Brevet FR2591230A1 — publié le 19870612

L'invention concerne un appareil destiné à la fermentation de produits liquides et notamment à la fermentation alcoolique. Dans le présent texte, le mot "fermentation" designera toute transformation d'une substance organique en une autre substance organique mettant en jeu des ferments ou enzymes produits par des micro-organismes et le mot "fermenteur" désignera un appareil dans lequel s'opère une fermentation, alcoolique ou autre, que cette fermentation soit totale ou partielle et, dans ce dernier cas, qu'elle corresponde à ce qui se passe dans les appareils de fermentation appelés aujourd'hui préfermenteurs, fermenteurs ou fermenteurs de chute, c'est-à-dire qu'elle se situé au début, au cours ou à la fin du processus de fermentation. Parmi les différentes fermentations connues, la ferment tation alcoolique est l'une des plus utilises. Elle se fait le plus souvent de façon discontinue dans des cuves assez importantes puisqu'elles ont une capacité de l'ordre de plusieurs mètres cubes. Ces cuves sont remplies et vidées périodiquement, les impuretés décantées étant éliminées au moment où les cuves sont vidées. Une fermentation étant un phénomène mettant en jeu une énergie thermique, de telles cuves doivent être maintenues à une température convenable. En effet, à chaque ferment utilisé correspond une plage de température très stricte en dehors de laquelle ou bien le ferment est paralysé ou bien des fermentations parasites, favorisées. Les cuves utilisées en discontinu sont donc généralement maintenues en température par un arrosage extérieur des parois ou par un recyclage partiel de la masse en fermentation sur un échangeur thermique externe. Le principal inconvénient de ces cuves est leur faible rendement par rapport aux volumes importants qu'elles occupent et aux manipulations qu'elles exigent, les principales raisons du faible rendement étant l'impossibilité d'alimenter les cuves en produit à fermenter à la température optimum de fermentation et la difficulté de maintenir cette température pendant toute la fermentation. Il existe aussi des cuves dans lesquelles la fermenta tion s'effectue en continu. Il s'agit généralement de cuves cylindriques, dont la partie inférieure est parfois de section conique, dans lesquelles le jus à fermenter arrive à la partie supérieure, le jus fermenté étant évacué à la partie inférieure. Un inconvénient essentiel des cuves connues à ferment a tion en continu est la dispersion du temps de séjour des particules du jus à fermenter par rapport au temps moyen optimum. En effet, compte tenu des volumes en cause et des grandes différences de frottement que subissent les différentes particules et des conditions auxquelles elles sont soumises, et notamment des courant locaux créés par l'arrivée' du jus à fermenter et le départ du jus fermenté, il existe toujours des passages préférentiels qu'emprunteront des particules n'ayant pas atteint le degré de fermentation voulu alors que des particules fermentées stagneront au risque de se détériorer ou d'être victimes de fermentations parasites. De plus, les impuretés solides présentes dans le jus à fermenter et qui décantent pendant la fermentation peuvent provoquer, par leur accumulation, des obstructions des circuits et, en tout cas, sont un lieu favori de fermentations parasites. La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients en proposant un fermenteur fonctionnant en continu dans lequel le temps de passage soit pratiquement identique pour toutes les particules constituant le jus à fermenter, dans lequel la régulation de température de la masse en fermentation puisse être très stricte et dans lequel toutes les impuretés non fermentescibles puissent être évacuées sans qu'il soit nécessaire d'arrêter le fermenteur. Elle a pour objet un fermenteur comportant au moins une enceinte verticale de section constante, muni d'un système d'échange de calories, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens assurant, à la partie inférieure de la dite enceinte verticale, un volume d'alimentation correspondant, compte tenu de la hauteur de l'enceinte, au degré de fermentation désiré. Suivant une deuxième caractéristique de l'invention, le fermenteur proposé comprend des moyens assurant une agitation cyclique régulière, dans la partie basse de l'enceinte, du jus en fermentation, cette agitation pouvant etre obtenue par une alimentation cyclique de la dite enceinte. Suivant une autre caractéristique, l'enceinte de fermentation est entourée par au moins une chambre dans laquelle circule un liquide servant d'échangeur de calories, un ou des thermostats pouvant être prévus dans la ou les dites chambres. Suivant une autre caractéristique, l'alimentation en jus à fermenter se fait dans un caisson situé sous l'enceinte de fermentation, le fond du caisson étant équipé de moyens pour évacuer, éventuellement de façon continue, les impuretés décantées pendant le processus de fermentation. Dans une variante intéressante de l'invention, plusieurs enceintes verticales de fermentation sont disposées, au moins partiellement, dans une seule chambre dans laquelle circule un liquide destiné à la régulation de la température dans les enceintes de fermentation. Dans ce cas, on peut prévoir un seul caisson pour l'alimentation de toutes les enceintes de fermentationet une réalisation int8ressante de l'alimentation consiste alors en un distributeur mobile à plusieurs sorties alimentant successivement l'ensemble des enceintes de fermentation. D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront au cours de la description qui va suivre d'un exemple de réalisation, donné à titre indicatif et non limitatif, de la présente invention. La figure 1 est une coupe verticale d'un fermenteur suivant l'invention. La figure 2 est une coupe horizontale suivant II-II de la figure 1. La figure 3 est une coupe horizontale suivant III-III de la figure 1. Le fermenteur comprend une chambre fermée 1, à l'inte- rieur de laquelle sont disposés trente tubes 2 cylindriques, verticaux et disposés en trois séries circulaires concentriques autour d'un axe 38 : une série centrale de cinq tubes, une série périphérique de quinze tubes et une série médiane de dix tubes. Ces tubes 2 sont ouverts à leurs deux extrémités et sont entretoisés par trois cloisons horizontales 3, 4 et S, la cloison 3 étant à une certaine distance de l1extrémité supérieure, la cloison 5, à une certaine distance de l'extrémité inférieure et la cloison 4 délimitant dans la chambre 1 deux compartiments 40 et 41. La chambre 1 est surmontée d'un caisson 7 comprenant un fond circulaire 12 qui s'étend autour de la chambre 1 et qui est incliné vers une goulotte de sortie 6. Par ailleurs, le dit caisson 7 comporte, latéralement et en hauteur, une ouverture 8 pour l'évacuation des mousses éventuelles ainsi qu'une tuyauterie 9 reliée à une source de produit anti-mousse. Enfin, le dit caisson 7 est recouvert par un couvercle 10 comportant une buse coudée 11 reliée soit à l'atmosphère soit à un appareil de stockage de gaz carbonique et un dôme transparent~37 muni d'un éclairage. La chambre 1 porte à sa périphérie trois buses 13 disposée à 120 sous la cloison 3, trois buses 14 également disposées à 1209 sous la cloison 4 et deux tuyauteries 15 et 16, débouchani toutes les deux au centre de la chambre 1, la première au dessus de la cloison 4, et la seconde au dessus de la cloison 5. Un caisson 17, de section tronconique, est disposé sous la chambre 1, sa petite base étant à la partie inférieure. Cette petite base porte un corps mort 18 conique qui sert de support à un distributeur rotatif d'alimentation 39 dont l'axe de rotation se confond avec l'axe 38 autour duquel sont disposées les séries concentriques de tubes 2. Le distributeur rotatif d'alimentation 39 est constitué d'une tuyauterie verticale 19 tournant dans un palier étanche 20, d'une enceinte 21 dans laquelle la tuyauterie 19 débouche et sur laquelle elle est soudée, et de six tuyauteries de distribution 22, 23, 24, 25, 26,et 27. La distance de l'axe de rotation du distributeur 39 à l'axe de la sortie de la tuyauterie 22 est la même que celle de l'axe 38 à la série centrale de tubes 2. Les sorties des tuyauteries 23 et 24 sont diamétralement opposées par rapport à l'axe de rotation du distributeur 29 et la distance des axes de leurs sorties à cet axe est la même que celle de l'axe 38 à la série médiane de tubes 2. Les sorties des tuyauteries 25, 26 et 27 sont espacées angulairement de 1200 sur une circonférence ayant pour centre un point situé sur l'axe de rotation du distributeur 39, et la distance des axes de leurs sorties a ce dernier axe est la meme que celle de l'axe 38 à la série périphérique de tubes 2. De plus, le distributeur 39 est prévu pour pouvoir occuper cinq positions angulaires, chacune de ces positions étant espacée de sa voisine de 720 et étant telle que la sortie de chaque tuyauterie 22-27 se trouve située en face d'un tube 2 de fermentation. L'extrémité inférieure de la tuyauterie 19 est munie d'un joint tournant étanche 28 couvrant également l'extrémité d'une tuyauterie fixe 29 d'alimentation en jus à fermenter sur laquelle se trouve piquée une petite tuyauterie annexe 30 reliée à une source d'air stérilisé non représentée. La tuyauterie 19 porte une roue dentée 31 reliée par chatne au pignon d'un groupe moto-réducteur 32 fixé à une paroi inclinée du caisson inférieur 17. Une raclette 33 dont le profil correspond à la section intérieure du caisson 17 est soudée sur la tuyauterie 27. Le caisson 17 comprend, au pied du corps mort conique 18, un chemin circulaire 34 sur lequel débouche une tuyauterie 35 comportant une vanne 36. Dans ces conditions, le fonctionnement s'établit comme décrit ci-après. Le jus à fermenter, préalablement mélangé aux micro-organismes convenables, dans des appareils non dessinés parce que ne faisant pas partie de l'invention, arrive dans l'enceinte 21 du distributeur rotatif 39 par les tuyauterzes 29 et 19 et se répartit alors entre les tuyauteries de distribution 22 a 27. Le jus distribué par chacune de ces tuyauteries passe, pour la plus grande partie, dans le tube 2 en face duquel chaque tuyauterie débouche, le reste étant diffusé dans le jus déjà contenu dans le caisson 17. Il résulte de cela un léger mouvement ascensionnel et une agitation du jus en fermentation dans les tubes 2 consi dérés, tandis que la partie du jus à fermenter diffusée dans le caisson occasionne seulement un mouvement ascensionnel très réduit de la masse en fermentation dans les autres tubes 2, sans y provoquer d'agitation. L'agitation due à cette alimentation préférentielle de certains tubes ne crée pas de véritables turbulences dans les masses de jus en fermentation, compte tenu de ce que la vitesse ascensionnelle de ces masses est très faible puisqu'elle se situe entre 0,01 et 0,07 centimètre par seconde. Au bout d'un certain temps et suivant un cycle préétabli, le groupe moto-réducteur 32 entraîne parla roue dentée 31. le distributeur rotatif 39 en rotation sur 72" de manière à faire déboucher chacune des tuyauteries 22 à 27 en face du tube voisin, dans le sens de la rotation du distributeur, du tube en face duquel elle débouchait précédemment. C'est donc dans une autre série de tubes que le jus en fermentation est agité par une alimentation préférentielle à partir des tuyauteries 22 à 27. Etant donné que la série centrale de tubes 2 en comporte cinq pour une unique tuyauterie de distribution 22, que la série circulaire médiane en comporte dix pour deux tuyauteries de distribution 23 et 24 et que la série circulaire périphérique en comporte quinze pour trois tuyauteries de distribution 25, 26 et 27, au bout de cinq déplacements de 720, tous les tubes 2 de la chambre 1 ont reçu une alimentation préférentielle pendant un certain temps, ce qui signifie que chaque masse en fermentation a fait l'objet d'une certaine agitation. Au contraire, en dehors de cette période d'agitation, chaque masse en fermentation ne subit que la très légère poussée ascensionnelle due à la partie de l'alimentation diffusant dans tout le caisson. Le déplacement vers la partie supérieure des tubes 2 du jus en fermentation se fait non seulement grâce à l'alimentation à la partie inférieure de l'appareil, mais aussi grâce au fait que le jus à fermenter qui alimente l'appareil présente une densité plus forte que celle du jus fermenté évacué à la partie supérieure, grâce, également, au fait que l'élévation de température due au caractère exothermique de la fermentation est plus importante au début qu'à la fin de la fermenta tion et gracie, enfin, au fait que les bulles de gaz carbonique dégagé pendant la fermentation, s'élèvent vers le caisson 7 pour être évacuées par la buse il et favorisent ainsi le mouvement ascensionnel du jus à l'intérieur des dits tubes. Le liquide fermenté qui déborde à la partie supérieure des tubes 2 dans 1 caisson 7 s'écoule sur la cloison 3 entre les extrémités des tubes 2, avant d'etre recueilli par le fond incliné 12 sur lequel il coule jusqutS la goulotte 6 d'ob il est évacué. En cas de formation de mousses, celles-ci sont évacuées automatiquement par la buste 8 à moins qu'elles ne soient détruites par du produit anti-mousse que l'on aurait envoyé par la canalisation 9. En fonction des besoins, on peut opérer, par-la tuyauterie 30 une injection d'oxygbne sous forme d'air strilisé, de manière à raviver la fermentation. Du meme coup, on augmente,lors des alimentations préférentielles, l'agitation gazeuse et on favorise le mouvement ascensionnel dans les tubes 2 concernés. Entre les périodes d'alimentation préférentielle, il se produit une décantation des impuretés solides grâce à un certain nombre de facteurs,dontJla relative tranquillité du milieu jointe à la diminution de viscosité et de densité du jus au cours de la fermentation. On a donc une alternance cyclique entre une agitation à l'intérieur de chaque tube 2 pendant un cinquième du temps et un temps de repos pendant quatre cinquièmes du temps, permettant de réaliser un équilibre entre une certaine stimulation bénéfique et une stabilité nécessaire à une bonne décantation des impuretés solides. Du fait que ces tubes sont ouverts sur toute leur section à la partie inférieure, toutes les impuretés tombent dans le caisson 17 où elles se déposent sur sa paroi inclinée ou sur la paroi du corps mort 18 conique. La raclette 33, solidaire de la tuyauterie 27 se déplace avec celle-ci de façon discontinue et à très faible vitesse,rassemblant dans le chemin circulaire 34 les impuretés solides décantées. Chaque fois que la raclette 33 arrive près de la buse 35, la vanne 36 s'ouvre de manière à évacuer les produits solides décantés repoussés par la raclette 33. Parallèlement, fonctionne un système de régulation de température des tubes 2. Pour cela, un liquide à température voulue est envoyé par les tuyauteries 15 et 16 dans les deux compartiments 40 et 41 de la chambre 1. Le liquide entre dans le compartiment 40 par la tuyauterie 15, circule autour des tubes 2 et sort par les buses de sortie 13 pour passer à travers un échangeur de calories non représenté et revenir à la tuyauterie 15 à la température voulue. Il en est de même pour le liquide du compartiment 41 qui circule autour des tubes 2 et sort par les--buses de sortie 14 pour passer à travers un échangeur de calories et revenir à la tuyauterie 16 à la température désirée. Compte tenu de la conception en forme de tubés à section constante des enceintes de fernentation, le maintien en température est facilité par le haut rapport entre la surface extérieure de l'enceinte et le volume de cette dernière. Par exemple, pour un volume de jus en fermentation de 50 m3, on pourrait avoir un appareil suivant l'invention comportant 30 tubes de 0,6 m de diamètre/de 6 m de hauteur. La surface d'échange serait de 339 m2, soit un rapport surface/volume en m2/m3 de 6,7. A titre de comparaison, un fermenteur cylindrique classique de 50 m3 J de 3,50m de diamètre et de 5,20 m de hauteur n'aurait qu'une surface d'échange de 57,2 m2 soit un rapport surface/volume de 1,1. On voit tout l'intérêt pour des fermentations exothermique: de l'appareil proposé : un rapport surface/volume de 1,1 est alors insuffisant pour refroidir convenablement toute la masse en fermentation. Il est entendu que l'on peut, sans sortir de l'invention, modifier tel ou tel détail de construction ou adopter telle variante de réalisation permettant d'obtenir les mêmes résultats. Par exemple, les enceintes de fermentation, au lieu autre de section circulaire pourraient être de section polygonale. Elles pourraient également être disposées, non plus en séries circulaires, mais en lignes parallèles et, dans ce cas,l'alimentation cyclique pourrait être réalisée avec un distributeur à déplacement linéaire, alternatif ou non. Une chambre contenant les enceintes de fermentation pourrait être divisée en plusieurs compartiments, chaque compartiment pouvant alors avoir sa température régulée à partir d'un ou plusieurs thermostats disposés dans le dit compartiment, éventuellement sur l'une ou l'autre des enceintes de fermentation. Le dispositif de ramassage des impuretés solides décantées pourrait etre indépendant du distributeur d'alimentation et avoir sa propre commande. L'agitation cyclique des enceintes de fermentation pourrait être obtenue par un mouvement continu du distributeur rotatif 39. Il suffirait alors d'une vitesse de rotation assez lente pour que les tuyauteries 22 à 27 puissent, à leur passage devant les tubes 2, eéaliser une alimentation préférentielle de ceux-ci. REVENDICATIONS 1)- Fermenteur comportant au moins une enceinte verticale de fermentation de section sensiblement constante, muni d'un système d'échange de calories, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (29-19-39) assurant, à la partie inférieure de la dite enceinte (2) verticale, un volume d'alimentation en jus à fermenter correspondant, compte tenu de la hauteur de l'en- ceinte, au degré de fermentation désiré. 2)- Fermenteur selon 1 caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (29-19-39,30) pour assurer, dans la partie basse de enceinte de fermentation (2), une agitation intermittente du jus en fermentation. 3)- Fermenteur selon la revendication 2 caractérisé en ce que les moyens assurant l'agitation intermittente du jus en fermentation, sont constitués par les moyens (29-19-39,30) assurant l'alimentation en jus à fermenter. 4)- Fermenteur selon les revendications 2 ou 3 caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (32-39) rassurant, dans la partie basse de l'enceinte (2) de fermentation, une agitation cyclique du jus en fermentation. 5)- Fermenteur selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que l'enceinte (2) de fermentation est ouverte sur toute sa section à sa partie inférieure. 6)- Fermenteur selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comprend plusieurs enceintes (2) de fermentation groupées, entourées, au moins sur une partie de leur hauteur, par au moins une chambre (40,41) recevant un liquide échangeur de calories. 7)- Fermenteur selon la revendication 6 caractérisé en ce que les enceintes (2) de fermentation sont disposées en séries circulaires concentriques dans une chambre cylindrique (40,41) de régulation de température. 8)- Fermenteur selon la revendication 7 caractérisé en ce qu'il comprend plusieurs tuyauteries de distribution ( 22 à 27) assurant l'alimentation en jus à fermenteur, ces tuyauteries étant montées rotatives sur un axe confondu avec l'axe autour duquel sont disposées les séries d'enceintes (2) de fermentation. 9)- Fermenteur selon la revendication 8 caractérisé en ce que chaque série circulaire d'enceintes (2) de fermentation au dela de la série centrale comporte un nombre d'enceintes de fermentation constituant un multiple du nombre d'enceintes de fermentation de la surie centrale, le nombre des tuyauteries de distribution (22 à 27) desservant chacune de ces séries étant égal à ce nombre multiple. 10)- Fermenteur selon l'une des revendications 6 à 9 caracté- risé en ce qu'il comporte un caisson inférieur (17) de profil tronconique inversé avec un corps mort (18) central conique et. une raclette (33) entraînée en rotation par le système de distribution d'alimentation (39) en jus à fermenter, le dit caisson comportant à sa partie inférieure des moyens (36) d'évacuation des boues qui s'y accumulent.