Réfractométrie industrielle - Sartorius

Réfractométrie industrielle
Principes physiques et solutions innovantes pour l’industrie agroalimentaire et pharmaceutique
White Paper
turning science into solutions

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Table des matières
1. Introduction ______________________________________________________ 3
2. Le principe de base : réfraction de la lumière et réflexion ____________________ 3
3. Principes physiques de la réfractométrie _________________________________ 4
4. Influence de la température __________________________________________ 6
5. Principe de fonctionnement des réfractomètres ___________________________ 7
6. Composition et composants de réfractomètres industriels ___________________ 8
6.1 Détecteur CCD _____________________________________________________ 9
6.2 Source de lumière __________________________________________________ 9
6.3 Prisme ___________________________________________________________ 10
7. Limites de la réfractométrie___________________________________________ 10
8. Réfractométrie dans le secteur agroalimentaire et pharmaceutique ____________ 11
8.1 Processus de mélange _______________________________________________ 11
8.2 Processus de concentration ___________________________________________ 11
8.3 Contrôle de nettoyage _______________________________________________ 11
8.4 Cristallisation ______________________________________________________ 11
9. Résumé __________________________________________________________ 12

1. Introduction
Les appareils de mesure industriels sont des outils indispensables pour contrôler et commander
des paramètres de processus critiques. Une analyse de risques permet d‘identifier
les paramètres de processus critiques qui doivent être contrôlés et commandés au cours
de la production afin d‘obtenir la qualité spécifiée des produits. En fonction de
l‘importance d‘une étape de processus, il est essentiel d‘intervenir immédiatement
pour garantir que les paramètres de processus continuent à
répondre aux spécifications définies.
Les appareils de mesure in line et en ligne fournissent des données
en temps réel afin de commander le processus et permettent ainsi
d’obtenir une qualité de production élevée. De plus, grâce au contrôle
complet des paramètres de processus suivi d’une documentation, il est
possible de respecter les exigences légales et économiques.
Les réfractomètres industriels sont conçus pour contrôler et commander des
flux de processus liquides et pâteux. Ils permettent de déterminer en continu, en temps
réel et avec précision des grandeurs critiques telles que la concentration, l’identité et la
pureté de solutions.
2. Le principe de base : réfraction de la lumière et réflexion
Les réfractomètres mesurent le pouvoir de réfraction de flux de processus liquides et
pâteux et déterminent la concentration de substances dissoutes à partir des données
obtenues. Pour cela, ils utilisent l’effet de réfraction de la lumière qui se produit lors du
passage des rayons lumineux d’un milieu à un autre, par ex. de l’air à l’eau. A partir d’un
certain angle d’incidence, la lumière n’est toutefois plus réfractée, mais réfléchie à la
limite des deux milieux :
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3. Principes physiques de la réfractométrie
La vitesse de la lumière dépend du milieu dans lequel elle se propage. La lumière est par
exemple plus rapide dans de l’eau pure que dans des solutions aqueuses qui en plus
de l’eau contiennent également des substances dissoutes. La vitesse de la lumière dans
le vide c 0 est la vitesse la plus élevée à laquelle la lumière peut se propager :
c 0 = 2,99792458 · 10 8 m/s
La longueur d’onde est définie par la relation suivante :
λ =
ν
La variable ν est utilisée en optique pour la fréquence de la lumière. La vitesse de la
lumière dans un milieu dépend de la longueur d’onde, de la matière et de sa température.
La grandeur caractéristique sans unité de la matière, le coefficient de réfraction n ou
l’indice de réfraction nD , est le quotient de la vitesse de la lumière dans le vide (c0 ) et de
la vitesse de la lumière dans le milieu (c) :
=
c étant toujours inférieur à c0 , l’indice de réfraction ne peut avoir que des valeurs supérieures
à 1. Le tableau suivant donne un aperçu des indices de réfraction de quelques
matières importantes pour les observations suivantes.
Indices de réfraction à 20° pour λ = 589,3 nm :
Matière Eau Éthanol Saphir YAG Diamant
Indice de réfraction 1,33 1,36 1,76 1,82 2,42
Un indice de réfraction de 1,33 signifie que la vitesse de la lumière dans le vide est
1,33 fois supérieure que dans le milieu examiné.
Un milieu ayant un indice de réfraction élevé est qualifié de milieu optiquement dense ; à
l’inverse, un milieu ayant un indice de réfraction faible est qualifié de milieu optiquement
fin. Lorsque la lumière passe d’un milieu optiquement plus dense à un milieu optiquement
moins dense, elle est réfractée de l’axe d’incidence, comme le montre la figure ci-dessous :

Cette relation est décrite mathématiquement par la loi de réfraction de Snell :
n · sin ε = n’ · sin ε’
ε – angle d’incidence
ε’ – angle d’émergence ou de réfraction
n – indice de réfraction du milieu dans lequel le rayon se propage
n’ – indice de réfraction du milieu d’émergence
En cas de radiation incidente inférieure à l’angle d’incidence critique ε g , un angle de
réfraction de ε’ = 90° est atteint. Le rayon réfracté parvient alors dans l’interface entre
les milieux.
La loi de réfraction peut être simplifiée dans cette condition :
′
′
ε = ⋅
°
=
Il en résulte l’angle critique de la réflexion totale :
′
=
Avec un angle d’incidence ε > εg , le rayon incident est inévitablement totalement réfléchi.
La loi de réflexion « angle d’incidence = angle de réflexion » est alors valable :
ε = ε’
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Quand de la lumière passe d’un milieu à un autre, une partie de la lumière est réfractée
et une autre partie est réfléchie en fonction de la différence d’indice de réfraction et de
l’angle d’incidence. En cas de lumière non polarisée, la proportion de lumière réfléchie
augmente constamment avec l’angle d’incidence jusqu’à ce qu’elle atteigne l’angle
critique de la réflexion totale, comme le montre la figure ci-dessous :
4. Influence de la température
La détermination exacte de l’indice de réfraction dépend à la fois de la température de
l’échantillon et de celle du prisme.
Il est donc très important que la mesure de la température soit très précise.
On peut distinguer ici trois méthodes de mesure différentes :
– Mesure avec un capteur de température dans le flux de processus
– Mesure à l’intérieur du capteur
– Mesure dans le prisme à proximité directe du flux de processus
La mesure dans le flux de processus ou à l’intérieur du capteur permet uniquement de
donner une valeur approximative de la température existante (à la surface du prisme dans
le flux de processus) lors de la mesure de l’indice de réfraction. Pour la compensation de la
température, il est donc préférable de mesurer la température directement dans le prisme
à proximité directe du flux de processus.
En raison de sa dépendance à la température, l’indice de réfraction seul ne permet pas de
tirer des conclusions directes sur les concentrations d’une solution. Grâce à des fonctions
mathématiques appelées échelles qui tiennent compte aussi bien de l’indice de réfraction
que de la température, il est possible d’obtenir des valeurs mesurées indépendantes de la
température. Dans le secteur agroalimentaire, des échelles telles que Brix, Oechsle et
Baumé sont par exemple très répandues. L’échelle de Brix est l’échelle la plus souvent
utilisée. Elle a été développée pour déterminer la concentration de saccharose dans de
l’eau pure. On peut toutefois également l’utiliser pour mesurer d’autres substances
dissoutes. En d’autres mots : la valeur Brix indique le pourcentage de saccharose dans
un mélange d’eau pure et de saccharose (20 Brix correspondent à 20% de saccharose).
L’échelle de Brix peut également être utilisée dans le cadre du contrôle du processus
avec des mélanges de plusieurs substances. Si la valeur Brix mesurée a par exemple été
combinée aux résultats de l’analyse de référence pour l’optimisation d’un processus
de concentration, il est possible de déterminer la concentration pendant le processus à
l’aide de la valeur Brix et ainsi de contrôler et de commander le processus.

Il est également possible de créer des échelles définies par l’utilisateur spécifiques à
l’application. Pour créer une échelle définie par l’utilisateur, il est nécessaire de réaliser
des mesures sur des échantillons de référence ayant des concentrations connues à
différentes températures.
Si l’indice de réfraction est rapporté au-dessus de la concentration et de la température,
une surface est créée :
Concentration (%)
Indice de
réfraction Température (°C)
Pour créer une échelle, cette surface doit être adaptée par un polynôme.
La qualité de ce polynôme est donc décisive pour la précision de mesure du réfractomètre.
Une résolution élevée de l’indice de réfraction est inutile si le polynôme n’est que de
moindre qualité. Pour obtenir une précision de mesure et une fiabilité élevées, il est donc
essentiel de veiller à ce que les échelles développées pour l’utilisateur soient définies avec
le plus grand soin.
5. Principe de fonctionnement des réfractomètres
La plupart des réfractomètres fonctionnent selon un des deux principes de mesure
suivants : lumière transmise et réflexion totale.
– Avec le principe de la lumière transmise, l’interface entre les deux milieux est éclairée
par un faisceau lumineux parallèle à partir de l’échantillon et on observe le changement
de direction de la propagation de lumière.
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– Avec le principe de mesure de la réflexion totale, l’échantillon est éclairé à partir du
prisme avec de la lumière divergente. L’angle critique de la réflexion totale est détecté.
La plupart des réfractomètres fonctionnent selon le principe de la réflexion totale. Un
seul prisme servant à la fois à l’éclairage et à l’observation est nécessaire. A la différence
du principe de la lumière transmise, la méthode de mesure de la réflexion totale peut
également être utilisée pour des liquides colorés et très troubles, car une absorption par
l’échantillon n’affecte pas la mesure. Les réfractomètres industriels qui fonctionnent selon
le principe de la réflexion totale se distinguent principalement du fait que l’intégration
dans le process et le nettoyage sont très simples.
6. Composition et composants de réfractomètres industriels
La composition d’un réfractomètre industriel est représentée sur la figure ci-dessous :
CCD
Prisme
LED PES
Echantillon
Ils ne contiennent pas d’éléments mobiles, ce qui les rend très robustes et résistants
aux défauts. La qualité des composants centraux détermine dans une grande mesure
la précision et la sécurité de mesure d’un réfractomètre.

6.1 Détecteur CCD
Un capteur CCD sert de détecteur optique dans le réfractomètre. La lumière qui entre à
un angle plus grand que l’angle critique de la réflexion totale est entièrement réfléchie et
elle est détectée sur le capteur CCD. La position de la transition clair-sombre change sur
le capteur CCD en fonction de l’angle critique de la réflexion totale :
Si un capteur CCD est utilisé pour la détection, il faut également veiller à mesurer la
température avec précision afin de maintenir la précision du réfractomètre.
6.2 Source de lumière
L’indice de réfraction dépend entre autres de la longueur d’onde de la lumière. De manière
standard, les mesures en réfractométrie sont effectuées à 589 nm. Si l’interface entre
l’échantillon et le prisme est éclairée par une source à large bande, l’angle critique de
la réflexion totale devient alors un champ angulaire et la mesure n’est pas précise.
Pour pouvoir obtenir des mesures à haute résolution, il faut que la gamme de longueurs
d’onde soit aussi petite que possible. Une source de lumière à bande étroite avec une
longueur d’onde de 589 nm est donc nécessaire pour éclairer les réfractomètres.
Les LED sont connus pour être très efficaces et avoir une longue durée de vie et ils sont
disponibles avec une longueur d’onde de 589 nm. Toutefois, ils ont une largeur de bande
de 20 – 30 nm. L’intégration d’un filtre d’une largeur de bande de 5 nm augmente la
résolution du réfractomètre. En raison de la largeur de bande relativement faible des LED,
seule une très petite quantité d’intensité est perdue pendant le filtrage, en comparaison
avec les émetteurs thermiques. Pour la même intensité de rayonnement, un LED requiert
moins de puissance et de refroidissement qu’un émetteur thermique.
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6.3 Prisme
Des échantillons sont placés sur le prisme du réfractomètre pour mesurer l’indice de
réfraction. Le prisme doit répondre à certaines exigences en matière d’indice de réfraction,
de dispersion et de résistance.
A partir de l’équation pour l’angle critique de la réflexion totale, on déduit que l’indice de
réfraction du prisme doit être supérieur à l’indice de réfraction de l’échantillon. Par conséquent,
il faut choisir un prisme avec un indice de réfraction élevé afin d’obtenir
une étendue de mesure large. Des prismes en YAG (grenat d’yttrium
et d’aluminium) et en saphir qui ont un indice de réfraction supérieur à
pratiquement tous les liquides sont intégrés dans les réfractomètres
Sartorius.
En optique, la dispersion est la dépendance de longueur d’onde de
l’indice de réfraction. La dispersion ne joue pratiquement aucun rôle
avec les réfractomètres de Sartorius, car il s’agit d’appareils à une
seule longueur d’onde avec une largeur de bande de seulement 5 nm.
La surface du prisme doit résister aux rayures et aux produits
chimiques. La surface du prisme ne doit pas être endommagée lors du
nettoyage du prisme ou par l’échantillon qui passe devant au cours du
processus. Les prismes en YAG et en saphir sont carac-térisés par une dureté
très élevée : le YAG a une dureté de 8,5 et le saphir de 9 sur l’échelle de Mohs et
ils sont donc plus résistants que l’acier inoxydable.
7. Limites de la réfractométrie
La technologie de la réfractométrie est soumise à certaines restrictions dont il faut tenir
compte quand on utilise un réfractomètre.
Pour obtenir des valeurs mesurées fiables, il faut mélanger l’échantillon à mesurer pour
qu’il soit homogène, car un échantillon hétérogène entraînerait des variations de mesure.
De plus, l’indice de réfraction donne la propriété du milieu à examiner dans sa totalité.
Si un mélange contient plusieurs composants, l’indice de réfraction du mélange dans sa
totalité est mesuré. Par conséquent, il n’est pas possible de tirer d’emblée des conclusions
sélectives sur les différents composants du mélange et sur leurs proportions respectives.
D’un point de vue technique, il faut noter que des composants dans les flux de processus
peuvent entraîner des dépôts sur le prisme. Le réfractomètre ne mesure alors plus
l’indice de réfraction de l’échantillon, mais celui du dépôt. Les réfractomètres industriels
de grande qualité sont en mesure de détecter la formation d’un dépôt sur le prisme et
démarrent alors automatiquement le nettoyage du prisme à l’aide de l’unité de commande
intégrée.

8. Réfractométrie dans le secteur agroalimentaire et
pharmaceutique
Dans le secteur agroalimentaire et pharmaceutique, il existe un grand nombre
d’applications dans lesquelles on utilise des réfractomètres industriels.
8.1 Processus de mélange
Des erreurs de dosage ou de dissolution de substances peuvent avoir des conséquences
considérables aussi bien sur la qualité du produit que sur les coûts de production. Les
réfractomètres industriels permettent de contrôler l’ajout et la dissolution de substances.
En combinant, dans le cadre de l’optimisation de processus, une analyse de référence et
des valeurs réfractométriques mesurées, il est possible de contrôler et de commander la
production à l’aide de réfractomètres industriels.
8.2 Processus de concentration
Les variations de matières premières sont un problème général pour les
produits à base d’ingrédients naturels. La concentration de jus de fruits
comprend l’élimination d’une certaine quantité d’eau, obtenue généralement
par évaporation. Ce processus d’évaporation peut être commandé efficacement
à l’aide de réfractomètres industriels. Des variations de la teneur en eau
de l’ingrédient brut sont ainsi automatiquement prises en compte si bien
qu’on obtient une qualité constante du produit fini.
8.3 Contrôle de nettoyage
Si une installation industrielle est utilisée pour produire différents produits, il faut veiller à
ce qu’il n’y ait pas de contaminations croisées. Les réfractomètres industriels permettent
de détecter en temps réel la présence de restes de produit. Le processus de nettoyage peut
ainsi être contrôlé de manière optimale et commandé en fonction du degré de pureté.
8.4 Cristallisation
La cristallisation joue un rôle central lors de la purification de solides dans
la production de nombreux médicaments. Un contrôle et une commande
de la concentration pendant la phase de sursaturation sont décisifs
pour l’inoculation et le processus de cristallisation qui suit. Grâce à
des mesures effectuées en temps réel, les réfractomètres de processus
permettent de commander les processus de cristallisation de manière
optimale.
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9. Résumé
La réfractométrie est une méthode d’analyse destinée à déterminer rapidement et avec
fiabilité et précision la concentration, la pureté et l’identité d’un échantillon. A cet effet,
les réfractomètres mesurent l’indice de réfraction et la température de flux de processus
liquides et pâteux et calculent la concentration à l’aide de fonctions mathématiques
(échelles). Les réfractomètres industriels sont principalement utilisés dans le secteur
agroalimentaire et pharmaceutique. Pour pouvoir être utilisés pour le contrôle et la
commande exacts de flux de processus, les réfractomètres industriels doivent satisfaire à
différentes exigences en matière de qualité du matériel et du logiciel. Seule une qualité
élevée dans tous les domaines essentiels garantit une précision et une sécurité de mesure
élevées.
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