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INSTALLATION DE LYOPHILISATION
..,
L'invention concerne une installation de
lyophilisation.
Les dispositifs de lyophilisation sont des
installations destinees à dessécher des produits,
generalement organiques, par sublimation à très basse
temperature et très faible pression.
Les lyophilisateurs sont des appareils comportant
deux enceintes: une premiare, dans laquelle sont disposés
les produits à traiter et à côte, une seconde dans laquelle
est disposé un organe appelé piège, destiné à recevoir
l'eau provenant des produits. L'installation comporte en
outre un ensemble d'appareils génerateurs de vide, de
froid, et des pompes de circulation des fluides
caloporteurs qui portent les étagères et le piège à des
températures déterminées provoquant la sublimation.
Dans les installations connues, les temperatures
dans les enceintes sont régulees séparement par deux
circuits de productions de chaleur et~ou de froid
indépendants. L'enceinte, où sont entreposés les produits,
ou enceinte de dessiccation est traversêe par un premier
circuit alimenté par un liquide frigorifique tel que celui
commercialisé sous le nom IlFreon'' et régule en température
par une centrale de production de froid et de chaud de
manière à assurer le refroidissement des étagères et la
congélation du produit, puis à les chauffer pour porter le
produit aux températures de lyophilisation primaire
~environ - 20C) et secondaire (environ 30C).
L'enceinte où se trouve le piège est traversée par
un second circuit alimenté par un liquide silicone et
régule en température par une pluralité de centrales
disposées en parall~ele, chacune comportant de manière
connue un condenseur et un échangeur au Fréon. Le choix de
liquides frigorigènes différents est dû principalement au
fait que 1es performances demandees aux circuits sont
differentes: le premier circuit doit à la fois descendre à
une température très basse ~environ -45 à -50C pour la
congélation) mais pendant une courte duree, et haute
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~+30C) alors que le second doit assurer seulement une
temperature très basse (environ -50 à -70C) et ce pendant
plusieurs heures.
L'intérêt d'un tel dispositif est qu'il est
possible de choisir des appareils frigorifiques repondant
precisement aux conditions de travail specifiques et
offrant un rapport de performances optimal. L'inconvenient
majeur est que le premier circuit est à détente directe et
il est difficile de bien contrôler llechange thermique dans
la première enceinte, c'est à dire en définitive la
lyophilisation.
Or il s'avère, pour certains produits et notamment
les produits pharmaceutiques ou similaires, que ce n'est
pas seulement la dessiccation qui est importante mais le
fait que cette dessiccation s'effectue dans des conditions
constantes.
Dès lors le problème n'est plus la recherche d'un
coût de production optimal, ce que l'on obtient avec des
circuits frigorifiques séparés, mais la recherche d'un
2~ dispositif permettant le controle des conditions physiques
(temperature, pression) de la dessiccation.
On conna~t un dispositif de dessiccation comportant
un seul fluide frigorigène, plus précisément un fluide
dénomme R11; ce dispositif décrit un brevet US-A-3 656 240,
comporte un génerateur de froid qui alimente en parallèle
les deux enceintes. Chaque portion de circuit comporte une
pompe de circulation ce qui permet de contrôler le debit
dans chaque enceinte mais cette installation ne permet pas
le contrôle precis des echanges thermiques. En outre le
liquide utilisé ne peut être porte à une temperature elevee
superieure à 60~C tout en conservant des pressions faibles,
de l'ordre de la pression atmospherique. Il est par
consequent impossible de steriliser les enceintes avec le
fluide Rll.
Or, les enceintes de dessiccation utilisees pour
les produits très delicats comme les produits
pharmaceutiques doivent imperativement être exempts de
toute bactérie ou particule pathogène équivalente, ce qui
s'obtient par une stérilisation à chaud.
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Le dispositif US ne peut donc être utilisé.
L'invention a pour objectif de resoudre les
inconvénients précédents afin de réaliser un dispositif de
rêgulation de production calorifique tres précis en
utilisant un dispositif du genre de celui decrit au brevet
US A 3 656 240, c'est-3-dire en utilisant un seul et même
f1uide dans toute installation.
L'invention a pour objet une installation de
lyophilisation du type comportant:
- deux enceintes contiguës communiquant l'une avec
l'autre, l'une de dessiccation munie d'etageres destinees a
porter le produit 3 lyophiliser, l'autre appelee piège
destinee a recevoir l'eau contenue dans le produit~
- un ensemble de conduites de circulation de fluide
caloporteur reliees entre elles et contenant un seul et
même fluide caloporteur,
caracterisee en ce qu'elle comporte :
- un circuit principal ferme comportant en serie au
moins un groupe frigorifique et une pompe de circulation de
telle sorte que le fluide caloporteur circule en continu
dans ce circuit,
- en parallele au moins un groupe de lyophilisation
comprenant chacun une boucle de circuit primaire traversant
le piège, et en parallele une boucle de circuit secondaire
traversant les etageres, la boucle secondaire étant reliee
en parallele 3 un circuit secondaire muni d'un ensemble de
régulation thermique et dlune pompe de circulation
autonomes.
L'installation selon l'invention, et plus
particulièrement appliquée au traitement des produits
pharmaceutiques, est encore remarquable par les
caractéristiques suivantes :
- le circuit principal comporte un réservoir de
stockage destiné à assurer la regulation t~ermique de
l'installation:
- le liquide caloporteur est un liquide
frigorifique silicone capable d'être mis 3 la temperature
de 122C au moins tout en restant à la pression d`environ
1000 pascals (ou 10 g/cm2~;
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- elle comporte une derivation entre les boucles
primaires et secondaires de telle sorte que les étageres et
le piège puissent être alimentés par l'ensemble secondaire
de régulation thermique, en étant séparés du circuit
principal.
En variante l'installation comporte deux ou deux-n
groupes de lyophilisation, les enceintes de dessiccation
étant contigues deux a deux et reliées par une conduite de
communication contrôlée par une vanne. Cette variante
permet de fonctionner en alternance sur l'un ou l'autre
groupe de lyophilisation et ainsi permet une production
quasi-continue.
Afin de mieux comprendre l'invention on a illustré
au dessin annexé un exemple non limitatif du dispositif
selon l'invention:
- la figure 1 est un schéma simplifié d'une
premiere forme de réalisation de l~invention,
- la figure 2 est une variante de réalisation de
l'invention.
- les figures 3a, 3b~ 3c,3d illustrent les quatre
phases principales du fonctionnement de l'installation
selon l'invention.
- la figure 4 il1ustre une installation comportant
deux groupes de lyophilisation en parallèle sur le circuit
principal;
- la figure 5 illustre l'installation selon la
figure 4, les groupes de lyophilisation étant accouplés
pour un fonctionnement alterné.
Sur le dessin on voit que l'installation de
lyophilisation comporte principalement deux enceintes,
l'enceinte 1 de dessiccation comportant les étagères 5 sur
lesquelles sont disposes les produits à dessécher, et
l'enceinte 2 où se trouve le piège ~ sur lequel l'eau
contenue dans les produits doit migrer; les enceintes 1 et
2 communiquent par une tubulure 3 contrôlée par une vanne
4.
Selon l'invention l'installation comporte un
circuit principal 7 de régulation de température formant un
circuit fermé 7. Ce circuit comporte une centrale de
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production de froid 16 et une pompe de circulation 14 de
sorte que la régulation thermique en froid est continue et
independante de tout circuit secondaire ~groupes de
lyophilisation).
Ce circuit principal 7 est destiné à alimenter un
ou plusieurs groupes de lyophilisation montés en
parallèles.
Afin que la consommation en fluide ~roid d'un
groupe de lyophilisation n'ait pas de conséquence sur la
consommation des autres growpes, il est nécessaire que la
réserve en énergie frigorifique soit importante. A cette
finJ on prévoit sur le circuit un réservoir,
D'autre part, l'utilisation d'un seul fluide pour
la lyophilisation et la stérilisation conduit à choisir des
fluides silicones aux performances très larges, par exemple
dans la famille des polymères de diméthylsiloxanne, mais
qui ont une viscosite importante ce qui pose un problème
aux basses températures.
Selon l'invention on resout ce problème en
utilisant pour le circuit principal des conduites de grosse
section, de diamètre de l'ordre de 100 millimètre au moins,
la conduite elle-même constituant alors le réservoir de
chaleur.
Dans la variante de la figure 1, le circuit
principal alimente un groupe de lyophilisation.
Chaque groupe comporte en parallèle sur le circuit
principal 7 une derivation primaire 9 qui traverse le
piège, et une dérivation secondaire 8 qui traverse les
étagères.
La dérivation secondaire 8 est reliée au circuit
principal par les conduites d'entrée 20 et de sortie 21,
chacune munie de vannes d'isolation 10 et 12.
Sur cette dérivation est installée en parallèle une
conduite 80 controlée par des vannes 81 et 82 comportant
une pompe de circulation 13, un ensemble de régulation
thermique (chaud et froid) 15. Lorsque les vannes 10 et 12
sont fermées et les vannes 81 et 82 ouvertes, les conduites
8 et 80 forment un circuit secondaire, independant du
circuit principal 7.
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La centrale de régulation 15 comporte un groupe
frigorifique 83 et un réchauffeur 84.
Le circuit principal 7 comporte en parallèle une
serie de centrales 16 de production frigorifique. Cette
disposition permet 3 la fois de remédier aux avaries
intempestives d'une centrale, pendant le traitement et
d'avoir une plus grande souplesse de puissance, et en
conséquence cette disposition permet d'alimenter plusieurs
groupes de lyophilisation comme le montre la figure 4.
Dans la variante de la figure 2 l'installation
comporte deux conduites 85,86 contrôlées par des vannes
87,88 qui relient la dérivation alimentant le piège au
circuit secondaire. Cette extension est destinée à utiliser
le groupe thermique 15 pour le réchauffage du piège et son
dechargement d'eau et pour le refroidissement du piège
après stérilisation.
Dans les variantes des figures 4 et 5
l'installation comporte deux groupes de lyophilisation
montés en parallèle sur la conduite principale 7 et
alimentés par le groupe frigorifique 16 et la pompe 14.
En outre dans l'installation selon la figure 5, les
enceintes 1 et 1' de dessiccation sont montées contigues et
l'on prévoit entre elles une conduite 89 de communication
contrôlée par un jeu de vannes 100. Les circuits
secondaires sont également relies entre eux de maniere à
assurer une régulation thermique identique dans l'ensemble
des conduites.
Le dispositif fonctionne de la manière suivante
(sur 1a figure 3 les parties en trait fort sont les
éléments de circuit actifs):
Phase 1 : congélation,du p,rod,uit (figure 3a)
- on isole le piège en fermant la communication 4
entre les enceir;tes 1 et 2 et en isolant la dérivation 9;
- on isole la pompe de circulation 13 et la
centrale thermique 15 (vannes 81,82 fermees) et
- on alimente les étagères 5 en fluide froid avec
le circuit principal 7 (par les ouvertures des vannes 10 et
12).
Phase n 2,:,,1yophil,i,,,s,,at,io,n,,,,,,,(,fi,gu,~r,e,3b)
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- lorsque la congelation est achevee, on ferme les
vannes 10 et 12, on ouvre les vannes 81, 82 : ainsi le
circuit secondaire 8,80 du circuit principal; on ouvre la
communication 4,
5- on met en marche la centrale de chauffage 84 et
la pompe de circulation 13J pendant que le piège est
alimente par la circulation du fluide dans la derivation 9;
- la lyophilisation comprend deux étapes primaire
et secondaire ; la lyophilisation se caracterise en ce
10qu'on elève la temperature du produit, ce qui se fait avec
la centrale 84.
Lorsque la lyophilisation secondaire est terminée
on refroidit les produits secs avec la centrale de froid
83.
15Phase 3 : vidange et sterilisation
En fin de lyophilisation on sort de l'enceinte de
dessiccation les produits secs (de manière connue en soi)
puis on vide le piège de sa glace. A cette fin (figure 3c):
- on isole les etagères et le piège, du circuit
20principal 7 : vannes 10, 12, 90, 91 fermees et vannes 87,
88 ouvertes;
- on met en marche la centrale de chauffage 84, la
chaleur dans le piège activant la fonte;
- on porte la chaleur dans le circuit à la
25temperature de 122C et on l'y maintient pendant le temps
suffisant pour assurer la sterilisation du piège et des
etagères.
Phase n 4 : refroidissement (figure 3d)
.. .. ... ........... .. .. .. ......... .......... .... .. ... . .. .. . .. . . .. ....... .. .. . .. . .. ... ... .....
Afin d'eviter un temps de refroidissement trop long
30et tout choc thermique avec le fluide à très basse
temperature du circuit principal 7, on utilise le fluide de
la boucle secondaire pour le refroidissement : on isole le
piège du circuit principal et on l'alimente par l'extension
87,88 du circuit secondaire. Le fluide du circuit
35secondaire 8, 80, est alors refroidit par la centrale de
refroidissement 83.
Comme on le voit les temperatures du piege et des
etagères sont regulees avec un seul et même fluide qui
circule dans un seul circuit, muni de deux centrales de
rêgulation de températures. Cette disposition 2~ &~e69es
avantages suivants:
- la régulation de la température des étagères est
plus précise puisque l'on peut déterminer avec exactitude
les températures entrante et sortante dans le piege et dans
les étagères et contrôler les débits;
- la vitesse de sublimation de l'eau peut être
contrôlée, cette vitesse dépendant de la température des
étagères;
- apres leur stéri1isation préparatoire, le
refroidissement des etageres et du piege est plus rapide et
efficace:
- le refroidissement du produit, en fin de
lyophilisation secondaire, peut ètre très rapide voire
instantane en mélangeant les 1iquides des boucles primaires
et secondaires.
En outre par la suppression de la longue boucle de
Freon qui alimente habituellement les etagères on supprime
également les problemes qui en resultaient et notamment les
retours d'huile difficiles, les contraintes d'implantation
et le coût en Fréon.
