Brevet FR2503181A1 — publié le 19821008

La présente invention concerne la microbiologie industrielle et a notamment pour objet un appareil pour la culture de micro-organismes, destiné à être utilisé, en particulier, dans la production de gros tonnages de masses cellulaires de micro-organismes, notamment de levure ou de bactéries sur des milieux carbonés. On connaît largement, à l'heure actuelle, des appareils pour la culture de micro-organismes, qui diffèrent par leur conception. On connaet notamment des appareils du type à colonne qui fonctionnent d'après le principe des réacteurs à barbotage ou à air-lift, ainsi que des colonnes à agitateurs mécaniques, à étages multiples (cf. notamment le brevet des Etats Unis d'Amérique N 3 251 749, 1966), ou bien à brassage du milieu par circulation (cf. notamment le certificat d'auteur de l'URSS NO 243554, 1969). On connaît des appareils à circuit extérieur d'échange de chaleur et à zone de séparation des gaz (brevet de Grande-Bretagne NO 1353008, 1971), ainsi que des appareils à colonne sectionnés en hauteur dont le principe de fonctionnement repose sur la mise en oeuvre de jets (brevet de la RDA NO 56763)- et des appareils à plateaux (certificat d'auteur de 1'URSS NO 413184 , 1971). On connait d'autre part un appareil comportant une enceinte verticale partagée en sections suivant sa hauteur par des cloisons perforées (cf. notamment le certificat d'auteur de L'URUS NO 543673, 1976). L'enceinte est munie de pipes ou tubulures pour l'admission forcée du milieu nutritif. La section inférieure de l'enceinte a un dispositif d'aération, alors que la section supérieure est destinée à la concentration de la suspension de micro-organismes et comporte des pipes pour, respectivement, ltévacuation de la liqueur de culture clarifiée et du gaz usé. Ces appareils connus sont caractérisés par leur haute intensité d'aération et par le brassage du milieu, ce qui permet d'obtenir une productivité en matière cellulaire atteignant 20 à 25 t par 24 heures. Toutefois, le principal objectif des unités industrielles consiste à augmenter la productivité unitaire de l'appareil Jusqu'à 100 tonnes par 24 heures, ce qui ne peut être obtenu par les techniques connues puisque l'accroissement des cotes géométriques de ltenceinte conduit à une détérioration de ses caractéristiques techniques et économiques étant donné l'écart des caractéristiques hydrodynamiques et d'échanges de masses de leurs valeurs optimales. D'autre part, la mise en oeuvre, dans la production de grands tonnages,de plusieurs appareils séparés de productivité peu élevée abaisse sensiblement, elle aussi, l'efficacité de la production, étant donné les consommations importantes de milieux technologiques, notamment d'eau fratche, de substrat nutritif, de gaz usés et de liqueur de culture. La présente invention vise par conséquent un appareil destiné à la culture de micro-organismes dont la conception permettrait d'en augmenter considérablement la productivité tout en réduisant simultanément les consommations spécifiques de milieux technologiques. La solution du problème ainsi posé consiste en ce que l'appareil destiné à la culture de micro-organismes, du type comportant une enceinte verticale divisée suivant sa hauteur, par des cloisons perforées, en sections contenant des garnissages flottants et munies de pipes ou tubulures pour l'admission forcée du milieu nutritif, la section inférieure ayant un dispositif d'aération et la section supérieure destinée à la concentration de la suspension de micro-organismes ayant des pipes ou tubulures pour, respectivement, l'évacuation de la liqueur de culture clarifiée et du gaz usé,oet caractérisé, suivant l'invention, en ce qu'il est muni d'au moins encore une enceinte verticale exécutée d'une manière analogue à l'enceinte citée en premier et réunie à celle-ci par des écoulements de gaz et de liquide communs, et d'un dispositif destiné à la collecte et à l'évacuation du concentré de matière cellulaire, disposé dans la partie supérieure de l'appareil et communiquant avec les sections supérieures des enceintes verticales, lesdites pipes pour l'évacuation du gaz usé et de la liqueur de culture clarifiée de 1 1une des enceintes verticales communiquant respectivement avec le dispositif d'aération et les pipes pour l'admission forcée du milieu nutritif de l'autre enceinte verticale Une telle conception de l'appareil permet d'élever la productivité dudit appareil jusqu'à 100 tonnes de matière cellulaire par 24 heures grâce au déroulement plus intense du processus de biosynthèse dans chaque enceinte verticale sans que soit limitée la vitesse de croissance des micro-organismes, la concentration résiduelle en substrat en présence d'une aération efficace et de la dispersion du gaz aérateur suivant les sections de chaque enceinte verticale. L'utilisation complète du substrat résiduel dans l'appareil intervient dans les sections supérieures de chaque enceinte verticale et dans le dispositif destiné à la collecte de la matière cellulaire concentrée. Simultanément, on obtient une diminution sensible des consommations spécifiques de milieux technologiques, d'éléments nutritifs et de substrat, grâce à l'utilisation consécutive de la liqueur de culture clarifiée contenant une forte proportion d'éléments nutritifs minéraux inutilisés dans le procédé et de substrat dans chaque enceinte verticale. Le système de fonctionnement de l'appareil en circuit fermé des courants liquides et gazeux permet également de réduire l'évacuation de la liqueur de culture usée pour l'épuration biologique ainsi que les effluents de gaz usé à l'atmosphère. Il est avantageux de réaliser le dispositif destiné à la collecte et à l'évacuation du concentré de matière cellulaire sous forme d'un corps creux ayant à sa partie inférieure une pipe pour l'évacuation du concentré de matière cellulaire, à sa partie supérieure, un antimousse, et à l'extérieur, concentriquement au corps creux, une chambre annulaire communiquant avec le corps creux et les sections supérieures des enceintes verticales et formée par deux troncs de cône dont les sommets sont orientés vers le haut, l'angle au sommet du tronc de c8ne supérieur étant compris entre 120 et 900, et l'angle au sommet du tronc de cône inférieur, entre 90 et 450. La chambre annulaire communique avec les sections supérieures des enceintes verticales au moyen de pipes disposées tangentiellement à la surface latérale de la chambre annulaire. Ces particularités constructives du dispositif destiné à la collecte et à l'évacuation du concentré de matière cellulaire et de son assemblage avec les sections supérieures des enceintes assurent un fonctionnement stable et une haute productivité de l'appareil. Ainsi, les troncs de cône qui forment le couvercle et le fond de la chambre annulaire favorisent un écoulement dirigé de la mousse suivant une spirale ascendante, son séchage rapide grâce à la variation de la pression exercée sur la mousse du fait de la section variable de la chambre, et par conséquent, un accroissement du taux de concentration de la matière cellulaire. L'antimousse installé dans le corps creux réalise une destruction efficace de la mousse séchée et une séparation de la suspension en une phase gazeuse et une matière cellulaire concentrée, de sorte qu'à la sortie du dispositif on obtient une concentration en matière cellulaire atteignant jusqu'à 60 à 80 g/l. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, détails et avantages de celle-ci apparattront mieux à la lumière de la description explicative qui va suivre de différents modes de réalisation donnés uniquement à titre d'exemples non limitatifs, avec références aux dessins non limitatifs annexés dans lesquels - la figure 1 est une vue schématique d'ensemble de l'appareil; - la figure 2 est une vue en plan du dispositif destiné à la collecte et à l'évacuation du concentré de matière cellulaire; - la figure 3 est une vue en coupe suivant III-III de la figure 2. L'appareil pour la culture de micro-organismes comporte au moins deux (sur la figure 1 sont représentées trois enceintes à titre d'exemple) enceintes verticales 1, 2, 3 d'un même type de construction, desservies par des écoulements gazeux et liquides communs, et un dispositif 4 pour la collecte et l'évacuation du concentré de matière cellulaire, disposé à la partie supérieure de l'appareil. Les enceintes verticales 1, 2, 3 sont partagées en sections suivant leur hauteur par des cloisons perforées 5 de n'importe quelle conception connue, qui sont représentées sur la figure 1 par des traits interrompus et qui sont munies de pipes ou tubulures, respectivement 6, 7 et 8 pour l'admission forcée du milieu nutritif. Dans les sections des enceintes verticales, entre les cloisons perforées 5, est disposé un garnissage ou analogue flottant, de conception connue, non représenté sur les figures.Les sections inférieures des enceintes verticales 1, 2 et 3 comportent des dispositifs d'aération, respectivement 9, 10 et 11, alors que les sections supérieures sont destinées à la concentration de la suppension de micro-organismes et comportent des pipes ou tubulures pour l'évacuation de la liqueur de culture clarifiée, respectivement 12, 13 et 14, et des pipes ou tubulures pour l'évacuation du gaz usé, respectivement 15, 16 et 17. La desserte des enceintes 1, 2 et 3 par des écoulements de gaz et de liquides communs est réalisée de la manière suivante. La pipe 12 pour l'évacuation de la liqueur de culture clarifiée de l'enceinte 1 est mise en communication, par l'intermédiaire de la pompe de circulation 18 et de la conduite 19, avec les pipes 7 destinées à l'admission du milieu nutritif dans l'enceinte 2, la pipe 13 pour l'évacuation de la liqueur de culture clarifiée de l'enceinte 2 communique, par l'intermédiaire de la pompe de circulation 20 et de la conduite 21, avec les pipes 8 pour l'admission du milieu nutritif dans l'enceinte 3. L'évacuation de la liqueur de culture clarifiée de l'enceinte 3 se fait à travers la pipe 14 dans le sens indiqué par la flèche A, vers le poste de traitement technologique suivant.L'admission du milieu nutritif dans l'enceinte 1 se fait à partir de la conduite maîtresse 22 par la pompe de circulation 23 et la conduite 24; toutefois, les pipes 6 de l'enceinte 1 peuvent être mises en communication avec la pipe 14 pour l'évacuation de la liqueur de culture de l'enceinte 3. La pipe 15 destinée à l'évacuation du gaz usé de l'enceinte 1 communique avec le dispositif 10 destiné à l'aération de l'enceinte 2, tandis que la pipe 16 destinée à l'évacuation du gaz usé de l'enceinte 2 communique avec le dispositif Il destiné à l'aération de l'enceinte 3. L'évacuation du gaz usé de la pipe 17 de l'enceinte 3 est effectuée dans le sens indiqué par la flèche B, en vue de son épuration ultérieure. Le dispositif 4 (figures 1 et 2) destiné à la collecte et à l'évacuation du concentré de matière cellulaire communique avec les sections supérieures des enceintes verticales 1, 2 et 3 au moyen de pipes, respectivement 25, 26, 27, l'évacuation générale de la matière cellulaire de l'appareil se faisant dans le sens indiqué par la flèche C (figure 1) et la sortie du gaz usé se faisant dans le sens de la flèche D. Le dispositif 4 (figure 3) pour la collecte et l'évacuation du concentré de matière cellulaire comporte un corps creux 28 destiné à recueillir la matière cellulaire et est pourvu à sa partie inférieure d'une pipe 29 pour l'évacuation du concentré de matière cellulaire, dans sa partie supérieure, d'un antimousse 30 et d'une pipe 31 (figure 1) pour l'évacuation du gaz usé, tandis qu'à l'extérieur, concentriquement au corps creux 28 (figure 3) est disposée une chambre annulaire 32 destinée à sécher la mousse et communiquant avec le corps creux 28 et avec les sections supérieures des enceintes 1, 2 et 3 (figure 2) par les pipes 25, 26 et 27, respectivement. Les pipes 25, 26 et 27 sont disposées tangentiellement par rapport à la surface latérale de la chambre annulaire 32, grâce à quoi on obtient une entrée tangentielle de la suspension concentrée dans la chambre annulaire 32 (figure 3) , ce qui contribue à une séparation rapide de la matière cellulaire d'avec la phase liquide. La chambre annulaire 32 est formée par deux troncs de cône 33 et 34 installés à une certaine distance l'un de l'autre et dont les sommets sont orientés vers le haut, l'angle ( 1 au sommet du tronc de cône supérieur 33 étant compris dans une plage de 120 à 900, et l'angle t2 2 au sommet du tronc de cône inférieur 34, dans la plage de 90 à 45 . Les bords des troncs de cône 33 et 34 sont réunis suivant leur périphérie par une paroi formant la surface latérale de la chambre annulaire 32. L'appareil fonctionne de la manière suivante. Dans celle des sections inférieures de l'enceinte 1 qui vient en premier dans le sens de déroulement du processus technologique (figure 1) on admet à travers le dispositif 9 le gaz d'aération (par l'exemple, l'air) et on réalise la croissance (culture) de micro-organismes par un procédé connu dans chaque section de ladite enceinte en admettant simultanément dans les sections de l'enceinte 1 un milieu nutritif et un substrat carboné à partir de la conduite mattresse 22 à travers les pipes 6, en réalisant une interaction à contre-courant des écoulements gazeux et liquide, en présence d'un garnissage flottant qui se trouve à l'état fluidisé dans les sections des enceintes. La suspension concentrée de micro-organismes est dirigée de la section supérieure de l'enceinte 1 par la pipe 25 vers la chambre annulaire du dispositif 4, dans laquelle la concentration de micro-organismes augmente du fait du séchage de la mousse et de son abattage dans l'antimousse 30. La suspension concentrée est évacuée à travers le corps creux 28 et la pipe 29 du dispositif 4 dans le sens indiqué par la flèche C. On évacue la liqueur de culture clarifiée à travers la pipe 12 de l'enceinte 1 et on l'envoie dans la conduite d'aspiration de la pompe de circulation 18 de l'enceinte verticale 2. Dans cette même conduite de la pompe 18 on admet additionnellement de l'eau d'alimentation et du substrat carboné qui, par la conduite 19 et les pipes 7, sont refoulés dans chaque section de l'enceinte 2. L'aération du milieu dans l'enceinte 2 est assurée par l'admission du gaz usé depuis l'enceinte 1 par la pipe 15 et la conduite 35 dans le dispositif 10 de l'enceinte 2. Le gaz usé est envoyé de l'enceinte 2, à travers la pipe 16 et la conduite 36, dans le dispositif 11 de l'enceinte 3, tandis que la liqueur de culture clarifiée passe par la pipe 13 de l'enceinte 2 et arrive dans la conduite d'aspiration de la pompe 20 et ensuite dans l'enceinte 3. Le processus de croissance de microorganismes dans les sections 2 et 3 est réalisé de la même manière que dans l'enceinte 1. La suspension concentrée partant des sections supérieures des enceintes 2 et 3 à travers les pipes-respectives 26 et 27 est dirigée vers le dispositif 4 et en est évacuée ensuite dans le sens de la flèche C. L'exécution de la chambre annulaire 32 en deux troncs de cône et la disposition des pipes 25, 26 et 27 tangentiellement par rapport à la surface latérale de la chambre annulaire contribuent à un séchage intense de la mousse du fait de son déplacement turbulent de bas en haut vers le corps creux 28 et à une accélération du processus de déshydratation par gravité. La phase liquide passe par le tronc de cône inférieur et arrive dans les sections supérieures des enceintes 1, 2 et 3 et participe selon la technologie au cycle suivant. De cette manière, l'utilisation de l'appareil pour la croissance de micro-organismes permet de réduire sensiblement les consommations spécifiques des écoulements technologiques par unité de matière cellulaire synthétisée. Ainsi, d'après les résultats expérimentaux obtenus, il a été établi que la consommation spécifique d'eau fratche et de liqueur de culture traitée est réduite de 2,5 à 3 fois, la consommation spécifique du milieu nutritif contenant des oligoéléments et des macro éléments est abaissée dans une proportion de 10 à 2G96. Ceci permet une diminution correspondante des dépenses de matières premières et des frais d'épuration des courants de fluides technologiques usés. REVENDICATIONS 1.- Appareil pour la culture de micro-organismes, du type comprenant : une enceinte verticale (1) partagée suivant sa hauteur, par des cloisons perforées (5), en sections contenant un garnissage flottant et équipées de pipes (6) pour l'admission forcée du milieu nutritif, la section inférieure étant pourvue d'un dispositif d'aération (9), et la section supérieure, destinée à la concentration de la suspension de micro-organismes, étant pourvue de pipes (12 et 15) pour, respectIvement, l'évacuation de la liqueur de culture clarifiée et du gaz usé, caractérisé en ce qu'il est muni d'au moins encore une enceinte verticale (2) exécutée d'une manière analogue à la première enceinte (1) et réunie à celle-ci par des courants gazeux et liquides communs, et d'un dispositif (4) pour la collecte et l'évacuation du concentré de matière cellulaire, disposé dans la partie supérieure de l'appareil et communiquant avec les sections supérieures des enceintes verticales (1 et 2), les pipes (15 et 12) pour l'évacuation du gaz usé et de la liqueur de culture clarifiée de l'une desdites enceintes verticales communiquant respectivement avec le dispositif d'aération (10) et les pipes (7) d'admission forcée du milieu nutritif de l'autre enceinte verticale (2). 2.- Appareil suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif (4) pour la collecte et l'évacuation du concentré de matière cellulaire comporte un corps creux (28) ayant dans sa partie inférieure une pipe (29) pour l'évacuation du concentré de matière cellulaire, dans sa partie supérieure, un antimousse (30), et à l'extérieur, concentriquement au corps creux (28), une chambre annulaire (32) qui communique avec le corps creux (28) et les sections supérieures des enceintes verticales (1 et 2), ladite chambre annulaire étant formée par deux troncs de cône (33 et 34) dont les sommets sont orientés vers le haut, l'angle au sommet du tronc de cône supérieur (33) étant compris dans une plage de 120 à 900, et l'angle au sommet du tronc de cône inférieur (34), dans une plage de 90 à 450. 3.- Appareil suivant l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la chambre annulaire (32) communique avec les sections supérieures des enceintes verticales (1 et 2) par des pipes (25 et 26) disposées tangentiellement à la surface latérale de la chambre annulaire (32).