Brevet FR2573090A1 — publié le 19860516

La présente invention concerne la fabrication continue du vinaigre, résultant de la transformation de l'éthanol en acide acétique par voie microbiologique. La rméthode couramment utilisée consiste en une fermentation en culture immergée, avec forte aération par l'air. L'éthanol, d'origine microbiologique ou chimique, est transformé par fermentation acétique en présence d'agents biologiques microorganismes du genre Acetobacter, selon la réaction: C2H5OH +)2 CH3COOH + H20, en vinaigres de vin, alcool, de cidre, de malt, de lait, etc... Vers 1950, HROMATKA a constaté qu'au cours de la préparation du vinaigre en culture immergée, la consormmation en oxygène pouvait atteindre 7,75 litres par gramme de poids sec de bactérie et par heure. Selon le brevet US 2.707.683, l'apport d'oxygène nécessaire à la bactérie est réalisé par insufflation d'air pendant la fermentation. En général, la fermentation acétique est conduite surtout en semi-continu et parfois en continu. L'utilisation d'air enrichi en oxygène a été décrite dans le brevet français 2.331.616. Industriellement, dans l'état actuel de la technique, seules les fermentations dont le métabolite recherché est dit primaire, peuvent s'effectuer de façon continue. Un tel procédé présente l'avantage d'un gain de productivité notamment par l'absence de pertes de temps au niveau du remplissage, du soutirage, du nettoyage de cuveries ainsi que des phases de latence et de multiplication exponentielle des microorganismes. Dans le cas de la production d'acide acétique, la productivité atteinte est de l'ordre de 1,4 g/l.h. Cependant, ce procédé a des limites constituées par une aération insuffisante conséquente à un manque d'oxygène disponible à l'état dissous dans le réacteur, et par l'inhibition de la croissance du microorganisme due au substrat, à base d'alcool à partir de 30 g/l, et à l'acide acétique fabriqué (produit partiellement inhibiteur de la croissance quelle que soit sa concentration, et totalement au-delà de g/l. Par ailleurs, les techniques de production discontinues d'acide acétique ont des productivités selon les procédés égales à 1 à 1,5 g/l.h pour les cultures imoergées, et 0,25 g/l.h pour les cultures à ruissellement sur copeaux. L'enrichissement en oxygène de ces deux principaux procédés ne permet au mieux que de doubler les productivités respectives. Les argumentations des performances se traduisent par un raccourcissement de la durée des cycles. Enfin, les techniques classiques de production continue de vinaigre avec enrichissement en oxygène permettent d'obtenir 2 g d'acide par litre et par heure. En outre, seule une élévation de la pression partielle en oxygène dans le gaz d'aération pourrait lever la limitation due à l'oxygène, car une élévation du débit gazeux entraînerait une évaporation du substrat et du produit fabriqué. On ne peut envisager un garnissage remplissant le réacteur car il s'opposerait au transfert de l'oxygène. De plus, l'utilisation de souches naturellement floculantes n'apporte pas de stabilité lors de la mise en régime hydrodynamique. On a recherché un procédé de fermentation aérobie à haute densité cellulaire conduisant à la fabrication d'acide acétique avec un très haut rendement d'utilisation de l'oxygène, et sans risque d'inhibition de la production du metabolite primaire par l'anhydride carbonique dégagé lors de la fermentation. Les moyens mis en oeuvre dans le procédé perfectionné font appel à l'augmentation du nombre des microorganismes dans le milieu de fermentation, à l'enrichissement de l'air en oxygène pur, au recyclage des gaz d'aération, pour éviter les pertes de substrat volatil et d'oxygène et à-l'apport optimisé du substrat en continu. Selon le procédé, dans une première phase,la transformation microbiologique de l'éthanol en acide acétique est conduite en présence d'air, puis après consommnation de l'oxygène de l'air dans la seconde phase, l'apport en oxygène, régulé par la demande du système, est assuré par injection d'oxygène pur, le gaz d'aération étant alors recyclé, et le mélange gazeux en recirculation chassé dès que la teneur en anhydride carbonique atteint un seuil de 7% après fermeture du circuit de recyclage, l'atmosphère suroxygénée est reconstituée par de l'oxygène pur jusqu'au dégazage suivant. 257309 0 Le recyclage du gaz d'aération peut être partiel ou total. Avec un recyclage total du gaz d'aération, le rendement d'utilisation de l'oxygène est de 99,5%. L'apport d'oxygène est commiandé par la détection de la dépression du système ou par la mesure de l'oxygène dissous, le point de consigne étant fixé à la valeur de la saturation par rapport à l'air. Malgré la faible production d'anhydride carbonique dégagé au cours de la fermentation, lPouverture du système s'effectue dès que la teneur en anhydride carbonique atteint le seuil de 7% pour éviter tout effet toxique de celui-ci; ce taux est contrôlé automatiquement sur l'effluent après fermoeture du circuit de recyclage, l atmosphère suroxygénée est reconstituée jusqu'à la purge suivante. Cette atmosphère suroxygénée peut contenir jusqu'à 50% doxygène.o Il est avantageux de procéder à une succession d'au moins deux stades de fermentation conduires dans au toins deux étages distincts de fermentation avec au moins une alimen-tation cortpléenktaire en substrat. La conduite du prcécdé en continu dans plusieurs étages successifs de fermentation permet l'enrichissemernt progressif du milieu de fermentation en acide acétique jusqu'à au moins 100 à 120 granmmes par litre dans le cas de trois ou quatre étages de fermentation. quand on veut atteindre des productions éle-ées, voire supérieures à 120 g/l d'acide acétique, il est avanageux de procéder à des alimentations complémentaires entre les divers otages de fermentation. Le taux de dilution du substrat a une influence sur la vitesse maximnale de production en acide acétiques Ce taux peut être avantageuse- ment campris entre 0,014 et 0,06 h1 piour un système monoétagé, pour un système biétagé ce taux peut évoluer de 0,01 à 0,1 h l et en système triétagé, il peut être ccepris entre 0,01 à 0,122, pour un substrat alcoolique de 100 g/l. La concen=ration alcoolique de l'alimentation en substrat peut être ccaprise entre environ 60 g/l et environ 100 g/l. Des aérations importantes de chaque étage de fermentation, 0,8 à 1 volume d'air par volume du milieu et par minute, sont possibles du fait du recyclage du gaz d'aération qui permet la condensation des vapeurs volatiles (alcool, acide). Selon une variante du procédé, le substrat contenant les micro- organismes du type Acetobacter est mis en contact avec des microparticules solides, de granulametrie de l'ordre d'une centaine de microns, ccipatibles avec un usage alimentaire, du type argile, bentonite, montmorillonite. Les bactéries d'Acétcbacter ont la propriété de s'adsorber sur oe microsupport formant des particules suffisamment petites pour être maintenues en suspension, mais décantant néanoins assez vite pour permettre leur rétention. Une installation permettant à l'ensemble du dispositif un fonctionnement en continu comprend au moins deux fermenteurs montés en série, reliés par une canalisation oh circulent alternativement ou simultanément gaz et liquide, un dispositif d'alimantation en substrat du premier fermenteur, et au moins une alimentation inter-mLiaire en substrat des autres fermenteurs, un dispositif d'aération situé à la partie inférieure de chaque fermenteur, un séparateur gaz-liquide, une ligne de recirculation des gaz d'aération sur laquelle sont intercalés un dispositif de recirculation et une introduction d'oxygène. Cette installation représentée sur la figure du dessin annexé comprend trois fermenteurs 2, 3 et 4 montés en série. L'alimentation en substrat (1) se fait sur le premier réacteur (2). L'aération de celui-ci provient du gaz recylcé (8) éventuellement enrichi avec de l'oxygène (11). Les fermenteurs sont reliés deux à deux (2 et 3) (3 et 4) par une canalisation (12) et (13) o circulent alternativement ou simultanent gaz et liquide. L'aération de chaque fermenteur est assurée par le gaz émis par un dispositif d'aération situé à la partie inférieure du fermenteur, et constituée par une rampe perforée ou une plaque poreuse (lia, llb, 11c). A l'extrémité de l'installation, un séparateur gaz-liquide (9) permet de récupérer le liquide effluent des fermenteurs par la sortie (10) sur laquelle on intercale un contrôleur d'anhydride carbonique (non représenté) sur l'effluent par déclenchement automatique. Le séparateur gaz-liquide (9) permet la récupération et le recyclage du gaz de fermentation peu chargé en o02, un ventilateur (7) assure la recirculation des gaz d'aération. Entre deux fermenteurs (1 et 2) et (2 et 3) se trouvent les alimentations ccmplémentaires (5 et 6) en substrat branchées sur la canalisation (12 et 13) reliant deux fermenteurs. Il est donné ci-après quelques exemples de production d'acide acétique. EXEMPLE 1 On met en contact une solution renfermant des Acétobacter xylinum avec des microparticules solides de montmorillonite à concentration de 25 g/1 dans un fermenteur du type colonne à bulles, thermostats à 28 C, équipé d'un décanteur alimenté par du vin ou de l'alcool à 100 g/l. Pour la souche utilisée, la vitesse maximale de production (3, 4 g/l.h) est obtenue pour une dilution de 0,055h-1; la concentration en acide acétique est alors de 60 g/l dans le liquide sortant. Avec une aération de 0,8 à 1 vvm, le rendement de conversion alcool en acide peut atteindre 92%, le gaz étant recyclé partiellement avec un taux de renouvellement de 0,2 vvm. EX4PLE 2 Dans les mêmes conditions que précédenment, on recycle totalement le gaz d'aération (1 vvm). L'apport d'oxygène nécessaire est fourni par de l'oxgène pur. Le rendement d'utilisation de 02 est de 99,5%. EXEMPLE 3 Afin de ne pas inhiber la croissance de la souche Acétobacter xylinum dans le fermenteur, on alimente avec un substrat dont la concentration alcoolique n'excède pas 60 g/l. Dans ces conditions, on obtient une concentration cellulaire deux fois supérieure à celle en fermentation continue classique (0,75 g/l poids sec) lorsque la teneur en éthanol résiduel ne dépasse pas 5 g/1. Avec un taux de dilution du substrat de 0, 12 h, la productivité en acide acétique est de 7g l/h, la concentration en acide acétique est de 58 g/litre avec 4 g/l d'éthanol résiduel. EXEMPLE 4 En système biétagé, on conduit la fermentation dans deux étages de 0,5 litres chacune, le taux de dilution est de 0,02h 1, la concentration alcoolique du substrat d'alimentation étant de 60 g/l, avec recyclage total du gaz d'aération et apport d'oxygène par de l'oxygène pur et substrat complémentaire de concentration alcoolique 60 g/l. La concentration cellulaire du ler étage est de 0,7 g/l, celle du 2ème étage de 0,085 g/l. La concentration cellulaire à la sortie du ler étage est de 64 g/litre et à la sortie du 2ème étage de 96 g/litre. EXEMPLE 5 Dans une installation du type illustré par la figure, on conduit une fermentation en continu dans 3 étages distincts de 0,33 1 chacun, d'un substrat de concentration alcoolique 60 g/l taux de dilution 0,02 h 1, renfermant des Acétobacter xylinum. Les concentrations cellulaires dans les trois fermenteurs en série sont respectivement les suivants: ler fermenteur: 0,169 g/l; 2ème fermenteur: 0,111 g/l; 3ème fermenteur: 0,050 g/l. La concentration en acide acétique à la sortie du ler fermenteur est de 55,7g/1, elle s'élève à 92,5 g/l à la sortie du deuxième, et atteint 109,3 g/l à la sortie du troisième fermenteur, la productivité est de 2,2 g/l. REVENDICATIONS 1. - Procédé de production continue du vinaigre par transformation avec enrichissement en oxygène de l'éthanol en acide acétique par voie microbiologique, caractérisé en ce que dans une première phase la transformation microbiologique de l'éthanol en acide acétique est conduite en présence d'air, puis après consommation de l'oxygène de l'air, dans la seconde phase l'apport en oxygène régulé par la demande du système est assuré par injection d'oxrygène pur, le gaz d'aération étant recyclé, et le mélange gazeux en recirculation chassé dès que la teneur en anhydride carbonique atteint un seuil de 7%, après fermeture du circuit de recyclage, l'atmosphère suroxygénée est reconstituée par de l'oxygène pur jusqu'au dégazage suivant.; 2. - Procédé de production continue du vinaigre selon la revendication 1, caractérisé en ce que la concentration alcoolique de l'alimentation en substrat est comprise entre environ 60 et 100 g/l. 3. - Procédé de production continue du vinaigre selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'apport d'oxygène est commandé par la dépression du système ou par la mesure de l'oxygène dissous, le point de consigne étant fixé à la valeur de la saturation par rapport à l'air. 4. - Procédé de production continue du vinaigre selon une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'on procède à une succession d'au moins deux transformations microbiologiques conduite dans au moins deux étages de fermentation avec au moins une alimentation complémentaire en substrat. 5. - Procédé de production continue du vinaigre selon la revendication 1, caractérisé en ce que le taux en anhydride carbonique est contrôlé automatiquement sur l'effluent. 6.--' Procédé de production continue de vinaigre selon une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que dans un système monoétagé le taux de dilution est compris entre 0,014 et 0,06h-1, dans un système biétagé entre 0,01 et 0,1 h-1 et dans un système triétagé entre 0,01 et 0,122 pour un substrat alcoolique d'environ 100 g/i. 7. - Procédé de production continue du vinaigre selon -une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le substrat contenant les microorganismes du type Acétobacter est mis en contact avec des microparticules solides compatibles avec un usage alimentaire du type argile, bentonite, montmorillonite. 8. - Installation de mise en oeuvre du procédé de fabrication continue de vinaigre selon la revendication 4, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins deux fermenteurs (2, 3) montés en série,L reliés par une canalisation (12) o circulent alternativement ou simultanUment gaz et liquide, un dispositif (1) d'alimentation principale en substrat du premier fermenteur (2), au mtoins une alimentation interdiaire (5) en substrat des autres fermenteurs, un dispositif d'aération (11a) et (11b) situé à la partie inférieure de chaque fermenteur, un séparateur gazliquide (9), une ligne de recirculation des gaz d'aération (8) sur laquelle sont intercalés un dispositif de recirculation (7) et une introduction d'oxygène (11). -'