Brevet FR2459284A1 — publié le 19810109

L'invention concerne un appareil de fermentation pour la culture de microorganismes et plus particulièrement un appareil comportant un récipient dans lequel un agitateur fait saillie à partir du bas et dans la région supérieure duquel se trouve un sé- parateur de mousse tournant relié à un tuyau d'échappement de gaz, un cylindre directeur ouvert en haut et en basdisposé coaxiale- ment dans le récipient,un tube d'introduction de gaz et plusieurs tubulures traversant la paroi du récipient pour l'addition et le retrait de gaz ou de liquides,le passage de sondes etc... Dans un appareil de fermentation connu de ce genre (DE-AS 2.441.427),le récipient comporte un couvercle fortement bombé et en retrait vers le milieu et un fond également bombé et en retrait vers le milieu. A travers le fond passent un agita- teur qui pénètre dans le récipient et dans un cylindre directeur disposé dans le récipient. On introduit dans le récipient une solution nutritive pour microorganismes etpar un tube d'introduction de gaz,on amène dans le liquide l'air nécessaire à la multiplication des microorganismes. L'agitateur crée un écoulement du mélange de liquide et d'air. Cet écoulement se dirige vers le haut dans l'espace annulaire entre le cylindre directeur et la paroi du récipient pour revenir à l'agitateur en traversant l'intérieur du cylindre directeur, Par suite,le mélange de liquide et d'air est maintenu en mouvement et en brassage permanents. En vertu de la forme donnée aux parois du récipient,on peut obtenir un écoulement satisfaisant et uniforme à travers toute la cavité du récipient. Etant donné que le liquide nutritif maintenu en mouve- ment prononcé et mélangé à de l'air ou à de l'oxygène engendre de la mousse, il est prévu dans la région supérieure un séparateur de mousse qui arrive jusque dans le cylindre directeur, Ce sépara- teur de mousse se compose de plusieurs éléments en forme d'entonnoir emboîtés les uns dans les autres et entraînés par un arbre tournant, Le liquide qui se dépose sur les parois des éléments en forme d'entonnoir ouverts vers le bas est projeté vers l'extérieur par la force centrifuge et ramené dans le courant général de liquide tandis que les gaz contenus dans la mousse montent à l'intérieur du séparateur de mousse et quittent le récipient par un tuyau d'échappement de gaz. Bien que l'on atteigne déjà dans l'appareil de fermentation connu un assez bon taux de remplissage, il peut se former,dans la région supérieure du récipient,des accumulations de mousse qui ne subissent pas l'action du séparateur de mousse. Ces accumulations favorisent la croissance lelbng des parois de certaines cultures microbiennes qui ont tendance à se développer ainsi.Les microorganismes qui se déposent sur la paroi du réci- pient forment une couche collante et ne participent pas au métabo- lisme du substrat. L'invention a pour but de fournir un appareil de fer- mentation de l'espèce définie plus haut qui puisse être rempli pratiquement complètement d'un mélange de liquide nutritif et de gaz sans qu'il se forme de zones remplies de mousse en permanen- ce et dans lequel le gaz ou l'oxygène soient contenus dans le liquide avec une distribution uniforme. Il s 'agit par là d 'éviter une croissance des cultures sur les parois et d'obtenir une meilleure utilisation de l'espace pour la croissance microbien- ne. Dans un appareil selon l'invention,le séparateur de mousse est disposé immédiatement sous la paroi supérieure du réci- pient et espacé verticalement au-dessus du cylindre directeur, et il présente des lamelles en éventail servant à abattre la mousse. Du fait que le séparateur de mousse est disposé immédiatement sous la paroi supérieure du récipient,il n'y a pas,au-dessus du séparateur de mousse,d'espaces morts dans lesquels puisse se maintenir une mousse immobile ou en mouvement lent. Le séparateur de mousse est placé,par ses parties tournantes au voisinage immédiat de la paroi supérieure du récipient de sorte qu'entre lui et la paroi supérieure du récipient il existe seulement l'interstice nécessaire correspondant aux tolérances. Gr8ce à l'espacement vertical entre le séparateur de mousse et le cylindre directeur,la circulation du mélange liquide-gaz n'est pas entravée par le séparateur de mousse,car celui-ci ne cause de diminution de section en aucun point de la circulation. De cette manièreon obtient un appareilcb fermentation entièrement agité, sans zones mortes, uniformément rempli d'un mélange gaz-liquide brassé intensément et largement homogène. Un tel appareil de fermen- tation complètement rempli convient particulièrement à la culture de mycéliums qui ont spécialement tendance à se développer sur la paroi quand le remplissage n'est pas complet. Alors que le séparateur de mousse de l'appareil de fer- mentation connu déjà mentionné est formé d'un corps de révolution fonctionnant exclusivement selon le principe de la force centrifuge et projetant les particules de liquide,les lamelles en éventail du séparateur de mousse de l'appareil de fermentation selon l'in- vention ont en outre pour effet de crever les bulles de la mousse. Par suite,l'efficacité du séparateur de mousse est accrue et la formation de mousse est directement empêchée dès l'origine en tous les points atteints par le séparateur de mousse. Pour assurer une destruction complète et uniforme de la mousseles lamelles présentent de préférence des perforations verticales ou des arêtes dont la distance à l'axe de rotation est différente. De cette manière,les lamelles du séparateur de mousse ne creusent pas de sillons uniformes dans la zone de formation de la mousse maiscomme les perforations agissent alternativement en différents points,l'effet de destruction devient uniforme sur toute la surface du séparateur de mousse. Pour empêcher la formation dé mouse spécialement au voi- sinage de la paroi du couvercle du récipientfles lamelles sont de préférence disposées debout sur la face supérieure d'un disque. Par leur arête supérieure horizontale,les lamelles sont guidées à proximité immédiate de la paroi du couvercle,parallè - lement le long de celle-ci,ce qui fait que la paroi du couvercle est maintenue exempte de mousse. La face inférieure du disque sert à guider l'écoulement du mélange de liquide et de gaz. Elle peut présenter une ou plusieurs perforations à travers lesquelles du gaz peut monter dans le tuyau d'échappement de gaz. Etant donné que le séparateur de mousse ne s'avance pas dans le cylindre directeur,on peut lui donner un diamètre assez grand pour agir pratiquement sur toute la paroi de couvercle du récipient. Mais, dans ce cas, il n'est pas possible d'introduire des sondes à l'intérieur du récipient à travers la paroi de cou- vercle. Pour pouvoir tout de même,dans le cas d'un séparateur de mousse de grandeur appropriée,introduire des sondes dans les régions de forte turbulence et ajouter des agents de correction, selon un développement avantageux de l'invention,de nombreuses tubulures sont disposées de façon rayonnée dans un élément annulaire disposé entre une paroi cylindrique du récipient et la paroi de fond. Ces tubulures conduisent à une région de forte turbulence qui convient particulièrement à la mise en place de sondes de mesure,par exemple pour la détermination du pH ou de la pression partielle d'oxygène. Dans cette région,on peut déterminer de façon représentative les caractéristiques du liquide. En vertu de la grande turbulence, on évite la croissance d'organismes sur les membranes des sondes.Il est particulièrement efficace aussi d'ajouter des agents de correction dans la région de forte turbu- lence car on obtient alors immédiatementune distribution uniforme Ire ' de ceux-ci. L'élément annulaire peut présenter à sa paroi intérieu- re la forme d'un organe directeur d'écoulement etpar un évase- ment à section élargie,il peut relier pratiquement sans coudes la paroi cylindrique du récipient et la paroi de fond,les tubulu- res étant inclinées relativement à l'horizontale dans la région 2459284 de l'évasement. Cela assure une construction particulièrement avantageuse quant à l'écoulement et qui peut être réalisée avec des éléments structuraux simples. On peut fabriquer l'appareil de fermentation en partant d'une pièce cylindrique fermée par une paroi de couvercle. La paroi de fond présente aussi une structure simple. Les tubulures se trouvent dans l'élément annulaire o elles ont une disposition rayonnée de sorte qu'elles ne se gênent pas mutuellement. La concentration des tubulures dans l'élément annulaire a pour effet que d'autres parties ne nécessitent aucun usinage correspondant et que tous les dispositifs de raccordement tels que tuyaux souples,câbles etc. ou du moins la majeure partie de ceux-ciaboutissent à l'élément annulaire. Par suitetoute la construction eue aussi les canalisations raccordées ont une disposition claire et cela facilite aussi l'utilisation de l'appa- reil de fermentation. On explique plus précisément ci-après un exemple d'exé- cution préférentiel de l'invention à propos des dessins sur les- quels: Fig.l est une élévation latérale de l'appareil de fer- mentation,de l'entraînement d'agitateur et de l'entraînement du séparateur de mousse; Fig.2 e5t une coupe longitudinale à plus grande échelle de l'appareil de fermentation de la figure 1; Fig.3 est une coupe suivant la ligne III-III de la figure 2; Fig;4 egt une coupe suivant la ligne IV-IV de la figure 3; Fig.5 est une coupe suivant la ligne V-V de la figure 3; Fig.6 est un plan du séparateur de mousse;et Fig.7 montre,en élévation,différentes formes de lamelles du séparateur de mousse. L'appareil de fermentation représenté en élévation latérale par la figure 1 comprend le récipient de réaction 10, pratiquement cylindrique,le moteur 11 servant à entraîner l'agi- tateur 12 et le moteur 13 servant à entraîner le séparateur de mousse 14. Le récipient 10 comporte une plaque de fond 15 et une plaque de couvercle 16 entre lesquelles le corps cylindrique 17 est serré par des tirants 18 situés, à l'extérieur du corps cylin- drique 17,entre la plaque de fond 15 et la plaque de couvercle 16 à travers lesquelles ils passent et contre les faces extérieures des- quelles ils sont serrés par des écrous 19. A la face inférieure de la plaque de fond 15 sont fixées trois barrettes horizontales 20 disposées en étoile,dépassant à l'extérieur et qui se posent sur un appui (non représenté) qui porte tout l'appareil de fermentation. Le moteur électrique inférieur ll,disposé verticalement, servant à entraîner l'agitateur 12,est relié à la plaque de fond 15 par une douille de palier 21 às travers laquelle l'arbre d'agitateur 22 pénètre coaxialement dans le récipient de réaction 10. De façon analogue,le moteur électrique supérieur 13, disposé verticalement et servant à entraîner le séparateur de mousse 14,est relié à la plaque de couvercle 16 par une douille de palier 23 à travers laquelle passe l'arbre 24 du séparateur de mousse 14. La figure 2 montre en détail la structure du récipient de rébction. L'extrémité de l'arbre d'entraînement 24 du séparateur de mousse est vissée à un arbre creux 25 à l'extrémité inférieure duquel se trouve une bride 26 à laquelle est fixé le séparateur de mousse 14. L'arbre creux 25 passe à travers une plaque 27 montée sur la plaque de couvercle 16 et présentant une saillie 28 qui passe à travers celle-ci. Cette saillie cylindrique 28 est rendue étanche vis-à-vis de l'arbre creux 25 par un joint à bague de glis- sement 29 etelle est rendueétanche vis-à-vis de la plaque de couver- cle 16 par un joint torique 30. Le gaz libéré au séparateur de mousse 14 monte à travers une ouverture centrale 31 de la bride 26 et à travers l'arbre creux 25 et arrive dans une cavité annulaire 32 de la douille de palier 23. Au niveau de cette cavité annulaire 32,la douille de palier 23 est raccordée à un tuyau d'échappement de gaz 33 par lequel s'évacue le gaz parvenu dans la cavité annulaire 32. Ce gaz peut être conduit à un analyseur qui détermine,de façon conti- nue ou à intervalles réguliers,la composition du gaz, La cavité annulaire 32 est fermée vers le haut par une plaque de palier et d'étanchéité 34 à travers laquelle l'arbre 24 passe de façon étanche. Le séparateur de mousse 14,fixé à la face inférieure de la bride 26,comprend un disque 35 espacé verticalement de la bride 26 et présentant une ouverture centrale 36. Le bord extérieur 37 du disque est incliné obliquement vers l'extérieur de sorte que le disque 35 forme une espèce de dôme servant à recueillir le gaz qui monte. A la face supérieure du disque 35 se trouvent des lamel- les 384lacées debout,disposées en éventail ou en étoile,et dont l'arête supérieure se trouve à proximité immédiate de la face inférieure de la paroi de couvercle 16. Le séparateur de mousse a un diamètre tel qu'il s'étend à peu près sur toute la surface intérieure de section du corps cylindrique 17. En dessous du séparateur de mousse 14 est disposé avec espacement vertical,le cylindre directeur 40,à double paroi. La paroi extérieure est désignée par 41,la paroi intérieure par 42 et la paroi frontale supérieure par 43. La paroi frontale inférieure du cylindre directeur est également fermée,mais à travers la paroi frontale inférieure passent deux tubes 44,45 qui pénètrent dans la cavité annulaire du cylindre directeur 40. Les tubes 44 et 45 reposent sur la plaque de fond 15 et sont reliés à des tuyaux de raccordement qui passent à travers la pla- que de fond 15. Le tube 45 est relativement court et se termine en sa région inférieure à l'intérieur du cylindre directeur 40 tandis que le tube 44 est long et arrive jusqu'au voisinage de l'extrémité supérieure de la cavité annulaire du cylindre directeur 40. Les tubes 44 et 45 présentent à leurs extrémités des ouvertures 46,47. Le tube 45 sert de tube d'admission d'un agent de chauffage qui arrive dans la cavité annulaire du cylindre directeur 40 et le tube 44 forme le tube d'échappement de l'agent de chauffage. On peut régler le débit ou la température de l'agent de chauffage de manière à obtenir,par l'échange de chaleur aux parois 41 et 42 du cylindre directeur,un conditionnement uniforme du mélange liquide-gaz. Pendant la phase de stérilisation,on peut,de la même façon,envoyer de la vapeur à travers la cavité annulaire du cylindre directeur. Comme le montre la figure 3,la paroi extérieure 41 du cylindre directeur 40,vue en plan,se compose de trois segments d'anneau semblables 50 dont chacun couvre un angle de 1200. Les arêtes latérales des segments d'anneau 50 sont coudées à angle droit vers l'extérieur,formant des brides 49 qui sont placées l'une contre l'autre et reliées entre elles.Chaque paire de brides forme une paroi directrice verticale qui,en partant de la paroi extérieure 41 du cylindre directeur 40,se dirige radialement vers l'extérieur jusqu'au voisinage de la surface intérieure du corps cylindrique 17. Le cylindre directeur 40, qui est porté par les tubes 44 et 45 et par un tube supplémentaire 51 (figure 3),reposant également sur la plaque de fond 15,se termine avec espacement au-dessus de la plaque de fond 15. Un peu en dessous du cylindre directeur 40 est disposé un tube d'introduction de gaz 52 dont l'extrémité est courbée en anneau et entoure coaxialemeent l'arbre 22 de l'agitateur 12 et qui sert à introduire de l'oxygène,de l'air ou un autre gaz approprié à l'intérieur du récipient 10. Dans le mode d'exécution considéré,l'agitateur 12 comporte deux hélices 53,54 fixées à l'arbre 22 et disposées, avec espacement entre elles,à l'intérieur du cylindre directeur 40.L'hélice 54 se trouve dans la région supérieure et l'hélice 53 dans la région inférieure du cylindre directeur 40. Les pales des deux hélices ont la même obliquité,de sorte que les deux hélices pompent ou poussent en avant le mélange de liquide et de gaz dans le même sens axial. Dans le cas présent,l'arbre 22 est mis en rotation de telle sorte que le mélange liquide-gaz est pompé vers le bas à l'intérieur du cylindre directeur 40, dans le sens des flèches 55 de la figure 2,il monte à l'extérieur du cylindre directeur eten haut,il reflue au cylindre directeur. Entre le corps cylindrique 17 et la plaque de fond 15 se trouve un élément annulaire 56 présentant de nombreuses tubulures 57,58 distribuées en étoile. Dans le cas présent, six tubulures 57 sont prévues pour l'amenée et l'évacuation de gaz ou de liquides et cinq tubulures 58 pour l'introduction de sondes de mesure. Les tubulures 57,58 sont formées de tronçons de tube dirigés obliquement vers le haut et vers l'extérieur et, pour des raisons de guidage,les tubulures 58 destinées à des sondes de mesu- re sont plus longues que les tubulures 57 que l'on ferme en y vissant des bouchons 59 ou que l'on raccorde à d'autres parties de l'installation en y vissant des tuyaux. A travers les tubulures 58,on introduit à l'intérieur du récipient de réaction des sondes servant par exemple à mesurer le pH, la pression partielle d'oxygène, la pression ou la tempéra- ture. Les tubulures 57 servent à amener de l'air ou d'autres gaz, ou encore le substrat de fermentation. Lgélément annulaire 56,dont la forme est indiquée en détail par la figure 2,forme au-dessus du fond du récipient de réaction 17 un élargissement annulaire latéral 60 dont la région inférieure se raccorde à peu près horizontalement et presque sans transition à l'intérieur de la paroi de fond 15 et dont la région supérieure se raccorde,également à peu près sans coude, à la paroi du corps cylindrique 17. Les tubulures 57,58 débouchent à l'intérieur du récipient de réaction 17 dans la région conique supérieure de l'évasement 60,qui est dans son ensemble à peu près ovoîde ou piriforme. Etant donné que les tubulures traversent perpendiculairement la paroi de l'éménent annulaire 56,elles pénètrent obliquement vers le bas dans le récipient. Ainsi,les sondes arrivent dans la région de fortes turbulences o les valeurs mesurées,par exemple le pH et la pression partielle d'oxygènepeu- vent être déterminées de façon représentative de tout le contenu du récipient. En outre,les fortes turbulences dans la région de l'extrémité inférieure du cylindre directeur empêchent aussi la croissance d'organismes sur les électrodes de sonde. Un autre avantage est que l'addition d'agents de correction par les tubulures 57 s'effectue également dans la région de fortes turbu- lences de sorte que l'on peut obtenir une distribution et un brassage rapides et uniformes. Etant donné le grand diamètre du séparateur de mousse 14,il n'est de toute façon pas possibledans l'appareil de fermentation décrit,de faire passer des électrodes à travers la paroi de couvercle du récipient ainsi qu'il est usuel par ailleurs. La figure 4 montre le raccordement du tube 44,servant à l'évacuation de l'agent de chauffage,à un raccord extérieur 61. La plaque de fond 15 présente une perforation radiale 62 partant de son bord extérieur et à l'extrémité extérieure de la- quelle est vissé le raccord 61. Cette perforation radiale 62 communique avec une perforation axiale 63 de la plaque de fond 15. L'extrémité inférieure du tube 44 repose sur l'extrémité de la perforation axiale 63. L'étanchéité est assurée au moyen d'une plaque annulaire 64 vissée sur la plaque de fond 15 et contenant un joint torique. Le raccordement du tube 45 au raccord 65 (figure 3) par lequel est amené l'agent de chauffage s'effectue de façon analogue. L'introduction d'air ou d'oxygène pur dans le tuyau d'introduction de gaz 52 s'effectuecomme indiqué à la figure 5, par un raccordement 66 qui passe à travers la paroi de l'élément annulaire 56 et est relié à un tuyau d'amenée 68 par l'intermé- diaire d'un élément à vis 67,celui-ci comportantetronçon de tube 69 qui pénètre à l'intérieur du tube d'introduction de gaz 52. Le gaz introduit dans le tube d'introduction de gaz 52 sort de celui-ci par de multiples trous pour pénétrer dans le récipient 10. L'appareil de fermentation est entouré d'une gaine de stérilisation démontable 70 en matière grillagée qui entoure les tirants 18 et le corps cylindrique 17 comme le montre la figure 2. Les figures 6 et 7 montrent des détails du séparateur de mousse 14. Sur le disque,sont placées debout les lamelles 38 disposées en éventail;parmi celles-ciles lamelles 381,382,383 et 384 sont représentées en élévation latérale par la figure 7. Ces lamelles présentent des ouvertures ou fentes latérales 72 qui partent du disque 35 et s'étendent7une partie de la hauteur de la lamelle. La figure 7 montre que les ouvertures 72 de lamelles voisines se trouvent en des points différents. De cette manière, quand le séparateur de mousse tourne,on évite la formation de sillons circulaires et on assure un bon brassage et une bonne destruction de la mousse en cours de formation. Au bord supérieur de chaque lamelle se trouve un gradin 73 qui peut également avoir différentes positions et qui peut former,au choix,tantôt une arite de limitation gauche,tantôt une arête de limitation droite. Selon la figure 7b,la lamelle 383 présente en outre une encoche latérale 74 au bord extérieur. Les lamelles 38 sont soudées à la face supérieure du disque 35. En outre, dans la région centraleelles sont centrées et reliées entre elles par une plaque horizontale annulaire 75 qui pénètre dans des fentes ou encoches correspondantes. La séparation de phases assurée par le séparateur de mousse permet de faire fonctionner l'appareil de fermentation à l'état complètement rempli tout en évitant que du substrat liquide soit évacué,en même temps,par le tuyau d'échappement de gaz 33. Le séparateur de mousse 14 tourne dans le même sens que les hélices 53 et 54 de sorte qu'il n'entrave pas l'écoulement de la matière et ne forme pas un organe d'entraînement opposés au courant de substrat. Si L'on remplit l'appareil de fermentation de substrat liquide à raison de 80% environle substrat se mélange de façon homogène au reste de l'air de sorte que l'on obtient un remplissage uniforme de tout le volume du récipient. REVENDICATIONS l.Appareil de fermentation pour la culture de micro- organismes,comportant un récipient (10) dans lequel un agitateur (12) est en saillie à partir du bas et dans la région supérieure duquel se trouve un séparateur de mousse tournant relié à un tuyau d'échappement de gaz,un cylindre directeur (40) ouvert en haut et en bas,disposé coaxialement dans le récipient,un tube d'introduc- tion de gaz (52) et plusieurs tubulures (57,58) prévues dans la paroi du récipient pour l'addition et le retrait de gaz ou de liquides et pour le passage de sondes etc, appareil caractérisé par le fait que le séparateur de mousse (14) est disposé immédiatement en dessous de la paroi supérieure (16) du récipient (10) et espacé verticalement au-dessus du cylindre directeur (40) et qu'il présente des lamelles en éventail (38) servant à abattre la mousse. 2. Appareil selon la revendication l,caractérisé par le fait que les lamelles (38)présentent des ouvertures (72) ou des arêtes (73) dont la distance à l'axe de rotation est différente. 3. Appareil selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que les lamelles (38)sont disposées debout sur la face supérieure d'un disque (35). 4. Appareil selon l'une des revendications 1 à 3,carac- térisé par le fait que de nombreuses tubulures (57,58)sont dispo- sées de façon rayonnée dans un élément annulaire (56) qui est dis- posé entre la paroi cylindrique (17) de récipient et la paroi de fond (15). 5. Appareil selon la revendication 4,caractérisé par le fait que l'élément annulaire (56) présente à sa paroi intérieu- re la forme d'un organe directeur d'écoulement et que par un évasement à section élargie (60) il relie pratiquement sans coude la paroi cylindrique (17)et la paroi de fond (15),et en ce que les tubulures (57, 58)font un angle avec l'horizontale dans la région de l'évasement (60). 6.Appareil selon l'une des revendications. 1 à 5, caractérisé par le fait que le cylindre directeur (40)porte des cloisons directrices verticales en saillie (49)qui subdivi- sent la cavité annulaire située entre le cylindre directeur et la paroi du récipient. 7. Appareil selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que le cylindre directeur (40)constitue un échangeur thermique.