Brevet FR2645292A1 — publié le 19901005

Procédé et installation de régulation du pH d'un milieu réactionnel par électrodialyse L'invention concerne les procédés et installations de régulation du pH de milieux réactionnels insusceptibles d'être directement soumis à un processus d'électrodialyse. On peut notamment citer, cçntne exempies de tels milieux, ceux où se produit une fermentation ou une réaction enzymatique. Dans les réacteurs chimiques ou biochimiques, il est souvent nécessaire de maintenir le pH du .milieu réactionnel dans une plage donnée alors que ce pH tend à évoluer du fait de la réaction principale ou de réactions secondaires. Une solution courante consiste à apporter une solution de compensation, acide ou basique suivant le sens de variation du pH, au milieu réaction nel. Cet apport peut être commandé par une boucle de régulation dont l'organe d'entrée est une sonde de mesure du pH dans le réacteur. Cette solution est inacceptable lorsque le maintien de la réaction principale dans de bonnes conditions impose que non seulement le pH, mais aussi la force ionique du milieu conservent des valeurs determinées (ou dans une plage déterminée). Tout ajout de base ou d'acide provoque en effet la formation de sels et, en conséquence, augmente la force ionique du liquide. Il est par ailleurs souvent impossible de soumettre directement le milieu réactionnel à une électrodialyse. L'invention part de la constatation que, dans un bon nombre de cas de ce genre, le milieu réactionnel est constitué par une phase aqueuse et un produit à l'état dispersé lequel ne supporte pas I'électrodialyse. En conséquence, l'invention propose notamment un procédé de régulation du pH d'un tel milieu, suivant lequel on extrait sélectivement un débit de phase aqueuse du milieu réactionnel et on soumet ce débit dérivé à électrodialyse .dans un électrodialyseur à membrane échangeuse d'ions qui sépare cette phase aqueuse d'une solution correctrice dont la nature est choisie en fonction du sens d'évolution prévu pour le pH, le processus d'électrodialyse étant régulé pour maintenir le pH dans le réacteur à une valeur de consigne. L'invention propose également une installation permettant de mettre en oeuvre le procédé ci-dessus défini, comportant notamment des moyens d'extraction et de dérivation d'un débit de phase liquide et un électrodialyseur alimenté par ledit débit dérivé, ainsi qu'une boucle de régulation commandant l'électrodialyseur de façon à maintenir le pH dans le réacteur à une valeur de consigne. Les moyens permettant d'extraire et de dériver un débit de phase aqueuse seront généralement constitués par des moyens d'ultrafiltration comportant une paroi filtrante dont la porosité est choisie en fonction de la taille des particules du milieu réactionnel qui doivent rester dans le réacteur, afin d'éviter leur migration vers l'électrodialyseur. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d'un mode particulier de réalisation, donné å titre d'exemple non limitatif. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels - la Figure 1 est un schéma de principe d'une installation permettant de mettre en oeuvre l'invention ; - la Figure 2 est un schéma de principe d'un électrodialyseur utilisable dans l'installation de la. Figure 1. L'installation montrée en Figure 1 est destinée à maintenir à une valeur sensiblement constante le pH d'un milieu réactionnel 36 contenu dans un réacteur 38. Ce pH est mesuré par une sonde 39 commandant un circuit de régulation 40, qui peut être du type PID (proportionnelle-intégrale-dérivée) et dont la fonction sera indiquée plus loin. On supposera que le milieu réactionnel est constitué par une phase aqueuse contenant en suspension des particules qui doivent être soustraites à l'action de l'électrodialyse et sont séparables de la phase aqueuse par ultrafiltration. La régulation du pH utilise deux boucles en cascade. La première boucle est destinée à dériver le débit de phase aqueuse qui sera soumis à électrod-ialyse de modification du pH dans la seconde boucle. Elle comporte une pompe de circulation 42, qus prélève du milieu réactionnel au fond du réacteur 38 et l'envoie dans des moyens d'extraction de phase aqueuse constitués, dans le mode de réalisation illustré, par un filtre 44 à membrane ultrafiltrante 46. La sortie du compartiment du filtre parcouru par le milieu réactionnel est reliée au réacteur 38 par l'intermédiaire d'une vanne 48 de maintien dans le filtre 44 d'une pression déterminée, correspondant à un fonctionnement correct. La seconde boucle comporte le second compartiment du filtre 46. Ce compartiment reçoit le filtrat ayant traversé la membrane 46 d'ultrafiltration. Une pompe 50 envoie le filtrat dans un électrodialyseur 10 d'ajustage du pH dont la constitution sera décrite plus loin. La phase aqueuse, dont le pH a été modifié, revient au second compartiment du filtre 44. Une fraction est prélevée par une vanne 52 de retour au réacteur 38. Cette vanne 52 est réglée ou regulée pour laisser passer un débit compensant le débit de filtrat à travers la membrane d'ultrafiltration 46, pour une différence de pression entre compartiments compatible avec celle que peut supporter cette membrane. L'électrodialyseur 10 peut avoir la constitution montrée schématiquement en Figure 2. On supposera tout d'abord, à titre d'exemple, que le pH du milieu réactionnel 36 tend à diminuer au cours du temps par suite de la formation d'un acide de formule H+ X dans le réacteur. Dans ce cas, l'électrodialyseur 10 comporte, entre une anode 12 et une cathode 14 placées aux extrémités opposées d'une chambre, des membranes anioniques 16 et 18 délimitant des compartiments ou cellules ; les membranes 16 et 18 sont identiques. Le premier compartiment délimité par les membranes à partir d.e la cathode 14 et un sur deux des compartiments suivants appartiennent à un circuit de filtrat à traiter qui comporte une conduite d'arrivée de produit 20 et un collecteur 22 de filtrat dont le pH a été augmente par électrodialyse. Les compartiments intercalés entre les précédents appartiennent à un circuit de solution correctrice arrivant par une conduite d'amenée 24 et quittant l'électrodialyseur par une conduite de sortie 26, destiné à être parcouru par une solution de base forte M+ OH ; cette base peut notamment être la#so;ude NaOH ou la potasse KOH. Le circuit de solution correctrice comporte de plus une pompe de circulation 34 et un réservoir 32 de capacité suffisante pour que son appauvrissement en base M+ OH et son enrichissement en sel M+ X restent acceptables au cours du fonctionnement. Le réservoir peut d'ailleurs etre muni de moyens d'ajustage de la teneur en base au fur et a mesure des besoins, par ajout de base. L'électrodialyseur 10 représenté comporte de plus, de façon classique, deux compartiments terminaux de rinçage dans lesquels sont noyées les électrodes 12 et 14. Ces compartiments appartiennent à un circuit fermé parcouru par un électrolyte de rinçage ayant un bac de stockage 28 et une pompe à basse pression 30. Le fonctionnement de l'installation est le suivant : lors de la mise sous tension des électrodes de l'électrolyseur et du passage du courant à travers les cellules d'électrodialyse, il se produit des transferts anioniques schématises sur la Figure 2 : - il y a transfert d'ions X', à travers les membranes 16, de chaque compartiment parcouru par le filtrat vers le compartiment adjacent parcouru par la solution correctrice - il y a transfert d'ions OH', à travers les membranes 18, de chaque compartiment parcouru par la solution correctrice vers le substrat dans le compartiment adjacent. En conséquence de ces transferts anioniques, il y a appauvrissement du filtrat en acide H+ X avec formation corrélative d'eau ; dans chaque compartiment parcouru par la solution correctrice, il y a enrichissement en sel N+ X aux dépens de la base M+ OH', de sorte que le pH tend à diminuer. Le transfert anionique est fonction des concentrations dans les compartiments et de la tension appliquée aux électrodes 12 et 14 de l'électrodialyseur, qui agissent sur la densité de courant à travers les membranes échangeuses d'anions 16 et 18. La tension appliquée peut être commandée par le circuit de régulation 40 qui commande la tension fournie par un générateur d'alimentation 56 réglable. Si au contraire la réaction chimique cu biochimique tend à augmenter le pH du milieu réactif, ltelectrodialyseur à utiliser comportera uniquement des membranes échangeuses de cations et la solution correctrice sera une solution d'acide H+ X'. Cette fois, la mise sous tension des électrodes s'accompagnera de transferts cationiques qui provoquent - dans un compartiment parcouru par le filtrat, un appauvrissement en base M+ OPE', avec formation de H20, - dans un compartiment parcouru par la solution correctrice, la formation d'un sel M+ X- aux dépens d'un acide H+ X-. La régulation peut encore être effectuée comme dans le cas déjà illustré. Pour que le procédé soit mis en oeuvre dans de bonnes conditions, les membranes échangeuses d'électrodialyse doivent présenter à la fois une sélectivité élevée et une bonne résistance chimique. Lorsque notamment la solution correctrice doit être basique, la membrane peut avantageusement être perfluorée dont la constitution et le mode de fabrication sont décrits dans la demande de brevet 89 00115 de la demanderesse. -De telles membranes présentent en effet une grande stabilité aux pH élevés et une grande sélectivité aux ions hydroxyles par rapport aux ions X- Les divers moyens constitutifs de l'installation peuvent être de nature classique. En particulier, le circuit de régulation 40 peut être d'un type couramment disponible dans l'industrie. La vanne 52 peut elle-même être commandée par un circuit de régulation dont l'organe d'entrée est un capteur de niveau ou un capteur de pression. REVENDICATIONS 1. Procédé de régulation du pH d'un milieu réactionnel insusceptible d'être directement soumis à un processus d'électrodialyse, caractérisé en ce qu'on extrait sélectivement un débit de phase aqueuse du milieu réactionnel et on soumet ce débit dérivé à électrodialyse dans un électrodialyseur à membranes échangeuses d'ions qui séparent la phase aqueuse d'une solution correctrice dont la nature est choisie en fonction du sens d'évolution prévu pour le pH, avant de ramener le débit dérivé au milieu réactionnel, le processus d'électrodialyseur étant régulé pour maintenir le pH dans le réacteur à une valeur de consigne. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, le pH du milieu réactionnel (36) tendant à diminuer au cours du temps par formation d'un acide de formule H+ X', on soumet le débit dérivé à électrodialyse dans un électrodialyseur (10) à membranes anioniques (16, 18), la solution correctrice étant une solution d'une base forte. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, le pH du milieu réactionnel (36) tendant à augmenter au cours du temps par formation d'une base de formule M+ OH', on soumet le débit dérivé à électrodialyse dans un électrodialyseur (10) à membranes (16, 18) échangeuses de cations et la solution correctrice est une solution acide. 4. Installation de régulation du pH d'un milieu réactionnel insusceptible d'être directement soumis à un processus d'électrodialyse, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens (44, 46) d'extraction et de dérivation d'un débit de phase liquide et un électrodialyseur (10) alimenté par le débit dérivé, ainsi qu'une boucle de régulation commandant l'électrodialyseur de façon à maintenir le pH dans le réacteur å une valeur de consigne. 5. Installation selon la revendication 4, caractérisée en ce que les moyens pour extraire et dériver un débit de phase aqueuse sont constitués par des moyens d'ultrafiltration comportant une paroi filtrante dont la porosité est suffisamment fine pour éviter la migration des particules du milieu réactionnel vers 1 'électrodialyseur. 6. lnstallation-selon la revendication 4 ou 5, caractérisée en ce que les moyens d'extraction et de dérivation sont insérés dans une boucle de circulation ayant une pompe (42) de prélèvement de milieu réactionnel et une vanne ( 48)de retour à un réacteur (38) contenant le milieu réactionnel, ladite vanne étant constit-#ée de façon à maintenir une pression déterminée dans les moyens d'extraction. 7. Installation selon la revendication 4, 5 ou 6, caractérisée en ce que le débit dérivé circule dans une boucle comportant une pompe de circulation (50) des compartiments de l'électrodialyseur (10) et lesdits moyens d'extraction, une vanne étarnt.prévue entre l'aval de l'électrodialyseur et le réacteur contenant-le milieu réactionnel pour retourner au réacteur un débit égal à celui qui est prélevé.