Brevet FR2406663A1 — publié le 19790518

L'invention concerne une installation que l'on peut mettre en oeuvre pour la culture de microorganismes dans un milieu nutritif liquide en présence d'un gaz contenant de l'oxygène libre qui est réparti dans le liquide et diune source de carbone qui se présente dissoute ou dispersée sous forme de gaz ou de liquide Cette installation est destinée en particulier à exécuter le procédé suivant le brevet Est-Allemand Nz DL;;PS 116 472 ressort du domaine de l'obtention microbienne d'albumine et doit être rangée dans la catégorie IPK C 12 b On a dé7à décrit0 pour l'exécution du procédés dans ce brevet DL-PS 116 472 une installation en deux variantes du mode de réalisation.Cette installation est constituée par une cuve cylindrique verticale, avec des organes d'alimentation et d'évacuation, des accessoires rotatifs pour le mélange et la dispersion, ainsi que des installations de commande La cuve est constituée d'un tube dans lequel sont disposés sur un arbre des disques centrifuges, et en face de ceux-ci, ou décalés par rapport à euxa sur la surface intérieure du tube, des anneaux fixes, ces deux éléments se trouvant écartés à intervalles décroissant du haut vers le bas. L'organe d'alimentation en liquide se trouve au sommet, l'organe d'alimentation en gaz dans le tiers supérieur, et organe de prélèvement du mélange gaz-liquide, sur le fond de la cuve. On dispose en outre sur I'arbre, au-dessus de l'organe d'alimentation en gaz, des disques de dispersion. Le procédé décrit dans le DL-PS 116 472 permet de disposer les appareils d'une façon optimum, adaptée à l'économie et aux opérations, comme par exemple au point de vue du meilleur parti à tirer de 02 ou de la production d'une turbulence définie, correspondant toujours aux exigences locales. Ce procédé est toutefois soumis de prime abord à des limites avec lainstallation décrite dans ce DL-PS 116 472.Ainsi on constate par exemple dans une installation de grande importance rendant nécessaire une hauteur de 10 m et plus0 d'importants problèmes posés par le guidage correct de 1 arbre sur toute la hauteur de la oons-- truction car il doit alors etre transmis un moment de rotation sur toute la longueur de l'arbre De mëme. il est difficile de réaliser des cuves dont la section transversale est importante carp si le diamètre des disques augmente dans le sens radial il se produit de fortes inégalités dans la répartition de la production de la turbulence en raison de l'augmentation croissante vers l'extérieur de la vitesse circonférentielle du disque.Si l'on exécute le procédé décrit sous pression, on rencontre en outre des difficultés pour obtenir une étanchéification parfaite de l'arbre. Un autre inconvénient critique de cette installation connue réside aussi en ce que le dégazage du milieu de fermentation est impossible ou n'est possible que dlune façon tout à fait insuffisante. Ces inconvénients limitent, d'une part, l'utilisation optimale du procédé décrit par le DL-PS 116 472 et, d'autre part, la grandeur de la construction, ce qui ne permet pas de transposer de façon optimum les dimensions de l'installation pilote à une installation industrielle. L'invention a pour objet de réaliser une installation qui permette l'exécution optimum du procédé du DL-PS 116 472 dans les conditions de la grande industrie. L'invention se propose, en conséquence, de donner à l'installation à réaliser une configuration telle que l'on puisse renoncer à utiliser un arbre continu sur toute la hauteur du fermenteur, et que lton puisse réaliser un dégazage le plus étendu possible du milieu de fermentation. A cet effet, l'invention propose une installation qui est constituée par un système de plusieurs éléments, qui sont connectés ensemble en circuit fermé par des canalisations tubulaires. Cette installation a été mise au point en deux modèles d'exécution. L'installation suivant la variante I est constituée d'une pompe de circulation qui assure la circulation du liquide en circuit fermé, un organe d'alimentation en gaz, qui doit provoquer la bonne dispersion du gaz fourni, une conduite de refoulement, et le fermenteur proprement dit, qui est équipé de plateaux perforés pour la production de la turbulence. Pour qu'il soit produit un gradient de la densité d'énergie dans le fermenteur, ces plateaux perforés sont disposés dans le fermenteur avec une densité égale, ou croissante du haut vers le bas. Au fermenteur se raccordent un échangeur de chaleur, et un cyclone de dégazage. Le cyclone de dégazage est relié à la pompe de circulation et formes par suite, un système de circulation en circuit fermé pour la fermentation.Des organes d'introduction d milieu nutritif et du liquide qui régule le pH sont prévus entre le cyclone de dégazage et le pompe de circulation. Dans la seconde variante de réalisation, lBinstal- lation est constituée par une pompe de circulation, un organe d'introduction du gaz, une conduite de refoulement, un fermenteur et un organe de dégazage. Le fermenteur est construit de façon telle qu'il peut en même temps remplir la fonction d'échangeur de chaleur. I1 est constitué par un faisceau de tubes disposés verticalement qui est entouré d'une enveloppé. Dans les différents tubes sont disposés, avec une densité égale, ou croissante du haut vers le bas, les plateaux perforés. Le faisceau de tubes est pourvu, en bas et en haut, d'un plateau à tubes. Pour que le milieu de fermentation soit bien réparti uniformément dans les différents tubes, on dispose dans le fermenteur, au-dessus du plateau à tubes supérieur, un plateau distributeur. On pose, sur l'enveloppe du fermenteur, en bas et en haut, chaque fois un raccord pour l'arrivée ou la sortie de l'eau de refroidissement circulant entre les tubes et l'enve- loppe du fermenteur. Quand l'installation fonctionne, le milieu de fermentation parcourt les différents éléments dans l'ordre suivant pompe, fermenteur, échangeur de chaleur, cyclone de dégazage, pompe, en circuit fermé. Les composants gazeux sont ici alimentés après la pompe, et le mélange liquide-gaz ainsi formé arrive par la conduite de refoulement dans la partie supérieure du fermenteur. I1 traverse, dans le fermenteur, en un courant continu descendant, les plateaux perforés qui s'y trouvent, puis l'échan- geur de chaleur, et arrive dans le cyclone de dégazage. Dans ce cyclone, le mélange est séparé en gaz et liquide dégazé. Le liquide dégazé est complété avec du milieu nutritif frais, et l'on ajuste le pH en ajoutant de l'acide ou de la soude caustique, puis en renvoie le liquide à la pompe de circulation. L'invention sera mieux comprise en regard des exemples décrits ci-après, qui se réfèrent aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 représente l'installation suivant la variante I - la figure 2 représente l'installation suivant la variante Il - la figure 3 illustre un plateau perforé. Exemple 1 La figure 1 illustre l'installation suivant la variante I. Cette installation est constituée d'une pompe de circulation 1, qui est reliée à une conduite de refoulement 2, sur laquelle est disposé l'organe 3 d'introduction du gaz. La conduite de refoulement 2 conduit à la partie supérieure du fermenteur 4. Celui-ci est constitué d'une cuve cylindrique posée verticalement et est pourvu de plateaux perforés 5. Ces plateaux perforés 5, représentés dans la figure 3, sont placés à intervalles égaux, ou sont de plus en plus serrés du haut vers le bas, et/ou sont pourvus de surfaces libres qui diminuent du haut vers le bas, ou le diamètre des perforations devient plus petit du haut vers le bas.A partir de son fond, le fermenteur 4 est relié par une conduite 6 de liaison avec l'échangeur de chaleur 7 qui, à son tour, est relié par une conduite de liaison 8 avec un cyclone de dégazage 9, qui porte un raccord 10 d'évacuation du gaz qui s'échappe. Le cyclone 9 est relié par une conduite aspirante 11, sur laquelle sont posés les raccords 12, 13, 14 qui servent à introduire le milieu nutritif et le liquide de réglage du pH, et à prélever la masse qui est dans le fermenteur, avec la pompe de circulation 1. Le milieu de fermentation-parcourt l'installation en passant, dans l'ordre, dans la pompe de circulation I, la conduite de refoulement 2, le fermenteur 4, l'échangeur de chaleur 7, le cyclone 9, et pour revenir à la pompe 1. Après la pompe 1, on alimente, par les organes d'introduction 3 des gaz, l'air et les composants gazeux, et on envoie le mélange gaz-liquide ainsi formé, par la conduite de refoulement 2, en tête du fermenteur 4. Dans ce fermenteur 4, le mélange gazliquide traverse en un courant descendant continu, les plateaux perforés 5 qui y sont disposés. Le mélange gaz-liquide arrivant au fond du fermenteur 4 après être passé dans l'échangeur de chaleur 7, est séparé dans une large mesure en gaz et liquide dégazé dans le cyclone.Le liquide est alors renvoyé à la pompe 1 après avoir reçu du milieu nutritif par le raccord 12, et un acide ou de la lessive de soude pour ajuster le pH. Exemple 2 L'installation suivant la variante II, représentée dans la figure 2, est constituée également d'une pompe 1, d'une conduite de refoulement 2 portant un organe d'introduction des gaz 3, d'un cyclone de dégazage 9 portant un raccord 10, et d'un fermenteur 15. Ce fermenteur 15 remplit en même temps la fonction d'échangeur de chaleur, et est constitué d'un faisceau de tubes disposés verticalement. Ce faisceau de tubes est formé de tubes 16 qui sont équipés de plateaux perforés 5, de la même maniére que dans le fermenteur 4 de la variante I. L'espace restant dans l'enveloppe du fermenteur 15 est pourvu de raccords d'entrée 17, et de sortie 18, de l'eau de refroidissement.A la partie supérieure du fermenteur 15 se trouve, au-dessus du plateau à tubes supérieur 19, un plateau répartiteur 20. Exemple 3 Dans une installation suivant la variante I dont le volume total est de 1,5 m3, comportant un fermenteur 4 de 0,36 m de diamètre intérieur et 68 m de hauteur, on entretient continuellement une culture de Candida utilis. Le fermenteur 4 est pourvu de treize plateaux perforés dont les écartements et la surface totale de la section transversale des orifices de passage diminuent du haut vers le bas. L'épaisseur des plateaux perforés fabriqués en matière plastique se monte à 10 mm. Les orifices de passage sont disposés, dans les plateaux, sur les angles de triangles isocèles. Ils sont constitués d'une partie formant entrée, qui se rétrécit coniquement dans le sens du courant avec un angle de conicité de 450, et d'une perforation cylindrique qui se raccorde à la précédente dont la longueur est de 3 mm. Les diamètres des perforations cylindriques se situent dans tordre de grandeur de 4,6 à 5,8 mm. Dans le tableau suivant, on indique les distances qui séparent les plateaux perforés dans le fermenteur 4, du haut vers le bas, le nombre des orifices de passage, et le diamètre de la partie cylindrique de ces orifices. NO du plateau Distance des Nombre des Diamètre de la perforé plateaux orifices de partie cylindrique (mm) passage des orifices (mm) 1 600 516 5,8 2 550 516 5,7 3 550 516 5,6 4 550 516 5,5 5 500 516 5,4 6 500 439 5,7 7 500 439 5,5 8 500 439 5,4 9 450 439 5,2 10 450 439 5,0 11 450 439 4,8 12 400 367 5,0 13 400 367 4,6 On remplit l'installation avec le liquide de culture dans lequel on a mis en suspension de la levure. On fait circuler ce liquide de la façon décrite au moyen de la pompe 1. On alimente chaque heure, par l'organe d'introduction des gaz 3, 135 Nm3 d'air. L'air, émulsionné dans le liquide, est extraitS après avoir parcouru le circuit, par le cyclone de dégazage 9. Le dosage de la solution nutritive contenant de l'méthanol comme source de carbone et les sels nutritifs dissous, ainsi que la solution de NH3, destinée à régler le pH s'effectue par les raccords d'alimentation 12, 13, 240 kg de liquide au total étant dosés, chaque heure, d'une façon continue. On extrait de l'installation, d'une façon continue, par le raccord d'évacuation 14, une quantité de liquide correspondant à la quantité introduite. Le liquide de culture est maintenu, au moyen de la solution de NH3 que l'on ajoute, à un pH de 4,2 dans l'installation, et, à l'aide de l'échangeur de chaleur 7, à une température de 32qu. A l'état immobile, la masse contenue dans l'installation se monte à 960 kg, avec une concentration en levure de 44 g de substance sèche de levure par kg. En se basant sur le rendement horaire en substance sèche de levure de 10,5 kg, la productivité ressort à 11 kg de levure sèche/t. h. Exemple 4 La culture continue de Candida utilis s'opère dans l'installation de la variante II avec un volume total de 3 1,5 m et un fermenteur 15 établi sous la forme d'un échangeur de chaleur à faisceau de tubes. Le diamètre extérieur du fermenteur 15 se monte à 0,54 m, la hauteur à 7,3 m. Dans le fermenteur 15 sont posés dix-neuf tubes 16 de 85 mm de diamètre intérieur et de 6 m de long. Les tubes sont répartis régulièrement sur la section du fermenteur, et sont disposés de telle façon qu'ils forment les angles de triangles équilatéraux. Chaque tube contient treize plateaux perforés 5, qui correspondent par le type d'exécution et leur disposition dans les tubes 169 à ceux de l'exemple 3. Dans le tableau suivant, on indique les distances qui séparent les plateaux perforés dans le fermenteur 4, du haut vers le bas, le nombre des orifices de passage, et le diamètre de la partie cylindrique de ces orifices. NO du plateau Distance des Nombre des Diamètre de la partie perforé plateaux orifices de cylindrique des (n) passage orifices (mm) 1 600 61 4,6 2 550 37 5s8 3 550 37 5,7 4 550 37 5,6 5 500 37 5,5 6 - 500 37 5,4 7 500 37 5,3 8 500 37 5,2 9 450 37 5s0 10 450 37 4s9 11 450 37 4,7 12 400 37 4s3 13 400 19 5,9 Le bouillon de culture pompé dans l'installation avec la levure mise en suspension est à nouveau mis en circulation, de la même façon, à l'aide de la pompe 1, et l'on alimente, par les organes d'introduction des gaz 3s 340 Nm3 d'air par heure. L'air est émulsionné avec le liquide et après avoir parcouru le circuit, est extrait à nouveau au moyen du cyclone 9 de dégazage. La quantité totale de solution ajoutée par les raccords d'alimentation 12 et 13, composée d'éthanol comme source de carbone, de sels nutritifs d'eau et d'ammonium, se monte à 215 kg. On extrait de l'installation, d'une façon continue, par le raccord d'évacuation 14, une quantité correspondante de bouillon de culture. L'eau de refroidissement qui passe dans le tube qui forme l'enveloppe extérieure du fermenteur 15 est réglée de façon telle que le milieu est maintenu à une température de 320C. Le pH du bouillon de culture est maintenu, par la solution de NH3 que l'on ajoute à nouveau à pH 4,2. La masse du bouillon de culture, contenue dans l'installation, se monte à ltétat immobile, à 860 kg. La concentration en levure se monte à 100 g de levure sèche par kg de bouillon de culture. Le rendement horaire de 21,5 kg de levure sèche donne une productivité de 25 kg de levure, substance sèche/par t.h. REVENDICATIONS 1) Installation pour la culture de microorganismes dans un milieu nutritif aqueux et en présence d'un gaz contenant de l'oxygène libre qui est réparti dans ce milieu et dune source de carbone qui se présente gazeuse ou liquide dissoute ou dispersée installation caractérisée en ce quelle comporte une pompe de cir culation (l) qui conduit par une conduite de refoulement (2 sur laquelle est monté un organe d'introduction des gaz (37) et qui conduit à la partie supérieure du fermenteur (4) qui est constitué d'une cuve cylindrique verticale qui est équipée de plateaux perfo rés (5) e qui sont placés à des distances égales dans la cuve ou dont les distances diminuent du haut vers le base et/ou les surfaces libres diminuant du haut vers le basa le diamètre des perfora tions devenant plus petite et en ce que du fond du fermenteur (4, une conduite de liaison (6) va à un échangeur de chaleur i 7 ) e qui est relié luismemee par une conduite de liaison (8). avec un cyclo ne de dégazage (9)? qui présente un ajutage d'évacuation du gaz (10), et que, du cyclone (9) une conduite aspirante (ll) sur laquelle sont montés des raccords (12) (13) et (1482 qui servent à l'alimentation en milieu nutritif et en liquide de régulation du pH, et au prélèvement du bouillon repris au fermenteur. conduit à la pompe de circulation et forme un circuit fermé 2) Installation suivant la revendication 1 caracté risée en ce que le fermenteur (15) est constitué par un faisceau de tubes disposés verticalement, les tubes séparés (16) étant garnis de plateaux perforés (5) qui sont séparés par des distances égales ou diminuant du haut vers le bas et/ou sont pourvus de surfaces libres diminuant du haut vers le bas les diamètres des perfora tions devenant plus petit et quzil est monté auDdessus du plateau des tubes (19) supérieur un plateau répartiteur (20) l enveloppe qui entoure le faisceau de tubes étant pourvue de raccords d abri vée et de sortie (17 et 18) d'eau de refroidissement 3) Installation suivant l'une des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que les plateaux perforés (5) sont disposés à une distance entre eux, de 1?50 à 0?10 m cette distance diminuant du haut vers le bas 4) Installation suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3. caractérisée en ce que les plateaux perforés (5) portent des perforations coniques2 la pointe du cone étant dirigée vers le bas- le diamètre des perforations étant de 4 à 9 mm, et l'angle de conicité étant de 30 à 900 > la surface de passage libre étant de 6 à 25 5a, calculée sur la section du fermenteur. 5) Installation suivant la revendication 2, caractérisée en ce que le plateau répartiteur (20) est établi sous la forme d'un plateau-tamis dont la largeur de maille est d'au moins 2 mm. 6) Installation suivant la revendication 2, carac térisée en ce que le plateau répartiteur est établi sous la forme d'un plateau perforé avec des perforations coniques, la pointe du cône étant dirigée vers le bas et le plus petit diamètre de perforation étant de 4 mm, et la surface de passage, calculée sur la section du fermenteur étant plus grande ou égale à celle des plateaux perforés (5) placés dans le fermenteur (15). 7) Installation suivant l'une quelconque des revendications 2, 5 et 6, caractérisée en ce que la distance du plateau répartiteur (20) au-dessus du plateau à tubes (19) se monte à 0,1 à 1 m. 8) Installation suivant la revendication 1, carac- térisée en ce que le dégazage du milieu de fermentation s'opère au moyen d'un cyclone (9).