Brevet FR2616443A1 — publié le 19881216

DISPOSITIF DE FERMENTATION POUR CULTURE AEROBIE DE MICRO-ORGANISMES La présente invention a pour objet un dispositif de fermentation pour culture aérobie de micro-organismes, ce dispositif étant constitué d'une cuve cylindrique à double paroi susceptible d'être chauffée et refroidie, fermée par des extrémités hémisphériques, cuve comprenant un arbre tournant sur lequel sont montés au moins deux agitateurs, un orifice d'admission d'air, un orifice d'évacuation d'air et au moins un raccord d'introduction, un raccord de prise d'échantillon et au moins un poste de mesure. L'utilisation de micro-organismes dans divers procédés de préparation, a connu un développement important depuis la découverte de la pénicilline: la culture en milieu profond de micro-organismes aérobies a été mise au point lors des fabrica- tions à grande échelle. Ces cultures, qui font appel à une agitation et à une aération, ont été perfectionnées depuis plus de quarante ans et leur développement s'est poursuivi dans plusieurs directions. Ces tendances sont décrites en détail dans divers manuels (par exemple Biotechnologie Vol.2 Editeur: H. Brâuer, 1985). Si l'on fait exception des dispositifs conçus à des fins spéciales, par exemple pour le développement de certaines substances pour des réacteurs de purification des eaux usées, etc., les principaux efforts de développement ont portés sur le perfectionnement des formes géométriques du fermenteur, du rapport des dimensions et de la forme des agitateurs, en vue de mettre au point un fermenteur qui soit universellement utilisable dans son principal domaine d'application, c'est à dire la préparation d'enzymes antibiotiques et d'amino-acides. Ces techniques se caractérisent en général par une importante consommation d'oxygène. L'oxygène nécessaire à l'échange de matière des micro-organismes -l'oxygène dissous lors de la culture en milieu profondest en général apporté par agitation et par aération. L'agitation et l'aération remplissent en même temps et en une seule fois plusieurs fonctions importantes: - ils garantissent l'homogénéité de la totalité du mélange du jus de fermentation, qu'il s'agisse de la répartition des substances nutritives aussi bien que des produits du métabolisme qui se dégagent; - ils assurent l'alimentation en oxygène du fait que, par la dispersion de l'air insufflé, se forme un important interface liquide-gaz, ce qui permet la dissolution de l'oxygène; - ils garantissent, du fait de l'effet de rinçage dû à l'air introduit, l'élimination des produits gazeux du métabolisme. Parmi ces trois fonctions, la plus critique est celle qui garantit l'alimentation en oxygène. Plus la consommation d'oxygène par les micro-organismes est importante, plus il faut d'air et plus il faut de disper- sion ou d'agitation intense pour obtenir la présence d'un excès d'oxygène, ce qui est en outre une cause très importante d'augmentation des coûts et une raison pour laquelle on a cherché depuis longtemps une possibilité de réduire ces facteurs d'augmentation des coûts. Des solutions ont été trouvées qui répondent en partie à cette attente et présentent des possibilités limitées d'applica- tions. Parmi ces solutions, on peut citer le principe de la pompe mammouth dans lequel l'agitateur est entouré d'un tuyau de diamètre important, débouchant au-dessus du niveau du liquide, de l'air étant introduit par le bas du tuyau et en-dessous de l'agitateur. C'est selon le même principe que travaille le "réacteur à boucles d'air ascensionnelles" mais sans utilisation d'agitateur. Dans ces applications, on peut déplacer le liquide avec une faible consommation d'énergie et on peut garantir une relative abondance d'oxygène à l'inté- rieur du tuyau, cependant le jus de fermentation quittant l'extrémité supérieure du tuyau doit parcourir un espace mort non aéré relativement long avant de revenir dans le tuyau, ce que peu de jus de fermentation peuvent supporter sans dommage. Il paraît avantageux d'effectuer l'aération à l'aide de jets de liquide de façon à faire circuler la liqueur de fermentation par une pompe et un circuit extérieur de telle sorte que la pompe aspire la jus de fermentation depuis la partie inférieure du fermenteur et le ramène à la partie supérieure du fermenteur sous la forme d'un jet à une pression de plusieurs atmosphères (réacteur à jet). Lorsque le jet de liquide parcourt l'espace aéré existant à la partie supérieure du dispositif, il absorbe suffisamment de gaz pour que dans la culture contenue dans le fermenteur soit présent un excès d'oxygène. De cette façon, les consommations spécifiques d'énergie sont très favorables mais les surcoûts d'investis- sement ne peuvent être couverts'que lorsqu'il s'agit de nouvelles installations et lorsque les fermenteurs présentent des dimensions particulières. Dans le but de diminuer les besoins spécifiques en énergie, on a mis au point ce que l'on appelle les "tours" de fermentation constituées d'un tuyau horizontal circulaire replié sur lui-même dans lequel le liquide se déplace en cercle et de haut en bas. L'espace relativement important réservé à l'air et la faible pression hydrostatique garantis- sent des conditions avantageuses d'alimentation en oxygène, mais ce dispositif présente l'inconvénient que les surcoûts d'investissement ne peuvent être couverts que pour une nouvelle installation dont l'encombrement est par ailleurs très important. (A. EINSELE.SWISS BIOTECHN: 46/1986 p.21-24)-. Aucune des solutions mentionnées n'est donc apte à diminuer, pour des coûts raisonnables, les besoins en énergie des fermenteurs déjà existants. L'invention repose sur la constatation que l'on peut améliorer l'alimentation en oxygène en réitérant la dispersion de l'air insufflé. Dans les dispositifs de l'art antérieur, la principale raison de la faible efficacité de l'alimentation en oxygène est en fait due au phénomène physique selon lequel l'air dispersé par les agitateurs se réagglomère rapidement, ce qui diminue l'interface liquide-gaz et a pour conséquence un ralentissement de l'échange gazeux. Cette réagglomération n'est pas essentiellement influencée par les agitateurs disposés au- dessus de l'agitateur le plus bas, car une fraction seulement des bulles d'air parvient dans la zone d'agitation active de ces agitateurs et les autres échappent à l'agitateur sans être sensiblement redispersées ou bien elles s'échappent le long de la paroi intérieure du réservoir. Le but de l'invention est donc de créer un dispositif de culture aérobie de micro-organismes permettant en même temps de réduire les besoins en énergie et d'augmenter l'alimentation en oxygène, ce dispositif pouvant en outre être incorporé après coup dans les installations déjà existantes. Ce problème est résolu selon l'invention du fait que le dispositif de fermentation comporte, entre deux agitateurs voisins, un écran de guidage en forme d'entonnoir retourné, ouvert en haut et en bas, avantageusement conique, dont la circonférence extérieure de la bordure inférieure est plus petite que la circonférence intérieure de la cuve cylindrique. Il est avantageux que le dispositif de fermentation, comporte entre tous les entonnoirs et les agitateurs correspon- dants et intercalé entre ceux-ci, à chaque fois un anneau déflecteur dont la périphérie extérieure est au contact de la paroi intérieure du réservoir cylindrique du dispositif et la périphérie intérieure des anneaux déflecteurs est identique ou inférieure à la circonférence extérieure du bord inférieur de l'entonnoir se trouvant au-dessus de l'anneau déflecteur. L'entonnoir est avantageusement tronconique et son angle de cône est compris entre 900 et 1200. L'entonnoir selon la présente invention rassemble l'air dispersé par l'agitateur disposé le plus en bas et se trouvant ensuite en voie de réagglomération et il amène les bulles d'air dans la zone d'agitation active de l'agitateur se trouvant juste au-dessus, de telle sorte que les bulles d'air sont à nouveau complètement dispersées. Ce processus se répète autant de fois qu'il y a d'agitateurs dans le réservoir. Cette dispersion multiple permet d'assurer la même alimentation en oxygène avec moins d'air que dans un fermenteur de l'art antérieur ou bien d'assurer avec une quantité d'air identique une meilleure alimentation en oxygène que dans les fermenteurs de l'art antérieur. On peut améliorer dans une grande mesure la fonction de rassemblement de l'air de l'entonnoir si, endessous de chaque entonnoir et au-dessus de chaque agitateur qui se trouve en-dessous de lui, on dispose chaque fois un anneau déflec- teur. Ceci empêche "l'échappement" de l'air le long de la paroi cylindrique du réservoir tout en n'empêchant pas en même temps le déplacement du liquide ou de la liqueur de fermentation dans la direction verticale. Etant donné que l'utilisation des entonnoirs et des anneaux déflecteurs permet de définir exactement le trajet parcouru par l'air sans empêcher en même temps le déplacement du liquide en direction verticale, on peut garantir une homogénéité parfaite entre les divers secteurs séparés par des entonnoirs. La solution selon la présente invention apporte encore un autre avantage. Il est connu que, dans un liquide, on peut diminuer l'énergie nécessaire pour faire tourner un agitateur à une vitesse donnée si, en-dessous de l'agitateur, on insuffle un gaz, par exemple de l'air, car le système gaz-liquide hétéro-dispersé offre à l'agitateur une résistance plus faible que le liquide seul. Dans les fermenteurs de l'art antérieur, l'air n'est introduit qu'en-dessous de l'agitateur inférieur de telle sorte que seul le déplacement de cet agitateur est facilité. Les autres agitateurs se déplacent dans un milieu moins chargé en air et consomment donc une quantité d'énergie plus importante. Dans le dispositif selon la présente invention, tous les agitateurs tournent dans un système liquide-gaz hétéro-dispersé créant des conditions de moindre consommation en énergie sans que l'on ne soit obligé d'amener séparément de l'air aux divers agitateurs. Ceci est rendu possible grâce aux enton- noirs disposés entre les agitateurs et grace aux anneaux déflecteurs disposés entre ces entonnoirs. 26 16443 L'invention sera expliquée plus en détail à l'aide d'un exemple de réalisation représenté sur le dessin o la figure unique représente le dispositif selon la présente invention, schématiquement en coupe longitudinale. Comme il ressort de la figure, le dispositif selon la présente invention est constitué d'un réservoir 1 ou cuve cylindrique à double paroi fermé à ses deux extrémités, en haut et en bas, par des hémisphères. La paroi du réservoir 1 comporte en bas un orifice 2 d'arrivée d'air et en haut un orifice 3 d'évacuation d'air. De même, la paroi du réservoir 1 est en bas, traversée par un orifice 25 d'introduction de vapeur et en haut, par un orifice 26 d'évacuation de vapeur. En outre, le réservoir 1 comporte en haut au moins un raccord 22 d'introduction de produit et en bas au moins un raccord 23 de prélèvement d'échantillon. Sur la paroi du réservoir 1, en-dessous du niveau 21 du liquide, se trouve au moins un poste de mesure 24. Le réservoir cylindrique 1 peut être refroidi par du liquide froid introduit dans la double paroi ou être chauffé par injection de liquide chaud ou de vapeur. Au milieu du corps 1 est monté un arbre rotatif 4 sur lequel, dans le mode de réalisation représenté, sont fixés trois agitateurs 5, 6, 7. Entre l'agitateur 5 situé le plus bas et l'agitateur 6 se trouvant au- dessus de lui, est disposé un écran de guidage en forme d'entonnoir retourné 8 et, entre l'agitateur 6 et l'agitateur 7 se trouvant au-dessus de lui, est disposé un entonnoir similaire 9. Les entonnoirs 8 et 9 sont coniques, avantageusement tronconiques. L'angle de cône alpha est compris entre 900 et 1200. Le tronc de cône est ouvert en haut et en bas de façon à laisser libre entre l'arbre 4 et l'entonnoir 8 un orifiçe annulaire 10 et entre l'arbre 4 et l'entonnoir 9 un orifice annulaire 11. Entre la circonférence extérieure 12 du bord inférieur de l'entonnoir 8 ou entre la circonférence extérieure 13 du bord inférieur de l'entonnoir 9 et la paroi intérieure du réservoir cylindrique 1, restent libres des espaces annulai- res 14 de largeur b, étant donné que la circonférence exté- rieure 12 ou 13 du bord inférieur de l'entonnoir 8 ou de 6 16443 l'entonnoir 9 est inférieure à la circonférence intérieure de la paroi du réservoir cylindrique 1. La largeur b que l'on donne à l'espace 14 dépend de la consistance de la matière se trouvant dans le fermenteur et pour une substance plus épaisse, on donne à la largeur b de l'espace 14 une valeur - plus importante. L'angle de c8ne alpha de l'entonnoir 8 ou 9 est de même déterminé par la consistance de la substance se trouvant dans le fermenteur. Entre l'entonnoir 8 et l'agitateur 5 qui se trouve en-dessous de lui ou bien entre l'entonnoir 9 et l'agitateur 6 qui se trouve en-dessous de lui, est prévu, à chaque fois, un anneau-déflecteur correspondant 15 ou 16. La périphérie extérieure de ces anneaux déflecteurs 15 ou 16 est au contact de la paroi intérieure du réservoir cylindrique 1 ou, comme dans le mode de réalisation représenté, elle y est fixée. La circonférence intérieure 17 de l'anneau déflecteur 15 ou la circonférence intérieure 18 de l'anneau déflecteur 16 est respectivement identique ou inférieure à la circonférence extérieure 12 du bord inférieur de l'entonnoir 8 se trouvant au-dessus de lui ou à la périphérie extérieure 13 de l'enton- noir 9 se trouvant au-dessus de lui. La largeur c des anneaux déflecteurs 15 et 16 dépend également de la consistance de la matière se trouvant dans le fermenteur. L'écartement 19 entre l'anneau déflecteur 15 et l'entonnoir 8 et l'écartement 20 entre l'anneau déflecteur 16 et l'entonnoir 9 dépendent également de la consistance de la substance se trouvant dans le fermenteur. La figure unique ne représente qu'un seul exemple de réalisation du dispositif selon la présente invention mais on peut faire varier à volonté la forme et les dimensions des entonnoirs et des anneaux déflecteurs ainsi que leur relation l'un par rapport à l'autre. Le dispositif selon la présente invention fonctionne de la façon suivante: l'air pénétrant dans le bas du réservoir par l'orifice d'introduction d'air est dispersé par l'action de l'agitateur 5 dans le liquide remplissant le réservoir jusqu'au niveau 21. L'air déjà dispersé une fois et en voie de réagglomération est ramené par l'anneau déflecteur 15 et l'entonnoir 8 dans la zone d'agitation active de l'agitateur 6 immédiatement voisin, de telle sorte que cet air est à nouveau parfaitement dispersé. De même, les bulles d'air tendant à se réagglomérer sont ramenées par l'anneau déflecteur 16 et l'entonnoir 9 dans la zone d'agitation active de l'agitateur 7 o elles sont à nouveau dispersées. Dans un essai, on a comparé l'oxydation de sulfite ou la quantité d'oxygène consommée pendant l'oxydation dans le milieu aqueux dans un fermenteur modèle agité sur trois niveaux et on a réalisé l'agitation une fois en utilisant les entonnoirs et les anneaux déflecteurs et une autre fois sans les utiliser. Les données sont indiquées dans le tableau suivant pour une aération de 1/0,4. Teneur en O2 en % dans l'air sortant Tours/mn avec entonnoirs sans entonnoir et anneaux ni anneaux déflecteurs déflecteurs 335 16,5 18,5 390 14,9 16,5 500 13,1 14,2 Il ressort du tableau que, pour une même section, en utilisant des anneaux déflecteurs 15 et 16 et des entonnoirs 8 et 9, on absorbe une plus grande quantité d'oxygène à partir de l'air insufflé présentant une teneur en oxygène de 21%. De la même façon, on a constaté une variation des valeurs pour d'autres conditions d'aération. On a également mesuré la consommation d'énergie. Dans le système de contr8le étudié, la diminution de l'énergie absorbée était presque de 30% mais ce chiffre peut être fortement influencé par la structure du dispositif, c'est-à-dire la forme géométrique, les dimensions et le nombre des éléments de déflexion. Une optimisation de la structure permettrait encore d'autres économies d'énergie importantes. Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés, mais elle est susceptible de nombreuses variantes accessibles à l'homme de l'art sans que l'on ne s'écarte de l'esprit de l'invention REVENDICATIONS 1.- Dispositif de fermentation pour culture aérobie de micro-organismes, ce dispositif étant constitué d'une cuve cylindrique à double paroi susceptible d'être chauffée et refroidie, fermée par des extrémités hémisphériques, cette cuve comprenant un arbre tournant sur lequel sont montés au moins deux agitateurs et un orifice d'admission d'air, un orifice d'évacuation d'air et au moins un raccord d'introduc- tion, un raccord de prise d'échantillon et au moins un poste de mesure, caractérisé en ce que il comporte, entre deux agitateurs voisins (5, 6, 7) , un écran de guidage (8, 9) en forme d'entonnoir retourné, ouvert en haut et en bas, avantageusement conique, dont la circonférence extérieure (12, 13) de la bordure inférieure est plus petite que la circonférence intérieure de la cuve cylindrique (1). 2.- Dispositif de fermentation selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte entre tous les entonnoirs (8, 9) et les agitateurs (5, 6, 7) correspondants et intercalé entre ceux-ci, à chaque fois, un anneau déflecteur (15, 16) dont la périphérie extérieure est au contact de la paroi inté- rieure du réservoir cylindrique (1) du dispositif et la périphérie intérieure (17, 18) est identique ou inférieure à la circonférence extérieure (12, 13) du bord inférieur de l'entonnoir (8, 9) se trouvant au-dessus de l'anneau déflec- teur (15, 16). 3.- Dispositif de fermentation selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les entonnoirs (8, 9) sont tron- coniques et en ce que leur angle de c8ne (alpha) est compris entre 90 et 1200.