Brevet FR2578552A1 — publié le 19860912

La presente invention a pour objet des procedes et des dispositifs pour produire en continu des biosurfactants. Le secteur technique de l'invention est celui des biotechnologies. Les biosurfactants sont des produits tensio-actifs ou a- gents émulsifiants qui sont secrets par des micro-organisme5. On sait que divers micor-organxsmes croissant sur certains substrats organiques, notamment sur des hydrocarbures ou sur des hydrates de carbone ou leurs dérivés, secretent des biosurfactants. La demande en biosurfactants est importante dans les indus tries alimentaires, pharmaceutiques et pétrolières. On peut citer par exemple l'utilisation des biosurfactants dans la récupération assis tee du pétrole contenu dans les gisements où l'injection de biosurfactants permet de réduire la viscosité du pétrole, de l'émulsifier et d'ameliorer sensiblement:la proportion de pétrole récupérée. Les biosurfactants peuvent aussi être utilisEs pour lutter contre les pollutions de l'eau par les hydrocarbures et dans cette application, ils ont une efficacité nettement sup6rieure a celle des. agents tensio-actifs chimiques' et, de plus, ils ne sont pas toxiques pour la faune et la flore vivant dans l'eau à traiter. Un objectif de la présente invention est de procurer des procédés et des dispositifs qui permettent de produire ifldustrielle- ment en continu des quantités importantes de biosurfactants pour un coût de production acceptable, Un autre objectif de la présente invention est de produire des biosurfactants comme sous-produits de procédés d'épuration biologique d'effluents pollués par des matières organiques, notamment par des hydrocarbures ou des hydrates de carbone. Les objectifs de l'invention sont atteints par un prockdE qui comporte les étapes suivantes : - on effectue dans un réacteur contenant un substrat organique en phase aqueuse, une culture de micro-organismes qui degradent ledit substrat en exeretant des biosurfactants; - on introduit en continu dans ledit réacteur et on prélève en continu un débit détermine; - on' traite par ultrafiltration le débit sortant en continu dudit réacteur, de sorte que l'on obtient une fraction contenant la matière organique résiduelle, une fraction contenant les cellules de micro-organismes vivants et une fraction contenant les biosurfactants en solution aqueuse; - et on recycle dans ledit réacteur la fraction contenant les cellules de micro-organismes vivants. Dans le cas où la matière organique du substrat est composée d'hydrocarbures,on forme une émulsion desdits hydrocarbures dans l'eau contenant entre I et 18 g.l-1 d'hydrocarbures et, de préférence, 12 g.l , que l'on introduit dans ledit réacteur et, après filtration, on recycle une partie des biosurfactants en amont de l'émulsifica- teur. Les dispositifs selon l'invention sont du type connu com- portant un réacteur dans laquel on cultive sur un substrat organique en phase aqueuse des micro-organismes qui dégradent ledit substrat en excretaont des biosurfactants et des moyens pour introduire et pour prélever en continu dans ledit réacteur un débit déteminé dudit substrat. Un dispositif selon l'invention est caractérsié par le fait qu'il comporte des moyens de filtration et des moyens d'uitrafiltra-' tion tangentielle situés a la sortie dudit réacteur qui séparent le liquide en plusieurs fractions, dont une premiers contient des cellu- les de micro-organismes vivantes, dont une deuxième contient des biosurfactants en solution débarrassés des cellules de micro-organismes et de matières organiques résiduelles et ledit dispositif-comporte, en outre, des moyens pour recycler dans ledit réacteur ladite première fraction. Dans le cas où la matière organique du substrat est composée d'hydrocarbures, les moyens de filtration comportent un préfiltre ayant une porosité comprise entre 8 et,15u qui arrête les hydrtcar- bures lourds et lesdits moyens d'ultrafiltration comportent un premier étage d'ultrafiltration tangentielle ayant une porosité comprise entre 0,7 et 8 et, de préférence, de l'ordre de 1,2 qui sépare le liquide en une première fraction qui contient la quasi totalite des hydrocarbures résiduels et un filtrat débarrasse d'hydrocarbures et un deuxième étage d'ultrafiltration tangentielle ayant une porosité inférieure à 0,5 qui reçoit le filtrat et qui le sépare en une fraction qui ,eontient la quasi totalite des cellules de micro-organismes presentents dans le filtrat et un filtrat qui contient des biosurfactants en solution. Dans ce dernier cas, un dispositif selon l'invention -con- porte, en outre, Qe moyens de pre-emulsification situes a l'entrée dudit réacteur, lesquels moyens comportent une pompe centrifuge a fort débit et une enceinte d'émulsification et il comporte, en outre, une pompe volumétrique qui recycle, en amont de ladite pompe, un de- bit déterminé dudit filtrat contenant les biosurfactants et le rapport entre ledit débit ut le le débit du substrat neuf entrant dans ledit réacteur est compris entre 10 ut et 50 ut, de préférence, de l'or- dre de 16. L'invention a pour résultat lu production de biosurfac- tante en continu,sur une période de plusieurs mois, au moyen de réac- teurs biologiques qui admettent un taux de dilution important et des teneurs en matière organique élevées, de sorte que le rendement est élevé et permet une production industrielle de biosurfactants. Les procédés et dispositifs selon l'invention permettent d'utiliser comme substrat des eaux polluées par des hydrocarbures, par leurs dérivés (insecticides, pesticides, polychlorobiphényl) ou par d'àutres matières organiques à base d'hydrates de carbones nu leurs derivés. Dans ce-cas, on obtient à la fois une épuration des eaux par biodégradation et, en même temps, des biosurfactants et de la biomasse qui deviennent des sous-produits de l'épuration. Les procédés et dispositifs selon l'invention se différencient des procédés et dispositifs connus de dégradation biologique des matières organiques par des micro-organismes qui excrètant des biosurfactants par le fait qu'une grande partie des biosurfactants, pouvant atteindre 60 %, est isolée par ultrafiltration de la matiere organique résiduelle-et des cellules de micro-organismes et permet d'obtenir, par tout procédé d'extraction connu, des biosurfactants utilisables dans les industries alimentaires, pharmaceutiques ou dans l'industrie pétrolière, notamment pour la récupération assistée du pétrole dans les gisements. Une autre différence réside dans le fait que l'on récupère par ultrafiltration à la sortie du réacteur une partie des cellules, de micro-organismes vivantes apres les avoir débarrassées des résidus de matière organique non biodégradés et on les recycle dans le réac- teur, ce qui,permet d'obtenir un taux élevé de développement des micro-organismes dans le réacteur et d'obtenir une capacité de traitement élevée, par exemple une capacité de traitement horaire 3 égale à 100 litres par m de volume du réacteur, avec de l'eau chargée de 15 g/litre d'hydrocarbures. Dans ce cas, en récupérant 50 Z des biosurfactants produits, on obtient une production horaire de biosurfactants de l'ordre de 150 g.h-1. m3 et on peut également obtenir une production de biomasse de l'ordre de 350 g.h-1. m3 en récupérant environ 50 % des cellules. La description suivante se réfère au dessin annexé qui représente, sans aucun caractere limitatif, un exemple de réalisation d'un dispositif selon l'invention pour produire en continu des bio surfactants. La figure unique est un schéma d'ensemble d'un dispositif selon l'invention. Cette figure représente un dispositif destiné à produire en continu aes biosurfactants par fermentation de micro-organismes dans un réacteur. On sait que certaines souches de micro-organismes dégradent certains substrats organiques en excrétant des biosurfactants solubles dans l'eau. On sait par exemple que certains micro-organismes prele- vés dans des eaux polluées par des hydrocarbures et mis en culture dans un réacteur dans lequel on introduit en continu une émulsion d'hydrocarbures dans l'eau dégradent ces hydrocarbures et excretent des biosurfactants. On sait également que certaines souches de micro-organismes cultivées en réacteur sur des substrats contenant des hydrates de carbone ou leurs dérivés excrétent des biosurfactants. il est précisé que le procédé selon l'invention peut s'appliquer à tout substrat organiques, notamment à des substrats contenant des hydrocarbures et à des micro-organismes (bactéries, levures ou champignons), susceptibles de dégrader ces substrats en produisant des biosurfactants. La figure représente un exemple d'un dispositif préférentiel utilisant un substrat à base d'hydrocarbures. Il est précisé que ce choix n'est pas limitatif. Le repère I représente un réacteur ou fermenteur, dans lequel on cultive sous atmosphère non stérile, une population bactérienne mixte, qui a été obtenue par des prélèvements d'échantillons pollués chroniquement par des rejets d'hydrocarbures. il est précisé que la nature des micro-organismes ne constitue pas une caractéristique de la présente invention et toute souche ou tout mélange de souches de micro-organismes susceptibles de dégrader les hydrocarbures peuvent être utilisés. Le réacteur I comporte un agitateur 2Sparexemple un agitateur mécanique, de sorte que la phase liquide est brassée énergiquement. La température dans le réacteur est maintenue entre 50C et 600C, de préférence de l'ordre de 300C. La figure représente un exemple dans lequel on cultive les micro-organismes sur un substrat qui est produit artificiellement en mélangeant des hydrocarbures et de l'eau. En variante, on peut utiliser comme substrat une eau polluée par des hydrocarbures qui est dégradée dans le réacteur et, dans ce cas, la production de biosurfactants devisent un sous-produit de l'é- puration. Le repère 3 représente une cuve ou un réservoir d'eau brute qui arrive par la canalisation 4. Un débit déterminé d'eau est prEle- vé par une pompe volumétrique P1, dont le refoulement est connecté sur un dispositif de pré-émulsification Celui-ci comporte une pompe centrifuge 5 de fort débit et un réservoir 6 de pré-émulsification. La plus grande partie du débit sortant de la pompe est recyclée vers le réservoir de pré-emulsification et reprise a l'aspiration de la pompe formant ainsi une boucle de pré-émulsification. Un débit égal a celui des P1 + P2 est envoyé dans le réacteur 1 par la canalisation 7. Le repère 8 représente un réservoir contenant des hydrocarbures ou leurs dérivés par exemple du pétrole brut. Un débit de terminé est pompé par une pompe volumétrique F2 et refoulée dans la boucle de pré-émulsification, l'aspiration de la pompe centrifuge 5. Les vitesses respectives des pompes Pi et P2 sont réglées de façon a obtenir une émulsion de pétrole dans l'eau dont la teneur en pétrole est comprise entre 2 g 1 1 et 18g l 1 et, de préférence de l'ordre de 12g l-1. De plus, le débit des pompes Pi et P2 est réglé pour obte- nir dans le réacteur un taux de dilution compris entre 0,1 et 0,5 h 1 et, de préférence, de l'ordre de 0,10 h 1s c'est-à-dire un débit horaire égal à 0,10 fois le volume de la phase aqueuse contenue dans le réac teur. Une pompe volumétrique P3 prélève en continu dans le réacteur un débit égal au débit d'entrée. La phase liquide aqueuse pompée par la pompe P3 contient des hydrocarbures résiduels, des cellules de micro-organismes vivantes et des biosurfactants en solution. Cette phase liquide passe à travers un préfiltre 9, qui est par exemple une cartouche filtrante ayant des pores compris entre 8p et 15p qui retient une partie des hydrocarbures résiduels composee d'hydrocarbures lourds, notamment les asphaltènes. Ce filtre permet un fonctionnement continu de l'ordre de plusieurs mois avant d'être décolmaté ou remplacé sans arreter le fonctionnement Le liquide sortant du préfiltre 9 est envoyé dans un dispositif d'uxtrafiltration tangentielle qui comporte deux étages 10 et 11; Le premier étage 10 est composé par exemple de deux cartouches d'ultrafiltration montées en série, ayant des pores dont l'ouverture est comprise entre 0,7 et 8u et, de préférence, de l'ordre de l,2 . On utilise par exemple des cartouches d'ultrafiltration tangentielle vendues par MILLIPORE CORPORATION sous les dénominstions "MILLIGARD" ou "PELLICON".. Le filtre 10 sépare le liquide en deux fractions. Une première fraction Ri qui est le rétentat du filtre contient tous les hydrocarbures résiduels. Cette fraction contient également des biosurfactants dissous et des cellules de micro- organismes. La deuxième fraction Fl constituée par le filtrat est dé- barrassée d'hydrocarbures et contient uniquement des biosurfactants en solution et des micro-organismes. Les fractions Fl et R1 correspondent normalement chacune a environ 50 Z du débit entrant dans le filtre. En jouant sur des vannes, on peut faire varier légerement ces proportions et obtenir par exemple un débit de filtrat Fl pouvant varier entre 30 Z et 70 Z du débit d'entrée et contenant donc entre 30 Z et 70 Z des cellules et des bio surfactants. La fraction R1 est recueillie dans un réservoir de décantation 12 où les hydrocarbures résiduels sont séparés de la phase aqueuse. La phase aqueuse est pompée après décantation par une pompe volumétrique PS et envoyée dans une unité de filtration comportant deux étages 13 et 14. Chaque étage comporte plusieurs cartouches filtrantes montées en parallele. Le premier étage 13 est un étage d'ultrafiltration ayant une porosité inférieure à 0,5 . Il sépare un rétentat R3 qui contient les traces d'hydrocarbures résiduels et les cellules. Le filtrat du filtre 13 passe à travers une cartouche filtrante 14 ayant une porosité inférieure à 0,5 . par exemple de 0,22u. Le rétentat R4 contient les cellules de micro- organismes. Le filtrat F4 contient des biosurfactants un solution Le rendement de l'unité de filtration 13, 14 est de l'ordre de 60 %. Le filtrat F4 contenant les biosurfactants peut etre envoyé dans une unité d'extraction 15, dans laquelle on extrait les biosurfactants par un procédé connu, par exemple au moyen de solvants Le filtrat Fl sortant du premier étage d'ultrafiltration 10 est enybyé dans un deuxième étage d'ultrafiltration tangentielle 11, ayant une porosité telle qu1il arrête la quasi totalité. des micro-organismes, c'est-à-dire une porosité inférieure à 0'5n et, de préférence, de 0,22 u. L'étage ll est constitué par exemple de cartouches d'ultrafiltration tangentielle vendues par MILLIPORE CORPO- RATION, sous les dénominations "MILLIGARD" ou"PELLICON". L'étage Il sépare le liquide en deux fractions dans des proportions respectives qui peuvent aller de 30 z à 70 % du débit d'entrée. La première fraction R2, qui est le rétentat, contient a l'état vivant la majorité des cellules de micro-organismes se trouvant dans la fraction F1, c'est-à-dire environ 50 Z des cellules prélevées dans le reacteur 1. Selon une caractéristique de l'invention, le rétentat R2 est recyclé dans le réacteur par une, canalisation lé La deuxième fraction F2, qui est constituée par le filtrat contient des biosurfactants et 1 à 5 % de cellules de micro-organismes. La fraction F2 est envoyée dans un réservoir de stockage.17. Une pompe volumétrique P4 prélève un débit déterminé dans le réservoir 17. Ce débit est envoyé dans une cartouche filtrante 18 qui est par exemple une cartouche vendue par MILLIPORE CORPORATION sous la dénomination "FLUOREX", ayant une porosité de 0,22îJ Cette car- touche retient le petit nombre des cellules résiduelles restant dans le filtrat F2. Le filtrat F72 sortant du filtre 18 est envoyé par une canalisation 19, en amont de l'unité d'émulsification, par exemple dans le réservoir 3. Les biosurfactants contenus dans le liquide F'2 contribuent à l'émulsification et à la stabilité de l'é- mulsion obtenue.Le rapport entre le débit de la pompe Pl et le débit de la pompe P4 est compris entre 10 et 50 et, de préférence, de l'ordre de 16. La figure représente un dispositif fonctionnant avec un substrat de culture à base d'hydrocarbures qui doivent être préémulsifiés avant d'être introduits dans le réacteur Dans ce cas d'espèce, il est intéressant de recycler une partie des biosurfactants en amont de l'unité de pré-émulsification. Dans le cas où le substrat de culture est un substrat soluble comme par exemple des sucres, il n'est pas nécessaire de l1é- mulsifier. Dans ce cas, le dispositif ne comporte par d'unité de préémulsification ni la boucle 19 de recyclage d'une partie des bio surfactants et le filtrat F-2 est envoye en totalité vers l'unité 15 d'extraction des biosurfactants par la canalisation 20. Au total, un dispositif selon l'invention permet de récupérer les biosurfactants compris dans le filtrat F4 qui représentent 25 Z à 35 Z du total et la plus grande partie (95 Z) ou'la totalité des biosurfactants compris dans le filtrat F2 qui représentent 25 a 35 Z du total. Le dispositif permet donc d'extraire en continu 50 Z à 70 Z des biosurfactants excrétés par les micro-organismes apyres les avoir débarrassés- du substrat résiduel et avoir récupéré une partie des cellules a l'état vivant pour les recycler dans le réacteur, ce qui permet de maintenir dans le réacteur une population de micro-organismes en phase de développement exponentiel. On notera que le rétentat R1 contient une proportion importante de cellules qui se retrouvent dans le rétentat R3. Ces cellules peuvent être récupérées de sorte qu'un dispositif selon l'invention permet de produire de la biomasse. Des essais systematiques ont été réalisés pour étudier l'in- fluence de la teneur en hydrocarbures du substrat qui est introduit dans le réacteur sur le rendement en biosurfactants et en biomasse. On sait par la littérature que les biosurfactants produits par dégradatipn d'hydrocarbures sont composés principalement de sucres et de lipides. La biomasse est composee principalement de protéines. Le tableau 1 ci-joint correspond à des essais qui ont été conduits avec un taux de dilution égal à 0,11 h La première ligne du tableau indique les concentrations du substrat à l'entrée du réacteur exprimées en g.l | au cours de quatre essais à concentration croissante. La deuxième ligne indique les teneurs en sucre. exprimées en g 1-1. La troisième ligne indique les teneurs en lipides en g.l La quatrième ligne indique la biomasse en g.l Les teneurs indiquées aux lignes 2, 3 et 4 sont les teneurs contenues dans les filtrats F2 et F4. TABLEAU No. Concentration du Substrat 7,5 12,2 14,5 18 Sucres 1,84 2,7 2,1 1,6 Lipides 0,228 0,320 0,258 0,192 Biomasse X 5 7 5,7 4,2 Ces essais montrent que les meilleurs rendements sont obtenus avec un taux de dilution de l'ordre de 0 > 1 h-1 et pour des concentrations en hydrocarbures inférieures à 18 g/1 et, de préférence, voisines de 12 g/l. Une installation industrielle selon l'invention comportant 100 m3 de volume de réacteur qui traite 10 m3/heure d'eau contenant 12 g/l de pétrole produira 720 kg.h-1 de biosurfactants dont 50 Z environ seront 'récupérables, soit une production annuelle de l'ordre de 125 tonnes de biosurfactants. Dans une telle installation, on peut également récupérer 50 Z environ de la biomasse, soit environ 1 T/jour. Le recyclage des celleles vivantes de micro-organismes dans le reacteur permet d'augmenter le taux de croissance des micro-orga- nismes dans le réacteur et donc d'utiliser des taux de renouvellement du substrat élevés de l'ordre de 0,1 h-1. d'où, à volume de réacteur constant, une capacité de dégradation horaire plus élevée. Il est essentiel que la fraction recyclée qui contient les cellules soit débarrassée avant d'être recyclée des hydrocarbures rési'- duels sinon ceux-ci s'accumuleraient dans le réacteur et finiraient par inhiber le dévelpppement normal de la culture dans le réacteur. REVENDICATIONS 1. Procédé pour produire en continu des biosurfactants, caractérisé en ce que - on effectue dans un réacteur contenant un substrat organique en phase aqueuse, une culture de micro-organismes qui degradent ledit substrat en excrétant des biosurfactants; - on introduit en continu dans ledit reacteur et on prélève en continu un débit déterminé; - on traite par ultrafiltration le débit sortant en continu dudit reacteur, de sorte que l'on obtient une fraction contenant la matière organique résiduelle, une fraction contenant les cellules de micro-organismes vivants et une fraction contenant les biosurfactants en solution aqueuse; et et on recycle dans ledit réacteur la fraction contenant les cellules de micro-organismes vivants. 2. Procéde selon la revendication 1 > caractérisé en ce que le débit horaire circulant dans ledit réacteur correspond a un taux de dilution compris entre 0,1 -1 et 0,5 -1. 3 Procedé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, dans lequel la matière organique dudit substrat est composee d'hy- drocarbures, caractérisé en ce que l'on forme une émulsion desdits hydrocarbures dans l'eau contenant entre 1 et 18 g/l I dthydrocor- bures et, de préférence, k2 g l Ir que l'on introduit dans ledit réacteur et, après filtration, on recycle une partie des biosurfactants en amont de l'émulsificateur. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit substrat est de l'eau polluée par des hydrocarbures qui sont dégradés dans, ledit réacteur d'où un effet de dépollution. 5. Dispositif pour produire en continu des biosurfactants du type comportant un réacteur dans lequel on cultive sur un substrat organique en phase aqueuse des micro-organismes qui dégradent ledit substrat en excrétant des biosurfactants et des moyens pour introduire et pour prélever en continu dans ledit réacteur un débit déterminé dudit substrat, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de filtration et des moyens d'ultrafiltration tangentielle situés à la sortie dudit réacteur qui séparent le liquide en plusieurs fractions, dont une première contient des cellules de micro-organismes vivantes et dont une deuxième contient des biosurfactants en solution débarrassés des cellules de micro-organismes et des matières organiques résiduelles et ledit dispositif comporte, en outre, des moyens pour recycler dans ledit réacteur ladite première fraction. 6. Dispositif selon la revendication 5, pour la préparation de biosurfactants à partîr d'un substrat a base d'hydrocarbures, caractérisé en ce que lesdits moyens de filtration comportent un préfiltre (9) ayant une porosité comprise entre 8 et 15 qui arrete les hydrocarbures lourds et lesdits moyens d'ultrafiltration comportent un premier étage d'ultrafiltration tangentielle (tO) ayant une porosité comprise entre 0,7U et 8 et, de préférence, de liordre de I ,2y qui sépare le liquide en une première fraction (R1) qui contient la quasi totalité des hydrocarbures résiduels et un filtrat (71) débarrasse d'hydrocarbures et un deuxième étage d'ultrafiltration tangentielle t11) ayant une porosité inférieure à,0,5ii qui reçoit 'le filtrat (PI) et qui le sépare en une fraction (R2) qui contient la quasi totalité des cellules de micro-organismes presents dans le filtrat (F1) et un filtrat (F2) qui contient des biosurfactants en solution. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comporte, en outre, des moyens de pre-emulsification situés à l'entrée dudit réacteur, lesquels moyens comportent une pompe centrifuge (5) à fort débit et une enceinte (6) d'émulsification et il comporte, en outre, une pompe volumétrique (P4) qui recycle en amont de ladite pompe (5) un débit déterminé dudit filtrat (F2) contenant les biosurfactants et le rapport entre ledit débit et le débit de substrat neuf entrant dans ledit réacteur est compris entre 10 et 50 et, de préférence, de l'ordre de 16. 8. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comporte, en outre, un décanteur (12) qui reçoit ladite premiere fraction (R1) sortant du premier étage d'ultrafiltration (10), une pom- pe centrifuge (P5) qui aspire le liquide décanté, une cellule d'ultra- filtration tangentielle (13) ayant une porosité inférieure à 0,5 qui débarrasse le liquide des traces d'hydrocarbures résiduels et des cel- lules et le filtrat (F4) ayant traversé ledit étage (13) est envoyé vers une unité (15) d'extraction des biosurfactants. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisé en ce qu'il comporte, en outre, une unité d'extraction des biosurfactants contenus dans lesdits filtrats (Fl, F2 et F4).