Brevet FR2404045A1 — publié le 19790420

La présente invention, due à VASILY DMI2RIEVICH BELYAEV, VAIERY AIEXEEVICH BYEOV, VADIM AKAbOLIEVICH VOINOV, VADIM VAIENDINOVICH GOLOVIN, MARIM WIKHAITOYICH KRECHMER, SEMEN ZELMONOVICH SIROTNIKOV, BOGDAN IVANOVICH MATUSYAIC, est relative à un appareil pour la production d'une masse cellulaire, notamment protéique, et elle vise plus spécialement un appareil destiné à la culture de micro-organismes. La présente invention peut être le plus avantageusément utilisée pour la culture de micro-organismes unicellulaires, tels que, levures, bactéries, algues à base de glucides ou d'hydrocarbures, notamment du genre de ceux qui constituent des produits alimentaires ou des additifs pour aliments d'animaux. On sait que pour réaliser une culture de microorganismes il faut fournir à ceux-ci la quantité d'oxygène requise, créer des zones de contact étendues et efficaces entre le milieu de culture, et l'air, répartir uniformément ie milieu nutritif et les micro-organismes dans l'ensemble du volume de l'appareil, maintenir le régime thermique imposé favorable à la croissance des micro-organismes et évacuer les gaz dégagés par ces derniers. Il est relativement facile de réaliser en laboratoire un appareil pour la culture de micro-organismes dans lequel soient respectées les conditions susdites nécessaires à la croissance de micro-organismes. Cependant, la situation est toute différente quand il s'agit des appareils industriels ayant un volume de plusieurs centaines de mètres cubes. Dans ces appareils industriels il est particulièrement difficile de réaliser une zone de contact active et développée de l'air avec le milieu de culture, de répartir uniformément le milieu nutritif et les micro-organismes dans la totalité du volume de l'appareil. Ce problème s'avère encore plus compliqué du fait que lors de la réalisation du processus de culture de microorganisme s dans les appareils de grand volume il se dégage une quantité considérable de chaleur qu'il est nécessaire d'évacuer. Le type le plus répandu d'appareils pour la culture industrielle de micro-organismes qui pourrait satisfaire aux exigences mentionnées est un appareil avec système de courant ascendant contenant de l'air, dit appareil à air-lift. On connais déjà un appareil à air-lift qui se compose d'une capacité cylindrique et d'un diffuseur installé dedans à une certaine distance du fond. L'air est amené sous le diffuseur par un dispositif barboteur spécial sous forme d'une cuve, il est dispersé dans le liquide, après quoi le mélange gaz-liquide résultant monte à travers le diffuseur. A la partie supérieure de la capacité le mélange se divise en liquide et gaz. Le gaz est éliminé tandis que le liquide descend par l'espace annulaire entre le diffuseur et le corps de la capacité, en formant un circuit de circulation fermé. L'évacuation de la chaleur de réaction s'effectue par admission d'un agent refroidisseur dans le serpentin du diffuseur réalisé en forme d'un gobelet à paroi double et par l'arrosage à l'eau de la paroi extérieure du corps. On connaît plusieurs versions d'appareils de ce genre dans lesquelles on augmente le nombre de diffuseurs afin d'accroitre la zone active de contact de l'air avec le milieu de culture. Pourtant, dans ces appareils les cuves n'assurent pas la dispersion suffisamment fine de l'air dans le liquide. L'écoulement du mélange gaz-liquide dans les diffuseurs ayant un caractère laminaire, les bulles d'air n'y sont pas divisées ce qui empêche de créer un développement suffisant de la zone de contact active de l'air avec le milieu de culture. Quant au refroidissement extérieur des diffuseurs, il provoque la contamination de l'eau et du territoire de l'usine. On connaît également un appareil à air-lift comportant une capacité disposée verticalement dans laquelle sont abritées deux plaques tubulaires divisant ladite capacité en trois parties : l'une supérieure, située au-dessus de la plaque supérieure ; l'autre inférieure, située au-dessous de la plaque inférieure, et une partie intermédiaire située entre ces plaques.Dans la partie intermédiaire sont disposés des tubes servant à la circulation dirigée du mélange gaz-liquide, une partie de ces tubes étant traversée par le courant ascendant du mélange gaz-liquide, le reste desdits tubes étant parcouru par le courant descendant. Dans l'espace intertubulaire est admis un liquide refroidisseur afin de maintenir la température de la culture de micro-organismes à un niveau favorable à la croissance des micro-organismes, par transmission de chaleur à partir du milieu à travers les parois des tubes, au liquide refroidisseur. L'utilisation d'une partie des tubes de circulation pour le courant descendant du liquide réduit la zone active de contact de l'air et du milieu de culture, ce qui abaisse l'intensité du processus de culture de micro-organismes. On contact enfin un appareil à air-lift pour la culture de micro-organismes comportant deux capacités disposées verticalement dont les parties inférieures et supérieures communiquent entre elles. Dans la première capacité sont abrités des tubes servant à la circulation dirigee du mélange gaz-liquide. L'espace intertubulaire sert de passage au liquide refroidisseur. Dans la deuxième capacité est installé un abat-mousse qui sépare en phases gazeuse et liquide le mélange gaz-liquide arrivant de la première capacité. La phase gazeuse est évacuée hors de l'appareil alors que la phase liquide est partiellement récupérée dans la première capacité et partiellement prélevée en forme de produit fini.Cependant, la deuxième capacité ne participe pas au processus de culture de micro-organismes car elle ne possède pas de zone active de contact de l'air avec le milieu de culture. En outre, dans la capacité à abat-mousse il se forme des zones de stagnation, ce qui entraine la démixtion du milieu de culture. L'invention a pour but de remédier aux inconvénients indiqués. 11 invention vise à créer un appareil pour la culture de micro-organismes avec une capacité de séparation réalisée de telle façon qu'il y soit créée une zone active de contact de l'air avec le milieu de culture, ce qui intensifie la culture de microorganismes. Ce problème est résolu en ayant recours à un appareil conforme à l'invention destiné à la culture de micro-organismes et comportant une capacité réactionnelle fermée disposée verticalement, dont la zone active est le siège du mélange de l'air avec le milieu de culture et où il se forme un courant ascendant du mélange naissant gaz-liquide, un dispositif installé dans ladite zone et destiné à l'évacuation de la chaleur qui se dégage au cours de ce processus, une capacité de séparation fermée disposée verticalement et communiquant avec les parties supérieure et inférieure de la capacité réactionnelle susdite, ladite capacité de soparation étant munie de dispositifs pour la sortie du produit fini et pour l'évacuation du gaz et un abat-mousse installé dans ladite capacité, cet appareil étant caractérisé par des tuyaux ouverts qui forment une zone active supplémentaire, installés dans la partie inférieure de la capacité de séparation, notamment à proximité de la surface intérieure de la paroi de cette dernière et par un dispositif monté sous les extrémités inférieures de ces tuyaux et propre à assurer l'admission de l'air dans chaque tuyau pour le mélanger avec le milieu de culture et pour créer dans la zone active un courant ascendant du mélange naissant gaz-liquide. Grâce au fait que la capacité de séparation est munie de tuyaux ouverts sous les extrémités inférieures desquels est monté le dispositif destiné à l'admission de l'air dans chacun desdits tuyaux, il se forme dans cette capacité une zone active de contact de l'air avec le milieu de culture augmentant la zone active totale de l'ensemble de l'appareil. Cela contribue à intensifier le processus de culture de micro-organismes. Il est avantageux que le dispositif pour l'admission de l'air dans chaque tuyau comporte une plaque tubulaire annulaire avec des tubes d'admission d'air fixés dans ladite plaque qui constitue avec le fond de la capacité de séparation une chambre d'air annulaire et que les bouts libres des tubes d'admission d'air soient introduits dans les tuyaux. Une telle conception du dispositif d'admission d'air assure une admission fiable et régulière de l'air dans chacun des tuyaux. Il est souhaitable que le diamètre des tubes d'admission d'air soit sensiblement inférieur à celui des tuyaux pour la formation de la zone active. Un tel rapport des diamètres assure le passage libre du liquide de culture à l'intérieur des tuyaux pour la formation de la zone active. Il est utile que les tubes d'admission d'air soient munis de buses. L'installation des buses aux extrémités des tubes d'admission d'air permet d'introduire de l'air dans les tuyaux à l'état d'une dispersion fine. Il est recommandable que les tuyaux pour la formation de la zone active dans la capacité de séparation soient fabriqués en matériau non métallique, par exemple, en polyéthylène ou en stratifié verre-résine. L'exécution desdits tuyaux en matériaux non métalliques, permet d'abaisser la consommation de métal pour l'appareil de culture de micro-organismes. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de sa description détaillée qui suit et des dessins joints parmi lesquels la figure 1 représente schématiquement une coupe longitudinale de l'appareil paur la culture de micro-organismes, la figure 2 est une coupe par II-II de la figure 1, la figure 3 représente le montage des tuyaux pour la formation de la zone active, la figure 4 représente le sous-ensemble A de la figure 1, à une échelle agrandie. L'appareil pour la culture de micro-organismes, tels que levures, bactéries, algues à base de glucides ou d'hydrocarbures, est constitué d'une capacité réactionnelle fermée 1 disposée verticalement (figure 1) à l'intérieur de laquelle sont fixées des plaques tubulaires horizontales 2, 3 et 4. la plaque tubulaire 2 est fixée à la partie supérieure du corps de la capacité réactionnelle 1 et les plaques tubulaires 3 et 4 sont rapportées à la partie inférieure du corps de la capacité réactionnelle 1. Dans les plaques tubulaires 2 et 3 sont dudgeonnés des tuyaux ouverts 5 destinés à former la zone active. Les tuyaux 5 sont dudgeonnés avec un certain espacement de façon à former un espace intertubulaire 6 qui sert de passage à l'agent refroidisseur. Un raccord 7 est destiné à amener de l'agent refroidisseur dans l'espace intertubulaire 6 et un raccord 8, à évacuer l'agent refroidisseur.Entre les plaques tubulaires 3 et 4 est formée une chambre 9. la chambre 9 est destinée à alimenter les tuyaux 5 en milieu de culture. Entre la plaque tubulaire 4 et le fond de la capacité réactionnelle 1 est formée une chambre 10. La chambre 10 sert à l'alimentation des tuyaux 5 en air. Un raccord 11 est destiné à amener de l'air dans la chambre 10. Dans la plaque tubulaire 4 sont dudgeonnés des tubes d'admission d'air 12 aux extrémités libres desquels sont emmanchées des buses 13. Les extrémités des tubes d'admission d'air 12 munies de buses 13 sont disposées librement dans les tuyaux 5. Chacun des tuyaux 5 communique avec la chambre 10 à l'aide d'un tube correspondans d'admission d'air 12. La capacité réactionnelle 1 communique, au moyen de conduites 14 et 15, avec une capacité fermée de séparation 16 disposée verticalement.En outre, la conduite 14 met en communication entre elles les parties supérieures des capacités 1 et 16 et s'introduit tangentiellement dans le corps de la capacité de séparation 16 (figure 2). la conduite 15 (figure 1) met en communication la chambre 9 de la capacité à réaction 1 avec la partie inférieure de la capacité de séparation 16 et passe par le centre du fond de celle-ci. A la surface intérieure de la paroi de la capacité de séparation 16 sont installés des supports 17 (figure 3) sur lesquels sont suspendus des tuyaux ouverts 18 destinés à créer la zone active de contact de l'air avec le milieu de culture. Entre les extrémités supérieures des tuyaux 18 et le couvercle de la capacité de séparation 16 est formée une enceinte 19 (figure 1) dans laquelle est installé un abat-mousse 20 assurant la séparation du mélange gaz-liquide en gaz et liquide. Entre les extrémités inférieures des tuyaux 18 et le fond de la capacité de séparation 16 est installée une plaque tubulaire annulaire 21 formant avec le fond de la capacité de séparation 16 une chambre annulaire 22. La chambre annulaire 22 est destinée à alimenter en air les tuyaux 18. Un raccord 23 sert à l'introduction de l'air dans la chambre annulaire 22. Dans la plaque tubulaire annulaire 21 sont dudgeonnés des tubes d'admission d'air 24 aux bouts libres desquels sont emmanchées des buses 25 (figure 4). Les bouts des tubes d'admission d'air 24 munis de buses 25 sont disposés librement dans les tuyaux 18. Chacun des tuyaux i8 communique avec le chambre annulaire 22 par un tube correspondant d'admission d'air 24. Les raccords 26 (figure 1) servent au prélèvement du produit fini de la capacité de séparation 16. Sur le couvercle de la capacité de séparation 16 sont installés des dispositifs 27 conçus pour évacuer de l'appareil destiné à la culture de micro-organismes le mélange d'air usé et de gaz dégagés par les micro-organismes. Un raccord 28 installé dans la conduite 15 sert à introduire le milieu nutritif dans l'appareil. L'appareil destiné à la culture de micro-organismes fonctionne de manière suivante. Le milieu nutritif est admis par le raccord 28 dans la conduite 15 par laquelle il arrive dans la chambre 9 de la capacité réactionnelle 1 et à la partie inférieure de la capacité de séparation 16. nn même temps, l'air est admis par les raccords 11 et 23, respectivement dans la chambre 10 de la capacité réactionnelle 1 et dans la chambre annulaire 22 de la capacité de séparation 16. L'air sortant de la chambre 10 passe par les tubes d'admission d'air 12 à travers les buses 13 dans les tuyaux 5 de la capacité réactionnelle 1, tandis que l'air quittant la chambre 22 est dirigé par les tubes d'admission d'air à travers les buses 25 dans les tuyaux 18 de la capacité de séparation 16. Par les buses 13 et 25 l'air arrive dans les tuyaux 5 et 18 à l'état de dispersion fine. Dans les tuyaux 5 et 18 l'air se mélange au milieu nutritif. L'oxygène de l'air, en se dissolvant dans le milieu nutritif, crée les conditions nécessaires à la croissance des micro-organismes, Par suite de la différence des masses volumiques du liquide et du mélange gaz-liquide, le mélange gaz-liquide formé monte par les tuyaux 5 et 18. La croissance de micro-organismes s'accompagne d'un dégagement de chaleur, ce qui entraîne l'élévation de la température du processus. Afin de maintenir la température optimum du processus on introduit en continu un agent refroidisseur par le raccord 7 dans l'espace intertubulaire 6 de la capacité réactionnelle 1. L'agent refroidisseur baigne les tuyaux 5 et, tout en prélevant la ciialeur excédente de leur surface, il est évacué de l'espace intertubulaire 6 par le raccord 8. Le mélange gaz-liquide sortant des tuyaux 5 arrive à la partie supérieure de la capacité réactionnelle 1, d'où il est admis par la conduite 14 dans l'enceinte 19 de la capacité de séparation 16. Dans l'enceinte 19 arrive également le mélange gaz-liquide à partir des tuyaux 18. L'abat-mousse 20 installé dans l'enceinte 19 sépare le mélange gaz-liquide en phases gazeuse et liquide. le gaz dégagé est alors évacué de la capacité de séparation 16 par l'intermédiaire des dispositifs 27 alors que le liquide arrive à la partie inférieure de la capacité de séparation 16 où il se divise en deux parties. Une partie de liquide arrive dans la conduite 15 et de là, dans la chambre 9 de la capacité réactionnelle 1, en formant le circuit extérieur fermé de circulation de l'appareil. L'autre partie de liquide arrive sous les tuyaux 18, en formant le circuit fermé intérieur. Ainsi, on obtient dans l'appareil la circulation en deux circuits : dans l'ensemble de l'appareil et dans la capacité de séparation 16. Le prélèvement du produit fini est effectué par les raccords 26. Il est à noter que l'exemple décrit et représenté de réalisation de la présente invention n'est nullement limitatif et que diverses modifications et autres modes de réalisation de l'appareil proposé pour la culture de micro-organismes sont possibles sans sortir de l'esprit et du cadre de la présente invention. RhUVENDICATIONS 1. Appareil destiné à la culture de micro-organismes comportant : une capacité réactionnelle fermée disposée verticalement, dont la zone active sert à mélanger l'air avec le milieu de culture et à créer un courant ascendant de mélange naissant gazliquide, un dispositif pnur l'évacuation de la chaleur qui se dégage lors de ce processus installé dans ladite zone ; une capactié de séparation fermée disposée verticalement et communiquant avec les parties supérieure et inférieure de ladite capacité réactionnelle, ladite capacité de séparation étant munie de dispositifs pour le prélèvement du produit fini et pour l'évacuation du gaz et d'un abat-mousse installé dedans, caractérisé en ce que, dans la partie inférieure de ladite capacité de séparation, de préférence à proximité de la surface intérieure de a paroi, sont installés des tuyaux ouverts qui forment une zone active complémentaire, sous les extrémités inférieures desquels est installé un dispositif assurant l'admission dans chaque tuyau de l'air destiné à être mélangé avec le milieu de culture et à créer dans la zone active un courant ascendant de mélange naissant gaz-liquide. 2. Appareil suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ledit dispositif destiné à leadmission de l'air comporte une plaque tubulaire annulaire avec des tubes d'admission d'air fixés dans celle-ci, ladite plaque formant avec le fond de ladite capacité de séparation une chambre d'air annulaire, les bouts libres desdits tubes d'admission d'air étant introduits dans lesdits tuyaux. 3. Appareil suivant la revendication 2, caractérisé en ce que le diamètre desdits tubes d'admission d'air est sensiblement inférieur à celui desdits tuyaux. 4. Appareil suivant la revendication 2 ou la revendication 3, caractérisé en ce que lesdits tunes d'admission d'air sont munis de buses. 5. Appareil suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que lesdits tuyaux dans ladite capacité de séparation sont réalisés en matériau non métallique. 6. Appareil suivant la revendication 5, caractérisé en ce que le matériau non métallique utilisé est le polyéthylène. 7. Appareil suivant la revendication 5, caractérisé en ce que le matériau non métallique utilisé est un stratifié résineverre.