Filtration des gaz stériles : choisir le bon dimensionnement

Il existe de nombreux filtres, positionnés en sortie de compresseur, qui permettent d’éliminer l’huile, l’eau ou les poussières présentes dans l’air ou dans tout autre gaz comprimé. Par contre, cela n’a aucune efficacité sur la rétention des micro-organismes. Afin de pouvoir être employés dans les processus qui exigent un niveau de stérilité absolu, ces gaz doivent être traités spécifiquement par des filtres dédiés.

De nombreux procédés industriels utilisent un air (ou tout autre gaz) qui doit être stérile. On peut entres autres citer la fermentation, l’inertage, le remplissage, le stockage, etc…

Les conditions opératoires pour ces gaz différent suivant les usages. Que le filtre soit utilisé sur une ligne pressurisée, qu’il soit utilisé comme évent sur une cuve, etc… les solutions de filtration pour les gaz stériles seront évidemment différentes et à adapter à chaque cas de figure.

Les mécanismes de filtration dans un gaz

L’utilisation de techniques de filtration en profondeur pour filtrer l’air ou les gaz fait intervenir trois mécanismes principaux de filtration :

1. Interception Directe

Au cours de l’interception directe, les particules se heurtent à la surface du média filtrant et y restent prises.

2. Impact Inertiel

Lors de son parcours dans les canaux sinueux du média filtrant, la particule perd de l’énergie, et finit par « s’arrêter » dans la matrice du filtre.

3. Diffusion ou mouvement Brownien

Résulte de l’agitation aléatoire des particules dans l’air. Les particules ont alors une probabilité élevée de se heurter entre elles ou de heurter le média filtrant, et donc perdre de l’énergie et finir par être retenues dans la matrice du filtre.

Ces trois mécanismes classiques se combinent dans la filtration des gaz. Dans ce cadre, les particules que l’on nomme MPPS (Dimension de particule facilitant au plus la pénétration) sont de l’ordre de 0,1 à 0,3 micron. Dans le cadre des gaz stériles, les études industrielles et scientifiques ont montré que la rétention des micro-organismes est obtenue avec des filtres absolus à 0.01µm. Mais on sait par ailleurs que, grâce ou à cause du mouvement brownien, le même filtre est beaucoup plus efficace, pour les éléments submicroniques, en phase gazeuse qu’en phase liquide. 

Quels filtres utilisés sur une ligne de production de gaz stérile ?

• Importance de la préfiltration

Outre les aspects particulaires et bactériens, il est important que le gaz soit sec et déshuilé. Si ce n’est pas le cas, l’emploi de filtres coalesceurs est indispensable très amont du process. Ceux–ci seront dimensionnés en fonction du débit de service mais également en fonction des teneurs connues ou supposées en eau et/ou en huile présentes dans le gaz.

Ces prétraitements effectués, il est également nécessaire d’envisager une préfiltration particulaire (séparation solide-gaz cette fois-ci) avec un certain degré d’efficacité pour protéger le média filtrant stérilisant final. A titre d’exemple, et avec des vitesses de gaz typiques dans les tuyauteries de raccordement souvent supérieures à 20 m / s, toute particule telle que la calamine provenant d'anciens systèmes de distribution d'air et de vapeur peut avoir des conséquences catastrophiques sur les membranes de stérilisation.

On privilégiera l'incorporation d'un filtre en profondeur (le polypropylène grade FDA est adapté) qui garantira une protection adéquate du filtre de stérilisation finale. Ces filtres fournissent d'excellents couples de capacité de rétention des impuretés avec des débits élevés pour garantir que les performances du système ne sont pas affectées.

• Filtration stérile finale

En fonction des secteurs d’activités et des contraintes d’utilisation : par exemple tests d’intégrité en ligne sur les filtres, débits souhaités, cycles de durée d’utilisation, etc… on choisira le média et la géométrie correspondantes.

Dans tous les cas, et afin de parfaire la barrière à d’éventuels résidus de microgouttelettes de liquide dans le gaz, on emploiera systématiquement des médias hydrophobes et oléophobes.

Média borosilicate imprégné PTFE (Matériau conforme à la liste FDA CFR 21)

Fabriqués avec des microfibres, ces médias ont l’avantage de pouvoir traiter au moins deux fois le débit des filtres à membranes PTFE (à perte de charge identique).

En raison des débits élevés, ils sont idéaux pour les applications de ventilation sur des cuves non sous vide et pour la couverture stérile à basse pression sur des machines de remplissage aseptique, dans l'industrie agroalimentaire et laitière par exemple.

Média PTFE (Matériau conforme à la liste FDA CFR 21)

Ces médias, mécaniquement plus robustes, permettent de supporter un nombre de cycle de stérilisation plus important et de pouvoir effectuer le test d’intégrité directement en place ou en laboratoire.

Les filtres utilisant ces médias sont la solution idoine pour tous les process critiques (pharmaceutiques, biotechnologiques, etc...).

• Un point pour améliorer les débits sans changer les installations ou optimiser les coûts énergétiques liés à la production des gaz

Un des points générant des pertes de charge (à débit constant), ou le corolaire, limitant les débits de passage, est le changement de section.

Ainsi en utilisant des cartouches de filtration ayant des passages intérieurs supérieurs à ce que l’on trouve habituellement, on peut :

-soit augmenter le débit de gaz produit sans changer les installations et sans modifier les pertes de charges engendrées,

-soit, au même débit, utiliser moins de surface filtrante (par exemple une cartouche filtrante 20’’ au lieu d’une cartouche filtrante 30’’) sans pénaliser les conditions opératoires mais avec un coût associé optimisé,

-soit enfin, principalement dans le cas d’air comprimé, baisser significativement la demande énergétique des équipements nécessaires à la production des gaz (compresseur par exemple), ou en libérer de la capacité (pour des extensions de ligne par exemple).

Pour caractériser ce point, vous trouverez ci-dessous les courbes de pertes de charge initiales pour les médias borosilicate imprégné PTFE (mais résultats comparables avec les membranes PTFE) en version conventionnelle (1) et en version avec un passage central augmenté (2) :

On constate donc que l’impact est loin d’être négligeable puisque :

-à une DP de 100 mbar, on double pratiquement le débit de service

-et que, généralement, au même débit, la DP baisse de 50%

Vigilance obligatoire sur les carters de filtration utilisés !

Mise à part leurs dimensions, le caractère vivant des micro-organismes fait qu’ils sont capables de se multiplier très rapidement dans la mesure où les conditions sont favorables.

Les exigences que l’on doit avoir sur les éléments filtrants doivent aller de paire avec celles relatives aux carters de filtration.

Pour obtenir les performances escomptées, il faut s’assurer :

-Que les alliages utilisés soient de haute qualité. Sont souvent employés, sauf contre-indication, des carters de filtration en aciers inoxydables 316L,

-Que les états de surface internes soient parfaitement contrôlés. Les Ra (coefficients de rugosité) doivent être certifiés inférieurs à 0.4µm (ou 0.8µm selon les applications),

-Que le design ne présente pas de rebords, de coins… bref de potentielles zones de rétention,

-Que le design favorise l’écoulement de l’air ou du gaz sans turbulence vers l’élément filtrant. Ceci afin de minimiser les pertes de charge, tant au niveau du carter de filtration que de l’élément filtrant.