Brevet FR2667076A1 — publié le 19920327

La présente invention concerne un procédé et un appareil pour la fabrication d'un aminoacide par fermentation dans lesquels la solution de fermentation contenant les cellules bactériennes est recyclée pour l'utilisation dans une production continue d'amino- acide par fermentation. Des procédés tels que l'introduction supplémentaire de sucre et une alimentation suffisante en oxygène selon la demande des cellules bactériennes ont été proposés par exemple pour amélio- rer la production par fermentation d'un aminoacide tel que l'acide glutamique Cependant, aucun de ces procédés n'a été capable d'at- tiendre une production fortement accrue, car une diminution de la densité de cellules et un abaissement de la capacité de production de l'aminoacide se produisent pendant la dernière partie du procédé de fermentation. En conséquence, la demanderesse a proposé un procédé (procédé de culture en continu) qui est fondamentalement caracté- risé par le prélèvement d'une partie de la solution de fermentation d'un fermenteur, sa séparation dans un séparateur de cellules en une solution contenant des cellules bactériennes et une solution ne contenant pas de cellules bactériennes et le recyclage de la pre- mière solution au fermenteur (demande de brevet japonais mise à o l'inspection publique N 48394/1987). Ce procédé continu de culture a présenté un degré très élevé de productivité pendant son stade expérimental, en comparai- son avec n'importe quel procédé connu. Cependant, il a été difficile de mettre en oeuvre ce pro- cédé avec succès sur une grande échelle, contrairement à son stade expérimental pendant lequel il était mis en oeuvre à une petite échelle et ne présentait aucun problème. Le procédé de culture en continu fait essentiellement appel à la circulation de la solution de fermentation d'un fermen- teur à un séparateur de cellules et du séparateur de cellules au fermenteur et en conséquence l'utilisation de divers types de pompes pour sa circulation L'une des pompes est une pompe à tube. Cependant il n'y avait pas de pompe à tube disponible pouvant faire circuler facilement une grande quantité de la solution de fermen- tation lorsque le procédé est mis en oeuvre à l'échelle industriel- le, bien qu'il y ait une pompe à tube qui est utile lorsque le procédé est mis en oeuvre expérimentalement à petite échelle. La fabrication d'un aminoacide par fermentation tel que l'acide glutamique ou la lysine est une fermentation aérobie qui fait appel à l'aération et à l'agitation et donne une solution de fermentation contenant une grande quantité de bulles Ces bulles produisent la cavitation dans n'importe quel type de pompe autre que la pompe à tube et ne permettent pas la circulation facile de la solution de fermentation. En conséquence, il était impossible jusqu'à présent de mettre en oeuvre le procédé de culture en continu avec succès à l'échelle industrielle, dans la mesure o il n'y avait pas d'autres alternatives que d'utiliser une pompe autre qu'une pompe à tube et qui comporte le prob Lème de cavitation par les bulles. Ces bulles créent une grande résistance à la circulation de la solution dans une conduite et abaissent également la capacité du séparateur de cellules s'il est du type centrifuge. Un objet de l'invention est de surmonter les problèmes indiqués précédemment et de proposer un procédé et un appareil permettant de mettre en oeuvre à l'échelle industrielle la culture en continu pour la fabrication d'un aminoacide par fermentation. L'objet ci-dessus est atteint par un séparateur de bulles disposé entre le fermenteur et les moyens de circulation pour sépa- rer autant que possible les bulles de la solution de fermentation avant qu'elles soient introduites dans les moyens de circulation. Plus particulièrement, le procédé de l'invention pour la production d'un aminoacide par fermentation est un procédé compre- nant une étape de fermentation pour la production d'un aminoacide par fermentation à partir au moins de cellules bactériennes et d'un milieu de culture dans un fermenteur et une étape de séparation de cellules pour séparer dans un séparateur de cellules la solution de fermentation en une solution contenant des cellules bactériennes et une solution ne contenant pas de cellules bactériennes, la solution contenant les cellules bactériennes étant recyc Lée du séparateur de cellules au fermenteur par les moyens de circulation pour effectuer en continu la production de l'aminoacide par fermentation et carac- térisé en ce que les bulles sont séparées de la solution de fermen- tation par un séparateur de bulles avant l'introduction de la solu- tion dans les moyens de circulation et le séparateur de cellules. L'appareil selon l'invention pour la production d'un aminoacide par fermentation comprend un fermenteur pour contenir au moins les cellules bactériennes et un milieu de culture et produire un aminoacide par fermentation, un séparateur de cellules pour séparer la solution de fermentation soutirée du fermenteur en une solution contenant les cellules bactériennes et une solution ne contenant pas de cellules bactériennes, des moyens de circulation pour recycler La solution contenant les cellules bactériennes du séparateur de cellules au fermenteur et un séparateur de bulles disposé en amont des moyens de circulation et du séparateur de cellules pour séparer les bulles de la solution de fermentation. Le séparateur de bulles est prévu pour séparer les bulles de la solution de fermentation quittant le fermenteur et contenant des bulles et il est donc situé en amont des moyens de circulation et du séparateur de cellules Il est situé de préférence près de l'orifice de sortie du fermenteur pour la solution de fermentation pour réduire la résistance à son écoulement dans la conduite. Le séparateur de bulles peut être de n'importe lequel de divers types, par exemple d'un type qui utilise la tendance des bulles à monter à la surface de la solution de fermentation et per- met le passage du gaz dans l'atmosphère, ou bien d'un type qui place la solution de fermentation sous pression réduite. La solution de fermentation quittant le séparateur de bulles ne contient pas plus de 15 % de bulles, ou de préférence pas plus de 10 %. Le gaz formant les bulles qui ont été séparées par le séparateur de bulles peut être déchargé directement par des moyens d'aspiration, ou bien peut être déchargé par des moyens d'aspira- tion sur le fermenteur en même temps que Le gaz qui a été produit dans le fermenteur. Le fermenteur dans lequel a lieu la production d'amino- acide par fermentation comporte une entrée pour les cellules bacté- riennes et un milieu de culture et une sortie pour la solution de fermentation et il comporte également un mécanisme de rég Lage de température, un mécanisme pour l'aération de la solution de fermen- tation, un mécanisme de réglage du p H etc IL peut en outre être muni d'un dispositif d'agitation et de divers instruments tels que des dispositifs de mesure pour mesurer les concentrations d'oxygène dissous, de substrat, de constituants du milieu de culture et de l'aminoacide et une jauge de niveau du liquide. Le fermenteur peut être de n'importe quelle forme, par exemple une forme cylindrique ou une forme de boîte Il est possi- ble d'utiliser n'importe quel fermenteur connu. Le séparateur de cellules peut être de n'importe lequel de divers types s'il peut séparer une solution contenant des cellu- les bactériennes d'une solution ne contenant pas de cellules bacté- riennes Il peut, par exemple, être du type qui se fonde sur la séparation par filtration ou la séparation centrifuge Il est ce- pendant nécessaire de garantir que les cellules bactériennes ne soient pas chauffées à une température élevée pendant la sépara- tion Un séparateur centrifuge continu peut être utilisé comme séparateur de cellules préféré pour le procédé de l'invention, mais s'il est du type qui provoque le chauffage des cellules pen- dant leur séparation, il est nécessaire de refroidir la solution de fermentation avant la séparation des cellules bactériennes. Les moyens de circulation sont destinés à faire circuler la solution de fermentation contenant les cellules bactériennes entre le fermenteur et le séparateur de cellules et peuvent être, par exemple, une pompe à hélice Les moyens de circulation peuvent être situés dans un parcours de circulation ou à l'intérieur du séparateur de cellules. La souche bactérienne qui est utilisée pour les buts de cette invention peut être n'importe laquelle des souches qui sont ordinairement utilisées pour la fabrication d'un aminoacide par fermentation Si l'on doit produire, par exemple, l'acide L- glutamique, il est possible d'utiliser n'importe quelle souche qui est ordinairement utilisée à cet effet, telle que Brevibacte- rium lactofermentum ATCC 13869, Brevibacterium favum ATCC 14067, ou Corynebacterlum glutamicum ATCC 13032. Il est possible d'utiliser n'importe quel milieu de cul- ture connu selon l'aminoacide à produire Si l'on doit produire l'acide glutamique, il est possible d'utiliser le glucose, le sac- charose, la mélasse, l'hydrolysat d'amidon, l'éthanol, un acide organique, un hydrocarbure ou toute autre substance connue utilisée comme source de carbone pour la production d'acide glutamique par fermentation. Le milieu de culture peut en outre contenir une source d'azote telle que sulfate d'ammonium, nitrate d'ammonium, chlorure d'ammonium, ammoniac, urée ou un aminoacide; un sel inorganique tel que dihydrogénophosphate de potassium, hydrogénophosphate dipo- tassique, dihydrogénophosphate de sodium, sulfate de magnésium ou un sel de fer ou de manganèse; un nutriment organique tel qu'hy- drolysat de protéine de soja, biotine ou un de leurs dérivés, un acide gras ou un de ses esters, la pénicilline ou un de ses dérivés etc Des exemples d'acides gras qu'il peut contenir sont les acides gras supérieurs saturés en C 12-C 18 et des exemples d'esters d'acides gras sont les esters de glycérol, de sorbitane, de saccha- rose et de polyéthylèneglycol. Selon le procédé et L'appareil de cette invention pour la production de l'aminoacide par fermentation, le séparateur de bulles sépare les bulles de la solution de fermentation quittant le fermenteur et contenant des bulles de sorte que la solution ne con- tenant "qu'une faible quantité de bulles" puisse atteindre les moyens de circulation et le séparateur de cellules et que les moyens de circulation puissent soutirer et envoyer la solution de fermentation de manière efficace sans qu'il y ait de cavitation. Le procédé et l'appareil de l'invention sont maintenant décrits au moyen d'un exemple en référence aux dessins annexés dans lesquels: la figure 1 représente schématiquement un appareil pour la production d'un aminoacide par fermentation; la figure 2 représente une vue en coupe d'un séparateur de bulles; et la figure 3 représente schématiquement une vue fragmen- tiare d'une autre forme de réalisation du séparateur de bulles. Dans la figure 1, l'appareil selon l'invention comprend un fermenteur 1 pour la production d'un aminoacide par fermenta- tion, un séparateur de bulles 2 pour séparer les bulles de la solu- tion de fermentation arrivant du fermenteur 1, un séparateur de cellules 3 pour séparer la solution de fermentation arrivant du séparateur de bulles 2 après la séparation des bulles en une solu- tion contenant des cellules bactériennes et une solution ne conte- nant pas de cellules bactériennes. Un tube d'échappement 4 est branché au sommet du fermen- teur 1 et un tube 6 au fond de celui-ci pour recevoir et délivrer la solution de fermentation. Un tube (non représenté) pour l'alimentation en milieu de culture et en cellules bactériennes et un tube à air (non -repré- senté) pour l'alimentation en oxygène sont également branchés au fermenteur 1 Une pale d'agitation (non représentée) est prévue dans le fermenteur 1 pour agiter la solution de fermentation. Le séparateur de bulles 2 est de construction cylindrique verticale et comporte une entrée 7 et une sortie 8 pour la solution de fermentation dans son fond et un orifice d'échappement 9 à son sommet comme représenté à la figure 2 Une cloison 10 s'étend du fond du séparateur de bulles 2 à sa partie moyenne et divise ap- proximativement sa moitié inférieure en une chambre ascendante 11 et une chambre descendante 12 L'entrée 7 est reliée à la conduite 6 et une conduite d'échappement 13 est reliée entre l'orifice d'échappement 9 et la conduite d'échappement 4 Le fermenteur 1, la conduite 6, le séparateur de bulles 2 et les conduites d'échap- pement 13 et 4 définissent un parcours de circulation. Le séparateur de cellules 3 comporte un orifice d'entrée (non représenté) par lequel arrive la solution de fermentation sortant du séparateur de bulles 2, un orifice de sortie des cellules (non représenté) à travers lequel est déchargée la solution contenant les cellules bactériennes et un orifice de sortie de la solution (non représenté) par lequel est déchargée la solution ne contenant pas de cellules bactériennes Une conduite 14 est reliée à l'orifice de sortie 8 du séparateur de bulles 2 pour la solution de fermentation et à l'orifice d'entrée du séparateur de cellules 3 La conduite de retour 15 des cellules bactériennes est reliée à l'orifice de sortie des cellules du séparateur de cellules 3 et au sommet du fermenteur 1 Une conduite 16 est reliée à l'orifice de sortie de la solution du séparateur de cellules 3 et à un appareil de séparation et purification de l'aminoacide (non représenté) Ainsi, le fermenteur 1, la conduite 6, le séparateur de bulles 2, la conduite 14, le séparateur de cellules 3 et la conduite 15 de retour des cellules bactériennes définissent un parcours de circulation. Le séparateur de bactéries 3 contient à l'intérieur une pompe (non représentée) comme moyens de la circulation pour la cir- culation de la solution de fermentation sur le parcours de circu- lation. On décrira maintenant un procédé pour la production d'un aminoacide par fermentation qui peut être mis en oeuvre en utili- sant l'appareil décrit précédemment. Un milieu de culture et des cellules bactériennes sont introduits dans le fermenteur 1, maintenus à une température appro- priée et agités avec l'agitateur pour provoquer la fermentation, tandis que l'air est introduit dans le fermenteur 1 Le séparateur de cellules 3 est mis en marche et la pompe soutire la solution de fermentation du fermenteur 1 par la conduite 6, le séparateur de bulles 2 et la conduite 14 et en renvoie une partie du séparateur de cellules 3 au fermenteur 1. La solution de fermentation est introduite du fermenteur 1 au séparateur de bulles 2 par la conduite 6 Elle pénètre dans la chambre ascendante 11, s'élève progressivement et s'écoule par dessus la cloison 10 dans la chambre descendante 12 A mesure qu'elle s'élève dans la chambre ascendante 11, les bulles qu'elle contient flottent à la surface de la solution dans le séparateur de bulles 2 et le gaz formant les bulles passe dans l'espace supérieur libre dans le séparateur de bulles 2 Le gaz quittant le séparateur de bulles 2 s'écoule éventuellement dans la conduite d'échappement 4 et il est déchargé avec le gaz du fermenteur 1. La solution de fermentation s'écoulant dans la chambre descendante 12 est pratiquement exempte de bulles Elle descend progressivement, quitte le séparateur de bulles 2 par l'orifice de sortie 8 et pénètre dans le séparateur de cellules 3 par la conduite 14 Dans le séparateur de cellules 3, elle est séparée en une solution contenant les cellules bactériennes et une solution ne contenant pas de cellules bactériennes La solution contenant les cellules bactériennes est renvoyée au fermenteur 1 par la conduite de retour des cellules bactériennes, tandis que la solution ne contenant pas de cellules bactériennes est introduite par la con- duite 16 dans l'appareil de séparation et purification de l'amino- acide. Les cellules bactériennes contenues dans la solution ren- voyée du séparateur de cellules 3 au fermenteur 1 contribuent à nouveau à la production de l'aminoacide par fermentation. Dans la forme de réalisation du séparateur de bulles, représentée à la figure 3, le séparateur de bulles comprend un corps cylindrique incliné 21 ayant une extrémité supérieure communiquant avec l'orifice de sortie du fermenteur pour la solu- tion de fermentation. Ce séparateur de bulles sépare progressivement les bulles de la solution de fermentation à mesure qu'elle descend de son extrémité supérieure à son extrémité inférieure. Les exemples suivants illustrent l'invention sans toute- fois en limiter la portée. Exemple 1 Fermenteur: Volume total: 100 m 3 (fermenteur du type représenté à la figure 1); Pression interne: 0,5 bar; Débit d'aération: 50 m 3/min; Charge: 50 m Pale d'agitation: aubes de turbine; Vitesse d'agitation: 100 tr/min; Séparateur de bulles: Séparateur de bulles cylindrique du type à type représenté dans les figures 1 et 2); Durée de séjour du produit de fermentation 10 min. séjour (du : environ Séparateur de cellules et moyens de circulation: un séparateur centrifuge dans lequel est monté une pompe (ALFA-LAVAL, Co, BTUX-510). Souche bactérienne: Brevibacterium lactofermentum ATCC 21798. Milieu de culture: Le tableau 1 représente les compositions de base du milieu d'ensemencement, du milieu principal et du milieu d'alimen- tation utilisés. Tableau 1: Compositions de base des milieux de culture Composants Saccharose Glucose (NH 4) 2504 KH 2 PO 4 Mg SO 4,7 H 20 Fe SO 4,7 H 20 Mn SO 4,7 H 20 Hydrolysat de protéines (en azote total) Vitamine B 1,H Cl Biotine Nicotinamide Silicone anti- mousse Unité g/dl g/dl g/dl g/dl g/dl g/dl g/dl mg/dl pg/ L pg/l mg/dl Ensemencement ,0 0,1 0,04 0,001 0,001 0,5 Principal 8,0 1,42 0,1 0,04 0, 001 0,001 0,5 Alimentation ,3 0,1 0,04 0,001 0,001 0,5 mg/dl 0, 005 0,005 0,005 mg/d L 0,005 0,005 0,005 IL résulte de la mise en oeuvre de l'invention dans les conditions énumérées ci-dessus qu'il était possible de réaliser une réduction de la teneur en bulles de la solution de fermentation de à 10 % et une augmentation de 1,5 fois ou plus de la capacité de circulation de la solution dans l'appareil. Exemple 2 Fermenteur: récipient fermenteur ayant un volume total de l. Débit d'aération: 30 L/min; Charge: 30 l; Pale d'agitation: aubes de turbine; Vitesse d'agitation: 600 tr/min. Séparateur de bulles: séparateur de bulles cylindrique ayant un volume total de 2 l; Durée de séjour: environ 10 min; Réduction des bulles: de 30 à 10 %. Séparateur de cellules: Dispositif ayant une membrane céramique. Moyens de circulation: pompe à liquide Souche bactérienne: Brevibacterium lactofermentum FERM-P 1844. Milieu de culture: On a utilisé des milieux de culture ayant les composi- tions indiquées dans les tableaux 2 et 3. Tableau 2 Milieu d'ensemencement Saccharose 2, 0 g/dl Acide phosphorique 0,1 g/dl Mg SO 4 0,04 g/dl Fe SO 4 0,001 g/dl Mn SO 4 0,001 g/dl Urée 0,3 g/dl 1 1 Tableau 2 (suite) Milieu d'ensemencement 0,2 Acétate d'ammonium Tyr KOH Hydrolysat de protéines (en azote total) Biotine Vitamine B 1,HCL Silicone antimousse 0,002 g/dl mg/dl mg/dl mg/dl pg/l mg/dl Stérilisation: à 120 C pendant 20 min Culture d'ensemencement: à 31,5 C sans réglage du p H. Tableau 3 Milieu principal Glucose 23 g/dl Mg SO 4 0,028 g/dl Mn 504 0,001 g/dl Acide phosphorique 0,09 g/dl Biotine 50 Pg/l Vitamine B 1,H Cl 2000 pg/l Hydrolysat de protéines (en azote total) 80 mg/dl Tyrosine 100 mg/dl KOH 70 mg/dl Silicone antimousse 0,002 ml/dl D'après la mise en oeuvre de l'invention dans les condi- tions énumérées ci-dessus, il était possible de réaliser la circu- lation stable de la solution de fermentation par la pompe à liquide a un débit de 3 1/h et la production stable d'une solution ne con- tenant pas de cellules bactériennes à un débit de 2,4 l/h Le pro- cédé produisait 0,8 g de phénylalanine par litre et par heure et doublait pratiquement la productivité du procédé classique. Lorsque l'on n'utilisait pas de séparateur de bulles, la cavitation se produisait dans la pompe et ne permettait pas la circulation stable de la solution. La séparation des bulles de la solution de fermentation par un séparateur de bulles installé en amont des moyens de circu- lation et du séparateur de cellules permet de mettre en oeuvre efficacement la production de l'aminoacide par fermentation à l'échelle industrielle, puisqu'il n'y a pas de diminution de la capacité des moyens de circulation ou du séparateur de cellules qui se produiraient autrement. REVENDICATIONS 1 Procédé pour la fabrication d'un aminoacide par fer- mentation comprenant une étape de fermentation pour la production d'un aminoacide par fermentation à partir au moins de cellules bac- tériennes et d'un milieu de culture dans un fermenteur et une étape de séparation des cellules pour séparer dans un séparateur de cel- lules la solution de fermentation soutirée dudit fermenteur en une solution contenant lesdites cellules bactériennes et une solution ne contenant pas de cellules bactériennes, ladite solution conte- nant lesdites cellules bactériennes étant mise en circulation dudit séparateur de cellules audit fermenteur par des moyens de circula- tion pour effectuer en continu la fermentation en aminoacide, caractérisé en ce que les bulles sont séparées de ladite solution de fermentation par un séparateur de bulles avant l'introduction de ladite solution de fermentation dans lesdits moyens de cir- culation et ledit séparateur de cellules. 2 Appareil pour la production d'un aminoacide par fer- mentation comprenant un fermenteur ( 1) pour contenir au moins les cellules bactériennes et un milieu de culture et produire un amino- acide par fermentation, un séparateur de cellules ( 3) pour séparer la solution de fermentation soutirée dudit fermenteur en une solution contenant-Lesdites cellules bactériennes et une solution ne contenant pas de cellules bactériennes, des moyens de circulation pour faire circuler ladite solution contenant lesdites cellules bactériennes dudit séparateur de cellules audit fermenteur et un séparateur de bulles ( 2) en amont desdits moyens de circula- tion et dudit séparateur de cellules ( 3) pour séparer les bulles de ladite solution de fermentation.