DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION

Le domaine technique de l'invention est celui des mélangeurs. La présente invention concerne un mélangeur sans pale ainsi qu'un procédé de mélange.

ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE DE L'INVENTION

Pour le mélange d'un liquide, l'utilisation d'un mélangeur comportant une pale en rotation est connue. La pale en rotation crée toutefois un fort cisaillement au sein du liquide, par décollement de couche limite. De plus, l'utilisation d'une pale nécessite généralement de nettoyer régulièrement ladite pale et rend difficile voire impossible de garantir que le liquide à mélanger ne sera pas pollué à cause de ladite pale. Le problème du fort cisaillement est notamment connu dans le domaine des biotechnologies, et par exemple dans le domaine de la culture de cellules en solution dans un bioréacteur. Les cellules cultivées ont en effet besoin d'un apport régulier en oxygène et d'une évacuation régulière du dioxyde de carbone qu'elles rejettent. L'apport en oxygène et l'évacuation du dioxyde de carbone sont typiquement assurés par une pale en rotation. Mais le fort cisaillement créé par la pale en rotation peut tuer les cellules cultivées, qui préfèrent un milieu relativement immobile.

Afin de mélanger un liquide en s'affranchissant de l'utilisation d'une pale, il est connu d'injecter des bulles d'air en partie inférieure d'une cuve contenant le liquide à mélanger. Une telle solution présente notamment l'inconvénient de nécessiter un dispositif d'injection de bulles d'air. Il existe également des applications dans lesquelles l'injection de bulles d'air est contre-indiquée. II est donc recherché un dispositif permettant de mélanger un liquide avec un faible taux de cisaillement au sein du liquide et un faible risque de pollution du liquide, tout en s'affranchissant de l'utilisation d'un dispositif complexe d'injection de bulles d'air.

RESUME DE L'INVENTION

L'invention offre une solution aux problèmes évoqués précédemment en proposant un dispositif de mélange d'un liquide sans pale et sans injection de bulles d'air.

Un aspect de l'invention concerne un mélangeur sans pale pour le mélange d'un liquide comportant :

- un récipient cylindrique ou tronconique d'axe A et de rayon R, le rayon R étant la plus petite distance entre l'axe A du récipient et une paroi latérale du récipient, le liquide à mélanger étant placé dans le récipient et présentant une surface libre à une hauteur H mesurée suivant l'axe A ;

- un organe d'inclinaison du récipient de manière que l'axe A forme un angle a non nul choisi inférieur ou égal à 30° par rapport à la direction verticale ;

- un organe d'entraînement du récipient selon un mouvement de rotation suivant l'axe A et avec une vitesse angulaire de rotation Ω ;

le rapport d'aspect H/R de la hauteur H sur le rayon R et la vitesse angulaire de rotation Ω sont choisis de manière à observer une résonance instable d'un mode propre inertiel du liquide à mélanger lorsque le récipient est incliné et en rotation.

Dans le présent document, on entend par « récipient cylindrique » un récipient ayant une paroi latérale définie par une droite appelée génératrice, passant par un point variable décrivant une courbe, appelée courbe directrice, et gardant une direction fixe. On entend par « récipient sensiblement cylindrique » un récipient cylindrique ou tronconique. En effet, les variations de diamètre de la section du récipient ne perturbent pas le fonctionnement du mélangeur dans la mesure où elles restent faibles. On conçoit que la fabrication du récipient peut conduire à des formes qui ne sont pas parfaitement cylindriques, notamment des formes tronconiques. On entend par liquide à mélanger une composition liquide comprenant un liquide et au moins une espèce à mélanger, à titre d'exemple, l'espèce à mélanger peut être un second liquide et/ou un scalaire passif n'influant pas sur les propriétés d'écoulement du liquide tel qu'un colorant ou un gaz dissout, tel que du C0 ₂ ou de l'0 ₂ dissout dans une solution aqueuse.

Dans le présent document, le « rayon R du récipient sensiblement cylindrique d'axe A » est la distance la plus petite entre l'axe A du récipient et une paroi latérale du récipient. D'une manière générale, un mode propre inertiel peut être défini comme un mouvement global d'un liquide tournant, le mouvement étant :

- périodique ou stationnaire en temps,

- sinusoïdal selon l'angle azimutal Θ, et

- forcé par une perturbation du liquide.

On entend par « angle azimutal Θ » l'angle permettant de repérer la position d'un point en coordonnées cylindriques. La figure 1 c montre schématiquement un point M de coordonnées cylindriques (r, Θ, z).

On entend par « le mouvement est sinusoïdal selon l'angle azimutal Θ » le fait que, en tout point du liquide non contraint par une paroi du récipient, chaque composante de la vitesse s'exprime en sin(m9), avec m le nombre d'onde azimutal.

On force avantageusement les modes propres inertiels de nombre d'onde azimutal m = 1 en inclinant le récipient en rotation de manière que l'axe A forme l'angle a par rapport à la direction verticale.

On choisit le rapport d'aspect H/R de la hauteur H sur le rayon R de manière à se placer dans une résonance d'un desdits modes propres inertiels. De forts mouvements de grande échelle se produisent alors dans le volume du liquide en résonance, permettant un mélange efficace avec un taux de cisaillement très faible.

La vitesse angulaire de rotation Ω du récipient est choisie de manière à observer une résonance instable du mode propre inertiel du liquide placé dans le récipient incliné et en rotation. On entend par « instable » le fait que d'autres mouvements, différents du mouvement du mode propre inertiel, apparaissent au sein du liquide sans contrainte extérieure supplémentaire. Le mélange au sein du liquide est en effet meilleur lorsque la résonance est instable. La présence d'une résonance instable d'un mode propre inertiel dans un fluide se vérifie notamment en faisant apparaître les courants dynamiques au sein du fluide. Pour ce faire, on peut typiquement ajouter des paillettes de mica dans le liquide à mélanger puis illuminer ces paillettes au moyen d'une nappe laser verticale passant par l'axe du cylindre. On peut ainsi visualiser la structure spatiale de l'écoulement et donc vérifier la présence d'une résonance instable d'un mode propre inertiel. Une résonance instable d'un mode propre inertiel fait en effet apparaître des structures instationnaires caractéristiques, dont la luminosité oscille rapidement à proximité du bord du récipient. On entend par « structure instationnaire » une structure instable dans le temps.

Un autre aspect de l'invention concerne un procédé de mélange d'un liquide au moyen d'un mélangeur sans pale comportant un récipient cylindrique ou tronconique d'axe A et de rayon R, le rayon R étant la distance la plus petite entre l'axe A du récipient et une paroi latérale du récipient, un organe d'inclinaison du récipient de manière que l'axe A forme un angle a non nul, choisi inférieur ou égal à 30° par rapport à la direction verticale et un organe d'entraînement du récipient, le procédé comportant les étapes suivantes : a) placer le liquide dans le récipient de manière qu'il présente une surface libre à une hauteur H mesurée suivant l'axe A ; b) appliquer un mouvement de rotation au récipient suivant l'axe A et avec une vitesse angulaire de rotation Ω, le rapport d'aspect H/R de la hauteur H sur le rayon R et la vitesse angulaire de rotation Ω étant choisis de manière à observer une résonance instable d'un mode propre inertiel du liquide.

Outre les caractéristiques qui viennent d'être évoquées dans le paragraphe précédent, le mélangeur sans pale selon un aspect de l'invention ou le procédé de mélange selon un autre aspect de l'invention peuvent chacun présenter une ou plusieurs caractéristiques complémentaires parmi les suivantes, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles :

Dans un premier mode de réalisation, le rapport d'aspect H/R de la hauteur H sur le rayon R est avantageusement choisi tel que :

H

1,79 x k≤—≤ 2,19 x k k étant un entier naturel non nul. On favorise ainsi l'apparition d'une résonance du premier mode propre inertiel. L'entier naturel k est préférentiellement égal à 1 .

Selon le premier mode de réalisation et pour k

rotation Ω est choisie telle que :

il x R ² x a

> 1000

v

pour laquelle la formule correspondant au nombre de Reynolds selon un mode de réalisation selon l'invention :

Ω Xi? ^ X C£

— -— > 3000 avec a inférieur ou égale à 2°

selon un autre mode de réalisation selon l'invention

nxR ² xa

> 5000 avec a compris entre 3° et 7°

avec Ω la vitesse angulaire de rotation exprimée en rad/s, R le rayon du récipient exprimé en m, a l'angle d'inclinaison entre l'axe A et la direction verticale exprimée en degré ° et v la viscosité cinématique du liquide à mélanger exprimée en m ² /s. On favorise ainsi une résonance instable du premier mode propre inertiel. Selon un mode de réalisation de l'invention, Ω est constante.

Dans un deuxième mode de réalisation, le rapport d'aspect H/R de la hauteur H sur le rayon R est avantageusement choisi tel que : 0,86 x k≤—≤ 1,06 x k

R

k étant un entier naturel non nul. On favorise ainsi l'apparition d'une résonance du deuxième mode propre inertiel. L'entier naturel k est préférentiellement égal à 1 . Selon le deuxième mode de réalisation et pour k = 1 , la vitesse angulaire de rotation Ω est choisie telle que :

n ^{xR xa} > 15000 et a est compris entre 5° et 1 0°

Ω Xi? ^ X C£

selon un autre mode dé réalisation, > 30000 et a inférieur ou égal à 5° avec Ω la vitesse angulaire de rotation exprimée en rad/s, R le rayon du récipient exprimé en m, a l'angle d'inclinaison entre l'axe A et la direction verticale exprimée en degré ° et v la viscosité cinématique du liquide à mélanger exprimée en m ² /s. On favorise ainsi une résonance instable du deuxième mode propre inertiel. Selon un mode de réalisation de l'invention, Ω est constante.

Dans un troisième mode de réalisation, le rapport d'aspect H/R de la hauteur H sur le rayon R est avantageusement choisi tel que :

H

0,56 x k≤—≤ 0,68 x k

R

k étant un entier naturel non nul. On favorise ainsi l'apparition d'une résonance du troisième mode propre inertiel. L'entier naturel k est préférentiellement égal à 1 .

Selon le troisième mode de réalisation et pour k = 1 , la vitesse angulaire de rotation Ω est choisie telle que :

n x R ² x a

> 50000

v

avec Ω la vitesse angulaire de rotation exprimée en rad/s, R le rayon du récipient exprimé en m, a l'angle d'inclinaison entre l'axe A et la direction verticale exprimée en degré ° et v la viscosité cinématique du liquide à mélanger exprimée en m ² /s. On favorise ainsi une résonance instable du troisième mode propre inertiel. Selon un mode de réalisation de l'invention, Ω est constante.

- Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, une résonance instable d'un mode propre inertiel peut être favorisée en faisant varier la vitesse angulaire de rotation Ω, avec une variation de la vitesse angulaire de rotation Ω préférentiellement inférieure ou égale à 25% au cours d'une révolution complète du récipient.

L'invention et ses différentes applications seront mieux comprises à la lecture de la description qui suit et à l'examen des figures qui l'accompagnent.

BREVE DESCRIPTION DES FIGURES

Les figures sont présentées à titre indicatif et nullement limitatif de l'invention.

- La figure 1 a montre schématiquement un mélangeur sans pale selon un mode de réalisation de l'invention dans une position de repos.

- La figure 1 b montre schématiquement le mélangeur sans pale de la figure 1 a dans une position de fonctionnement.

- La figure 1 c montre schématiquement un système de coordonnées cylindriques.

- La figure 2a montre schématiquement une vue en coupe d'un premier récipient cylindrique d'un mélangeur sans pale selon un mode de réalisation de l'invention.

- La figure 2b montre schématiquement une vue en coupe d'un deuxième récipient cylindrique d'un mélangeur sans pale selon un mode de réalisation de l'invention.

- La figure 3a montre schématiquement une vue en coupe d'un troisième récipient cylindrique d'un mélangeur sans pale selon un mode de réalisation de l'invention. - La figure 3b montre schématiquement une vue en coupe d'un quatrième récipient cylindrique d'un mélangeur sans pale selon un mode de réalisation de l'invention.

- La figure 4a montre schématiquement une première vue en perspective d'un récipient sensiblement cylindrique d'un mélangeur sans pale selon un mode de réalisation de l'invention.

- La figure 4b montre schématiquement une deuxième vue en perspective d'un récipient sensiblement cylindrique d'un mélangeur sans pale selon un mode de réalisation de l'invention.

- La figure 4c montre schématiquement une troisième vue en perspective d'un récipient sensiblement cylindrique d'un mélangeur sans pale selon un mode de réalisation de l'invention.

DESCRIPTION DETAILLEE D'AU MOINS UN MODE DE REALISATION DE L'INVENTION

Sauf précision contraire, un même élément apparaissant sur des figures différentes présente une référence unique.

La figure 1 a montre schématiquement un mélangeur 10 sans pale selon un mode de réalisation de l'invention dans une position de repos. La figure 1 b montre schématiquement le mélangeur 10 sans pale dans une position de fonctionnement. Les figures 1 a et 1 b sont décrites conjointement.

Le mélangeur 10 comporte un récipient 1 sensiblement cylindrique, d'axe A et de rayon R. Un liquide à mélanger 2 est placé dans le récipient 1 . Le liquide à mélanger 2 est caractérisé par une viscosité cinématique v, typiquement exprimée en m ² /s. Le liquide à mélanger 2 présente une surface libre 3 à une hauteur H mesurée suivant l'axe A. La surface libre 3 est par définition la surface du liquide à mélanger 2 qui n'est pas en contact avec les parois du récipient 1 . La hauteur H peut être définie comme la longueur de l'axe A qui est immergée dans le liquide 2. La hauteur H est typiquement mesurée dans la position de repos de la figure 1 a. La hauteur H et le rayon R s'expriment typiquement en m. Dans la position de repos de la figure 1 a, l'axe A du récipient 1 est suivant une direction verticale, et le récipient 1 est immobile. On entend par « direction verticale » une direction parallèle à la direction de la force de pesanteur g.

Dans la position de fonctionnement de la figure 1 b, le récipient 1 est incliné et en rotation suivant l'axe A. Le récipient 1 est incliné au moyen d'un organe d'inclinaison, non représenté. L'inclinaison est choisie telle que l'axe A du récipient 1 forme un angle a non nul, inférieur ou égal à 30° par rapport à la direction verticale, L'angle a est préférentiellement inférieur ou égal à 15° et plus préférentiellement inférieur ou égal à 5°. L'angle a peut par exemple être égal à 0,5°, ou à 1 °, ou à 5°, ou à 15°. Pour un angle a supérieur à 30°, l'écoulement à la surface libre risque de générer un cisaillement. Le récipient 1 est mis en rotation suivant l'axe A par un organe d'entraînement, non représenté. Le récipient 1 est entraîné dans un mouvement de rotation suivant l'axe A avec une vitesse angulaire de rotation Ω typiquement exprimée en rad/s.

Le rapport d'aspect H/R de la hauteur H sur le rayon R est avantageusement choisi de manière à se placer dans une résonance d'un mode propre inertiel du liquide à mélanger 2. Un mode propre inertiel peut être défini comme un mouvement de perturbation global et périodique ou stationnaire du liquide à mélanger 2 placé dans le récipient 1 incliné et en rotation. L'inclinaison de l'axe A par rapport à la verticale permet de forcer le liquide 2 tournant dans un mode propre inertiel. Il existe, pour chaque mode propre inertiel, une pluralité de résonances.

Pour le premier mode propre inertiel du liquide 2 placé dans le récipient 1 incliné et en rotation, le rapport d'aspect H/R est choisi tel que :

H

1,79 x k≤—≤ 2,19 x k k étant un entier naturel non nul, préférentiellement k égal à 1 . De manière préférentielle, le rapport d'aspect H/R est choisi sensiblement égal à 1 ,99. On contribue ainsi à favoriser l'apparition d'une résonance du premier mode propre inertiel.

Pour le deuxième mode propre inertiel du liquide 2 placé dans le récipient 1 incliné et en rotation, le rapport d'aspect H/R est avantageusement choisi tel que :

H

0,86 x k≤—≤ 1,06 x k

R

k étant un entier naturel non nul préférentiellement k égal à 1 . De manière préférentielle, le rapport d'aspect H/R est choisi sensiblement égal à 0,96. On contribue ainsi à favoriser l'apparition d'une résonance du deuxième mode propre inertiel. Pour le troisième mode propre inertiel du liquide 2 placé dans le récipient 1 incliné et en rotation, le rapport d'aspect H/R est avantageusement choisi tel que :

H

0,56 x k≤ -≤ 0,68 x k

R

k étant un entier naturel non nul préférentiellement k égal à 1 . De manière préférentielle, le rapport d'aspect H/R est choisi sensiblement égal à 0,62. On contribue ainsi à favoriser l'apparition d'une résonance du troisième mode propre inertiel.

La vitesse angulaire de rotation Ω du récipient 1 est avantageusement choisie de manière à observer une résonance instable du mode propre inertiel du liquide 2 placé dans le récipient 1 incliné et en rotation. On entend par « instable » le fait que d'autres mouvements, différents du mouvement du mode propre inertiel, apparaissent au sein du liquide 2 sans contrainte extérieure supplémentaire. Le mélange au sein du liquide 2 est en effet meilleur lorsque la résonance est instable. Pour le premier mode propre inertiel avec k = 1 et pour une vitesse angulaire de rotation Ω constante, on observe typiquement une résonance instable du mode propre inertiel du liquide 2 placé dans le récipient 1 incliné et en rotation à la condition suivante : il x R ² x a

> 1000

v

avec :

- Ω la vitesse angulaire de rotation exprimée en rad/s,

- R le rayon du récipient 1 exprimé en m,

- a l'angle d'inclinaison entre l'axe A et la direction verticale exprimé en degré °,

- v la viscosité cinématique du liquide à mélanger 2, exprimée en m ² /s dans le cas de liquides miscibles, la viscosité cinématique correspond à la viscosité moyenne des liquides.

Pour le deuxième mode propre inertiel avec k = 1 et pour une vitesse angulaire de rotation Ω constante, on observe typiquement une résonance instable du mode propre inertiel du liquide 2 placé dans le récipient 1 incliné et en rotation à la condition suivante :

n x R ² x a

> 15000

v

Pour le troisième mode propre inertiel avec k = 1 et pour une vitesse angulaire de rotation Ω constante, on observe typiquement une résonance instable du mode propre inertiel du liquide 2 placé dans le récipient 1 incliné et en rotation à la condition suivante :

n x R ² x a

> 50000

v Le rayon R, l'angle d'inclinaison a et la viscosité cinématique v étant fixés, les inégalités précédentes permettent d'évaluer la vitesse angulaire de rotation Ω minimum à appliquer au récipient 1 pour créer une résonance instable, dans chacun des premier, deuxième et troisième modes propres inertiels. D'une manière générale, plus la vitesse angulaire de rotation Ω est grande, plus le taux de cisaillement au sein du liquide à mélanger 2 est important et plus la quantité d'énergie nécessaire pour entraîner le récipient 1 en rotation augmente. On recherche donc typiquement la création d'une résonance instable tout en choisissant la plus faible vitesse angulaire de rotation Ω possible.

Alternativement, la vitesse angulaire de rotation Ω peut être variable. Une variation de la vitesse angulaire de rotation Ω inférieure ou égale à 25% au cours d'une révolution complète du récipient 1 est privilégiée.

Dans le présent document, on entend par « récipient cylindrique » un récipient ayant une paroi latérale définie par une droite appelée génératrice, passant par un point variable décrivant une courbe, appelée courbe directrice, et gardant une direction fixe. La courbe directrice est préférentiellement un cercle. Cette forme de récipient est préférée car elle facilite la prévision de l'écoulement d'un liquide placé dans ledit récipient, le récipient étant incliné et en rotation, et la définition du rapport d'aspect H/R permettant l'obtention d'une résonance d'un mode propre inertiel dudit liquide.

Alternativement, la courbe directrice peut être :

- une ellipse, ou

- un polygone convexe inscrit dans un cercle, ou

- un polygone convexe inscrit dans une ellipse.

Toutefois, lorsqu'un liquide est placé dans un récipient incliné et en rotation, le récipient étant de section polygonale, le liquide présente généralement un écoulement comportant des vortex dans les coins, ce qui n'est pas souhaité car un vortex dissipe beaucoup d'énergie. D'une manière générale, on entend par « rayon du récipient cylindrique d'axe A » la distance la plus petite entre l'axe A du récipient et une paroi latérale du récipient.

La figure 2a montre une vue en coupe d'un premier récipient cylindrique selon un aspect de l'invention ayant une courbe directrice en forme de cercle. La coupe est réalisée selon un plan perpendiculaire à l'axe de rotation du premier récipient cylindrique. La figure 2b montre une vue en coupe d'un deuxième récipient cylindrique selon un aspect de l'invention ayant une courbe directrice en forme de polygone convexe à N côtés inscrit dans un cercle. La coupe est réalisée selon un plan perpendiculaire à l'axe de rotation du deuxième récipient cylindrique. Dans l'exemple particulier de la figure 2b, la courbe directrice est un octogone convexe régulier et N = 8. Naturellement, d'autres valeurs de N pourraient être choisies, comme N = 4 ou N = 1 6. On choisit préférentiellement la plus grande valeur possible de N afin que la courbe directrice tende vers le cercle dans lequel est inscrit le polygone convexe à N côtés.

La figure 3a montre une vue en coupe d'un troisième récipient cylindrique selon un aspect de l'invention ayant une courbe directrice en forme d'ellipse. La coupe est réalisée selon un plan perpendiculaire à l'axe de rotation du troisième récipient cylindrique. On choisit préférentiellement une ellipse dont les deux foyers sont rapprochés l'un de l'autre au maximum afin que la courbe directrice tende vers un cercle.

La figure 3b montre une vue en coupe d'un quatrième récipient cylindrique selon un aspect de l'invention ayant une courbe directrice en forme de polygone convexe à N côtés inscrit dans une ellipse. L'ellipse dans laquelle est inscrit le polygone convexe à N côtés a préférentiellement ses deux foyers rapprochés l'un de l'autre au maximum. La coupe est réalisée selon un plan perpendiculaire à l'axe de rotation du quatrième récipient cylindrique. Dans l'exemple particulier de la figure 3b, la courbe directrice est un octogone convexe inscrit dans une ellipse et N = 8. Naturellement, d'autres valeurs de N pourraient être choisies, comme N = 4 ou N = 1 6. On choisit préférentiellement la plus grande valeur possible de N afin que la courbe directrice tende vers l'ellipse dans laquelle est inscrit le polygone convexe à N côtés.

On entend par « récipient sensiblement cylindrique » un récipient cylindrique ou tronconique. En effet, les variations de diamètre de la section du récipient ne perturbent pas le fonctionnement du mélangeur dans la mesure où elles restent faibles, c'est-à-dire inférieures ou égales à 20% et préférentiellement inférieures ou égales à 10%. On conçoit que la fabrication du récipient peut conduire à des formes qui ne sont pas parfaitement cylindriques, notamment des formes tronconiques.

La figure 4a montre schématiquement une première vue en perspective d'un récipient sensiblement cylindrique selon un aspect de l'invention : les dimensions de la section du récipient selon un plan perpendiculaire à son axe de rotation sont constantes et le récipient est parfaitement cylindrique.

La figure 4b montre schématiquement une deuxième vue en perspective d'un récipient sensiblement cylindrique selon un aspect de l'invention : les dimensions de la section du récipient selon un plan perpendiculaire à son axe de rotation varient continûment ; le récipient est tronconique. Le récipient de la figure 4b présente un fond et une ouverture et le rayon du fond est supérieur au rayon de l'ouverture.

La figure 4c montre schématiquement une troisième vue en perspective d'un récipient sensiblement cylindrique selon un aspect de l'invention : les dimensions de la section du récipient selon un plan perpendiculaire à son axe de rotation varient continûment ; le récipient est tronconique. Le récipient de la figure 4c présente un fond et une ouverture et le rayon du fond est inférieur au rayon de l'ouverture.

Les figures 4a à 4c montrent trois exemples de récipients sensiblement cylindriques selon un aspect de l'invention, chaque récipient ayant une courbe directrice circulaire. En accord avec la description réalisée précédemment en lien avec les figures 2a, 2b, 3a et 3b, on comprend que les exemples des figures 4a à 4c peuvent être généralisés à des récipients ayant des courbes directrices en forme d'ellipse, ou en forme de polygone convexe inscrit dans un cercle, ou en forme de polygone convexe inscrit dans une ellipse.