Brevet FR2516538A1 — publié le 19830520

INSTALLATION DE DESINTEGRATION CONTINUE DES CELLULES DE MICRO-ORGANISMES L'invention concerne l'industrie microbiologique, et se rapporte plus précisément à une installation pour la désintégration des cellules de micro-organismes tels que levures, bactéries, algues, champignons pour iso- lement des protéines intracellulaires, acides nucléiniques, enzymes et autres substances physiologiquement actives. Pour l'isolement des substances contenues dans les cellules de micro-organismes, par exemple, lors de l'obtention des concentrés de pro- téines alimentaires ou de préparation enzymatiques, il est nécessaire de détruire la membrane des cellules Dans ce but, il existe des installations dans lesquelles la destruction des membranes cellulaires s'effectue par des procédés mécaniques, chimiques ou enzymatiques. Parmi les installations dans lesquelles la destruction des cellules s'effectue par voie mécanique, on connaît les installations fonctionnant par extrusion, les désintégrateurs balistiques et les installations utili- sant la décompression dans lesquelles la destruction des cellules se pro- duit à la suite de la dilatation du gaz, dissous sous pression dans les cellules, après une chute brusque de pression dans la suspension La pré- sente invention a trait à ces dernières installations. Les installations connues de désintégration par décompression se composent de deux ensembles principaux Le premier ensemble comprend un ou deux réservoirs de haute pression équipés de conduites d'alimentation en suspension cellulaire et en gaz utilisé (azote, air, gaz carbonique, etc) sous pression, pour saturer la suspension Les réservoirs peuvent être pourvus de régulateurs de niveau de la suspension et d'agitateurs. Le second ensemble principal est un désintégrateur qui est une soupape spé- cialement conçue pour assurer une dépression brusque dans l'écoulement de la suspension cellulaire. Les installations connues de désintégration par décompression des cellules de micro-organismes se distinguent, en principe, par la concep- tion de l'ensemble de désintégration. Dans une version, l'ensemble de désintégration est constitué d'une construction composée de corps supérieur et inférieur sous forme de brides dont le montage permet le déplacement vertical et pourvus à l'intérieur de sièges à plateau; le siège à plateau du corps inférieur possède dans ce cas une saillie annulaire formant avec la surface extérieure du siège su- périeur une fente d'utilisation et le corps supérieur est pourvu d'un ca- nal pour l'envoi de la suspension à la fente d'utilisation (cf par exem- ple le certificat d'auteur de l'URSS No 602550, cl C 12 K 1/10). Dans une autre version, on utilise une construction analogue de l'ensemble de désintégration caractérisée en ce que le siège du corps in- férieur possède une saillie annulaire supplémentaire et un canal d'évacua- tion de la suspension de cellules désintégrées, tandis que le siège à pla- teau du corps supérieur est pourvu de plusieurs chénaux reliés au canal d'alimentation en suspension et servant à la répartition de cette suspen- sion dans la fente d'utilisation; en outre, le corps supérieur est doté d'un vibreur pour nettoyer la fente d'utilisation en cas de colmatage (cf par exemple, certificat d'auteur de l'URSS N O 602551, cl C 12 K 1/10) . Les installations décrites pour la désintégration par dépression fonctionnent de la manière suivante La suspension cellulaire et le gaz comprimé arrivent en continu dans un réservoir malaxeur pourvu d'une jauge flottante Quand le niveau de la suspension dans le réservoir malaxeur augmente, la jauge flottante provoque l'arrivée du gaz comprimé qui barbote à travers la couche de suspension sous pression Ensuite, la suspension, saturée en gaz, passe par un collecteur et arrive à l'ensemble de désinté- gration. Dans l'ensemble de désintégration, la suspension arrive au siège à plateau du corps supérieur et est ensuite étranglée par une fente, formée avec la surface extérieure du siège supérieur et la (ou les) saillie(s) annulaire(s) du siège inférieur, vers une zone à pression normale Il se produit alors la désintégration des cellules du fait de la dépression La pression de travail dans l'ensemble de désintégration est assurée par le serrage des vis de réglage à la main et est contrôlée à l'aide d'un mano- mètre. Les installations de désintégration par décompression sont caracté- risées par une efficacité de destruction suffisamment élevée des membranes 16538 de cellules en entraînant des dépenses de métal et des dépenses énergéti- ques notablement plus basses que celles que requièrent les installations d'autres types Les installations fonctionnent à une pression de travail relativement basse (de 80 à 200 bars) Le procédé par décompression utili- sé dans ces installations permet un fonctionnement à l'échelle des rende- ments industriels requis. Cependant, les installations indiquées sont caractérisées par une construction complexe de l'ensemble de désintégration qui ne nécessite qu'un réglage à la main de la pression dans l'ensemble lors du fonctionne- ment de l'installation. Selon le certificat d'auteur de l'URSS NO 492118 cl C 12 K 1/100,on connait une installation pour la désintégration en continu des cellules de micro-organismes, cette installation comprenant un réservoir-mélangeur pour maintenir la suspension de micro-organismes sous pression et étant reliée par une conduite à l'ensemble de désintégration raccordé à un col- lecteur pour la matière désintégrée Le réservoir-mélangeur, pour main- tenir sous pression la suspension, est relié par des conduites à une sour- ce de gaz comprimé et à une pompe doseuse de la suspension L'installation est pourvue d'une soupape automatique pour maintenir la pression imposée dans le récipient. L'ensemble de désintégration est réalisé sous forme de deux corps reliés en série formant une chambre pilote et une chambre de travail La chambre pilote possède un canal d'entrée pour l'admission du gaz comprimé et un canal de sortie pour la décompression, la chambre de travail étant pourvue d'un canal d'entrée latéral pour l'admission de la suspension de cellules; les chambres sont séparées par une membrane sur laquelle est fixé un organe d'arrêt à pointeau placé à l'intérieur de la chambre de tra- vail Le corps de la chambre de travail est raccordé en série aux corps de la bride de réglage et du siège du pointeau sur lequel ce dernier appuie par son extrémité de fermeture; par conséquent, la fermeture de l'orifice du siège se fait du côté haute pression. L'installation fonctionne de la manière suivante Au moyen du gaz comprimé, on crée une pression d'utilisation dans la chambre pilote de l'ensemble de désintégration Ensuite, la pompe doseuse alimente le réser- voir-mélangeur en suspension des cellules Lorsque la pression de travail (environ 100 bars) est atteinte, le gaz comprimé commence à entrer dans le réservoir tandis que la suspension saturée en gaz est envoyée par l'ensem- ble de désintégration dans le collecteur. En position initiale, quand le gaz comprimé est admis dans la cham- bre pilote de l'ensemble de désintégration, la sortie de sa chambre de tra- vail est fermée par le pointeau d'arrêt qui prend appui sur son siège. Quand la pression dans la chambre de travail dépasse celle de la chambre pilote, sous l'effet du fonctionnement de la pompe doseuse, la membrane séparant les chambres est soulevée par le pointeau d'arrêt fixé sur celle- ci et il se forme alors une fente entre l'extrémité de fermeture du poin- teau et son siège et par cette fente la suspension se décharge dans le collecteur Il se produit alors la désintégration des cellules du fait de la décompression. La régularité du déchargement de la suspension de cellules est as- surée à l'aide d'une bride de réglage fixée par des boulons au corps de la chambre de travail de l'ensemble de désintégration. L'installation fonctionne en continu et assure une désintégration de 70 à 75 % des cellules de micro-organismes. Cependant la position du pointeau d'arrêt à l'intérieur de la cham- bre de travail et une introduction latérale de la suspension dans la cham- bre de l'installation décrite, provoquent un tourbillonnement du flux de la suspension dans le canal formé par les parois de la chambre de travail et le pointeau ainsi qu'un tourbillonnement du jet de suspension lors de son éjection par la fente formée par le pointeau et son siège Il en ré- sulte une augmentation de la durée de la dépression dans la suspension ce qui réduit l'efficacité de la désintégration En outre, le déplacement du jet de suspension, conditionné par la forme de la fente entre le pointeau d'arrêtet son siège à la sortie de l'ensemble de désintégration est di- rigé vers l'axe du pointeau ce qui altère la pulvérisation de la suspen- sion éjectée et, par conséquent, réduit l'efficacité de la désintégration. La construction de l'ensemble de désintégration constituée par quatre éléments raccordés en série, notamment par la chambre pilote et celle de travail, la bride de réglage et le siège du pointeau est très compliquée quant au réglage en cas de variation des régimes de travail et de rechange des éléments; ceci complique la construction de l'installa- tion toute entière. Dans des installations de désintégration à extrusion, les cellules sont désintégrées par étranglement de la suspension des cellules de la zone haute pression par une microfente d'une soupape de désintégration dans la zone de pression normale Parmi les installations de ce type, les plus connues sont les hydro-extrudeurs de la firme "Gaulin" (USA) (Rees L H. Chem Engineering, 1974, v, 5, 13, 87) Leurs structures se composent de 16538 deux groupes principaux: soit une pompe à piston de grande puissance et une soupape acutangle (cunéiforme) de désintégration à ressort raccordée à la sortie de la pompe Les deux groupes et le moteur sont montés sur un bâti de fonte La pression hydraulique sur la soupape de désintégration est commandée à la main par une manette ou à distance L'installation est adaptée à un fonctionnement en régime de recirculation de la suspension de cellules. Lors du fonctionnement de l'installation, la suspension des micro- organismes est admise en continu à la cavité de la soupape sous une haute pression ( 250 à 700 bars) à un faible débit Ensuite, elle arrive dans la microfente entre la soupape et son siège o le débit augmente rapidement en fonction de la pression de travail et la suspension est étranglée vers la zone de pression normale Dans cette zone se déroule alors la désintégration des cellules de micro-organismes conditionnée par la valeur de la pression hydrostatique, de son gradient et de la vitesse de variation, par les ef- fets de cavitation et de la turbulence La durée du séjour de la suspen- sion de cellules dans la microfented'une largeur d'environ 1 pm est égale à 10-6 s. Le processus de destruction des cellules dans des homogénéisateurs à extrusion est caractérisé par des pressions de travail élevées ( 250 à 700 bars) et pour atteindre un degré élevé de destruction des cellules ( 80 à 90 %) on est obligé de réitérer plusieurs fois le cycle de travail ce qui conduit à une fragmentation irrégulière des cellules et rend difficile la séparation des phases solide et liquide de la suspension obtenue. On s'est proposé dans la présente invention de mettre au point une installation de désintégration continue des cellules de micro-organismes dans laquelle l'ensemble de désintégration aurait une structure et un ré- glage simple et permettrait d'augmenter le degré de désintégration des cellules de micro-organismes ce qui à son tour permettrait de simplifier l'entretien de l'installation et d'accroître son efficacité. La présente invention permet de résoudre ce problème à l'aide d'une installation de désintégration continue des cellules de micro-organismes comprenant un réservoir-mêlangeur pour saturer les cellules de micro- organismes de la suspension en gaz sous pression, équipé d'une pompe do- seuse et de conduites d'admission respectivement de la suspension et du gaz comprimé, et un collecteur pour matière désintégrée communiquant avec le réservoir-mélangeur par 1 'Vintermédiaire de l'ensemble de désintégration comportant un corps creux dans le siège duquel est placé un organe d'arrêt 16538 à pointeau, ladite installation étant caractérisée en ce que le corps creux qui est sous forme d'un cylindre sur le fond duquel est monté l'or- gane d'arrêt à pointeau, possède sur sa paroi latérale des ouvertures fai- sant communiquer la cavité du cylindre avec le collecteur, et en ce que sur la face ouverte est placé un coussinet relié au cylindre et pourvu, coaxialement à l'organe d'arrêt à pointeau, d'un canal central qui commu- nique avec le réservoir-mélangeur et dans lequel est placé un siège sous forme d'une rondelle d'étranglement. Cette construction de l'ensemble de désintégration permet de diri- ger le flux de suspension par la fente entre l'organe d'arrêt à pointeau et la rondelle d'étranglement selon une direction radiale divergente dans la zone de basse pression sans tourbillonnement du flux car l'organe d'ar- rêt, par son extrémité de fermeture, est orienté vers l'orifice de la ron- delle d'étranglement à partir de la zone de basse pression Tout ceci contribue à obtenir un degré élevé de désintégration des cellules de la suspension. Conformément à l'invention, l'organe d'arrêt à pointeau est monté sur le fond du cylindre avec la possibilité d'un déplacement éventuel ce qui permet d'établir la dimension nécessaire de la fente entre l'organe d'arrêt à pointeau et la rondelle d'étranglement en cas de variation des régimes de travail de l'installation en fonction de la pression et/ou du flux de suspension passant par cette fente. Il est préférable que le coussinet soit assemblé au cylindre par un filetage Ceci permet un réglage supplémentaire de la fente entre la soupape d'arrêt à pointeau et la rondelle d'étranglement et facilite éga- lement le montage et le démontage de l'ensemble de désintégration en cas de rechange (après usure) de l'organe d'arrêt à pointeau. Selon l'invention, il est préférable que le canal central du cous- sinet du côté de l'entrée dans la rondelle d'étranglement de l'organe d'ar- rêt à pointeau présente un élargissement ou évasement ce qui assure une sortie libre, sans difficultés, de la suspension hors de la fente entre l'organe d'arrêt à pointeau et la rondelle d'étranglement dans le collec- teur et crée ainsi un gradient plus élevé de pression lors de la désinté- gration, en améliorant la quantité des cellules détruites dans le désin- tégrateur. Il est préférable que la rondelle d'étranglement soit fixée au coussinet par l'intermédiaire d'une bague et d'une bride fixée au coussi- net ce qui permet le centrage de la rondelle d'étranglement dans le cous- sinet et son échange rapide après usure ou en cas de variations du régime 16538 de travail du désintégrateur. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui-va suivre et d'exemples de réa- lisation, faite en référence aux dessins annexés o: la figure 1 représente le schéma de principe de l'installation, suivant l'invention; la figure 2 représente l'ensemble de désintégration de l'installa- tion de la figure 1, en coupe longitudinale; la figure 3 est une version de l'organe d'arrêt à pointeau. L'installation de désintégration continue de cellules de micro- organismes comprend un réservoir-mélangeur 1 (figure 1) pour saturer la suspension des cellules de micro-organismes en gaz sous pression, un col- lecteur 2 pour matière désintégrée, un ensemble de désintégration 3, une conduite 4 faisant communiquer le réservoir-mélangeur 1 avec l'ensemble de désintégration 3 Le réservoir-mélangeur 1 est muni d'un capteur de niveau pour contrôler le niveau de la suspension (non représenté sur la figure 1), d'un manomètre 5 pour contrôler la pression; des conduites 6 et 7 d'alimentation respectivement en suspension et en gaz comprimé et - d'une pompe doseuse 8 raccoradée au réservoir-mélangeur 1 par une condui- te 9. En cas de besoin, le réservoir-mélangeur 1 peut être pourvu de cloi- sons, d'agitateurs, (non représentés sur la figure 1), d'un échangeur de chaleur pour la stabilisation de la température et d'autres dispositifs con- nus assurant le fonctionnement normal de l'installation Comme l'ensemble de désintégration 3 est situé dans le collecteur 2, le réservoirmélangeur 1 communique avec le collecteur 2 par l'intermédiaire de l'ensemble de désintégration 3. L'ensemble de désintégration 3 comprend un corps creux sous forme d'un cylindre 10, un organe d'arrêt à pointeau 11 et un siège conçu sous forme d'une rondelle d'étranglement 12 dans l'orifice de laquelle est dis- posée la pointe de l'organe d'arrêt 11 L'autre extrémité de l'organe d'ar- rêt à pointeau 11 se trouve dans la zone à basse pression montée sur le fond 13 du cylindre 10 Dans la paroi latérale 14 du cylindre 10 sont pra- tiquées des ouvertures 15 faisant communiquer une cavité 16 (figure 1) du cylindre 10 avec le collecteur 2 Sur la face ouverte du cylindre 10 (fi- gure 2) est placé un coussinet 17 assemblé au cylindre 10 et possédant coaxialement à l'organe d'arrêt à pointeau 11 un canal central 18, qui com- munique avec le réservoir-mélangeur i par la conduite 4 et avec le collec- teur 2 par la cavité 16, et dans lequel est placée la rondelle d'étrangle- ment 12. Le coussinet 17 est assemblé au cylindre 10 par un filetage ce qui permet de régler la position du coussinet 17 et de la rondelle d'étrangle- ment 12 par rapport à l'organe d'arrêt 11. Le canal central 18 du coussinet 17, du côté de l'entrée dans la rondelle d'étranglement 12 de l'organe d'arrêt à pointeau 11 comporte un évasement ou élargissement comme cela est montré sur la figure 2. L'organe d'arrêt à pointeau Il est monté sur le fond 13 du cylindre 10 avec possibilité de régler sa position axiale, par exemple à l'aide d'un assemblage par filetage formé par le fond 13 du cylindre 10 et un écrou à chapeau 19 contre lequel bute la queue de l'organe d'arrêt 11, et qui com- porte un butoir 20 limitant le déplacement vertical de l'organe d'arrêt 11. La rotation de l'écrou à chapeau 19 permet de régler la position de l'or- gane d'arrêt 11 par rapport au siège, c'est-à-dire à la rondelle 12 sans nécessiter le démontage total de l'ensemble. La rondelle d'étranglement 12 est maintenue dans le coussinet 17 à l'aide d'une douille 21 disposée dans le canal 18 du coussinet et retenue dans cette position par une bride 22 de la conduite 4, la bride 22 étant alors fixée au coussinet 17, par des goujons de butée 23. L'organe d'arrêt à pointeau 11 peut être conçu sous la forme d'un pointeau simple comme cela est représenté sur la figure 2 ou sous forme d'une tige 24 et d'une bille 25 comme cela est représenté sur la figure 3. L'installation fonctionne de la manière suivante: Quand l'orifice de la rondelle d'étranglement 12 de l'ensemble de désintégration 3 est entièrement fermé par l'organe d'arrêt à pointeau 11, on commence à admettre en continu dans le réservoir-mélangeur 1 (figure 1), la suspension des cellules de micro-organismes par les conduites 6 et 9 etlapompe doseuse 8; dans le réservoir-mélangeur 1, on admet également par la conduite 7 le gaz comprimé (azote, air, gaz carbonique, etc) qui en barbotant à travers la couche de suspension, sature le liquide et les cellules des micro-organismes en gaz sous pression Le niveau de'la sus- pension dans le réservoir-mélangeur 1 préalablement imposé est ensuite maintenu constant à l'aide du capteur et du régulateur de niveau (non re- présenté sur le dessin) de manière à ce que le rapport du volume occupé par le gaz à celui de la suspension soit Ade 1/3 à 3/4 La pression de travail est de 80 à 200 atm eff ( 80 à 200 bars). Une fois que le niveau prévu pour le liquide est atteint dans le réservoir-mélangeur 1, on entrouve l'orifice de la rondelle d'étranglement 16538 12 en déplaçant verticalement l'organe d'arrêt 11 (figure 1) de l'ensem- ble de désintégration 3 Le déplacement alternatif de l'organe d'arrêt 11 peut se faire à la main ou automatiquement à l'aide d'un mécanisme d'asser- vissement Par le passage annulaire formé entre l'organe d'arrêt 11 et la rondelle d'étranglement 12, commence à arriver depuis le réservoir-mélangeur 1, par la conduite 4, la suspension de micro-organismes saturés en gaz Via ce passage, la suspension se détend à grande vitesse jusqu'à ce que soit atteinte la pression atmosphérique dans le collecteur 2 et là se produit alors la destruction des cellules de micro-organismes sous l'effet de la décompression. L'installation fonctionne en continu, de façon à assurer de façon fiable la désintégration de 75 à 80 %/a des cellules dans la gamme imposée de la vitesse de l'écoulement de la suspension et de la pression. Ainsi, l'utilisation de l'installation, suivant l'invention, assure une augmentation de l'efficacité de la désintégration de 5 à 8 % grâce à l'amélioration des conditions de l'éjection du jet de suspension des cel- lules à travers le passage d'étranglement de l'ensemble de désintégration. En même temps, l'installation est simplifiée par rapport aux installations connues ce qui permet un réglage facile de l'ensemble de désintégration, ainsi qu'un changement de l'organe d'arrêt et de la rondelle d'étrangle- ment au fur et à mesure de leur usure et également l'automatisation du pro- cessus de désintégration. 16538 REVENDI CATIONS 1. Installation de désintégration continue des cellules de micro- organismes comprenant un réservoir-mélangeur ( 1) pour saturer les cellules des micro-organismes de la suspension en gaz sous pression, équipé d'une pompe doseuse ( 8) et de conduites ( 6 et 7) pour alimenter respectivement en suspension et en gaz comprimé, et un collecteur ( 2) pour la matière dé- sintégrée communiquant avec le réservoir-mêlangeur ( 1) par l'intermédiaire de l'ensemble de désintégration ( 3) constitué par un corps creux dans le siège duquel se trouve l'organe d'arrêt à pointeau ( 11), cette installation étant caractérisée en ce que le corps creux présente la forme d'un cylin- dre ( 10) sur le fond ( 13) duquel est monté l'organe d'arrêt à pointeau ( 11), en ce que dans la paroi latérale ( 14) sont pratiquées des ouvertures ( 15) faisant communiquer une cavité ( 16) du cylindre ( 10) avec le collecteur ( 2) et en ce que dans la face ouverte est placé le coussinet ( 17) assemblé au cylindre ( 10) et pourvu, coaxialement à l'organe d'arrêt à pointeau ( 11), d'un canal central ( 18) communiquant avec le réservoir-mélangeur ( 1) et dans lequel est placé un siège consistant en une rondelle d'étranglement ( 12). 2. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'organe d'arrêt à pointeau ( 11) est monté sur le fond ( 13) du cylindre ( 10) et est susceptible d'être réglé en position. 3. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que le coussinet ( 17) est assemblé au cylindre ( 10) au moyen d'un filetage. 4. Installation suivant les revendications de 1 à 3, caractérisée en ce que le canal central ( 18) du coussinet ( 17) du côté-de l'entrée dans' la rondelle d'étranglement ( 12) de l'organe d'arrêt à pointeau ( 11) présen- te un élargissement ou un évasement. 5. Installation suivant les revendications de 1 à 4, caractérisée en ce que la rondelle d'étranglement ( 12) est fixée au coussinet ( 17) par l'intermédiaire d'une douille ( 21) et d'une bride ( 22) fixée au coussinet ( 17).