Brevet FR2310565A1 — publié le 19761203

La présente invention a trait a un proc6d6 de mesure en ligne de la chaleur de réaction utilisable dans les contrOles de réacteurs chimiques, biochimiques et biologiques. Le dit proc6d6 est utilisable dans toute analyse de processus tant sur le plan qualitatif (analyseur de tendance, detecteur d'extremum de réactivité, déclenchement d'alarme...) que quantitatif (acquisition de données, évaluation de taux de conversion et de productivité...) dans les industries chimiques et biochimiques exigeant un contrOle continu sur un matErian réactif, qu'il soit ou non homogène, corrosif ou toxique. Il sera particulierement utile dans les industries de fermentation, pouvant fonctionner de maniere stérile, en utilisant des substrats industriels très souvent non miscibles. Il sera alors un outil de mesure de l'activiste microbienne à tout instant et permettra les corrélations conduisant a la connaissance de la productivitê et de la densité en microorganismes. Son utilisation pourra en outre entre un outil de contrOle et d'optimisation que ce soit sur micro ou macro réacteur. En fermentation la densité microbienne peut entre mesure par néphélométrie si la nature des milieux de fermentation le permet, ce qui est rarement r6alisable avec les milieux industriels (présence de solides, de liquides non miscibles, de substrats plus ou moins colorés...). En outre lorsque la néphélométrie est applicable, la réponse du capteur n'est pas toujours linéaire ; elle dépend de la taille des cellules qui varie au cours de la croissance. Enfin, avec des fermenteurs de grand volume, on effectue des analyses ponctuelles qui ne sont pas nécessairement représentatives de l'ensemble du milieu de fermentation et ceci d'autant plus si le fermenteur n'est pas homogène. Des méthodes indirectes ont été décrites pour pallier ces incon vEnients. Parmi les plus int6ressantes l'une repose sur les bilans gazeux mais elle est limitée par les problemes d'Echantillonnage de gaz surtout lorsque le milieu de fermentation est un fluide non newtonien. L'autre repose sur l'utilisation de microcalorimetres mais elle pose de nouveau, le problème de l'Echautillonnage, le problème des substrats solides et gazeux et elle nécessite l'emploi d'un appareillage délicat. Le principe retenu par la présente invention est celui de la détermination du bilan thermique global du réacteur, c'est à dire la mesure des flux de chaleur entrant et sortant du réacteur par les fluides liquides et gazeux, les- dits fluides étant réactionnels ou caloporteurs et la mesure des pertes thermiques. La chaleur de réaction est calculée à partir de l'équation du bilan thermique. En opérant de la sorte on élimine les inconvEnients lies aux méthodes précédemment citées. Ainsi : - le procédé effectue une mesure globale représentative de la réactivité totale du réacteur - le procédé est applicable quel que soit le nombre de phases réactionnelles (gaz-liquide-solide) - le procédé est fiable et met en oeuvre dans tous les cas un appareillage robuste et simple ne provoquant aucune perturbation dans le réacteur - le procédé ne fait intervenir aucune dérivation des fluides réactionnels D'une mainère générale, lorsqu'une réaction est endothermique ou exothermique, on observe une absorption ou une production de chaleur se traduisant par une perturbation sur les organes de régulation.L'analyse de cette perturbation permettra de mesarer la réactivité des masses rEactionnelles. Une première forme d'exécution dh dispositif permettant la mise en oeuvre du procédé, objet de l'invention, est décrite ci-aprbs, à titre de simple exemple nullement limitatif en se référant aux dessins annexes, (figure 1) se rapportant au schéma de fonctionnement du dispositif. Le dispositif est adapta a un ensemble de fermentation constitue par le fermenteur t. La température du milieu de fermentation est mesure par un capteur Z ; elle est régulée par le régulateur 3 fonctionnant en tout ou rien qui applique une tension sur une résistance 4. L'excédent de calories est éliminé par un fluide traversant un serpentin S. La quantité de chaleur éliminée est évaluée par mesure de la température du fluide a à l'entrée et à la sortie du réacteur. Un capteur de température différentiel 6 permet d'obtenir cet Encart. La mesure de la chaleur apportée au systtme par l'action du régulateur est effectuée par mesure du temps de chauffe de la résistance 4 au moyen du compteur 7. Le fermenteur est isole par un ca-lorifugeage 8.L'acquisition des diff6rentes variables thermiques est assurée par le calculateur numérique 10 qui effectue le traitement et et communique les résultats à la console de visualisation 11. Une autre forme d'exécution du dispositif, également adaptée à un ensemble de fermentation, est décrite ci-aprbs (fig. 2). Par rapport à la realisation précédente, elle ne fait pas intervenir de calculateur numérique et fonctionne de façon autonome. Comme la première forme d'ex6cution, elle s'adapte sur tout réacteur chimique ou biochimique sans modification notable. La temp6rature de l'ensemble de fermentation constituE par le fermenteur calorifugé 1 est mesurée par un capteur 2 . Elle est régulée par le régulateur P.I.D.3 contrôlant la tension sur une résistance 4 (défaut de calories), ou le débit d'un fluide r6frig6rant traversant un serpentin S par l'intermEdiaire de la pompe 6 (excédent de calories). La mesure de la chaleur apportée ou éliminée par l'action du régulateur est effectue à tout instant, d'une part par mesure de la tension aux bornes de la résistance 4, d'zutre part par mesure du débit imposé à la pompe 6 et de la temp6rature du fluide réfrigérant à l'entrée et à la sortie du réacteur. Un capteur de température différentiel 7 permet d'obtenir cet écart.Le bloc analogique 8 centralise ces résultats et en effectue le traitement permettant d'obtenir et d'afficher, entre autres : la productivit6 de la réaction et la quantité de produit obtenu (par int6gration de la productivité). Des sorties analogiques ou numériques permettent dle couplage du dispositif à des enregistreurs 9 ou à un ensemble d'acquisition de données. EXEMPLE D'APPLICATION DU PROCEDE Les essais ont été conduits dans les conditions opératoires suivantes fermenteur de 30 litres ; substrat non miscible à l'eau à raison d'une concentration initiale de 5 gl-1 (n-paraffines) ; vitesse de rotation : 800t/mn fluide réfrigérant : eau-méthanol à 5 C ; résistance chauffante : 250 alimenté par une tension de 220 volts température du milieu 300C, pH du milieu : 3, 8. La fermentation est réalisée en continu ou en discontinu. La figure 3 montre les corrélations obtenues lors d'une fermentation discontinue entre l'accroissement de biomasse et la chaleur de réaction mesurée. La méthode parmet de détecter des croissances de l'ordre de 0,OS g de microorganismes par litre de réacteur et par heure, ce qui est tres faible par rapport à des productivités industrielles comprises entre 0,5 et 5 gl-1h-1 soit 10 à 100 fois plus grandes. On voit que la sensibilité de la méthode est satisfaisante. Si l'on intègre la quantité de chaleur produite tout au long de la croissance, outre la mesure de la production de micro@ganisme, on peut calculer le taux de croissance. La figure 4 obtenue au cours d'une fermentation continue montre les corrélations observées entre la productivité exprimée en gl-1h-1 du réacteur et la chaleur de réaction mesure. Ici également on observe une corrElation tres précise et linéaire permettant de suivre en ligne la productivit6 du réacteur. Des résultats analogues ont été obtenus avec des fermentations utilisant comme substrats du glucose, de la cellulose (solide), du méthanol. REVENDICATIONS t - Procédé et appareillage de mesure de la chaleur produite ou absorbée par une réaction exo ou endothermique, chimique ou biologique, que le milieu soit homogene ou hétérogène, dans la totalité du réacteur, par la mesure de flux de chaleurs échangés entre le systeme r6actionnel et l'ext6rieur. Ces flux sont les flux de régulation de la temp6rature du réacteur de r6frig6ration et d'injection de chaleur pour maintenir la temp6rature constante, diminues des pertes par Evaporation et à travers les parois du réacteur. 2 - Procédé et appareillage selon la revendication t caract6ris6s en ce qu'ils sont applicables à la mesure des vitesses de réaction et à la d6termina- tion des coefficients de transfert thermique du réacteur à partir de l'analyse du fonctionnement du régulateur et de la quantité de chaleur enlevée au réacteur par les fluides caloporteurs. 3 - Procédé et appareillage selon les revendications 1 et 2 caractérisés en ce qu'ils sont applicables à la d6termination en fermentation à la production instantanée de biomasse ou de métabolite par suite des corrélations existant entre les processus de croissance et la production de chaleur par l'utilisation de circuits analogiques effectuant le bilan thermique de maniere instantan ee et assurant la conversion des flux de chaleur en signal Electrique. 4 - Appareillage selon les revendications 1,2, 3 caractérisé en ce qu'il est applicable à la mesure de la concentration instantanEé en biomasse par mémorisation et int6gration du signal électrique obtenu en effectuant le bilan thermique. 5 - Appareillage selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il est applicable à la mesure de taux de croissance instantané en ne tenant compte que de la biomasse active, en effectuant par circuit analogique le rapport entre le signal électrique proportionnel à la productivit6 et à la concentration en b iomasse. 6 - Appareillage selon la revendication 1 caractérisE en ce qu'il permet une optimisation des échanges thermiques, entratnant une économie d'énergie et des cotts de production en modulant les débits thermiques de r6frig6ration et de régnlation du réacteur. 7 - Procédé selon la revendication 1 applicable à tout processus biologique pour la mesure et l'optimisation des consommations d'oxygene et de substrat en utilisant les relations existant entre le debit de chaleur métabolique et la consommation en oxygène.