CH628678A5

CH628678A5 - Appareil de fermentation.

Info

Publication number: CH628678A5
Application number: CH332078A
Authority: CH
Inventors: Emil A Malick
Original assignee: Phillips Petroleum Co
Priority date: 1977-03-29
Filing date: 1978-03-28
Publication date: 1982-03-15
Also published as: FR2385797A1; US4148691A; FR2385797B1; GB1601657A; JPS5840461B2; JPS53121988A

Description

La présente invention a donc pour objet l'appareil de fermentation défini dans la revendication 1. Par sa simplicité et sa facilité de conduite, cet appareil assure un excellent transfert de l'oxygène assimilable au milieu liquide et un brassage efficace de ce dernier â l'intérieur du circuit fermé d'écoulement.

Les dessins annexés représentent à titre d'exemples deux formes particulières de l'appareil objet de l'invention.

La fig. 1 est une représentation schématique en plan d'une première forme de l'appareil de fermentation.

La fig. 2 est une coupe transversale dans le plan 2-2 de la fig. 1.

La fig. 3 est une coupe longitudinale dans le plan 3-3 de la fig. 1,

La fig. 4 est une vue schématique en élévation d'une variante de l'appareil de fermentation.

La fig. 5 est une coupe schématique de l'appareil modifié dans le plan 2-2 de la fig. 1.

La fig. 1 représente un appareil de fermentation 1 ou réacteur qui est le siège d'une réaction de fermentation destinée à produire des protéines d'organismes unicellulaires. L'appareil 1 se compose d'un tuyau cylindrique 2 qui forme une boucle rectangulaire continue ou pratiquement continue dont l'intérieur constitue la zone de réaction 3. L'appareil comprend également un activateur de fermentation 4 destiné à accélérer le processus de fermentation. Un injecteur classique 5 atomise un milieu liquide contenant de l'oxygène assimilable, des substances nutritives, un composé carboné, etc. Enfin, un séparateur de phases 6 communique avec la zone de réaction 3 pour dissocier l'émulsion en une phase liquide, dont une partie est recyclée, et en une phase gazeuse qui est évacuée.

Le tuyau 2 qui constitue la boucle fermée est de préférence en acier inoxydable et ses dimensions sont fonction du processus de fermentation utilisé. L'intérieur du tuyau 2 est barré par une ou plusieurs cloisons 7 empêchant le passage direct du milieu liquide d'une section à l'autre, comme on le verra ci-après.

Dans le mode de réalisation préféré de la fig. 1, l'activateur de fermentation 4 comporte plusieurs injecteurs d'air 9 qui sont disposés à proximité les uns des autres et débouchent dans la zone de réaction 3. Les injecteurs 9 sont alimentés en air sous pression par un compresseur 10 et des lignes de distribution 11. Les injecteurs 9 sont orientés dans les directions les plus favorables pour produire un bon brassage, par exemple tangentiellement comme sur la fig. 5, ou radialement comme sur la fig. 2, et peuvent être inclinés vers l'aval. L'activateur de fermentation 4 comprend également un échangeur de chaleur 12 disposé à proximité des injecteurs d'air 9. L'échangeur 12 peut être une chemise extérieure dans laquelle circule un liquide de refroidissement qui entre par un conduit 14 et sort par un conduit 15. On voit que les injecteurs d'air 9 traversent la chemise 12. L'activateur de fermentation 4 est monté en aval et à proximité d'une buse axiale 5 qui pulvérise le milieu liquide dans la zone entourée par l'échangeur de chaleur 12 où débouchent les injecteurs d'air 9. La buse 5 peut être de différents types classiques et produit de préférence un brouillard de fines particules de liquide. La buse 5 est de préférence montée sur la cloison 7 et de l'air peut être introduit autour de la buse par un orifice 17.

L'activateur de fermentation 4 comprend également des moyens de brassage de l'air et du milieu liquide à l'intérieur de l'échangeur de chaleur 12. On voit sur la fig. 3 que le brassage est effectué par plusieurs ailettes hélicoïdales 18 qui sont de préférence fixées à l'intérieur du tuyau 2 sur toute la longueur de la chemise 12. Le profil et les dimensions de ces ailettes dépendent évidemment du procédé de fermentation et du degré de brassage désiré. On peut utiliser des ailettes hélicoïdales dans d'autres parties du circuit d'écoulement pour assurer une bonne homogénéité du milieu. Pour améliorer le

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refroidissement, on peut monter facultativement un second échangeur de chaleur 19 à l'intérieur du tuyau 2 et au niveau de la chemise 12. Dans le mode de réalisation illustré,.l'échangeur de chaleur 19 est un tube axial muni d'une entrée 20 et d'une sortie 21 de liquide de refroidissement. L'échangeur 19 est concentrique par rapport au tuyau 2 et à la chemise 12, mais il est évident qu'on peut le monter dans d'autres parties du circuit selon les caractéristiques du processus de fermentation. Pour favoriser les transferts de chaleur, l'échangeur 19 est de préférence muni d'ailettes extérieures 22 qui peuvent également être de configuration hélicoïdale pour participer au brassage. Ainsi, le milieu liquide qui circule dans l'activateur de fermentation cède de la chaleur aux échangeurs 12 et 19.

Le séparateur de phases 6 est d'un type classique et comprend par exemple plusieurs éléments tronconiques 23 entraînés en rotation autour d'un axe vertical pour dissocier l'émulsion par un effet centrifuge. (Pour la clarté de l'illustration, le séparateur de phases 6 est représenté dans le plan horizontal, mais il est en fait vertical avec sa sortie 26 tournée vers le bas.) Les gaz séparés s'échappent par un passage 24 communiquant avec l'intérieur du séparateur, de préférence par l'intermédiaire d'un arbre creux portant les éléments tronconiques. L'entrée du séparateur reçoit de l'émulsion prélevée par un tuyau 25 en un point situé en aval de l'échangeur de chaleur 12. La sortie 26 du séparateur est partiellement recyclée dans l'appareil par un tuyau 27, et partiellement envoyée à une installation de traitement. Une pompe 34 et une vanne 35 montées sur le tuyau 27 permettent de régler la pression et le débit du liquide qui est recyclé. La réinjection du liquide se fait en aval du point de prélèvement qui est lui-même en aval de l'extrémité 28 de l'échangeur de chaleur 12.

D'autres échangeurs de chaleur 30 peuvent être montés en différents points de la boucle de circulation.

Une pompe 31 prélève un certain débit à l'intérieur du tuyau 2 par une dérivation 32. Comme illustré sur la fig. 1, le point de prélèvement est situé en aval du point de retour du liquide recyclé et en amont de la buse 5. La pompe 31 alimente la buse 5 en liquide sous pression par une tuyauterie 33. La pompe 31 est illustrée à l'extérieur de la boucle de circulation, mais elle pourrait également être montée à l'intérieur.

On comprend que l'appareil de la fig. 1 est disposé dans un plan sensiblement horizontal, à l'exception du séparateur de phases 6 qui est monté verticalement.

La fig. 4 illustre une variante 38 de l'appareil de fermentation de l'invention. Cet appareil comprend également un activateur de fermentation 4, un séparateur de phases 6 et une pompe 31 alimentant la buse d'atomisation 5. La principale différence entre les deux formes de l'invention réside dans le fait que, dans le cas de la fig. 4, la boucle de circulation 2 est montée dans un plan sensiblement vertical, de sorte que la phase liquide s'accumule dans le bas du circuit où elle est pompée pour être réinjectée dans le haut par la buse 5. Le séparateur de phases 6 est également monté verticalement, comme dans le cas de la fig. 1.

La fig. 5 illustre une variante dont la buse 5 est orientée tangentiellement pour créer un écoulement cyclonique s'ajoutant à

l'effet des ailettes hélicoïdales 18. Le brassage obtenu est très efficace et l'écoulement hélicoïdal peut être renforcé par une disposition tangentielle des injecteurs d'air 9. Le conduit de recyclage 27 du séparateur peut également être monté tangentiellement dans le s passage 3.

Le fonctionnement de l'appareil de fermentation va être illustré par un exemple pratique utilisant le méthanol comme source de carbone et d'énergie.

Les paramètres de fonctionnement de l'installation sont les io suivants:

Rendement en protéines: Quantité d'oxygène nécessaire:

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15 Concentration en protéines dans le milieu de fermentation: Concentration en protéines dans la phase liquide à la sortie du séparateur: 20 Temps de séjour dans le réacteur: Chaleur de fermentation:

Vitesse d'écoulement du milieu: Rapport liquide/gaz:

Pression d'air aux injecteurs: 25 Température de fermentation:

0,4 kg/kg de méthanol (estimé)

2,09 kg 02/kg de protéines produites

3,5% en poids

8% en poids 4 heures

10000 kcal/kg de protéines 3 m/s environ 1:1 en volume 2,4 bars absolus 40° C

Exemple:

On applique les paramètres ci-dessus à un appareil de fermentation du type de celui de la fig. 1 ayant une capacité totale 30 d'environ 28,4 m3.

1. Dimensions du circuit de fermentation:

Boucle rectangulaire verticale formée de deux branches horizontales de 91 cm de diamètre par 8,5 m de long et de deux branches 3j verticales de 76 cm de diamètre par 16 m de haut reliées par quatre coudes à 90°.

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2. Débit de méthanol:

3. Production de protéines:

4. Débit d'air:

5. Débit de circulation:

6. Séparateur de phases:

7. Débit d'eau de refroidissement:

Consommation d'énergie: Compresseur d'air Pompes de circulation Séparateur de phases

Total

2391/h 70 kg/h

9,9 m3/min (sous 1 atm et à 15,6°C)

83,3 m3/min de type classique, diamètre: 0,91 m,

hauteur: 1,83 m 8,7 m3/min avec une élévation de température de 1FC

37 kW 74,5 kW 15 kW

126,5 kW

2 feuilles dessins

Claims

628678 REVENDICATIONS

1. Appareil de fermentation comprenant un élément tubulaire en forme de boucle continue, une buse de pulvérisation dirigée axiale-ment dans l'élément tubulaire, une pompe alimentant la buse et comportant une prise d'entrée à l'intérieur de l'élément tubulaire, un échangeur de chaleur associé à une partie de l'élément tubulaire entre la buse et la prise de la pompe, un séparateur de phase gazeuse et liquide dont l'entrée est reliée à l'intérieur de l'élément tubulaire entre la prise de la pompe et la buse, et plusieurs injecteurs d'oxygène débouchant dans l'élément tubulaire entre la buse et l'entrée du séparateur de phase, caractérisé en ce qu'au moins une ailette de brassage est montée à l'intérieur de l'élément tubulaire entre la buse et l'entrée du séparateur de phases.

2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que la ou les ailettes sont fixées à la paroi intérieure de l'élément tubulaire.

3. Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'un second échangeur de chaleur est monté axialement au centre de l'élément tubulaire, coaxialement par rapport au premier échangeur de chaleur, et en ce qu'au moins une autre ailette de brassage est fixée à l'extérieur du second échangeur de chaleur.

4. Appareil selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'au moins une partie des injecteurs d'oxygène traverse le premier échangeur de chaleur et pénètre radialement dans l'élément tubulaire.

5. Appareil selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'au moins une partie des injecteurs d'oxygène traverse le premier échangeur de chaleur et pénètre tangentiellement dans l'élément tubulaire.

6. Appareil selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la sortie du séparateur de phases est réinjectée tangentiellement dans l'élément tubulaire.

7. Appareil selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'une cloison ferme l'élément tubulaire entre la prise de la pompe et la buse de pulvérisation pour barrer l'écoulement direct du milieu de fermentation, sauf à travers la buse.

L'art antérieur contient de nombreux exemples d'appareils permettant de conduire des fermentations aérobies qui utilisent des micro-organismes pour produire des protéines d'organismes unicel-lulaires. Les micro-organismes se développent à partir d'un composé carboné, tel que le méthanol, mais nécessitent également de l'oxygène sous une forme assimilable et d'autres substances nutritives et minérales. Un appareil classique comprend une enceinte et un tube central, le milieu de fermentation s'écoulant dans le tube central, puis dans l'espace annulaire qu'il délimite par rapport à l'intérieur de l'enceinte. Ce réacteur à recirculation nécessite une enceinte fermée et un élément tubulaire ouvert aux deux bouts. Un autre type de réacteur comporte un élément tubulaire qui forme une bouche fermée dans un plan sensiblement vertical. De l'air est injecté dans la branche ascendante de la boucle pour former une émulsion de moindre densité qui s'élève jusqu'au sommet de la boucle où a lieu une séparation des phases liquide et gazeuse. La phase liquide plus dense redescend par l'autre branche de la boucle pour être recyclée. Ces deux types de réacteurs de fermentation sont relativement efficaces pour produire des protéines unicellulaires. Cependant, pour obtenir un développement optimal des micro-organismes, il faut fournir une quantité suffisante d'oxygène assimilable. Le procédé par émulsion, qui consiste à injecter de l'oxygène dans le milieu liquide, donne de bons résultats. On peut également atomiser le milieu liquide en fines gouttelettes pour augmenter sa surface de contact avec l'oxygène. Dans les appareils de fermentation, il faut éliminer au maximum les zones stagnantes ou à écoulement ralenti pour maintenir une productivité optimale. Il est enfin nécessaire de maintenir le milieu liquide à la température idéale de croissance des microorganismes. Cette dernière condition est relativement délicate à satisfaire car les réactions de fermentation utilisées sont toutes fortement exothermiques et nécessitent un refroidissement énergique. En résumé, il est difficile de réaliser un appareil satisfaisant à ces diverses conditions dans des limites raisonnables de complexité et de coûts de fabrication, d'entretien et d'exploitation.