Brevet FR2515206A1 — publié le 19830429

Fermenteur. La présente invention concerne un fermenteur pour la circulation et l'aération en continu d'une culture en cours de développement. L'exploitation industrielle avec succès d'un certain nombre de procédés de fermentation développés au cours des deux dernières décennies et en particulier celle de procedés pour la production de protéine monocellulaire exige une opération grande échelle et l'utilisation de fermenteurs de capacité accrue. Lors de la fabrication de fermenteurs de dimensions convenables, il s'est révélé qu'il n'était pas possible d'augmenter simplement la taille des fermenteurs d'agencement conventionnel, étant donné que le développement de fermenteurs de grande taille a posé de nombreux problèmes inattendus. La solution à ces problèmes exige des modifica- tions importantes dans la conception ou l'agencement des fermenteurs.Afin de permettre le développement d'un procédé applicable avec succès à la production d'une proteine monocellulaire, il est d'une importance cruciale de développer un fermenteur de grande taille présentant une combinaison appropriée de caractéristiques pour permettre a la fermentation d'être contralée de façon satisfaisante. L'invention concerne un fermenteur pour la circulation et l'aération en continu d'une culture en cours de développement, dans lequel un système fermé est constitué par une colonne montante et une colonne descendante qui communiquent l'une avec l'autre et avec un compartiment situé audessus de leurs extrémités supérieures, caractérisé en ce que le système présente, en combinaison, les particularités suivantes (a) des moyens formant conduits pour introduire un liquide dans le système, munis de moyens pour stériliser ce li quide (b) des moyens formant conduits pour évacuer un liquide hors du système, agencés selon des critères de vitesse, pour produire une vitesse d'écoulement du liquide vers l'ex- térieur suffisante pour empêcher la pénétration de micro organismes dans le système le long du conduit (c) des moyens pour injecter un gaz dans la colonne montante (d) des moyens, comprenant un cyclone ou associés un cy clone, pour évacuer le gaz du compartiment (e) des moyens distributeurs prévus dans la colonne montante pour fournir un élément nutritif de limitation à la cul ture dans la colonne montante, en moyenne en au moins une position par mètre cube de volume de colonne montante occupé par la culture ; et (f) des chicanes disposées dans la colonne montante et écar tées selon des intervalles verticalement l'une au-dessus de l'autre, la partie ou les parties pleines de chaque chicane occupant de 30 % a 80 % de la section droite in térieure de la colonne montante. Le gaz injecté dans la colonne montante peut etre utilisé pour provoquer la circulation de la culture tout autour du système. Dans ce cas, le gaz est de préférence in jecté dans la partie inférieure de la colonne montante ou, selon la géométrie du système, sous l'extrémité inférieure de la colonne montante ou dans un conduit reliant les extrémités inférieures de la colonne montante et de la colonne descendante. Quand le fermenteur est utilisé pour un procédé de fermentation aérobie, le gaz injecté dans le système est un gaz contenant de l'oxygène, comme l'air.En plus du gaz injecté dans la partie inférieure de la colonne montante ou a son voisinage comme décrit ci-dessus, il est préféra- ble, dans un procédé de fermentation aérobie, d'injecter une certaine quantité de gaz dans la partie supérieure de la colonne descendante La conception et les dimensions du système fermé du fermenteur présentent de nombreuses possibilités de modifications, y compris les dispositifs décrits dans les brevets britanniques 1 353 008, 1 417 486 et-l 417 487 de la Demanderesse.L'invention est particulièrement utile pour la production à grande échelle de protéine monocellulaire, par exemple par le procédé du brevet britannique 1 370 892, et en particulier par culture de bactéries de l'espace Méthylophilus methylotrophus (précédemment dénommée Pseudomonas methylotropha) sur un milieu de culture contenant du méthanol comme source de carbone. Le fermenteur suivant l'invention présente une combinaison de six caractéristiques principales qui, ensemble font qu'il convient parfaitement bien à une utilisation pour la mise en oeuvre d'un procédé industriel pour la production de protéine monocellulaire. Ces caractéristiques (a) à (f), qui sont énumérées ci-dessus, sont décrites plus en détail ci-après (a) Moyens formant conduits pour introduire un liquide dans le système. Le fermenteur est équipé d'un ou plusieurs conduits par lesquels des solutions contenant des éléments nutritifs peuvent être fournies de façon continu à une culture contenue dans ce fermenteur, un ou de préférence plusieurs de ces conduits étant équipés de moyens pour stériliser les solutions nutritives acheminées par lesdits conduits. La stérilisation qui peut par exemple être une stérilisation par la chaleur ou par filtration, est effectuée pour empêcher les micro-organismes extérieurs indésirables d'être entraînés jusque dans le fermenteur. On utilise de préférence une stérilisation par la vapeur d'eau, un agencement approprié comprenant une valve, une source de vapeur, des moyens d'évacuation du condensat suivis par une seconde valve, placés en série dans le conduit.Les valves sont équipées de' préférence d'un système de joint pour la vapeur afin d'éviter la pénétration de micro-organismes le long de la tige ou du tiroir des valves. Les conduits sont utilisés pour fournir des éléments nutritif s inorganiques comme des sources d'azote, de magnésium, de phosphore et d'autres éléments nutritifs appropriés. Un système de distribution séparé va habituellement être utilisé pour fournir la source de carbone, qui va généralement être l'élément nutritif de limitation. (b) Moyens formant conduits pour évacuer un liquide hors du système. I1 est possible que des micro-organismes se déplacent le long d'un conduit à contre-courant par rapport au courant principal de fluide à travers ce conduit. Par suite, les conduits acheminant des liquides (en particulier la culture produite) et de préférence également des gaz pour les évacuer du fermenteur sont étudiés selon des cri tères de vitesse pour avoir la certitude que la vitesse du fluide dans une partie au moins du conduit dépasse une valeur minimum et empêche les micro-organismes de progresser vers le système fermé à contre-courant par rapport à l'écoulement du fluide dans le conduit.On peut parvenir à ce résultat de diverses manières, par exemple par un rétrécissement approprié d'une partie du conduit, par l'utilisation d'un orifice étranglé ou par l'incorporation d'un dispositif d'étranglement d'écoulement tel qu'un élément profilé disposé dans le conduit. Ceci évite la pénétration de micro-organismes indésirables dans le système fermé le long des parois intérieures des conduits de sortie, y compris les conduits de sortie du produit, les conduits de sortie du gaz et les conduits des dispositifs d'échantillonnage. (c) Moyens pour injecter un gaz dans la colonne montante. Le fermenteur est équipé de moyens, judicieusement d'un dispositif d'aspersion comportant plusieurs trous, pour injecter un gaz dans la colonne montante comme décrit précé- demment. Dans une fermentation aérobie, le gaz est judicieusement de l'air. Judicieusement, le gaz est injecté en des quantités et sous des pressions suffisantes pour provoquer la circulation de la culture par suite de la dépression différentielle qui se produit entre la colonne montante et la colonne descendante, en plus de l'aération de la culture. (d) Moyens pour évacuer le gaz du compartiment. Le gaz dégagé provenant du processus de fermentation est évacué du compartiment par un conduit. En vue du contrôle de la mousse et de l'élimination des gouttelettes, un ou plusieurs cyclones sont disposés dans le compartiment et/ou dans le conduit par lequel le gaz dégagé est évacué. (e) Moyens de distribution pour fournir un élément nutritif de limitation. L'élément nutritif de limitation est habituellement la source de carbone et est fourni à une culture en quantités telles qu'il ait un effet de limitation sur le développement de la culture par rapport aux autres constituants du milieu de culture. Le fermenteur suivant l'inven tion comporte un système de distribution placé dans son volume de fluide de travail, en particulier dans la colonne montante, mais aussi ailleurs, ce qui permet à l'élément nutritif de limitation d'être fourni à la culture en moyenne en au moins une position par mètre cube de volume occupé par la culture.De préférence, l'élément nutriti de limitation est fourni en un nombre plus grand de position par mètre cube, en particulier de 10 à 10.000 positions'. Le but du système de distribution est de réaliser une bonne distribution de l'élément nutritif de limitation dans toute la culture présent dans le fermenteur et d'avoir la certitude que des concentrations excessives localisées d'élément nutritif de limitation ne vont pas apparaître, en provoquant l'intervention d'un autre élément nutrifif, par exemple de l'oxy- gène, comme élément nutrifif de limitation. Dans la production de protéine monocellulaire, le système de distribution permet d'obtenir un rendement accru en produit. (f) Plusieurs chicanes disposées dans la colonne montante. Pour favoriser un mélange satisfaisant du gaz et du liquide, des chicanes sont disposées dans la colonne montante et sont écartées verticalement l'une au-dessus de l'autre à intervalles. La partie ou les parties pleines de chaque chicane occupent de 30 % à 80 % de la section droite intérieure de la colonne montante, de préférence de 50 % à 60 z de cette section droite. De préférence, les chicanes sont disposées à l'intérieur de la colonne montante à intervalles réguliers sur sa hauteur. Judicieusement, les chicanes sont disposées dans la colonne montante à des intervalles allant de D/4 à D, o D est le diamètre de la colonne montante.Ainsi, par exemple dans une colonne montante ayant un diamètre de 4 mètres et une hauteur de 50 mètres, les chicanes sont judicieusement disposées à des intervalles de 1,2 mètre en direction du haut. Les chicanes peuvent être formées d'une grande diversité de manières. Ce peuvent être des plaques comportant un ou plusieurs orifices des élements rectilignes ou un certain nombre d'éléments rectilignes formant des grilles qui peuvent ou non comporter des éléments rectilignes intersectionnant les premiers. Quand des grilles sont formées par des éléments rectilignes, il est préférable, pour des raisons de rigidité et de facilité de montage, que ce soient des profilés, par exemple des profilés à section en T ou en I.Une chicane peut être formée par un certain nombre de groupes de profilés en T ou en I, avec d'étroites fentes entre les profilés individuels de chaque groupe. Les profilés eux-mêmes peuvent présenter des trous dans leurs parties horizontales. Les chicanes peuvent être fixées sur la paroi de la colonne montante par des moyens classiques, par exemple par boulonnage ou soudage. Outre les caractéristiques (a) et (f) décrites cidessus, il est préférable que le fermenteur soit équipé d'autres dispositifs appropriés pour faciliter le contrôle de la fermentation. De tels autres dispositifs appropriés comprennent des dispositifs manométriques, des dispositifs pour mesurer la concentration en oxygène et des instruments pour mesurer et contrôler le pH. Ces autres dispositifs et instruments peuvent être disposés dans la colonne montante et/ou dans la colonne descendante ou bien, dans le cas d'instruments pour contrôler et mesurer le pH, dans des conduits aboutissant au système fermé du fermenteur ou partant de celui-ci L'invention est illustrée par les dessins annexés, donnés à titre non limitatif et dans lesquels La Fig. I est une vue en élévation de profil d'un fermenteur suivant llinvention. La Fig. 2 est une vue en coupe transversale par la ligne A-A en Fig. I. La Fig. 3 est un schéma montrant les détails des conduits servant a introduire les éléments nutritifs dans le système, équipés de moyens de stérilisation par la vapeur. La Fig. 4 est un schéma montrant les détails des conduits servant à introduire les éléments nutritifs dans le système, équipés de moyens de stérilisation par filtration. La Fig. 5 montre un détail d'un système de distribution d'un élément nutritif de limitation. Le fermenteur représenté sur les dessins comprend une enveloppe extérieure comportant deux parties cylindriques de sections droites différentes surmontées par un dôme ou une coupole. La surface en section droite de la partie supérieure dépasse celle de la partie inférieure. La partie inférieure est divisée par deux cloisons parallèles à son axe en une colonne montante 2 et une colonne descendante 1, la colonne descendante étant effectivement divisée en deux zones. La partie supérieure et le dôme définissent un compartiment 3 dans lequel le gaz produit pendant la fermentation est sépare d'une culture contenue dans le fermenteur.De l'air est injecté dans la partie inférieure de la colonne montante 2 par un dispositif d'aspersion 4 et le gaz est séparé de la culture contenue dans le fermenteur dans les parties supérieures de la colonne montante 2 et de la colonne descendante 1, en franchissant la surface du liquide B B pour parvenir dans la partie remplie de gaz du compartiment 3, à partir de laquelle il quitte le fermenteur par le conduit 5 de sortie du gaz. La formation de mousse dans le compartiment 3 est contrôlée par le cyclone 6 muni de fentes 28 d'entrée du gaz. La plus grande partie des éléments nutritifs inorganiques est fournie au fermenteur par les conduits 7 d'arrivée des éléments nutritifs, qui sont munis de moyens de stérilisation par la vapeur. Un conduit type 7 est représenté en détail sur la Fig. 3 des dessins. Les moyens de stérilisation par la vapeur comprennent un dispositif de stérilisation 8 (qui peut être chauffe par la vapeur ou par l'eau chaude), un récipient de retenue 9, des valves principales 10 et 11, une admission de vapeur 12 et une sortie de condensat 13, conjointement à une valve de stérilisation du système pour la vapeur 14 et une valve de stérilisation du système pour le condensat 15. Les éléments nutritifs sont fournis au conduit 7 d'arrivée des éléments nutritifs à son extrémité 16 et pénètrent dans le fermenteur à l'extrémité 17 du conduit. Des combinaisons d'éléments nutritifs dont les propriétés chimiques et physiques sont compatibles peuvent etre admises dans le fermenteur par le même conduit stérilisé 7. La stérilisation par la vapeur des conduits d'arrivée des éléments nutritifs comme le conduit 7 est effectuée par la sëquence d'operations ci après Tout d'abord, la partie du conduit 7 voisine du fermenteur est stérilisée par la vapeur . A cet effet, les valves 10 et 11 sont fermées, tandis que les valves qui se trouvent à l'entrée de vapeur 12 et à la sortie du condensat 13 sont ouvertes, en donnant ainsi la certitude que la portion de conduit 7 qui se trouve entre les valves 10 et 11 est stérilisée.Les valves 14 et 15 de stérilisation du système sont ouvertes pour stériliser le système de conduits et le récipient de retenue 9 qui se trouvent entre elles. Une solution nutritive est ensuite amenée à l'extrémité 16 du conduit 7 jusque dans le dispositif de stérilisation 8 et les valves 14 et 15 de stérilisation du système sont fermées. Après un intervalle de temps pendant lequel une pression convenable s'établit dans, le système, les valves prévues à l'entrée de vapeur 12 et à la sortie du condensat 13 sont fermées et les valves principales 10 et 11 sont ouvertes, en admettant ainsi la solution nutritive stérilisée au fermenteur par l'extrémité 17. De préférence, les valves de ce système sont équipées de dispositifs formant joints de vapeur pour empêcher la pénétration de micro-organismes indésirables le long des tiges ou tiroirs des valves. D'autres conduits 18 d'arrivée des éléments nutritifs sont' utilisés pour fournir au fermenteur des éléments nutritifs comme du méthanol, de l'ammoniac et de l'oxygène, et ils peuvent être stérilisés par filtration. Un conduit type 18 est représenté en détail sur la Fig. 4 des dessins Les éléments nutritifs parviennent par le conduit 18 au fermenteur depuis l'extrémité 19 jusqu'à l'extrémité 20, à travers des pré-filtres 21 et des filtres stériles 22. Les pré-filtres 21 filtrent de façon typique des particules ayant des dimensions allant en diminuant jusqu'd 1 - 2 P et ils sont prévus dans le système pour augmenter la durée de service des filtres stériles 22. Les filtres stériles 22 sont munis de moyens de stérilisation par la vapeur (non repré sentés sur la Fig. 4j. Le produit quitte le fermenteur par le conduit 23 de sortie du produit, qui comporte un dispositif d'étranglement de débit en 24, afin de fournir une vitesse d'écoulement du liquide vers l'extérieur dans cette position suffi samment élevée pour empêcher la pénétration dans le système de micro-organismes au-delà de 24. Dans le conduit 23, dans une direction allant en s'écartant du fermenteur, il est prévu en outre des moyens de stérilisation du conduit (non repré sentés sur la Fig. 1). Le degré d'étranglement en 24 produit par le dispositif d'étranglement dépend des, critères de vitesse pour le système considéré, ces critères de vitesse dépendant du fait que le débit est assuré en une phase, deux phases ou trois phases. La colonne montante 2 renferme une série de chicanes 25 constituees par des profilés perforés disposés par groupes. Les chicanes 25 sont écartées a intervalles verticalement l'une au-dessus de l'autre comme montré. La colonne montante 2 renferme également un système de distribution pour fournir un élément nutritif de limitation à la culture dans la totalité de la colonne montante. L'élément nutritif de limitation est fourni par un grand nombre de grilles formant conduits 26, dont chacune comporte de nombreux orifices 27. Une grille formant conduit type 26 est représentée sur la vue de détail constituant la Fig. 5. L'élément nutritif de limitation est fourni aux conduits 26 par des collecteurs (non représentés sur le dessin) et l'ensemble du système de distribution est étudié de manière à se loger dans la série de chicanes 25. Le fermenteur représenté sur les dessins convient très bien pour la production industrielle de protéine monocellulaire, en particulier par un procédé tel que celui décrit dans le brevet britannique 1 370 892, selon lequel des bactéries de l'espèce Méthylophilus methylotrophus sont cul tivées dans un milieu contenant du méthanol comme source de carbone de limitation, qui est fourni à la culture par les conduits 16 du système de distribution. La culture est prd- levée en continu au fermenteur par le conduit de sortie 13, et les cellules bactériennes sont separées en continu de la culture prélevée et séchées pour former un produit constitué par une protéine monocellulaire qui est un constituant utile dans l'alimentation des animaux.Lors d'une utilisation dans un tel procédé pour la production de protéine monocellulaire, le fermenteur suivant l'invention présente les avantages suivants : 1.- Des taux élevés de transfert d'oxygène à la culture peu vent être obtenus et par suite, compte tenu de la fine distribution conjuguée de méthanol, qui est l'élément nutritif de limitation, une production élevée en micro organismes et une utilisation intense du substrat peuvent être obtenues. 2.- L'absence d'organes en mouvement dans le fermenteur a pour conséquence des besoins en énergie plus faibles par unité de masse de production que dans les fermenteurs classiques, et il en résulte également un maintien plus facile de conditions stériles. 3.- Le système de fermentation peut facilement recevoir des dimensions plus importantes. 4.- Le fermenteur permet d'obtenir un produit dont la qualité présente une grande uniformité. Des modifications peuvent être apportées au mode de réalisation décrit, dans le domaine des équivalences techniques, sans s'écarter de l'invention. REVENDICATIONS 1.- Fermenteur pour la circulation et l'aération en continu d'une culture en cours de développement, dans lequel un système fermé est formé par une colonne montante et une colonne descendante qui communiquent l'une avec l'autre et avec un compartiment situé au-dessus de leurs extrémités supérieures, caractérise en ce que le système présente, en combinaison, les particularités suivantes (a) des moyens (16, 17) formant conduits pour introduire un liquide dans le système, munis de moyens (14) pour stériliser ce liquide (b) des moyens formant conduits 193, 24) pour évacuer un liquide hors du système, agencé en fonction de critères de vitesse pour produire une vitesse d'écoulement du liquide vers l'extérieur suffisante pour empêcher la pénétration de micro-organismes dans le système le long du conduit (c) des moyens pour injecter un gaz dans la colonne montante (2) (d) des moyens (5), comportant un cyclone (6) ou associés à un cyclone, pour évacuer le gaz du compartiment e) des moyens de distribution (20) prévus dans la colonne montante (2) pour fournir un élément nutritif de limitation à la culture dans la colonne montante, en moyenne en au moins une position par mètre cube de volume de colonne montante occupé par la culture ; et (f) des chicanes (25) disposées à l'intérieur de la colonne montante (2) et écartées à intervalles verticalement l'une au-dessus de l'autre, la partie ou les parties pleines de chaque chicane occupant de 30 % à 80 t de la section droite intérieure de la colonne montante. 2.- Fermenteur suivant la revendication 1, carac térisé en ce que les moyens de distribution (26) prévus dans la colonne montante (2) fournissent l'élément nutritif de limitation à la culture en moyenne en au moins 10 positions par mètre cube de volume de la colonne montante occupé par la culture. 3.- Fermenteur suivant la revendication 1 ou 9 F caractérisé en ce que la partie ou les parties pleines de chaque chicane (25) dans la colonne montante (2) occupant de 50 % à 60 % de la section droite intérieure de cette colonne montante. 4.- Fermenteur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérise en ce que les chicanes (25) prévues dans la colonne montante (2) sont formées par des profilés forés.