Séparateurs centrifuges et standardisation de la matière grasse du lait
Fig. 6.2.1 Gustaf de Laval, inventeur du premier séparateur centrifuge à action continue.
Fig. 6.2.2 Un des tout premiers séparateurs, l’Alfa A 1, fabriqué à partir de 1882.
Séparateurs centrifuges
Rappel historique
La revue professionnelle allemande “Milch-Zeitung” du 18 avril 1877 décrivait un nouvel appareil destiné à séparer la crème du lait. Il était constitué d’un “tambour, que l’on fait tourner et qui, après avoir tourné un certain temps, laisse flotter la crème à la surface, permettant de l’enlever de la manière habituelle.”
Après avoir lu cet article, un jeune ingénieur suédois, Gustaf de Laval, s’exclama :
“Je montrerai que cette force centrifuge peut agir aussi bien en Suède qu’en Allemagne”. Et on put lire dans le quotidien “Stockolms Dagblad” du 15 janvier 1879 :
“Un séparateur centrifuge destiné à l’écrémage est exposé depuis hier au premier étage de l’immeuble du 41 Regerinsgatan et y fera l’objet d’une démonstration tous les jours, de 11h à midi. La machine peut se comparer à un tambour, entraîné par une courroie et une poulie. La crème, plus légère que le lait, est entraînée par la force centrifuge à la surface du lait et s’écoule dans un conduit qui l’amène à un récipient collecteur; sous celui-ci, le lait est chassé à la périphérie du tambour et recueilli dans un autre conduit, d’où il est amené à un
récipient collecteur séparé.”
A partir de 1890, les séparateurs fabriqués par Gustaf de Laval furent équipés de disques coniques spécialement conçus, dont le brevet avait été déposé en 1888 par l’allemand Freiherr von Bechtolsheim et acquis en 1889 par la firme suédoise AB Separator, dont Gustaf de Laval était actionnaire.
Aujourd’hui, la plupart des marques de machines de ce type utilisent des piles de disques coniques.
Sédimentation par gravité
Historiquement parlant, le séparateur centrifuge est d’invention récente. Il n’y a encore qu’une centaine d’années, on utilisait le procédé naturel de la sédimentation par gravité pour séparer une substance d’une autre.
La sédimentation peut s’observer à tout moment. Les particules d’argile mobiles dans les flaques se déposent rapidement, rendant à l’eau sa transparence. Il en est de même des nuages de sable brassés par les vagues ou les pieds des baigneurs.
Etant plus légère que l’eau, l’huile déversée dans la mer remonte et forme des nappes d’huile à la surface.
La sédimentation par gravité constituait également la technique utilisée initialement en laiterie pour séparer la matière grasse du lait. On laissait reposer dans une cuve le lait provenant de la traite. Au bout d’un certain temps, les globules gras s’agglutinaient et flottaient à la surface, où ils formaient, au sommet du lait, une couche de crème que l’on pouvait facilement enlever à la main.
Exigences de la sédimentation
Le liquide à traiter doit être une dispersion - un mélange de deux phases ou plus, dont une est continue. Dans le lait, c’est le lactosérum, ou lait écrémé, qui constitue la phase continue. La matière grasse est dispersée dans le lait écrémé sous forme de globules de diamètre variable, atteignant environ 15 microns au maximum. Le lait contient également une troisième phase, constituée de particules solides dispersées du type cellules mammaires, paille et poils pulvérisés etc.
Les phases à séparer ne doivent pas être solubles l’une dans l’autre. Des substances en solution ne peuvent être séparées par sédimentation.
Le lactose dissous ne peut se séparer par centrifugation. On peut, cependant, le cristalliser, puis séparer les cristaux de lactose par sédimentation.
Les phases à séparer doivent en outre avoir des poids spécifiques différents. Les phases du lait satisfont à cette exigence; les impuretés solides ont un poids spécifique supérieur à celui du lait écrémé et les globules gras un poids spécifique inférieur.
Comment fonctionne la sédimentation?
Lorsque nous lâchons une pierre dans l’eau, nous serions surpris qu’elle n’y coule pas. De même, nous nous attendons à ce qu’un bouchon y flotte. Nous savons par expérience qu’une pierre est “plus lourde” et un bouchon “plus léger” que l’eau.
Mais que se passe-t-il si nous lâchons une pierre dans du mercure, métal liquide de densité très élevée? Ou si nous lâchons un morceau de fer dans du mercure?
Nous n’avons aucune expérience nous permettant de prévoir le résultat. Nous pourrions nous attendre à ce que le morceau de fer coule. En réalité, la pierre et le morceau de fer flottent.
Poids spécifique
Toute substance a une propriété physique appelée poids spécifique. Le poids spécifique mesure la lourdeur d’une substance et peut s’exprimer en kg/m3. Si nous pesons un mètre cube de fer, nous relèverons 7 860 kg sur la balance. Le poids spécifique du fer est donc de 7 860 kg/m3. Le poids spécifique de l’eau à la température ambiante est de 1 000 kg/m3 et les poids spécifiques respectifs de la pierre (granit), du liège et du mercure à la température ambiante, de 2 700, 180 et 13 550 kg/m3.
Si nous laissons tomber un objet dans un liquide, c’est fondamentalement le poids spécifique de l’objet, par rapport à celui du liquide, qui détermine s’il flotte ou coule.
Si le poids spécifique de l’objet est supérieur à celui du liquide, il s’enfoncera; mais il flottera si son poids spécifique est inférieur.
Le poids spécifique est habituellement indiqué par la lettre grecque ρ. A partir du poids spécifique d’une particule ρp et du poids spécifique du liquide ρl, on peut former l’expression (ρp – ρl), c’est à dire la différence de poids spécifique entre la particule et le liquide. Si nous lâchons une pierre dans l’eau, la différence de poids spécifique sera de (2 700 - 1 000) = 1 700 kg/m3. Le résultat est un nombre positif, le poids spécifique de la pierre étant supérieur à celui de l’eau : la pierre coule!
Pour un bouchon lâché dans l’eau, l’expression est (180 - 1 000) = -820 kg/m3. Le résultat est, cette fois, négatif. Du fait du faible poids spécifique du liège, le bouchon flottera si on le laisse tomber dans l’eau; il se déplacera dans le sens opposé à la pesanteur.
Fig. 6.2.3 Le sable et l’huile coulent et flottent respectivement après mélange à de l’eau.
Fig. 6.2.4 Le bouchon est plus léger que l’eau et flotte. La pierre est plus lourde et coule.
Les substances en solution ne peuvent pas se séparer par sédimentation.
Vitesse de sédimentation et de flottation
Une particule solide ou une gouttelette de liquide se déplaçant dans un fluide visqueux sous l’effet de la gravité atteindra finalement une vitesse constante, appelée vitesse de sédimentation. Si le poids spécifique de la particule est inférieur à celui du fluide, la particule flottera à une vitesse de flottation. Ces vitesses sont exprimées par vg (g = pesanteur). L’ampleur de la vitesse de sédimentation/flottation dépend des grandeurs physiques suivantes :
• Diamètre des particules d (m)
• Poids spécifique des particules ρp (kg/m3)
• Poids spécifique de la phase continue ρl (kg/m3 )
• Viscosité de la phase continue η (kg/m/s)
• Force d’attraction de la pesanteur g = 9,81 m/s2
Si les valeurs de ces grandeurs sont connues, la vitesse de sédimentation/
flottation de la particule ou gouttelette peut se calculer à l’aide de la formule suivante, dérivée de la Loi de Stokes :
Fig. 6.2.5 Le fer, la pierre et le liège ont tous des poids spécifiques inférieurs au mercure et flottent donc.
La formule ci-dessus (Equation 1) montre que la vitesse de sédimentation/flottation de la particule ou gouttelette :
• augmente du carré du diamètre de la particule; autrement dit, une particule de 2cm de d se déposera ou remontera 4 fois plus vite (22 = 4) qu’une particule de 1 cm de d.
• augmente à mesure qu’augmente la différence de densité entre les phases.
• augmente à mesure que diminue la viscosité de la phase continue.
Vitesse de flottation d’un globule gras
Lorsqu’on dépose du lait frais dans un vase, les globules gras se mettent à remonter à la surface. La vitesse de flottation peut se calculer à l’aide de la formule ci-dessus.
Les valeurs moyennes ci-après correspondent à une température ambiante d’environ 35°C :
d = 3 µm = 3x10–6 m
(ρp – ρl) = (980 – 1 028) = – 48 kg/m3 η = 1,42 cP (centipoise) = 1,42x 10–3 kg/m/s
En introduisant ces valeurs dans la formule, on obtient :
1) vg= g
18 η
d2 (ρp – ρl)
1) vg =
18 x 1,42 x 10–3
x 9,81 = 9 x 10–12x 48 18 x 1,42 x 10–3
x 9,81 =
= 0,166 x 9,81 = 10–6 m/s = 0,166–3 mm/s = 0,597 mm/h (3 x 10–6) x 48
Comme indiqué ci-dessus, les globules gras remontent très lentement. Un globule gras de 3 microns de diamètre remonte à une vitesse de flottation de 0,6 mm/h. La vitesse d’un globule gras de taille double sera de 22 x 0,6 = 2,4 mm/h. En réalité, les globules gras s’agglomèrent en agrégats plus importants et la flottation s’effectue donc beaucoup plus rapidement.
La figure 6.2.6 montre de façon schématique comment des globules gras de différents diamètres se déplacent dans le lactosérum sous l’effet de la gravité. Au temps zéro, les globules gras sont au fond du vase. Au bout de t minutes, la sédimentation a atteint une certaine ampleur et au bout de 3 t minutes, le plus gros des globules gras a atteint la surface. Le globule de taille moyenne est alors remonté à mi-chemin de la surface, mais le plus petit globule n’a encore couvert qu’un quart de la distance.
h
vg
w
v
g= d
2( ρ
p– ρ
l) g
1 t
3 t 0 2 t
18 η
ρ
p– ρ
l= 2 a 2 η g
d 1.4d 2d
s 2s 4s
Le globule de taille moyenne atteindra la surface en 6 t minutes, mais il faudra au plus petit globule 12 t minutes pour y parvenir.
Fig. 6.2.6 Vitesses de flottation de globules gras de différents diamètres.
Fig. 6.2.7 Récipients de sédimentation contenant le même volume, mais à distances de sédimentation différentes (h1 et h2; h1 > h2).
A B
Fig. 6.2.9 Des plateaux horizontaux dans le récipient de séparation augmentent le débit de sédimentation.
Fig. 6.2.8 Récipient permettant la séparation continue de solides d’un liquide.
Séparation discontinue par gravité
Dans le récipient A (Figure 6.2.7), contenant une dispersion dans laquelle la phase dispersée est constituée de particules solides de diamètre d uniforme et de poids spécifique supérieur à celui du liquide, la suspension doit être laissée suffisamment longtemps pour que les particules atteignent le fond à partir de la surface. La distance de sédimentation est, dans ce cas, h1 m.
Le temps nécessaire à une séparation complète peut être réduit en réduisant la distance de sédimentation. La hauteur du vase (B) a été réduite et sa surface accrue, de manière à ce qu’il conserve le même volume. La distance de sédimentation (h2) est réduite à 1/5e de h et le temps nécessaire à une séparation complète est donc également réduit à 1/5e. Plus la distance de sédimentation et le temps sont réduits, cependant, et plus la surface du vase est importante.
Séparation continue par gravité
La figure 6.2.8 illustre un récipient simple, utilisable pour la séparation continue de particules de diamètre non uniforme d’un liquide. Le liquide contenant les particules boueuses est introduit à une des extrémités du vase et s’écoule vers un déversoir à l’autre extrémité, selon un certain débit. Sur leur chemin, les particules se déposent à des vitesses différentes, du fait de leurs diamètres différents.
Des plateaux augmentent le débit
On peut augmenter le débit du récipient de sédimentation en en augmentant la surface totale, mais ceci le rend encombrant et peu maniable. Il est préférable d’augmenter la surface disponible pour la séparation en montant dans le bac des plateaux horizontaux, comme illustré sur la figure 6.2.9.
h
1h
2h h1
Distance de sédimentation, s
Temps, t
Sortie Entrée
Nous disposons désormais d’un certain nombre de “canaux de séparation” où la sédimentation des particules peut s’effectuer à la même vitesse que dans le bac de la figure 6.2.8. Le débit total du vase est multiplié par le nombre de canaux de séparation. La surface totale disponible pour la séparation (c’est à dire le nombre total de surfaces de plateaux), multipliée par le nombre de canaux de séparation, détermine le débit maximal qui peut traverser le bac sans perte d’efficacité, c’est à dire sans permettre à des particules quelconques de taille limite ou supérieure de s’échapper avec le liquide clarifié.
Lorsqu’une suspension est séparée en continu dans un vase à plateaux horizontaux, les canaux de séparation seront finalement obstrués par l’accumulation des particules déposées. La séparation sera alors stoppée.
Si le récipient est équipé de plateaux inclinés, et non plus horizontaux, comme sur la figure 6.2.10, les particules se déposant sur les plateaux sous l’effet de la gravité glisseront le long des plateaux et seront recueillies au fond du vase.
Pourquoi les particules déposées sur les plateaux ne sont-elles pas chassées par le liquide qui s’écoule vers le haut entre les plateaux? L’explication nous est donnée par la figure 6.2.11 qui montre une vue en coupe d’un canal de séparation. Lorsque le liquide passe entre les plateaux, la couche limite de liquide la plus proche des plateaux est freinée par friction et la vitesse tombe à zéro.
Cette couche limite immobile exerce un effet de freinage sur la couche voisine et ainsi de suite, vers le centre du canal où la vitesse est la plus élevée. On obtient ainsi le profil de vitesse illustré sur la figure - l’écoulement dans le conduit est laminaire.
Les particules sédimentées dans la zone limite immobile ne sont par conséquent soumises qu’à la pesanteur.
On utilise la surface projetée pour calculer le débit maximum à travers un vase à plateaux inclinés.
Pour utiliser à plein le débit d’un récipient de séparation, il faut y installer un maximum de surface de sédimentation des particules. La distance de sédimentation n’influe pas directement sur le débit, mais on devra conserver une largeur de canal minimum, pour éviter le colmatage des canaux par les particules déposées.
Séparation continue d’une phase solide et de deux phases liquides
On peut utiliser un appareil analogue à celui illustré sur la figure 6.2.12 pour séparer l’un de l’autre deux liquides mélangés, par l’action de la gravité, et pour séparer simultanément du mélange des particules solides boueuses.
Depuis l’orifice d’entrée, la dispersion coule vers le fond et passe par l’ouverture B. Une couche interfaciale s’écoule alors à l’horizontale au niveau de B. Les particules solides, dont la densité est supérieure à celle des deux liquides,
se déposent au fond du vase depuis ce niveau. La moins dense des deux phases liquides remonte vers la surface et s’écoule du vase par le déversoir B1. La phase liquide la plus dense descend, passe sous la cloison B2 et sort par l’orifice de sortie inférieur. La cloison B2 empêche le liquide le plus léger d’aller dans le mauvais sens.
Séparation par la force centrifuge
Vitesse de sédimentation
Un champ de force centrifuge est créé lorsqu’on remplit un récipient de liquide et le fait tourner, comme illustré sur la figure 6.2.13. Ceci engendre une accélération centrifuge a. L’accélération centrifuge n’est pas constante comme la gravité g dans un récipient fixe. Elle augmente avec l’éloignement de l’axe de rotation (rayon r) et la vitesse de rotation, exprimée sous forme de vitesse angulaire ω - figure 6.2.14.
Fig. 6.2.11 Vitesses des particules en différents points du canal de
séparation. La longueur des flèches correspond à la vitesse des particules.
Fig. 6.2.12 Récipient permettant la séparation continue de deux phases liquides mélangées et la sédimentation simultanée de phases solides.
B Orifice d’entrée
B1 Déversoir du liquide léger
B2 Cloison empêchant le liquide le plus léger de sortir par l’orifice de sortie du liquide le plus lourd.
Fig. 6.2.13 Force centrifuge engendrée par la rotation d’un récipient.
h
lh
hh
sB
1B
2B
Fig. 6.2.10 Récipient de sédimentation à plateaux inclinés, assurant un écoulement laminaire et le glissement des particules vers le fond.
Sortie Entrée
Entrée
On obtient la formule 3) ci-après en substituant l’accélération centrifuge, a, exprimée sous la forme rω2, à l’accélération de la pesanteur, g, dans l’équation 1 de la Loi de Stokes susmentionnée.
On peut utiliser l’équation 3) pour calculer la vitesse de sédimentation, v, des différentes particules dans le séparateur centrifuge.
Vitesse de flottation d’un globule gras
L’équation 1) utilisée auparavant montrait que la vitesse de flottation d’un globule gras isolé de 3 microns de diamètre était de 0,166 x 10-6 m/s ou 0,6 mm/h, sous l’effet de la gravité.
L’équation 3) permet désormais de calculer la vitesse de flottation d’un globule gras de même diamètre en un point radial de 0,2 m, dans un séparateur centrifuge tournant à une vitesse n = 5 400 tr/mn.
La vitesse angulaire peut se calculer à l’aide de la formule :
4)
si 2 π = un tour et
n = tours par minute (tr/mn)
pour une vitesse de rotation (n) de 5 400 tr/mn, la vitesse angulaire (ω) sera : ω = 564,49 rad/s
La vitesse de sédimentation (v) sera donc :
v = x 0,2 x 564,492 = 0,108 x 10–2 m/s soit 1,08 mm/s ou 3 896,0 mm/h.
En divisant la vitesse de sédimentation dans un champ de force centrifuge par la vitesse de sédimentation dans le champ de la pesanteur, on obtient l’efficacité de la séparation centrifuge, par rapport à la sédimentation par gravité. La vitesse de sédimentation dans le séparateur centrifuge est 3 896,0/0,6 ≈ 6 500 fois plus rapide.
Séparation continue de particules solides – Clarification
La figure 6.2.15 illustre un bol centrifuge permettant la séparation continue de particules solides d’un liquide. Cette opération est appelée clarification. Imaginons que le vase de sédimentation de la figure 6.2.10 est incliné à 90° et tourne autour de l’axe de rotation. On obtient une vue en coupe d’un séparateur centrifuge.
Canaux de séparation
La figure 6.2.15 montre également que le bol centrifuge comporte des plateaux internes sous la forme de disques coniques. Ceci augmente la surface disponible
L’accélération peut se calculer à l’aide de la formule 2).
ω
r ω
2r
Fig. 6.2.14 Séparateur simple.
a = r ω2 2)
3)
w = rad/s (radians par seconde) 60
2 π x n
Fig. 6.2.15 Le récipient à plateaux peut être incliné à 90° et animé d’un mouvement de rotation, créant ainsi un bol centrifuge de séparation continue des particules solides d’un liquide.
Clarification = Séparation des particules solides d’un liquide.
d2 (ρp – ρl) 18η
vc= rω2
18 x 1,42 x 10–3 3 x 10–6)2 x 48
pour la sédimentation. Les disques reposent les uns sur les autres et constituent un ensemble appelé pile de disques. Des bandes radiales, appelées pièces d’écartement, sont soudées aux disques pour les maintenir à l’écartement correct. Ceci forme les canaux de séparation, dont la largeur dépend de l’épaisseur des pièces d’écartement.
La figure 6.2.16 montre comment le liquide pénètre dans le canal au niveau du bord extérieur (rayon r1), en sort au niveau du bord intérieur (rayon r2) et continue jusqu’à l’orifice de sortie. Lors de la traversée du canal, les particules se déposent à l’extérieur vers le disque, qui forme la limite supérieure du canal.
La vitesse w du liquide n’est pas identique dans toutes les parties du canal. Elle varie de pratiquement zéro à proximité immédiate des disques jusqu’à une valeur maximale au centre du canal. La force centrifuge s’exerce sur toutes les particules, les forçant vers la périphérie du séparateur, à une vitesse de sédimentation v. Une particule se déplace donc simultanément à une vitesse w avec le liquide et dans le sens radial, à la vitesse de sédimentation v, vers la périphérie.
La vitesse résultante, vp, est la somme de ces deux mouvements. La particule se déplace dans le sens indiqué par le vecteur vp. (Pour simplifier, on suppose que la particule se déplace en ligne droite, comme indiqué par la ligne discontinue de la figure).
Pour être séparée, la particule doit se déposer sur le plateau supérieur avant d’atteindre le point B’, autrement dit à un rayon égal ou supérieur à r2. Une fois la particule déposée, la vitesse du liquide à la surface du disque est si faible que la particule n’est plus entraînée avec le liquide. Elle glisse donc vers l’extérieur, sur le dessous du disque, sous l’effet de la force centrifuge, est chassée du bord extérieur en B et se dépose sur la paroi périphérique du bol centrifuge.
La particule limite
La particule limite est une particule qui, du fait de sa taille, atteindra tout juste le disque supérieur au point B’, en partant de la position la moins favorable, c’est à dire le point A de la figure 6.2.17. Toutes les particules de taille supérieure à la particule limite seront séparées.
La figure montre que des particules de taille inférieure à la particule limite seront également séparées si elles pénètrent dans le canal au point C, situé quelque part entre A et B. Plus la particule sera petite et plus C devra être proche de B pour en obtenir la séparation.
Séparation centrifuge continue du lait
Clarification
Dans un clarificateur centrifuge, le lait est introduit dans les canaux de séparation au niveau du bord extérieur de la pile de disques, s’écoule dans le sens radial vers l’intérieur, dans les canaux, vers l’axe de rotation, et sort par l’orifice de sortie au sommet, comme illustré sur la figure 6.2.18. Lors de la traversée de la pile de disques, les impuretés solides sont séparées et chassées sur le dessous des disques, jusqu’à la périphérie du bol du clarificateur. Elles y sont recueillies dans la chambre à sédiments. Le lait traversant toute la largeur radiale des disques, le temps de passage permet également la séparation des très petites particules. La différence caractéristique entre un clarificateur et un séparateur centrifuge réside dans la conception de la pile de disques - sans orifices de distribution sur le clarificateur - et le nombre d’orifices de sortie - un seul sur le clarificateur, deux sur le séparateur.
Séparation
Dans un séparateur centrifuge, la pile de disques est équipée d’orifices de distribution alignés verticalement. La figure 6.2.19 montre de façon schématique comment les globules gras sont séparés du lait dans la pile de disques d’un séparateur centrifuge.
La figure 6.2.20 illustre ce phénomène de façon plus détaillée.
B'
A'
A B
ω
α w v
vp
r 1
r2
Fig. 6.2.18 Dans le bol d’un
clarificateur centrifuge, le lait pénètre dans la pile de disques au niveau de la périphérie et coule vers l’intérieur, par les conduits.
Fig. 6.2.16 Schéma simplifié d’un canal de séparation, montrant le mode de déplacement d’une particule solide dans le liquide lors de la séparation.
B'
A'
A B
r1
ω
C
r2
Fig. 6.2.17 Toutes les particules de taille supérieure à la particule limite seront séparées si elles se situent dans la zone grisée.
Le lait est introduit par les orifices de distribution des disques, alignés verticalement, à une certaine distance du bord de la pile de disques. Sous l’effet de la force centrifuge, les sédiments et les globules gras du lait commencent par se déposer dans le sens radial, vers l’extérieur ou l’intérieur, dans les canaux de séparation, en fonction de leur poids spécifique par rapport à celui du fluide continu (lait écrémé).
Comme dans le clarificateur, les impuretés solides de densité élevée du lait se déposent rapidement vers l’extérieur, vers la périphérie du séparateur, et sont recueillies dans la chambre à boues. La sédimentation des solides est facilitée par le fait que le lait écrémé circule, en l’occurrence, vers l’extérieur, vers la périphérie de la pile de disques.
La crème, c’est à dire les globules gras, a un poids spécifique inférieur à celui du lait écrémé et se déplace donc dans les canaux vers l’intérieur, en direction de l’axe de rotation. La crème continue jusqu’à l’orifice de sortie.
Le lait écrémé se déplace vers l’extérieur, jusqu’à la chambre extérieure de la pile de disques et gagne de là son orifice de sortie concentrique, par un conduit ménagé entre le sommet de la pile de disques et le couvercle conique du séparateur.
Efficacité de l’écrémage
La quantité de matière grasse que l’on peut séparer du lait dépend de la conception du séparateur, de la vitesse d’écoulement du lait à travers celui-ci et de la distribution des tailles des globules gras.
Les globules gras les plus petits, habituellement < 1 micron, n’ont pas le temps de monter au débit spécifié, mais sont entraînés hors du séparateur avec le lait écrémé. La teneur résiduelle en matière grasse du lait écrémé se situe habituellement entre 0,04 et 0,07% et l’on dit alors que la capacité d’écrémage de la machine est de 0,04 à 0,07.
La vitesse d’écoulement dans les canaux du séparateur sera réduite si l’on réduit le débit à travers la machine. Ceci donne aux globules gras davantage de temps pour monter et être chassé par l’orifice de sortie de la crème. L’efficacité de l’écrémage d’un séparateur augmente donc lorsque l’on réduit le débit, et vice versa.
Teneur en matière grasse de la crème
Le lait entier fourni au séparateur est évacué sous forme de deux écoulements, lait écrémé et crème, la crème représentant environ 10% du débit total. Du pourcentage évacué sous forme de crème dépend la teneur en matière grasse de la crème. Si le lait entier contient 4% de matière grasse et si le débit est de 20 000 l/h, la quantité totale de matière grasse passant par le séparateur sera de
4 x 20 000 100
Supposons que l’on veuille obtenir de la crème à 40% de teneur en matière grasse. Cette quantité de matière grasse doit être diluée avec une certaine quantité de lait écrémé. La quantité totale de liquide évacuée sous forme de crème à 40%
sera donc de 800 x 100
40
800 l/h de matière grasse pure et les 1 200 l/h restants de “lait écrémé”.
Le montage de vannes modulantes aux orifices de sortie de la crème et du lait écrémé permet d’ajuster les volumes respectifs des deux écoulements, de manière à obtenir la teneur en matière
grasse désirée dans la crème.
Fig. 6.2.19 Le lait pénètre dans la pile de disques par les orifices de distribution, dans le bol d’un séparateur centrifuge.
Fig. 6.2.20 Vue en coupe d’une partie de la pile de disques, montrant l’entrée du lait par les orifices de distribution et la séparation des globules gras du lait écrémé.
Fig. 6.2.21 Pile de disques avec orifices de distribution et pièces d’écartement.
La taille des globules gras varie pendant la période de lactation de la vache, autrement dit de la parturition au tarissement. Les globules de grande taille ont tendance à prédominer juste après la parturition, et le nombre de petits globules augmente vers la fin de la période de lactation.
= 800 l/h.
= 2 000 l/h.
Ejection des solides
Les solides recueillis dans la chambre à sédiments du bol du séparateur sont constitués de paille et de poils, de cellules mammaires, de cellules somatiques telles leucocytes, de bactéries etc. La quantité totale de sédiments présente dans le lait varie mais peut être d’environ 1 kg/10 000 litres. Le volume de la chambre à sédiments varie en fonction de la taille du séparateur - habituellement de 10 à 20 l.
Dans les séparateurs de lait du type à rétention des solides, il faut démonter le bol à la main et nettoyer la chambre à sédiments à des intervalles relativement fréquents.
Ceci implique une main-d’oeuvre importante.
Les bols de séparateurs modernes à éjection des solides ou auto-nettoyants sont équipés de systèmes d’éjection automatique des sédiments accumulés, à des intervalles préréglés. Ceci supprime tout besoin de nettoyage manuel.
Lesystème d’évacuation des solides est décrit à la fin de ce chapitre, au paragraphe “Système de chasse”.
L’éjection des solides s’effectue habituellement toutes les 30 ou 60 minutes, lors de la séparation du lait.
Conception de base du séparateur centrifuge
Les vues en coupe d’un séparateur centrifuge des figures 6.2.25 et 6.2.26 montrent que le bol comprend deux éléments principaux, le corps et le couvercle, solidarisés par un anneau de blocage fileté. La pile de disques est fixée entre le couvercle et le distributeur, au centre du bol.
Les séparateurs modernes sont de deux types : semi-ouverts et hermétiques.
Type semi-ouvert
Les séparateurs centrifuges à turbines centripètes en sortie (figure 6.2.23) sont appelés semi-ouverts (par rapport aux types ouverts plus anciens à éjection par trop- plein).
Dans le séparateur semi-ouvert, le lait est amené au bol du séparateur par un orifice d’entrée, situé habituellement au sommet de l’appareil, par l’intermédiaire d’un tube d’alimentation axial fixe.
Lorsque le lait pénètre dans le distributeur nervuré (1), il est accéléré jusqu’à la vitesse de rotation du bol, avant de pénétrer dans les canaux de séparation de la pile de disques (2). La force centrifuge projette le lait vers l’extérieur, formant un anneau à surface intérieure cylindrique. Ceci s’effectue en contact avec de l’air à la pression atmosphérique, le lait au niveau de la surface étant donc également à la pression atmosphérique. La pression augmente progressivement avec l’éloignement de l’axe de rotation, jusqu’à atteindre son maximum à la périphérie du bol.
Les particules solides les plus lourdes se précipitent vers l’extérieur et se déposent dans la chambre à sédiments. La crème se déplace vers l’intérieur, en direction de l’axe de rotation, et gagne la chambre de turbine centripète à crème (3) par des conduits. Le lait écrémé franchit le bord extérieur de la pile de disques et gagne la chambre de turbine centripète à lait écrémé (4),
en passant entre le disque supérieur et le couvercle du bol.
Turbine centripète
Dans le séparateur semi-ouvert, les sorties de crème et de lait écrémé comportent des dispositifs de sortie spéciaux - les turbines centripètes, dont un exemple est
illustré sur la figure 6.2.24. Du fait de ce type de sortie, les séparateurs semi-ouverts sont souvent appelés séparateurs à turbine centripète.
Les bords des disques fixes des turbines centripètes plongent dans les colonnes de liquide en rotation, prélevant en continu une certaine quantité de liquide. L’énergie cinétique du liquide en rotation est convertie en pression dans la turbine centripète et la pression
Fig. 6.2.22 Ejection des solides par brève ouverture de la chambre de sédimentation à la périphérie du bol.
Fig. 6.2.23 Séparateur autonettoyant semi-ouvert (à turbine centripète).
1 Distributeur 2 Pile de disques
3 Chambre de turbine centripète à crème
4 Chambre de turbine centripète à lait écrémé
3
1 4
2
Fig. 6.2.24 Sortie à turbine centripète au sommet du bol semi-hermétique.
Lait d’alimentation Lait écrémé Crème 1
2 3 4
5
Fig. 6.2.25 Vue en coupe du bol et des sorties d’un séparateur hermétique moderne.
1 Pompes de sortie 2 Couvercle du bol 3 Orifice de distribution 4 Pile de disques 5 Anneau de blocage 6 Distributeur 7 Fond mobile
du bol 8 Corps du bol 9 Arbre creux
du bol
1
6
8 9 7
1 0
1 1
1 2
1 3
1 4
1 6
1 5
est toujours égale à la perte de charge dans la canalisation aval.
Une augmentation de la pression aval indique un déplacement vers l’intérieur du niveau de liquide dans le bol. Ceci contrebalance automatiquement les effets d’une modulation aux sorties. Pour éviter l’aération du produit, il faut impérativement que les turbines centripètes soient suffisamment recouvertes de liquide.
Type hermétique
Dans le séparateur hermétique, le lait est amené au bol par l’arbre du bol. Il est accéléré à la même vitesse de rotation que le bol, puis passe dans la pile de disques par les orifices de distribution.
Fig. 6.2.26 Vue en coupe d’un séparateur hermétique moderne.
10 Couvercle du bâti 11 Cyclone à sédiments 12 Moteur
13 Frein 14 Réducteur
15 Circuit d’eau de manoeuvre 16 Arbre creux du bol
Le bol d’un séparateur hermétique est intégralement rempli de lait lors du fonctionnement. Il n’y a pas d’air au centre. On peut donc considérer le séparateur hermétique comme un élément d’un système de canalisations fermé.
La pression engendrée par la pompe de produit extérieure suffit à vaincre la résistance à l’écoulement à travers le séparateur, jusqu’à la pompe d’évacuation, aux sorties de crème et de lait écrémé. Le diamètre des turbines de pompe peut être dimensionné en fonction de la pression de sortie requise.
Régulation de la teneur en matière grasse de la crème
Séparateur à turbine centripète
Le volume de crème en sortie du séparateur à turbine centripète est régulé par une vanne modulante, montée à l’orifice de sortie de la crème. Si l’on ouvre progressivement la vanne, des quantités de crème de plus en plus importantes, avec une teneur en matière grasse de plus en plus faible, seront chassées par l’orifice de sortie de la crème.
Un débit de sortie donné correspond donc à une teneur en matière grasse donnée de la crème. Si la teneur en matière grasse du lait entier est de 4% et que l’on souhaite obtenir de la crème à 40% de matière grasse, on devra régler le débit de sortie de la crème à 2 000 l/h (selon le calcul susmentionné). La pression de la sortie de lait écrémé (n°1 de la figure 6.2.27) se règle à l’aide d’une vanne de régulation à une certaine valeur, en fonction du séparateur et du débit. Puis on règle la vanne modulante (2) de la sortie de crème, de manière à obtenir le volume d’écoulement correspondant à la teneur en matière grasse requise.
A toute modification de la sortie de crème correspondra une modification égale et opposée de la sortie de lait écrémé. La sortie de lait écrémé est équipée d’un système à pression constante automatique, qui maintient une contre-pression constante, quelles que soient les modifications du débit de crème.
Débitmètre de crème
Dans les séparateurs à turbine centripète, le volume de crème évacué est régulé par une vanne modulante (2) à débitmètre (3) incorporé. Le diamètre d’ouverture de la vanne se règle à l’aide d’une vis et le débit modulé traverse un tube de verre gradué.
Ce tube contient un flotteur cylindrique, que l’écoulement de crème soulève jusqu’à un point de l’échelle graduée qui varie en fonction du débit et de la viscosité de la crème.
En analysant la teneur en matière grasse de l’alimentation en lait entier et en calculant le débit de crème à la teneur en matière grasse désirée, on pourra obtenir un réglage approximatif du débit et régler la vis de la vanne modulante en conséquence.
On pourra effectuer le réglage fin après avoir analysé la teneur en matière grasse de la crème. L’opérateur connaîtra alors le niveau du flotteur sur l’échelle graduée quand la teneur en matière grasse de la crème est correcte.
Les variations de la teneur en matière grasse de l’alimentation en lait entier et les variations du débit dans la canalisation influent sur la teneur en matière grasse de la crème. On utilise d’autres types d’appareils, par exemple des systèmes
automatiques en ligne, pour mesurer la teneur en matière grasse de la crème, conjointement à des systèmes de régulation maintenant la teneur en matière grasse à une valeur constante.
Séparateur hermétique
La figure 6.2.28 illustre le système à pression constante automatique d’un séparateur hermétique. La vanne illustrée est une vanne à membrane et la pression de produit requise se règle en introduisant de l’air comprimé au- dessus de la membrane.
Lors de la séparation, la pression d’air constante s’exerçant au-dessus et la pression du produit (lait écrémé) s’exerçant au-dessous influent sur la membrane. La pression d’air préréglée contraint la membrane à s’abaisser si la pression du lait écrémé diminue. Le clapet de la vanne, fixé à la membrane, va donc descendre et réduire le passage. Cette modulation augmente la pression de sortie du lait écrémé jusqu’à la valeur préréglée. On enregistre la réaction opposée en cas d’augmentation de la pression du lait écrémé, la pression préréglée étant ainsi à nouveau rétablie.
Fig. 6.2.28 Bol de séparateur
hermétique dont la sortie de lait écrémé est équipée d’un système à pression constante automatique.
Fig. 6.2.27 Séparateur à turbine centripète à sorties équipées de systèmes de régulation manuels.
1 Sortie de lait écrémé à vanne de régulation de pression
2 Vanne modulante de crème 3 Débitmètre de crème
2 3
1
Différences de performances en sortie des séparateurs hermétiques et à turbine centripète
La figure 6.2.29 est une représentation simplifiée des sorties de crème d’un séparateur à turbine centripète et d’un séparateur hermétique. Elle illustre également une importante différence entre ces deux machines. Dans le séparateur à turbine centripète, le diamètre extérieur du disque de la turbine centripète doit pénétrer dans la colonne de liquide en rotation. La distance dépend de la teneur en matière grasse de la crème. La teneur en matière grasse est la plus élevée au niveau intérieur de crème libre dans le séparateur, à partir duquel elle se réduit progressivement, à mesure que le diamètre augmente.
Une augmentation de la teneur en matière grasse de la crème en sortie du séparateur demande une augmentation de la distance entre le niveau intérieur de crème libre et la périphérie extérieure de la turbine centripète, donc du niveau de crème forcé vers l’intérieur. La teneur en matière grasse au niveau intérieur de crème libre doit donc être beaucoup plus élevée si l’on veut, par exemple, obtenir de la crème à 40% en sortie. La crème devra être surconcentrée - à une teneur en matière grasse supérieure - par rapport à celle sortant du séparateur. Ceci risque d’entraîner la destruction des globules gras dans la zone la plus intérieure, face à la colonne d’air, du fait de l’augmentation du frottement. D’où une perturbation des globules gras, entraînant des problèmes de collage et une sensibilité accrue à l’oxydation et à l’hydrolyse.
La crème sortant du séparateur hermétique est prélevée au centre, là où la teneur en matière grasse est la plus élevée. Une surconcentration ne s’impose donc pas.
Lors du prélèvement de crème à teneur en matière grasse élevée, la différence de performances en sortie est encore plus importante. A 72%, la matièr e grasse est concentrée à un point tel que les globules gras sont, en fait, en contact les uns avec les autres. Il serait impossible d’obtenir une crème atteignant cette teneur en matière grasse d’un séparateur à turbine centripète, car la crème devrait être alors fortement surconcentrée. La pression nécessaire ne peut être engendrée dans un séparateur à turbine centripète. On peut cependant créer des pressions élevées dans un séparateur hermétique, ce qui permet d’y séparer de la crème dont la teneur en matière grasse dépasse 72% de globules gras.
Système de chasse
Production et NEP
Lors de la séparation, le fond intérieur du bol - le fond mobile du bol - est pressé vers le haut contre une bague d’étanchéité du couvercle du bol, par la pression hydraulique de l’eau située au-dessous. La position du fond mobile du bol dépend de la différence des pressions s’exerçant au sommet et au fond de celui-ci, et dues respectivement
1
2 3 4
Fig. 6.2.29 Sortie de crème d’un séparateur à turbine centripète et d’un
séparateur hermétique et concentrations en matière grasse correspondantes de la crème à différentes distances.
1 Colonne d’air
2 Niveau extérieur de la crème 3 Niveau intérieur de la crème 4 Niveau correspondant à la
teneur en matière grasse de la crème désirée
Conc. en mat. grasse (%) Conc. en
mat. grasse (%)
Distance Distance
au produit et à l’eau.
Les sédiments provenant du produit et des solutions de NEP sont recueillis dans la chambre à sédiments, à la périphérie extérieure du bol, jusqu’à déclenchement d’un système de chasse. Pour nettoyer efficacement les surfaces de bol plus importantes de séparateurs centrifuges de grandes dimensions, un volume de sédiments et de liquide plus important est chassé lors du rinçage à l’eau du cycle de nettoyage.
Chasse
Le cycle de chasse des sédiments peut être déclenché automatiquement par une minuterie préréglée ou un capteur quelconque du procédé, ou encore manuellement par bouton-poussoir.
Le détail du cycle de chasse des sédiments varie en fonction du type de séparateur centrifuge, mais il consiste fondamentalement à ajouter un volume d’eau déterminé, pour déclencher la vidange de l’“eau d’équilibrage”. Lorsque l’eau est vidangée de l’espace sous le fond mobile du bol, celui-ci descend instantanément et les sédiments peuvent s’échapper à la périphérie du bol. De l’“eau d’équilibrage”
neuve, destinée à fermer le bol, est introduite automatiquement par le circuit d’eau de manoeuvre et repousse le fond mobile du bol vers le haut, l’appliquant ainsi hermétiquement contre la bague d’étanchéité. La chasse des sédiments s’effectue en quelques dixièmes de seconde.
Le bâti du séparateur centrifuge absorbe l’énergie des sédiments sortant du bol rotatif. Les sédiments sont chassés du bâti par gravité, vers un égout, un réservoir ou une pompe.
Entraînements
Dans un séparateur de laiterie, le bol est monté sur un arbre vertical, reposant sur un jeu de roulements supérieurs et inférieurs. Sur la plupart des séparateurs centrifuges, l’arbre vertical est raccordé à l’arbre du moteur par un réducteur à vis sans fin horizontal, qui lui confère une vitesse appropriée, et un dispositif d’accouplement. Il existe différents types d’accouplement à friction, mais la friction s’avère souvent irrégulière, aussi préfère-t-on souvent utiliser des accouplements directs à cycle de démarrage contrôlé.
Fig. 6.2.30 Système de vannes fournissant de l’eau de manoeuvre à un séparateur, de manière à assurer un niveau de chasse approprié.
2 1
1 Fond mobile du bol 2 Orifice d’évacuation
des sédiments Eau de manoeuvre Air
comprimé
Standardisation de la teneur en matière grasse du lait et de la crème
Principales méthodes de calcul du mélange des produits
La standardisation de la teneur en matière grasse consiste à ajuster la teneur en matière grasse du lait ou d’un produit laitier par adjonction de crème ou de lait écrémé, suivant le cas, de manière à obtenir une teneur en matière grasse donnée.
Il existe diverses méthodes de calcul des quantités de produits à teneurs en matière grasse différentes qu’il faut mélanger pour obtenir une teneur en matière grasse finale donnée. Elles permettent le mélange de lait entier et de lait écrémé, de crème et de lait entier, de crème et de lait écrémé et de lait écrémé et de matière grasse anhydre (AMF).
Une de ces méthodes, fréquemment utilisée, tirée du Dictionnaire de la laiterie de J.G. Davis, est illustrée par l’exemple ci-après :
Combien de kilos de crème à A% de matièr e grasse doivent être mélangés à du lait écrémé à B% de matière grasse pour obtenir un mélange contenant C% de matière grasse? La réponse s’obtient sur un rectangle, illustré sur la figure 6.2.31, où sont disposés les chiffres spécifiés pour les teneurs en matière grasse.
A Teneur en matière grasse de la crème 40%
B Teneur en matière grasse du lait écrémé 0,05%
C Teneur en matière grasse du produit fini 3%
Soustrayez les teneurs en matière grasse des diagonales, de manière à obtenir C-B = 2,95 et A - C = 37.
Le mélange est donc 2,95 kg de crème à 40% et 37 kg de lait écrémé à 0,05%, permettant d’obtenir 39,95 kg d’un produit standardisé contenant 3% de matière grasse.
A partir des équations ci-dessous, on peut alors calculer les quantités de A et de B nécessaires à l’obtention de la quantité (X) de C désirée.
X x (C – B) X x (A – C)
(C – B) + (A – C) (C – B) + (A – C)
Principe de standardisation
La crème et le lait écrémé sortant d’un séparateur ont des teneurs en matière grasse constantes si les autres paramètres concernés sont également constants. Le principe de standardisation - identique, que la commande soit manuelle ou automatisée - est illustré sur la figure 6.2.32.
100 kg 4%
0.05%
40%
3%
90.1 kg 97.3 kg
7.2 kg 40%
9.9 kg
40%
2.7 kg
Fig. 6.2.32 Principe de standardisation de la matière grasse.
C 3 % A
40 %
C–B 3-0,05 %
Fig. 6.2.31 Calcul de la teneur en matière grasse du produit C.
B 0,05
A–C 40–3 %
1) kg de A et 2) kg de B
[
également (X – équation 1)]
Lait standardisé
Crème standardisée excédentaire
Les chiffres de l’illustration sont basés sur le traitement de 100 kg de lait entier à 4% de matièr e grasse. L’objectif est la production d’une quantité optimale de lait standardisé à 3% et de crème contenant 40% de matière grasse.
La séparation de 100 kg de lait entier produit 90,1 kg de lait écrémé à 0,05% de matière grasse et 9,9 kg de crème à 40% de matière grasse.
La quantité de crème à 40% qu’il faut ajouter au lait écrémé est de 7,2 kg. Ceci donne au total 97,3 kg de lait du commerce à 3%, laissant 9,9 - 7,2 = 2,7 kg de crème excédentaire à 40%. Le principe est illustré sur la figure 6.2.32.
Standardisation directe en ligne
Dans les unités de traitement du lait modernes à gamme de produits diversifiée, la standardisation directe en ligne est habituellement combinée à la séparation. La standardisation s’effectuait autrefois manuellement mais, conjointement aux volumes de plus en plus importants à traiter, le besoin de méthodes de standardisation rapides, constantes et correctes, indépendantes des fluctuations saisonnières, s’est accru. On utilise des vannes de régulation, des débitmètres et des densimètres et une boucle de régulatiton automatisée pour ajuster la teneur en matière grasse du lait et de la crème aux valeurs désirées. Ce matériel est généralement assemblé en unités - voir figure 6.2.33.
La pression de la sortie de lait écrémé doit être maintenue constante pour permettre une standardisation précise. Cette pression doit être constante, quelles que soient les variations de débit ou de perte de charge dues au matériel après séparation, et ceci est assuré par une vanne à pression constante, montée près de la sortie de lait écrémé.
Pour assurer la précision du procédé, il faut mesurer des paramètres variables comme :
• les fluctuations de la teneur en matière grasse de l’alimentation en lait
• les fluctuations du débit
• les fluctuations de la température de préchauffage.
La plupart de ces variables sont interdépendantes; tout écart d’une phase du procédé entraîne souvent des écarts de toutes ses phases. La teneur en matière grasse de la crème peut être régulée à une valeur quelconque, dans la plage de fonctionnement du séparateur, avec un écart-type de 0,2 à 0,3% de matièr e grasse, basé sur la répétabilité. Pour le lait standardisé, l’écart-type basé sur la répétabilité sera inférieur à 0,03%.
La plupart du temps, le lait entier est chauffé à 55-65°C dans le pasteurisateur, avant d’être séparé. Après séparation, la crème est standardisée à une teneur en matière grasse prédéfinie, puis la quantité de crème calculée, destinée à la standardisation du lait (lait du commerce, lait de fabrication du fromage etc.), est remélangée à une quantité de lait écrémé appropriée. La crème excédentaire est amenée au pasteurisateur. La suite d’opérations est illustrée sur la figure 6.2.34.
Dans certaines circonstances, il est également possible d’utiliser un système de standardisation en ligne avec un séparateur centrifuge de lait froid. Il est cependant impératif, dans ce cas, que toutes les fractions grasses du lait restent suffisamment longtemps à basse température (10 à 12 heures) pour assurer une cristallisation complète, la masse volumique variant en fonction du degré de cristallisation et
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4
1 3 2 5
Fig. 6.2.33 Les systèmes de standardisation directe en ligne sont préassemblés.
1 Transmetteur de densité 2 Transmetteur de débit 3 Vanne de régulation 4 Panneau de commande 5 Vanne d’arrêt
Lait écrémé Lait standardisé Crème
Fig. 6.2.34 Principe de standardisation directe en ligne de la crème et du lait.
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Lait entier Lait écrémé
Lait standardisé
Crème excédentaire standardisée
Mesure du débit
Mesure du débit de crème remélangée
Régulation de la teneur en matière grasse de la
crème
Mesure du débit
4 5
2
2 1
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3
Lait écrémé
Crème standardisée
Lait entier
Teneur en matière grasse (consigne)
Temps
Temps
Temps Régulation du débit &
mesure de la densité combinées - régulation en cascade
% de matière grasse
% de matière grasse
% de matière grasse Teneur en matière grasse (consigne)
Teneur en matière grasse (consigne)
Régulation du débit
Mesure de la densité
Fig. 6.2.36 Différences de temps de réaction entre différents systèmes de régulation.
Fig. 6.2.35 Boucle de régulation maintenant une teneur en matière grasse constante de la crème.
1 Transmetteur de densité 2 Transmetteur de débit 3 Vanne de régulation 4 Tableau de commande 5 Vanne à pression constante
compromettant donc la précision de mesure du transmetteur de densité, toujours étalonné dans les conditions standard après son installation.
Système de régulation de la matière grasse de la crème
La teneur en matière grasse de la crème en sortie du séparateur dépend du débit de crème. Elle est inversement proportionnelle au débit. Certains systèmes de standardisation utilisent donc des débitmètres pour réguler la teneur en matière grasse. Cette méthode est la plus rapide et, tant que la température et la teneur en matière grasse du lait entier avant séparation restent constantes, elle est également précise. La teneur en matière grasse sera fausse si ces paramètres varient.
Différents types d’appareils peuvent être utilisés pour la mesure continue de la teneur en matière grasse de la crème. Le signal issu de l’appareil règle le débit de crème de manière à obtenir la teneur en matière grasse correcte. Cette méthode est précise et tient compte des variations de la température et de la teneur en matière grasse du lait. Le réglage est lent, cependant, et il faut longtemps au système pour revenir à la teneur en matière grasse correcte, en cas de perturbation.
Sur la figure 6.2.35, deux transmetteurs mesurent respectivement le débit de crème standardisé et de lait écrémé. A partir de ces deux mesures de débit, le système de régulation (4) calcule le débit de lait entier vers le séparateur. Un transmetteur de densité (1) mesure la densité de la crème et convertit cette valeur en teneur en matière grasse. En combinant la teneur en matière grasse et le débit mesurés, le système de régulation actionne la vanne modulante (3) de manière à obtenir la teneur en matière grasse désirée de la crème.
Régulation en cascade
Un système combinant une mesure précise de la teneur en matière grasse et une mesure rapide du débit, appelé régulation en cascade, offre d’importants avantages, illustrés sur la figure 6.2.36.
En cas de perturbations, dues, par exemple, à des chasses partielles périodiques des séparateurs centrifuges auto-nettoyants ou à des variations de la température de la crème ou de la teneur en matière grasse de l’alimentation en lait, le diagramme montre que :
• le système de régulation du débit utilisé seul réagit très rapidement, mais que la teneur en matière grasse de la crème s’écarte de la valeur de consigne après rétablissement de la stabilité.
• le système de mesure de la densité utilisé seul réagit lentement, mais que la teneur en matière grasse de la crème revient à la valeur de consigne.
• si les deux systèmes sont combinés en une régulation en cascade, on obtient un retour rapide à la valeur de consigne.
Le système de régulation en cascade réduit donc les pertes de produit et assure un résultat plus précis. L’automate contrôle la teneur en matière grasse de la crème, le débit de la crème et le réglage de la vanne de régulation de la crème.
Le transmetteur de densité du circuit (n°1 de la figure 6.2.35) mesure en continu la densité de la crème (masse par unité de volume en kg/m3), inversement proportionnelle à la teneur en matière grasse, la matière grasse de la crème ayant une densité inférieure à celui du lactosérum. Le transmetteur de densité transmet à l’ordinateur des relevés de masses volumiques en continu, sous forme de signal électrique. L’intensité du signal électrique est proportionnelle à la densité de la crème. Une augmentation de la densité de la crème indique qu’il y a moins de matière grasse dans la crème et le signal s’intensifie.
Toute variation de la masse volumique modifie le signal du transmetteur de densité vers l’automate; la valeur mesurée s’écarte alors de la valeur de consigne programmée dans l’automate. Ce dernier réagit en modifiant le signal de sortie vers la vanne de régulation d’une ampleur correspondant à l’écart entre la valeur mesurée et la valeur de consigne. La position de la vanne de régulation est modifiée et ramène la masse volumique (teneur en matière grasse) à la valeur correcte.
Le transmetteur de débit (n°2 de la figure 6.2.35) du circuit de régulation mesure en continu le débit dans la canalisation de crème et transmet un signal à l’automate.
Les transmetteurs du circuit de régulation (figure 6.2.35) mesurent en continu le débit et la densité dans la canalisation de crème et transmettent un signal à l’automate.
La régulation en cascade permet d’effectuer les corrections nécessaires du fait de variations de la teneur en matière grasse de l’alimentation en lait entier. Elle agit en comparant :
• le débit dans le transmetteur de débit (Le débit est proportionnel à la teneur en matière grasse de la crème), et
• la masse volumique mesuré par le transmetteur de densité (La masse volumique est inversement proportionnel à la teneur en matière grasse de la crème).
L’automate du tableau de commande (4) calcule alors la teneur en matière grasse réelle du lait entier et commande aux vannes de régulation d’effectuer les réglages nécessaires.
La teneur en matière grasse du lait standardisé est enregistrée en continu.
Régulation de la matière grasse par mesure de la masse volumique
La mesure de la teneur en matière grasse de la crème est basée sur le rapport fixe existant entre la teneur en matière grasse et la masse volumique. La teneur en matière grasse varie en proportion inverse de la masse volumique, car la matière grasse de la crème est plus légère que le lactosérum.
Dans ce contexte, il ne faut pas oublier que la température et la teneur en gaz influent également sur la masse volumique de la crème. La plus grande partie du gaz, qui constitue la phase la plus légère du lait, suivra la phase crème, réduisant la masse volumique de cette dernière. Il importe donc de maintenir la quantité de gaz présente dans le lait à un niveau constant. Le lait contient toujours des quantités plus ou moins importantes d’air et de gaz. Il peut en contenir en moyenne 6%. Une quantité d’air supérieure entraînera différents problèmes, par exemple une imprécision dans la mesure volumétrique du lait, une tendance accrue à l’encrassement lors du chauffage etc. On trouvera davantage d’informations sur l’air dans le lait au chapitre 6.6 - Dégazeurs.
La manière la plus simple et la plus fréquente d’y parvenir consiste à laisser le lait cru reposer pendant au moins une heure dans une cuve (de stockage) avant de le traiter. On devra, sinon, intégrer un dégazeur à l’installation, en amont du séparateur.
La masse volumique de la crème est réduite si la température de séparation augmente et vice versa. Pour s’affranchir de la variation de la température de séparation, on équipe en outre le transmetteur de densité d’un capteur de température (Pt 100), indiquant la température effective au module de commande.
Le transmetteur de densité mesure en continu la masse volumique et la température du liquide. Son principe de fonctionnement peut se comparer à celui d’un diapason.
Lorsque la masse volumique du produit mesuré varie, il modifie de son côté la masse vibrante et donc la fréquence de résonance. Les signaux de la masse volumique sont transmis à un module de commande.
Le transmetteur de densité est constitué par un simple tube droit, à travers lequel s’écoule le liquide. Le tube est mis en vibration par des bobines d’excitation extérieures, le raccordement au carter de l’appareil, et donc aux tuyauteries, s’effectuant par l’intermédiaire de soufflets.
Le transmetteur de densité se monte en tant que partie intégrante des tuyauteries et est suffisamment léger pour n’exiger aucun support spécial.
Fig. 6.2.37 Transmetteur de densité.
Fig. 6.2.38 Transmetteur de débit.
Ue = K x B x v x D où
Ue = Tension d’électrodes K = Constante de l’appareil
B = Intensité du champ magnétique v = Vitesse moyenne
D = Diamètre du tube
D
B Ue
v
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Transmetteur de débit
On utilise différents types de débitmètres pour la régulation du débit. Les débitmètres électromagnétiques (figure 6.2.38) ne comportent aucune pièce mobile susceptible d’usure. Ils sont souvent utilisés, car ils n’exigent aucun entretien ou réparation. Il n’existe aucune différence de précision entre les divers types de débitmètres.
La tête du débitmètre est constituée d’un tube de mesure équipé de deux bobines magnétiques. Un champ magnétique est engendré à 90° par rapport au tube de mesure, lorsqu’un courant est amené aux bobines.
Une tension électrique est induite et mesurée par deux électrodes montées dans le tube de mesure, lorsqu’un liquide conducteur traverse ce dernier. Cette tension est proportionnelle à la vitesse moyenne du produit dans le tube et donc au débit volumétrique.
Le transmetteur de débit contient un microprocesseur qui commande le transformateur de courant maintenant un champ magnétique constant. La tension des électrodes de mesure est transmises à l’automate du tableau de commande, par l’intermédiaire d’un amplificateur et d’un convertisseur de signaux.
Vannes de régulation de débit de crème et de lait écrémé
L’automate compare le signal de la valeur mesurée, issu du transmetteur de densité, à un signal de référence prédéfini. Si la valeur mesurée s’écarte de la valeur de consigne, l’automate modifie le signal de sortie vers la vanne de régulation (n°3 de la figure 6.2.35) de la tuyauterie en aval du transmetteur de densité et repositionne la vanne de manière à modifier le débit de crème en provenance du séparateur et à corriger ainsi la teneur en matière grasse.
Circuit de régulation de crème remélangée
Le circuit de régulation de la figure 6.2.39 régule la quantité de crème remélangée en continu au lait écrémé, de manière à obtenir la teneur en matière grasse requise dans le lait standardisé. Il contient deux transmetteurs de débit (2). Le premier est monté dans la tuyauterie de crème à remélanger et le second dans la tuyauterie de lait standardisé, en aval du point de remélange.
Les signaux des transmetteurs de débit sont acheminés jusqu’à l’automate, qui crée un rapport entre ces deux signaux. L’automate compare la valeur du rapport mesurée à une valeur de référence prédéfinie et transmet un signal à une vanne de régulation de la tuyauterie de crème.
Une teneur en matière grasse trop faible du lait standardisé indique que la crème remélangée est insuffisante. Le rapport entre les signaux des deux transmetteurs de débit est donc inférieur au rapport de référence et le signal de sortie de l’automate vers la vanne de régulation est modifié. La vanne se ferme, engendrant une perte de charge plus élevée et une pression supérieure qui force davantage de crème dans la canalisation de remélange. Ceci influe sur le signal vers l’ordinateur; l’ajustement s’effectue en continu et assure le remélange d’une quantité de crème correcte. Le signal de sortie électrique de l’automate est converti en un signal pneumatique, destiné à la vanne de régulation pneumatique.
Tetra Alfast
1 2
6 3
2 4
5
7
2
3
Fig. 6.2.40 Schéma complet de standardisation directe automatique du lait et de la crème.
1 Transmetteur de densité 2 Transmetteur de débit 3 Vanne de régulation 4 Tableau de commande 5 Vanne à pression constante 6 Vanne d’arrêt
7 Clapet de retenue
6 3
2 4
2 7
Fig. 6.2.39 Circuit de régulation du remélange de crème au lait écrémé.
2 Transmetteur de débit 3 Vanne de régulation 4 Tableau de commande 6 Vanne d’arrêt
7 Clapet de retenue
Lait standardisé Lait écrémé
Crème remélangée
Crème excédentaire Crème
Lait écrémé
Crème
Lait entier
Crème standardisée excédentaire Lait standardisé
Tetra Alfast
Le remélange est basé sur des valeurs constantes connues de teneur en matière grasse de la crème et du lait écrémé. La teneur en matière grasse est habituellement régulée à une valeur constante entre 35 et 40% et celle du lait écrémé dépend de l’efficacité de l’écrémage du séparateur.
Une régulation précise de la masse volumique, combinée à une régulation de pression constante à la sortie de lait écrémé, permet de satisfaire aux conditions nécessaires à la régulation du remélange. La crème et le lait écrémé seront remélangés dans les proportions exactes assurant la teneur en matière grasse prédéfinie du lait standardisé, même en cas de variation du débit dans le séparateur ou de la teneur en matière grasse de l’alimentation en lait entier.
Le transmetteur de débit et la vanne de régulation du circuit de remélange de la crème sont de mêmes types que ceux du circuit de régulation de la teneur en matière grasse.
Ligne complète de standardisation directe
La figure 6.2.40 illustre une ligne de standardisation directe complète. Le système de régulation de pression de la sortie de lait écrémé (5) maintient une pression constante, quelles que soient les fluctuations de la perte de charge dans le matériel en aval. Le système de régulation de la crème maintient une teneur en matière grasse constante de la crème évacuée du séparateur, en réglant le débit de crème en sortie.
Ce réglage est indépendant des variations du débit ou de la teneur en matière grasse de l’alimentation en lait entier. Enfin, le régulateur de rapport mélange de la crème à teneur en matière grasse constante à du lait écrémé, dans les proportions exactes assurant au lait standardisé une teneur en matière grasse spécifiée. L’écart-type, basé sur la répétabilité, est inférieur à 0,03% pour le lait et 0,2 à 0,3% pour la crème.
5
4
2 1
3
6 3
2 7 2
1
2 1
3 6 4
2 5
2
7 2
3 3
6
1 Transmetteur de densité 2 Transmetteur de débit 3 Vanne de régulation 4 Tableau de commande 5 Vanne à pression constante 6 Vanne d’arrêt
7 Clapet de retenue
Fig. 6.2.42 Standardisation du lait à une teneur en matière grasse plus élevée que l’alimentation en lait entier.
Fig. 6.2.41 Système de standardisation de la matière grasse en ESD (caséine), comportant un densimètre supplémen- taire sur la canalisation de lait écrémé.
1 Transmetteur de densité 2 Transmetteur de débit 3 Vanne de régulation 4 Tableau de commande 5 Vanne à pression constante 6 Vanne d’arrêt
7 Clapet de retenue
Tetra Alfast
Lait écrémé
Lait standardisé
Crème
Lait entier
Crème standardisée excédentaire
Lait écrémé
Lait écrémé
Lait standardisé
Lait entier
Crème standardisée
