Brevet FR2465783A1 — publié le 19810327

La présente invention concerne un procédé pour faire fermenter en continu un moût aqueux en vue d'ob- tenir de l'alcool et une biomasse de levure, dans un fermenteur et dans une étape de séparation et de recyclage, le fermenteur étant alimenté continuellement en moût aqueux frais, en levure de fermentation, en un mélange nutritif et en un gaz contenant de l'oxygène. Comme produit on retire un moût fermenté renfermant de l'alcool et dépourvu de levure. La fabrication continue de l'éthanol prend de plus en plus d'importance depuis quelque temps car elle ouvre à l'exploitation une source supplémentaire d'énergie et elle apporte, pour les grandes installations industrielles,les avantages d'une production régulière, d'une commande plus simple et d'une augmentation possible de la productivité par suppression des temps de purifi- cation et de mise en levain. Pour obtenir de l'alcool en continu il est nécessaire de mettre à la disposition des microorganismes, qui sont des levures, un substrat, en fait un moût, suffisamment riche en sucres, et de main- tenir les conditions de fermentation les plus favorables. Dans la fabrication industrielle de l'éthanol par fermentation au moyen de levures il était d'usage cou- rant d'opérer en discontinu: les substrats sucrés à faire réagir étaient mis en jeu en solution aqueuse dans un réci- pient de fermentation, ils étaient additionnés d'une levure de fermentation et ils étaient abandonnés à eux-mêmes. Les levures transformaient alors le sucre contenu dans le sub- strat, selon le schéma réactionnel suivant: C H 0 = 2C H OH + 2 CO 92, 6 12 6 2 5 + 2C0+921k soit:100 kg d'hexose=51,15 kg d'éthanol + 48,86 kg de CO2, en éthanol et dioxyde de carbone. Ce processus étant anaéro- bie il n'est pas nécessaire d'aérer le système. Lorsque le sucre a totalement réagi on enlève toute la moisson du récipient de fermentation et on soumet le contenu à une distillation, laquelle fournit l'éthanol voulu. Certains perfectionnements techniques, tels que l'introduction visée de la levure de fermentation, le maintien d'une température constante par refroidissement, le réglage du pH, l'addition de substances nutritives microbiologiques ainsi que le mé- langeage mécanique du système de fermentation, ont permis d'obtenir desaugmentations de rendement et une accélération de la réaction. Etant donné qu'en fonctionnement discontinu On ne peut travailler qu'avec de petites installations industrielles et qu'on ne parvient pas à une production régulière on est passé de plus en plus à la fermentation continue de moûts aqueux et on en est ainsi venu à différents procédés. C'est ainsi qu'on a eu de plus en plus recours à des procédés dans lesquels les processus de fermentation d'une part (c'est- à-dire l'action catalytique de la levure) et l'entretien du métabolisme aérobie de la levure d'autre part (donc la crois- sance de la levure et sa régénération)sont séparés dans l'espace et dans le temps.Cela conduisait obligatoire- ment à des procédés comportant plusieurs étapes. Dans les premières étapes se déroule la multiplication cellulaire des levures en présence d'un excès d'oxygène. Dans les éta- pes suivantes c'est la conversion anaérobie des sucres en alcool qui est au premier plan.; dans une dernière étape on cherche à faire réagir quantitativement tout le substrat résiduaire encore conservé et à obtenir une concentration maximale en alcool. Avec une telle façon de faire il est impossible d'empêcher que l'une ou l'autre des conditions marginales permises soient franchiespar excès ou par défaut dans les diverses étapes, ce qui nuit à la réaction et/ou conduit à une dégradation du biocatalyseur. Le premier fascicule publié de la demande de brevet de la République Fédérale d'Allemagne No 2 354 556 décrit un procédé continu dans lequel on produit alterna- tivement de l'alcool et de la biomasse de levure. Le moût 2465?83 introduit dans le fermenteur doit alors être dosé de telle façon qu'il en résulte une concentration e:n substrat ferments- cible, calculé en glucose, d'au plus 5 g/litre. Ainsi qu'il est également dit dans ce document, l'apport d'oxygène lorsqu'on produit principalement de l'alcool est réglé de telle façon qu'i g de la levure qui se trouve dans le fermenteur puisse consommer de 0,2 à 5 mg d'oxygène par heure et, lorsqu'on produit de la biomasse de levure, cet apport d'oxygène est réglé à au plus 400 mg par gramme de substance sèche de la levure produite. Dans ce procédé l'apport d'oxygène a un grand intervalle de variation, jusqu'à 25 fois, lors de la fermentation etla quantité d'oxy- gène ajoutée est élevée lors de la production de levure.Il n'est pas assuré que la concentration optimale d'oxygène existe en tous les endroits pour la fermentation. Les procédés connus jusqu'à présent reposent sur l'idée que la production de biomassede levure et la fermen- tation génératrice d'alcool doivent se dérouler successivement en deux étapes réactionnelles différentes. Cela étant, la présente invention a pour objet un procédé pour la fermentation continue d'un moût aqueux en vue de l'obtention d'alcool et d'une biomasse de levure, dans un fermenteur lié à une étape de séparation, ce fermenteur étant alimenté en moût aqueux, en levure de fermentation, en milieu nutritif et en un gaz contenant de l'oxygène, procédé caractérisé en ce que: a) la concentration du moût introduit, en ce qui concerne la teneur en sucre, correspond au taux de conversion en levure et alcool susceptible d'être atteint, de telle façon que la concentration en sucre libre mesurable dans le fermenteur ne dépasse pas 0,1 % en poids, b) on constitue dans le fermenteur, par des moyens connus, un mélange homogène défini, c) dans la chambre réactionnelle on maintient la concentra- tion en levure active, par recyclage du milieu qui provient de l'étape de séparation et qui contient de l'alcool et de la levure, entre 100 et 110 % du degré de fermentation spécifique, d) on introduit un gaz contenant de l'oxygène à un débit contrôlé et avec une distribution homogène, et on s'arrange pour que la concentration moyenne en oxygène libre ne dépasse pas 1 ppm dans la phase liquide, e) on se sert d'une levure basse de fermentation flo- culante et f) de l'étape de séparation on soutire du milieu contenant de l'alcool et débarrassé de la levure, milieu qui vient du milieu en circuit renfermant de l'alcool et de la levure. Selon un mode d'exécution particulier du procédé de l'invention le gaz contenant de l'oxygène est de l'air. Selon un autre mode d'exécution avantageux, le temps de séjour du milieu contenant de la levure et de l'al- cool dans l'étape de séparation ne dépasse pas 30 minutes et est de préférence compris entre 5 et 15 minutes. Dans la présente invention il est important d'opérer, selon le nouvel enseignement du processus de la fermentation continue du moût, de telle façon que la biomasse de levure soit en même temps régénérée délibérément et de façon commandée. Il a été trouvé qu'en ajustant convenable- ment les conditions marginales dans le fermenteur la nou- velle formation de cellules de levure pleinement actives et en état de division et la fermentation se déroulent pres- que simultanément. Contrairement à l'opinion en vigueur chez les gens du métier l'excès minimal d'oxygène d'au plus 1 ppm n'a aucune action négative sur le processus de fer- mentation. Les cellules de levure consomment l'oxygène pré- sent préférentiellement pour leur développement et leur division de telle sorte qu'il ne nuit pas à la fermentation qui a lieu en même temps. Etantdonné qu'il règne également des conditions anaérobies à l'intérieur des cellules en raison de l'apport d'oxygène limité mais que, simultanément, il y a une quantité de moût suffisante, la fermentation du moût se produit en même temps. En introduisant continuellement en quantit9sdoséesles matières premières contenant du sucre, l'oxygène et la levure fraiche et en maintenant avec précision les conditions marginales on obtient une production optimale, les réactions se déroulent en même temps. Au moyen de la production commandée de levure on parvient à -atteindre une limitation délibérée de l'oxy- gène et, ainsi, également une production voulue d'alcool par les cellules de levure. La teneur en alcool dans le circuit, qui est faible en comparaison de cellesdes pro- cédés connus, ne nuit en aucune façon au cellules de levure. En sortant du fermenteur le moût appauvri en sucre, riche en alcool et mélangé à de la levure est envoyé à l'étape de séparation. Les exemples suivants, joints au. dessin annexé qui représente schématiquement un mode d'exé- cution préféré, illustrent la présente invention. EXEMPLE 1: Dans le réservoir à solution nutri- tive 1 d'environ 300 litres on prépare un moût nutritif à base de mélasse de betteraves qui a la composition suivante Quantités par litre 250 g de mélasse de betteraves 2 g de (NH4)2SO4 0,32 g de KH2PO4 0,5 g de CaCl2 0, 12 g de MgSO4 et 800 ml d'eau de ville. On ajuste le pH à 4 par addition de H2SO4. Le microorganisme utilisé est Saccharomyces uvarum. Après une phase de croissance de la levure dans le fermenteur 2 d'une capacité d'environ 1 litre on alimente continuelle- ment ce fermenteur par la conduite 3 en moût provenant du réservoir 1 de solution nutritive. L'addition de la solu- tion nutritive se fait à la tête du fermenteur. En même temps, par la conduite 4, on introduit dans le fermanteur 0,05 vol/min d'air (soit environ 3 litres/h). Le fermenteur 1 est équipé d'un agitateur à pelle 5 à trois étages avec commande en tête, d'un dispositif de mesure du pH (non représenté sur le dessin) et d'un dispositif de réglage de la température 6. On ajuste et maintient une température de fermentation de 350C. Après une phase de démarrage de la fermentation on prélève continuellement, à un débit de 4 litres/h, le moût fermenté contenant de la levure et de l'alcool, par le tube de trop-plein interne 7 et la con- duite 8, et on l'envoie dans le récipient séparateur 9 d'un volume de 300 1. Ce récipient séparateur est muni d'un agitateur qui tourne lentement. La phase limpide qui se forme à la surface du remplissage et qui a une faible teneur en levure est envoyée,par une tubulure latérale dé- plaçable verticalement, qui sert en même temps à contrô- ler le niveau, et par la conduite 10, à un débit de 1 li- tre/heure dans un récipient collecteur Il d'une capacité de 15 litres. La teneur en alcool de la phase limpide est de 6,5 % en volume, ce qui correspond à un rendement théori- que supérieur à 95 % relativement au sucre mis en jeu dans la solution nutritive. La phase trouble qui se trouve dans le récipient séparateur 9 et qui a pratiquement la même teneur en alcool est renvoyée dans le fermenteur 2, au moyen d'une pompe à membrane, a un débit de 3 1/h. La levure encore contenuedans la phase limpide se dépose dans le récipient collecteur 11, qui est amplement dimensionné, et elle est éliminée de temps en temps. Cette levure est l'excès qui provient de la crois- sance de la levure. Du récipient collecteur il on ne re- tire que du moût dépourvu de levure, qui doit servir à la préparation d'alcool. La concentration en levure dans le système en circuit, c'est-à-dire dans le fermenteur 2 et le récipient séparateur 9, est de 70 g par litre (substan- ce sèche). On épuise en 12 jours le contenu (soit 300 1) du réservoir à solution nutritive; pendant ce laps de temps le rendement en alcool est régulier. EXEMPLE 2 L'appareil de l'exemple 1 est alimenté en le même moût à base de mélasse de betteraves mais cette fois on se sert d'une souche de levure du type Saccharomyces cerevisiae. Il s'agit d'une levure basse de fermentation floculante, décrite par exemple dans l'ouvrage intitulé "Die Hefen", tome 1, éd. Hans Carl, Nuremberg 1960, page 187. Avec cette souche de levure également on peut épuiser le réservoir à solution nutritive de 300 1 en 12 jours. Avec une marche de l'opération uniformément bonne on obtient à nouveau un rendement supérieur à 95% par rapport au sucre mis en jeu dans la solution nutritive. - EXEMPLE 3: Un appareil industriel tel que celui qui est représenté sur le dessin est alimenté avec un moût nutritif à base de mélasse de betteraves de la manière dé- crite à l'exemple 1. La souche de levure est également la même. A partir du réservoir à solution nutri- tive 1, qui est cette fois un récipient de 6 m équipé d'un agitateur, on envoie la solution, sans stérilité, au moyen d'une pompe doseuse à piston, à la tête dufermenteur 2. Celui-ci est un fermenteur à boucles d'une capacité de 1000 1, de type connu, muni d'une admission de gaz à tuyères, d'un régulateur de niveau à trop-plein et d'un dispositif de réglage de la température sous la forme d'un refroidissement par enveloppe. On introduit 0,05 vol/min. d'air (soit environ 3 Nm /h) avec en plus 1 vol/min d'azote (soit environ 60 Nm /h). L'introduction d'azote pro- voque un mélangeage intime et une circulation dans le réac- teur à boucles. Après une phase de démarrage de la fer- mentation, comme décrit à l'exemple 1, on fait sortir con- tinuellement, à un débit de 4 m /h, le moût fermenté conte- nant la levure et l'alcool, par le tube à trop-plein interne7 et la conduite 8, et on l'envoie dans le récipient de sépara- tion 9 d'une capacité de 300 1, qui n'est pas équipé d'un 2465?83 agitateur. La phase limpide qui se forme s'écoule librement dans le récipient-collecteur il d'une capacité de 150 1 Là encore la teneur en alcool de la phase limpide est de 6,5 % en volume, ce qui correspond à un rendement supérieur à 95 % par rapport au sucre mis en jeu dans la solution nutritive. La phase trouble se trouvant dans le récipient séparateur 9, qui a pratiquement la même teneur en alcool, est renvoyée au fermenteur, au moyen d'une mono- pompe doseuse, à un débit de 3 m /h. De même qu'à l'exem- ple 1 c'est dans le récipient collecteur 11 que la phase limpide est séparée de la levure qu'elle contient encore. La concentration de la levure dans le système en circuit est la même qu'à l'exemple 1. En res- pectant les autres conditions marginales,notamment pH 3,5 - 6 Température (celle-ci dépend des souches de levure utilisées; tolérance de + 2 % à l'intérieur de l'intervalle de température) 28 - 360C Concentration de l'oxygène libre dans le milieu de culture 0 - 1 ppm Concentration en sucre fermen- tescible libre 0 - 0,1 % Concentration en produit libre (selon la souche de levure) au plus égale à 8,5 % en volume, on peut effectuer le procédé décrit, sans difficulté, pen- dant une longue durée. C'est ainsi que pendant une durée de fonctionnement de plusieurs jours on obtient continuelle- ment un débit de production d'alcool régulier sans que des modifications surviennent dans les conditions marginales et la qualité du produit. Etant donné que la multiplication de la levure a lieu, dans le fermenteur, en présence d'air et d'un moût contenant du sucre et que la fermentation du sucre a lieu en présence de sucre et de levure avec un excès minimal d'oxygène on règle l'addition des partenaires réactionnels dans le moût de telle façon qu'à la sortie du fermenteur la concentration en sucre fermentescible libre soit inférieure à 0,1 %, la surconcentration en levure active inférieure à 10 % et la concentration en oxygène dans le milieu égale à 0,05 ppm. C'est à la qualité du mélange qu'on doit d'une part le transfert régulier de matière et de chaleur et, par conséquent, le respect d'am- plitudes de concentration et de température étroites et, d'autre part, le bon degré de fermentation, c'est-à-dire la fermentation rapide avec un excès d'oxygène extrêmement faible. R E V E N D I C A T I O N S 1.- Procédé pour la fermentation continue d'un moût aqueux en vue de l'obtention d'alcool et d'une biomasse de levure, dans un fermenteur et dans une étape de séparation et de recyclage, ledit fermenteur étant alimenté continuellement en moût aqueux frais, en levure de fermen- tation, en un mélange constituant le milieu nutritif et en un gaz contenant de l'oxygène, et le moût fermenté con- tenant de l'alcool et débarrassé de la levure étant sou- tiré, procédé caractérisé en ce que: a) la concentration du moût introduit, en ce qui concerne la teneur en sucre, correspond au taux de conversion en levure et alcool susceptible d'être atteint, de telle façon que la concentration en sucre libre mesurable dans le fermenteur ne dépasse pas 0,1 % en poids, b) on constitue dans le fermenteur, par des moyens connus, un mélange homogène défini, c) dans la chambre réactionnelle on maintient la concen- tration en levure active, par recyclage du milieu qui provient de l'étape de séparation et qui contient de l'alcool et de la levure, entre 100 et 110 % du degré de fermentation spécifique, d) on introduit un gaz contenant de l'oxygène à un débit contrôlé et avec une distribution homogène, et on s'arrange pour que la concentration moyenne en oxygène libre ne dépasse pas 1 ppm dans la phase liquide, e) on se sert d'une levure basse de fermentation floculante et f) de l'étape de séparation on soutire du milieu contenant de l'alcool et débarrassé de la levure,milieu qui vient du milieu en circuit renferment de l'alcool et de la levure. 2.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le gaz contenant de l'oxygène est de l'air. 3.- Procédé selon l'une des revendi- cations 1 et 2, caractérisé en ce que le temps de séjour du milieu contenant la levure et l'alcool dans l'étape de séparation n'est pas supérieur à 30 minutes et est de préférence compris entre 5 et 15 minutes. 4.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'on traite le milieu contenant de l'alcool, qui a été retiré séparé- ment de l'étape de séparation, en vue d'en isoler l'alcool.