" PROCEDE DE PRODUCTION D'ANHYDRIDE CARBONIQUE ET D'ETHANOL PAR FERMENTATION CONTINUE MULTI-ETAGEE ET INSTALLATION " "PROCESS FOR PRODUCING CARBONIC ANHYDRIDE AND ETHANOL BY CONTINUOUS MULTI-STAGE FERMENTATION AND INSTALLATION"
La présente invention concerne un procédé de production d'anhydride carbonique et d'éthanol par fermentation continue multiétagée.The present invention relates to a process for producing carbon dioxide and ethanol by continuous multistage fermentation.
Bien qu'actuellement on ne puisse mettre en doute la faisabilité technique de la production d'éthanol par fermentation continue, économiquement un certain nombre de contraintes pèsent sur le développement de cette technique. Ainsi le substrat : sucre, matières amylacées, doit être converti, de façon aussi complète que possible, en alcool avec un rendement approchant la production maximale théorique de 0,51 Kg d'éthanol par Kg de glucose ; de même, la teneur finale en éthanol de jus de fermentation doit être supérieure à 60 g par litre, afin de minimiser le coût énergétique de la distillation et le coût de traitement des vinasses de distillerie.Although there is currently no doubt about the technical feasibility of producing ethanol by continuous fermentation, economically a number of constraints weigh on the development of this technique. Thus the substrate: sugar, starchy materials, must be converted, as completely as possible, into alcohol with a yield approaching the theoretical maximum production of 0.51 kg of ethanol per kg of glucose; similarly, the final ethanol content of fermentation juice must be greater than 60 g per liter, in order to minimize the energy cost of distillation and the cost of processing distilled vinasses.
Dans le domaine fermentaire deux types de microorganismes présentent un intérêt industriel. Les levures, principalement du genre Saccharomyces sont bien connues et utilisées depuis fort longtemps en brasserie, vinification... Et, les bactéries appartenant au genre Zymomonas, suscitent, en raison de leur activité métabolique supérieure, un intérêt croissant.In the fermentation field two types of microorganisms are of industrial interest. Yeasts, mainly of the genus Saccharomyces are well known and used for a very long time in brewing, winemaking ... And, bacteria belonging to the genus Zymomonas, arouse, because of their higher metabolic activity, an increasing interest.
A concentrations finales d'éthanol identiques, la productivité et le rendement constituent les deux principaux paramètres qui permettent de juger de l'efficacité d'un procédé de fermentation. La vitesse de production étant étroitement liée à la quantité de microorganismes actifs présente dans les fermenteurs, les procédés de fermentation continus doivent pour accroître leur productivité augmenter la population microbienne active. Pour lutter contre les phénomènes de dilution, qui auraient tendance à diminuer la concentration microbienne, engendrés par des taux de dilution importants, ces procédés font appel à des techniques de rétention de microorganismes performants.At identical final ethanol concentrations, productivity and yield are the two main parameters that allow us to judge the efficiency of a fermentation process. Since the speed of production is closely linked to the quantity of active microorganisms present in the fermenters, continuous fermentation processes must increase the active microbial population in order to increase their productivity. To combat the dilution phenomena, which would tend to decrease the microbial concentration, generated by high dilution rates, these methods use techniques for retaining efficient microorganisms.
La demande de brevet européen N° EP. 0213005, propose un procédé de fermentation continue mettant en oeuvre des microorganismes floculants, dont la rétention dans le système est assurée par décantation-recyclage interne. Ce procédé permet d'atteindre des concentrations en microorganismes élevées. Il est de plus insensible aux contaminants et permet d'éviter tout moyen mécanique mobile indispensable dans les systèmes à décantation externe.
De manière générale, la floculation est un phénomène biologique par lequel les microorganismes s'associent pour former des particules de biomasse ou aggrégats cellulaires de taille microscopique, appelés flocs, la taille de ces flocs variant généralement de 0,2 à 6 mm, avec une valeur moyenne de 2 mm.European patent application N ° EP. 0213005, offers a continuous fermentation process using flocculating microorganisms, the retention of which in the system is ensured by internal settling-recycling. This process achieves high concentrations of microorganisms. It is also insensitive to contaminants and avoids any mobile mechanical means essential in systems with external settling. In general, flocculation is a biological phenomenon by which microorganisms combine to form particles of biomass or cellular aggregates of microscopic size, called flocs, the size of these flocs generally varying from 0.2 to 6 mm, with a average value of 2 mm.
En fermentation continue, en cuve mélangée unique, il n'est pas possible d'atteindre des concentrations d'éthanol supérieures à 50-70 grammes/litre ; à partir de cette concentration appelée concentration critique, le taux de mortalité des microorganismes dépasse leur taux de croissance ; et ceci d'autant plus que la concentration en éthanol est élevée. La valeur de la concentration critique dépend de la souche de microorganisme, de la matière première utilisée et des conditions de fermentation (température, oxygénation...).In continuous fermentation, in a single mixed tank, it is not possible to reach ethanol concentrations higher than 50-70 grams / liter; from this concentration called critical concentration, the mortality rate of microorganisms exceeds their growth rate; and this all the more that the ethanol concentration is high. The value of the critical concentration depends on the strain of microorganism, the raw material used and the fermentation conditions (temperature, oxygenation, etc.).
Par contre, en fermenteur multi-étagé, les concentrations alcooliques obtenues surpassent largement celles obtenues en fermenteur mono-étagé. Car, les premiers fermenteurs servent à générer les microorganismes qui assurent, avant leur destruction, la production complémentaire dans les étages suivants, en effet la production d'éthanol se poursuit soit jusqu'à épuisement du sucre, soit jusqu'à la mort du dernier microorganisme.On the other hand, in a multi-stage fermenter, the alcoholic concentrations obtained largely exceed those obtained in a single-stage fermenter. Because, the first fermenters are used to generate the microorganisms which ensure, before their destruction, the complementary production in the following stages, indeed the production of ethanol continues either until exhaustion of the sugar, or until the death of the last microorganism.
L'évolution de la concentration de biomasse et d'éthanol en fonction du temps, pour une culture de Zymomonas mobilis est représentée sur la figure 1 du dessin annexé, les concentrations de biomasse (X) en unité D.O à 510 nm sont portées en ordonnées, ainsi que celles d' éthanol (C2H5OH) en grammes/litre, et le temps en heures est porté en abscisses (t/h). La courbe 1 correspond à l'évolution de la concentration de biomasse totale , la courbe 2 à celle de la biomasse viable et la courbe 3 à la concentration d'éthanol.The evolution of the concentration of biomass and ethanol as a function of time, for a culture of Zymomonas mobilis is represented in FIG. 1 of the appended drawing, the concentrations of biomass (X) in DO unit at 510 nm are plotted on the ordinate , as well as those of ethanol (C 2 H 5 OH) in grams / liter, and the time in hours is plotted on the abscissa (t / h). Curve 1 corresponds to the change in the concentration of total biomass, curve 2 to that of viable biomass and curve 3 to the concentration of ethanol.
L'amélioration de la productivité engendrée par le recyclage direct des microorganismes de l'effluent dans le flux d'alimentation d'un système multiétagé ne présente qu'un intérêt marginal si la concentration en éthanol de l'effluent dépasse la concentration critique, les microorganismes ayant été, en effet, tués, au moins partiellement, par l'éthanol.The improvement in productivity generated by the direct recycling of the microorganisms from the effluent in the feed stream of a multi-stage system is only of marginal interest if the ethanol concentration of the effluent exceeds the critical concentration, the microorganisms having been, in fact, killed, at least partially, by ethanol.
Pour bénéficier à la fois des avantages apportés par le confinement des microorganismes dans le système et par la présence d'étages multiples de fermentation, le recyclage de la biomasse doit
s'effectuer au niveau de chaque étage en évitant le transfert d'un étage aval vers un étage amont.To benefit both from the advantages brought by the confinement of microorganisms in the system and by the presence of multiple stages of fermentation, the recycling of biomass must take place at each stage, avoiding the transfer from a downstream stage to an upstream stage.
Parmi les nombreux procédés connus seuls ceux décrits dans le brevet GB 2.125.064 et la demande européenne EP. 0213.005 présentent ces caractéristiques techniques.Among the many known methods, only those described in GB patent 2,125,064 and European application EP. 0213.005 have these technical characteristics.
Le premier de ces deux procédés propose une stratégie de conduite permettant une optimisation rationnelle du fonctionnement d'un système à étages multiples avec confinement des microorganismes ; tout en reconnaissant la nécessité de procéder à un transfert de biomasse de l'amont vers l'aval, comme c'est d'ailleurs le cas dans tous les procédés continus multiétagés traditionnels. En effet, en l'absence de transfert, tel qu'on pourrait l'obtenir avec un système de rétention absolue des microorganismes (membrane d'ultrafiltration par exemple), le système évoluerait spontanément soit vers un colmatage ou un blocage de tout écoulement par accumulation excessive de biomasse (pour des concentrations comprises entre 120 et 250 grammes/litre de masse sèche de microorganismes ; cette concentration étant fonction de la souche microbienne et du système d'agitation utilisés), soit vers un arrêt de la croissance provoqué par une augmentation excessive de la concentration d'éthanol et/ou de produits inhibiteurs associés du métabolisme.The first of these two methods proposes a control strategy allowing rational optimization of the operation of a multi-stage system with confinement of microorganisms; while recognizing the need to transfer biomass from upstream to downstream, as is the case in all traditional multi-stage continuous processes. Indeed, in the absence of transfer, as could be obtained with a system for absolute retention of microorganisms (ultrafiltration membrane for example), the system would evolve spontaneously either towards clogging or blocking of any flow by excessive accumulation of biomass (for concentrations between 120 and 250 grams / liter of dry mass of microorganisms; this concentration being a function of the microbial strain and of the stirring system used), i.e. towards growth arrest caused by an increase excessive concentration of ethanol and / or associated metabolic inhibitor products.
Ceci peut être exposé mathématiquement de manière simple en établissant le bilan matière sur la masse de microorganismes, au niveau du premier étage de fermentation par exemple :This can be explained mathematically in a simple way by establishing the material balance on the mass of microorganisms, at the level of the first stage of fermentation for example:
- en l'absence de transfert, la variation de la concentration de biomasse dans le temps dX/dt, dans le premier étage de fermentation est donnée par la relation : dX/dt = μx où μ représente le taux de croissance des microorganismes.- in the absence of transfer, the variation of the biomass concentration over time dX / dt, in the first fermentation stage is given by the relationship: dX / dt = μx where μ represents the growth rate of the microorganisms.
Si on élimine la solution triviale x = 0 gramme/litre, un état d'équilibre : dX/dt = 0 sera atteint que pour μ = 0 h . Dans ces conditions, le renouvellement des microorganismes détruits par les concentrations élevées d'éthanol, ne serait plus assuré dans les étages suivants.If we eliminate the trivial solution x = 0 gram / liter, an equilibrium state: dX / dt = 0 will be reached only for μ = 0 h. Under these conditions, the renewal of the microorganisms destroyed by the high concentrations of ethanol would no longer be ensured in the following stages.
La solution retenue dans le brevet britannique consiste à asservir le fonctionnement d'un dispositif de transfert des microorganismes (une pompe par exemple), soit à la concentration d'éthanol dans le premier étage du système, soit à l'activité mesurée
par un moyen quelconque (la vitesse de production de C0 par exemple) . Le contrôle ne porte que sur le premier étage de fermentation.The solution adopted in the British patent consists in slaving the operation of a microorganism transfer device (a pump for example), either to the ethanol concentration in the first stage of the system, or to the activity measured. by any means (the production speed of C0 for example). The control relates only to the first stage of fermentation.
Il a été trouvé un procédé de production d'anhydride carbonique et d'éthanol, par fermentation continue multiétagée d'un milieu de culture inoculé par des microorganismes sous forme de flocs, du type bactérie ou levure avec rétention et recyclage des microorganismes, dont le fonctionnement est indépendant de celui d'un système de mesure quelconque.A process for the production of carbon dioxide and ethanol has been found, by continuous multi-stage fermentation of a culture medium inoculated with microorganisms in the form of flocs, of the bacteria or yeast type with retention and recycling of microorganisms, the operation is independent of that of any measurement system.
Selon un objet de l'invention, on procède à un transfert maitrisé (régulier, continu ou temporisé) de la biomasse d'un étage de fermentation à l'étage suivant.According to an object of the invention, a controlled transfer (regular, continuous or timed) of the biomass is carried out from one fermentation stage to the next stage.
Dans ces conditions, le débit moyen de transfert ramené à l'unité de volume de l'étage de fermentation est égal au taux de croissance des microorganismes quand l'équilibre est atteint. La loi de transfert est définie à partir de la connaissance préalable de la relation existant entre la concentration d'éthanol et le taux de croissance du microorganisme. La variation de la concentration de biomasse dans le temps dX/dt = isX - (q/v) .X, où il représente le taux de croissance des microorganismes et q/v représente le débit moyen de transfert ramené à l'unité de volume du fermenteur. L'équilibre est atteint pour q/v = LLUnder these conditions, the average transfer rate reduced to the volume unit of the fermentation stage is equal to the growth rate of the microorganisms when equilibrium is reached. The transfer law is defined on the basis of prior knowledge of the relationship between the concentration of ethanol and the growth rate of the microorganism. The variation of the biomass concentration over time dX / dt = isX - (q / v) .X, where it represents the growth rate of the microorganisms and q / v represents the average transfer rate reduced to the unit of volume of the fermenter. Balance is reached for q / v = LL
Ce type de transfert peut être réalisé soit à l'aide d'une pompe, soit par ouverture d'une vanne, soit par un tout autre dispositif adéquat.This type of transfer can be carried out either using a pump, or by opening a valve, or by any other suitable device.
Dans un tel système, il est d'autant plus nécessaire de transférer les microorganismes actifs des étages amonts vers les étages avals que la concentration finale en éthanol est élevée, ceci afin d'assurer le maintien de la viabilité des microorganismes dans les derniers étages du fermenteur. Ainsi, dans le premier étage, l'augmentation du débit de transfert q se traduit par une augmentation du taux de croissance /ι et une diminution de la concentration alcoolique.In such a system, it is all the more necessary to transfer the active microorganisms from the upstream stages to the downstream stages that the final ethanol concentration is high, this in order to ensure the maintenance of the viability of the microorganisms in the last stages of the fermenter. Thus, in the first stage, the increase in the transfer rate q results in an increase in the growth rate / ι and a decrease in the alcoholic concentration.
Cette observation conduit à maintenir dans le premier étage du fermenteur une concentration alcoolique P d'autant plus faible que la concentration finale désirée d'éthanol est élevée.This observation leads to maintaining in the first stage of the fermenter an alcohol concentration P all the lower the desired final concentration of ethanol is high.
A titre de simplification, on admet qu'il existe une relation linéaire entre le taux de croissance |i et la concentration d'éthanol P : μ = μMAX (1-P/PC)
dans laquelle μMAX est le taux de croissance maximal, en l'absence de limitation et P la concentration critique d'éthanol, à partir de laquelle les microorganismes meurent.For simplicity, it is assumed that there is a linear relationship between the growth rate | i and the ethanol concentration P: μ = μ MAX (1-P / P C ) in which μ MAX is the maximum growth rate, without limitation and P is the critical ethanol concentration, from which microorganisms die.
Soit P la concentration d'éthanol à atteindre à la sortie du deuxième étage. Pour des raisons économiques, P est supérieure à P . Le taux de croissance dans le deuxième étage est donc négatif. En régime permanent, en négligeant les fuites de biomasse, la mortalité cellulaire est compensée par l'apport de biomasse provenant du premier étage. Un bilan matière sur le deuxième étage de fermentation donne : q.X1 + μ2X2V2 = 0 ⇒ q = - μ2 (X2/X1)V2 où X et X sont les concentrations de biomasse dans les deux étages, fixées principalement par les caractéristiques du système de rétention.Let P be the ethanol concentration to be reached at the outlet of the second stage. For economic reasons, P is greater than P. The growth rate in the second stage is therefore negative. In steady state, by neglecting biomass leaks, cell mortality is compensated by the supply of biomass from the first stage. A material balance on the second fermentation stage gives: qX 1 + μ 2 X 2 V 2 = 0 ⇒ q = - μ 2 (X 2 / X 1 ) V 2 where X and X are the biomass concentrations in the two stages , mainly determined by the characteristics of the retention system.
En remplaçant μ2 par son expression, on obtient :By replacing μ 2 by its expression, we obtain:
Il apparaît clairement selon cette équation que la concentration P sera d'autant plus faible que la concentration P sera élevée.It is clear from this equation that the concentration P will be lower the higher the concentration P.
Selon un autre objet de l'invention, on calcule le volume de chaque étage de fermentation, et du premier en particulier, de manière telle que, pour le débit nominal de fonctionnement du système de fermentation et pour une concentration finale d'éthanol déterminée, le transfert de biomasse des étages amonts vers les étages avals s'effectue par débordement dès que la concentration de biomasse dépasse les capacités de rétention des différents étages. Une telle conduite implique une croissance continue des microorganismes dans le premier étage ; le volume V1 sera donc calculé à partir de la relation suivanteAccording to another object of the invention, the volume of each fermentation stage, and of the first in particular, is calculated in such a way that, for the nominal operating flow rate of the fermentation system and for a determined final ethanol concentration, the transfer of biomass from the upstream stages to the downstream stages is effected by overflow as soon as the biomass concentration exceeds the retention capacities of the various stages. Such behavior implies a continuous growth of microorganisms in the first stage; the volume V 1 will therefore be calculated from the following relation
:
d'où :: from where :
V1 = volume du premier étage V 1 = volume of the first stage
Q = débit d'alimentationQ = feed rate
P1 = concentration d'éthanol à l'équilibre dans le premier étageν 1 = activité fermentaire spécifique des microorganismesP 1 = ethanol concentration at equilibrium in the first stage v 1 = specific fermentation activity of microorganisms
X1max = concentration limite en microorganismes dans le premier étage.X 1max = limit concentration of microorganisms in the first stage.
Pour une levure floculante X1max est de l'ordre de 90 à 120 g/litre.For a flocculating yeast X 1max is around 90 to 120 g / liter.
Pour Zymomonas floculant X1max est de l'ordre de 70 à 80 g/litre.For Zymomonas flocculant X 1max is around 70 to 80 g / liter.
P est défini de la même façon que précédemment. Par ailleurs, il est nécessaire que le système de rétention des microorganismes dans chaque étage permette le débordement d'un étage à l'autre. Cette contrainte exclut donc l'utilisation de système de rétention de type membrane.P is defined in the same way as above. Furthermore, it is necessary that the microorganism retention system in each stage allows overflowing from one stage to another. This constraint therefore excludes the use of membrane type retention systems.
Il est établi que dans les systèmes où les micrσorganismes sont présents sous la forme d'une phase solide (cellules incluses, films microbiens, flocs), des gradients de concentration des substrats et produits du métabolisme apparaissent, pouvant entraîner des modifications de la vitesse de réaction ou même des changements de métabolisme.It is established that in systems where the microorganisms are present in the form of a solid phase (cells included, microbial films, flocs), concentration gradients of the substrates and products of metabolism appear, which can cause changes in the speed of reaction or even changes in metabolism.
Dans le cas de la fermentation alcoolique par levures floculantes, il a été montré que les gradients de concentration de glucose et d' éthanol étaient insuffisants pour modifier sensiblement la cinétique réactionnelle.In the case of alcoholic fermentation by flocculent yeasts, it has been shown that the gradients of concentration of glucose and ethanol were insufficient to appreciably modify the reaction kinetics.
Par contre, pour le CO2, le gradient est suffisant pour entraîner la formation de bulles au centre des plus gros flocs. Traditionnellement, les fermenteurs utilisés pour la culture de microorganismes floculants sont du type réacteurs à lit fluidisé : les flocs sont maintenus en suspension dans un réacteur tubulaire d'axe vertical par l'écoulement vers le haut du milieu de fermentation. Pour des microorganismes comme Zymomonas, ce principe de fonctionnement est satisfaisant : lors de la formation de la bulle de CO2, il y a rupture locale du floc. Les liens cellule-cellule étant brisés de façon irréversible, le floc éclate. Il y a donc auto régulation de la taille des particules. Avec les levures, la situation est différente : si, lors de la rupture, le floc n'est pas soumis à des contraintes de cisaillement suffisantes pour séparer les deux fragments, les cellules adhèrent à nouveau les unes aux autres après le départ de la bulle. Le floc n'est donc pas obligatoirement divisé. Ceci peut conduire à la
formation de flocs sphéroïdes creux (0 = 0,5 - 1 cm, e = 2 mm), à activité fermentaire, qui occupent un volume important.On the other hand, for CO 2 , the gradient is sufficient to cause the formation of bubbles at the center of the largest flocs. Traditionally, the fermenters used for the culture of flocculating microorganisms are of the fluidized bed reactors type: the flocs are kept in suspension in a tubular reactor of vertical axis by the upward flow of the fermentation medium. For microorganisms like Zymomonas, this operating principle is satisfactory: during the formation of the CO 2 bubble, there is a local break in the floc. The cell-cell links being irreversibly broken, the floc bursts. There is therefore self-regulation of the particle size. With yeasts, the situation is different: if, during rupture, the floc is not subjected to sufficient shear stresses to separate the two fragments, the cells again adhere to each other after the bubble has left . The floc is therefore not necessarily divided. This can lead to formation of hollow spheroid flocs (0 = 0.5 - 1 cm, e = 2 mm), with fermentation activity, which occupy a large volume.
Il importe donc de contrôler la taille des flocs, de manière à éviter l'apparition de zones inactives ou la flottation des agrégats, pour les particules les plus grosses, tout en évitant la disruption trop intense des flocs qui conduirait à une perte importante d'efficacité. On ignore en effet généralement que le volume occupé par une masse donnée de levures floculantes est directement lié à l'intensité de l'agitation. La figure 2 du dessin annexé illustre ce phénomène par l'intermédiaire du volume occupé par la biomasse, porté en ordonnées V en litres, en fonction du temps de sédimentation en minutes t(mn) porté en abscisses et de la vitesse d'agitation (rpm), la courbe 1 correspond à une vitesse de 200 rpm, la courbe 2 à une vitesse de 300 rpm et la courbe 3 à une vitesse de 500 rpm. Pour une même population de levures floculantes, dans un réacteur à turbine, le volume occupé par les flocs sédimentés après arrêt de l'agitation est fonction d'une part du temps de sédimentation, d'autre part de la vitesse de rotation préalable de la turbine. Le sédiment se compacte lentement, la durée de ce phénomène est nettement supérieure à celle du mélange dans un fermenteur et ne permet pas à un floc brisé par l'agitation de retrouver sa compacité maximale.It is therefore important to control the size of the flocs, so as to avoid the appearance of inactive zones or the flotation of the aggregates, for the largest particles, while avoiding too intense disruption of the flocs which would lead to a significant loss of efficiency. It is generally unknown that the volume occupied by a given mass of flocculent yeasts is directly linked to the intensity of agitation. Figure 2 of the accompanying drawing illustrates this phenomenon through the volume occupied by the biomass, plotted on the ordinate V in liters, as a function of the sedimentation time in minutes t (min) plotted on the abscissa and the stirring speed ( rpm), curve 1 corresponds to a speed of 200 rpm, curve 2 to a speed of 300 rpm and curve 3 to a speed of 500 rpm. For the same population of flocculent yeasts, in a turbine reactor, the volume occupied by the sedimented flocs after stirring has stopped is a function of the sedimentation time, on the one hand, and of the prior rotation speed of the turbine. The sediment compacts slowly, the duration of this phenomenon is much longer than that of the mixture in a fermenter and does not allow a flock broken by agitation to regain its maximum compactness.
En conséquence, une. agitation trop intense se traduit par une perte de volume utile dans le fermenteur.As a result, a. too intense agitation results in a loss of useful volume in the fermenter.
L'agitation est optimale lorsqu'elle permet la rupture des flocs fragilisés par l'apparition d'une bulle de CO2 en leur centre.The agitation is optimal when it allows the breaking of the flocs weakened by the appearance of a CO 2 bubble in their center.
Ce résultat est atteint :This result is achieved:
- soit par agitation pneumatique en injectant un gaz dans la cuve de fermentation, avec un débit compris entre 0,2 et 2 volumes de gaz par volume de milieu et par minute. Le gaz peut être de l'air, ou du CO2 de fermentation recyclé ou un mélange des deux ;- Either by pneumatic agitation by injecting a gas into the fermentation tank, with a flow rate between 0.2 and 2 volumes of gas per volume of medium and per minute. The gas can be air, or recycled fermentation CO 2 or a mixture of the two;
- soit par agitation mécanique à l'aide d'un agitateur du type hélice marine ou du type ancre, avec une vitesse en bout de pale de l'ordre de 0,1 à 0,2 m/s.- either by mechanical agitation using an agitator of the marine propeller type or of the anchor type, with a speed at the blade tip of the order of 0.1 to 0.2 m / s.
Les conditions d'agitation sont ajustées en tenant compte, d'une part de la concentration de biomasse à maintenir en suspension, d'autre part de la vitesse de fermentation qui produit elle-même un dégagement gazeux contribuant à l'agitation.The stirring conditions are adjusted taking into account, on the one hand, the concentration of biomass to be kept in suspension, on the other hand the rate of fermentation which itself produces a gaseous release contributing to the stirring.
D'autre part, dans le cas d'une agitation pneumatique, il est également possible de contrôler la taille des flocs en jouant sur la
nature du gaz de recirculation. Lorsque le gaz utilisé est du CO2 recyclé, le milieu de fermentation a une concentration en CO2 dissous telle que le transfert de CO2 du floc vers le liquide se fait lentement. Le CO2 produit s'accumule alors au sein du floc jusqu'à l'éclatement du floc. La taille moyenne des flocs sera donc d'autant plus faible que la quantité de CO2 dissous dans le liquide sera élevée. Il est donc possible en utilisant au moins partiellement l'autre gaz que CO2, par exemple de l'air ou un mélange CO2/air, d'obtenur des flocs de taille moyenne plus importante.On the other hand, in the case of pneumatic agitation, it is also possible to control the size of the flocs by playing on the nature of the recirculation gas. When the gas used is recycled CO 2 , the fermentation medium has a concentration of dissolved CO 2 such that the transfer of CO 2 from the floc to the liquid takes place slowly. The CO 2 produced then accumulates within the flock until the flock bursts. The average size of the flocs will therefore be lower the higher the quantity of CO 2 dissolved in the liquid. It is therefore possible by using at least partially the other gas than CO 2 , for example air or a CO 2 / air mixture, to obtain flocs of larger average size.
Toujours en vue d'accroître de façon rationnelle le rendement d'un système de fermentation à étages multiples avec rétention ou confinement des microorganismes, il est intéressant de procéder à une alimentation en substrat répartie sur les différents étages de fermentation.Still with a view to rationally increasing the yield of a multi-stage fermentation system with retention or confinement of microorganisms, it is advantageous to feed the substrate distributed over the different fermentation stages.
Ceci permet en effet d'éviter toute inhibition par excès de substrat au niveau du premier étage. Et par ce moyen de l'alimentation en substrat, on contrôle la ou les concentrations en éthanol à l'équilibre dans les différents étages.This in fact makes it possible to avoid any inhibition by excess of substrate at the level of the first stage. And by this means of the substrate supply, one controls the ethanol concentration (s) at equilibrium in the different stages.
Il est donné ci-après des exemples qui illustrent l'invention à titre non limitatif. EXEMPLE 1.Examples are given below which illustrate the invention without implied limitation. EXAMPLE 1.
Permentation alcoolique avec Zymomonas mobilis I 411 (Institut Pasteur) floculé dans un fermenteur continu bi-étagé, représenté à la figure 3 du dessin annexé.Alcoholic fermentation with Zymomonas mobilis I 411 (Institut Pasteur) flocculated in a continuous two-stage fermenter, shown in Figure 3 of the accompanying drawing.
Cette installation comprend les fermenteurs la, lb, munis des décanteurs internes 2a, 2b et des surverses 3a, 3b le circuit de surverse 3, l'alimentation 4a, 4b en milieu nutritif constituée par les couronnes d'alimentation 4.1 à la base des fermenteurs, les pompes doseuses du milieu nutritif 4.2, la pompe doseuse en eau 4.3 et le préchauffeur 4.4, et les circulations des gaz 5a, 5b, sur le circuit desquelles on trouve les rotamêtres 5.1 (servant à mesurer la production de CO2) les condenseurs 5.2, les rotamêtres 5.3 pour mesurer la recirculation des gaz (recyclage du CO2), en 5.4 un court-circuit, les compresseurs 5.5, les filtres 5.6 et les couronnes d'injection de gaz 5.7 à la base des fermenteurs. L'installation comporte en outre les dispositifs de régulation des mousses 6, les dispositifs 7 de régulation de pH, les dispositifs de régulation de températures 8, une pompe de transfert 9 de la biomasse, un temporiseur 10, et des orifices de
prélèvement 11.1 des milieux nutritifs, 11.2 en vue de l'échantillonnage des fermenteurs et 11.3 pour l'échantillonnage de la surverse du ler étage et 3b pour celui de la surverse du 2ème étage.This installation includes the fermenters 1a, 1b, provided with internal decanters 2a, 2b and overflows 3a, 3b the overflow circuit 3, the feed 4a, 4b in nutritive medium constituted by the feed rings 4.1 at the base of the fermenters , the nutrient medium metering pumps 4.2, the water metering pump 4.3 and the preheater 4.4, and the gas flows 5a, 5b, on the circuit of which there are the rotameters 5.1 (used to measure the production of CO 2 ) the condensers 5.2, the rotary masters 5.3 to measure the gas recirculation (CO 2 recycling), in 5.4 a short circuit, the compressors 5.5, the filters 5.6 and the gas injection crowns 5.7 at the base of the fermenters. The installation also includes the foam control devices 6, the pH control devices 7, the temperature control devices 8, a biomass transfer pump 9, a timer 10, and orifices for sampling 11.1 of the nutrient media, 11.2 for the sampling of fermenters and 11.3 for the sampling of the overflow of the 1st stage and 3b for that of the overflow of the 2nd stage.
La fermentation a été conduite dans un premier étage de fermentation la, d'un volume V1de 1 litre, et dans un second étage de fermentation lb, d'un volume V2de 2 litres. Le débit d'alimentation duThe fermentation was carried out in a first fermentation stage la, with a volume V 1 of 1 liter, and in a second fermentation stage lb, with a volume V 2 of 2 liters. The feed rate of the
1er étage de fermentation Q1 est de 1,82 litre/heure et celui du second étage de fermentation Q2 est de 0,32 litre/heure. La concentration en sucre du milieu d'alimentation du 1er étage de fermentation So1 est de1st stage of fermentation Q 1 is 1.82 liters / hour and that of the second stage of fermentation Q2 is 0.32 liters / hour. The sugar concentration of the feed medium of the 1st fermentation stage S o 1 is
150 g/1, celle du milieu d'alimentation du second étage de fermentation150 g / 1, that of the feed medium of the second fermentation stage
So2 est de 540 g/l,S o 2 is 540 g / l,
La concentration en éthanol à la sortie du 1er étage est de 60 g/litre et celle en sortie du second étage est de 90 g/litre.The ethanol concentration at the outlet of the 1st stage is 60 g / liter and that at the outlet of the second stage is 90 g / liter.
Le débit de transfert (q) de la biomasse obtenu par pompage temporisé du premier fermenteur vers le second est de 0,02 litre/h ; l'évacuation de la biomasse du deuxième étage se fait par débordement.The transfer rate (q) of the biomass obtained by timed pumping from the first fermenter to the second is 0.02 liters / h; the second stage biomass is evacuated by overflow.
Dans les deux fermenteurs la température est semblable de 30°C. Dans le premier étage de fermentation le pH est 4,9, et le pH du second est de 4,8.In the two fermenters the temperature is similar by 30 ° C. In the first stage of fermentation the pH is 4.9, and the pH of the second is 4.8.
Les milieux de fermentation sont agités par l'intermédiaire des gaz de fermentation, le taux de recirculation étant, de 1,6 vvm dans le premier étage et de 0,8 wm dans le second étage.The fermentation media are agitated through the fermentation gases, the recirculation rate being 1.6 vvm in the first stage and 0.8 wm in the second stage.
La productivité globale en éthanol est égale à :
The overall ethanol productivity is equal to:
Les sucres résiduels sont à une concentration de 20 grammes/litre.The residual sugars are at a concentration of 20 grams / liter.
Le rendement d'utilisation des sucres est de 90,5 % et le rendement de conversion des sucres est de 0,48 grammes d'éthanol par gramme de sucre consommé. EXEMPLE 2The sugar use yield is 90.5% and the sugar conversion yield is 0.48 grams of ethanol per gram of sugar consumed. EXAMPLE 2
Le dispositif expérimental est le même que précédemment, mais le débit d'alimentation du premier étage est porté à 3,3 1/h et celui du second étage à 0,3 1/h. Les concentrations des deux alimentations en sucre sont respectivement de 150 et 650 g/l.The experimental device is the same as above, but the feed rate of the first stage is brought to 3.3 1 / h and that of the second stage to 0.3 1 / h. The concentrations of the two sugar feeds are 150 and 650 g / l respectively.
La concentration de biomasse dans le premier étage atteint 70 g/1. Le transfert de biomasse se fait alors par débordement dans le second étage. La concentration d'éthanol atteint 92 g/l dans le second
étage, avec une concentration en sucre résiduel de 10 g/l. La productivité globale est égale à 110 g/l/h.The concentration of biomass in the first stage reaches 70 g / 1. The transfer of biomass is then made by overflow into the second stage. The ethanol concentration reaches 92 g / l in the second stage, with a residual sugar concentration of 10 g / l. The overall productivity is equal to 110 g / l / h.
Le rendement d'utilisation des sucres est de 95% et le rendement de conversion est de 0,505 gramme d'éthanol par gramme de sucre consommé (soit 99% du rendement théorique maximal). Exemple 3 :The sugar use yield is 95% and the conversion yield is 0.505 grams of ethanol per gram of sugar consumed (ie 99% of the maximum theoretical yield). Example 3:
Fermentation alcoolique avec une levure floculée Saccharomyces cerevisiae 38A (INRA MONTPELLIER IPV) dans un fermenteur continu bi-étagé représenté sur 1a figure 4 du dessin annexé.Alcoholic fermentation with a flocculated yeast Saccharomyces cerevisiae 38A (INRA MONTPELLIER IPV) in a continuous two-stage fermenter shown in FIG. 4 of the attached drawing.
Le système biétage comprend les fermenteurs 1a et 1b, les décanteurs 2a et 2b, les surverses 3a et 3b et le circuit de surverse 3 entre les fermenteurs la et lb, (débit Q1), les alimentations en substrat 4a et 4b (débits Q1 et Q2), les circuits de circulation des gaz de recyclage du CO2 5a, 5b.The two-stage system comprises the fermenters 1a and 1b, the decanters 2a and 2b, the overflows 3a and 3b and the overflow circuit 3 between the fermenters la and lb, (flow rate Q1), the substrate supplies 4a and 4b (flow rates Q1 and Q2), the circuits for circulating the CO 2 recycling gases 5a, 5b.
L'installation comporte en outre en 6a et 6b les moyens de mesure instantanée du CO2 produit dans le premier et le second fermenteur, et par le circuit 7 où le débit en sortie du système est Q1 + Q2.The installation further comprises in 6a and 6b the instantaneous means of measuring the CO 2 produced in the first and the second fermenter, and by the circuit 7 where the flow rate at the outlet of the system is Q1 + Q2.
La fermentation est conduite dans les mêmes conditions générales que précédemment ; le substrat est constitué par les égoûts P2 de sucrerie. Le débit d'alimentation Q1 du premier étage de fermentation est de 1,45 litre/heure et celui du second étage Q2 est de 1,30 litre/heure ; le volume du premier étage étant de 2 litres et celui du second étage de 5 litres.The fermentation is carried out under the same general conditions as above; the substrate is formed by the P2 sewers from the sugar refinery. The feed rate Q1 of the first fermentation stage is 1.45 liters / hour and that of the second stage Q2 is 1.30 liters / hour; the volume of the first stage being 2 liters and that of the second stage 5 liters.
Les transferts de biomasse sont assurés par débordement. La concentration de biomasse est de 110 g/l dans le premier étage et de 80 g/1 dans le deuxième.Biomass transfers are ensured by overflow. The biomass concentration is 110 g / l in the first stage and 80 g / l in the second.
La concentration en sucres du milieu d'alimentation du premier étage est de 110 g/litre, et celle du second étage est de 250 g/litre. La quantité de sucre résiduel en sortie du 2ème étage est de 10 g/litre. La concentration en éthanol en sortie du 1er étage P1 est de 51 g/litre et celle en sortie du 2ème étage est de 80 g/litre.The sugar concentration of the first stage feed medium is 110 g / liter, and that of the second stage is 250 g / liter. The amount of residual sugar leaving the 2nd stage is 10 g / liter. The ethanol concentration at the outlet of the 1st stage P1 is 51 g / liter and that at the outlet of the 2nd stage is 80 g / liter.
La productivité globale en éthanol :
Le rendement d'utilisation des sucres est de 94,5 % et le rendement de conversion des sucres est de 0,48 gramme d'éthanol par gramme de sucre consommé (soit 90% du rendement théorique maximal).
Overall ethanol productivity: The sugar utilization yield is 94.5% and the sugar conversion yield is 0.48 grams of ethanol per gram of sugar consumed (ie 90% of the maximum theoretical yield).