Brevet FR2197975A1 — publié le 19740329

La présente invention concerne un procédé et un appareil de fermentation à double circulation forcée. Le procédé classique de fermentation utilisant une cuve de fermentation, du type à roue à palettes présente trois défauts propres, à savoir : une consommation d'énergie élevée, un manque de capacité de mélange uniforme et des difficultés d'exploitation dans les cas où la fermentation doit être pratiquée à grande échelle. En conséquence, un objet de la présente invention est d'éliminer les défauts ci-dessus. La présente invention concerne un procédé de fermentation à double circulation forcée et elle a recours à l'emploi d'une cuve de fermentation qui comporte un collecteur de mousses et un éjecteur. Elle représente un procédé perfectionné de fermentation de la liqueur de culture. Dans le présent procédé, à la fois la liqueur fermentée et les mousses sont respectivement mises en circulation par une injection montante d'air et par un éjecteur. La cuve de fermentation comporte à l'intérieur une colonne chemisée. La liqueur circulant dans la cuve peut passer de manière cyclique à l'intérieur et à l'extérieur de la colonne chemisée.Pour les mousses accumulées et les huiles flottant à la surface de la solution de fermentation (la concentration des cellules se trouve en majeure partie à l'intérieur de la couche de moussez un circuit externe a été prévu, traversant un collecteur de moussez un brise-mousses et un éjecteur montés en série, et ensuite retournant au fermentateur. Le procédé et l'appareil qui font l'objet de la présente invention sont spécialement appropriés à la culture aérobique et/ou anaérobique des microorganismes et aux procédés utilisant les mêmes techniques. Le procédé de fermentation à double circulation forcée qui fait l'objet de la présente invention comporte les avantages suivants 1. Consommation d'énergie réduite. Dans l'industrie de la fermenta tion, presque tous les procédés antérieurs utilisent une cuve d'un dispositif de fermentation qui sera appelé par la suite "fermentateur" dans laquelle est utilisé un moyen de transmission mécanique, tel qu'une hélice ou une roue à pales. C'est pour cette raison que les procédés antérieurs nécessitent de grandes quantités d'énergie.Le procédé de fermentation à double circu lation forcée qui fait l'objet de la présente invention réalise un état d'agitation vigoureuse simplement en introduisant une certaine quantité d'air dans le corps du fermentateur ; il en résulte que la liqueur de culture est forcée en écoulement tur bulent dans le corps du fermentateur par le principe d'ascen dance de 11 air. Ainsi, le rendement de la fermentation est aug menté et la consorimation d'énergie est largement réduite. Garacité aisément augmentée. Dans les procédés de fermentation classiques, le rapport entre l'énergie consommée par volume de solution en fermentation et le volume total de la solution en fermentation n'est pas constant, c'est-à-dire que, plus le volu me de la solution en fermentation est grand, plus l'énergie cor respondante consommée par unité de volume de solution en fermen tation est importante. Ainsi, la capacité des procédés anté rieurs a été sérieusement limitée. Des difficultés de conception mécanique du fermentateur sont également prépondérantes.Il est presque impossible de concevoir un appareil acceptable.Du fait qu'il n'est pas nécessaire d'agiter la solution par un moyen d'agitation mécanique, le rapport de l'énergie consommée par unité de volume de solution en fermentation au volume total de solution en fermentation reste constant. Le procédé de fermen tation à double circulation forcée dans lequel le principe d'as cendance de l'air est utilisé, peut être facilement conçu méca niquement et pour une utilisation à grande échelle. On peut se reporter aux tableaux et aux graphiques ci-dessous pour une meil leure compréhension de cette caractéristique. 3. Rendement élevé de fermentation avec agitation complète. Les procédés classiques de fermentation utilisant une agitation mé- canique ne peuvent plus remplir convenablement le rôle impor tant d'agitation et de mélange complets, spécialement dans la fermentation des pétroles à grande échelle. La raison en est qu'une couche très stable de mousses et d'huiles concentrées en cellule flotte à la surface de la solution en fermentation (la plupart des cellules étant concentrées dans la couche de mous ses). En conséquence, il est difficile d'enlever des mousses les cellules concentrées pour les ramener dans le circuit de fermentation par agitation mécanique. Ainsi, le rendement de la fermentation selon les procédés antérieurs est réduit en con séquence. Dans la présente invention, la couche de mousses et les huiles sont refoulées hors du fermentateur dans un brise-mousses et ramenées dans le fermentateur par l'intermédiaire d'un circuit externe cyclique. Ainsi, les mélanges de mousses et d'huiles ont amplement la possibilité d'être agités complètement et mélangés uniformément à la liqueur circulée à écoulement turbulent durant le procédé. Pendant ce temps, les concentrations les plus élevées de cellules et d'huiles dans la solution en fermentation peuvent toujours être maintenues constante. En conséquence, le présent procédé permet d'obtenir des rendements qui ne sont pas possibles avec les procédés de la technique antérieure à agitation mécanique. 4. Transmission de chaleur appropriée sans moyen de refroidisse ment supplémentaire. Généralement, dans le procédé de fermenta tion, particulièrement dans le procédé de fermentation des pé troles, les quantités de chaleur engendrées par la réaction d'oxydation au sein du circuit de fermentation doivent être é vacuées par des moyens de refroidissement qui doivent être pré vus avec le fermentateur, de manière à maintenir une températu re optimale de croissance des microorganismes. Selon la présen te invention, des surfaces de refroidissement importantes sont formées sur les parois du fermentateur et de la colonne chemisée à injection d'air, les deux fonctionnant comme une chemise d'eau de refroidissement. L'écoulement turbulent de la solution en fermentation dans le circuit de fermentation et le nombre de Reynold en large augmentation, à la fois sont déterminés par l'application d'une ascendance d'air et d'une circulation forcée. Ainsi, la résistance du film en phase liquide est également diminuée. L'adhérence à la paroi intérieure du fermentateur est également abaissée. I1 en résulte que le présent procédé réalise un rendement de transfert de chaleur supérieur à celui des autres procédés de fermentation classiques par hélices ou roues à pales et par ascendance d'air. Le procédé de fermentation à double circulation forcée qui fait l'objet de la présente invention évacue également en partie la vapeur d'eau du circuit en utilisant un changement de température de l'air et il améliore ainsi la transmission de chaleur du circuit. Il en résulte qu'il n'est pas nécessaire de monter des moyens de refroidissement supplémentaires. En conséquence, les coûts des investissements et les frais de fabrication sont abaissés. 5. Quantité d'air nécessaire réduite. La quantité d'air nécessaire dans le procédé de fermentation des pétroles est tellement éle vée que l'alimentation d'air représente une dépense importante. Le procédé de fermentation qui fait l'objet de la présente in vention permet de libérer une partie de l'air pendant la fermen tation avec les mousses et de le recycler . Ainsi, le procédé améliore le rendement d'utilisation de l'oxygène contenu dans l'air de sorte que la quantité d'air nécessaire est largement réduite. Pour atteindre les objectifs ci-dessus, la présente invention comprend un circuit à double circulation forcée, c'est-àdire, un circuit interne et un circuit externe respectivement, pour la liqueur fermentée et les mousses. A l'intérieur du fermentateur est prévue une colonne chemisée dont le pied est monté sur une plaque plate située à la base du fermentateur. La partie inférieure de la colonne chemisée contiguë à la plaque plate est pourvue d'orifices tandis que la partie supérieure de la colonne chemisée s'élargit en forme d'entonnoir. La plaque, sur la partie extérieure à la colonne chemisée, est percée de nombreuses perforations très rapprochées pour permettre le passage du courant d'air injecté, tandis que la partie de cette plaque sous la colonne chemisée est obturée. Ainsi, au cours du procédé, l'air comprimé venant d'une source non représentée est injecté dans le fermentateur depuis le fond à travers la plaque perforée et il entratne la solution en fermentation à l'extérieur de la colonne chemisée, la chasse vers le haut et la fait submerger ensuite l'entonnoir pour pénétrer dans la colonne chemisée, s'écouler vers le bas et en sortir ensuite. En conséquence, le mode de circulation à écoulement turbulent torrentiel prend forme à l'intérieur du fermentateur. Un collecteur de mousses est prévu au sommet du fermentateur. Ce collecteur de mousses a la forme d'un entonnoir retourné, réglable sur une certaine longueur par rapport à la conduite montée au-dessus du fer tentateur. Grâce au réglage de l'entonnoir, la couche de mousses qui se produit durant le procédé de fermentation peut autre continuellement collectée et siphonnée à l'extérieur du fermentateur au brisemousses, où les mousses sont brisées. La circulation résultante d'un liquide concentré en huiles et en cellules accélère la recirculation dans le fermentateur. Le brise-mousses (référencé. 15 à la figure 1, et également représenté aux figures 3, 4, 5) est conçu de telle manière qu'une grande quantité d'air est refoulée du circuit du fermentateur, alors que l'air restant se trouve sous la forme de très petites bulles dans le liquide séparé et est recyclé dans la solution en fermentation au moyen d'un éjecteur.Une tuyauterie d'admission est raccordée à la partie inférieure de la cuve de fermentation pour compenser l'air refoulé à l'extérieur du brisemousses. L'air d'admission est fourni par une source extérieure. La présente invention sera bien comprise à la lecture de la description suivante, faite en relation avec les dessins cijoints, dans lesquels La figure 1 représente une vue en élévation d'un exemple de réalisation de la présente invention. La figure 2 représente une vue en coupe du corps du fermentateur. La figure 3 représente une vue en élévation d'un brisemousses. La figure 4 représente une vue en coupe d'un brisemousses. La figure 5 représente une vue en coupe faite le long de la ligne A-A de la figure 3 ; et Les figures 6A et 6B établissent la comparaison entre l'énergie nécessaire par unité de volume pour un appareil antérieur et pour l'appareil qui fait l'objet de la présente invention. La figure 1 représente la structure principale d'une cuve à double circulation forcée utilisée par la présente invention, dans laquelle le corps du fermentateur 6 est équipé d'une colonne chemisée 4. Le fermentateur 6 comprend une paroi 7 et une chemise de refroidissement 8. La base de la colonne chemisée est fixée de préférence par une soudure étanche sur une plaque plate 5 qui est placée à la partie inférieure du fermentateur. Le rapport de la hauteur et du diamètre de la colonne chemisée et du corps du fermentateur peut avoir n importe quelle valeur lorsque l'on désire obtenir une circulation forcée. La plaque plate 5 est percée de nombreuses perforations étroitement rapprochées pour permettre le passage de l'air. Le corps du fermentateur aussi bien que la colonne chemisée comportent des parois chemisées refroidies par eau. Le collecteur de mousses en forme d'entonnoir 11 est monté à la partie supérieure du fermentateur. Le collecteur de mousses est réglable par rapport à la conduite de sortie 13 sur une certaine longueur. Les mousses rassemblées par ce procédé sont transportées au brise-mousses 15 par l'intermédiaire de la conduite de sor tie 13. Le brise-mousses 15 comporte un déflecteur 20 pour séparer les particules d'air des mous-ses. Le liquide comportant en partie des bulles d'air séparées s'écoule à la partie inférieure de la conduite de descente 17, puis dans l'éjecteur 18, d'où les mousses séparées sont ramenées sous pression dans le fermentateur 6 par un courant de liqueur soutirée du fermentateur. Ce liquide extérieur à écoulement torrentiel est chassé dans le fermentateur depuis la paroi latérale. La figure 2 représente la vue en coupe du fermentateur 6. La figure 3 représente une vue en élévation du brise-mousses 15. La figure 4 représente une vue en coupe du brise-mousses 15. La figure 5 représente une vue en coupe faite le long de la ligne A-A sur la figure 3. Des résultats particulièrement intéressants ont été obtenus avec un rapport des hauteurs de la colonne chemisée et du fermentateur égal à 0,5 à 0,9 et un rapport du diamètre de la colonne chemisée au diamètre du fermentateur égal à 0,1 à 0,4. Les figures 1 à 5 représentent l'entrée des matières brutes 1, la tuyauterie d'entrée d'air 2, la conduite 3, la colonne chemisée 4, la plaque plate 5, le corps du fermentateur 6, la paroi cylindrique 7 du corps du fermentateur, la chemise à refroidissement par eau 8 du fermentateur prévue avec les tuyauteries d'entrée et de sortie (non repérées), la colonne cylindrique chemisée 9, la chemise de refroidissement par eau 10 de la colonne chemisée prévue avec les tuyauteries d'entrée et de sortie (non repérées), le collecteur de mousses 11, le moyen de réglage 12, la conduite de sortie 13, le brise-mousses 15, la sortie des gaz rejetés 16, la conduite 17, l'éjecteur 18, la conduite 19, raccordée à la pompe 21 et le déflecteur 20 du brise-mousses. La double circulation forcée (solution du fermentateur et mousses) qui fait l'objet de la présente invention offre un rendement excellent du transport d t oxygène et complète sensiblement le mélange des milieux de culture et de la concentration des cellules. Ainsi, le rendement de la fermentation est supérieur à celui que l'on obtient avec les autres procédés antérieurs. Ci-dessous sont donnés quelques exemples comparatifs des procédés classiques utilisant des fermentateurs à transmission mécanique et le présent procédé de fermentation à double circulation forcée utilisant un fermentateur à injection ascendante d'air. EXEMPLE 1 Un milieu de 3.000 litres est placé dans un appareil de fermentation du type Waldhaf de 6.000 litres de capacité,généralement utilisé dans les procédés classiques de fermentation. Après 40 heures de fermentation, dans les conditions suivantes : la valeur de pH était de 3 à 4, la température de 34 C + 1"C et le débit d'alimentation en air de 10 volumes par volume par minute (vvm), on a obtenu une concentration de cellules de 2 ç 100 ml pour une consommation d'énergie de 4,7 ka/103 1 et un rendement de production de 60 %. EXEMPLE 2 Un milieu de 65.000 litres, le même que dans ltexemple 1, a été introduit dans un appareil de fermentation du type Waldhaf d'une capacité de 180.000 litres. Après 46 heures de fermentation dans les mêmes conditions que dans l'exemple 1, on a obtenu une concentration de cellules de 2 g/100 ml pour une consommation d'é nergie de 5,1 kW/103 1 et un rendement de production de 31,2 . EXEMPLE 3 6.000 litres du même milieu que dans l'exemple 1 ont été introduits dans un fermentateur à injection d'air d'une capacité de 8.000 litres, qui est utilisé de préférence par la présente invention. Après 38 heures de fermentation dans les mêmes conditions que dans les exemples précédents, on a obtenu une concentration de cellules de 3,5 g/100 ml pour une consommation d'énergie de 1,1 à 2,2 ka/103 1 et un rendement de production de 85 . EXEMPLE 4 100.000 litres du même milieu que dans l'exemple 1 ont été introduits dans le fermentateur à injection ascendante d'air de 150.000 litres de la présente invention. Après 35 heures de fermentation dans les mêmes conditions que celles mentionnées ci-dessus, on a obtenu une concentration de cellules de 3,1 à 4 g/100 ml pour une consommation d'énergie de 1,1 à 2,2 kw/b3 1 et un rendement de production de 87,5 . Dans les mêmes conditions, 72 heures au moins ont été nécessaires pour la fermentation avec le type d'agitation du procédé classique, alors que 36 heures seulement ont été suffisantes dans le procédé qui fait l'objet de la présente invention. La consommation d'énergie dans le procédé qui fait l'objet de la présente invention n'est que la moitié de celle du procédé classique. Lorsqu'on l'utilise pour la fermentation des pétroles, la concentration des cellules dans la liqueur de culture fermentative de l'appareil antérieur atteint à peine 2 %; tandis que la concentra tion dans le cas de la présente invention est toujours supérieure à 3,5 .De me le rendement élevé de transfert de chaleur par l'intermédiaire de la chemise à refroidissement par eau et de la colonne chemisée permet de contrSler plus facilement la température de fermentation, sans échangeurs de chaleur extérieurs. Comparé au procédé classique, la présente invention permet d'obtenir un rendement de la transmission d'oxygène supérieur. La quantité d'air admis est représentée au tableau 1. On obtient également une consommation d'énergie inférieure d'au moins 50 % dans les mêmes conditions. Le rendement du transfert d'oxygène est représenté au tableau 1. L'énergie nécessaire par unité de volume de solution en fermentation augmente avec l'accroissement de la capacité du fermentateur. Dans la présente invention, là relation entre l'énergie nécessaire par unité de volume de solution en fermentation et la capacité est toujours constante, comme l'illustrent les figures 6A et 6B. De ce fait, la présente invention est particulièrement adaptable au fonctionnement à grande échelle. La figure 6A représente un graphique comparant l'énergie nécessaire avec le volume, lorsqu'on utilise des cuves d'agitation classiques. La figure 6B, d'autre part, représente un graphique utilisant l'appareil qui fait l'objet de la présente invention. Le graphique a été tracé en fonction de la formule KLa = K(P/V)d, dans laquelle KT représente le coefficient de transfert d'oxygène dans la phase liquide, "a" représente la surface, X est une constante, P représente énergie nécessaire, V est la capacité du fermentateur et "d" est l'indice d'échelle. Le tableau 1 suivant compare les taux de transmission d'oxygène entre un procédé classique utilisant une cuve et le procédé qui fait l'objet de la présente invention utilisant un fermentateur à injection ascendante d'air dans les mimes conditions de capacité et d'entrée d'air. TABLEAU 1 Fermentateur Taux de transfert d'oxygène Cuve d'agitation 110 g.mole 02/L1 heure Fermentateur à double circulation forcée 370 g. mole 02/L1 heure Les données ci-dessus représentent les quantités d'oxygène dissoutes dans l'eau par l'analyseur d'oxygène Beckman modèle 777. Le tableau 2 suivant compare la consommation d'énergie dans un procédé classique utilisant une cuve d'agitateur et dans l'appareil qui fait l'objet de la présente invention utilisant un fermentateur à injection ascendante d'air dans les memes conditions de capacité et de taux de transfert d'oxygène. TABLEAU 2 Fermentateur Consommation d'énergie par unité unité de volume Cuve d'agitation 1,5 à 4,5 ka/103 1 Présente invention 1,1 à 1,9 kW/10) 1 L'appareil qui fait l'objet de la présente invention utilisant un procédé de fermentation à double circulation forcée et un fermentateur à injection ascendante d'air est un procédé industriel nouveau, de grande importance, à la fois quant à son adaptabilité à la fermentation de composés courants d'hydrocarbures, et quant à son emploi dans l'unité pilote de 150.000 litres et davantage. Plus particulièrement, le procédé de fermentation qui fait l'objet de la présente invention est applicable à l'industrie de fermentation des pétroles, à la fermentation de substrats nutritifs pauvres, de substances d'une valeur plus élevée, de matériaux à haut pouvoir exothermique et de mélanges hétérogènes d'eau et d'huile, dans lesquels une agitation vigoureuse est nécessaire. L'appréciation de certaines des valeurs de mesures indiquées ci-dessus doit tenir eompte du fait quelles proviennent de la conversion d'unités anglo-saxonnes en unités métriques. La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation qui viennent d'être décrits, elle est au contraire susceptible de variantes et de modifications qui apparattront à l'homme de l'art. REVENDICATIONS 1 - Procédé de fermentation à double circulation forcée adaptable à la fermentation de microorganismes aérobiques et/ou anaérobiques, caractérisé en ce qu'il comprend un stade de circulation cyclique de la liqueur en fermentation à l'intérieur du fermentateur pendant que les mousses s'accumulent à la surface du liquide, et un stade de circulation dans un circuit externe au fermentateur. 2 - Appareil de fermentation à double circulation forcée, caractérisé en ce qu'il comprend un fermentateur ayant à sa partie inférieure une plaque perforée, une colonne chemisée de forme cylindrique montée sur la plaque perforée et partageant le fermentateur en un compartiment interne et un compartiment externe et étant pourvu d'orifices à sa partie inférieure, et un collecteur de mousses réglable monté à la partie supérieure du fermentateur, le fermentateur et la colonne chemisée étant munis de chemises à refroidissement par eau, un brise-mousses et un éjecteur. 3 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'air comprimé est utilisé pour faire entrer et sortir la liqueur de la cuve chemisée en un écoulement turbulent provoquant de ce fait l'agitation de l'air et de la liqueur. 4 - Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'air comprimé est utilisé pour faire mousser la liqueur et pour amener les huiles, les concentrations de cellules et les mousses à la partie supérieure du fermentateur et pour les recycler par un circuit externe pour mélanger la liqueur, l'air, les huiles et les cellules. 5 - Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'air comprimé est utilisé pour provoquer un écoulement turbulent de la liqueur de culture, et dans lequel de larges quantités de chaleur produites pendant la fermentation sont évacuées par la chemise à refroidissement par eau. 6 - Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'une plaque perforée est prévue comportant une quantité de perforations très rapprochées, à l'exception de la partie de la plaque qui se trouve à l'intérieur de la colonne chemisée. 7 - Appareil selon la revendication 6, caractérisé en ce que la colonne chemisée est de forme cylindrique et est pl-acée à l'intérieur du fermentateur. 8 - Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce que la partie supérieure de la colonne chemisée est en forme d'entonnoir. 9 - Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce que le collecteur de mousses est monté à la partie supérieure du fermentateur immédiatement au-dessus de la colonne chemisée et en ce que sa forme est celle d'un entonnoir renversé et dont le niveau de montage est réglable. 10 - Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce que le rapport des hauteurs de la colonne chemisée et du fermentateur est dans la gamme de 0,5 à 0,9. 11 - Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce que le rapport du diamètre de la colonne chemisée au diamètre extérieur du fermentateur est d'environ 0,1 à 0,4. 12 - Appareil selon la revendication 9, caractérisé en ce que, ou la paroi du fermentateur, ou la cuve chemisée, ou les deux ont des chemises à refroidissement par eau. 13 - Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'un briseur de mousses en forme de fût est prévu et comporte des déflecteurs perforés pour séparer la mousse rassemblée à partir d'un collecteur et permettre au liquide séparé de s'écouler dans une conduite de sortie. 14 - Appareil selon la revendication 13, caractérisé en ce qu'un éjecteur est monté dans le circuit de recyclage pour éjecter le liquide séparé venant du briseur de mousses et l'envoyer dans le fermentateur par la paroi de ce dernier. 15 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que des composés d'hydrocarbures sont utilisés comme source principale de carbone pour la fermentation en protéines cellulaires par une culture de microorganismes.