Brevet FR2497227A1 — publié le 19820702

PROCEDE ET DISPOSITIF DE FERMENTATION PAR AGITATION HYDRAULIQUE SEQUENTIELLE L'invention concerne un procédé d'aération et de brassage d'une culture de micro-organismes ; elle s'étend à un dispositif de fermentation pour la mise en oeuvre de ce procédé. On sait qu'il existe actuellement 3 types principaux de processus pour homogénéiser un milieu de culture et augmenter la vitesse de dissolution de l'air en vue de produire des micro-organismes aérobies (cellules, champignons, bactéries, etc.) ; procédé d'agitation mécanique qui consiste à agiter mécaniquement le milieu en insufflant dans celui-ci l'air stérile nécessaire au développement des micro-organismes ; procédé "air-lift" qui consiste à produire un brassage du milieu directement au moyen de bulles d'air qui sont envoyées en continu à la base du fermenteur ; processus avec circulation hydraulique extérieure qui consiste à faire circuler en continu par pompage le milieu de fermentation dans une boucle fermée extérieure au fermenteur. Le premier procédé présente plusieurs inconvénients ; en premier lieu, il conduit à des fermenteurs de structure beaucoup plus complexe, puisque ceux-ci comportent un ensemble mécanique avec moteur d'entratnement, organes d'agitation, joints d'étanchéité, etc. Le procédé "air-lift" conduit à des appareils beaucoup plus simples, qui peuvent fonctionner en continu et ne posent pas les problèmes de stérilité des procédés mécaniques. Toutefois, un inconvénient majeur de ce type de procédé réside dans leur consommation d'air très accrue par rapport aux procédés mécaniques. De plus, selon la nature des cultures, le brassage n'est pas toujours suffisant pour éviter des "zones mortes" qui gênent le bon développement des micro-organismes. Le procédé avec circulation hydraulique extérieure permet d'obtenir de très bons transferts d'oxygène et un meilleur brassage du fermenteur, mais il nécessite l'emploi de pompes spéciales car le fluide circulant à l'extérieur du fermenteur est un mélange de liquide et de gaz (milieu de fermentation + bulles d'air en suspension dans le milieu). Ces pompes doivent être con çues de manière à éviter les problèmes de cavitation qui sont néfastes au rendement et à la durée de la vie de la pompe. La présente invention se propose d'améliorer les performances de transfert de masse des processus à circulation externe et d'éviter l'emploi de pompes spéciales tout en conservant les avantages de ces processus, en particulier la possibilité d'effectuer facilement les échanges thermiques grâce à des échangeurs de chaleur placés sur la boucle de circulation. Dans tous les procédés à circulation externe, le milieu de fermentation est aéré et recyclé en permanence dans une boucle extérieure. Au contraire, le procédé objet de l'invention consiste à effectuer une aération et une recirculation séquentielle du milieu contenu dans le fermenteur, les séquences comportant : - une phase de recyclage et d'aération, l'air étant mis en contact avec le milieu dans la boucle extérieure, - une phase d'arrêt pendant laquelle a lieu le dégazage d'une partie du milieu de fermentation qui sera repris et aéré lors de la séquence suivante. Selon les exigences des microorganismes que l'on veut cultiver, la mise en oeuvre de ce procédé peut autre très différente, en particulier, dans le cas de besoins importants en transfert d'oxygène, le procédé peut être appliqué à des fermenteurs de forme semblable au fermenteur air-lift. Ainsi, le procédé visé par l'invention conduit à disposer la culture dans un fermenteur comprenant au moins deux conteneurs C1 et C2 communiquant l'un avec l'autre à leur partie basse et à leur partie haute ; le procédé dé conforme à la présente invention consiste à injecter de façon discontinue, à la base d'un des conteneurs C1, le milieu de culture recyclé et aéré, en alternant à fréquence déterminée des périodes de recyclage de durée déterminée et des périodes d'arrêt, de façon à engendrer dans les deux conteneurs un effet de pistonnage ou pulsation de la culture, une circulation d'ensemble se produisant entre les conteneurs par les communications qui les relient. Cet effet de pistonnage ou pulsation de la culture est engendré par la recirculation alternative du milieu et accroît considérablement le brassage de la culture et son développement. Par exemple, à débit moyen de recyclage identique, on constate que le procédé de l'invention permet d'améliorer le transfert en oxygène. Dans la pratique, la fréquence des injections sera au moins égale à 30 par heure en vue de produire un phénomène de pistonnage efficace ; de plus, les expérimentations ont montré qu'on obtenait de bons résultats en engendrant des périodes d'arrêt de durée de l'ordre de 0,5 à 10 fois la durée des périodes de recyclage, la fréquence des périodes de recirculation et d'aération et leur durée dépendant en particulier du débit de recyclage choisi. Dans la pratique, ce débit de recyclage sera de 0,5 à 5 fois le volume du fermenteur par minute. L'invention s'étend à un dispositif de fermentation pour la mise en oeuvre du procédé décrit précédemment et caractérisé par une recirculation séquenLielle de milieu de fermentation à travers une boucle fermée. Les exemples qui vont suivre permettent de comprendre plus aisément le procédé et différents moyens de le mettre en oeuvre. Exemple 1 : pour cet exemple, le procédé d'agitation hydraulique séquentielle est appliqué sur un dispositif de fermentation représenté sur la figure 1. Ce dispositif comprend un fermenteur 1 composé d'une colonne centrale verticale C1 et d'une colonne C2 entourant la première, une entrée 2 de milieu recyclé et aéré débouchant à la base de la colonne C2 et une boucle de recirculation comportant les éléments suivants, une conduite d'aspiration 3 partant de la base de la colonne C2, une pompe de recirculation 4, une conduite de refoulement 5 aboutissant à l'entrée 2 et équipée d'un système d'échange de chaleur 6 et d'un venturi 7 dans le col duquel est disposé une prise d'air stérile 8 La boucle de recyclage comporte un by pass 9 et un jeu de vannes 10, 11 et 12 pilotées par un système d'automatisme 13. Le fonctionnement de ce dispositif selon le procédé est le suivant La pompe de recirculation fonctionnant continuellement, les différentes phases d'une séquence sont phase 1 : vanne 11 fermée, vannes 10 et 12 ouvertes, le milieu de fermentation est aspiré au bas de la colonne C2 et est refoulé dans la conduite 5, il est refroidi ou réchauffé grâce à l'échangeur 6 ; au col du venturi, il se cré une dépression qui permet d'aspirer de l'air qui est mélangé au milieu de fermentation : le milieu ainsi aéré est introduit en 2 au bas de la colonne C1, il se crée dans le fermenteur.une recirculation interne intense avec un mouvement ascendant dans la colonne C1 et un mouvement descendant dans la colonne C2.Une partie des bulles d'air contenues dans le milieu de fermentation est entraidée vers le bas de la colonne C2. Lorsque ces bulles d'air arrivent près du bas de la colonne C2, la phase 2 commence. phase 2 : vanne 11 ouverte, vannes. 10 et 12 fermées. Le fermenteur est isolé de la recirculation, le milieu de fermentation n'est plus aéré et les bulles d'air contenues dans ce milieu remontent à la surface, lorsque les dernières bulles sont près de la surface, la phase recommence. Comme on peut le voir à la description de ce fonctionnement, le procédé permet de pomper un liquide dégazé ainsi, la pompe 4 ne nécessite pas une conception spéciale. Des essais effectués sur un fermenteur de ce type ayant une capacité utile de 55 litres avec un débit instantané de recirculation de 200 1/mon et un débit instantané d'air aspiré par le venturi de l'ordre de 200 Nl/mn, les séquences étant de 10 secondes de recyclage, 10 secondes d'arrêt, ont montré que le transfert d'oxygène était de 20 S supérieur au transfert d'oxygène du même système fonctionnant en air-lift avec un débit d'air continu de 100 Nljmn. Des cultures de différentes souches selon ce procédé, dans des conditions semblables ont montré que les inconvénients rencontrés dans le procédé air-lift, en fin de culture (mauvaise recirculation et zones mortes) étaient évités grâce à la recirculation forcée. Cet exemple a été montré à titre indicatif. Le débit de recirculation, le débit d'air aspiré et les fréquence et durées de recirculation dépendent à la fois des dimensions et de la géométrie du fermenteur ainsi que de la nature du milieu de culture et des performances qui sont nécessaires pour la culture. D'une manière générale, on peut prendre - des débits de recirculation instantanée variant entre 0,5 et 5 fois le volume du fermenteur par minute, - des débits moyens d'air aspiré allant de 0,5 à 4 vvm (volume d'air par volume de fermenteur et par minute), - des fréquences de recirculation au moins égales à 20 par heure, - des périodes d'arrêt de durée de l'ordre de 0,5 à 10 fois la durée des périodes de recirculation. Exemple 2 : -afin d'éviter de faire tourner la pompe sur un by pass pendant les périodes d'arrêt de la recirculation, on peut faire travailler au moins deux fermenteurs travaillant en alternance avec la même poMpe, au moins un fermenteur étant dans la phase d'arrêt. La figure 2 montre un exemple avec deux fermenteurs identiques. La pompe 4 fonctionnant en permanence, les differentes phases de fonctionnement sont les suivantes : phase 1 : vannes 13 et 14 ouvertes, vannes 15 et 16 fermées. Le fermenteur 1 est en phase de recyclage, tandis que le fermenteur 17 est en phase d'arrêt. phase 2 : vannes 13 et 14 fermées, vannes 15 et 16 ouvertes. Le fermenteurl est en phase d'arrêt, le fermenteur 17 est en phase de recyclage. Ce système avec deux fermenteurs séparés peut être conçu en un seul fermenteur comportant une séparation le divisant en deux unités semblables. De plus, il peut être étendu à des systèmes comportant plus de deux fermenteurs. Dans les exemples précédents, le procédé est appliqué dans des fermenteurs dont - la -géométrie est semblable à belle des fermenteurs air-lift et l'aération est assurée grâce à l'air aspiré par la dépression créée par un venturi. I1 va de soi que ce procédé peut être appliqué à è tout type de fermenteur comportant une boucle extérieure de recirculation, à condition que l'arrivée d'air dans le milieu de fermentation soit arrêtée en même temps que la recirculation et soit remise en route en même temps. En particulier, si la culture ne nécessite pas un excellent transfert d'oxygène, le fermenteur peut être une cuve sans colonne intérieure, le retour du milieu aéré étant situé en haut de la cuve. De même, dans les exemples précédents, l'aération est assurée grâce 9 la dépression créée au col d'un venturi dans la boucle de recyclage. Ce système peut être remplacé par l'injection d'air comprimé dans la boucle de recirculation ou dans le fermenteur à condition que l'injection d'air soit démarrée et arrêtée en même temps que la recirculation. La description du procédé et les différents exemples ont été traités en utilisant de l'air, mais il va de soi que, Si les cultures l'exigent, le procédé peut être appliqué avec d'autres gaz, en particulier avec de l'air enrichi d'oxygène. L'invention n'est pas limitée à la description précédente, mais elle comprend toutes les variantes. REVENDICATIONS 1) Procédé de fermentation par agitation hydraulique d'au moins un fermenteur grâce au recyclage du milieu de fermentation dans une boucle extérieure caractérisé en ce qu'il consiste à faire un recyclage discontinu comportant des périodes de recyclage et des périodes d'arrêt selon des fréquences et des durées déterminées. 2) Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que au moins un fermenteur comprend au moins deux conteneurs C1 et C2 communiquant l'un avec l'autre pour la partie basse et pour la partie haute, le milieu recyclé étant soutiré du bas du conteneur C2 et étant introduit en bas du conteneur C1. 3) Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que l'air est aspiré par la dépression créée par la circulation du milieu à travers un venturi placé sur le refoulement de la boucle de recyclage. 4) Procédé selon les revendications 1, 2 ou 3 prises ensemble ou séparément et caractérisé en ce que la durée des périodes d'arrêt est de l'ordre de 0,5 à 10 fois la durée des périodes de recyclage, la fréquence de ces périodes étant au moins égale à 30 par heure. 5) Procédé selon les revendications 1, 2, 3 ou 4 prises ensemble ou séparément caractérisé en ce que le débit instantané de recyclage est de l'or- dre de 0,5 à 5 fois le volume du fermenteur par minute. 6) Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé conforme à la revendication 1 et caractérisé en ce qu'il comporte une boucle extérieure de recyclage équipée d'une pompe et d'un ensemble de vannes commandé par un système d'automatisation agissant sur ces vannes pour générer les périodes de recyclage et d'arrêt à durée et fréquence déterminées. 7) Dispositif de fermentation selon la revendication 6 caractérisé en ce que au moins un fermenteur est constitué d'au moins deux conteneurs C1 et C2, l'aspiration du milieu de fermentation étant au bas du conteneur C2 et le refoulement au bas du conteneur C1. 8) Dispositif de fermentation selon les revendications 6 ou 7 prises ensemble ou séparément caractérisé en ce que l'injection d'air est réalisée dans la boucle de recyclage grâce à un venturi placé sur le refoulement de la boucle.