Brevet FR2156385A1 — publié le 19730525

La présente invention concerne un procédé pour l'ob- tention par fermentation de produits éthanolés, dans lequel le substrat de fermentation est introduit de façon continue dans le récipient de fermentation, d'où le produit contenant de l'alcool est soutiré pareillement de façon continue; un courant d'anhydride carbonique formé lors de la fermentation crée une turbulence qui accélère la réaction, tandis que la cuve de fermentation est munie intérieurement de garnitures appropriées et est conformée de façon à diriger convenablement la circulation du substrat de fermentation. On connatt à l'heure actuelle des procédés de préparation d'alcool par une opération de fermentation discontinue. Ces procédés sont très onéreux et ne mettent vraiment pas à profit les possibilités modernes de régulation automatique qu'offre au contraire un procédé se déroulant en continu. I1 est vrai qu'on connaît également des procédés continus de préparation d'alcool par fermentation, dans lesquels deux ou plusieurs cuves de fermentation sont branchées horizon talement à la suite l'une de l'autre, ou superposées en cascade. Dans ces procédés, le substrat de fermentation s'écoule par débordement de cuve en cuve et il s'établit dans chaque cuve un état stationnaire de fermentation souhatté. Ces procédés ont toutefois le grave inconvénient d'être eux-mêmes très onéreux dans leur mise en oeuvre, car ils nécessitent l'utilisation de plusieurs cuves de fermentation, avec les conduites, les appareils de mise en circulation et de répartition de gaz, ainsi que les organes de réglage qui en font partie. Par ailleurs, des procédés de fermentation en continu utilisant l'une des diverses cuves de fermentation simples connues jusqu'à présent sont en tout cas peu rentables, étant donné qu'en raison du mélange entre le substrat distribué et le produit soutiré, une certaine quantité de substrat sort toujours de la cuve de fermentation en même temps que le produit. Pour réduire la quantité de substrat sortant avec le produit, il serait pos sible théoriquement d'augmenter très fortement la capacité de cette cuve de fermentation individuelle fonctionnant de façon continue, d'accrottre la durée de séjour dans la cuve du substrat en cours de fermentation, ainsi que de régler dans cette cuve unique un état stationnaire de fermentation du substrat se rapprochant de la qualité du produit.Cette cuve de fermentation de vrait néanmoins posséder de très grandes dimensions, de sorte qu'elle deviendrait peu rentable et ne procurerait aucun avantage. La présente invention a pour but de réaliser, pour la préparátion par fermentation de produits éthanolés, un procédé et un dispositif le mettant en oeuvre, par lesquels peuvent être éliminés les inconvénients sus-mentionnés des procédés et dispositifs connus. Le procédé selon l'invention pour l'obtention par fermentation de produits éthanolés, avec introduction continue du substrat de fermentation dans le récipient de fermentation et soutirage continu du produit de fermentation, est caractérisé en ce qu'on effectue la fermentation en courant ascendant, sensiblement sans mélange en retour du substrat et du produit de fermentation, et en ce qu'on maintient simultanément un courant turbulent de gaz à l'intérieur des diverses zones de l'opération. Le courant turbulent degsz est assuré au moyen de gaz ou de mélanges gazeux quelconques, inertes vis-à-vis du substrat, du produit de fermentation et des micro-organismes déclenchant la fermentation, et il s'est avéré avantageux d'utiliser, pour créer le courant turbulent de gaz, l'anhydride carbonique se formant au cours de la fermentation. Par ce procédé, le substrat ne s'écoule donc pratiquement que dans une direction, savoir depuis son entrée dans le récipient de fermentation jusqu'à la sortie du produit, ce qui permet de régler des états de fermentation stationnaires dans des stades successifs quelconques de l'opération. La direction d'écaulement est déterminée, d'une part, par le courant ascendant de gaz carbonique se dégageant lors de la fermentation alcoolique et pouvant contenir encore des restes de l'air qui a été introduit avec le substrat de fermentation, ou anemé pour la culture des micro-organismes nécessaires à la fermentation.Les gaz circulant à travers le courant de liquide, qui peuvent également être introduits de l'extérieur et représenter des mélanges gazeux, par exemple d'anhydride carbonique et d'autres gaz ne réagissant chimiquement ou physiologiquement, ni avec le substrat et le produit de la fermentation, ni avec les micro-organismes déclenchant la fermentation, ce qui est le cas par exemple de l'azote, provoquent dans le courant de substrat de fermentation une turbulence qui fait venir plus rapidement en combinaison les cellules des organismes de fermentation avec des fractions non traitées du substrat et évacue aussi plus rapidement des cellules les produits finaux d'échange, de sorte que la durée de séjour du substrat dans le récipient de fermentation est notablement raccourcie.Ce courant turbulent empoche en outre les particules lourdes ainsi que les organismes de fermentation de se déposer. Pour l'obtention du courant turbulent, il s'est révêlé particulièrement avantageux de ramener dans le processus une partie du gaz carbonique formé pendant la fermentation pour acorottre ainsi son action, ce recyclage pouvant être effectué dans le premier étage ou dans l'un des étages suivants de l'o- pération. Dans le procédé conforme à l'invention, les microorganismes nécessaires à la fermentation peuvent être cultivés et multipliés à l'intérieur du dispositif utilisé pour la mise en oeuvre du procédé; il est possible également de les introduire dans le dispositif en quantité suffisante pour la fermentation du substrat, séparément du substrat de fermentation, ou en m8me temps que celui-ci; dans ce cas, les micro-organismes ne prolifèrent plus, ou seulement dans une faible mesure. Les micro-organismes soutirés avec le produit de fermentation peuvent être naturellement séparés de nouveau de ce produit et récupérés pour être ensuite recyclés dans le processus, soit directement, soit après un traitement intermédiaire de rafratchissement de la culture. Outre la levure utilisée préférentiellement comme micro-organisme, le procédé selon l'invention permet de mettre en oeuvre également des champignons et des bactéries. Le procédé peut être appliqué à la préparation d'éthanol, aussi bien que de sous-produits de la fermentation alcoolique, dont on a besoin par exemple pour aromatiser le rhum, des vins > ou des boissons alcooliques analogues. Le procédé peut tre appliqué aussi à la dégradation ou à la transformation de différentes substances pendant la fermentation, par exemple pour la fabrication de glycérine par fermentation alcoolique, ou pour l'obtention par fermentation de substances dans lesquelles l'alcool n' ap- paratt que comme sous-produit, par exemple la fermentation butanol-acétone. Le dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention est formé essentiellement d'au moins une cuve de fermentation verticale, dans laquelle sont disposées, transversalement à la direction d'écoulement, des garnitures destinées à créer un courant de substrat dirigé de bas en haut, ainsi que des moyens pour empocher le mélange en retour des quantités de substrat séparées l'une de l'autre par les garnitures à l'intérieur de la cuve de fermentation.Cette cuve de fermentation peut posséder une forme extérieure quelconque, de préférence cylindrique, et etre constituée également par une série de réservoirs individuels superposés, qui sont reliés par des conduites, mais fonctionnent en tout cas suivant le mme principe qu'unie seule cuve de fermentation comportant les moyens conformes à l'invention pour le réglage de la circulation. La ou les cuves de fermentation peuvent Entre formées de matériaux quelconques et il est possible d'utiliser des cuves de fermentation soudées, rivées, ou à brides, ou encore exécutées par d'autres moyens. Pour le procédé selon l'invention, on utilise, de préférence, une cuve de fermentation cylindrique verticale, subdivisée par des garnitures intérieures en sections dans lesquelles stétablissent des-états stationnaires de fermentation. Le mode d'action de ces garnitures est assisté par le courant asoendant sus-mentionné de gaz carbonique se dégageant au cours de la fermentation alcoolique. Les garnitures prévues par l'invention à l'intérieur de la cuve de fermentation peuvent être constituées par des fonds plats, bombés ou coniques, qui sont montés horizontalement ou obliquement dans la cuve et munis d'ouvertureour le passage du substrat de fermentation et des gaz, Ces passages peuvent présenter la forme d'ouvertures circulaires ou non circulaires par exemple de fentes, pourvues de clapets empochant le mélange en retour du liquide de fermentation.Dans les fonds peuvent être insérés des tubes ascendants recouverts de cloches, ou de simples trous ou siphons portant un coude de 180 environ à leur extrémité supérieure ou inférieure, qui interdisent pareillement de façon efficace le remélange indésirable du liquide de fermentation. Le dispositif pour la mise en oeuvre du procédé conforme à l'invention est décrit ci-après de façon plus détaillée en référence aux dessins annexés. Les éléments identiques du dispositif sont désignés par les mêmes signes de référence. Dans ces dessins Fig. 1 représente en coupe une cuve 1 individuelle de fermentation avec une entrée de substrat 2, une sortie de produit 3, une arrivée de gaz 4, un départ de gaz 5 et des garnitures intérieures 6, destinées à créer une circulation dirigée de bas en haut et subdivisant la cuve de fermentation en sections dans lesquelles s'établissent des états stationnaires de fermentation. Fig. 2 représente un dispositif formé de plusieurs cuves de fermentation la à lo, qui sont reliées entre elles par des conduites 7a et 7b et comportent intérieurement des garnitures 6a à 6c pour conférer au liquide devant autre fermenté une circulation dirigée de bas en haut. Fig. 3 à 7 représentent, chacune en coupe et en plan, des garnitures intérieures constituées par des fonds horizontaux ou obliques avec ouvertures pour le passage du courant ascendant de substrat, les garnitures étant formées dans la figure 3 d'une chicane 8 avec passage 8', dans la figure 4 dlune chicane 9 avec plusieurs passages 9', dans la figure 5 d'un fond 10 avec siphons 10', dans la figure 6 d'un fond 11 avec tubes ascendants 11' munis de cloches 11" et, dans la figure 7, d'un fond 12 à plusieurs passages dans lesquels sont logés des clapets 12'. Pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention, la fermentation continue est effectuée, comme représenté schématiquement dans la figure 8, dans une cuve 1 de fermentation verticale; le substrat est introduit en 2 dans la cuve, tandis que le produit de fermentation est soutiré en 3 du dispositif. Le substrat de fermentation sucré est préparé dans une cuve 13, avec réglage d1une concentration en sucre de 15 par exemple et d'une valeur de pH de 5,0. Dans cette cuve est effectuée en outre une addition de 40g de biphosphate d'ammonium par hectolitre de liquide. Au commencement de la fermentation a lieu également l'ensemencement,au moyen de levure ou d'autres microorganismes qui prolifèrent gracie à l'aération de la partie inférieure de la cuve de fermentation I ou de la cuve de préparation du substrat 13.Lorsque le nombre de cellules par ml de micro-organismes dans la cuve de fermentation a atteint une concentration de tordre de 3 à 5 x 108 cellules par milli litre, le substrat de fermentation est amené due façon continue de la cuve de préparation 13 à la cuve de fermentation 1 en une quantité telle que le produit liquide soutiré en 3 ne contient pratiquement plus de sucre. La chaleur se dégageant au cours du processus de fermentation peut tre évacuée par des serpentins refroidisseurs 14. Pendant le processus de fermentation > une partie du gaz carbonique formé est avantageusement extraite en 19 > comprimée en 15 et ramenée en 4 dans la cuve. L'excédent de gaz carbonique s'échappe du dispositif par le départ de gaz 5. Pour la récupération des micro-organismes contenus dans le produit de fermentation, on fait passer celui-ci à travers un séparateur 16 où les micro-organismes sont séparés du courant de produit; après avoir été lavés en 20 à leau acidifiée de pH 2,5 environ, les micro-organismes peuvent être ranemés en 17 dans le circuit, au pied de la cuve 1. Le produit de fermentation débarrassé des micro-organismes est évacué du dispositif par la conduite 18 en vue de son traitement ultérieur, par exemple de sa distillation. I1 est naturellement possible, mais non indispensable dans tous les cas, de stériliser les substrats de fermentation avant leur introduction dans la cuve de fermentation, de les régler à une teneur optimale en sels azotés et phosphtés, ainsi qu'à la concentration voulue en ions d'hydrogène. Par le procédé selon l'invention > il est possible d'atteindre pendant une durée de plusieurs semaines des rendements en alcool correspondant très sensiblement aux rendements en alcool déterminés par des expériences en laboratoire et rapportés à des sucres fermentables existants, et ce en utilisant des substrats obtenus à partir de betteraves à sucre, de cannes à sucre et de raisins, par un traitement préalable approprié, connu de l'homme de l'art; il est possible aAme de fermenter de façon continue des substrats provenant par exemple de céréales, de pommes de terre, de bois, de fruflts, et d'autres substances élémentaires. Par la mise en oeuvre du procédé selon l'invention,on peut atteindre sans difficulté des teneurs en alcool comprisesen- tre 5 et 12 en volume,en particulier entre 8 et lO%,avec des durées de séjour du substrat dans la cuve de fermentation de 12 à 48 heures et même inférieures à 24 heures dans la plupart des cas. REVENDICATIONS 1. Procédé pour l'obtention par fermentation de produits éthanolés, avec introduction continue du substrat de fermentation dans le récipient de fermentation et soutirage continu du produit de fermentation, caractérisé en ce qu'on effectue la fermentation en courant ascendant, essentiellement sans mélange en retour du substrat et du produit de fermentation, et en ce qu'on maintient simultanément un courant turbulent de gaz à l'intérieur des diverses zones de l'opération. 2. Procédé suivant la revendication 1 caractérisé en ce que le courant turbulent de gaz est assuré au moyen de gaz ou de mélanges gazeux quelconques, inertes vis-à-vis du substrat, du produit de fermentation et des micro-organismes déclenchant la fermentation. 3. Procédé suivant l'une des revendications I ou 2, caractérisé en ce qu'on utilise, pour créer le courant turbulent de gaz, l'anhydride carbonique se formant au cours de la fermentation. 4. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'on ramène dans le récipient de fermentation une partie du courant de gaz qui s > en échappe. 5. Procédé suivant l'une quelconque des revendflaations 1 à 4 caractérisé en ce qu'on amène de l'extérieur au récipient, séparément ou simultanément, les micro-organismes déclenchant la fermentation, tels que des levures, des champignons ou des bactéries, et/ou qu'on les cultive ou qu'on les fait proliférer dans le récipient. 6. Procédé suivant l'une quelconque des revendica tions 1 à 5, caractérisé en ce qu'on récupère du produit de fermentation les micro-organismes soutirés avec lui et qu'on les ramène dans le circuit fermé en-vue de leur réutilisation, le cas échéant après un traitement intermédiaire approprié. 7. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé par au moins une cuve de fermentation verticale (1), dans laquelle sont montés des garnitures intérieures (6) transversales à la direction de circulation pour créer un courant dirigé de bas en haut du substrat de fermentation, ainsi que des moyens (10', ll", 12') pour empêcher le mélange en retour des quantités de substrat, séparées l'une de l'autre par les garnitures à l'intérieur de la cuve de fermentation. 8. Dispositif suivant la revendication 7, caractérisé par plusieurs cuves de fermentation superposées (la à lo) reliées entre elles par des conduites (7a , 7b) empêchant le remélange. 9. Dispositif suivant 1 'une des revendications 7 ou 8, caractérisé en ce que les garnitures intérieures sont constituées par des fonds plats, bombés ou coniques (8 à 12), montés horizontalement ou obliquement dans les cuves de fermentation et munis d'ouvertures pour le passage du substrat de fermentation et des gaz. 10. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisé en ce que les passages de substrat et de gaz dans les fonds des cuves de fermentation montés transversalement à la direction de circulation sont constitués par des ouvertures circulaires ou non circulaires munies de clapets (12') ou libres, ou par des tubes ascendants ou des siphons (10', 11') restilignes ou coudés, recouverts de cloches (11").