Brevet FR2325715A1 — publié le 19770422

l'invention concerne un procédé et un dispositif pour faire fermenter un substrat nutritif contenant des hydrates de carbone, en particulier de la mélasse lors de la production de l'acide citrique. Selon le procédé, on inocule dans une chambre 5 stérile pour la fermentation un agent de fermentation à la solution de fermentation. Dans une phase de développement des germes j il se forme une couche de l'agent de fermentation recou-* vrant la totalité de la surface de la solution de fermentation puis, dans une phase de fermentation proprement dite, il se 10 produit avec introduction d'air la réaction du sucre donnant de l'acide citrique,, Depuis la découverte du pouvoir de certaines moisissures pour la formation de l'acide citrique, surtout des moisissures de l'espèce Aspergillus, on sait soumettre, pour la produc-15 tion à l'échelle technique ou industrielle de l'acide citrique des substrats nutritifs contenant des hydrates de carbone et servant de matières de départ à un processus de fermentation. Comme substrats nutritifs, on utilise notamment des produits contenant du sucre ou de l'amidon ou des matières brutes amyla-20 cées après la saccharificatii ci:, mais l'on utilise en particulier des mélasses. On porte tout d'abord le substrat nutritif liquide à faire fermenter à Line teneur en sucres de 12 à 20 ^ et on lui ajoute des sels nutritifs et éventuellement des additifs qui accélèrent leur fermentation. Puis, après ajustement à la valeur 25 la plus favorable du pH, on stérilise. On fait couler le substrat ainsi stérilisé, par des conduites stériles, du bouilleur dans des cuvettes plates que l'on appelle cuvette de fermentation et qui sont disposées les unes sur les autres dans ce que l'on appelle les chambres de fermentation. Avant leur remplissage, on 30 doit rendre stériles, à l'aide d'agents de désinfection, les cuvettes et les chambres. On doit appliquer avec un soin particulier toutes les mesures nécessaires pour conduire une fermentation dans des conditions par ailleurs stériles car, sinons ort ne peut éviter des perturbations délicates dues à des infections, 35 à des espèces du genre Pénicillium, à des levures ou à des bactéries. Gela constitue un inconvénient essentiel de l'état actuel de la technique. 2325715 Après avoir introduit la solution de fermentation dans les cuvettes ou les cuves, On lui inocule les spores des micro-organismeso Pendant la phase de développement des germes qui dure environ 2 jours, il ne se produit pas de dégagement 5 de chaleur, car l'on n'obtient alors pas encore d'acide citrique, mais il se forme purement et simplement une couche de couverture de champignons adhérant les uns aux .autres. S'il y n'y a pas d'apport supplémentaire de chaleur, la solution de fermen-ta-fcion se refroidirait, par rayonnement, jusqu'à une 10 température inférieurs à celle nécessaire pour le développement des germeso II fa.ut en outre une faible quantité d'oxygène» On a jusqu'à présert compensé la, perte de chaleur par rayonnement dans la phase de développement des germes en introduisant une grande quantité dfair conditionné, c'est-à-dire mis 15 à bonne température et humidifié selon les besoins,. Le problème réside alors dans la stérilité indispensable de l'air insufflé. Etant donné la grande quantité d'air nécessaire pour que la température de la solution de fermentation ne diminue pas au point d'atteindre des zones empêchant le succès d'une fer-20 mentation, on ne peut remplir qu'avec de grandes dépenses l'exigence selon laquelle ces grandes quantités d'air doivent également être encore stériles lors de leur introduction dans les chambres. L'exigence d'une grande stérilité présente cependant une importance décisive pour la phase de développement des 25 germes car, sinon, on obtiendrait des rendements moindres et dans beaucoup de cas même des échecs totaux. Puisqu'il faut de grandes quantités d'air pour véhiculer la chaleur, on ne peut garantir, étant donné la grandeur de l'installation de mise à la température et d'humidification et étant donné la grandeur 30 des filtres correspondants, que cette grande quantité d'air n'entraînera pas aussi des infections dans les chambres. Après que la couche de champignons de couverture se soit bien développée dans 1a. phase de développement des germes, la formation de l'acide citrique commence ainsi que ce que 35 l'on appelle la phase de fermentation. Elle se caractérise par le fait que, lors de la transformation du sucre en acide citrique, il y a libération de grandes quantités de chaleur qu'il faut éliminer des chambreso L'ensemble du. processus dure environ 7 g. JJ jjtyixg»- 2325715 3 l'origine en de l'acide citrique. On retire ensuite le liquide de fermentation des cuvettes et on le dirige vers des cuves où à l'aide de lait de chaux, on précipite l'acide sous forme de citrate de calcium. On lave la couche de champignons de 5 couverture, on l'exprime et l'on combine l'eau de lavage à la solution concentrée d'acide citrique se trouvant dans la cuve de précipitation. Selon le procédé utilisé jusqu'à présent, on n'envoie dans les chambres aussi bien l'air de chauffage (nécessaire pendant la phase de développement des germes) que 10 l'air de refroidissement (qui réalise l'enlèvement de la chaleur au cours de la phase de fermentation) qu'en le faisant passer dans un seul système combiné de chauffage et de refroidissement. On peut en somme établir que cette pratique a un 15 effet négatif stir la. sécurité de fonctionnement du procédé. Puisque l'air introduit comme porteur de chaleur dans la. chambre au cours de la phase de développement des germes sert à maintenir la température de la solution de fermentation et que les quantités d'air doivent donc être très grandes, on ne peut 20 exclure des infections, en raison de ces grandes quantités mêmes» malgré tous les soins tendant à assurer la stérilité de l'air, le réglage de la température de la solution de fermentation sreffectue à l'aide d'un système compliqué dépendant de plusieurs variables ; selon le climat nécessaire à la fer-25 mentation, il faut ajuster les quantités d'air et aussi leur-tempéra"fcure et leur humidité. L'air que l'on introduit dans la chambre dans la phase de développement des germes, doit, en raison de la. sensibilité élevée de la solution de fermentation à l'égard des infections 30 au cours de cette phase, être particulièrement bien filtré et même stérilisé , ce qui signifie une grande dépense si l'on tient compte des quantités d'air que l'on utilise. Si l'on s'écarte de l'une des conditions précitées nécessaires pour la conduite du processus, on peut parvenir à des infections ou 35 bien à un refroidissement excessif de la solution de fermentation entraînant de mauvais rendements de cette fermentation ou la mise hors service d*une chambre. l'invention s'est donnée pour but de proposer un procédé et tin dispositif de fermentation de substrats nutritifs conte 4 2325715 nant des hydrates de. carbone permettant une conduite plus sûre et plus simple (par rapport à l'état actuel de la technique) du processus de fermentation et diminuant nettement les dépenses à appliquer pour la filtration, la stérilisation et le con-5 ditionnement de l'air à introduire tout en diminuant la sensibilité aux infections. On parvient au but -visé selon l'invention grâce à un procédé caractérisé en ce que, dans la phase de développement des germes, on pré-traite de l'air en le faisant passer dans 10 un filtre grossier, fin et absolu, par un sas à ultra-violet et par une surchauffe à 120°C et l'on introduit cet air prétraité et fortement stérile dans la chambre de fei'mentation en ■une quantité si faible que l'on maintient cette chambre sous une légère surpression et que le chauffage de cette chambre 15 est distinct de l'apport d'air et n'en dépend pas ; et, dans la phase de fermentation , on arrête l'admission d'air fortement stérile et le chauffage, et l'on introduit de l'air nouveau, normalement filtré et non conditionné, chaque fois en une quantité telle que l'on maintient la solution de fermentation_à 20 la température optimale pour cette fermentation. Il ressort de l'esprit de l'invention l'idée de prévoir 2 systèmes ou circuits de circulation de l'air pour une chambre de fermentation, à savoir un système de circulation d'un air fortement stérile pour la phase de développement des germes et un second système de 25 circulation d'un air nouveau, non conditionné et qui n'a éjté que filtré pour la phase de germination. le chauffage nécessaire au cours de la phase de développement des germes est prévu pour ne pas dépendre du système de circulation de l'air et peut être réalisé selon les caractéristiques spécifiques de chaque 30 installation, La mesure consistant à n'introduire dans la chambre de fermentation, au cours de la phase de développement des germes, que la quantité d'air permettant de maintenir cette chambre sous une légère surpression repose sur l'admission du fait que, pendant la phase de développement des germes, il faut 35 à peine introduire de l'air,car le besoin en oxygène est très faible. Pour des raisons de maintien de la stérilité, il est cependant nécessaire d'introduire une quantité déterminée d'air afin de pouvoir maintenir la chambre sous une légère supression, ce qui évite que de l'air non filtré ne pénètre dans la chambre 40 par des endroits de non-étanchéité. Il est recommandé d'introduire 2325715 5 une quantité d'air permettant de maintenir dans la chambre la surpression à une valeur comprise entre 5 et 50 mm d'eau» 0e n'est que pour la quantité d'air ainsi nécessaire qu'il faut installer un système de stérilisation de grande valeur. Il ne 5 faut environ qu'un % de la quantité d'air correspondant à ce qui était de pratique usuelle jusqu'à présent. Il est avantageux qu'aucun système d'automatisme ni de réglage ne soit nécessaire à cet effet» Il ne faut prévoir qu'une simple soupape de distribution pour ouvrir et fermer l'admission d'air» 10 On ranplit ainsi de façon optimale les conditions pour la. phase de croissance des germes. Or? ' maintient chaude la chambre par un chauffage indépendant et on la. maintient sous pression grâce à l'introduction d'une faible quantité d'air stérilisé» 15 Lors du traitement d'une charge pour fermentation, la température de la solution de fermentation diminue tout d'abord après son introduction et son inoculation. Puis, au début du processus de fermentation, le dégagement de chaleur réchauffe la solution de sorte qu'il en résulte une allure typique de 20 la courbe de la température de la solution de fermentation.» Au début de la phase de fermentation, on doit maintenir grâce à un refroidissement la température de la solution de fermentation à une valeur déterminée qui est la plus favorable. On y parvient en ouvrant le second-système prévu selon l'invention pour l'ad-25 mission d'air après fermeture du premier système d'admission d'air précité. Dans la phase de fermentation, on introduit de l'air nouveau^ normalement filtré et non conditionné, permettant de maintenir constante la température de 1a. solution au cours de la phase de fermentation. La filtration de l'air au 30 cours de la phase de fermentation n'exige pas, et de loin, d'atteindre le degré de perfection nécessaire lors de la phase de développement des germes car, au cours de la phase de la fermentation, la solution de fermentation est bien moins sensible à des infections. Pour se prémunir contre des températures trop 35 faibles au cours de la phase de la fermentation (ce qui pourrait se produire en hiver), on prévoit une possibilité de chauffer l'air. Dans le cas d'air chaud et saturé, par exemple dans les pays tropicaux, on doit réaliser un refroidissement correspondant» 6 2325715 En somme, il y a donc comme avantage de l'exposé selon l'invention une nette diminution des dépenses en appareillage, une conduite plus sûre et plus rentable du processus et l'obtention d'un, grand rendement en service. 5 D'autres aspects avantageux du procédé de l'invention sont décrits dans ce qui va suivre. le dispositif pour la mise en oeuvre du procédé de fermentation de substrats nutritifs contenant des hydrates de carbone, en particulier de la mélasse , pour produire de l'aci-10 de citrique se caractérise selon l'invention par un chauffage de la chambre de fermentation et par d.eux systèmes indépendants de ce chauffage, pour introduire de l'air pour la phase de développement des germes d'une part et pour la phase de fermentation d'autre part. Un système d'introduction d'air est destiné 15 à fournir de faibles quantités d'air débarrassé de fjerir.es dans une installation de stérilisation, et un second système d'introduction d'air est destiné à servir de système de refroidissement pour maintenir une température constante dans la solution de fermentation, les aspects avantageux des dispositifs 20 selon l'invention sont décrits dans ce qui suit. D'autres particularités, avantages et caractéristiques de l'invention ressortent de la description suivante du dessin annexé, dont la figure unique montre s ch éma t i que m ent une chambre de fermentation d'une installation de production d'acide citri-25 que. On utilise de 1a. mélasse comme matière de départ pour la fermentation donnant de l'acide citrique. On ajoute à cette mélasse des additifs accélérant et favorisant la fermentation et, après obtention de la valeur optimale du pH, on stérilise. 30 Cette solution stérilisée et destinée .à la fermentation parvient par des conduites stériles 1 dans la chambre de fermentation 2, dans laquelle sont disposées les unes sur les autres des cuvettes plates 3 destinées à recevoir la solution de fermentation La chambre de fermentation 2 est munie de deux systèmes, séparés l'un de l'autre, d'introduction d'air 4 et 5. Le système 4 d'introduction de l'air est prévu pour la phase de développement des germes et le système 5 d'introduction de l'air fonctionne 7 2325715 pendant la phase de fermentation,, La chambre de fermentation 2 est munie par ailleurs d'un chauffage de paroi 6. Ces mesures permettent la stricte séparation, selon l'invention, de la phase de développement des germes et de la phase de fermentation. Le 5 système d'introduction de l'air 4 pour la phase du développement des germes consiste en un filtre grossier 4,1, un ventilateur 4«2, un filtre, fin 4,3, un filtre absolu 4,4, un sas à ultraviolet 4«5, un dispositif de surchauffe de l'air 4,6 et une vanne 4,7 j avec les conduites correspondantes,, Le chauffage des 10 parois 6 ou chauffage latéral consiste en certains éléments de ehauffage, de nature usuelle, prévus sur les parois, le plafond et le sol, la chambre de fermentation 2 est également reliée au système 5 d'introduction de l'air pour la phase de fermentation, 15 Ce système consiste essentiellement en un filtre grossier 5,1, un ventilateur 5,2, un filtre absolu 5,3 et une vanne 5,4» ainsi que les conduites correspondantes, permettant d'introduire de l'air nonnalement filtré et non conditionné dans la chambre 2 de fermentation, 20 Pour des températures extrêmes, on doit prévoir un dis positif qui, par exemple, réchauffe en hiver de l'air trop froid ou qui, dans des pays tropicaux où l'on ne dispose que d'air chaud et donc saturé, refroidit cet air de façon correspondante, Cela s'effectue grâce à un courant partiel non repré— 25 sente à la figure unique et qui est installé entre le filtre grossier 5,1 et le filtre absolu 5,3. la sortie de l'air s'effectue par un clapet de sortie d'air 7, Grâce aux systèmes ou circuits d'air 5 et 4 ainsi décrits, et grâce au chauffage latéral ou des parois séparées 6, 30 on garantit qu'au cours de la phase de développement des germes les processus d'introduction de l'air et de chauffage de la chambre sont séparés. Pendant la phase de développement des germes, la chambre de fermentation 2 est maintenu chaude par le fait que les parties de parois qui créent essentiellement les per-35 tes de chaleur par rayonnement sont munies d'éléments de chauffage compensant ces pertes de chaleur. En outre, pendant la phase _de développement des germes, l'introduction d'air s'effectue en une quantité extraordinairement faible,car le .besoin en oxygène est si réduit au cours de cette phase que la quantité d'air pré— 8 2325715 sente dans la chambre suffit pour cela» Pour dey rai tronc de maintien de la stérilité, on produit donc, grâce à l'air sans germe introduit au cours de la phase de développement des germes, une légère surpression permettant d'éviter la pénétration, 5 par des zones de non-étanchéité, d'un air normal non purifié dans la chambre 2 de fem entation au cours de la phase de développement des germes. Selon la grandeur de la chambre 2 de fermentation, on introduit dans la chambre de fermentation 2, au cours de la phase de développement des germes, une quantité 10 d'air dont l'ordre de grandeur se situe entre 100 et 300 m à l'heure. Cette quantité d'air est rendue stérile dans le système ou circuit d'air 4 pour introduire de l'air au cours de la phase de développement des germes, l'introduction s'effectue de façon simple par ouverture de la vanne ouverte ou fermée 15 4.7o On. remplit ainsi les conditions pour que, au cours de la phase de développement des germes, ce processus s'effectue de façon optimale. La chambre 2 de fermentation est maintenue assez chaude grâce au chauffage latéral 6 et elle est mise 20 ' sous légère surpression grâce à l'introduction, par le circuit d'air 4, de l'air sans germe. Avec le début du. dégagement de chaleur lors du commencement de la phase de ferrt entation, la solution de fermentation qui se trouve dans les cuvettes 3 est chauffée par le processus 25 exothermique. A une température déterminée de la solution de fermentation, qui indique la fin de la phase de développement des germes et le début de la phase de fermentation, on arrête la circulation de l'air dans le circuit 4 et le chauffage latéral ou de paroi 6 et l'on fait fonctionner ie circuit d'air 5 30 qui est prévu comme circuit d'air froid. On. commute à cet effet les soupapes 4.7 et 5.4. Grâce au circuit d'air 5, de l'air normalement filtré pénètre dans la chambre 2 de fermentation. La température est réglée automatiquement dans la solution de fermentation, de façon connue en soi, au cours de. la phase de fer— 35 mentation grâce à la quantité d'air que l'on insuffle. Contrairement aux systèmes connus jusqu'à présent et dans lesquels, comme on l'a indiqué au début, un conditionnement de l'air était- indispensable, on n'effectue dans le circuit 5 d'introduction d'air pour la phase de fermentation aucun condi 9 2325715 tionnement ni aucune stérilisation,, L'air traverse sans être conditionné les filtres 5>1 et 5.3 ; il parvient à la chambre 2 de fermentation, et ce n'est que dans des cas spéciaux qu*il faut se garantir contre des températures extrêmement basses ou extrêmement élevées de l'air et donc tenir compte de la saturation de l'air. 10 2325715 REVENDICATIONS 1o Procédé pour faire fermenter un substrat nutritif contenant des hydrates de carbone, en particulier de la mélasse, lors de la production de l'acide citrique (procédé selon lequel 5 on inocule dans une chambre de fermentation un agent de fermentation à la solution de fermentation ; il se forme au cours d'une phase de développement des genres une couche de l'agent de fermentation recouvrant la totalité de la s-urface du substrat nutritif, et l'on conduit ensuite une phase de fermentation), 10 ce procédé étant caractérisé en ce que : (a) dans la phase de développement des germes, on introduit dans la chambre de fermentation de l'air fortement stérile (et qui a été prétraité par passage sur un filtre grossier, fin et absolu, par un sas à ultraviolet et par surchauffe à 120°C) en une faible quantité 15 telle que cette chambre est maintenue sous une légère surpression et que le chauffage de la chambre de fermentation est distinct de l'introduction d'air et n'en dépend pas ; (b) et dans lg. phase de feîmentation, on arrête l'introduction d'air fortement stérile et l'on arrête le chauffage ; on introduit de 20 l'air nouveau, normalement filtré et non conditionné, qui joue le rôle d'air de refroidissement permettant de maintenir constante la température de la solution de feraentation. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'au cours de la phase de développement des germes, on maintient 25 dans la chambre de fermentation une surpression comprise entre des valeurs correspondant à 5 mm d'eau et 50 mm d'eau, et de préférence à une valeur correspondant à environ 20 mm d'eau. 3o Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'on introduit au cours de la phase de déve- 30 loppement des geraies une faible quantité d'air pouvant aller 3 3 jusqu'à 1 m d'air par heure et par m de la solution de fermentation dans la chambres 4o Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3» caractérisé en ce que, dans la phase de développement 35 des germes, la chambre de fermentation est chauffée au début des pertes de chaleur par cette chambre de fermentation,et ce chauffage est indépendant de l'introduction d'air. 5o Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4» caractérisé en ce que, dans la phase de fermentation, on 11 2325715 règle la quantité d'air de façon à maintenir constante la. température de la solution de fermentation,, 60 Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5» caractérisé en ce que, dans la phase de fermentation, 5 et lorsqu'il y a des températures externes extrêmes, on réchauffe ou refroidit en outre cet air. 7» Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il y a un chauffage de la chambre de fermentation (6) et 10 deux systèmes ou circuits d'air (4) et (5) qui en sont indépendants, pour l'introduction d'air au cours de la phase de développement des germes d'une part et pour 11introduction d'air au cours de la phase de fermentation d'autre part, de sorte . qu'il y a un circuit (4) d'air pour l'introduction de faibles 15 quantités d'un air rendu sans germe et il y a un second circuit (5) d'air servant de circuit de refroidissement pour le maintien d'une température constante dans la solution de fermentation, 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que le circuit d'air (4) est relié à la chambre de fer- 20 mentation (2) par l'intermédiaire d'une conduite et d'une vanne (4»7) ouverte ou fermée» 9, Dispositif selon l'une des revendications 7 et 8, caractérisé en ce que le circuit d'air (5) présente un filtre grossier (5,1) et un filtre absolu (5.3) et, en cas de tempé- 25 ratures externes extrêmes, le dispositif comporte un moyen pour chauffer ou refroidir un courant partiel entre ces deux filtres, 10» Dispositif selon l'une quelconque des revendications 7 à S, caractérisé en ce que la chambre de fermentation (2) montre un isolement de parois empêchant les pertes de chaleur-30 et, au lieu du chauffage de la chambre de fermentation (6) il y a un conditionnement ambiant prévu de sorte qu'aucune chaleur ne puisse s'échapper par rayonnement de la chambre de fermentation (2).