du mode de réalisation qui suit, à l’appui des figures annexées dans lesquelles :

[Fig.l] La figure 1 est une représentation structurelle schématique d’un dispositif de lyophilisation selon un premier mode de réalisation de l’invention ;

[Fig.2] La figure 2 est une représentation structurelle schématique d’un dispositif de lyophilisation selon un deuxième mode de réalisation de l’invention ;

[Fig.3] La figure 3 est une vue en coupe de la position d’une cloison par rapport à la chambre d’évaporation dans une première position du dispositif de lyophilisation de la figure 1 ;

[Fig.4] La figure 4 est une vue en coupe de la position d’une cloison par rapport à la chambre d’évaporation dans une deuxième position du dispositif de lyophilisation de la figure 1 ; et [Fig.5] La figure 5 est une vue en coupe de la position d’une cloison par rapport à la chambre d’évaporation dans une troisième position du dispositif de lyophilisation de la figure 1.

DESCRIPTION DETAILLEE DE L’INVENTION

La figure 1 illustre un dispositif de lyophilisation comportant une chambre d’évaporation 5 et une chambre de condensation 10. Une entrée 1 sous la forme d’une trémie est reliée à la chambre d’évaporation 5 par l’intermédiaire d’un premier connecteur flexible 42. La trémie est en outre équipée d’une première écluse 2 de sorte à introduire des produits à lyophiliser lorsque l’écluse 2 est ouverte. Une sortie 8 sous la forme d’une trémie est également reliée à la chambre d’évaporation 5 par l’intermédiaire d’un connecteur flexible. La trémie est en outre équipée d’une seconde écluse 9 de sorte à extraire les produits lyophilisés lorsque l’écluse 9 est ouverte. Les écluses 2 et 9 permettent également de garantir l’étanchéité et la stérilité des chambres 5, 10. Par exemple, des écluses 2, 9 de la marque «

Agilent Technologies» ou « Gericke » peuvent être utilisées. En variante, l’invention peut être mise en œuvre avec une seule entrée/sortie réalisant les deux fonctions d’introduction et d’extraction des produits.

La chambre d’évaporation 5 présente une double paroi externe dans laquelle un fluide caloporteur circule pour faire chauffer la chambre d’évaporation 5. De préférence, la surface interne de la chambre d’évaporation 5 est polie miroir de sorte à favoriser la glisse de la charge et minimiser l’angle de talus.

Le fluide caloporteur est chauffé par un dispositif externe relié à la double paroi par une entrée de fluide 15 et une sortie de fluide 16. Une entrée de vapeur 31 est également connectée à la chambre d’évaporation 5 afin de stériliser la chambre d’évaporation 5.

Ces moyens de chauffage 15, 16 permettent de réaliser une sublimation des produits congelés disposés dans la chambre d’évaporation. En variante, le fluide caloporteur peut être chauffé par un échangeur de chaleur couplé à une source de chaleur externe. De préférence, le chauffage peut être assuré par un manteau électrique chauffant alimenté via des câbles électriques flexibles. Le manteau chauffant est réalisé en silicone et une résistance chauffante permet de transformer l’énergie électrique en chaleur. Ce système de chauffage est avantageux puisque les câbles électriques sont plus flexibles et par conséquent plus résistants vis-à-vis des contraintes de cisaillement liées aux mouvements de va-et-vient de la chambre d’évaporation en comparaison d’une tuyauterie transportant un fluide caloporteur. Les produits peuvent être introduits sous une forme congelée par l’entrée 1. En variante, les produits peuvent être congelés directement dans la chambre d’évaporation 5. Dans ce mode de réalisation, les produits sont introduits à température ambiante et le fluide caloporteur circulant dans la double paroi externe est réfrigéré à une température très basse, par exemple de l’ordre de -60°C, de sorte à entrainer la congélation des produits avant l’étape d’évaporation. Une congélation peut également être réalisée dans l’entrée 1. Par exemple, la congélation peut être obtenue directement en pellets au moyen d’un goutte à goutte tombant dans un courant d’azote.

La chambre de condensation 10 est reliée à la chambre d’évaporation 5 par l’intermédiaire de seconds connecteurs flexibles 41. En variante, plusieurs chambres de condensation 10 peuvent être reliées à la chambre d’évaporation 5 par le biais des seconds connecteurs flexibles 41. Dans certains modes de réalisation, les seconds connecteurs flexibles 41 sont connectés à la chambre de condensation par l’intermédiaire d’un collecteur de vapeur non représenté sur les figures. Les seconds connecteurs flexibles 41 alimentent le collecteur de vapeur via une entrée de vapeur. Le collecteur de vapeur comporte plusieurs sorties de vapeur connectées à différentes entrées réparties régulièrement le long de la chambre de condensation 10. Cette dernière est alors alimentée par plusieurs flux d’entrée, ce qui permet de mieux répartir la vapeur dans la chambre et d’éviter la condensation.

Le passage de la vapeur à travers les seconds connecteurs flexibles 41, entre la chambre d’évaporation 5 et la chambre de condensation 10 est contrôlé via un sas 4. Le sas 4 peut comporter une grille ou un filtre laissant passer la vapeur et retenant les particules du produit risquant d’être entraînées par la vapeur d’eau. De préférence, le filtre est réalisé en Gore- Tex®, marque déposée.

La chambre de condensation 10 comporte un piège à glace 11 prenant la forme d’un tube enroulé dans lequel circule un fluide caloporteur, par exemple de l’azote liquide. Le fluide caloporteur est produit par un dispositif externe et il est conduit dans le tuyau par une entrée 17 jusqu’à une sortie 18. En variante, le fluide caloporteur peut être refroidi par un échangeur de chaleur couplé à une source de froid externe.

Les moyens de refroidissement 17, 18 sont mis en œuvre lorsque le sas 4 est ouvert et que la vapeur pénètre dans la chambre de condensation. La vapeur congèle alors sur le tube du piège à glace 11. Le nombre de spires et la section du tube formant le piège à glace 11 sont déterminés en fonction de la quantité de vapeur à récupérer.

Une entrée de vapeur 32 est également connectée à la chambre de condensation 10 afin de stériliser les chambres de condensation 10 et d’évaporation préalablement à la mise en route du procédé de lyophilisation proprement dit. Pour ce faire, dans une étape préalable à la lyophilisation, le sas 4 est ouvert et de la vapeur est introduite dans les deux chambres 5, 10. Pendant le procédé proprement dit, la vapeur injectée par la buse d’injection de vapeur 32 entraine la fusion de la glace présente sur le piège à glace 11. Une purge 33 extrait ainsi la vapeur injectée pour évaporer la glace contenue dans la chambre de condensation 10 ainsi que la vapeur générée pour la stérilisation.

La chambre de condensation 10 est également connectée à une pompe à vide 6 par l’intermédiaire d’un tuyau muni d’une vanne 7. Cette pompe à vide 6 est configurée pour mettre sous vide la chambre de condensation 10 et la chambre d’évaporation 5 lorsque le sas 4 est ouvert. Lorsque le vide est créé dans ces deux chambres, la vanne 7 est maintenue ouverte et le vide est conservé par la condensation de la vapeur sur le piège à glace 11. Par exemple, les valeurs de vide sont comprises entre 10 pbar et 600 pbar.

La chambre d’évaporation 5 est montée solidaire d’un axe de rotation 30, tandis que la chambre de condensation 10 est montée fixe par rapport à la chambre d’évaporation 5. De préférence, la chambre d’évaporation 5 est cylindrique et l’axe 30 passe par le centre des deux faces planes du cylindre de sorte à répartir uniformément la masse de la chambre d’évaporation 5 autour de l’axe 30. L’axe 30 est entrainé en rotation par un moteur 12.

Selon l’invention, deux mouvements de rotation opposés de la chambre d’évaporation sont induits par l’axe 30 entrainé par le moteur 12 et sont limités en amplitude de sorte à créer un mouvement de va et vient.

Les figures 3 à 5 illustrent les positions de l’axe 30 lors de ce mouvement de va et vient. Dans une première position, illustrée sur la figure 3, l’axe 30 n’est pas entrainé en rotation par le moteur 12. Un premier mouvement du moteur 12, illustré sur la figure 4, entraine l’axe 30 sur lui-même et par conséquent de la chambre d’évaporation 5 dans un premier sens de rotation avec un déplacement angulaire al inférieur à 180°.

Un second mouvement du moteur 12, illustré sur la figure 5, entraine l’axe 30 sur lui-même et par conséquent les chambres d’évaporation et de condensation dans un second sens de rotation, opposé au premier sens de rotation, avec un déplacement angulaire a2 sensiblement égal au déplacement angulaire du premier mouvement. Le mouvement de va et vient correspond ainsi à un balancement de l’axe 30, c’est-à-dire une rotation de l’axe 30 sur lui- même dans un sens puis dans l’autre. L’axe 30 n’effectue donc pas de rotation complète limitant ainsi le risque d’enroulement des connecteurs flexibles reliant les dispositifs externes de la chambre d’évaporation 5. Au contraire, les connecteurs flexibles sont configurés pour se déformer et absorber les déplacements de la chambre d’évaporation 5 lors des rotations de sorte à maintenir une connexion étanche et stérile.

Les mouvements de rotation permettent ainsi d’éviter l’agglomération des produits dans la chambre d’évaporation 5 lors de la lyophilisation tout en limitant le temps du processus de lyophilisation. Avantageusement, la chambre d’évaporation 5 comporte également des chicanes disposées à l’intérieur de la chambre d’évaporation 5.

Les chicanes s’étendent radialement vers l’intérieur de la chambre d’évaporation 5 et permettent d’améliorer le mélangeage des produits lors de la lyophilisation. Par exemple, des socs de la marque « Palamatic®» peuvent être utilisées.

L’axe 30 peut être monté horizontalement par rapport au corps cylindrique de la chambre d’évaporation 5. Dans ce mode de réalisation, le dispositif comporte avantageusement des moyens de pivotement de l’axe dans le plan vertical permettant de guider les produits disposés dans la chambre d’évaporation 5 vers la sortie 8 lorsque le temps de lyophilisation est atteint.

En variante, l’axe 30 peut être monté avec un biais, c’est-à-dire incliné dans le plan vertical de sorte à guider les produits vers la sortie 8 durant tout le processus de lyophilisation. Dans ce mode de réalisation, la sortie 8 est plus basse que l’entrée 1 de sorte à utiliser la gravité pour déplacer les produits lyophilisés vers la sortie 8.

Ainsi, pour répondre aux contraintes de rotation de la chambre d’évaporation 5, les connecteurs flexibles 41, 42 ont pour fonction de relier un élément fixe à un élément mobile, tel que la chambre d’évaporation 5.

En l’espèce, les trémies d’entrée 1 et de sortie 8 sont raccordées à la chambre d’évaporation 5 par des manchons souples stériles. Avantageusement, les moyens de chauffage et de refroidissement des deux chambres 5, 10 ainsi que la pompe à vide 6 sont également reliés aux chambres respectives par des premiers connecteurs flexibles 42. De préférence, les premiers connecteurs flexibles 42 sont réalisés en acier inoxydable pour répondre aux contraintes de stérilité. Les premiers connecteurs flexibles 42 présentent avantageusement des spires de sorte à limiter l’écrouissage de l’acier inoxydable. En variante, d’autres matériaux peuvent être utilisés sans changer l’invention. Les premiers connecteurs flexibles 42 permettent de garantir la connexion de ces éléments avec la chambre d’évaporation 5, même lorsque celle-ci est entraînée en rotation sur elle mêmes par le moteur 12. Selon les modes de réalisation, la chambre de condensation 10 fixe peut également être reliée aux trémies de décharge par des connecteurs flexibles ou au contraire être reliée aux trémies de décharge par tout autre type de connecteur, puisqu’elle ne présente pas les mêmes contraintes de rotation. La capacité de flexion des premiers connecteurs flexibles 42 permet d’absorber les déplacements de la chambre d’évaporation 5 par rapport aux éléments externes. La longueur des connecteurs est également choisie pour garantir le maintien de la connexion lors de la rotation de la chambre d’évaporation 5. Par exemple, les connecteurs flexibles de la marque « Stâubli®» ou encore « GECITECH® » peuvent être utilisés.

En outre, la chambre de condensation 10 est également raccordée à la chambre d’évaporation par des seconds connecteurs flexibles 41.

De préférence, les seconds connecteurs flexibles 41 sont réalisés en acier inoxydable ou en Polychlorure de vinyle (PVC) armé pour répondre aux contraintes de température et de stérilité. Les seconds connecteurs flexibles 41 présentent avantageusement des spires de sorte à limiter l’écrouissage. En variante, d’autres matériaux peuvent être utilisés sans changer l’invention. La capacité de flexion des seconds connecteurs flexibles 41 permet d’absorber les déplacements de la chambre d’évaporation 5 par rapport à la chambre de condensation 10. La longueur L des seconds connecteurs flexibles 41 est également choisie pour garantir le maintien de la connexion lors de la rotation de la chambre d’évaporation 5.

En outre, le processus de lyophilisation étant particulièrement dépendant des différences de températures et de pression, les chambres 5, 10 sont préférentiellement instrumentées par des capteurs de température 20, 24 et de pression 21.

Deux capteurs 20, 21 sont disposés dans la chambre d’évaporation 5 pour contrôler la température et la pression dans la chambre d’évaporation 5. Un troisième capteur 24 est disposé dans la chambre de condensation 10 pour contrôler la température de la chambre de condensation 10. Il s’ensuit qu’un opérateur peut suivre le processus de lyophilisation au moyen des capteurs 20, 21, 24 et estimer la quantité d’eau éliminée des produits au cours du temps. Il est ainsi possible de déterminer le moment précis pour lequel une concentration recherchée en eau est atteinte pour arrêter la lyophilisation.

En pratique, il n’est actuellement pas possible de trouver sur le mâché un unique second connecteur flexible 41 d’un diamètre suffisant pour évacuer correctement la vapeur. Les seconds connecteurs flexibles 41 existants présentent soit des tailles maximales limitées, soit une rigidité trop importante. Un compromis entre un rayon de courbure suffisamment petit pour limiter l’encombrement et un diamètre suffisamment gros peut cependant être déterminé afin de limiter le nombre de flexibles. En pratique, pour déterminer le nombre N, le diamètre D et la longueur L des seconds connecteurs flexibles 41, l’homme du métier pourra appliquer les lois de la mécanique des fluides. Le nombre N, le diamètre D et la longueur L des seconds connecteurs flexibles 41 est notamment conditionné par les conditions de pression Pl, P2 et de température Tl, T2 régnant dans les chambres 5 et 10 et mesurées par les capteurs 20, 21, 24.

En particulier, en fixant les autres paramètres, le nombre N de seconds connecteurs flexibles 41 peut être défini avec un coefficient de proportionnalité avec le débit d’évaporation de la vapeur contenue dans la chambre d’évaporation 5. Le coefficient de proportionnalité entre le nombre N de seconds connecteurs flexibles 41 et le débit d’évaporation dépend de la longueur L est par exemple compris entre 0.7 et 1.

Il existe différents modes de réalisation dans lesquels certains de ces paramètres peuvent être fixés, en fonction de contraintes liées à l’exploitation de certains produits à lyophiliser par exemple. Typiquement, la nature du solvant peut nécessiter des gammes de pression et de température particulières pour réaliser la lyophilisation.

Selon un premier exemple de réalisation, il est recherché d’évaporer un solvant aqueux avec un débit d’évaporation compris entre 10 et 11 kg/h.

Lorsque la chambre de condensation présente une température T2 de fonctionnement fixée à - 60°C et une pression P2 fixée à 100 pbars, alors la chambre d’évaporation présente une température Tl de fonctionnement variant entre -30°C et -20°C, une pression PI variant entre 400 et 580 pbars.

Les seconds connecteurs flexibles 41 sont alors sélectionnés avec :

- un diamètre D compris entre 0.1 et 0.105 m,

- une longueur L comprise entre 3 et 4,5 m, et

- un nombre N de flexibles compris entre 7 et 13.

Selon un deuxième exemple de réalisation, il est recherché d’évaporer un solvant organique ayant une masse molaire apparente comprise entre 0.02 et 0.025 kg/mol, avec un débit d’évaporation de 10 kg/h.

Lorsque la chambre d’évaporation 5 présente une température de fonctionnement Tl fixée à - 15°C et une pression PI fixée à 300 pbars, et la chambre de condensation 10 présente une température de fonctionnement T2 fixé à -70°C et une pression P2 fixée à 100 pbars, alors les seconds connecteurs flexibles 41 sont sélectionnés avec :

- un diamètre D fixé à 0.12 m,

- une longueur L comprise entre 5 et 8 m, et

- un nombre de flexibles N compris entre 9 et 14.

Le dispositif de lyophilisation peut également comporter plusieurs chambres de condensation. Tel qu’illustré sur la figure 2, le dispositif de lyophilisation peut par exemple comporter deux chambres de condensation 10A et 10B. Afin de répartir la vapeur issue de la chambre d’évaporation 5 entre les deux chambres de condensation 10A et 10B, un collecteur de vapeur 43 peut être ajouté.

Le collecteur de vapeur 43 est positionné en sortie des seconds connecteurs flexibles 41 et est connecté aux chambres de condensation 10A et 10B par des connecteurs 44A, 44B. Le nombre, la longueur et le diamètre des connecteurs 44A, 44B peut être choisi en fonction des dimensions de la chambre de condensation 10A, 10B considérée.

Le collecteur de vapeur 43 est monté fixe par rapport à la chambre d’évaporation 5. Le collecteur de vapeur 43 et les chambres de condensation 10A et 10B étant fixes l’une par rapport aux autres, les connecteurs 44A, 44B peut être des tuyauteries rigides ou flexibles sans changer l’invention.

Des moyens de contrôle permettent de modifier le débit de vapeur envoyé à l’une ou l’autre des chambres de condensation 10A, 10B. Les moyens de contrôle peuvent être commandés manuellement ou de manière automatique en positionnant par exemple un capteur au sein de chaque chambre de condensation 10A, 10B. Le capteur peut ainsi mesurer la capacité de piégeage de la chambre et, selon la valeur de cette mesure, le débit de vapeur envoyé à la chambre est adapté pour permettre au piège de se régénérer.

Par exemple, lorsque les chambres de condensation 10A, 10B comportent un piège à glace 11A, 11B, le capteur peut mesurer l’épaisseur de la couche de glace accumulée autour du piège 11 A, 11B. Si cette couche de glace est plus épaisse qu’un seuil prédéterminé, le débit de vapeur parvenant au piège 11 A, 11B peut être diminué pour laisser le temps au piège de se régénérer en diminuant l’épaisseur de la couche de glace. Pendant ce temps, le débit de vapeur parvenant à l’autre piège 11 A, 11B peut être augmenté pour compenser la diminution sur l’autre piège et ainsi conserver un débit de traitement global constant.

Pour conclure, l’invention permet de mettre au point un dispositif de lyophilisation moins consommateur en énergie et plus compacte.