Brevet FR2486096A1 — publié le 19820108

La présente invention est du domaine des techniques de fermentation en milieusliquidesou visqueux, homogènes ou non et elle a pour objet un dispositif de fermentation aérobie ou anaérobie dans les milieux précités, ce dispositif étant du type permettant la fermentation dite fractionnée ou pseudo-continue. On connaît différents modes de réalisationsindustrielles des fermentations. Un premier mode consiste à introduire de façon continue dans une cuve le milieu fermentescible et à soutirer également de façon continue de ladite cuve, à égal débit, le milieu fermenté ; la capacité de la cuve est adaptée au débit d'entrée et de sortie, de fagon telle que le temps de fermentation soit suffisant ; généralement la cuve est pourvue de moyens d'agitation afin d'homogénéiser son contenu et de briser les amas bactériens. Un tel mode de fermentation a comme avantage la simplicité des moyens à savoir une seule cuve ayant un rapport volume/surface avantageux, mais comme inconvénients, d'une part de devoir rejeter une partie appréciable des matière fermentescibles, et d'autre part de laisser subsister des zônes non agitées. Un deuxième mode de fermentation consiste à utiliser une pluralité de cuves qui sont successivement remplies, abandonnes à fermentation et vidées ; chaque cuve peut être pourvue de moyens d'agitation ; suivant ce mode de fermentation, qui est dit pseudo-continu ou encore fractionner l'épuisement du milieu fermentescible est beaucoup plus poussé que dans le cas du mode précédent, mais il se pose pour lui le problème des zônes non agitées dans les cuves et un problème de coût de réalisation lié à la multiplicité des cuves et surtout à la complexité du réseau de canalisations de remplissage et de soutirage. Un premier but de la présente invention est de proposer un fermenteur autorisant un transfert du milieu fermentescible d'une entrée vers une sortie, de façon pseudo-continue et automatique afin d'éviter toute manipulation intermédiaire. Un deuxième but est de proposer un fermenteur assurant le fractionnement du milieu afin de limiter au maximum le mélange du milieu frais avec le milieu usé. Un troisième but de l'invention est de proposer un fermenteur assurant un brassage compartimenté par recirculation du milieu soit sous l'effet de brasseurs mécaniques, soit sous l'effet de jets de fluides, liquidesou gaz. Enfin un quatrième but de la présente invention est de proposer un fermenteur dont la construction soit modulaire, c'est à dire réalisable par juxtaposition de modules successifs semblables. Ces buts sont atteints par un fermenteur conforme à l'invention, constitué d'un ou de plusieurs modules juxtaposés. Selon la présente invention, un module de fermentation permettant d'atteindre les buts précités est caractérisé d'une manière générale en ce qu'il est constitué d'une enceinte annulaire disposée sensiblement verticalement, pourvue à sa partie haute d'une cloison séparant l'espace annulaire supérieur en un compartiment amont et un comprtiment aval, et d'un couple d'ouvertures latérales en regard débouchant l'une dans le compartiment amont, l'autre dans le compartiment aval, ladite cloison ménageant à sa base une communication de section assez réduite entre les deux compartiments amont et aval, ladite communication étant destinée à permettre une circulation à débit assez faible entre le compartiment amont et le compartiment aval, ladite cloison étant destinée à faire barrage à une circulation dite de "chasse" à fort débit, lesdites ouvertures latérales étant destinées à permettre le passage de ladite circulation de chasse, lesdites ouvertures latérales ayant leur point le plus bas situé à une certaine distance audessus du point le plus haut de la partie inferieure de la partie haute de ladite enceinte annulaire De préférence un tel module incorpore des moyens de mise en circulation du milieu fermentescible à faible débit ; ces moyens peuvent être du type à jet de fluide et le fluide utilisé en jet est le milieu de fermentation luimême, la pression nécessaire au jet étant créeepar une pompe ; il résulte de tels moyens que d'une part, et grâce à la forme annulaire du module il n'existe pratiquement pas de zône non soumise au brassage, et d'autre part que la pompe peut agir comme moyen de dispersion des amas bactériens. On notera que la circulation à faible débit qui assure le brassage du milieu dans un module peut être soit de même sens, soit de sens contraire à la circulation de chasse ; l'un et l'autre cas des sens respectifs de ces circulations présentent des avantages. Ainsi si l'on désire avoir un meilleur fractionnement entre deux modules successifs on aura intérêt à pourvoir l'espace de communication ménagé sous la cloison, d'un volet formant clapet pouvant être maintenu en position ouverte par la circulation à faible débit et étant fermé par la circulation de chasse ; dans ce cas la circulation de chasse sera avantageusement de sens contraire à la circulation à faible débit. Il doit être compris que le module de fermentation ci-dessus décrit a été conçu non pour être utilise isolement, mais pour fonctionner en relation avec des modules semblables ; on notera qu'il constitue en lui-même un fermenteur mais que dans la suite de la description on réserve le terme de fermenteur à une association de plusieurs modules. Ainsi, un fermenteur constitué par une pluralité de modules semblables au module sus décrit, est ca ractérisé dans sa généralité en ce que lesdits modules sont disposés côte à côte de telle sorte que l'ouverture aval de l'un communique avec l'ouverture amont du module contigu, d'où il résulte qu'en régime permanent une circulation de chasse dans l'un se répercute en une circulation de chaise dans les suivants. Un tel fermenteur comprend en outre des moyens d'alimentation à fort débit pour introduire brusquement dans le compartiment amont d'un module dit de tête une quantité de milieu fermentescible ; selon un mode de réalisation lesdits moyens d'alimentation à fort débit destinés à créer le courant de chasse sont de préférence du type à siphon, ce qui simplifie la commande de leur fonctionnement ; ils peuvent être aussi du type cuve basculante, ou encore d'un type à soupape à ouverture brusque ; ces différents moyens sont bien connus des techniques de l'hydraulique ; de préférence les moyens d'alimentation à fort débit sus visés comprennent un conduit d'amenée débouchant dans le module de tête de façon tangentielle, d'où il résulte que l'énergie cinétique du courant d'alimentation est utilisée pour contribuer au courant de chasse. Dans la description qui précède il a été fait état d'une enceinte annulaire délimitée, tel que cela ressort de la description, par des surfaces réglées, c'est à dire par deux surfaces cylindriques et par deux surfaces planes ; la section diamétrale d'une telle enceinte est par exemple rectangulaire. On doit toutefois comprendre que si une telle conformation est pratique du point de vue des réalisations en chaudronnerie, elle n'est toutefois pas nécessaire au bon fonctionnement du dispositif. On pourrait ainsi concevoir que la forme du module soit du genre torique â section diarnétrale circulaire ou elliptique, formes intéressantes pour la construction d'un module à partir de résines armées par exemple (verre-polyester) . Il doit être compris encore que la forme générale de l'enceinte n'est pas nécessairement circulaire, mais qu'elle pourrait être aussi bien de forme allongée elliptique ou speudo-elliptique, l'essentiel étant qu'elle ne comporte pas de parties angulaires pouvant gêner les différen- tes circulations. On notera enfin qu'un fermenteur de 11 invention est tout à fait général dans ses applications ; il peut être utilisé pour la production de métabolites divers enzymes, alcool, gaz methane, etc... aussi bien que pour la production d'une biomasse intéressante : production de levure à partir de mélasse, de lactosérum, etc...aussi bien que pour l'épuration par voie bactérienne d'eauXde rejet industrielles urbaines ou agricoler. La présente invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques de détail seront exposées, à la description qui va être faite d'une forme particulière de réalisation, en relation avec les figures de la planche unique annexée dans laquelle La fig.1 est une représentation schématique, en vue de dessus d'un fermenteur de l'invention, et La fig.2 est une coupe, également schématique, suivant la ligne AA de la figure précédente. Sur les fig.l et 2 un fermenteur est constitué d'une pluralité de cinq modules de fermentation 1 à 5. Ces modules sont des couronnes cylindriques coaxiales, d'axe horizontal, et ils sont juxtaposés les uns aux autres ils forment un fermenteur à cinq étages dont le module 1 est dit module d'entrée ou de tête, et dont le module 5 est dit module de sortie ou de queue. Chaque module peut être descriptivement divisée en une partie supérieure 6 et en une partie inférieure 7, le niveau de séparation de ces deux parties pouvant être choisi comme le plan horizontal 8 tangent à la paroi intérieure 9. Dans la partie supérieure d'un module se trouve rapportée une cloison 10 formant déflecteur ; la cloison 10 qui a été coupée sur la fig.2 est bien visible en plan sur la fig.1 et où il ressort clairement qu'elle est disposée en biais par rapport au plan de coupe AA ; cette cloison sépare la partie supérieure du module en deux compartiments 11 et 12 dits respectivement amont et aval, étant entendu que ces désignations se réfèrent au sens de progression générale du milieu dans le fermenteur, tel que cette progression sera décrite plus loin. On remarque sur la fig.2 que si la cloison est fixée à la paroi extérieure 13 et au moins à l'une des parois latérales 14 et 15 (fig.1), elle ménage à sa base un interstice 16 de communication entre les compartiments amont et aval. Les parois latérales d'un module sont pourvues dans la partie supérieure de celui-ci d'une ouverture latérale telle que les ouvertures 17 et 18 ; ces ouvertures latérales snnt comprises toute entière ans l'un ou l'autre des compartients aval et amont p elles sont sensiblement rectangulaires et leur côté inférieur est situé à une certaine hauteur 19 au-dessus de la paroi Intérieure, en d'autre terme et comme déjà dit elles ont leur point le plus bas situé à une certaine distance au-dessus du point le plus haut de la partie inférieure de la partie haute de ladite enceinte annulaire. On comprend donc à l'examen de la fig.2 que le niveau du milieu fermentescible liquide contenu dans le module ne peut pas excéder, au repos, le niveau défini par le côté inférieur de l'ouverture puisqu'il y aurait dès lors écoulement à travers l'ouverture. On remarque aussi que la communication 16 a une hauteur 20 légèrement inférieure à la distance séparant l'ouverture de la paroi intérieure. La communication 16 est destinée à permettre le passage d'un courant assez lent, dit,plus haut, à faible débit, au-dessous de la cloison ; ce courant est un courant d'agitation du milieu en fermentation dans le module. Ce courant d'agitation est créé dans le cas de la figure par un jet 21 produit par une couronne 22 alimentée par une pompe 23 à partir d'un prélèvement 24 effectué dans le milieu en fermentation ; on notera qu'au lieu d'un jet de liquide on pourrait créer le courant à l'aide d'un jet gazeux qui pourrait être par exemple du gaz carbonique (fermentation anaérobie) ou encore de l'oxygène ou de l'air (fermentation aérobie), il pourrait être aussi constitué d'un jet de tout autre liquide utile à la fermentation. On a schématisé en 25 un dispositif d'alimentation à fort débit d'un type classique à siphon et on remarque que ce dispositif est relié à l'espace annulaire par une conduite 25 arrivant tangentiellement à cet espace ; on profite ainsi de l'énergie cinétique résultant de la hauteur de charge du dispositif d'alimentation par rapport au fermenteur. Le dispositif 25 précité peut toutefois être remplacé par une goulotte d'alimentation 30 (sche- matisée sur la fig.l) arrivant à lgouverture d'entrée 18 du module de tête, étant entendu qu'une telle goulotte est alimentée de façon brusque par des moyens quelconques. Le fonctionnement d'un tel fermenteur est le suivant ; lorsqutune vidange brusque des moyens d'alimentation a lieu il se crée dans l'espace annulaire un courant de chasse représenté par une flèche telle que 27 ; un tel courant a fort débit vient en butée contre une cloison telle que 10 qui grâce à son inclinaison le dirige en direction de l'ouverture ; si l'ouverture débouche dans le compartiment amont du module voisintla cloison de celui-ci le dirige dans le compartiment aval où il charge alors le milieu contenu dans celui-ci et le phénomène se reproduit d'un module à l'autre jusqu'à ce que le contenu préalablement présent du dernier module soit rejeté hors du fermenteur, à une goulotte de sortie 28.Grâce à ce courant de chasse intermittent le milieu fermentescible est transvasé successivement d'un module à un autre sans mélange substantiel des milieux de chaque module On notera que ces transvasements ont lieu sans pompe, ni tuyauterie, d'où il résulte pour un tel fermenteur un coût d'entretien et de fonctionnement très bas. Dans le cas où le fermenteur est utilise pour produire un gaz, par exemple du méthane, la partie haute des modules est étanche à l'air et peut être pourvue d'une chambre de réception 29 ; on peut faire communiquer les chambres de réception entre elles ou les laisser séparées de manière à recueillir des gaz éventuellement différents d'un module à l'autre. On notera que grâce au courant de chasse périodique les mousses qui se produisent quelquefois dans certain cas à la surface des fermenteurs sont brisées par le courant de chasse pour être finalement évacuées à la sortie du module de queue. Bien que l'invention n'ait pas pour objet de décrire de façon détaillée la construction d'un tel fermenteur, qui relève de l'art de la chaudronnerie, on pourra toutefois distinguer deux voies de fabrication ; l'une consiste à réaliser des enceintes en couronne cylindrique fermée à l'exception des ouvertures précitées ; l'autre consiste à réaliser des enceintes en forme d'auges en couronne cylindrique pourvue seulement d'un fond annulaire, pourvu lui-même d'une ouverture, ek à utiliser le fond annulaire d'un module voisin pour constituer la quatrième paroi de l'espace annulaire ; on fait ainsi l'économie d'un fond annulaire pour chaque module.On pourra dans ce dernier cas notamment réaliser un fermenteur en bridant des modules les uns contre les autres au moyen de tirants formant boulons s'étendant sur la longeur du fermenteur ; le fermenteur sera alors entièrement visitable par desserrement des brides. On préconise enfin la solution d'utiliser un tel fermenteur immergé dans une fosse remplie d'eau, ce qui simplifie considérablement la conception structurelle du fermenteur et rend aisément applicable le second cas de construction sus visé ; l'immersion fournit en outre un moyen aisé de stabilisation et de contrôle de la température dans le fermenteur. Bien que l'on ait décrit et représenté des formes préférées de réalisation et d'application d'un fermenteur de l'invention, il doit être compris que la portée de celle-ci n'est pas limitée à ces formes ou applications mais qu'elle s'étend au contenu des'revendications qui suivent. REVENDICATIONS 1.- Module de fermentation, caractérisé en ce qu'il est constitué d'une encein te annulaire disposée sensiblement verticalement, pourvue à sa partie haute d'une cloison séparant l'espace annulai re supérieur en un compartiment amont et un compartiment avals et d'un couple d'ouvertures latérales en regard dé bouchant l'une dans le compartiment amont, l'autre dans le compartiment aval, ladite cloison ménageant à sa base une communication de section assez réduite entre les deux com partiments amont et aval, ladite communication étant des tinée à permettre une circulation à débit assez faible en tre le compartiment amont et le compartiment aval, ladite cloison étant destinée à faire barrage à une circulation dite de "chasse" à fort débit, lesdites ouvertures latéra les étant destinées à permettre le passage de ladite circu lation de chasse, lesdites ouvertures latérales ayant leur point le plus bas situé à une certaine distance au-dessus du point le plus haut de la partie inférieure de la partie haute de ladite enceinte annulaire 2.- Module selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il incorpore des moyens de mi se en circulation à faible débit 3.- Module selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdits moyens de mise en circulation à faible débit sont des moyens du type à jet de fluide 4.- Module selon la revendication 3, caractérisé en ce que le fluide utilisé en jet par lesdits moyens de mise en circulation à faible débit est le milieu de fermentation lui-même, la pression nécessaire au jet étant crée par une pompe, d'où il résulte simultanérent une homo généisation partielle dudit milieu 5.-Module selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens de mise en circula tion à faible débit sont orientés de manière à créer une circulation en sens contraire à celui de la circulation de chasse 6.-Module selon la revendication 5, caractérisé en ce que ladite communication est pour vue d'un volet formant clapet pouvant être maintenu en po sition ouverte par la circulation à faible débit et étant fermé par la circulation de chasse 7.-Fermenteur constitué par une pluralité de modules conformes à l'une quelconque des revendications précédentes, carac térisé en ce que lesdits modules sont disposés côte à côte de telle sorte que l'ouverture aval de l'un communique avec l'ouverture amont du modulefcontigu, d'où il résulte qu'en régime permanent une circulation de chasse dans l'un se répercute en une circulation de chasse dans les suivants ; ; 8.-Fermenteur selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens d'alimentation à fort débit pour introduire brusque ment dans le compartiment amont d'un module dit de tête une quantité de milieu fermentescible 9.-Fermenteur selon la revendication 8, caractérisé en ce que lesdits moyens d'alimentation à fort débit sont du type à siphon 10.-Fermenteur selon la revendication 8, caractérisé en ce que lesdits moyens d'alimentation a a fort débit comprennent un conduit d'amenée débouchant dans le module de tête de façon tangentielle, d'où il résulte que l'énergie cinétique du courant d'alimentation est utilisée pour contribuer au courant de chasse.