Brevet FR2569719A1 — publié le 19860307

PROCEDE ET INS2ALLAvICN DE CULTURE DE tECROORGANISlNES La présente invention concerne la culture de microorganismes. Les fermentations industrielles aérobies conduites dans des fermenteurs sont généralement oxygénées par de l'air, issu de compresseurs, avec des débits variant de 0,5 à 1 volume d'air par volume de milieu de culture et par minute. Dans la grande majorité des cas, cet air, injecté en fond de cuve à l'aide d'une couronne de diffusion percée de trous est dispersé en fines bulles par un mobile d'agitation. Les rendements de transfert de l'oxygène dans les reacteurs biologiques sont assez faibles. Ils sont genéralement compris dans une fourchette de 3 à 40 % et, pour la majorité des cas, avoisinent 10 %. Certains cas particuliers présentent des rendements supérieurs poussant aller jusqu'à 70 %. Lorsque les cinétiques de croissance microbienne ou de production de métabolites sont limitées par une faible teneur en oxygène dissous, un dopage de l'air avec de oxygène pur peut être effectué en régulant la teneur en oxygène dissous au-dessus de la concentration critique pendant une partie de la fermentation. Lorsque la phase critique est longue, et lorsque la demande en oxygène des microorganismes est élevée, la quantité d'oxygène pur nécessaire est très importante compte tenu du faible rendement de transfert, ce qui rend le procédé peu économique. C'est pourquoi, plusieurs solutions parmi lesquelles le recyclage des gaz effluents ont déjà été proposés. Ces procédés de recyclage mettent principalement l'accent sur la nécessité d'épurer le gaz effluent du oe2 produit au cours de la réaction métabolique, et dont l'accumulation progressive devient rapidement toxique pour la culture microbienne. Ces procédés d'épuration fonctionnent généralement sur le principe de fractionnement par liquéfaction, absorption ou adsorption du mélange gazeux.Ils ne sont toutefois pas coMpatibles avec une recirculation permanente de la totalité du débit de gaz effluent durant toute la phase de régulation de la teneur en oxygène dissous car nécessitant impérativement une interruption temporaire de fonctionnement, afin de permettre la régénération obligatoire de l'adsorbant. Une telle interruption ne permet donc qu'une recirculation partielle des gaz effluents. En fait, ces procédés répondent d'abord au probleme d'inhibition et de toxicité causés par la présence du dioxide de carbone dans un milieu de fermentation, mais ne constituent pas une solution d'utilisation optimale et continue de l'oxygène ayant servi à l'enrichissement des gaz d'aération des fermenteurs. On constate que la phase de régulation de l'oxygène dissous et de dopage à l'oxygène des gaz d'aération des fermenteurs peut excéder plusieurs heures. Le but de l'invention est de prévoir - une recirculation totale du volume du gaz d' aération - des modalités optimales d'oxygénation combinant au cours de la fermentation l'oxygénation simple par de 1' air, et 1' oxygénation avec apport d'oxygène industriellement pur - une épuration permanente et continue des gaz de fermentation jusqu'à des teneurs très basses en C02 (O à 1 %) - une regénération continue du système d'épuration des gaz par élimination du C02 retenu, et ce pour des durées pouvant excéder plusieurs heures. Selon une proposition de l'invention, on combine les mesures suivantes a) une phase initiale de la culture est assurée exclusivement par oxygènation avec de l'air atmospherique, tandis qu'une phase subséquente à celle-ci est assurée exclusivement par circulation en recyclage d'une charge gazeuse constituée initiallement essentiellement par de l'air, auquel on adjoint, de faon régulée, de l'oxygène industriellement pur destiné à compenser substantiellement celui consomm. b ) l'épuration en dioxide de carbone de la charge gazeuse recyclée s'effectue par passage continu sur un adsorbant constitué par du charbon actif. c ) la pression d'épuration dans un adsorbeur et la pression de regénération dans un autre adsorbeur sont sensiblement voisines de la pression atmospherique. d ) la commutation de la phase initiale à oxygénation exclusive par de l'air à la phase subséquente à oxygénation par adjonction exclusive d'oxygène industriellement pur s'effectue lorsque la teneur en oxygène dissous avoisine la valeur critique spécifique aux microorganiemes cultivés. Avantageusement, la durée des phases d'épuration, ou de regénération, des adsorbeurs est de l'ordre de la minute. L'invention concerne également une installation de culture de microorganismes aerobies dans un substrat nutritif, du genre comprenant un fermenteur à oeuvercle étanche équipé d' une rampe inférieure de diffusion d'un gaz d'oxygènation et d'une sonde de mesure de la teneur en oxygène dissous, d'une conduite d'alimentation en gaz d'oxygénation aboutissant à ladite rampe et d'une conduite d'évacuation des effluents hors du fermenteur aboutissant à une boucle de recyclage incorporant un adsorbeur et un coMpresseur, caractérisé par les mesures suivantes a ) la conduite d'évacuation des effluents comporte, en amont de la boucle de recyclage, une dérivation à vanne vers l'atrosphère b ) l'installation comporte un jeu de deux adsorbeurs dont les entrées et les sorties sont reliées par des vannes au circuit de recyclage d'une part, et d'autre part par d'autres vannes à l'atmosphire et à un circulateur ; c ) l'adsorbant est un charbon actif d ) la sonde de mesure de teneur en oxygène dissous agit sur un circuit de cl'nutation incorporant d'une part des vannes de comrmnication à un ccmpresseur d'air du côté de la conduite d'alimentation et à une vanne de mise à l'air en aval du fermenteur, et d'autre part au moins une vanne de raccordement à une source d'oxygène industriellement pur et une vanne de recyclage, ainsi que sur un mécanisme de commande de la mise en route ou de l'arrêt d'un coflpresseur de recyclage et d'un moyen de commutation périodique de deux adsorbeurs en vue d' assurer successivement une phase d'épuration pour l'un et une phase de regénération vers l'air pour l'autre et vice-versa. Les caractéristiques et avantages de I'invention ressortiront d'ailleurs de la description qui suit à titre d'exemple en référence à la figure unique qui représente schématiquement une installation conforme à l'invention. Un fermenteur 1 constitué d'une chambre fermee par un couvercle 2 est équipe en partie basse d'une rampe 3 d'injection d'un gaz d'oxygénation en provenance d'une conduite 4 provenant à une capacitétampon 5. le fermenteur 1 présente en partie haute une conduite d'évacuation 6 aboutissant d'une part à une vanne de mise à l'atmosphère 7 d'autre part à une vanne de recyclage 8 d'un circuit de recyclage 9 incorporant un échangeurondenseur d'eau 10, une batterie de deux adsorbeurs 11, 12, avant d'aboutir à l'entrée d'un compresseur spécial oxygène 15 dont la sortie est raccordée par une conduite 16 à la capacité tampon 5. En outre, la capacité-tampon 5 est raccordée par une conduite 20 à vanne 46 à un compresseur d'air 22 d'une part, par une conduite 24 à vanne 25 en parallèle sur une conduite 26 à vanne 27 et via une vanne d'arrêt 28 à une source d'oxygène industriellement pur 29. le fermenteur 1 est équipé d'une sonde de mesure d'oxygène dissous 30 qui commande, par l'intermédiaire d'un régulateur 31 et d'un comparateur 40 l'ouverture ou la fermeture des vannes 46 et 27 et cela de la façon suivante : lorsque la teneur en oxygène dissous est élevée, le régulateur 31 commande la fermeture de la vanne 27 et le ccmparateur 40, par l'intermediaire du transmetteur 42, 1 'ouverture de la vanne 46. Lorsque la teneur en oxygène dissous descend à une valeur voisine du seuil critique, le régulateur 31 provoque l'ouverture de la vanne 27 et le ccsnparateur 40, via le transmetteur 42, la fermeture de la vanne 46. La sonde 30 agit également par 1' intermediaire du régulateur 40 sur un organe de commande 41 du fonctionnement du compresseur 15 d'une part, et d'autre part, via un second organe de commande 42 d'une part sur les vannes 7, 8 (pour ouvrir la vanne 7 et fermer la vanne 8 lorsque la teneur en oxygène dissous est déviée, pour fermer la vanne 7 et ouvrir la vanne 8 lorsque la teneur en oxygène dissous descend au voisinage de son seuil critique) sur un circulateur de régénération 43 pour les adsorbeurs 11 et 12. L'organe de commande 42 asservi à la sonde 30 commande également via 50, un organe temporisé 51 camnandant d'une part des vannes de production 52, 53 à la sortie des adsorbeurs 11 et 12, d'autre part des vannes d'alimentation 54, 55 à l'entrée des adsorbeurs 11 et 12. Ce mSme organe temporisé commande également des vannes 56 et 57 entre les sorties de production des absorbeurs 11 et 12 et une conduite de mise à l'air 58 d'une part, d'autre part les vannes 59 et 60 reliant les entrées des adsorbeurs 11 et 12 au circulateur d'aspiration 43 vers l'atmosphère. le fonctionnement de l'installation qui vient d'être décrit est le suivant : on place dans le fermenteur 1 un substrat nutritif 70 que l'on ensemence avec le microorganisme de culture. La phase initiale de culture, pendant laquelle la teneur en oxygène dissous assurée par la sonde 30 est relativement élevée, est assurée par une circulation d'air provenant du compresseur 22 et introduit dans la capacité 5 (vannes 21 et 46 ouvertes) et vers la conduite 4. L'effluent sousxygéné et chargé en dioxide de carbone et vapeur d'eau évacué par la conduite 6 est mis à l'atmosphere par la vanne 7 en position d'ouverture, tandis que les vannes de recyclage 8 et d'alimentation en oxygène pur 27 et 28 restent fermees. Cette phase initiale de culture de microorganismes se poursuit avec développement exponentiel de ceux-ci. après un laps de temps, la teneur en oxygène dissous descend au voisinage immédiat d'un seuil critique et, à ce moment, la sonde 30 provoque la succession des opérations suivantes : la vanne 46 se ferme, tandis que les vannes 27 et 28 s'ouvrent ; la vanne 7 se ferme, tandis que la vanne 8 s'ouvre ; le mécanisme 41 met en route le compresseur 15, tandis que le nicanis"e 42 ferme la vanne 46 et provoque la mise en service de l'organe temporisé 51. A la suite de cette ccmmutation, le gaz, qui est injecté dans le diffuseur 3 est constitué d'une charge gazeuse formee initialement d'air, occupant les circuits et le ciel du fermenteur, c'est-à-dire ayant une importante proportion d'azote qui est donc recyclée en circuit ferme via les conduites 6, 9, 16, 5 et 4. La sonde 30 provoque l'admission d'oxygène dans la capacitetampon 5 en provenance de la source 29, de façon à maintenir la valeur de l'oxygène dissous légèrement au-dessus du seuil critique, tandis que le gaz effluent issu est amené d'abord par la conduite 9 vers le condenseur d'air 10, où l'eau résultant de la fermentation est condensée, après quoi ce seme gaz effluent est amené dans l'un ou l'autre des deux adsorbeurs 11 (ou 12) en fonctionnement d'épuration, tandis que l'autre adsorbeur 12, (11) respectivement est en phase de regénération ; la charge gazeuse ainsi traitée est débarassée de son dioxyde de carbone, qui est piégé par le charbon actif de l'adsorbeur 11/12 et le gaz ainsi épuré est transféré de nouveau à l'entrée du compresseur 15 et de là vers la capacité-tampon 5.De façon périodique et avec une période de l'ordre de la minute, l'organe temporisé 51 provoque la commutation de toutes les vannes (52,53) (54,55) (56,57) (59,60), ce qui fait permuter les phases d'épuration et de regénération des adsorbeurs 11 et 12. Ainsi, comme on le constate, la phase de regénération d'un adsorbeur 11 ou 12 du début est assurée par simple passage à contre-courant d'air prélevé en 58 et aspiré par le circulateur 43 et rejeté à l'air. On note que lors d'une phase de permutation, l'adsorbeur 11/12 qui commence sa phase d'épuration du gaz effluent n'est pas isolé immédiatement de l'air extérieur par la fermeture immédiate de la vanne 56 (ou 57), sais que cette vanne 56 (ou 57) voit sa fermeture différée quelque peu, de façon à assurer, pendant ce laps de temps, la mise à l'atmosphère de l'air contenant une forte proportion d'azote dans l'adsorbeur 11 (ou 12) en fin de regénération, évitant ainsi un accroissement inadmissible de la charge d'azote circulant en cours de recyclage. A titre d'exemple de réalisation, une unité d'épuration et de recirculation des gaz de fermentation et installée sur un fermenteur servant à la production d'un antibiotique aéré par un gaz circulant avec un débit de 3000 Ntn3/h qui, en phase d'enrichissement en oxygène, a la composition suivante : 50 % 02, 50 % N2.Ce gaz traverse le fermenteur où une partie de l'oxygène est consommée par le msstabolisme des microorganismes et ressort de ce seme fermenteur en ayant les compositions suivantes: 45 % 02, 50 % N2, 5 % C02. La recirculation de ce gaz implique au préalable une étape de déshydratation et une étape d'élimination du oe2 dont la teneur dans le gaz effluent dépasse le seuil de toxicité du microorganisme cultivé.Le gaz effluent ayant un débit de 3000 Nm3/h est dirigé vers la batterie d'adsorbeurs et passe sur une colonne remplie avec 2,5 à 3 m3 de charbon actif dont les caractéristiques sont voisines du "CECI AC 40". le gaz est alors épuré et sa teneur en C02 en sortie d'adsorbeur est abaissée à 1 % maximum. Par passage au travers d'un compresseur, le gaz épuré est recomprimé à 4 - 5 bars et réenrichi éventuellement en oxygène pur avant réinjection à la base du fermenteur. le rendement en oxygène recyclé de cet épurateur est proche de 90 %. Comme autre exemple de réalisation, on signale une unité d'épuration et de recirculation des gaz de fermentation installée sur un fermenteur servant à la production de levures. Ce fermenteur est oxygéné par un gaz ayant un débit de 3000 Nm3/h qui, en phase d'enrichissement en oxygène a la composition suivante : 50 % 02, 50 % N2. A la sortie du fermenteur, ce n'ème gaz a la composition suivante : 30 % 02, 20 % C02, 50 % N2. Ce gaz effluent ayant un débit de 3000 Nm3/h est dirigé vers la batterie d'adsorbeurs et passe sur une colonne remplie avec 5 m3 de charbon actif dont les caractéristiques sont voisines du "CECA AC 40". Le gaz est alors épuré et sa teneur en CG2 en sortie d'adsorbeur est abaissé à 3%. le rendement en oxygène recyclé de cet épurateur est proche de 90 %. A titre de troisième exemple de réalisation, une unité d'épuration et de recirculation des gaz de fermentation est installée sur un fermenteur servant à la production d'un acide aminé. Ce fermenteur est oxygéné par un gaz ayant un débit de 2000 ter3/h qui, en phase d'enrichissement en oxygène a la composition suivante : 40 % 02, 60 % N2; à la sortie du fermenteur, ce seme gaz a la composition suivante : 30 % 02, 10 % C02, 60 % N2. Ce gaz effluent ayant un débit de 3000 Nm3/h est dirigé vers la batterie dadssrbeurs et passe sur une colonne remplie avec 2,5 à 3 m3 de charbon actif. Le gaz est alors épuré et sa teneur en 002 en sortie d'adsorbeur est abaissée à 1 %. Le rendement en oxygène recyclé de cet épurateur est proche de 90 %. ReVINDIeD=rIONS I. Procédé de culture de miroorganismes aérobies dans un substrat nutritif soumis à une oxygénation maintenant la teneur en oxygène dissous dans ledit substrat au-dessus d'un seuil critique, selon lequel on utilise de l'air enrichi en oxygène que l'on recycle et que 1 'on épure en dioxyde de carbone et autres gaz indésirables et condensables, tel que vapeur d'eau, par passage au travers d'un produit adsorbant d'une batterie de deux adsorbeurs, le second adsorbeur étant, pendant ce temps, en phase de regénération, caractérisé par la combinaison des mesures suivantes a ) une phase initiale de la culture est assurée exclusivement par oxygènation avec de l'air atmosphèrique, tandis qu'une phase subséquente à celle-ci est assuree exclusivement par circulation en recyclage d'une charge gazeuse constituée initiallement essentiellement par de l'air, auquel on adjoint, de façon régulée, de l'oxygène industriellement pur destiné à compenser substantiellement celui consommé. b ) 1' épuration en dioxide de carbone de la charge gazeuse recyclée s'effectue par passage sur un adsorbant constitué par du charbon actif. c ) la pression d'épuration dans un adsorbeur et la pression de regenération dans un autre adsorbeur sont sensiblement voisines de la pression atmosphèrique. d ) la commutation de la phase initiale à oxygénation exclusive par de l'air à la phase subsente à oxygénation par adjonction exclusive d'oxygène industriellement pur s'effectue lorsque la teneur en oxygène dissous avoisine la valeur critique spécifique aux microorganismes cultivés. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la durée des phases d'épuration, ou de regénération, des adsorbeurs est de l'ordre de la minute. 3. Procédé de culture selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la commutation de la charge gazeuse de recyclage d'un adsorbeur en fin d'épuration vers un adsorbeur en fin de regénération s'effectue, pendant un bref laps de temps, en maintenant à l'atmosphère la sortie dudit adsorbeur en début d'épuration, de façon à éliminer la charge d'air qu'il contient. 4. Installation de culture de microerganisses aerobies dans un substrat nutritif, du genre comprenant un fermenteur à couvercle étanche équipé d'une rampe inférieure de diffusion d'un gaz d'oxygènation et d'une sonde de mesure de la teneur en oxygène dissous, d'une conduite d'alimentation en gaz d'oxygénation aboutissant à ladite rampe et dlune conduite d'évacuation des effluents hors du fermenteur aboutissant à une boucle de recyclage incorporant un adsorbeur et un compresseur, caractérisé par les mesures suivantes a ) la conduite d'evacuation des effluents composte, en amont de la boucle de recyclage, une dérivation à vanne vers l'atmosphRre b ) l'installation comporte un jeu de deux adsorbeurs dont les entrées et les sorties sont reliées par des vannes au circuit de recyclage d'une part, et d'autre part par d'autres vannes à l'atmosphère et à un circulateur ; c ) l'adsorbant est un charbon actif d )la sonde de mesure de teneur en oxygène dissous agit sur un circuit de ccmmutation incorporant d'une part des vannes de communication à un compresseur d'air du côté de la conduite d'alimentation et à une vanne de mise à l'air en aval du fermenteur, et d'autre part au moins une vanne de raccordement à une source d'oxygène industriellement pur et une vanne de recyclage, ainsi que sur un mécanisme de commande de la mise en route ou de l'arrêt d'un compresseur de recyclage et d'un moyen de commutation périodique de deux adsorbeurs en vue d > assurer successivement une phase d'épuration pour l'un et une phase de regénération pour l'autre et vice-versa. 5. Installation de culture de microorganismes, selon la revendication 4, caractérisée en ce que le mécanisme de cc"''utation périodique agit également sur des vannes d'un circuit de régénération débouchant à l'atmosphère et comprenant un circulateur d'air.