Brevet FR2209835A1 — publié le 19740705

L1 Invention a pour objet un réacteur agité de fermentation que nous ncmmerons ' fermenteur" dont la conception particulière permet une utilisation simple, pratique et efficace ainsi qu'un démontage rapide et une interchangeabiiité facile et peu coûteuse des diverses pinces et accessoires constitutifs, De plus, et c'est cela surtout qui fait l'originalité de l'invention, l'appareil est équipé d'un système spécial qui permet à lui seul d'assurer le chauffage ou le refroidissement de la culture, la stérilisation de l'appareillage et la stérilisation in situ du milieu de la culture. Le fermenteur et le système précédent forment un ensemble complètement autonome. Le fermenteur rentrant dans l'invention peut être réalisé entièrement en métal ou en verre et métal. Dans les deux cas il peut être constitué d'une virole de verre serrée entre une plaque de tette et une plaque de fcnd, le serrage se faisant par tirants, ou d'un réacteur de verre dont l:embout est serré entre une plaque de tête et une couronne de serrage. Toutes les pièces pouvant être en contact avec le milieu de culture sont en acier inoxydable poli, ou en viton ou en graphite usiné ou en téflon ou en verre. Les pièces qui ne sont pas en contact avec ce milieu de culture peuvent être constituées en un de ces matériaux ou encore en laiton chromé ou en acier ordinaire chromé. Le développement sans cesse croissant de l'utilisation des techniques de fermentation et les besoins de plus en plus importants en fermenteurs, surtout dans le domaine du laboratoire, ont conduit à l'apparition sur le marché d'appareils plus ou moins standardisés conçus pour recevoir des équipements nombreux et variés répondant aux besoins des utilisateurs. Ces équipements peuvent être des canalisations d'entrée et de sortie d'air stérile, des capteurs pour la mesure de la température, du pH, de l'oxygène dissous, de l'épaisseur de mousse, etc capteurs reliés è des appareils de contrôle et de régulation électronique. I] peut y avoir en outre des tubes de prélèvement d'échantillon. des tubes d'inoculation, des tubes d'injection de iquide correcteur de pH, de liquide antimousse, des échangeurs thermiques, etc Enfin dans la plupart des cas les fermenteurs sont équipés d'un système d'agitation à entraînement mécanique, avec turbine a' pales verticales ainsi que de contrepales pouvant être orientables et destinées à s'opposer au phénomène de vortex créé par l'agitation, pour améliorer l'homogénéité du bain et la diffusion de l'air à l'intérieur de ce bain. Il faut ajouter que les appareils sont conçus dans le souci d'éviter le plus possible les phénomènes de contamination, ce qui implique la nécessité d'avoir des surfaces parfaitement lisses et de supprimer autant que faire se peut les espaces morts qui pourraient être mal -oxygénés. Ces problèmes de contamination conduisent évidemment à réaliser des opérations périodiques de stérilisation de l'appareillage ainsi que des opérations de stérilisation du milieu de culture, avant inoculation. Ces opérations sont réalisées à une température voisine de 1200C soit en autoclave pour les fermenteurs de petites dimensions, soit sur place pour les fermenteurs de dimensions plus grandes. Bien observer tous ces impératifs et bien réaliser ces op.éra' tions décrites ne sont pas toujours choses faciles, et les fermenteurs existant présentent parfois certains inconvénients. Tels sont: - Le montage et le démontage des divers accessoires. Il faut souvent démonter la platine de tête elle-même pour retirer du corps du fermenteur des accessoires comme le système d'agitåtion ou les contrepales par exemple. - L'interchangeabilité des pièces et l'équipement ultérieur du fermenteur en accessoires supplémentaires. Il est nécessaire, par exemple, de pratiquer des modifications ou des soudures sur la platine supérieure lorsque l'on veut rajouter sur celle-ci un équipement qui n'a pas été prévu d'origine tel qu'une sonde de pH quelconque. - La nécessité de chauffage ou de refroidissement du milieu de culture qui fait apparaître dans la plupart des fermenteurs-un échangeur de chaleur qui plonge dans le bain, ce qui réduit de ce fait'l'espace utile et provoque des zones inertes qui limitent la cinétique de réaction. - -Enfin et surtout les opérations de stérilisation sont longues conteuses, pas très aisées à réaliser et impliquent soit un appareillage assez lourd, soit des installations onéreuses. En effet 1-es stérilisations en autoclave demandent beaucoup de manipulations,de précautions et elles sont longues. Elles nécessitent de plus un autoclave. Les stérilisations sur place se font soit par injection de vaneur sous prassion (2 BAP absol @s en @énéral) @our la stérilisation du fermenieur lui-même. soit par chauffage d@ milieu de culture à 120 C environ par l'intermédiaire de l'é@hangeur à l'intérieur duguel on fait @ir@uler de la @apeur sous prassion. Le milieu de @ulture est m@e lui-même sous pression (2 BA@ absolus en général, @e qui correspond à une temperature d'ébu@lition de 120 C environ). Dans se cas la vaneur de chauffage de la vaneur saturante , en princine. doit être à une temperature @@nérieure à 120 C, donc à une pression supérieure à 2 BA@. Dans certains cas on introduit dans le fermenteur le milieu de culture préalablement stérilisé en auto@lave. Cette stérilisation sur n@a@e implique oblicat@irement d'avoir une source de vane@r dans le lab@ratcire ou l'atelier lui-même. c'est à dire un résea@ vane@@ sous pression ou une chaudière de génération à proximité. Il fa@t en @@tre un poste de détente et un poste de filtration de rette va@eur. Cet é@uinement est souvent lourd et coûteux pour un petit la@oratoire. Pour remédier à tous ces inconvénients, et obtenir une meilleure efficacité, tout en maintenant on prix de revient bon marché et des conditions de robustesse et de sé@urité suffisantes, on a été amené à réaliser un ensemble de conception nouvelle. Le fermenteur conforme à l'invention présente les particularités suivantes: 1. Tous les accessoires: système d'agitation, contrepale , capteurs de mesure et de régulation, tubulures, qui sont montés sur la @latine supérieure, peuvent se démonter depuis l'extérieur. et être retirés du fermenteur sans que l'on soit obligé de démonter la platine supérieure elle-même. 2. Au@un de cas ac@ess@ires n'est fixe sur le platine supérieure par soudure. Tout est fixé @ar @is lo@ées dans des trous @orgnes f@le@és, l'étanchéité se faisant par joint téflon. Ces deux premiers avantages permettant des m@ntages et des dém@@tages faciles et rap@des et une parfaite interchangeabilité de @@@ces. De plus les @isques de @@@tamination sont réd its au minimum. car a@@@@@ @@@ @@ tête de @@@, @@ filet @'est annarent à l'intérie@r. Même la joint d'éta@@hé@té m@@a@iq@e qui est mo@@é @ - l'er@re d'a@itat @@ @@ @@@ est u@ @@@@@ @ @@rt@e graph@te @siné @@@ @@ er i@@@ dable est @r@@éqé par @@e @@@ce e@ téflon @ @@@@@@@ @@e da2 @@me éta@@@@@@ sur @@ar@re et qui @@@@ @ermettrs une stérilisation du joint mécanique pendant la culture. 3. Il n'y a pas d'échangeur de chaleur supplémentaire à l'inté rieur de l'appareil, mais les contrepales sont conçues de telle sorte qu'elles jouent elles-mêmes le rôle d'échangeur de chaleur. Ces contrepales -sont en effet creuses et peuvent être parcourues par un fluide de chauffage ou de refroidissement ou encore être équipées de résistances électriques incorporées. Afin d'augmenter encore la surface d'échange, et de diminuer par là-même la diffé rence de température entre l'élément chauffant et le milieu de culture le fermenteur de type virole de verre serrée entre deux platines comporte, fixé contre la face extérieure de la platine inférieure un serpentin où circule le fluide refroidissant ou chauffant. Cet élément supplémentaire permet d'échanger des calories.par l'intermédiaire de la platine inférieure. 4. Enfin ie fermenteur et le milieu de culture peuvent être stérilisés sur place, grâce à un dispositif autonome qui est conçu de la façon suivante: Les échangeurs contrepales et le serpentin de la platine infé rieure. sont alimentés non pas par de la vapeur sous pression, mais par un liquide caloporteur qui peut être une huile minérale ou végétale ou tout simplement de l'eau sous pression. Le liquide circule en circuit fermé. Le circuit .comporte une pompe ou circu lateur et un dispositif de chauffage électrique du fluide. Pour la stérilisation, ce dernier est porté à une température un peu supérieure à la température de stérilisation et transmet les calories au fermenteur par. l'intermédiaire des échangeurs décrits. La stérilisation du fermenteur vide se fait par vaporisation et surchauffe d'eau traitée. Cette eau peut hêtre introduite au préala ble dans le fermenteur ou introduite en continu pendant l'opération elle-mSme. Dans ce dernier cas. l'introduction se fait par le tube d'inoculation ou par le tube d'entrée d'air. L-'eau se vaporise au contact de la face intérieure de la platine. de fond et la vapeur est surchauffée au cnntact des contrepales. Son évacuation se fait par tous 3es circuits d'en.trée et de sortie du fermenteur ce qui de permet de stériliser aussi ces circuits. La stérilisation du milieu/ culture se fait en chauffant ce milieu à une température voisine de 120su et une pression voisine de 2 BAR absolus. i 'ébul3ition étant 'imitée par une surpression d'air stérile. La puissance électrique de chauffage est variable suivant la capacité du fermenteur et elte est calculée de menière a obtenir une montée rapide du bain en temperature. Ce dispositif sert par la suite au chauffage du bain de calture à la température désirée. Il sert aussi, @e cas échéant, au refroidissement. @e liquide cal@porteur qui circule en circuit fermé @tant lui-même refroid@ par une circulation d'eau dans une double enveloppe du s@stème contenant le chauffage électrique. La chauffage électrique est régulé par un dispositif électronique asservi à la température du milieu de culture. Ce dispositif commande aussi l'électrovanne de circulation d'eau de refroidissement lorsque cela est nécessaire. Les lia sons entre les échangeurs d:i fermenteur et le système de chauffage t de circulation se font au moven de tubes souples gaînés ou de tubes rigides. La première solution est appliquée lorsque le liquide est une huile; cela permet d'éviter le démontage du circuit pour enlever les contrepales. La deuxième solution est appliquée lorsque le fluide est de l'eau: le démontage dans ce cas peut sa faire par éléments, en démontant les raccords. Pendant la stérilisation le circuit est a1 ors mis sous pression. Une soupape de sécurité est placée sur le "ase d'expansion du circuit. Cette soupape joue aussi le rôle de sécurité sur température haute. Ce système offre de plus l'avantage de présenter un circuit unique qui sert à la fois au chauffage, au refroidissement et à la stérilisation. La figure I représente le fermenteur ave son dispositif de chauf fage, de refroidissement et de stérilisation. Ia a figure 2 représente une vue d'une contrecale creuse prévue pour admettre une circulation de fluide caloporteur. La figure 3 représente une coupe vue ne dessus de cette contrepale. La figure 4 représente e montage d joint d'étanchéité mécanique protégé par le capuchon en téflon. la figure 5 représente le principe de montage d'cn accessoire sur la platine supérieure. Pans la figure 1 olanche T. ns distingue :n schéma de l'ensemble de l'appareillage. Le fermenteur est constitué d'une virole de @erre (1) avec embouts côniques (1a) à chaque extrémité, serrée entre deux platines !2) t (@) nar l'intermédiaire de tirants (4). pans la cartie inférieure le serrage se fait Dar l'intermédiaire d'une couronne (5). la platine supérieure composte le mécanisme d'agitation (6) avec s@n axe !7) et sa turhine à pales verticales (8), t divers acces soires qui ne figurent pas tous sur la figure. Celle-ci fait apparaître seulement deux contrepales (9) et(10) et une sonde de température (11) logée dans son doigt de gant. La platine inférieure ne comporte pas d'accessoires. Elle est simplement équipée à l'extérieur d'un serpentin échangeur (12), fixé contre elle de façon à assurer une bonne transmission de la chaleur. Pour des raisons de simplicité, seule la contrepale (10) et le serpentin (12) ont été représentés avec leurs branchements au circuit de fluide caloporteur. Les autres contrepales sont branchées de la même façon soit en parallèle, soit en série. Le serpentin péut aussi être branché en série avec les contrepales. I1 est ici représenté branché en parallèle. -On peut donc voir sur la figure 1 la contrepale (10) et le serpentin (12) alimentés en fluide caloporteur par les canalisations (13) et (14), l'évacuation se faisant par les canalisations souples (15) et (16). La circula tison est assurée par la pompe de circulation (17), le chauffage et le refroidissement se faisant dans l'échangeur (18). Le chauffage du fluide est assuré par la résistance (19) et le refroidissement par une circulation d'eau.Dans la double enveloppe (20) l'eau rentrant par la canalisation (21) et sortant par ta canalisation (22) et le circuit étant établi par I'électrovanne (21a). La résistance électrique et l'électrovanne sont commandées par le régulateur électronique (29) qui reçoit le signal du capteur (1-1). Le fonctionnement est le suivant: En culture on régule la température du bain à 350 par exemple. La température est maintenue à cette valeur par la circulation de fluide caloporteur dans les contrepales et le serpentin, le fluide étant réchauffé par la résistance électrique lorsque la température est inférieure à 350C, et étant refroidi par l'eau grâce à l'ouverture de l'-électrovanne lorsque la température devient supérieure à 350C + xO.C, xpouvant avoir les valeurs 0,1 ou 0,2cl. 10 Puer la stérilisatIon, on régule la température intérieure à 1200C par exemple. Cette température est soit la température de la vapeur émise dans le fermenteur vide, soit la température du milieu de culture. La température est maintenue à 1200C par circulation du fluide qui est chauffé par la résistance. Le trajet du fluide dans la contrepale apparaît sur la figure 2 et 3 planche II. Le fluide pénètre dans le tube en acier inoxydable (23) qui plonge jusqu'au fond de la contrepale, sort de ce tube par ne lumière (24) pratiquée à l'intérieur et remonte dans la contrepale pour sortir par le tube en acier inoxydable (25). La réalisation de la contrepale e]ie-même est assez particulièré. Elle est en effet constituée d'un tube mince écrasé (28) sur toute sa longueur, la partie inférieure étant repliée et fermée par soudure suivant une arête horizontale et i la partie supérieure étant soudée en (25) au bouchon support. Ce dernier, qui est logé dans un orifice situé dans la platine supérieure, l'étanchéité se faisant en (27) par joint téflon, est traversé par les tubulures d'entrée et de sortie du fluide. Ce mode de réalisation permet d'obtenir une contrepale qui offre une face relativement plane au mouvement du bain agité. La figure 4 planche II fait apparaître le montage du système d'étanchéité sur l'arbre d'agitation (7). Ce système est composé d'un joint d'étanchéité mécanique comprenant le joint lui-mSme (3t) à portée graphite et soufflet téflon, la contreface à portée inox (32) logée dans une plaque support (33) et la bafoue d'arrêt (34). La plaque support (33) est fixée sur la platine, l'étanchéIté se faisant par la partie supérieure (35) du capuchon en téflon (36). Ce capuchcn réalise une deuxième étanchéité en (37) sur l'arbre et protège le joint mécanique contre toute contamination. La plaque (33) peut être percée de deux o-rifices ppur admettre soit une circulation de vapeur, soit un tampon d'air stérile permettant de stériliser ou d'isoler stérilement le joint mécanique pendant ou après la culture. La figure 5 planche II représente le schéma de montage d'un bouchon traversé par un tube d'injection ou de prélèvement (38) qui est soudé sur le bouchon (39). Celui-ci est serré sur l'épau- lement (40) de la platine par la plaquette (41), fixée sur la platine par des vis vissées dans des trous borgnes (42). L'étanchéité est réalisée par le joint en téflon (43). Tous les accessoires disposés sur la platine sont montés suivant ce principe de bouchon intermédiaire. Certains de ces bouchons sont pleins de façon à pouvoir être équipés ultérieurement sans que cela nécessite de modifications sur la platine. REVENDICATIONS. 1. Fermenteur constitué d'une virole à embouts coniques à portées planes rodées, serre entre deux platines de manière étanche par l'intermédiaire de joints en téflon, de tirants et d'une couronne entourant la platine inférieure, caractérisé en ce que la platine supérieure outre un mëcanisme d'agitation avec turbines à pales verticales et des accessoires tels que sonde de température, entrée et sortie d'air, tubes d'inoculation et de prélèvement, porte des contrepales orientablès et creuses dans lesquelles circule en circuit fermé un fluide capable d'assurer le chauffage ou le refroidissement de la culture et la-stérilisation in situ, la circulation du fluide à température déterminée étant effectuée dans les contrepales et en parallèle ou en série dans un échangeur de chaleur situé contre la face extérieure de la platine inférieu- re, par des canalisations souples ou rigides reliés à un échangeur de chaleur extérieur au fermenteur, un système de bouchons étanches permettant l'introduction des divers équipements et des dispositifs d'injection,, de prelèvement ou de mesures. 2. Fermenteur selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'échangeur de chaleur extérieur,au fermenteur comporte une résistance électrique située à l'intérieur et une double enveloppe dans laquelle peut circuler l'eau de refroidissement, le fonctionnement de la résistance électrique et de l'électrovanne assurant l'ouverture du passage de l'eau de refroidissement dans la double enveloppe étant asservis à deux valeurs de consigne entourant la température desirée dans le fermenteur. 3. Fermenteur selon les revendications 1 et 2 caractérisé en ce que la circulation du fluide caloporteur chauffé par la résistance électrique ou refroidi par échange avec l'eau froide, est assuré par une pompe de circulation. 4. Fermenteur selon les revendications t, 2 et 3 caractérisé en ce que la stérilisation du fermenteur vide est obtenue par vaporisation d'eau traitée et surchauffe de la vapeur à l'interi-eur méme de celur-ci, i'energ-ie de vaporisation et- de surchauffe étant fournie par le fluide caloporteur au travers des contrepales et de la platine lnférieure. 5. Fermenteur seion ies revendi,aticns 1, 2 et 3 caractérisé en ce que a st@rilisation in situ du milieu de culture est --btenue en portant celui-ci à une température supérieure à 10000 e sous la pression de vapeur saturante correspondante grâce à @apport @'@nerg@e @@@@@@@ par @a @@@@@@ation du f@u@de ca on@r @@@r à @'@n@@r@e@r de@ @@n@@@@a @s e@ de @@chan@eur sit@e contre a p@a@@ne @nter@etre. 6. Dispos @t suivant es re@endications 1, 2 et 3 @@racterisé en ce que le f u@de ca@@@@r@@ur es@ une hu@@e ou @@t au@re @@quide à faible @ension de @a@eur c@rou@an@ à pression normale, ou de l'eau circu@ant sous pression. 7. Fermenteur selon la re@end@cation 1 caractérise en ce qu'i@ est réal @e en a@ier n@x@ dab@e et en verre. et que les accessoires et équipements sont en un ma@eriau choisi dans @e @ro@pe des matériaux inertes @e@s que ac@er inox@dable, acier @rdinaire chrome, laiton chrom@, @@ @n et @f@on. 8. Fermenteur suivant la revendication 1 caracterise en ce que chaque con@repa@e creuse et @rientable, jouant le rôle d'échangeur de chaleur, est constituse d'un tube en ac@er inoxydable écrasé suivant sa genéra@@ise verticale, dont la partie supérieure est soudse à la tête de la contrepale et @a partie inferieure est fermée par soudure, l'entrse du fluide caloporteur se faisant par un tube qu@ traverse la @ête et plonge jusqu'au fond, et la sortie par un autre tube qui traverse é@alement la tête et émerge dans la partie superieure de la contrepale. 9. Fermenteur suivant la revendication 1 caracterisé en ce que l'étanchaité des bouchons intermediaire pour l'introduction des dispositifs de prel@vement, injection ou mesures, est assurée par des joints en pol@tétrafluoro@thylene serrés sur la platine par des plaquettes vissées. 10. Fermenteur suivant la revendication 1 caractérisé en ce que @e joint d'étanchéité mecanique du s@stéme d'agitation est protegé par une pièce en polyfluoroethylène qui assure à la fois l'étan- chéité du systéme d'agitation sur la platine supérieure, une deuxième étancheite sur l'arbre d'agitation et la possibilité de stériliser le joint d'etancheite mécanique à la vapeur pendant le fonctionnement du fermenteur.