Evolution récente des appareils centrifuges à assiettes

Le présent exposé a pour objet l'amélioration des performances des appareils centrifuges qui ont été obtenues récemment à la suite des divers perfectionnements apportés dans leur construction en raison, notamment, des progrès intervenus dans les diverses techniques mises en œuvre ; nous les examinerons successivement.

LES PROGRÈS DE LA SIDÉRURGIE

La vitesse des appareils et leur taille sont étroitement liées à la résistance des matériaux employés dans leur construction.

Une percée spectaculaire dans le domaine de l’accélération centrifuge avec des machines de grande taille a été ouverte par les grands progrès effectués par la sidérurgie, surtout dans la dernière décennie, progrès qui ont permis d’élaborer des aciers inoxydables forgés ayant des caractéristiques de résistance à la rupture remarquables (pouvant atteindre 900 N/mm² pour l'acier 1.4057). Là où on en était encore à des valeurs d’accélération se situant entre 6 000 et 7 000 g, on atteint maintenant 15 000 g pour un diamètre de bol identique. Ceci ouvre des horizons nouveaux à la centrifugation, qui atteint la limite supérieure de la filtration fine : on retient ainsi des particules inférieures à 0,5 µ, et on sépare des bactéries et spores dans des liquides de fermentation d'origine aussi diverse que le lait, le vin, les enzymes et de nombreux bouillons de culture qui se présentent en pharmacie ou en industrie alimentaire. La taille des machines et la vitesse de rotation ont donc tiré profit de l'avance technologique de la sidérurgie. Cette progression et la pénétration dans le domaine de la biotechnologie ont entraîné des études poussées des formes du bol et de ses accessoires, ce qui a permis de mettre au point des séparateurs à débourbage automatisé totalement stérilisables répondant à deux conditions prédominantes : l’élimination de la contamination extérieure et la stérilisation.

a) Élimination de la contamination extérieure

Cette élimination a pu être obtenue par les moyens décrits ci-après.

— La machine est rendue hydro-hermétique par un isolement du bol, dont la tête (au-dessus de la turbine) est pourvue d’une chambre supplémentaire non reliée à la chambre de refoulement. Un disque fixe, solidaire de la turbine, plonge dans cette chambre. Le remplissage de la chambre par un liquide obturateur isole l’intérieur du bol de l'air ambiant. Le frottement du liquide (chaleur de friction) sur le disque fixe nécessite une faible circulation de liquide obturateur. Le débit du liquide en circulation, qui dépend du diamètre du disque, est compris entre 10 et 20 l/h.

Dans certains procédés de séparation, il importe d’éviter une chute de pression du liquide à traiter qui risquerait d’entraîner des altérations (précipitations, dégazages, etc.).

Dans d'autres procédés, il faut absolument empêcher toute absorption de gaz par le liquide clarifié. Pour ce faire, on utilise des séparateurs hermétiques ; grâce aux garnitures mécaniques qui s’adaptent à l’excentricité du bol en rotation, les armatures d’alimentation et de refoulement sont rendues étanches par rapport au bol. Pour assurer l’étanchéité, on utilise des manchettes en matériaux flexibles ou bien des garnitures mécaniques.

— L'herméticité par manchettes : la tête du bol comporte des pompes d’alimentation et de refoulement rotatives ; si la pression d'alimentation suffit pour obtenir le débit horaire souhaité et la pression de refoulement requise, ces pompes ne fonctionnent pas. Les séparateurs hermétiques peuvent être intégrés dans des systèmes fonctionnant jusqu’à 10 bars. Un domaine d’application typique pour ces machines hermétiques est la clarification de vin mousseux stocké en cuves à haute pression (5,5 bars).

- Évacuation en système fermé :

Dans certains procédés, le concentrat éjecté hors du bol autodébourbeur ou à buses ne doit pas entrer en contact avec l’air ambiant. C’est surtout le cas lorsque les solides constituent le produit noble à récupérer et à traiter ultérieurement. Des mesures doivent être prises pour prévenir toute infection par des bactéries étrangères (par exemple lors de la récupération de levure dans les opérations de clarification de bière verte) ou pour éviter que des substances toxiques ne pénètrent dans les ateliers (industrie pharmaceutique).

À cet effet, les matières solides éjectées hors du bol sont recueillies dans un cyclone, puis reprises à l’abri de l’air par une pompe. Si nécessaire, le liquide de commande excédentaire s’écoulant du bâti est évacué à l’abri de l’air par un siphon. Le mécanisme et le bâti sont hermétiquement séparés par le système hydrohermétique, le liquide obturateur étant constitué par le fluide de commande. La chambre d’obturation est conçue de manière à assurer une parfaite étanchéité à tout moment du processus de séparation. Les pertes de liquide susceptibles de se produire par évaporation sont supprimées par addition de fluide de commande lors du débourbage.

- Mise sous produit stérilisant après le travail (fond de carter mobile) :

Le nettoyage en place (NEP) est une méthode connue pour nettoyer les chaînes de production sans avoir à démonter ou à ouvrir les différents appareils de l’installation. Cette méthode de nettoyage est utilisée depuis longtemps, surtout en laiterie. On emploie pour le nettoyage, outre de l’eau chaude, une solution de soude caustique à 2 % (à 85-90 °C) circulant dans l’appareil jusqu’à dissolution des sédiments organiques. Pour éliminer les matières inorganiques, on emploie une solution d’acide nitrique à 0,5 % chauffée à 60-75 °C, qui sert en même temps de passivant pour l’acier inoxydable. Le nettoyage chimique se termine par un rinçage à l’eau chaude et à l’eau froide.

La conduite d’alimentation du liquide de commande est pourvue d’une plaque flexible fixée au bâti. Un boulon d’excentrique accessible de l’extérieur permet de presser dans le fond de bol la conduite contre un joint. Dès que toutes les conduites d’alimentation et de refoulement du séparateur sont fermées, l’espace renfermant le bol se trouve ainsi rendu étanche par rapport au carter du mécanisme. Ces préparatifs faits, l’ensemble bol, couvercle et capteur à boues peut être stérilisé à la vapeur (jusqu’à 110 °C) via une conduite séparée. On peut également remplir le bol et les chambres où se trouve le produit (capteur de boues et couvercle) d’une solution de désinfection ou de nettoyage, de manière à éliminer les micro-organismes ayant résisté au nettoyage chimique. On empêche en même temps toute introduction de bactéries gênantes à l’arrêt et par conséquent la formation de foyers d’infection. L’ensemble des chambres où se trouve le produit est alors efficacement protégé jusqu’à la prochaine utilisation.

Ces procédés de nettoyage s’avèrent en général suffisants. Cependant, en cas d’exigences plus sévères, il faut assurer un effet de nettoyage équivalent à l’extérieur et à l’intérieur du bol. Pour cela la partie mécanique est rendue étanche par rapport au bol, au moyen d’une garniture mécanique qui présente toutefois l’inconvénient d’entraîner des frais élevés de construction et d’entretien ; on ne s’en sert donc que lorsque, pour des raisons particulières, la chambre contenant le produit doit être séparée, même en cours de fonctionnement, du carter du mécanisme ; très souvent, il suffit alors de prévoir un simple dispositif d’obturation, actionné lorsque le bol est à l’arrêt.

- Stérilisation

Le séparateur fait partie d’un système fermé stérile. Dans certains procédés, lors de la production de vaccins par exemple, un traitement strictement aseptique du produit dans tous les appareils est indispensable. S’il s’agit d’utiliser par exemple des séparateurs autodébourbeurs pour la séparation en continu de bactéries à partir de bouillons de culture, le séparateur doit être intégré dans un système stérile entièrement fermé ; ceci suppose que le système de séparation complet puisse être stérilisé à la vapeur. Afin d’assurer une étanchéité complète du mécanisme, par rapport au bol, une garniture mécanique à double effet avec chambre d’obturation sous pression est installée au-dessus du palier. Toutes les vannes utilisées (en général des vannes à membranes) sont choisies avec soin. Le séparateur complet est conçu de manière à supporter les conditions de stérilisation (c’est-à-dire une vapeur à 120 °C à une surpression de 1 bar pendant

une période comprise entre 60 et 70 minutes).

Le système comprend les cuves suivantes :

• — cuves de stockage pour fluide de commande (débourdage automatique) et liquide de rinçage utilisé pour le déplacement du liquide noble et pour le nettoyage. Ce liquide est envoyé dans le bol en rotation en fin de séparation. La cuve est préalablement mise sous pression avec de l'air stérile ;
• — le bac destiné à recueillir le concentrat bactérien provenant d’une charge. L’appareillage placé en aval (tel une pompe à vide par exemple) y est raccordé de manière aseptique ;
• — cuve d’extinction pour liquide de commande usé, fluide d’obturation usé et condensats. Avant la vidange, ce liquide infecté est stérilisé au moyen de vapeur surchauffée.

Chacune des trois cuves est équipée d'un filtre stérile à air et à vapeur. Des vannes de vidanges réglables sont branchées en aval du filtre. Avant la séparation, le système est alimenté en vapeur par la conduite, alors que les conduites de refoulement et d’alimentation, la conduite d’air stérile, les conduites de sortie du capteur de concentrat et de la cuve d’extinction sont fermées. La vapeur peut alors pénétrer dans toutes les chambres fermées du système de séparation. En entrouvrant brièvement les vannes montées en aval des filtres stériles, on déplace l'air qui précède la vapeur ; celle-ci qui est surpressée à 1 bar reste dans le circuit pendant le temps nécessaire pour la stérilisation. Les conduites d’entrée et de sortie des garnitures mécaniques, y compris la chambre d’obturation, sont également stérilisées à la vapeur. Comme liquide de commande, de rinçage ou/et d’obturation on se sert, suivant le produit traité, d'eau stérile distillée ou désinfectée. Après la stérilisation à la vapeur, de l'air stérile est envoyé dans le système pour le maintenir sous pression en évitant ainsi toute infiltration d’éléments polluants. Le raccordement aux cuves est réalisé par des conduites spéciales dont les raccords sont rendus stériles à la flamme. La séparation terminée, le système est rincé abondamment avant une nouvelle charge ; celle-ci est précédée par une nouvelle stérilisation à la vapeur.

De nombreuses précautions doivent être encore observées pour manier ce système en toute fiabilité : des séparateurs spécialement équipés sont utilisés par exemple pour la séparation des colibacilles, des bactéries de coqueluche, de choléra et de diphtérie.

Ces différentes solutions mécaniques permettent de satisfaire les exigences de pureté et stérilité dictées par l’élaboration de nombreux produits aussi divers que les vaccins, les sérums, les extraits biologiques, les vins de très haute qualité, les souches mères de fermentation, etc.

LA VITESSE

Le clarificateur à haute performance du type CSA 160-47-076 fournissant près de 15 000 g en pleine rotation a trouvé sa place, non seulement dans le domaine de la clarification fine du vin, mais aussi dans la brasserie pour l’élimination des troubles froids, la purification des enzymes, dans la sucrerie pour l’épuration des sirops de refonte, pour sortir un sirop de qualité irréprochable destiné aux confiseries, etc.

LES FORMES

L’étude des formes intérieures du bol a aussi apporté une amélioration considérable des performances ; au lieu de choisir le chemin toujours difficile de l’application d’une garniture d’étanchéité pour assurer une alimentation sans heurts du bol, on peut pratiquer une autre technique : l’application du Soft Stream System Westfalia. Il s’agit de l’utilisation directe de l’énergie d’écoulement disponible dans le tube central d’alimentation du bol, qui assure la pression dans le distributeur en rotation (lui-même dimensionné en fonction des conditions de marche).

Les études préalables avaient été menées en vue :

• — d’empêcher le dégazage du fluide dans la chambre d’alimentation,
• — d’empêcher la destruction des « grappes » (par ex. en laiterie l’éclatement des globules gras, cause de la lipolyse).

Ce problème était plus ou moins résolu jusqu’à présent en maintenant la chambre de distribution continuellement remplie. Sur le plan de la construction, il fallait isoler hermétiquement l’alimentation et les sorties du séparateur par des garnitures mécaniques, avec tous les inconvénients de ces dernières. Ces garnitures qui sont directement en contact avec le produit doivent en effet assurer une parfaite étanchéité malgré les vitesses de rotation élevées et les mouvements radiaux momentanés du bol à chaque débourbage et il fallait monter quatre de ces éléments assez fragiles pour obtenir un résultat à peu près satisfaisant.

La nouvelle solution proposée comporte un canal d’alimentation central du distributeur, démuni d’ailettes. Le phénomène physique de

transformation en pression de l'énergie d’écoulement dans le tube d’alimentation fixe prend ici toute sa valeur en tant qu’application du théorème des moments.

Une pres­ sion maximale de 1 bar s’exerce à la sortie du tube d’alimentation fixe. L’alimentation de la pile d’assiettes est étranglée, si bien que la partie inférieure du canal d’alimentation central du distributeur est toujours régulièrement remplie. D’autres étranglements suivent de manière que l’écoulement du liquide ait lieu sans interruption dans le canal d’alimentation menant à la pile d’assiettes (si de telles coupures se produisaient, il se formerait une dépression dans le canal, ce qui pourrait entraîner l’éclatement des « grappes » de globules gras).

Les étranglements placés en aval du canal central du distributeur pro­ duisent une résistance à l’écoule­ ment, croissant de façon paraboli­ que avec le débit. La pression dans la partie inférieure du canal central d’alimentation du distributeur s’élé­ ve proportionnellement au débit d‘alimentation.

Le degré de remplissage exigé pour le distributeur est ainsi assuré, même à des débits élevés et les for­ ces de cisaillement qui se forment à l’entrée des canaux d’alimentation menant à la pile d’assiettes sont maintenues à un faible niveau. L’ef­ fet d'injection du liquide entrant provoque un entraînement d’air, qui est séparé dans les canaux d’ali­ mentation menant à la pile d’assiet­ tes. Dans chacun de ces canaux, l’air forme une bulle sous pression, créant ainsi un étranglement sup­ plémentaire. Des canaux spéciaux, disposés devant les canaux de montée de la pile d’assiettes, per­ mettent le recyclage dans la zone d’alimentation de cette même quantité d’air. La bulle de gaz s’amenuise à haut débit du liquide et augmente à faible débit ; elle contribue ainsi à maintenir automa­ tiquement un degré de remplissage constant dans le distributeur et em­ pêche les dépressions possibles dans les canaux d’alimentation me­ nant à la pile d’assiettes.

Les résultats obtenus en laiterie, pour l’écrémage, sont les suivants :

• — amélioration significative de l’acuité d’écrémage (réduction de la teneur en M.G. maxi. du lait écrémé de 1/100 %, par exem­ ple de 0,05 % à 0,04 %),
• — réduction de la consommation énergétique grâce à l’évacuation du produit par de petits diamè­ tres de turbines,
• — concentration de crème plus éle­ vée sans diminution de la surface de clarification,
• — maintien de la simplicité et de la robustesse de la construction.

LA TAILLE

Les éléments précédents de l’ex­ posé nous laissent apparaître d’au­ tres horizons : l’évolution constan­ te de l’industrie, la concentration des usines dans des groupes de plus en plus puissants ont créé un besoin de machines de plus en plus performantes : au fil des ans, on a utilisé en laiterie des écrémeuses de 10 000 l/h, puis de 15 000 l/h et 25 000 l/h et l’on atteint main­ tenant 35 000 l/h ! En huilerie ali­ mentaire, les chaînes de raffinage atteignent la capacité de 300 t/jour et sont entièrement au­ tomatisées à tous les étages, même au lavage. L’amidonnerie a pris le même chemin : des concentrateurs à buses sont capables d’accepter 150 m3/h d’alimentation et plus.

En levurerie, nous avons en service des séparateurs à buses d’une puis­ sance de 200 kW qui sont capa­ bles de passer plus de 400 m3/h.

Le constructeur a donc dû repen­ ser la conception du séparateur en utilisant le savoir-faire acquis dans les dernières décennies. Les dimen­ sions ne sont plus à la taille de l’homme, et on a dû incorporer les moyens d’asservissement et de manutention dans la machine même. Le centrifugeur HDA 300 répond à ces spécifications.

L’appareil HDA 300 : C’est un séparateur à buses de grande capa­ cité — le plus grand du monde — pré­ vu pour des débits élevés (plus de 400 m3/h). Ses caractéristiques sont exceptionnelles :

• — bol suspendu avec entraînement par la tête du bol ;
• — poids de la machine supérieur à 9 t ;
• — puissance du moteur pouvant at­ teindre, suivant les applications, 200 kW ;
• — la phase clarifiée est refoulée sous pression par une turbine in­ corporée ;
• — le concentrat éjecté par les buses est capté dans un système fermé et refoulé par une pompe anti­ mousse spéciale ;
• — l'alimentation se fait par le fond du bol, dans lequel est aussi logé le circuit de recyclage, ce qui per­ met d’amener une partie du concentrat directement devant

les buses sans influencer la capacité de la clarification.

De plus, le bol est équipé d’un système hydraulique de débourbage qui permet d’automatiser complètement le NEP de cette machine. Les débourbages intercalés assurent en outre une longue période de marche entre les NEP car ils permettent de maintenir la machine dans des conditions d’exploitation optimum. Le montage de la mécanique sur une colonne centrale donne la possibilité, par le dispositif hydraulique de manœuvre incorporé, de monter et de démonter facilement le bol, malgré le poids et la taille des pièces à manipuler.

LE TRAITEMENT DES BOUILLONS DE CULTURE

Dans le domaine de l’extraction liquide/liquide, nous avons aussi innové par la mise au point du décanteur spécialement conçu pour l’extraction directe à partir de bouillons de culture. Jusqu’à présent et dans pratiquement tous les cas, on éliminait les matières solides du bouillon avant contact avec le solvant sélectif.

Maintenant, et avec d’excellents rendements, on peut attaquer directement le bouillon en passant par la machine qui est munie à cet effet d’une vis transporteuse et d’une assiette séparatrice.

Déjà plusieurs de ces installations assurent la production d’antibiotiques divers.

LA RÉFRIGÉRATION

Tous les séparateurs utilisés jusqu’à présent dans le traitement des liquides biologiques travaillent à faible débit, car la séparation des protéines est extrêmement difficile. Jusqu’à maintenant, on a utilisé pour cet usage des séparateurs à bol tubulaire ou à chambres, mais ce domaine d’application peut être à présent couvert par les séparateurs auto-débourbeurs. Le bâti des séparateurs à bol tubulaire peut être réfrigéré. En développant pour ce procédé le séparateur avec bol à chambres et le séparateur auto-débourbeur, on a étudié l’évacuation des quantités de chaleur produites dans le séparateur en mettant en œuvre de nouvelles techniques de réfrigération suivant divers systèmes :

• — réfrigération directe du bol : au cours du fonctionnement, le frottement de l’air sur la paroi extérieure du bol produit un dégagement de chaleur ; pour éviter la transmission de cette chaleur aux sédiments, le bol est pourvu d’un système de refroidissement direct. Le liquide réfrigérant est introduit par l’alimentation, à l’intérieur de la chambre de refroidissement prévue dans la paroi du bol et rigoureusement séparée de la chambre de séparation. Il quitte la chambre de refroidissement par une buse disposée dans la paroi du bol, et s’écoule de la machine par une sortie libre placée sur le bâti,
• — réfrigération de la turbine : la turbine fixe produit de la chaleur lors du refoulement de la phase clarifiée ; cette chaleur est évacuée par un liquide réfrigérant circulant à travers une chambre de refroidissement à l’intérieur de la turbine,
• — réfrigération du bâti : la partie supérieure du bâti est entourée d’un serpentin qui absorbe la chaleur du liquide de refroidissement provenant de la réfrigération du bol et sortant par les buses. On évite ainsi un réchauffement du séparateur par l’extérieur.

L’ENVIRONNEMENT

Un autre facteur joue de plus en plus un rôle important : c’est la répercussion sur leur environnement des conditions de fonctionnement des appareils. La mise en œuvre de telles puissances à des vitesses de bol frôlant les 1 000 km/h est la source de beaucoup de bruit. Les machines modernes donnent généralement des valeurs situées un peu en dessous des 85 dBA souhaités par le législateur ; le plus souvent, elles ne sont pas installées dans des conditions idéales, ce qui conduit à dépasser ce seuil.

Une de nos plus récentes machines à débourbage automatique (SA 100) est particulièrement remarquable par son silence en pleine marche et même au moment du débourbage.

Non seulement, elle est munie d’un système entièrement fermé de récupération de boues, d’un système de mise sous liquide protecteur (stérilisation) et d’un refoulement sous pression hydrohermétique, mais de plus, équipée d’un moteur spécial qui ne produit que 70 dBA, elle est très fortement isolée acoustiquement, le bruit de l’ensemble en marche restant en dessous de 80 dBA.

CONCLUSION

Ce rapide tour d’horizon des progrès récents intervenus au niveau de la centrifugation à haute performance montre l’énergie, la vivacité et l’avenir de cette branche, dans le domaine de la clarification, de la concentration, de la séparation et de l’extraction liquide.

Il montre aussi comment le constructeur constitue le trait d’union entre la technologie de la sidérurgie de pointe et les besoins d’une clientèle qui pousse au développement continu d’un matériel centrifuge à très hautes performances.