Brevet FR2949348A1 — publié le 20110304

Procédé de séparation en continu des produits organiques d'intérêt d'une fermentation La présente invention concerne un procédé de séparation en continu des produits organiques d'intérêt d'une fermentation, notamment lactique ou alcoolique, par évaporation flash. Ce procédé permet notamment de ne pas inhiber la réaction de fermentation et obtenir de très bons rendements et productivités. ART ANTERIEUR Les procédés industriels de fermentation, notamment lactique et alcoolique, sont bien connus et permettent la fabrication de produits organiques d'intérêts qui peuvent être utilisés pour diverses applications. Il se pose souvent le problème de l'isolation des produits organiques d'intérêts issus de la fermentation et notamment leur séparation de la biomasse. On peut notamment procéder à des extractions liquide/liquide ou des séparations en utilisant un absorbant comme le charbon actif. Toutefois pour l'extraction liquide/liquide, il faut trouver un solvant qui présente un très bon coefficient de partage entre la phase aqueuse et la phase organique, et si l'on souhaite recycler la phase aqueuse au fermenteur pour améliorer rendement et productivité, que ce solvant ne soit pas un inhibiteur de la fermentation et si possible qui soit très peu soluble dans la phase aqueuse. Cela reste rarement le cas. Pour le traitement avec un adsorbant, il faut là aussi que la thermodynamique soit très favorable et que l'adsorbant ne délivre pas de substances toxiques. Il faut par ailleurs considérer les phases de désorption et de lavage, cette solution est souvent complexe pour une utilisation à l'échelle industrielle. Il serait également possible de procéder à un stripping des produits organiques d'intérêts, notamment avec les incondensables générés lors de le fermentation, tels que le dioxyde de carbone, le méthane et l'hydrogène. Toutefois, cela s'avère très complexe dans la mesure où la température de fermentation avoisine les 30 ou 40°C et qu'à cette température il est rigoureusement impossible de stripper entièrement et de façon simple les composés organiques et l'eau avec les incondensables générés à la fermentation. Il serait donc nécessaire de recycler ces incondensables par un gros compresseur de gaz, des systèmes d'agitation dans des fermenteurs complexes pour disperser ces gaz, des systèmes de condensation démesurés avec des groupes frigorifiques de manière à piéger efficacement les composés organiques. Et ceci sans augmenter la température ni diminuer la pression dans le fermenteur pour ne pas endommager les micro-organismes et diminuer le rendement des réactions d'intérêts. Il existait ainsi un besoin de mettre au point un procédé fiable et réaliste industriellement permettant de séparer efficacement les produits organiques d'intérêts issus de la fermentation tout en évitant les inconvénients mentionnés précédemment. INVENTION La demanderesse a mis au point un procédé de séparation des produits organiques d'intérêts issus de la fermentation consistant à soutirer en continu du moût de fermentation du fermenteur pour ensuite aller séparer (stripper) les composés organiques d'intérêts dans un appareil dissocié du fermenteur, puis notamment recycler les pieds du séparateur au fermenteur. Ceci est notamment effectué par une détente du moût dans un pot de flash travaillant sous vide. Les composés organiques sont flashés et entrainés avec de l'eau, en pieds du pot de flash le moût refroidi par l'évaporation des solvants et de l'eau est recyclé au fermenteur à une température telle qu'elle absorbe l'exothermie de la fermentation. Au pot de flash la pression est réglée de manière à obtenir la température donnant l'équilibre thermique au fermenteur. Suivant les besoins on apporte des calories au flash. Pour éviter l'inconvénient de la fragilité des microorganismes qui risquent d'éclater au moment du flash la biomasse est séparée avant le flash, par exemple par ultrafiltration ; le retentât étant directement renvoyé au fermenteur, le filtrat au flash. Cette solution technique permet ainsi d'éviter l'introduction des incondensables dans le fermenteur et donc de se passer de l'utilisation de compresseur ou de dispositif d'agitation complexe dans le fermenteur. Ceci permet également d'éviter l'utilisation d'échangeur thermique dans le fermenteur, puisque que l'on assure l'équilibre thermique avec le recyclage du pied de flash refroidi ; et donc de simplifier la technologie du fermenteur qui ne requiert plus d'échangeur interne et de système d'agitation. Ce procédé permet notamment de ne pas inhiber la réaction de fermentation et obtenir de très bons rendements et productivités. La présente invention a ainsi pour principal objet un procédé de séparation en continu des produits organiques d'une fermentation dans un fermenteur comprenant au moins les étapes suivantes : a) prélèvement en cours de fermentation, d'une partie du moût du fermenteur ; b) séparation de la biomasse qui est renvoyée au fermenteur ; c) évaporation flash du liquide séparé à l'étape b), et obtention en phase gazeuse des produits organiques ; et d) isolation des produits organiques. Le procédé est préférentiellement réalisé en continu ou semi-continu. On entend par � fermentation �, une réaction biochimique de conversion de l'énergie chimique contenue dans une source de carbone, notamment le glucose, en une autre forme d'énergie directement utilisable par la cellule, notamment en l'absence de dioxygène. La fermentation selon l'invention concerne notamment la fermentation lactique et préférentiellement la fermentation alcoolique qui est le résultat d'une chaine métabolique qui transforme des sucres fermentescibles, notamment par des levures, en alcool et gaz carbonique avec dégagement de chaleur. La fermentation selon l'invention conduit à la production des produits organiques dits d'intérêts. On entend par � moût � de fermentation, le milieu de la réaction comprenant notamment la biomasse, les produits fermentescibles et les produits organiques obtenus par la fermentation. On entend par � biomasse � l'ensemble des matières vivantes, généralement les microorganismes, présents dans le milieu de fermentation. Le fermenteur utilisé selon la présente invention est une unité technologique dans laquelle on multiplie des micro-organismes, comme les levures, bactéries, champignons microscopiques, algues, ou cellules animales ou végétales, pour la bioconversion d'une molécule organique d'intérêt. Ce bioréacteur permet généralement de contrôler les conditions de culture telles que la température, le pH, et l'aération. Dans le fermenteur, la température est généralement comprise entre 30 et 45°C. La séparation de la biomasse est généralement effectuée à l'étape b) avant d'effectuer l'évaporation flash de l'étape c). On peut par exemple procéder à une filtration, une ultrafiltration, une décantation, une centrifugation et/ou une ultracentrifugation. On peut également procéder à la séparation de la biomasse dans le séparateur gaz liquide utilisé pour effectuer l'évaporation flash, notamment en disposant une hauteur barométrique de liquide dans le séparateur gaz liquide de manière a éviter le choc de dépressurisation des micro-organismes lors de l'évaporation flash. Dans ce cas, l'arrivée du mout dans le système permettant l'évaporation flash est préférentiellement effectuée dans une zone ayant une pression équivalente ou égale à la pression du fermenteur. La hauteur barométrique peut permettre un gradient de pression compris entre 0,5 et 1 bar. La circulation du mout peut par exemple être effectuée par une pompe. Le liquide obtenu, également appelé liquide séparé à l'étape b), correspond au moût tel que défini précédemment essentiellement débarrassé de la biomasse. Ce liquide présente généralement la même température que celle du fermenteur. Dans le cas de l'ultrafiltration particulièrement préféré selon l'invention, le liquide filtrat est acheminé vers l'étape d'évaporation flash et le résidu ou retentât est renvoyée au fermenteur. On utilise généralement des systèmes d'ultrafiltration tangentielle sur une boucle de circulation externe sous pression. Ces systèmes d'ultrafiltration, d'un seuil de coupure de l'ordre de 0,01 pm généralement, fonctionnent habituellement sous des pression transmembranaires PTM de l'ordre de 1 à 3 bar. Le dimensionnement d'un tel système d'ultrafiltration dépend de la quantité de produits organiques a extraire du réacteur et de la durée pendant laquelle cette extraction doit être faite. Ces paramètres déterminent le volume de filtrat à produire en vue d'un évaporation flash. Le volume de filtrat à produire et la durée pendant laquelle le filtrat doit être produit, i.e. le temps de fonctionnement du système d'ultrafiltration, détermine la surface de membrane à installer. Les débits de filtration sont usuellement compris entre 20 et 100 I/m2.h. selon les caractéristiques du moût de fermentation et la PTM appliquée. La vitesse de circulation du moût à l'intérieur du module d'ultrafiltration est comprise généralement entre 2 et 5 m/s. Les membranes utilisées sont généralement de type minérale tubulaire présentant l'avantage de pouvoir subir des traitements de nettoyage efficace et être peu sensible au colmatage. L'évaporation flash de l'étape c), ou flash détente, consiste à placer le liquide dans une cuve sous vide, notamment avec une pression comprise entre 0,001 et 0,9 bar. La mise sous vide permet d'abaisser la température de saturation et d'évaporer une partie du liquide. L'évaporation va se faire en prenant de l'énergie au mélange et ainsi le refroidir. Le procédé d'évaporation flash sous vide est très largement utilisé depuis plusieurs décennies dans diverses industries. On le retrouve dans différentes applications telles que le dessalement de l'eau de mer, la concentration et la pasteurisation du lait ou le traitement des eaux usées chargées en huiles solubles. On peut a cet effet utiliser par exemple un séparateur gaz-liquide, comme une cuve de détente ou pot de détente, également appelé pot de flash. On peut également utiliser une ou plusieurs cuves de détente notamment à des pressions différentes. Un échangeur de chaleur peut être adjoint dans ou a coté du séparateur gaz-liquide, suivant les nécessités en apport énergétique, pour réchauffer ou refroidir le milieu de l'évaporation flash. On peut par exemple utiliser un échangeur tubulaire ou à plaques. Le séparateur gaz-liquide est généralement un cylindre à axe vertical. Il comprend par exemple une tubulure d'arrivée du liquide du fermenteur, une sortie à la base et une sortie en tête. La hauteur de colonne peut être fonction de la hauteur barométrique souhaitée comme expliqué précédemment. Le séparateur gaz-liquide peut comporter un garnissage ou des plateaux de manière à avoir quelques étages théoriques de séparation. Selon la présente invention, l'évaporation flash est préférentiellement effectuée à une pression comprise entre 10 et 200 mbar. La température lors de l'évaporation flash est généralement comprise entre 10 et 40°C. Le taux de vaporisation peut être compris entre 1 et 70 % massique, préférentiellement entre 30 et 60 % massique. Cette séparation est préférentiellement effectuée sans ajout de solvant particulier extérieur aux composés issus de la fermentation. La phase gazeuse issue de l'évaporation flash comprend ainsi les produits 25 organiques d'intérêt ainsi que des incondensables dissous tels que le CO2, H2. et CH4. La phase gazeuse est préférentiellement amenée à un moyen de condensation, tel qu'un condenseur, pour notamment séparer les incondensables résiduels des 30 produits organiques d'intérêt. La phase aqueuse issue de l'évaporation flash comprend généralement de l'eau en fortes quantités et une minorité de composés organiques. Cette phase20 aqueuse est préférentiellement recyclée au fermenteur, et est notamment à une température inférieure à la température du fermenteur, généralement une température inférieure de 5 à 20°C par rapport à la température du fermenteur. Les produits organiques d'intérêt de la phase gazeuse sont alors isolés par une ou plusieurs techniques de séparations connues de l'état de la technique, telles que notamment par distillation, extraction liquide-liquide, cristallisation et/ou adsorption. Lorsque les températures d'ébullition sont très voisines, on peut avoir intérêt à utiliser un processus de distillation fractionnée qui consiste en plusieurs étapes de raffinements successifs. Il est également possible d'introduire une partie du distillat en tête de colonne dans le cas d'une distillation continue afin d'améliorer la pureté de la phase vapeur. Certaines vapeurs de la phase gazeuses peuvent notamment être recondensées et les condensats peuvent éventuellement être réintroduits dans le fermenteur. Une partie ou la totalité de l'eau de la phase gazeuse issue de la séparation flash peut être condensée et recyclée au fermenteur. On recycle généralement l'eau nécessaire à l'entrainement de la totalité des produits organiques produits dans le fermenteur. On peut notamment utiliser à cet effet des condenseurs à tubes, à plaques ou spiralés. Le procédé selon la présente invention convient particulièrement pour la séparation du biobutanol issue de la fermentation des mélasses de cannes a sucre. Dans ce cas, la phase gazeuse de l'étape c) comprend généralement du CO2, de l'H2, de l'hétéro azéotrope butanol/eau, de l'eau, de l'acétone et de l'éthanol ; la phase liquide du flash étant essentiellement constituée d'eau. Le procédé selon la présente invention convient également pour la séparation de l'éthanol issu de la fermentation. La présente invention couvre également des dispositifs de mise en oeuvre du procédé selon l'invention. Un dispositif préféré correspond à celui de la Figure 1 et comprend notamment un fermenteur (2) pourvu d'une arrivée des nutriments, gaz, mouts et autres (1) et d'un moyen d'évacuation du mout (3). Le mout est acheminé vers un moyen de séparation de la biomasse (4), tel qu'un module d'ultrafiltration. La biomasse est renvoyée au fermenteur (2) par un moyen d'acheminement approprié (8). Le liquide de fermentation débarrassé de sa biomasse est envoyée au système de l'évaporation flash (5), tel qu'un séparateur gaz-liquide (5). La phase liquide est acheminée vers le fermenteur (2) par un moyen approprié (7) et la phase gaz est alors évacuée vers un condenseur (6) qui sépare les incondensables résiduels des produits organiques d'intérêts. Ceux-ci seront alors isolés par une ou plusieurs techniques de séparations classiques. En sortie de condenseur (6) une partie du liquide peut être reflué vers la tête du séparateur gaz-liquide (5). Un langage spécifique est utilisé dans la description de manière à faciliter la compréhension du principe de l'invention. Il doit néanmoins être compris qu'aucune limitation de la portée de l'invention n'est envisagée par l'utilisation de ce langage spécifique. Des modifications, améliorations et perfectionnements peuvent notamment être envisagés par une personne au fait du domaine technique concerné sur la base de ses propres connaissances générales. Le terme et/ou inclut les significations et, ou, ainsi que toutes les autres 20 combinaisons possibles des éléments connectés à ce terme. D'autres détails ou avantages de l'invention apparaîtront plus clairement au vu des exemples donnés ci-dessous uniquement à titre indicatif. 25 PARTIE EXPERIMENTALE Le dispositif testé correspond à celui de la Figure 1 et comprend notamment un fermenteur (2) d'une capacité de 1000 m3 et fonctionnant à une température de 38°C. Le fermenteur comprend du green juice concentré de cannes a sucre en début de fermentation. Le moyen de séparation (4) utilisé est un module 30 d'ultrafiltration tangentielle. Le système de l'évaporation flash est un séparateur gaz-liquide (5) de type pot de flash. La phase liquide est acheminée vers le fermenteur (2) par un moyen approprié (7) et la phase gaz est alors évacuée vers un condenseur (6). Une partie de l'eau condensée de la phase gazeuse, 10 15 débarassée des produits organiques est acheminée vers le fermenteur pour recyclage. Le cycle de production est de 200 heures. Le débit en sortie de l'ultrafiltration est réglée de manière à ce que par exemple 90 % de la masse soit recyclée vers le fermenteur par le moyen (8) et 10 % de la masse traverse les membranes du module d'ultrafiltration (4). La séparation flash est effectuée à une température de 30°C et une pression dans la phase gazeuse de 0,045 bar. Avec un taux de vaporisation de 40 % molaire ou 50 % massique dans le pot de flash, on obtient les flux entrant et sortant de l'évaporation flash suivants : Produits Liquide entrant Gaz sortant Liquide sortant Butanol 5 8,6 0,9 Acétone 1,6 3,6 Inférieur à 0,001 Ethanol 0,1 0,2 Inférieur à 0,001 Eau qsp qsp qsp % massique On obtient une production de 1000 kg/h de butanol dans le fermenteur et de 1000 kg/h dans le flux sortant du condenseur (6). On observe ainsi une bonne séparation des produits organiques d'intérêt dans la phase gazeuse, avec un bon rendement, tout en assurant un équilibre thermique avec le recyclage du pieds de flash dans le fermenteur permettant d'éviter l'inhibition de la réaction dans le fermenteur. REVENDICATIONS1. Procédé de séparation en continu des produits organiques d'une fermentation dans un fermenteur comprenant au moins les étapes suivantes : a) prélèvement en cours de fermentation, d'une partie du moût du fermenteur ; b) séparation de la biomasse qui est renvoyée au fermenteur ; c) évaporation flash du liquide séparé à l'étape b), et obtention en phase gazeuse des produits organiques ; et d) isolation des produits organiques. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la séparation de la biomasse est effectuée à l'étape b) avant d'effectuer l'évaporation flash de l'étape c). 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la séparation de la biomasse à l'étape b) est effectué par filtration, ultrafiltration, décantation, centrifugation et/ou ultracentrifugation. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce 20 que l'on procède à la séparation de la biomasse dans un séparateur gaz liquide utilisé pour effectuer l'évaporation flash. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'évaporation flash est effectuée à une pression comprise entre 10 et 200 25 mbar. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la température lors de l'évaporation flash est comprise entre 10 et 40°C. 30 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que lors de l'évaporation flash le taux de vaporisation est compris entre 1 et 70 0/0 massique. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la séparation lors l'évaporation flash est effectuée sans ajout de solvant particulier extérieur aux composés issus de la fermentation. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la phase aqueuse issue de la séparation flash est à une température inférieure à la température du fermenteur et est recyclée au fermenteur. 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que l'eau de la phase gazeuse issue de la séparation flash est condensée et est recyclée au fermenteur. 11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'il convient pour la séparation du biobutanol issu de la fermentation des 15 mélasses de cannes a sucre. 12. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 11. 20 13. Dispositif selon la revendication 12 comprenant un fermenteur 2 pourvu d'une arrivée des nutriments, gaz, mouts et autres 1 et d'un moyen d'évacuation du mout 3, le mout est acheminé vers un moyen de séparation de la biomasse 4, tel qu'un module d'ultrafiltration, la biomasse est renvoyée au fermenteur 2 par un moyen d'acheminement approprié 8, le liquide de fermentation débarrassé de sa 25 biomasse est envoyée au système de l'évaporation flash 5, tel qu'un séparateur gaz-liquide 5, la phase liquide est acheminée vers le fermenteur 2 par un moyen approprié 7 et la phase gaz est alors évacuée vers un condenseur 6 qui permettra la séparation des incondensables résiduels et des produits organiques d'intérêts.