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Prévention de l'oxydation grâce à des centrifugeuses hermétiques et à une atmosphère inerte

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Ce livre blanc explique comment les centrifugeuses à décanteur à étanchéité technique, sous couverture de gaz inerte, améliorent l'efficacité et la sécurité lors de la déshydratation et de la séparation de matières sensibles à l'oxygène.

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Traditionnellement, la séparation des solides et des liquides s’effectue par filtration ou à l’aide de presses. Bien que ces méthodes soient efficaces, les technologies modernes de séparation automatisées constituent une excellente alternative pour une séparation plus rapide et une approche plus efficace. De nombreux produits sont sensibles à l’oxydation. Il est impératif d’éliminer, ou du moins de réduire au minimum, la concentration en oxygène dans l’atmosphère à l’intérieur du système de séparation afin de préserver la qualité, la durée de conservation et l’efficacité du produit.

Les systèmes de séparation par centrifugation hermétiques et utilisant une atmosphère inerte peuvent être utilisés de manière sûre et efficace tout en évitant l'exposition à l'oxygène. Voici quelques applications dans lesquelles on utilise des centrifugeuses hermétiques sous atmosphère inerte :

Huiles et graisses alimentaires (par exemple, huile d’olive, huiles de graines, graisses animales)
Jus de fruits et de légumes
Clarification de la bière
Extraits de plantes et d’algues
Produits pharmaceutiques

Comment les centrifugeuses sont-elles scellées ?
Surpression. Cette méthode ne peut être utilisée qu’avec des équipements conçus pour fonctionner en surpression. L’air présent à l’intérieur est évacué en injectant et en libérant en continu du gaz inerte sous haute pression dans l’équipement scellé. Cette étape est répétée jusqu’à ce que la concentration en oxygène à l’intérieur de l’équipement atteigne le niveau souhaité. Ensuite, pendant que l’équipement fonctionne, la pression interne est maintenue à une pression différentielle supérieure à celle de l’atmosphère (bien que cette pression de fonctionnement reste nettement inférieure à celle utilisée lors de l’inertage).
Vide. Tout l’air présent à l’intérieur de l’équipement est éliminé par évacuation de celui-ci. Le vide est ensuite rompu par un rinçage au gaz inerte. Selon l’équipement, cette procédure doit être répétée une ou deux fois. Ce procédé nécessite des équipements conçus pour maintenir le vide.
Purge à débit continu : cette méthode est utilisée pour les installations, les machines, les conteneurs et les équipements qui ne sont pas conçus pour supporter une surpression élevée ou le vide. Elle consiste à introduire du gaz inerte dans l’équipement en un point du système fermé, tout en le libérant simultanément en un autre point situé à distance du point d’entrée. On observe généralement une séquence de pré-purge à des débits plus élevés et une séquence de couverture pendant le fonctionnement normal de l’équipement.

Les systèmes de centrifugation abordés dans cet article utilisent une variante de la troisième méthode, à savoir la purge à débit continu. Il est également important de noter que les systèmes de centrifugation purgés à débit continu sont « techniquement étanches », ce qui diffère d’une étanchéité hermétique. Un équipement hermétiquement scellé offre une tolérance de fuite nulle, tandis que l’« étanchéité » d’un système techniquement étanche ne peut être garantie en permanence en raison de sa conception, de son fonctionnement, etc.

Un concept de conception adaptable à de nombreuses applications
La conception de base utilisée pour prévenir l’oxydation peut être adaptée à des matériaux et des configurations spécifiques. L’air à l’intérieur de la centrifugeuse est remplacé par un gaz inerte, généralement de l’azote ou du dioxyde de carbone. Cela forme un joint qui empêche l’oxygène de pénétrer et maintient l’atmosphère requise pour le traitement du matériau.

Une atmosphère interne adéquate est synonyme de meilleure qualité et de plus grande sécurité du produit

L’exposition à l’oxygène atmosphérique à l’intérieur de la centrifugeuse peut entraîner une oxydation, puis une dégradation du produit ou une perte de qualité. L’objectif d’un système de centrifugeuse étanche est d’atteindre et de maintenir la concentration limite en oxygène (LOC) souhaitée à l’intérieur du système de décanteur.

La création d’une atmosphère interne répondant à la composition souhaitée s’effectue en deux étapes : la pré-purge et l’injection de gaz inerte.
L’étape de pré-purge a lieu avant le démarrage de la machine. L’intérieur de la centrifugeuse est balayé avec un gaz inerte (par exemple, du dioxyde de carbone ou de l’azote) afin de déplacer l’oxygène. Pour ce faire, on remplit le boîtier jusqu’à ce que la pression dépasse 0,290 PSI ; cette opération se poursuit jusqu’à ce que le débit de gaz inerte ait remplacé plusieurs fois le volume intérieur de la centrifugeuse, ou jusqu’à ce qu’un capteur d’oxygène indique la concentration d’oxygène requise, ou les deux. La durée de cette opération varie en fonction de la taille de la décanteuse, mais est généralement inférieure à 30 minutes.

Après la purge, l’intérieur de la centrifugeuse est « recouvert » de gaz inerte, formant ainsi un joint techniquement étanche. Au cours de cette étape, le système est maintenu à une légère surpression. Il en résulte une pression différentielle constante par rapport à l’atmosphère, ce qui empêche l’atmosphère extérieure de pénétrer à l’intérieur.

Il est important de noter que le système d’alimentation en gaz inerte doit être doté d’une redondance suffisante pour garantir la disponibilité continue du gaz pendant les temps d’arrêt de la centrifugeuse en cas de défaillance.

Fonctionnement d’un système de purge et d’inertage
Une formule mathématique standard est utilisée pour calculer la quantité de gaz nécessaire pour déplacer le volume de la cuve du décanteur. Une fois qu’un volume adéquat a été déplacé et que des conditions de fonctionnement sûres sont atteintes, le système est considéré comme étant en état de fonctionnement (c’est-à-dire inerte).

Un joint composé de plusieurs bagues d’étanchéité sépare l’intérieur de la centrifugeuse de l’atmosphère extérieure. L’utilisation de multiples éléments d’étanchéité, y compris des joints supplémentaires au niveau des traversées d’arbre et des carters, permet d’obtenir une étanchéité technique parfaite. Cela réduit également la quantité de gaz inerte utilisée, car les joints contribuent à minimiser les pertes dans l’ensemble du système.

Le gaz inerte est injecté entre les bagues d’étanchéité. Il s’écoule à travers d’étroites ouvertures de joint, tant vers l’intérieur que vers l’atmosphère. Cela n’est possible que si la pression au niveau de la face d’étanchéité est supérieure à la pression régnant dans le carter du décanteur (> 0,290 PSI) et à celle de l’atmosphère extérieure. La pression différentielle (0,725–1,45 PSI) entre le carter et le point d’alimentation en gaz est surveillée et régulée. Les joints sont maintenus sous pression, empêchant ainsi l’oxygène de pénétrer dans le système.

Capteurs de surveillance de l’oxygène vs systèmes de purge à débit continu
Les concentrations internes en oxygène peuvent être gérées de deux manières : à l’aide de capteurs d’oxygène ou d’un système de purge à débit continu. Les capteurs d’oxygène surveillent la concentration en oxygène à l’intérieur du boîtier de la centrifugeuse. L’un des avantages de ces capteurs réside dans la surveillance continue qu’ils offrent, en particulier lorsque la pression différentielle entre l’intérieur du boîtier et l’atmosphère est inférieure à 0,290 PSI.

Les capteurs d’oxygène fournissent des informations directes sur le facteur de risque lié à la concentration en oxygène. En revanche, un système de purge à débit continu est indirect et repose sur les points de consigne des capteurs de pression. Tant que la surpression sur les joints/le boîtier est maintenue, l’oxygène présent dans l’environnement ne peut pas pénétrer dans le système et la concentration en oxygène est maintenue en dessous du niveau critique. Ce contrôle s’effectue à l’aide de débitmètres et de manomètres.

Cependant, comme les systèmes à purge en continu s’appuient sur les points de consigne des capteurs de pression, les applications nécessitant des pressions différentielles plus faibles peuvent être sujettes à des arrêts intempestifs du système. Dans ces cas, les capteurs d’oxygène peuvent offrir une surveillance plus sensible de cette zone à risque.

Ces deux méthodes garantissent un fonctionnement sûr si elles sont correctement planifiées, installées et entretenues. Malheureusement, le point faible d’un capteur d’oxygène réside dans le capteur lui-même, qui nécessite une programmation par automate programmable (PLC), un étalonnage, un remplacement périodique et une maintenance. Dans l’ensemble, la purge à débit continu offre une meilleure facilité d’utilisation nette par rapport à la surveillance de l’oxygène.

Une solution sûre et efficace pour la séparation
L’utilisation d’un gaz inerte pour créer une centrifugeuse hermétiquement scellée ou purgée constitue une excellente solution pour diverses applications dans les industries agroalimentaire, des boissons et pharmaceutique, entre autres.

Une fois la mise en service effectuée, un programme de tests d’étanchéité doit être établi et appliqué régulièrement afin de vérifier l’étanchéité de l’unité de purge. L’entretien de routine et les points de contrôle portent notamment sur les manomètres, les débitmètres et les flexibles. Les conduites d’alimentation doivent également être vérifiées à intervalles réguliers pour détecter d’éventuels dommages, obstructions et problèmes d’étanchéité.

Les centrifugeuses sont extrêmement efficaces, avec un débit supérieur à celui des filtres ou des presses, et elles fonctionnent en continu, contrairement aux filtres ou aux presses qui fonctionnent par lots. Il est possible de séparer deux phases, trois phases ou une émulsion très légère à l’aide d’une centrifugeuse purgée. De nombreux systèmes sont également entièrement automatisés, ce qui réduit le temps passé par l’opérateur à surveiller la machine.

À propos de l’auteur

Lee Betkowski occupe depuis 13 ans le poste de responsable du secteur biotechnologie, chimie et pharmacie (BCP) chez Flottweg. Il a auparavant travaillé chez Krauss Maffei (centrifugeuses à poussoir et à éplucheur, séchoirs), Rosenmund (sécheurs à filtre) et De Dietrich (équipements en acier pour la filière du verre). Il possède près de 30 ans d’expérience dans les secteurs de la biotechnologie, de la chimie et de l’industrie pharmaceutique, principalement dans le domaine des centrifugeuses.