Brevet FR2686897A1 — publié le 19930806

La présente invention concerne un procédé continu de fabrication d'acides organiques par production de sels de ces acides par fermentation continue de sources de carbone fermentescibles et extraction continue desdits sels sous forme d'acide. Traditionnellement, les acides organiques sont produits sous forme de sels de sodium, ammonium ou calcium par fermentation discontinue d'une source de carbone fermentescible telle que la mélasse, le jus glucosé, etc. En fin de fermentation, les sels d'acide organiques sont séparés de la biomasse par filtration ou centrifugation puis précipités par addition de chaux et filtrés. L'acide organique est libéré par acidification par de l'acide sulfurique, le calcium étant précipité sous forme de sulfate de calcium puis retenu par filtration. Le filtrat contient environ 10% d'acide organique brut. Des traitements ultérieurs amènent cette solution d'acide organique à des degrés de purification divers. Ce procédé est caractérisé par un nombre important d'opérations lors des cycles de fermentation et d'extraction et par des volumes d'installations très importants. A ce jour, la bibliographie fait état de procédés fermentaires avec détoxification du milieu à l'aide de membranes de filtration conférant ainsi une augmentation de la biomasse dans le fermenteur. Cependant, aucun procédé ne décrit la production continue d'acides organique s par cette technique avec régénération en continu des membranes de filtration. Quant aux méthodes d'extraction existantes, une nouveauté apparaît avec l'électrodialyse. Cependant, cette technique est limitée à l'obtention de sels de sodium ou d'ammonium d'acides organiques et demande donc de convertir ces sels en acides par des techniques de précipitation ou d'échange d'ions. Le but à l'origine de la présente invention a été de définir le matériel approprié et de rechercher les conditions opératoires d'un procédé de production continu d'acides organiques tout en épuisant le milieu en substrat. Ce résultat est atteint, selon l'invention, grâce à un procédé du type dans lequel: 1) On effectue une stérilisation continue du milieu de fermentation avant d'alimenter en continu un réacteur de fermentation, 2) On effectue sur le moût de fermentation une opération de filtration d'élimination partielle d'agents inhibiteurs, réalisée de telle sorte que le perméat soutiré contient le sel d'acide organique produit avec épuisement total du substrat de fermentation. Le rétentat, constitué de la biomase retenue, est recyclé dans la cuve de fermentation. Le débit de circulation du moût de fermentation dans le système de filtration tangentielle est déterminé par la nature des membranes utilisées et le type de culture mis en oeuvre. 3) Pendant toute la durée de la phase de fabrication, le débit d'alimentation en sources carbonées reste constant. Le pH du milieu de culture est maintenu à une valeur rigoureusement constante par apport d'un agent neutralisant. Le débit de soutirage du perméat issu de la filtration du moût de fermentation est maintenu constant. Un taux de purge sur la biomasse recyclée dans le fermenteur est appliqué afin de maintenir l'âge moyen de la population à une valeur donnée. Cette dernière est caractérisée par la nature de l'acide organique produit et du microorganisme choisi. On réalise ainsi un compromis optimal entre l'épuisement en substrat carboné et l'activité métabolique.Le débit de purge de la biomasse est maintenu sensiblement constant à une valeur comprise entre 1 er 5 % du débit du perméat soutiré en cours de l'opération de filtrage tangentielle. 4) La durée d'utilisation d'une unité de filtration avant un nettoyage dépend aussi de la nature de l'acide organique produit et de la productivité appliquée au système. La mise en place de plusieurs unités de filtration en parallèle permet de nettoyer séquentiellement chaque unité sans perturber le processus de fabrication. Le nettoyage d'une unité n'entraîne aucune perturbation du régime stationnaire du système. 5) On effectue une décalcification totale du perméat de fermentation avant d'extraire l'acide organique du perméat de fermentation par électro-électrodyalise. 6) On extrait le sel de l'acide organique dans un électroélectrodyaliseur par application d'une tension aux bornes. La forme ionisée du sel passe au travers de la membrane anionique et piège un proton issu de l'anolyte pour former l'acide organique. Les cations associés au sel passent dans le catholyte en piégeant les hydroxydes produits par la décomposition de l'eau. Le temps de passage dans l'électro-électrodialyseur détermine le gradient de concentration entre le sel et l'acide. La normalité de la base accumulée dans le catholyte est contrôlée par un soutirage de celle-ci et une alimentation en eau ultrapure du bac contenant cette base. 7) La base formée dans l'électro-électrodyaliseur est recyclée dans le fermenteur comme agent neutralisant. 8) L'acide organique extrait est décoloré sur charbon actif, concentré puis purifié aux normes sur des résines appropriées à la nature de l'acide synthétisé. Chacune de ces conditions concourt aux résultats escomptés. L'alimentation continue en substrat, liée à un soutirage continu de la biomasse selon un ratio caractéristique de la souche utilisée et de la nature de l'acide produit, conduit à un état stationnaire stable et durable. Dans ces conditions , les nettoyages séquentiels des unités de filtration n'entraînent aucune modification de la composition du perméat soutiré. Notamment, la concentration en substrat sortant est très proche de zéro, voire nulle. L'invention vise, entre autres, l'application à la fabrication d'acide lactique, du type dans lequel on alimente le réacteur biologique, préalablement ensemencé, en substrat nutritif comportant une source de carbone telle que le glucose, le lactose ou le saccharose et un additif tel que l'extrait de levure et/ou le "corn steep liquor". L'ensemble est dilué dans de l'eau. L'acidification du milieu de fermentation par la conversion du substrat en acide lactique est contrôlée par ajout d'un agent neutralisant tel que l'ammonique et/ou la soude. Le perméat issu des unités de filtration tangentielle et contenant le lactate d'ammonium et/ou de sodium est décalcifié en vue d'une extraction électrochimique de l'acide lactique. Dans cette application, l'invention prévoit la combinaison des conditions opératoires suivantes a) pendant toute la durée de fabrication, on régule l'apport en ammoniaque (ou soude) pour maintenir le pH du milieu de culture à une valeur strictement constante, comprise entre 5,5 et 7,0. b) l'apport en substrat et le soutirage du perméat sont maintenus constants. Aucun recyclage du perméat n'est effectué dans le fermenteur. c) le débit de soutirage du perméat lié au volume réactionnel détermine le taux de dilution qui, compte-tenu des performances actuelles des membranes de filtration tangentielle, prend une valeur comprise entre 0,5 et lh-1. e) la décalcification du perméat se fait classiquement sur des résines chélatantes aisément régénérables à la soude ou à l'ammoniaque. f) le lactate d'ammonium et/ou de sodium décalcifié passe dans une cellule d'électro-électrodyalise où le sel de lactate passe sous forme d'acide lactique et où la base est récupérée. Cette dernière, régulée à une normalité donnée par ajout d'eau, est recyclée dans le fermenteur come agent neutralisant, g) les opérations ultimes de décoloration et de purification sont menées après concentration de l'acide lactique. Il convient en outre d'observer qu'en fin de cycle, seul le compartiment contenant le sel de l'acide organique et celui contenant l'acide organique extrait sont vidangés. Au surplus, la tension appliquée aux bornes de ltélectro-électrodialyseur reste constante pendant tout le cycle d'extraction. Il s'agit ici d'une adaptation du procédé précédemment décrit à une fabrication selon des modalités particulières exclusivement destinées à la fabrication d'acide lactique. Ce qui est décisif, c'est la détermination préalable de la concentration maximale du substrat entrant et le taux de purge, soit le taux de croissance, appliqué à la biomasse. Ainsi, on a pu établir que la productivité du système pendant trois mois, dans le cas d'une fabrication d'acide lactique par un Lactobacillus, atteint 30 g/l.h sur lactose et 35 g/l.h sur glucose avec des concentrations en sucres résiduelles inférieures à 0,1 g/l et un taux de croissance de 0,01 h-l. Des productivités de 80 g/l sont même atteintes, mais le coût énergétique et la fréquence de nettoyage des membranes actuellement mises sur le marché rendent le procédé inexploitable. Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description faite ci-après, en référence au dessin annexé, dont la figure unique représente une vue schématique d'une installation de fabrication d'acide organique selon l'invention. En se référant à la figure 1, un fermenteur 1 est alimenté d'une part en substrats nutritifs provenant d'un réservoir 3 au moyen d'une conduite 4 équipée d'une pompe 5 et d'un débimètre totalisateur 6, et d'autre part en agent neutralisant provenant d'un réservoir 7 par une conduite 8 équipée d'une pompe 9 et d'un débimètre totaliseur 10. Le fermenteur est également équipé d'une part d'une conduite de soutirage 11 incorporant des pompes 12a, 12b... aboutissant à des cellules de filtration tangentielle 13a, 13b... à membranes 17a, 17b..., et d'autre part d'une seconde conduite de soutirage 14 équipée d'une pompe 15 et d'un débimètre totalisateur 16. On observera que sur la figure 1 annexée, une seule unité de filtration a été représentée. La cellule de filtration 13 tout comme les organes qui lui sont associés, portent une référence numérique affectée de l'indice alphabétique a. L'installation selon l'invention peut comporter plusieurs unités de filtration précédemment décrites, qui seront montées en parallèle. Les parties correspondantes non représentées sont génériquement désignées par des références numériques identiques, affectées d'autres indices, b, c, etc. Au niveau des membranes 17a, 17b..., la sortie côté amont est raccordée par une conduite 18 incorporant un échangeur de chaleur 19 au fermenteur 1. La sortie côté aval des membranes 17a, 17b... est raccordée, par une conduite équipée de vannes modulables 20a, 20b... et d'un débimètre totalisateur 21, à un bac tampon 22. Un appareil de mesure de pH est raccordé à un régulateur 24 qui assure l'apport d'agent neutralisant par le biais de la pompe 9 de façon à maintenir le pH à une valeur constante qui peut être changée en cours de fabrication. Une sonde de mesure 25 de la température du moût de fermentation est raccordée à un régulateur 26 commandant soit une chauffe par le biais d'une résistance, soit un refroidissement par le biais de l'échangeur 19. Un capteur de niveau 28 est raccordé à un régulateur 29 commandant la position des vannes de sortie du filtrat 20a, 20b... de façon à assurer un volume de fermentation constant. Le perméat est prélevé de la cuve 22 par une conduite 30 équipée d'une pompe 31, étudiée pour alimenter une colonne échangeuse de cations 32, laquelle alimente un bac tampon 33 contenant alors le perméat décalcifié. Cette solution, par le biais d'une conduite 34 équipée d'une pompe 35, alimente un bac 36. Les quatre bacs 36, 41, 42 et 43 sont couplés à l'électro-électrodyaliseur 37 par des conduites équipées de pompes. L'électro-électrodialyseur 37 est mis sous tension constante par les bornes 52 et 53. La forme ionisée du sel de l'acide organique (R-COO-) passe à travers la membrane anionique 39 et capte un proton issu de l'anolyte à travers la membrane cationique 38 pour former l'acide organique qui est receuilli dans le bac 41. Le bac 42 contient l'anolyte constitué d'une solution aqueuse d'acide sulfurique qui, sous l'application de la tension, génère des protons et libère de l'hydrogène. Le bac 43 contient le catholyte constitué d'une solution aqueuse de soude et/ou d'ammoniaque qui s'enrichit de la base extraite de la solution de sel de l'acide organique par le biais de la membrane cationique 40. Ici aussi, la tension appliquée aux bornes de l'électroélectrodialyseur entraîne une hydrolyse de l'eau générant des ions hydroxydes et de l'oxygène. Dans le cas de fermentation aérobie, l'oxygène est recyclé dans le fermenteur. Un capteur 54 adapté à la mesure de la normalité de la base accumulée en 43 commande une alimentation en eau de ce bac, afin d'assurer une normalité constante de la solution basique. Le trop plein de cette solution est mené, par une conduite 56 équipée d'une pompe 57 au réservoir d'agent neutralisant 7. En fin de cycle, la solution d'acide organique 41 est menée via une conduite 44 équipée d'une pompe 45 à un bac d'alimentation de l'unité d'évaporation 58, lequel alimente les colonnes de décoloration 61 et de déminéralisation 62. Le fonctionnement de l'installation qui vient d'être décrite est le suivant Après une mise en régime de l'installation, la fabrication d'acide organique consiste à alimenter à débit constant le fermenteur 1 par une solution nutritive stérile provenant du bac 3. Tandis que le pH et la température sont automatiquement régulés, une mesure du volume du moût de fermentation commande l'action des vannes de sortie du perméat des unités de filtration tangentielle 13a, 13b.... Un soutirage constant est effectué au niveau du fermenteur 15. Pendant cette phase, la concentration en substrat entrant (So) chute à une valeur quasiment nulle par conversion en sel d'acide par les microorganismes présents dans le moût de fermentation. La concentration en biomasse reste constante. L'acidification du milieu déclenche l'apport d'agent neutralisant 7 dont la consommation est le reflet direct de la production d'acide organique et l'état métabolique des microorganismes. Pendant cette phase opératoire, il importe de contrôler régulièrement les concentraions en substrat, acide organique et en biomasse dont les valeurs doivent rester constantes et stables. Dans une deuxième phase du procéé, le perméat est décalcifié en 32 avant d'alimenter la cellule d'électroélectrodialyse. La mise en route de celle-ci s'effectue après avoir garni le bac 42 de l'anolyte constitué d'une solution d'acide sulfurique, le bac 43 du catholyte constituté d'une solution de base, le bac 41 d'une solution normale d'acide organique et le bac d'alimentation 36 de perméat décalcifié. Pendant le cycle d'extraction dont la durée dépend de la nature de l'acide, du taux d'épuisement choisi et de la surface de membrane mise en oeuvre, chaque bac tourne en boucle fermée, avec régulation de la normalité en base dans le bac 43. L'action d'une tension aux bornes de l'électroélectrodialyseur entraîne une migration d'ions de telle sorte que le bac 41 s'enrichit en acide, alors que le bac 36 s'appauvrit en sel d'acide organique. Un contrôle des opérations est assuré par une mesure des concentrations respectives en acide et en sel des bacs 41 et 36. En fin de cycle, le bac 36 est purgé avant de recevoir une nouvelle solution de perméat, alors que la solution d'acide organique recueillie dans le bac 41 est récupérée pour alimenter l'installation d'évaporation. Un nouveau cycle d'extraction est répété. A titre d'exemple de mise en oeuvre, on donne cides sous les résultats obtenus lors de la mise en route et le maintien d'un régime permanent pendant trois mois. On note un temps de mise en régime de 24 heures pour un taux de dilution de 0,5 h-1. La biomasse atteinte à l'état d'équilibre est de 90 g/l, la concentration en lactate issu du perméat est de 50 g/l d'acide lactique pour une conversion quasi-totale du substrat (ici le lactose) en acide lactique. Le rendement de conversion est de 1 Kg d'acide lactique par Kg de lactose entrant. On note que l'extraction de l'acide lactique par électro-électrodialyse permet d'atteindre un rendement faraday de 80%, un gradient de concentration tel que l'acide lactique est concentré à 134% en sortie de l'électro-électrodialyseur. L'acide lactique ainsi obtenu est limpide, quasiment inodore et incolore. La concentration de cet acide s'accompagne d'une intensité de la coloration et d'une concentration des traces de minéraux restantes qu'il est aisé de purifier par traitement sur charbon actif et déminéralisation sur résines échangeuses d'ions. L'analyse de ces résultats démontre l'intérêt de la présente invention en ce sens que la technique de fermentation mise en oeuvre conduit à la production continue d'un sel d'acide organique de qualité rigoureusement constante dans le temps tout en permettant des productivités 10 à 20 fois supérieures à celles des procédés existant actuellement sur le marché, et une extraction en une seule étape où l'acide organique est déjà pré-concentré, limpide et quasiment incolore. L'invention s'applique à la production d'acides organiques quels qu'ils soient, comme l'acide lactique, l'acide citrique, l'acide adipique, l'acide itaconique, l'acide fumarique, l'acide gluconique, l'acide propionique, l'acide butyrique, l'acide aspartique, sans que cette liste soit exhaustive, sur toutes sources de carbone adapté à la croissance et la production des microorganismes utilisés. REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication d'acides organiques, du type consistant à alimenter en continu un milieu de culture, préalablement ensemencé, en substrats nutritifs, en agent neutralisant destiné à maintenir constant le pH du milieu de culture, et d'effectuer sur le moût de fermentation une opération continue de filtration tangentielle de récupération du sel de l'acide organique formé avec recyclage des microorganismes dans le fermenteur, caractérisé en ce que l'on effectue une purge continue de la biomasse de manière à maintenir la population de micro-organismes présents dans le fermenteur à un âge moyen sensiblement constant. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le débit de purge de la biomasse est maintenu sensiblement constant à une valeur comprise entre 1 et 5% du débit du perméat soutiré en cours de l'opération de filtration tangentielle. 3. Procédé de fabrication selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le débit d'alimentation en substrats nutritifs est maintenu constant et sensiblement égal au débit de soutirage du perméat, additionné du débit d'agent neutralisant et du débit de purge réalisé sur la biomasse. 4. Procédé de fabrication selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la concentration en substrats nutritifs entrant dans le fermenteur tient compte de la dilution effective de l'agent neutralisant. 5. Procédé de fabrication selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le débit de soutirage est contrôlé par un système de mesure du volume de fermentation qui doit rester sensiblement constant. 6. Procédé de fabrication selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'unité de filtration tangentielle est composée de plusieurs sousunités montées en parallèle et aptes à être successivement nettoyées sans que le débit d'alimentation soit affecté. 7. Procédé de fabrication selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le sel de l'acide organique soutiré est transformé en son acide par une opération d'électro-électrodialyse impliquant la mise en oeuvre des étapes suivantes a) le filtrat contenant le sel de l'acide organique formé est décalcifié avant d'alimenter la cellule d'électroélectrodialyse, b) le filtrat séjourne dans le système d'électroélectrodialyse jusqu'à obtention du taux d'épuisement choisi, c) la normalité de la base récupérée dans le catholyte est contrôlé par dilution de cette solution avec de l'eau, le surplus servant d'agent neutralisant au processus de fermentation, d) le compartiment de récupération de l'acide organique est asservi à une technique de dosage appropriée jusqu'à l'obtention du titre voulu, e) en fin de cycle, seul le compartiment contenant le sel de l'acide organique et celui contenant l'acide organique extrait sont vidangés. 8. Procédé selon la revendication 7, caactérisé en ce que la tension appliquée aux bornes de l'électroélectrodialyseur reste constante pendant tout le cycle d'extraction.