Brevet FR2484447A1 — publié le 19811218

PROCEDE ET DISPOSITIF DE BIOTRANSFORMATION AEROBIE. La présente invention se rapporte à un procédé de biotransformation d'une masse liquide avec mélange externe des phases. La plupart des réactions mettant en jeu des biotransformations exigent un apport d'oxygène dans des conditions de mélange assurant une homogénéité aussi grande que possible du milieu polyphasé ainsi formé. Cet apport d'oxygène peut s'effectuer par de nombreuses méthodes telles que: - apport gazeux au sein de la masse liquide avec agitation mécanique ou hydrau- lique, - action d'un jet liquide entraînant le gaz environnant et créant dans la masse du liquide une agitation importante, - ruissellement du liquide sur un support créant une surface de contact avec l'air et permettant ainsi une certaine oxygénation. Les deux premières méthodes citées ne permettent l'obtention d'un milieu très homogène qu'au prix d'une dépense d'énergie mécanique élevée et n'auto- risent pas, par ailleurs, le fonctionnement sur lit fixe qui s'avère particu- lièrement intéressant dans de nombreux cas. Le dernier procédé permet d'utiliser un lit fixe mais exige des installa- tions très encombrantes pour créer l'aire interfaciale nécessaire à un bon apport d'oxygene. L'un des buts de la présente invention est de proposer un procédé qui permette une oxygénation de la masse liquide garantissant une homogénéité convenable et constante du milieu de biotransformation tout en autorisant aussi bien l'emploi d'un lit mobile que l'emploi d'un lit fixe dans des con- ditions relativement peu onéreuses et de faible encombrement, et d'obtenir une accélération notable de la transformation. A cet effet, le procédé de biotransformation d'une masse liquide par con- tact avec une biomasse est caractérisé en ce que cette masse liquide est mise sous forme d'émulsion par apport d'un gaz d'oxygénation, cette mise sous forme d'emulsion étant effectuée préalablement au contact de la masse liquide avec le lit de biomasse. 2 2484447 Ce procédé d'oxygénation continue du liquide amène ainsi dans le réacteur de biotransformation une émulsion gaz-liquide homogène qui assure un contact très régulier du liquide avec le lit de contact support de la biomasse, ce qui garantit une bonne biotransformation. De plus, le fonctionnement en liquide recyclé avec création à chaque cycle d'une nouvelle émulsion permet la conser- vation dans le temps de la qualité du mélange en même temps qu'un apport élevé mais réglable en oxygène. Le gaz d'oxygénation peut être de l'air, le cas échéant enrichi en oxygène, ou bien de l'oxygène pur pour améliorer la réactivité de l'émulsion et sa ri- chesse en oxygène. Le rapport en volumes entre le gaz d'oxygénation et le liquide est de préférence, quoique non nécessairement, inférieur à 1/2 environ La masse liquide dans laquelle se déroule la biotransformation peut être de tout type et peut notamment être constituée d'une solution d'un produit trans- formable ou de déchets industriels, d'eaux usées ou autres produits susceptibles d'être transformés, valorisés ou éliminés. Le dispositif pour la mise en oeuvre du procédé qui vient d'être décrit, et que l'on peut appeler réacteur biologique, est caractérisé en ce qu'il comporte une enceinte destinée à contenir la biomasse, des moyens éventuels de support de cette biomasse, des moyens d'alimentation en la masse liquide à traiter, des moyens de recirculation de la masse liquide en traitement, des moyens de prélèvement d'au moins une partie de la masse liquide traitée et des moyens d'apport d'un gaz d'oxygénation et d'émulsion de ce gaz dans la masse liquide situés à l'extérieur du lit de biomasse par rapport au sens de circulation de la masse liquide. De préférence, le réacteur biologique comporte des moyens de Soutien de la biomasse, cette biomasse étant sous forme de lit fixe. Selon un aspect important de l'invention, les moyens d'injection du gaz d'oxygénation et d'émulsion consistent en un venturi à émulsion au col duquel se fait l'apport du gaz d'oxygénation et qui est agencé de telle manière que la vitesse du liquide au col provoque l'aspiration du gaz pour créer dans le divergent du venturi une émulsion très fine. Pour améliorer l'homogénéité du liquide ruisselant sur le lit de biomasse, l'émulsion gaz/liquide est distribuée sur ce lit de biomasse par 1l'intermé- diaire de moyens de répartition fins, pour la distribution en pluie, ces moyens de répartition fins pouvant consister par exemple en une série de trous. L'oxygénation renouvelée et la recirculation du liquide en réaction permet d'utiliser des moyens de support du lit de biomasse qui sont fixes dans l'en- ceinte du réacteur biologique, et sont constitués de garnitures, par exemple- en matière poreuse ou plastique imputrescible, développant une surface de contact importante et permettant une immobilisation de la biomasse et sa concentration sur son support. 3 2 484447 Bien entendu, les moyens de soutien de la biomasse peuvent, le cas échéant, êtr supprimés pour assurer la recirculation de la biomasse, auquel cas la biomasse n'est plus sous forme de lit fixe et n'est plus nécéssairement fixée sur un sup L'émulsion en sortie du biotransformateur passe à travers un élément ( gri le fine, séparateur centrifuge ou autre) apte à séparer totalement ou partielle ment, le gaz non utilisé du liquide pour faciliter la reciculation du liquide, et contribuant à retenir les supports de biomasse. Pour réduire la consommation d'oxygène d'apport, l'enceinte contenant la biomasse peut comporter un collecteur du gaz d'oXygénation libéré de l'émul- sion et des moyens de reprise et de réinjection de ce gaz d'oxygénation dans la masse liquide en amont du lit de biomasse. Le dispositif de fermentation dont les caractéristiques principales vien- nent d'être décrites permet en fonctionnement avec de faibles taux de recy- clage de réaliser des réactions demandant peu d'oxygène avec une dépense d'énergie très limitée, ou bien, en fonctionnant avec de forts taux de recy- clage, des réactions nécessitant un très grand apport d'oxygène, tout en assurant dans les deux cas une parfaite homogénéité au mélange en émulsion de gaz oxygéné et de liquide. La surface de contact gaz/liquide est créée sous forme d'émulsion à l'ex- térieur de l'appareil et le contact oxygène/matière à transformer sur le lit fixe se fait dans le réacteur avec l'émulsion formée permettant d'utiliser pleinement l'activité des micro-organismes immobilisés. La réalisation de fermentations sur lit fixe devient possible avec ce type d'appareil sans nécessiter des volumes considérables. D'autres buts et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, faite à titre non limitatif et en regard du dessin annexé o la figure unique représente schématiquement un dispositif de fermentation selon la présente invention. Le dispositif de biotransformation ou bioréacteur comporte une enceinte de biotransformation 1 qui contient un lit de biomasse 2 constitué de moyens de support fixes et de surface importante tels que des anneaux de garnissage ou autres supports de formes diverses réalisés en matière imputrescible et résistance à la corrosion, traversé par le liquide émulsionné et oxygéné qui parcourt ce lit de biomasse, retenu à sa partie inférieure par un dispositif3 pouvant servir à casser l'émulsion résiduelle à sa sortie du lit de biomasse. L'enceinte 1 présente à sa partie supérieure un canal 4 d'amenée de l'émulsion se prolongeant par un diffuseur 5 répartissant celle-ci en pluie à la surface supérieure du lit de biomasse 2. La partie inférieure de l'enceinte 1 qui peut se rétrécir en forme de trémie, débouche sur un canal collecteur 6 sur lequel 4110 est branché un canal de prélèvement 7. 4 2484447 Selon l'invention, le canal d'amenée 4 est relié à un venturi à convergent- divergent au col duquel est injecté par un canal d'injection 9 un gaz d'oxygé- nation et d'émulsion tel que de l'air, éventuellement enrichi en oxygène, ou de l'oxygène pur et, le cas échéant, d'autres gaz dont la présence pourrait favoriser, stabiliser, ou si besoin est, ralentir et même stopper la réaction. Les gaz d'émulsion libérés au-dessus du lit de biomasse et les gaz formés éventuellement par la fermentation sont collectés à la partie supérieure de l'enceinte 1 par une conduite de gaz de reprise 10 et réinjectés au col du venturi 8 par une pompe 11 et une conduite de réinjection 12 ou bien prélevés partiellementou totalement sur une conduite de prélèvement 12a. Une partie du liquide contenu dans le canal collecteur 6 est amenée par un canal de liquide de reprise 13 à une pompe de circulation 14 qui refoule ce liquide à l'entrée du venturi 8 par une conduite 15 sur laquelle est branché un canal 16 d'injection de liquide neuf. Le bioréacteur qui vient d'être décrit fonctionne de la façon suivante. Le liquide à transformer constitué par exemple de produits à biotransformation ou de déchets ou d'eaux usées à valoriser ou à éliminer, est introduit dans l'enceinte par le canal d'injection 16 et se mélange à l'entrée du venturi 8 avec le liquide recirculé par la pompe 14. Le gaz oxygéné introduit au col du venturi 8 par le canal d'injection 9 et, le cas échéant, par le canal de ré- injection 12, est aspiré par le liquide mis en dépression au col du venturi o sa pression statique est transformée en pression dynamique. Cette aspira- tion du gaz d'oxygénation produit une émulsion très fine. Dans un mode de réalisation de l'invention, donné à titre d'exemple non limitatif, le rapport en volumes entre le gaz et le liquide est inférieur à 0,5. L'émulsion finement divisée ainsi produite est distribuée et répartie par le canal d'amenée 4 et le diffuseur 5, à la partie supérieure du lit de bio- masse 2 et s'écoule lentement sur la surface de contact importante de ce lit en le réalimentant en oxygène. Le liquide qui parvient par gravité à la partie inférieure du lit bacté- rien 2 traverse le dispositif 3 qui réduit l'émulsion gaz oxygéné/liquide pour libérer ce dernier qui est accompagné des produits de fermentation et qui s'accumule dans le canal collecteur 6 o il est prélevé par le canal 7 et recirculé partiellement par la pompe 14. Des quantités réglables de gaz et de liquide sont prélevées respectivement sur la conduite 12a et sur les canaux 7 et 13 en fonction de la progression de la transformation réalisée sur le lit 2. Le matériel de biotransformation créé selon la présente invention s'est montré performant aussi bien pour la destruction complète de polluants or- ganiques dans des eaux usées provenant par exemple de l'industrie agro- alimentaire que pour la biotransforiàation de différents substrats (par exemple, transformation alcool/acide) que pour la transformation de ces mêmes polluants en Droteines unicellulaires sans utilisation du lit fixe. Bien entendu, la présente invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés; elle est susceptible de nombreuses va- riantes accessibles à l'homme de l'art, suivant les applications envisagées et sans que l'on ne s'écarte de l'esprit de l'invention. Ainsi, il est possible pour le démarrage ou la stabilisation de la biotrans- formation de fonctionner en circuit fermé sans adjonction de fluide extérieur ou bien par cycles de biotransformation fermés successifs. On pourrait de même envisager que le sens de circulation du liquide soit périodiquement inversé par exemple pour régénérer la partie inférieure du lit de biomasse et dégager le dispositif 3. On doit comprendre de même que les différents débits de cir- culation de gaz et de liquide peuvent être asservis à des organes de mesure de l'activité du lit de biomasse ou de la progression de la biotransformation. Un échangeur de chaleur, réchauffeur et/ou réfrigérant, peut être installé sur les conduites de recirculation 13 et/ou 10-12 et/ou sur les conduites d'alimentation 16 et/ou de prélèvement 7 et/ou 12a. De la même façon, le fonctionnement peut se faire en lit bactérien non immobilisé, l'apport se faisant toujours par création d'une émulsion extérieure au réacteur. Il est encore évident que le procédé selon la présente invention peut être mis en oeuvre sur un lit de biomasse en circulation et donc que le dis- positif décrit peut comporter des moyens de recirculation du lit. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, la grille 3 d'immo- bilisation de la biomasse n'est pas forcément nécessaire-et cette suppression conduit à la transformation de ce réacteur en fermenteur ou épurateur, sans nécessiter de changement du dispositif d'oxygénation. Dans ce cas, la pompe de recirculation 14, assure la recirculation de la biomasse en même temps que celle de la masse liquide. On obtient dans ce cas un système à lit de biomasse mobile. Il n'est pas dans ce cas nécéssaire que la biomasse soit fixée sur un support. C'est là un autre avantage du procédé et du dispositif selon l'inven- tion qui peut fonctionner aussi bien en lit fixe qu'en lit mobile. REVENDICATIONS 1.- Procédé de biotransformation d'une masse liquide par contact avec une- biomasse, caractérisé en ce que cette masse liquide, préalablement au contact de la masse liquide avec le lit de biomasse, est mise sous forme d'émulsion par apport d'un gaz d'oxygénation. 2.- Procédé de biotransformation selon la revendication 1, caracté- risé en ce que la biomasse peut être constituée par des micro-organismes pro- liférants ou non ou par des organelles ou fractions subcellulaires de ces mêmes micro-organismes ou encore par des enzymes. 3.- Procédé de biotransformation selon l'une des revendications lou2, caractérisé en ce que le gaz d'oxygénation est de l'air, le cas échéant enrichi en oxygène. 4.- Procédé de biotransformation selon l'une des revendications lou2, caractérisé en ce que le gaz d'oxygénation est de l'oxygène pur. 5.- Procédé de biotransformation selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la masse liquide est une solution d'un produit transformable ou de déchets industriels. 6.- Procédé de biotransformation selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la masse liquide consiste en des eaux usées ou en un substrat à biotransformer. 7.- Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comporte une enceinte 1 sus- ceptible de contenir la biomasse2, desmoyens éventuels de support 3 de cette biomasse, des moyens d'alimentationl6enlamasse liquide à traiter, des moyens de recirculation 14 de la masse liquide en traitement, des moyens de prélèvement 7 d'au moins une partie de la masse liquide traitée et des moyens d'apport 13 d'un gaz d'oxygénation et d'émulsion de ce gaz dans la masse liquide situés à l'extérieur du lit de biomasse par rapport au sens de circulation de la masse liquide. 8.- Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'enceinte contient des moyens de soutien de la biomasse qui se trouve sous forme de lit fixe. 9.Dispositif selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que les moyens d'apport du gaz d'oxygénation et d'émulsion consistent en un venturi 8 à émulsion au col duquel est aspiré le gaz d'oxygénation. 10.- Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que le venturi 8 à émulsion est agencé de telle manière que la vitesse du liquide au col pro- voque l'aspiration du gaz pour créer dans le divergent du venturi une émulsion très fine. 11.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, caracté- risé en ce que les moyens d'apport et d'émulsion sont situés à l'extérieur de l'enceinte susceptible de contenir le lit bactérien. 12.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications 7 à 11, carac- térisé en ce que l'émulsion gaz oxygéné/liquide est distribuée sur le lit de biomasse par l'intermédiaire de moyens de répartition fins 5 pour la distribu- tion en pluie, consistant de préférence en une série de trous. 13.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications 7 à 12-, carac- térisé en ce que les moyens de support du lit de biomasse sont fixés dans l'enceinte et constitués de garnitures, notamment en matière plastique ou poreuse imputrescible et se prêtant à l'immobilisation de la biomasse et développant une surface de contact importante. 14. Dispositif selon la revendication 13, caractérisé en ce que les moyens de support du lit de biomasse sont retenus par un dispositif de soutien 3 sus- ceptible en outre de casser l'émulsion gaz oxygéné/liquide pour faciliter le prélèvement, la recirculation du liquide et améliorer le transfert. 15.- Dispositif selon la revendication 13, caractérisé en ce que le dis- positif de soutien3 est un élément tel grille fine, séparateur centrifuge ou autre, apte à casser totalement ou partiellement l'émulsion gaz oxygéné/liquide pour faciliter la recirculation du liquide. - 16.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications 7 à 15, carac- térisé en ce que l'enceinte contenant le lit de biomasse comporte un collecteur 6 du gaz d'oxygénation libéré de l'émulsion et des moyens de reprise 13etde injectionl5 de ce gaz d'oxygénation dans la masse liquide en amont du lit de biomasse.