Brevet FR2438086A1 — publié le 19800430

La présente invention concerne un procédé de mise en oeuvre de microorganismes suivant une technique hautement performante sur le plan de la productivité, avec des coûts énergétiques faibles. Les demandeurs ont découvert, d'une part, que l'immobilisation de microorganismes permettait d'accroitre la densité cellulaire dans les réacteurs et que, d'autre part, les transferts de matière et de chaleur dans les réacteurs biologiques étaient favorisés par la pulsation des masses réactionnelles. Les techniques d'immobilisation de microorganismes que l'on peut utiliser sont des techniques d'inclusion dans des macromolécules organiques et des techniques d'adsorption sur des matériaux poreux ou de fixation par des liaisons chimiques sur des supports poreux ou non, organiques ou minéraux. Les techniques de pulsation des masses réactionnelles sont mises en oeuvre à l'aide de dispositifs mécaniques, pneumatiques, à soufflet ou à membrane. Les réacteurs sont équipés de plateaux favorisant les contacts entre phases et/ou remplis de garnissage. L'une des formes d'éxécution, nullement limitative, d'un tel fermenteurestschématiséà titre d'exemple sur la planche I. Le corps principal (a) du fermenteur peut être balayé ou non par un courant gazeux apporté par le dispositif (b). La sortie de la phase gazeuse s 'effectue en (c). Un dispositif de pulsation pneumatique comprenant une réserve (d) de gaz comprimé débouchant sur une electrovanne (e) à trois voies fonctionne de la façon suivante : une voie de (e) est en relation avec le corps (a) du fermenteur par l'intermédiaire d'une tubulure (f) de section S1 in- férieure à la section S2 du réacteur. La troisième voie de(e) communique avec l'extérieur pour permettre la décompression dans la tubulure (f).Le fonctionnement de l'electrovanne (e) est program mé. Le liquide fermentescible est amené au fond de la cuve par la tubulure (g) et soutiré en tête du réacteur (h) par la tubulure (j). Cette forme de mise en oeuvre est compatible avec un fonctionnement continu en réacteur de type piston. Le corps du réacteur (a) est équipé d'éléments permettant de favoriser les tranferts de matière (i), ceux-ci pouvant être des'plateaux perforés ou des garnissages macroporeux ou non réalisant la fonction supplémentaire de rétention des biocatalyseurs. Une seconde forme d'éxécution, permettant un fonctionnement en réacteur discontinu ou continu, est matérialisé par la planche II. Le corps du réacteur (a) est constitué des mêmes éléments de base décrits dans la forme d'éxécution précédemment définie. Les modifications apportées se situent au niveau d'une connection (k) située entre la tête (h) du fermenteur et la tubulure (f). Deux clapets anti-retour (1), plaçés en opposition, l'un à la jonction entre k et f, l'autre à la jonction de (f) et de (a), permettent la pulsation de l'ensemble de la masse réactionnelle et l'accélération du liquide fermenté. Cette forme d'éxécution permet, en modifiant le rapport entre S1 et S2 et les fréquences de pulsation, de faire fonctionner le fermenteur avec des écoulements de type piston ou, à la limite, d'assurer un fonctionnement de type infiniment mélangé. La jonction de (h) et de (f) permet un recyclage des cellules et un réensemencement continu du liquide à fermenter. Eventuellement, la sortie de décompression de (f) sur l'electrovanne (e) peut être reliée au pied de cuve par la tubulure (b') pour effectuer une injection auxiliaire de gaz. Une troisième forme d'éxécution peut s'appliquer à l'utilisation d'un pulsateur commun à plusieurs réacteurs pouvant travailler soit en série, soit en parallèle. Les exemples suivants illustrent l'invention, sans toutefois en limiter la portée. Ils sont pris dans la production de biomasse et dans la production de métabolites primaires et secondaires. Premier type d'application : production de biomasse. Exemple 1. Dans une installation d'un volume de 18 litres, conforme à la planche I, les organes (i) étant des plateaux perforés (diamètre des trous 1 mm, coefficient de vide 0,23). Une levure, Candida lipolytica M12 est cultivée en continu. Le milieu de fermentation contenant du glucose monohydrate et des ions minéraux nécéssaires à la croissance, est amené de manière continue à la partie inférieure du réacteur. Par la tubulure (b), l'air est injecté à raison de 1 litre par litre de milieu réactionnel et par minute. Le débit d'alimentation en milieu nutritif est de 8,1 litres par heure; la concentration en cellules en tête du fermenteur est de 29,4 grammes par litre, ce qui correspond à une productivité de 13 g de cellules par heure et par litre de réacteur. Deuxième type d'application : production d'éthanol Exemple 2. Essai-témoin sans pulsation. Dans une installation d'un volume de 18 litres conforme à la planche I, on réalise la fermentation de glucose monohydrate par Saccharomyces cerevisiae (INRA STV 89). Le corps du réacteur (a) est garni d'un support pouvant être de la brique poreuse ou tout autre matériau inerte possédant une affinité pour les cellules, imprégné de microorganis mes. Le milieu de fermentation contenant le sucre fermentescible et les ions minéraux nécéssaires à la culture,dest amené de manière continue, après stérilisation, à la partie inférieure du réacteur, traverse le garnissage et est soutiré, fermenté, à la partie supérieure du réacteur. Le liquide réactionnel n'est pas pulsé.Le débit d'alimentation est de 0,4 lh i et la concentration en gluco -l se monohydrate est de 330 gl . A ce débit, 87 % du sucre initial sont fermentés et la concentration en éthanol est de 120 gel 1 à la sortie du réacteur, ce qui correspond à 15,2 degrés Gay-Lussac. Le rendement par rapport à l'alcool potentiel est de 91,5 t. La pro- ductivité horaire rapportée au volume du réacteur est de 2,6 gl Exemple 3. On affiche une vitesse de pulsation égale à 0,05 ms -l (amplitude 5cm, fréquence 1 Hz). On observe que le volume de gaz retenu dans le réacteur décroît de manière sensible. Les autres conditions de l'exemple 2 sont rigoureusement maintenues. Dans ces conditions, 93 % de la quantité de sucre initiale sont fermentés. La concentration en alcool atteint 130,2 gl 1, soit 16,5 degrés Gay-Lussac. La productivité horaire rapportée au volume vide de réacteur atteint alors 2,9 gl Exemple 4. La fréquence de pulsation étant maintenue égale à 0,05 mus 1, la concentration en sucre fermentescible étant de 120 gl 1, le débit d'alimentation en milieu est porté à 4,5 litres par heure. A ce débit, 95 % du sucre sont fermentés et la concentration en alcool est de 55 gl 1, soit 7 dO Gay-Lussac. Le rendement en alcool est de 95 % par rapport à l'alcool potentiel. La productivité horaire, rapportée au volume vide de réacteur, est de 13,7 gl Exemple 5. Les conditions de fermentation décrites dans l'exem- ple 3 sont maintenues, mais la source de sucre fermentescible est constituée de mélasse de betterave à sucre diluée de façon à ce que la teneur en sucre soit de 152 gel 1. Le débit d'alimentation est de 3,4 li 1. Dans ces conditions, 94 % du substrat initial sont utilisés et la concentration en alcool est de 51,2 gl 1, ce qui correspond à 6,5 dO Gay-Lussac, la productivité horaire ramené au volume vide de réacteur étant de 9,6 gel 1. Troisième type d'application : production de pénicilline Exemple 6. Dans un réacteur d'un volume de 18 litres conforme à la plache I, on réalise la production d'un antibiotique, la péni cilline. Penicillium chrysogenum est adsorbé sur un garnissage(i). Le milieu de production contenant le précurseur de l'antibiotique est amené de manière continue à la partie inférieure du réacteur. Par la tubulure (b), l'air est injecté à raison de 1 litre par litre de milieu et par minute. La vitesse de pulsation est égale à 0,05 ms 1 et le débit d'alimentation en milieu est de 0,8 li 1. La concentration en antibiotique en tête du réacteur est de 25 unités par ml, soit une productivité de 1000 unités par heure et par litre de réacteur vide. REVENDICATIONS I.Procédé de mise en culture continue ou non, de cellules immobili sées ou non sur un support, en anaérobiose ou en aérobiose, dans un fermenteur dans lequel l'énergie nécéssaire à la réalisation des transferts de matière et de chaleur, à l'accélération de l'élimination des métabolites gazeux est apportée par un dispositif imprimant un mouvement oscillatoire, soit au liquide réactionnel, soit à l'une des parties internes du réacteur, soit à la biomasse catalytique. 2.Procédé selon la revendication I, caractérisé en ce que les cellules peuvent être libres, floculées ou immobilisées par des techniques d'adsorption sur support, ou d'inclusion dans des matériaux macromoléculaires, ou de fixation par des liaisons de haut niveau d'énergie entre le support et le microorganisme. La mise en oeuvre de telles biomasses catalytiques peut s'effectuer en lit dense, totalement ou partiellement fluidisé, en lit compartimenté ou non. 3.Procédé selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le degré de mélange obtenu dans le fermenteur peut être, suivant les conditions d'utilisation, du type infiniment mélangé, ou du type piston en ajoutant au corps principal du réacteur une boucle latérale de recirculation. 4.procédé selon les revendications 1 a 3, caractérisé en ce que l'on peut travailler de manière continue, en recyclage partiel de microorganismes et réensemencer en pied de cuve par les microorganismes effluents. 5.Procédé selon les revendications 1 à 4, caractérisé en ce que un organe générateur d'oscillations puisse être commun à plusieurs cuves de fermentation, les dites cuves pouvant travailler en série ou en parallèle. 6.Procédé selon les revendications 1 à 5 permettant de mettre en oeuvre des microorganismes produisant soit des biomasses (protéines d'organismes unicellulaires), soit des métabolites primaires (alcool, acides organiques...), soit des métabolites secondaires (antibiotiques...).