CA2353307A1 - Appareil et procede pour le traitement des effluents gazeux - Google Patents

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Description

APPAREIL ET PROCÉDÉ POUR LE TRAITEMENT
DES EFFLUENTS GAZEUX
DOMAINE DE L'INVENTION
La présente invention se rapporte au domaine de l'assainissement de l'air.
Plus particulièrement, la présente invention se rapporte au traitement d'effluents gazeux.
DESCRIPTION DE L'ART ANTÉR1EUR
Diverses méthodes sont aujourd'hui utilisées pour traiter des effluents gazeux. L'une des plus populaires est l'usage de procédés biologiques mettant en oeuvre des biofiltres à tourbes arrosés par une phase aqueuse constituée d'une flore de microorganismes.
Bien que ces biofiltres aient contribué à l'avancement technologique dans le domaine du traitement d'ei~luent gazeux, il n'en demeure pas moins qu'ils sont difficiles d'entretien et très peu versatiles. Ils occupent également une très grande superficie.
Par conséquent, il existe donc un besoin pour de nouveaux appareils et méthodes pour le traitement d'effluent gazeux.
SOMMAIRE DE L'INVENTION
La présente invention propose un appareil de traitement d'effluents gazeux dont l'installation et l'entretien sont faciles. Plus précisément, l'appareil comprend une cellule de traitement et une cellule de rétention.
La présente invention propose également un procédé pour traiter un ou des effluents gazeux.
Le procédé comprend les étapes suivantes a) acheminement d'un effluent gazeux à l'appareil mentionné ci-haut; et b) traitement de l'effluent gazeux à l'aide d'au moins un biocatalyseur.
2 Avantageusement, le procédé présenté décrit une méthode permettant le traitement des effluents gazeux par un système biologique de nature enzymatique. L'appareil ou le réacteur à membrane permet la transformation physico-chimique d'un gaz, à l'aide d'un catalyseur biologique, en un composé chimique dissous en milieu aqueux ou organique. Ce système utilise le principe de l'ultrafiltration ou la microfiltration afin de permettre la transformation du gaz tout en piégeant l'unité catalytique libre dans le liquide. Les catalyseurs pouvant être utilisés comprennent tout types de particules biologiques capables de transformer un produit (enzymes, organites, microorganismes, etc. ). Plusieurs types de biocatalyseurs peuvent être utilisés simultanément.
L'ultrafiltration et la microfiltration sont définies comme une action de filtrer une solution à
travers une membrane fine par pression. La présente invention utilise ce principe. La pression est générée dans le système par le gaz à traiter. Le procédé présenté donne la possibilité de dissoudre et de transformer le gaz à traiter. Il permet, aussi, l'écoulement du liquide traité
sans perte de l'unité catalytique. Étant donné la pression partielle plus élevée à l'intérieur du réacteur à membrane, il s'ensuit une dissolution plus importante du gaz ou des gaz à traiter suivant la loi de Henry.

Figure no 1 : Figure représentant un schéma de principe du réacteur à filtre tangentiel externe.
Figure no 2 : Figure représentant un schéma de principe d'un réacteur à filtre intégré.
Figure no 3 : Figure représentant un schéma de principe d'un réacteur à filtre intégré et flux tangentiel.
2 5 Figure no 4 : Figure représentant un schéma de principe d'un réacteur avec cartouche filtrante.
Figure no 5 : Figure représentant un schéma de principe de plusieurs réacteurs à membrane utilisés en série.
3 DESCRIPTION DE MODES DE RÉALISATION PRÉFÉRENTIELS DE
L'INVENTION
Le réacteur à membrane est constitué d'une cellule de traitement et d'une cellule de rétention des particules biocatalytiques. La cellule de rétention peut faire partie intégrante de la cellule de traitement (figure 2-3 et 4) ou être une composante du circuit d'alimentation faisant suite à la cellule de traitement (figure 1 ).
Le ou les gaz à traiter pénètrent dans la cellule de traitement. Il est conduit à la base inférieure de la cellule et libéré par un système de diffusion afin que le gaz soit distribué de façon uniforme et que le diamètre des bulles soit réduit au minimum. De cette façon, le contact gaz et liquide est favorisé. Un agitateur magnétique ou mécanique peut être ajouté
afin d'améliorer ainsi le mélange gaz / liquide. Il assure une répartition uniforme du biocatalyseur.
Le liquide permettant la dissolution du gaz et la réaction enzymatique est introduit par le haut de la cellule de traitement. L'introduction du liquide peut se faire de façon continue ou interrompue. Elle peut être régulée de façon à maintenir le niveau du liquide constant à
l'intérieur de la cellule de traitement.
2 0 Le couvercle de la cellule de traitement contient, en plus, deux ouvertures dont l'une permet la sortie du gaz en continue tandis que l'autre est munie d'une soupape de sécurité pour éviter que la pression à l'intérieur du réacteur à membrane excède la pression permise par l'équipement. La sortie de gaz en continue peut, elle-même, être reliée à une seconde cellule de traitement qui permet une transformation supplémentaire du gaz. Ainsi le nombre d'unités 2 5 de traitement est fonction de l'efficacité escomptée du traitement du gaz.
L'invention décrite ici se présente préférablement sous quatre versions 1) Réacteur à filtre tansentiel externe:
4 Ä la base du système, le liquide traité est acheminé, à l'aide d'une pompe, à
une membrane filtrante à flux tangentiel de porosité définie selon la taille de l'unité
catalytique. L'unité
catalytique peut même être une composante de la membrane.
Une partie du liquide, contenant l'unité biocatalytique (retentât), retourne à
la cellule de traitement alors que l'autre partie (filtrat), saturée du produit de la réaction, traverse la membrane filtrante et est retirée du système. Elle est acheminée à d'autres types de traitement (décantation, résine échangeuse d'ions, etc.) ou jetée( figure 1).
2) Réacteur à filtre intésré
Ä la base de la chambre de réaction, une membrane de porosité déterminée, sélectionnée selon la taille de l'unité catalytique utilisée, est appuyée contre la paroi inférieure perforée de la cellule de traitement. Le liquide s'écoule de façon perpendiculaire au filtre.
Le liquide sortant de la chambre réactionnelle est exempt de l'unité catalytique et est dirigé à
d'autres systèmes de traitement (décantation, résine échangeuse d'ions etc.) ( figure 2).1 3) Réacteur à filtre intégré et flux tangentiel 2 0 Cette version de réacteur à membrane se compare à la deuxième version et a, comme différence, un flux de liquide tangentiel circulant en circuit fermé à la surface de la membrane.
Cette version permet à la phase liquide de balayer la membrane et de remettre en circulation l'unité catalytique (figure 3).
2 5 4) Réacteur à membrane avec cartouche filtrante Une cartouche filtrante est fixée dans la chambre réactionnelle. Cette cartouche peut se positionner à la hauteur voulue dans le réacteur (figure 4). Cette cartouche est reliée directement à la sortie non pressurisée de récupération du filtrat. La membrane de la 30 cartouche doit posséder une porosité inférieure à la dimension de l'unité
catalytique.

Comme décrit précédemment, le réacteur à membrane permet le traitement des effluents gazeux. Il permet le traitement de plus d'un type de gaz de façon simultanée ou de façon séquentielle. Un coenzyme ou un cofacteur catalyse la réaction et le choix de la porosité de la membrane filtrante doit tenir compte de la taille de ce biocatalyseur. Le réacteur à
5 membrane est un réacteur biologique doté d'une grande versatilité
d'opération. Il permet l'emploi de divers types d'unités biocatalytiques, c'est-à-dire que ces unités peuvent être utilisées libres, en réseau de polyéthylène glycol (PEG) ou avec liens chimiques, capturées dans des billes d'alginate, emprisonnées dans des liposomes ou autres, immobilisées sur un support.
La taille du réacteur à membrane ainsi que la porosité requise de la membrane utilisée sont fonction des besoins de l'utilisation et sont directement proportionnelles aux débits désirés (utilisation dans un cadre de recherche ou pour des applications industrielles, par exemple).
Description du procédé
Matériels et méthodes Le gaz à traiter, dont le débit est contrôlé par une valve (1), entre par l'ouverture (2) placée sur le couvercle du réacteur à membrane (3). Le gaz est acheminé jusqu'au diffuseur (4). Des micro-bulles s'échappent du diffuseur et permettent une répartition uniforme du gaz à traiter.
2 0 Un détendeur (6) placé sur la ligne de sortie du gaz (5) assure une pression constante dans la chambre réactionnelle (7). Cette sortie peut conduire le gaz restant à une autre chambre réactionnelle. La figure 5 montre une application de deux réacteurs à membrane en série. Un agitateur (8) optionnel, relié au couvercle interne de la chambre, assure la répartition du gaz dissous et des unités catalytiques.
2 5 Le liquide, de composition optimisée pour Ia biocatalyse, est introduit par une ouverture (9) située sur le couvercle (3). Le débit de ce liquide est régulée par une valve (10). La base de la chambre réactionnelle (11) est perforée de façon à permettre au liquide de s'échapper du système.
6 Le couvercle possède un système de sécurité (12) pour protéger l'équipement d'une surpression.
II est possible de suivre la réaction enzymatique par des prélèvements à la sortie d'échantillonnage(17) située dans la partie supérieure de la chambre réactionnelle. Ces mesures peuvent être l'analyse du pH, d'un des sous-produits de la réaction, de la concentration de l'enzyme, de la température à l'intérieur de la chambre etc.
Avec le réacteur à membrane à filtre tangentiel ( figure 1), un conduit externe (20), relié à la base du réacteur à membrane, est connecté à une pompe (14) qui amène le fluide jusqu'à
l'unité filtrante. Le système filtrant est dit de type tangentiel (13) et permet la filtration du liquide sans colmatage de la membrane. Une partie du liquide traverse la membrane (filtrat) et sort du système (15), alors que l'unité catalytique, de taille supérieure à
la porosité de la membrane, demeure captive dans le circuit de traitement (16). Ainsi, il y a recirculation d'une partie du liquide et de l'unité catalytique.
Quant au réacteur à membrane intégrée ( figure 2), le liquide traité doit traverser la membrane (21 ) située à la base du système avant de s'échapper de la chambre réactionnelle par la sortie non pressurisée (5).
La figure 3 montre l'utilisation d'une membrane intégrée (21) dans un système où un flux de liquide tangentiel balaye la membrane de façon à empêcher l'adhésion de l'unité catalytique.
2 0 Le liquide ainsi que le catalyseur circule en circuit fermé.
Ä la figure 4, la cartouche filtrante (22), quant à elle, permet de filtrer le liquide traité vers la sortie non pressurisée de la chambre (5). L'unité catalytique est gardée captive dans la chambre réactionnelle alors que seul le liquide traité peut traverser la membrane.

L'exemple suivant donne une application potentielle de la présente invention et n'est pas destiné à limiter la portée de l'invention. Des modifications et des variations peuvent être apporter sans s'écarter de l'esprit et de la portée de l'invention. Bien que n'importe quels
7 méthodes et matériaux semblables ou équivalent à ceux décrits dans le présent puissent être utilisés dans la pratique pour tester la présente invention, les méthodes et les matériaux préférés sont décrits.
Exemple 1 Le réacteur a été utilisé pour transformer le dioxyde de carbone en ion bicarbonate à l'aide de l'anhydrase carbonique. L'enzyme étant de faible poids moléculaire, soit 30,000 daltons, un complexe de cette enzyme a été fabriqué afin d'augmenter sa taille. Ceci permettait, en augmentant la porosité de la membrane, d'obtenir un débit supérieur de filtrat. Plusieurs possibilités permettaient la formation de ce complexe; utilisation de cellules entières: enzymes immobilisées sur support: enzymes emprisonnées dans des billes d'alginate et chitosan et/ou carboxyméthylcellulose: réseau albumine /enzymes liées chimiquement.
Des essais utilisant des globules rouges (contenant l'anhydrase carbonique) ont permis de constater une activité de l'enzyme. Étant donné, que l'enzyme diffusait rapidement en dehors de la cellule, nous avons alors eu recours à des techniques d'encapsulation de l'enzyme afin de pallier le problème.
La pression dans la chambre permet une dissolution rapide du gaz à traiter. De là, l'anhydrase carbonique catalyse l'hydratation du dioxyde de carbone et le transforme en ion bicarbonate.
Grâce au système de filtration tangentielle, le liquide contenant le bicarbonate est expulsé de la chambre réactionnelle alors qu'une partie du liquide, transportant les unités enzymatiques, 2 0 retourne au système.
ENUMÉRATION DES SYST~MES COMMERCIAUX
Présentement, la gamme d'appareils disponibles sur le marché ne présente pas de tel système 2 5 pour le traitement des effluents gazeux.
Dans le tableau ci-dessous, un répertoire des brevets, devant se rapprocher de près ou de loin à ce système, a fait l'objet d'étude et les points similaires et non similaires sont énumérés.
8 Comparaison de l'invention décrite ci-dessus par rapport aux brevets suivants NO BREVET TITRE CRITIQUES

Process for enzymatic Brevet n'utilisant pas le traitement 55250305 ultrafiltration of d'un effluent gazeux deamidated rotein JP60014900008A2Manufacture of immobilizedBrevet sur une concentration biologically b active leve d'enzymes sur la membrane substance membrane d'ultrafiltration Enzyme-coupled Utilisation d'une enzyme US4033822 ultrafiltration incorpore dans la membrane membranes . Pas d'utilisation pour un effluent azeux Gas treatment process Utilisation d'un gas spcifique un US4758417 type de bactries Design de la cellule d'ultrafilration diffrent AVANTAGES DE L'INVENTION PAR RAPPORT AUX AUTRES PROCÉDÉS
1) Permet l'emploi d'unités catalytiques sous formes libre et non liée. Ceci lui confère une pleine activité puisque l'immobilisation d'unités catalytiques peut conduire à
une perte importante d'activité.
2) Possibilité de traiter plusieurs types d'effluents gazeux.
3) Permet le traitement de plus d'un type de gaz par simple ajout d'unités catalytiques spécifiques.
4) Possibilité d'utiliser plusieurs réacteurs à membrane en série pour augmenter l'efficacité
de traitement ou diversifier le type de traitement.
5) Contact direct du biocatalyseur avec le substrat (gaz dissous).
6) Permet, par l'analyse du gaz de sortie, le suivi de la réaction tout au long de la transformation.
7) Permet l'utilisation simultanée ou séquentielle de plusieurs biocatalyseurs.
9 8) L'alimentation en coenzyme spécifique à une enzyme est facilitée par l'alimentation en continue du liquide.
9) Possibilité de recirculation du liquide.
10) Permet l'alternance ou le remplacement d'une unité ou de plusieurs unités de traitement en cours de processus si les unités sont placées en parallèle.
11) Permet l'utilisation de multiples biocatalyseurs (enzymes, organites cellulaires, particules microbiennes, membranes de procaryotes ou d'eucaryotes, particules moléculaires biologiques).
12) Les biocatalyseurs peuvent être utilisés de façon emprisonnée ou immobilisée sur un support.
13) Ne requiert pas un attachement de l'unité catalytique.
14) Permet la capture de sous-produits indésirables sur membrane en fin de traitement par l'ajout de colonne échangeuse d'ions ou autres.
15) Permet l'ajout d'une unité de décantation suite à l'unité de traitement.
16) Fonctionnement du procédé aisé et ne requérant que peu de matériel.
17) Installation facile.
18) Entretien facile.
19) Facilité à ajouter de l'unité catalytique même lorsqu'en marche.
2 0 Variantes possibles à l'invention 1 ) Biocatalyseur est utilisé sous désignation de toutes particules biologiques permettant la transformation d'un substrat en un ou plusieurs produits. II peut s'agir d'enzymes, d'organites cellulaires (mitochondries, membranes, etc.), de cellules animales, végétales ou humaines.
2 5 2) Les biocatalyseurs peuvent être fixés sur un support de polymères (nylon, polystyrène, polyuréthane, polyméthyle méthacrylate, gel de silice fonctionnalisé, etc.).
3) Les biocatalyseurs peuvent être capturés dans des pores de gel de silice, de billes de gélatine (alginate, alginate/chitosan, alginate/carloxyméthylcellulose, etc.) 4) Les biocatalyseurs peuvent être utilisés en réseau tels que un complexe d'albumine/unité
3 0 catalytique, polyéthylène glycol/unités catalytiques etc.

5) La membrane servant de barrière physique à l'unité catalytique peut être de différentes compositions (cellulose, nylon, polyméthyle méthacrylate, PVDF, etc).
6) La membrane peut contenir l'unité catalytique.
7) La membrane servant de barrière physique peut être de porosités diverses selon la 5 dimension de l'unité catalytique utilisée et du débit de sortie désiré.
8) La dimension du réacteur à membrane peut être de taille variable.
9) L'utilisation du système en circuit fermé ou non est optionnelle.
10) Il y a possibilités d'ajouter à la chambre réactionnelle des unités afin de permettre l'opération catalytique mieux adaptée au traitement. Par exemple, un circuit de 10 thermorégulation autour de la chambre permet d'effectuer la réaction catalytique dans des conditions de température optimisées.
11 ) La membrane de rétention peut faire partie intégrante de la chambre réactionnelle ou faire suite à la chambre.
12) Le système de diffusion du gaz peut être à une hauteur variable dans la chambre réactiomielle et l'entrée du gaz peut être située au bas ou en haut de la colonne.
13) Le système peut opérer à une pression variable et peut aussi opérer sans aucune pression selon les besoins de l'utilisation.
14) La chambre réactionnelle peut être constituée de matériaux divers : Ex :
verre, plastique, acier inoxydable, polymère synthétique etc.
15) Le débit à l'entrée du liquide ou du gaz est variable selon le rendement désiré.
16) Les analyseurs de gaz peuvent être installés à l'entrée et à la sortie du système.
17) Un système de contrôle du niveau d'eau peut être installé, celui-ci étant basé soit sur le différentiel de pression entre le haut et la bas de la colonne, sur la masse de liquide dans le système ou sur la détection du niveau de liquide (sans si limiter). Une valve, à la sortie du 2 5 liquide, pourra être contrôlée pour faire varier le niveau du liquide.
18) Une série de valves à l'entrée et la sortie liquide et gazeuse permet de changer le débit des phases en cause. Des débitmètres permettent d'évaluer les flux.
19) Un détendeur situé à la sortie du gaz permet de pressuriser l'équipement au niveau voulu.
20) Une pompe de recirculation permet au liquide de la boucle de recirculation d'atteindre une vitesse adéquate pour empêcher le colmatage du filtre à flux tangentiel.

Le système de traitement des effluents gazeux présenté ici possède certaines caractéristiques innovatrices qui ne se retrouvent actuellement dans aucun des systèmes répertoriés jusqu'ici.
Ce principe permet une avenue forte intéressante pour plusieurs applications industrielles dans l'assainissement de l'air contaminé par un gaz.
Grâce à son système de filtration en continue spécifique à l'unité
catalytique, le colmatage de la membrane est restreint au minimum. Il permet, aussi, l'utilisation d'unités catalytiques très petites et libres dans le milieu.
Bien que des modes de réalisation préférés de l'invention aient été décrits en détails ci-dessus et illustrés dans les dessins annexés, l'invention n'est pas limitée à ces seuls modes de réalisation et plusieurs changements et modifications peuvent y être effectués par une personne du métier sans sortir du cadre ou de l'esprit de l'invention.
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