Brevet FR2183574A1 — publié le 19731221

La présente invention concerne les appareils pour la culture de microorganismes, par exemple de levures, dans des conditions d'aérobie et au contact de différentes sources de carbone telles que, notamment, les hydrocarbures liquides épurés du pétrole. En dehors de l'industrie microbiologique, l'invention peut être également utilisée dans l'industrie alimentaire, l'industrie pharmaceutique, la fabrication de préparations enzymatiques, la production d'antibiotiques et dans d'autres branches industrielles similaires. D'autre part, elle peut être mise en oeuvre dans les industries chimique et pétrochimique, dans l'industrie des peintures et vernis, en vue de la réalisation de processus d'échange de masse ; l'appareil faisant l'objet de l'invention peut aussi faire partie d'un ensemble d'appareils de clarification. On connaît un appareil pour la culture de microorganismes, comportant des éjecteurs pour la dispersion et le mélange d'une liqueur de culture et d'un agent d'aération, éjecteurs qui sont montés dans une capacité munie d'un diffuseur servant à diriger la circulation de la liqueur de culture. En vue de la saturation en oxygène, la liqueur de culture contenue dans cet appareil emprunte des canalisations pour être refoulée par des pompes dans les éjecteurs qui sont montés fixes et dans les chambres de mélange desquels elle entre en contact avec un agent d'aération contenant de l'oxygène, par exemple de l'air, et arrivant par une conduite de gaz. Les chambres de mélange des éjecteurs sont disposées à travers la paroi latérale de l'appareil et scnt orientées de façon que la liqueur de culture enrichie en oxygène s introduise dans l'appareil suivant une tangente, et qu'elle soit distribuée uniformément dans tout le volume de l'appareil à l'aide d'un dispositif d'agitation mécanique, ou grâce à l'autorotation du jet autour de l'axe de symétrie de l'appareil cylindrique. Toutefois, l'autorotation du jet de liqueur de culture, enrichie en oxygène, autour du diffuseur à paroi lisse ne peut égaliser efficacement les concentrations, du fait de la brusque chute de l'énergie du jet lors de son mouvement au sein du milieu liquide, cette chute ayant pour cause la turbulence du courant. Pour diriger le cheminement de la liqueur enrichie en gaz, issue des éjecteurs, l'appareil contientun diffuseur cylindrique à paroi lisse monté verticalement et suivant la surface extérieure duquel monte la liqueur de culture aéré qui a une masse spécifique plus faible. L'agent d'aération usé est séparé de la liqueur dans la partie supérieure de l'appareil, et la liqueur désaérée, de masse spécifique plus grande, chemine suivant la surface intérieure du diffuseur vers le bas, où elle est soutirée de nouveau par une pompe pour être refoulée dans les éjecteurs, et ainsi de suite à plusieurs reprises. Les éjecteurs montés fixes dans ledit appareil prédéterminent l'introduction de la liqueur aérée en un seul et meme point de l'appareil, à savoir à l'endroit où est disposé l'éjecteur, ce qui a pour effet de deeréer un gradient très important des concentrations de l'oxygène dissous au sein de la liqueur dans le volume de l'appareil. Les prélèvements successifs de la liqueur désaérée, effectués continuellement par la pompe, et son refoulement subséquent dans les éjecteurs, produisent un effet défavorable sur les microorganismes, du fait de leur transport au sein d'un milieu désoxygéné, s'accompagnant de perturbations locales d'un certain nombre de paramètres déterminants, tels que la température et la valeur du pH (concentration d'ions d'hydrogène). Il y a lieu de souligner, en outre que l'utilisation de pompes pour envoyer dans les éjecteurs la liqueur de culture, laquelle convient toujours, en raison du caractère spécifique du processus de culture des microorganismes, une certaine proportion de mousse, donne lieu à des à-coups dans le fonctionnement des pompes, c est-à-dire à un refoulement pulsatoire de la phase liquide, ce qui a pour conséquence de diminuer l'efficacité générale du fonctionnement des éjecteurs. D'autre part, les canalisations amenant aux pompes la liqueur de culture provoquent l'apparition, pendant le transport, de zones dans lesquelles le milieu est appauvri en oxygène et les valeurs du pH et de la température ne sont pas réglables, et qui sont donc défavorables à la culture des microorganismes, et en outre,augmentent le rapport entre la masse des structures métalliques et celle du produit fini pour l'ensembles de l'appareil. La présente invention permet de supprimer les inconvénients précités. A cette fin, l'invention vise un appareil qui, en utilisant le haut coefficient de transfert de masse assuré par les éjecteurs, permet de réaliser dans tout le volume de l'appareil une haute concentration de l'oxygène dissous dans la liqueur de culture, offre la possibilité de ne pas sortir de l'appareil la liqueur de culture, ne serait-ce que pour un court laps de temps, est de construction simple et permet d'augmenter, pour une même dépense d'énergie, la puissance utilisée efficacement, tout cela allant de pair avec un accroissement général de la productivité et une réduction du rapport entre la masse des structures métalliques de l'appareil et celle du praduit fini. Ce problème est réeolu du fait que dans un appareil pour la culture de microorganismes, du type comportant des éjecteurs destinés à disperser et à mélanger une liqueur de culture et un agent d'aération et montés dans une capacité recevant la liqueur de culture et comportant un diffuseur pour diriger la circulation de la liqueur de culture, selon l'invention les éjecteurs sont réalisés de façon qu'ils puissent tourner dans un plan horizontal pour prélever la liqueur de culture, ce qui permet de distribuer la liqueur de culture enrichie en oxygène dans tout le volume des éjecteurs et d'égaliser ensuite les concentrations d'oxygène dissous lors de la montée verticale de la liqueur aérée. L'appareil peut être pourvu d'un dispositif dont la fonction est de mettre en rotation les éjecteurs, ce dispositif ayant la forme d'un corps de révolution évidé à l'intérieur duquel sont montés les éjecteurs et qui est disposé dans la capacité au-dessous du diffuseur. Avantageusement le corps de révolution creux comporte deux portions conjuguées, dont une portion de forme cylindrique destinée à prélever la liqueur de culture et disposée, par rapport au diffuseur, coaxialement et avec un certain écartement, et une portion de forme torique, servant à amener la liqueur de culture aux éjecteurs; dans la paroi latérale de cette dernière portion sont encastrés les éjecteurs, dont les chambres de mélange sont orientées dans liens opposé au sens de rotation, pour créer ainsi un courant ascendant de liqueur de culture enrichie en oxygène dans toute la section périphérique de l'appareil. Les éjecteurs peuvent être encastrés dans la paroi latérale du tore, soit sous un certain angle, soit tangentiellement par rapport à ladite paroi dans alezan de rotation des éjecteurs, en permettant ainsi de créer des conditions optimales pour la formation et l'écoulement du jet gaz-liquide des éjecteurs. 'la chambre de mélange peut être disposée suivant un arc, tangentiellement à la surface extérieure du tore dans le plan de rotation des éjecteurs, ce qui offre la possibilité d'augmenter la longueur de la chambre. La portion servant à amener la liqueur de culture aux éjecteurs peut être pourvue avantageusement d'ailettes de forme rectangulaire, du type caisson, dont le côté extérieur dirige la liqueur de culture vers les éjecteurs et dont l'enceinte sert à amener l'agent d'aération. Lesdites ailettes envoient vers les éjecteurs, par effet centrifuge, toute la liqueur de culture contenue dans la portion servant au prélèvement de la liqueur de culture, en créant ainsi une pression de refoulement constante en amont de l'éjecteur; il y ri alors migration des bulles de gaz, par suite de la différence de densité par rapport à la liqueur intégrale vers le centre du corps de révolution évidé, d'où elles sont éliminées en remontant d'elles-mêmes à la surface. Il s'ensuit qu'aux éjecteurs est admise une liqueur de culture pratiquement intégrale, ce qui améliore l'efficacité de fonctionnement de l'appareil. On peut en outre munir l'appareil de plaques montées verticalement, cloisonnant la section de l'appareil à partir de la surface intérieure de la capacité jusqu'à la surface extérieure du diffuseur, en vue d'accélérer la sortie de l'agent d'aération, ce qui augmente la force motrice de sorption de l'oxygène par la liqueur de culture, en assurant le reflux efficace du gaz usé, appauvri en oxygène. En outre, on peut munir l'appareil de plaques montées verticalement et cloisonnant l'enceinte du diffuseur, en vue d'éviter l'apparition d'un entonnoir de trombe dans la liqueur de culture contenue dans la portion pour le prélèvement de la liqueur de culture, et d'obtenir ainsi une liqueur intégrale. Lesdites plaques accroissent le degré d'intégralité de la liqueur, en facilitant les opérations de séparation et d'autoflottation des bulles de gaz dans le diffuseur. Il est rationnel, en cas d'utilisation d'appareils de grand volume, de diviser la portion pour le prélèvement de la liqueur de culture en deux zones symétriques par rapport à l'axe de rotation des éjecteurs, afin d'assurer un prélèvement bilatéral de la liqueur de culture, en accélérant ainsi si besoin est, la vitesse de circulation de la liqueur de culture. La présente invention est expliquée dans ce qui suit par une description détaillée d'un exemple non limitatif de réalisation et à l'aide des dessins annexés, dans lesquels - la figure 1 représente schématiquement une vue d'ensemble de l'appareil conforme à l'invention - la figure 2 est une vue suivant la flèche A de la figure 1 L'appareil proposé pour la culture de microorganismes se présente sous forme d'une capacité 1 (figure 1) de forme cylindrique pour la liqueur dekulture, cette capacité comportant un fond plan 2 et un couvercle plan 3. Dans la capacité 1 sont montés des éjecteurs 4 (figure 2) pour la dispersion et le mélange de la liqueur de culture et de l'agent d'aération. En outre, elle comprend un diffuseur 5 (figure 1) monté fixe pour diriger la circulation de la liqueur de culture. Pour l'admission dans l'appareil des constituants de la liqueur de culture et de l'agent d'aération, le couvercle 7 de l'appareil comporte des raccords correspondants 6 et 7. Pour soutirer la liqueur de culture de l'appareil, on se sert d'un dispositif de transvasement 8 qui communique avec la capacité 1 dans la partie inférieure de l'appareil. Be contrôle et le réglage des paramètres technologiques (to, pH,P etc... ) sont effectués par l'intermédiaire de raccords 9 montés dans la paroi latérale de la capacité 1, et à l'aide d'appareils appropriés. Pour la régulation de la temperature de la liqueur de culture, l'appareil est doté d'un échangeur de chaleur 10. L'évacuation du gaz usé se fait par un raccord 11 disposé dans le couvercle 3 de l'appareil. L'amenée de l'agent d'aération aux éjecteurs 4 s'effectue par une conduite d'air 12. Les éjecteurs 4 sont réalisés rotatifs. Afin qu'ils puissent tourner, il est prévu un dispositif de rotation affectant la forme d'un corps de révolution évidé 13, disposé dans la capacité 1. Le corps de révolution évidé 13 possède deux portions conjuguées, dont une portion 14 de forme cylindrique pour le prélèvement de la liqueur de culture et une portion 15 de forme torique, servant à amener la liqueur de culture aux éjecteurs. La portion 14 pour le prélèvement de la liqueur de culture est disposée, par rapport au diffuseur 5, coaxialement et avec un certain écartement, ce qui permet de supprimer les fortes résistances hydrodynamiques opposées à la circulation de la liqueur dans le plan vertical. 'les éjecteurs 4 sont encastrés dans la paroi latérale de la portion 15 servant à amener la liqueur de culture, de façon telle que leurs chambres de mélange 16 (figure 2) soient orientées du coté opposé au sens de rotation des éjecteurs. Les éjecteurs peuvent être montés tangentiellement à laSurface latérale de la portion pour l'amenée de la liqueur de culture, ou sous un certain angle, ce qui permet de créer des conditions optimales pour l'écoulement du jet gaz-liquide des éjecteurs. La chambre de mélange 16 des éjecteurs est disposée suivant un arc, tangentiellement à la surface extérieure du tore dans le plan de rotation des éjecteurs, ce qui offre la possibilité d'accroître la longueur de la chambre sans augmenter la résistance totale. La portion 15 pour l'amenée de la liqueur aux éjecteurs possède des ailettes 17 de forme rectangulaire, du type caisson, dont le côté extérieur 18 dirige la liqueur de culture vers les éjecteurs, alors que l'enceinte 19 sert à amener l'agent d'aération dans la chambre de mélange 16. Les ailettes 17 envoient vers les éjecteurs, par effet centrifuge, toute la liqueur contenue dans la portion 14 pour le prélèvement de la liqueur de culture, en engendrant ainsi une pression de refoulement constante en amont de l'éjecteur il y a alors migration des bulles de gaz contenues dans la liqueur de culture, par suite de la différence de densité relativement à la liqueur intégrale vers le centre du corps de révolution évidé, d'où elles sont éliminées en remontant d'elles-mêmes à la surface. Il s'ensuit qu'aux éjecteurs est admise une liqueur de culture pratiquement intégrale, ce qui augmente l'efficacité de fonctionnement des éjecteurs. Entre la surface intérieure 20 de la capacité 1 et la surface extérieure 21 du diffuseur 5 sont disposées des plaques verticales 22 qui cloisonnent la section de l'appareil et servent à accélérer la sortie de l'agent d'aération, ce qui permet d'augmenter la force motrice de sorption de l'oxygène par a liqueur de culture, grâce au fonctionnement selon le principe de déplacement total du gaz, en assurant le reflux efficace du gaz usé, appauvri en oxygène. Dans l'enceinte du diffuseur 5 sont disposées des plaques verticales 23 qui cloisonnent cette enceinte suivant le diamètre et inhibent la tendance que manifeste la liqueur de culture et l'agent d'aération à former un entonnoir de trombe dans la portion pour le prélèvement de la liqueur de culture t de l'agent d'Se'ration, en augmentant ainsi le degré d'intégralité de la liqueur et en facilitant les opérations de séparation et d'autoflottation des bulles de gaz dans le diffuseur. La portion 14 pour le prélèvement de la liqueur de culture peut etre divisée en deux zones disposées symétriquement par rapport à l'axe de rotation des éjecteurs. Une telle particularité constructive de l'appareil assure un prélèvement bilatéral de la liqueur de culture, et s'applique aux appareils de grand volume. 1'appareil faisant l'objet de l'invention fonctionne de la manière suivante. A travers le raccord 6 on verse dans la capacité 1 les constituants de la liqueur de culture jusqu a ce que la moitié de l'appareil soit remplie, on introduit la semence et on met en action le système moteur entraînant les éjecteurs 4 en rotation. Grâce à l'effort centrifuge engendré par les ailettes 18, la liqueur de culture est envoyée à travers l'éjecteur 4 dans la chambre de mélange 16, dans laquelle apparait une certaine dépression dont la valeur est fonction de la vitesse de rotation du système moteur. Par suite de la dépression créée dans la chambre de mélange 16, l'agent d'aération commence à arriver dans cette chambre en passant par l'enceinte 19, la conduite d'air 12 et le raccord 7. Dans la chambre de mélange 16, en raison de la forte dispersité des phases liquide et gazeuse, il y a saturation de la liqueur de culture par l'oxygène contenu dans l'agent d'aération. 1a liqueur de culture saturée en oxygène suit un trajet ascendant dans toute la section entre la surface extérieure 21 du diffuseur 5 et la surface intérieure 20 de la capacité 1, en traversant successivement les compartiments de l'échangeur de chaleur 10. Lorsque la liqueur de culture saturée en gaz entre en contact avec les plaques 22, il y a grossissement des bulles de gaz et, en conséquence, accélération de leur séparation de la liqueur de culture par flottation, ce qui se traduit par une augmentation de la force motrice du processus d'échange de masse, c'est-à-dire de la dissolution de l'oxygène dans la tase liquide.L'élimination de l'agent d'aération usé se fait à travers le raccord 11. La liqueur de culture appauvrie en agent d'aération s'introduit dans l'enceinte intérieure du diffuseur 5 et suit un trajet descendant dans toute sa section vers la portion 14 pour le prélèvement de la liqueur de culture. L'entonnoir de trombe qui tend à apparaitre alors est supprimé par les cloisons 23. On fixe à un niveau déterminé le dispositif de transvasement 8 pour le soutirage en continu de la liqueur de culture, on assure l'admission en continu des constituants de la liqueur de culture et on procède à la culture en continu des microorganismes, après les avoir accumulés jusqu'à la concentration prescrite. Le processus d'accumulation s'effectue selon la technique décrite plus haut, sans soutirer la liqueur de culture ni admettre les constituants de la liqueur de culture. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée au mode de réalisation décrit et représenté qui n'a été doriné qu'à titre d'exemple. En particulier, elle comprend tous les moyens décrits ainsi que leurs combinaisons si celles-ci sont exécutées selon l'esprit de l'invention et mises en oeuvre dans le cadre des revendications qui suivent. REVENDI CAT IONS 1) - Un appareil pourla culture de microorganismes, du type comportant des éjecteurs destinés à disperser et mélanger une liqueur de culture et un agent d'aération, et montés dans une capacité recevant la liqueur de culture et comportant un diffuseur pour diriger le mouvement de la liqueur de culture, ledit appareil étant caractérisé en ce que les éjecteurs sont réalisés de façon qu'ils puissent tourner dans un plan horizontal de manière à prélever la liqueur de culture. 2) - T;Y1 appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif de rotation des éjecteurs, se présentant sous forme d'un corps de révolution évidé, disposé dans ladite capacité au-dessous dudit diffuseur. 3) - Un appareil selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le corps de révolution évidé précité comprend deux portions conjuguées, dont une portion de forme cylindrique destinée à prélever la liqueur de culture et disposée/coaxialement et avec un certain écartement par rapport au diffuseur, et une portion en forme de tore,servant à amener la liqueur de culture aux éjecteurs et dans la paroi latérale de laquelle sont encastrés les éjecteurs, la chambre de mélange de ceux-ci étant orientée dans le sens opposé au sens de leur rotation. 4) - Un appareil selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les éjecteurs sont encastrés dans la paroi latérale du tore précité, sous un certain angle par rapport à elle dans le plan de rotation des éjecteurs. 5) - Un appareilpelon l'une des revendications 3 et 4, caractérisé en ce que les éjecteurs sont encastrés dans la paroi latérale dudit tore tangentiellement à celui-ci dans le plan de rotation des éjecteurs. 6) - Un appareil selon la revendication 3, caractérisé en ce que la chambre de mélange de l'éjecteur est disposée suivant un arc, tangentiellement à la surface du tore dans le plan de rotation de l'éjecteur. 7) - Un appareil selon la revendication 3, caractérisé en ce que la portion servant à amener la liqueur de culture aux éjecteurs possède des ailettes de forme rectangulaire, de type en caisson, dont le côté extérieur dirige la liqueur de culturelers les éjecteurs, tandis que son enceinte sert à amener l'agent d'aération. 8) - Un appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte des plaques montées verticalement et cloisonnant la section de l'appareil à partir de la surface intérieure dela capacité précitée jusqu'à la surface extérieure du diffuseur, en vue d'accélérer la sortie de l'agent d'aération usé. 9) - Un appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte des plaques montées verticalement et cloisonnant l'enceinte du diffuseur, en vue de prévenir la formation d'un entonnoir de trombe par la liqeur de culture et l'agent d'aérationdansla portion servant au prélèvement de la liqueur de culture ainsi que de favoriser l'obtention d'une liqueur intégrale. 10) - Un appareil selon la revenication 3, caractérisé en ce que la portion servant au prélèvement de la liqueur de culture est divisée en deux zones symétriques par rapport à l'axe de rotation des éjecteurs, lesdites zones assurant le prélèvement bilatéral de la liqueur de culture.