Brevet FR2507500A1 — publié le 19821217

La présente invention concerne un dispositif pour agiter et aérer un liquide contenu dans un récipient. L'invention vise également une installation comprenant un tel dispositif, notamment pour la fabrication de métabolites tels que des enzymes ou-des acides organiques comme par exemple l'acide citrique, par fermentation aérobie d'un liquide nutritif inoculé par un micrororganis- me approprié. Une telle installation peut également être utilisée pour régénérer les eaux résiduaires par agitation et aération. Dans les fermenteurs connus, le liquide nutritif chargé de micro-organismes est brassé en continu par des agitateurs entraînés en rotation par des moteurs. L'air nécessaire à la fermentation est injecté sous pression dans ces fermenteurs par des compresseurs également entrainés en rotation par des moteurs, ces compresseurs étant associés à des moyens complexes de réglage de débit et d'injection d'air. Les moteurs utilisés pour commander l'agitation et l'injection d'air nécessitent des puissances relativement fortes, ce qui entraîne des dépenses d'énergie élevées. Le but de la présente invention est de remédier à cet inconvénient en créant un dispositif pour agiter et aérer un liquide, tel que le liquide nutritif contenu dans un fermenteur, ce dispositif étant de construction simple, d'utilisation économique, et permettant d'obtenir une agitation et une aération particulièrement efficaces. Le dispositif visé par l'invention pour agiter et aérer un liquide contenu dans un récipient comprend au moins un agitateur monté sur un arbre entraîné en rotation par un moteur, et des moyens pour introduire de l'air dans le liquide. Suivant l'invention, ce dispositif est caractérisé en ce que l'agitateur comprend des moyens permettant, lors de sa rotation, d'aspirer l'air à l'extérieur du récipient, de comprimer cet air et de le pulvériser au sein du liquide. Ainsi, l'agitateur, tout en étant entraîné en rotation, aspire l'air de l'extérieur, le comprime et le pulvérise dans le liquide. De ce fait, non seulement l'aération est effectuée au niveau de l'agitation, ce qui est favorable à la bonne répartition de l'oxygène au sein du liquide agité, mais de plus, cette aération est réglée en même temps que l'agitation, en agissant sur la vitesse de rotation du moteur d'entraînement de l'agitateur. Par ailleurs, on réalise une importante économie, en supprimant les compresseurs d'air entraînés en rotation par des moteurs distincts de ceux entraînant les agitateurs, ainsi que les dispositifs de réglage de débit et d'injection d'air associés à ces moteurs. Selon une version avantageuse du dispositif, l'agitateur comprend un corps renfermant au moins un piston animé d'un mouvement alternatif lors de la rotation de l'agitateur, et monté de façon coulissante dans une chambre d'aspiration et de compression ménagée dans ce corps, des moyens étant prévus pour commander successivement l'admission de l'air à l'intérieur de la chambre d'aspiration, la compression de cet air dans cette chambre et l'échappement de l'air par au moins une buse de sortie ménagée sur le corps de l'agitateur. La rotation de l'arbre relié au moteur entraîne simultanément la rotation de l'agitateur et le déplacement du piston qui aspire l'air de l'extérieur, puis le comprime en le pulvérisant dans le liquide du récipient. Selon une version préférée de l'invention, l'arbre d'entraînement de l'agitateur présente un canal central qui communique avec l'air extérieur et qui comporte une came pour commander la rotation du corps, cette came présentant un évidement qui communique avec le canal central de l'arbre et successivement avec la chambre d'aspiration et de compression. Dans une réalisation particulière de l'invention, le piston présente deux faces opposées délimitant chacune avec l'extrémité adjacente du corps, successivement une chambre d'aspiration et une chambre de compression, la came de l'arbre d'entraînement en rotation du corps présentant une surface cylindrique dont 1' axe est décalé par rapport à celui de l'arbre, cette surface cylindrique étant logée dans un alésage ménagé dans le piston, l'axe de cet alésage étant perpendiculaire à la direction de déplacement du piston et étant un axe de symétrie de ce piston, les éléments symétriques du piston disposés de part et d'autre de cet axe comportant chacun un conduit perpendiculaire à l'alésage, qui débouche dans la chambre d'aspiration ou de compression et dans l'évidement ménagé dans la came pendant la course d'aspiration du piston. L'invention vise également une installation comprenant un récipient renfermant un liquide destiné à être agité et aéré, et comprenant plusieurs dispositifs conformes à l'invention, cette installation étant caractérisée en ce que ces dispositifs sont répartis suivant la hauteur du récipient. Ces dispositifs permettent ainsi de réaliser une agitation et une aération régulièrement réparties dans l'ensemble du liquide contenu dans le récipient. Les conditions d'agitation et d'aération sont encore améliorées lorsque chaque dispositif comporte plusieurs agitateurs fixés sur un arbre d'entraînement en rotation commun. Selon une version préférée, l'installation comprend deux séries de dispositifs répartis suivant la hauteur du récipient et disposés en regard l'un de l'autre, l'une des séries de ces dispositifs comportant des moyens d'entraînement en rotation comprenant une conduite communiquant avec la partie supérieure du récipient et avec is moteurs pneumatiques reliés à l'arbre d'entraînement en raation des dispositifs, cette conduite prélevant les gaz formés dans le récipient pour entraîner en rotation les dispositifs suivant un sens de rotation inverse de celui des dispo situés de l'autre série. Ainsi, la seconde série de dispositifs est entra$- née en rotation uniquement par les gaz d'échappement prélevés en haut du récipient, c'est-à-dire sans moteur électrique ce qui permet de réaliser une économie considérable d'énergie. Dans le cas de la préparation de métabolites tels que des enzymes ou des acides organiques, l'installation permet d'obtenir avec une consommation d'énergie minimale, d'excellents rendements en raison des parfaites conditions d'agitation et d'aération du liquide nutritif inoculé par un micro-organisme approprié. D'autres particularités et avantages de l'lnven- tion apparaîtront encore dans la description ci-après. Aux dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs : la figure 1 est une vue schématique en coupe longitudinale d'une installation équipée de dispositifs d'agitation et d'aération conformes à l'invention, la figure 2 est une vue en coupe longitudinale d'un dispositif conforme à l'invention, la figure 3 est une vue en coupe suivant le plan 111-111 ce la figure 2, la figure 4 est une vue latérale du dispositif trans arbre et en coupe son arbre d'entraînement, la figure 5 est une vue de l'une des extrémités opposées à l'arbre du dispositif, après enlèvement du prolongement en forme de corne, La figure 6 est une variante de l'installation, présentant une plus grande capacité que celle de la figure 1. Dans la réalisation de la figure 1, l'installation pour la fabrication de métabolites tels que enzymes, pro téines et acides organiques comme par exemple l'acide citrique, comprend un récipient vertical cylindrique 1 contenant un liquide nutritif 2, inoculé par un micro-organisme approprié, en vue de sa fermentation. Cette installation comprend trois dispositifs, 3, 3 a, 3 b, d'agitation et d'aération répartis suivant la hauteur du récipient 1. Chaque dispositif 3, 3 a, 3 b, comprend trois agitateurs, 4, 4 a, 4 b, montés sur un arbre commun 5, entraîné en rotation par un moteur 6. Chaque agitateur, 4, 4 a, 4 b, comprend des moyens que l'on va détailler ci-après, permettant lors de sa rotation, d'aspirer l'air à l'extérieur du récipient 1, par la conduite 7, et de pulvériser cet air au sein du liquide nutritif 2. Dans la réalisation représentée sur les figures 2 à 4, l'agitateur 4 comprend un corps 8 renfermant un piston 9 animé d'un mouvement alternatif lors de la rotation de l'agitateur. Ce piston 9 est à cet effet monté de façon coulissante dans une chambre d'aspiration et de compression 10, ménagée à l'intérieur du corps 8, des moyens étant prévus pour commander successivement l'admission de l'air dans la chambre 10, puis la compression de cet air dans cette chambre et l'échappement de cet air par des buses de sortie, 11, 12, ménagées sur les extrémités 13, 14, du corps 8,opposées à l'arbre 15 d'entraînement en rotation de l'agitateur 4 (voir figures 2 et 3). L'arbre 15 présente un canal central 16, qui communique avec l'air extérieur au récipient 1 par la conduite 7. Cet arbre présente une came 17 pour commander la rota tion du corps 8. Cette came 17 présente un évidement interne 18, qui communique avec le canal 16 et successivement avec la chambre 10 d'aspiration et de compression, lors de la rotation de l'arbre 15. Le piston 9 comporte deux éléments symétriques 9 a, 9 b, dont les faces opposées 9 c, 9 d, délimitent chacune avec les extrémités adjacentes, 13, 14, du corps 8, successivement une chambre d'aspiration et de compression 10. La came 17 présente une surface cylindrique 17 a, dont l'axe Y-Y est décalé par rapport à l'axe X-X de l'arbre 15, cette surface cylindrique étant logée dans un alésage 19 ménagé dans le piston 9. L'axe Y-Y de cet alésage 19 est perpendiculaire à la direction de déplacement du piston 9 et est un axe de symétrie de ce dernier. Les éléments symétriques, 9 a, 9 b, du piston 9 comportent chacun un conduit 20 a, 20 b, perpendiculaire à l'alésage 19 et qui débouche dans la chambre 10 d'aspiration et de compression. Ce conduit 20 a, ou 20 b, débouche également dans l'évidement 18 ménagé dans la came 17 pendant la course d'aspiration des éléments 9 a, 9 b du piston 9 (voir figure 3). Le corps 8 présente sur ses deux côtés, 21 a, 21 b, adjacents à l'arbre 15, deux alésages cylindriques 22 a, 22 b, dont l'axe commun Z-Z est parallèle à l'axe X-X de l'arbre 15 et dont le rayon est égal au double de celui de l'arbre 15. L'arbre 15 est tangent à ces deux alésages 22 a, 22 b. L'axe Y-Y de la came 17 est décalé par rapport à l'axe X-X de l'arbre 15 suivant une distance d égale à la moitié du rayon de 11 arbre 15. La figure 3 montre par ailleurs que les axes X-X , Y-Y et Z-Z sont situés dans un même plan P. Sur cette figure 3, on voit d'autre part que l'évidement 18 de la rame 17 est ouvert vers l'alésage 19 du piston 9 suivant un secteur angulaire légèrement inférieur à 180 degrés de sorte qe lorsque les axes X-X Y-Y et Z-Z sont situés sur l'axe de coulissement du piston 9, ce dernier étant alors en fin de course, comme in disque sur les figures 2 et 3, les conduits 20 a et 20 b sont obturés simultanément. La figure 3 montre en outre que le fond de l'évidement 18 présente une surface convexe opposée a son ouverture, le sommet de cette surface convexe étant situé dans le prolongement du canal intérieur 16 de l'arbre 15. Dans la réalisation représentée, les buses de sortie 11, 12, ménagées sur les extrémités opposées 13, 14, du corps 8, débouchent a l'intérieur de la chambre10, par l'intermédiaire d'une soupape en regard des piston 9. buses de sortie 11, 12, sont ménagées dans des prolongements 23, 24 en forme de corne, fixés sur les extrémités 13, 14, du corps 8. Comme indiqué sur la figure 3, ces prolongements 23, 24 sont dirigés dans une direction sensiblement perpendiculaire à l'arbre 15. Par ailleurs, on voit sur la figure 5 que la section du piston 9 et du corps 8 est constituée par des portions de surface cylindriques 25, 26, 27, axées sur le plan de symétrie Q qui est perpendiculaire à l'arbre 15. On va maintenant décrire en référence aux figures 2 et 3,le fonctionnement du dispositif d'agitation et d'aération conforme à l'invention. L'évidement 18 de la came 17 communique en per-manence avec l'air extérieur par le canal 16 de l'arbre 15. Lorsque cet arbre est entraîné en rotation autour de son axe X-X suivant la flèche F (voir figure 3), la came 17 déplace le piston 9 suivant la flèche F1 et en même temps le corps 8 de l'agitateur est entraîné en rotation suivant la flèche F2 à une vitesse deux fois inférieure à celle de l'arbre 15. On réalise ainsi une démultiplica t on qui évite généralement l'utilisation d'une boite de réduction à la sortie du moteur 6. Lors de la rotation de la came 17 suivant la flèche F, l'évidement 18 communique avec le conduit 20 b. Le déplacement du piston 9 suivant la flèche F1 permet ainsi d'aspirer l'air dans la chambre d'aspiration supérieure 10 jusqu'à la fin de la course du piston. Lors du déplacement du piston 9 en sens inverse (voir flèche F3) le conduit 20 b est obturé par la surface cylindrique de la came 17, et l'air contenu dans la chambre supérieure 10 est comprimé et chassé dans le liquide 2 par la buse 12. Par conséquent, on réalise en même temps que la rotation de l'agitateur 4, l'aspiration de l'air extérieur, la compression de celui-ci et son échappement dans le li guide 2 par rune ou l'autre des buses il ou 12 et par la soupape 20c ou 20d. L'expulsion d'air à l'intérieur du liquide 2 est ainsi parfaitement synchronisée avec la rotation de l'agitateur. Pour augmenter ou diminuer le débit d'air et la vitesse d'agitation, il suffit d'augmenter ou de diminuer la vitesse de rotation du moteur 6. Par ailleurs, lors de la rotation des agitateurs, il se forme au voisinage de ces derniers un phénomène de cavitation favorable au retrait du gaz carbonique contenu dans le liquide 2, et à la dissolution d'oxygène dans la solution. Le dispositif conforme à l'invention permet de ce fait de réaliser une agitation et une aération parfaitement contrôlées et régulièrement réparties dans le liquide 2. De plus, le dispositif conforme à l'invention est particulièrement économique en énergie. Le liquide 2 pénètre a l'intérieur du corps 8 par les alésages 22 a, 22 b et assure ainsi la lubrification du piston 9 , ce qui garantit une excellente fiabilité du dispositif. Dans le cas d'un récipient 1 de grande largeur, il est avantageux de monter sur l'arbre 5 plusieurs dispositifs 4, 4 a, 4 b, d'agitation et d'aération, comme indiqué sur la figure 1. De plus, compte tenu de la forme cylindrique du récipient 1, les dispositifs 4, 4 a, 4 b, présentent avantageusement des longueurs augmentant progressivement de l'extérieur vers l'intérieur du récipient. D'autre part, il est préférable que les dispositifs 4, 4 a, 4 b, soient décalés les uns par rapport aux d'agitateurs autres suivant un angle égal à 3600/n, n étant le nombre/ pour mieux équilibrer le système et pour que les échappements d'air par les buses de sortie ne soient pas réalisés simultanément. Le dispositif conforme à l'invention est particulièrement bien adapté aux fermenteurs destinés à la production d'enzymes, de protéines ou d'acides organiques. Dans de tels fermenteurs, le liquide 2 est un liquide nutritif contenant un micro-organisme approprié. Les bonnes conditions d'agitation et d'aération permettent d'obtenir des rendements optimaux, tout en évitant la dégradation du micro-organisme d'inoculation. Dans l'installation représentée sur la figure 1, destinée par exemple à la production de l'acide citrique, le récipient 1 comporte une cloison verticale 30 qui sépare ce récipient en deux compartiments distincts, 31, 32, communiquant l'un avec l'autre en haut et en bas du récipient, et permettant de réaliser une circulation de liquide suivant un parcours fermé. Le liquide fermenté contenant de l'acide citrique est prélevé en bas du récipient 1 par une conduite 33 qui est située sous une matière filtrante 34, qui a pour effet de retenir les micro-organismes à l'intérieur du récipient. Ce liquide est recyclé périodiquement vers le haut du récipient 1 au travers d'un pasteuriseur 35. Après soutirage périodique de liquide par la conduite 33, le récipient 1 est réalimenté en liquide nutritif frais par le réservoir 36. Dans le cas d'un récipient 1 tel que celui représenté sur la figure 1, et présentant un volume de l'ordre de 250 mètres cubes, il suffit de trois moteurs de 50 KW de puissance chacun pour faire fonctionner les dispositifs d'agitation et d'aération. Dans l'installation représentée sur la figure 6, le récipient 37 présente un volume plus important que celui de la figure 1. Ce récipient 37 comprend deux séries de dispositifs d'agitation et d'aération 38a, 38b, 38c, 38d et 39a, 39b, 39c, 39d, répartis suivant la hauteur du récipient, et disposés en regard l'un de l'autre. Les dispositifs 38a... 38d, représentés sur la gauche de la figure, sont entrainés normalement en rotation par des moteurs électriques 40. La série de dispositifs 39a... 39d, représentés sur la droite de la figure, sont entraînés en rotation par les gaz d'échappement prélevés en haut du récipient 37 par la conduite 51. Cette conduite 51 communique avec des moteurs pneumatiques (53a, 53b, 53c, 53d) reliés aux arbres 52a 52d d'entraînement en rotation des dispositifs. Ces moteurs pneumatiques 53a ... 53d peuvent être conçus de la même façon que les agitateurs 38a ... 38d. Ces gaz d'échappement dont la pression correspond pratiquement à celle obtenue par l'air qui est injecté dans le liquide par les dispositifs 38a ... 38d, permettent d'entrainer en rotation les dispositifs 39a ... 39d en sens inverse de ceux de gauche. On réalise ainsi une économie d'énergie de près de 50 %. Bien-entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples que l'on vient de décrire, et on peut apporter à ceux-ci de nombreuses modifications sans sortir du cadre de l'invention. Ainsi, le dispositif conforme à l'invention peut être utilisé dans toute autre application où il est nécessaire d'agiter et d'aérer un liquide. De ce fait, le dispositif conforme à l'invention peut être utilisé pour la régénération des eaux résiduaires et l'oxygénation des eaux de lacs ou de rivières. Par ailleurs, les agitateurs 4, 4a, 4b pourraient être accolés les uns aux autres pour former un ensemble unique. REVENDICATIONS 1. Dispositif pour agiter et aérer un liquide (2) contenu dans un récipient (1), comprenant au moins un agitateur (4) monté sur un arbre (5, 15) entraîné en rotation par un moteur (6) et des moyens pour introduire de l'air dans le liquide (2),caractérisé en ce que l'agitateur (4) comprend des moyens permettant, lors de sa rotation, d'aspirer l'air à I'intérieur du récipient (1), de comprimer cet air et de le pulvériser au sein du liquide (2). 2. Dispositif conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que l'agitateur (4) comprend un corps (8) renfermant au moins un piston (9) animé d'un mouvement alternatif lors de la rotation de l'agitateur et monté de façon coulissante dans une chambre (10) d'aspiration et de compression, ménagée à l'intérieur du corps (8), des moyens étant prévus pour commander successivement l'admis- sion de l'air à l'intérieur de la chambre (10) d'aspiration, l'admission de cet air dans la chambre de compression, et l'échappement de l'air par au moins une buse (11, 12) de sortie ménagée sur le corps (8). 3. Dispositif conforme à la revendication 2, caractérisé en ce que l'arbre (15) d'entraînement de l'agitateur (4) présente un canal central (16) qui communique avec l'air extérieur et qui comporte une came (17) pour commander la rotation du corps (8), cette came (17) présentant un évidement (18) qui communique avec le canal central (16) de l'arbre (15), et successivement avec la chambre (10) d'aspiration et de compression. 4. Dispositif conforme à la revendication 3, caractérisé en ce que le piston (9) présente deux faces opposées (9 c, 9 d) délimitant chacune avec les extrémités adjacentes (13, 14) du corps (8), successivement une chambre (10) d'aspiration et de compression, en ce que la came (17) de l'arbre (15) présente une surface cylindrique (17 a) dont l'axe (Y-Y ) est décalé par rapport à l'axe (X-X') de l'arbre (15), cette surface cylindrique étant logée dans un alésage (19) ménagé dans le piston (9), l'axe de cet alésage étant perpendiculaire à la direction de déplacement du piston (9) et étant un axe de symétrie de ce piston, les éléments symétriques (9 a, 9 b) du piston (9) disposés de part et d'autre de cet axe, comportant chacun un conduit (2G a, 20 b) perpendiculaire à l'alésage (19) qui débouche dans la chambre (10) d'aspiration ou de compression, et dans l'évidement (18) ménagé dans la came (17) pendant la course d'aspiration du piston (9). 5. Dispositif conforme à la revendication 4, caractérisé en ce que le corps (8) présente sur ses deux côtés opposés (21 a, 21 b) adjacents à l'arbre (15) deux alésages cylindriques (22 a, 22 b) dont l'axe commun (Z-Z ) est parallèle à celui de l'arbre, et dont le rayon est égal au double de celui de l'arbre, ce dernier étant tangent à ces deux alésages, et en ce que l'axe (Y-Y') de la came (17) est décalé par rapport à l'axe (X-X ) de l'arbre (15) suivant une distance (d) égale à la moitié du rayon de l'arbre, l'axe (X-X ) de cet arbre, l'axe (Y-Y ) de la came et l'axe (Z-Z ) des alésages cylindriques (22 a, 22 b) étant situés dans un même plan. 6. Dispositif conforme à la revendication 5, caractérisé en ce que l'évidement (18) de la came (17) est ouvert vers l'alésage (19) du piston (8) suivant un secteur angulaire légèrement inférieur à 180 degrés, de façon que lorsque l'axe (Y-Y ) de la came, l'axe (X-X ) de l'arbre, et l'axe (Z-Z ) des alésages cylindriques, sont situés sur l'axe de coulissement du piston (9), les conduits (20 a, 20 b) des éléments (9 a, 9 b) du piston soient obturés simultanément. 7. Dispositif conforme à la revendication 6, caractérisé en ce que le fond de l'évidement (18) présente une surface convexe (18 a) opposée à son ouverture, le sommet de cette surface convexe étant situé sensiblement dans le prolongement du canal intérieur (16) de l'arbre (15). 8. Dispositif conforme à l'une quelconque des revendications 4 à 7, caractérisé en ce que le corps (8) présente sur chacune de ses extrémités (13, 14) opposées à l'arbre (15) une buse de sortie (11, 12) qui débouche à l'intérieur de la chambre (10) d'aspiration et de compression du piston (9) par l'intermédiaire d'une soupape (20c, 20d) en regard d'un conduit (20a, 20b) ménagé sur chacun des deux éléments du piston, ces buses étant ménagées dans des prolongements (23, 24) en forme de corne, fixés sur les extrémités adjacentes du corps (8). 9. Dispositif conforme à la revendication 8, caractérisé en ce que les prolongements (23, 24) en forme de corne, sont dirigés dans une direction sensiblement perpendiculaire à l'arbre (15). 10. Installation comprenant un récipient (1) renfermant un liquide (2) destiné à être agité et aéré, et comprenant plusieurs dispositifs (3, 3a, 3b) conformes à l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que ces dispositifs sont répartis régulièrement suivant la hauteur du récipient (1). 11. Installation conforme à la revendication 10, caractérisée en ce que chaque dispositif comporte plusieurs agitateurs fixés sur un arbre d'entrainement en rotation commun (5). 12. Installation conforme à la revendication 11, caractérisée en ce que les agitateurs sont décalés l'un par rapport à l'autre suivant un angle égal à 3600/n, n étant le nombre d'agitateurs. 13. Installation conforme à l'une quelconque des revendications 10 à 12, caractérisée en ce qu'elle comprend deux séries de dispositifs (38a ... 38d ; 39a ... 39d) répartis régulièrement suivant la hauteur du récipient (37) et disposés en regard l'un de l'autre. 14. Installation conforme à la revendication 13, caractérisée en ce que, pour l'une des séries de dispositifs (39a ... 39d), les moyens d'entrainement en rotation des agitateurs comprennent une conduite (51) communiquant avec la partie supérieure du récipient (37) et avec des moteurs pneumatiques (53a ... 53d) reliés à l'arbre (52a ... 52d) d'entrainement en rotation des agitateurs, cette conduite (51) prélevant les gaz formés dans le récipient (37) pour entraîner en rotation les agitateurs suivant un sens de rotation inverse de celui des agitateurs de l'autre série (38a ... 38d). 15. Installation conforme à l'une quelconque des revendications 10 à 14, notamment destinée à la fabrication de métabolites par fermentation aérobie d'un liquide nutritif inoculé par un micro-organisme approprié, caractérisée en ce que le récipient (1, 37) renferme une cloison verticale (30) qui sépare le récipient en deux compartiments distincts (31, 32) communiquant entre eux en haut et en bas du récipient, ces compartiments définissant un parcours fermé pour la circulation du liquide nutritif (2) contenu dans le récipient. 16. Installation conforme à la revendication 15, caractérisée en ce que le fond du récipient comporte une matière filtrante (34) qui recouvre l'orifice de prélèvement du liquide fermenté du récipient.