Brevet FR2761696A1 — publié le 19981009

L'invention concerne une composition pour encapsuler des microorganismes ou des enzymes pour l'obtention de capsules flottantes, le procédé d'encapsulation, les produits obtenus et leur utilisation, notamment dans le traitement des eaux dans des réacteurs biologiques à lit flottant circulant, fixe ou turbulent. Les microorganismes immobilisés spontanément sur différents supports sont largement utilisés dans le domaine du traitement des eaux. Dans de tels systèmes, la quantité de la biomasse active est proportionnelle à la surface disponible pour le développement d'un biofilm. De ce fait, la capacité des procédés traditionnels à culture fixe (par exemple filtre å ruissellement, disque biologique) reste limitée par la surface des supports utilisés (de 100 à 300 m2/m3). Les procédés à support granulaire fin (lits fluidisés, biofiltre aéré immergé) éliminent cette contrainte en fournissant des surfaces bien plus importantes (environ 3000 m2/m3). L'inconvénient principal de ces systémes réside toutefois dans l'influence négative de la quantité de support utilisé sur les performances hydrodynamiques, en particulier sur le transfert d'oxygène. Par ailleurs l'augmentation de la turbulence dans les lits fluidisés et les lavages intensifs des biofiltres immergés provoquent des pertes importantes en microorganismes immobilisés actifs. L'encapsulation des microorganismes dans des matrices organiques d'origine naturelle ou synthétique permet de mieux maîtriser les procédés de traitement en limitant la perte des cellules actives dans l'eau traitée et en évitant les problèmes de transfert de matière et d'hétérogénéité, qui sont caractéristiques des systèmes immobilisés sur des supports de taille importante. De tels procédés d'immobilisation utilisent de préférence des polysaccharides naturels comme la gélose, les alginates ou la carraghénane (Wijffels et Tramper, "Enzyme Microbiol. Technol.", 17, 482, 1995). Ces matériaux présentent l'avantage d'être facilement manipulables et de ne présenter aucune toxicité, mais ils sont facilement biodégradables et possèdent une très faible résistance mécanique. L'utilisation de polymères synthétiques tels que le polyacrylamide (Tanaya et al, "Wat. Sci. Tech.", 23, 681, 1991), le polyéthylèneglycol (Tada et al, "Hitachi Review", 39 (6), 379, 1990), le polyuréthane (Sumino et al, "Appl. Microbio. Biotechnol.", 36, 556, 1992), L'alcool polyvinylique (Ariga et al, "J. Ferment. Technol.", 65 (6), 651, 1987, JP 07/031991-A), permet d'augmenter la longévité des micro-capsules de gel mais provoque une perte d'environ 90% des composants actifs en raison de l'effet toxique des monomères résiduels eUou des conditions de polymérisation. Des mélanges alginates/alcool polyvinylique sont également connus et donnent des produits encapsulés ayant une densité supérieure à 1. Or, dans certains procédés actuellement utilisés, on est amené à effectuer des traitements de l'eau dans des réacteurs à lit flottant, circulant, fixe ou turbulent, tels que décrits dans la demande de brevet française N" 95 12028 dans laquelle est décrite l'utilisation d'un lit flottant de particules supports de microorganismes. La présente invention fournit une nouvelle matrice d'encapsulation de microorganismes ou d'enzymes, comprenant essentiellement un hydrogel d'un polysaccharide naturel, un agent de flottabilité et un agent d'élasticité qui est une résine synthétique gélifiable. Comme indiqué précédemment, I'avantage des polysaccharides naturels, par exemple la gélose, les alginates, la carraghénane est qu'il ne sont pas toxiques vis-à-vis des microorganismes à encapsuler. La présence d'un agent d'élasticité, qui est un polymère synthétique gélifiable, par exemple de l'alcool polyvinylique, permet d'améliorer la résistance mécanique d'un hydrogel de polysaccharide naturel. L'utilisation d'un agent de flottabilité permet d'obtenir des microcapsules flottantes, ce qui assure une diminution des forces de cisaillement agissant sur la surface du gel et nécessite des besoins en energie plus faible pour la mise en mouvement, tout en améliorant le mélange des phases et le transfert de matière. Comme agent de flottabilité, on peut utiliser tout produit ayant une masse volumique inférieure à celle de l'eau. Cet agent de flottabilité peut être gazeux, de l'air par exemple, solide, par exemple du polyéthylène basse densité, ou liquide, par exemple de l'huile de paraffine de masse volumique 0,83 à 0,86 g/ml. II est nécessaire que l'agent de flottabilité choisi n'ait pas d'effet toxique sur les microorganismes ou les enzymes à encapsuler. L'inclusion de bulles de gaz, de l'air par exemple, permet d'obtenir une distribution relativement homogène dans la microcapsule d'hydrogel. Cependant, on peut être gêné par la diffusion ultérieure du gaz dans l'hydrogel qui provoque parfois l'apparition de cavernes et peut fragiliser à plus ou moins long terme la structure de l'hydrogel. L'inclusion de particules solides et légères, par exemple du polyéthylène basse densité, donne des capsules ayant un bon taux de flottabilité, mais la fabrication de la composition d'encapsulation peut être délicate à réaliser. A l'heure actuelle, on privilégie l'utilisation d'un produit liquide de faible densité et de viscosité modérée. L'huile de paraffine donne de bons résultats. La fabrication de capsules s'effectue en deux étapes. On commence par ajouter à un hydrogel liquide d'un polysaccharide naturel un mélange de microorganismes ou d'enzymes, de l'agent de flottabilité choisi et de l'agent d'élasticité choisi, puis on effectue la gélification par une propulsion du mélange à encapsuler sous forme de fines gouttes, dans une solution gélifiante. Dans le cas des polysaccharides naturels, alginate ou carraghénane, qui comportent des charges négatives, on obtient la gélification en présence d'ions ionotropes, par exemple Ca2+ ou K+. Dans ce cas, la solution gélifiante peut être une solution de chlorure de calcium ou une solution de chlorure de potassium. D'autres sels de ce type peuvent bien entendu être utilisés. Après formation des capsules, il est possible de les enrober d'une pellicule protectrice de polymère synthétique afin d'éviter ou de minimiser la migration des microorganismes ou des enzymes hors de l'hydrogel. Le mélange obtenu à la fin de la première étape du procédé de la fabrication contient de 0,5 à 20 % de polysaccharides naturels, de 4 à 20 % en poids de l'agent de flottabilité liquide ou solide (la part en poids de l'agent de flottabilité gazeux étant négligeable), et 1,5 à 5 % en poids d'agent d'élasticité, le complément à 100 % étant de l'eau. La concentration de l'huile de paraffine dans le mélange avant gélification varie en fonction du choix du polysaccharide naturel. Si l'on utilise comme polysaccharide naturel un alginate (alginate HV, high viscosity , viscosité élevée), une quantité de 4,5 à 5 % d'huile de paraffine permet d'obtenir un taux de flottabilité des capsules de 100 %, quelles que soient par ailleurs les conditions de fabrication de l'hydrogel (concentration en alginate ou en ions ionotrope). Des concentrations du même ordre de grandeur conviennent également pour un hydrogel formé à partir d'alcool polyvinylique, et l'association d'huile de paraffine et d'alcool polyvinylique pour former les capsules selon la présente invention est donc particulièrement intéressante. Lorsque l'on utilise de la carraghénane comme polysaccharide naturel, il faut augmenter la concentration en huile de paraffine jusqu'à 10 ou même 20 % du volume du mélange liquide selon la concentration du polysaccharide et de l'ion ionotrope utilisé. Comme exemple concret du polysaccharide naturel utilisé dans la présente invention, on peut citer en tant que carraghénane les produits vendus sous les nominations Satiagel ou Génugel (CECA, France), les alginates, et en particulier les alginates HV de viscosité élevée que l'on trouve dans le commerce sous la dénomination "alginic acid, sodium salt, high viscosity", SIGMA. omme agent d'élasticité, on peut utiliser du polyéthyléne glycol, rivés copolymères ou homopolyméres de l'acrylamide ou des hanes. On préfère tout particulièrement l'alcool polyvinylique ayant z de polymérisation DP de 1440 ou 2000. Des exemples concrets produits sont "polyvinyl alcohol", ALDRICK. L'addition de l'agent Ité, en plus d'améliorer la résistance mécanique des capsules, s également à l'amélioration de leur flottabilité. Les meilleurs taux bilité, dans des conditions identiques par ailleurs, sont obtenus alginate DP 1440. E 7 prépare différents types de capsules en utilisant des ions d'hydrogel, avec ou sans les additifs selon la présente en en préparant à chaque fois des billes ayant un diamètre de La résistance mécanique des billes a été déterminée à l'aide d'un e Rhéo XT2 (Orsay, France). On utilise un piston ayant un supérieur à celui des billes pour que l'écrasement soit homogène, ; lorsque la bille est déformée à l'extrême avant de se rompre. La 3 descente du piston est de 0,6 mm/s. La distance de déplacement est fonction du diamètre moyen des billes. s mesures ont été réalisées sur une moyenne de 10 billes et l'on a putes les 0,005 s la force de réaction (en kgf) rencontrée par le cours de sa descente. Pour pouvoir comparer les résultats entre calculé le temps de déformati.on (en s) et la force d'écrasement 1). temps de déformation (td) est défini comme le temps nécessaire à )ur atteindre une limite de résistance correspondant à 0,05 kgf. ur de 0,05 kgf est choisie arbitrairement et correspond à la limite du début de l'écrasement de la bille. Plus le td est grand, plus la formable. force d'écrasement (fe) est définie comme étant la pente de la compression. Plus fe est élevé, plus la bille est résistante. La gélification de l'alcool polyvinylique est de manière classique effectuée par congélation itérative, généralement une ou deux congélations å -80 C pendant 16 à 48 heures. La gélification de l'alginate est effectuée par propulsion dans une solution contenant des ions ionotropes, par exemple dans une solution de CaCl2 , la gélification est généralement effectuée en 2 heures. On constate qu'en présence d'un alginate, il n'est pas nécessaire d'utiliser la congélation pour obtenir la gélification de l'alcool polyvinylique. Les valeurs ci-dessous sont données à titre indicatif, car les caractéristiques des gels varient selon la concentration en alginate, en alcool polyvinylique, de leur rapport, de la présence ou non d'une congélation, de leur nombre, et de la température et la durée de la congélation. Les résultats donnés ci-dessous pour les produits contenant de l'alcool polyvinylique (PVA) ont été obtenus sans congélation. TABLEAU N Composition Solution de Durée de Td (s) F. (kgf s-1) (rapport) gélification gélification 1 Alginate HV CaCl2 0,8 M 2 h 0,97 8.7 1.25% 2 Alginate HV CaCl2 0,8 M 2 h 1,13 9,42 1,25% Huile (10:1) 3 Alginate HV CaC12 0,8 M 2h 1,11 10,14 1,25% Huile (20:1) 4 Alginate HV CaCl2 2 M 2 h 2,48 16,89 1,25% Huile (20:1) PVA DP 1440 5% 5 Alginate HV CaCI2 2M 2 h 3.08 18.50 1,25% Huile (20:1) PVA DP 1440 6% On voit d'après les résultats des essais sur les compositions 1, 2 et 3, que l'addition d'huile de paraffine n'a que peu d'inffluence sur td et fe. Par contre, les résultats des essais effectués sur les compositions 4 et 5 montrent que l'addition d'alcool polyvinylique améliore la déformabilité et la résistance des billes obtenues. Des capsules de ce type peuvent notamment être utilisées dans divers procédés de traitement des eaux utilisant des lits flottants de particules supports de microorganismes. II est par exemple décrit dans la demande de brevet française 95 12028 un procédé dans lequel, dans un réacteur à au moins deux zones séparées par des parois verticales laissant des passages libres en dessus des parois, on établit un lit flottant fixe pour le traitement; et on insuffle de l'air à la partie inférieure de l'une des zones pour créer une circulation des phases solide, gazeuse et liquide afin de laver les particules supports de microorganismes. Ces particules supports peuvent avantageusement être remplacées par les capsules contenant des microorganismes ou des enzymes selon la présente invention. REVENDICATIONS 1Composition pour encapsuler des microorganismes ou des enzymes dans des microcapsules, caractérisée en ce qu'elle contient, avant gélification, en dehors des microorganismes ou enzymes, 0,5 à 20 % en poids d'un polysaccharide naturel, 4 à 20 % en poids d'un agent de flottabilité, 1,5 à 5 % en poids d'un agent d'élasticité gélifiable, le complément à 100 % étant de l'eau. 2. Composition selon la revendication 1, caractérisée en ce que le polysaccharide naturel est un alginate de viscosité élevée en quantité comprise entre 0,5 et 5 % en poids, L'agent de flottabilité est une huile de paraffine à raison de 4,5 à 5 % en poids, et l'agent d'élasticité est de l'alcool polyvinylique à raison de 1,5 à 5 % en poids. 3. Composition selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'agent de flottabilité est un produit solide, par exemple du polyéthylène basse densité. 4. Composition selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'agent de flottabilité est un produit gazeux. 5. Procédé d'encapsulation de microorganismes ou d'enzymes, caractérisé en ce qu'on ajoute à un hydrogel liquide d'un polysaccharide naturel, un mélange de microorganismes ou d'enzymes, un agent de flottabilité ayant une densité inférieure à celle de l'eau et un agent d'élasticité qui est un polymère synthétique gélifiable, et on gélifie par propulsion du mélange final sous forme de gouttes dans une solution susceptible de gélifier l'hydrogel liquide. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'après gélification, on enrobe les capsules obtenues avec une couche de polymère synthétique gélifié. 7. Microorganismes ou enzymes immobilisés dans des capsules flottantes de densité inférieure à celle de l'eau, encapsulés dans une composition selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 ou obtenus par le procédé selon l'une ou l'autre des revendications 5 et 6. 8. Utilisation des microorganismes ou enzymes immobilisés dans des capsules flottantes selon la revendication 7, pour le traitement des eaux dans un réacteur à lit flottant.