EP0365671A1 - Procede de production d'anhydride carbonique et d'ethanol par fermentation continue multi-etagee et installation - Google Patents

Procede de production d'anhydride carbonique et d'ethanol par fermentation continue multi-etagee et installation

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Publication number
EP0365671A1
EP0365671A1 EP89906371A EP89906371A EP0365671A1 EP 0365671 A1 EP0365671 A1 EP 0365671A1 EP 89906371 A EP89906371 A EP 89906371A EP 89906371 A EP89906371 A EP 89906371A EP 0365671 A1 EP0365671 A1 EP 0365671A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
stage
fermentation
ethanol
carbon dioxide
biomass
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP89906371A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Charles Ghommidh
Catherine Fourtot
Jean-Marie Navarro
Jean-Marcel Cutayar
Jean Amen
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Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Original Assignee
Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Air Liquide SA, LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude filed Critical Air Liquide SA
Publication of EP0365671A1 publication Critical patent/EP0365671A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
    • C12P7/00—Preparation of oxygen-containing organic compounds
    • C12P7/02—Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a hydroxy group
    • C12P7/04—Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a hydroxy group acyclic
    • C12P7/06—Ethanol, i.e. non-beverage
    • C12P7/14—Multiple stages of fermentation; Multiple types of microorganisms or re-use of microorganisms
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M21/00—Bioreactors or fermenters specially adapted for specific uses
    • C12M21/12—Bioreactors or fermenters specially adapted for specific uses for producing fuels or solvents
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M23/00—Constructional details, e.g. recesses, hinges
    • C12M23/58—Reaction vessels connected in series or in parallel
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M29/00—Means for introduction, extraction or recirculation of materials, e.g. pumps
    • C12M29/24—Recirculation of gas
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M33/00—Means for introduction, transport, positioning, extraction, harvesting, peeling or sampling of biological material in or from the apparatus
    • C12M33/22—Settling tanks; Sedimentation by gravity

Definitions

  • the present invention relates to a process for producing carbon dioxide and ethanol by continuous multistage fermentation.
  • Yeasts mainly of the genus Saccharomyces are well known and used for a very long time in brewing, winemaking ...
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • critical concentration 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.).
  • the alcoholic concentrations obtained largely exceed those obtained in a single-stage fermenter.
  • 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.
  • FIG. 1 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
  • curve 3 to the concentration of ethanol.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • a controlled transfer (regular, continuous or timed) of the biomass is carried out from one fermentation stage to the next stage.
  • 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.
  • This type of transfer can be carried out either using a pump, or by opening a valve, or by any other suitable device.
  • the increase in the transfer rate q results in an increase in the growth rate / ⁇ and a decrease in the alcoholic concentration.
  • ⁇ ⁇ MAX (1-P / P C ) in which ⁇ MAX is the maximum growth rate, without limitation and P is the critical ethanol concentration, from which microorganisms die.
  • 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
  • V 1 volume of the first stage
  • X 1max limit concentration of microorganisms in the first stage.
  • For a flocculating yeast X 1max is around 90 to 120 g / liter.
  • Zymomonas flocculant X 1max is around 70 to 80 g / liter.
  • 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.
  • the gradient is sufficient to cause the formation of bubbles at the center of the largest flocs.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • the agitation is optimal when it allows the breaking of the flocs weakened by the appearance of a CO 2 bubble in their center.
  • a gas can be air, or recycled fermentation CO 2 or a mixture of the two;
  • 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.
  • 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.
  • the 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.
  • 1st 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
  • S o 2 is 540 g / l
  • 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.
  • 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.
  • the temperature is similar by 30 ° C.
  • the pH is 4.9, and the pH of the second is 4.8.
  • 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.
  • the overall ethanol productivity is equal to:
  • the residual sugars are at a concentration of 20 grams / liter.
  • the sugar use yield is 90.5% and the sugar conversion yield is 0.48 grams of ethanol per gram of sugar consumed.
  • 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.
  • 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.
  • 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
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Biomass transfers are ensured by overflow.
  • the biomass concentration is 110 g / l in the first stage and 80 g / l in the second.
  • 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.

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Abstract

L'invention concerne la fermentation continue multi-étagée d'un milieu inoculé par des microorganismes du type bactérie ou levure. Selon le procédé chaque étage de fermentation dispose d'un système de rétention des microorganismes. On réalise un transfert continu ou temporisé de la biomasse d'un étage de fermentation à l'étage suivant; ou le volume de chaque étage de fermentation, et du premier en particulier, est tel que pour le débit nominal de fonctionnement du système de fermentation, la concentration critique de métabolite ne puisse être atteinte. Application à la production d'anhydride carbonique et d'éthanol.

Description

" PROCEDE DE PRODUCTION D'ANHYDRIDE CARBONIQUE ET D'ETHANOL PAR FERMENTATION CONTINUE MULTI-ETAGEE ET INSTALLATION "
La présente invention concerne un procédé de production d'anhydride carbonique et d'éthanol par fermentation continue multiétagée.
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.
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.
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.
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.
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...).
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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 :
- 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.
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.
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.
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.
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.
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 = 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.
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.
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.
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.
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.
En remplaçant μ2 par son expression, on obtient :
Il apparaît clairement selon cette équation que la concentration P sera d'autant plus faible que la concentration P sera élevée.
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 suivante
: d'où :
V1 = volume du premier étage
Q = débit d'alimentation
P1 = concentration d'éthanol à l'équilibre dans le premier étageν 1 = activité fermentaire spécifique des microorganismes
X1max = concentration limite en microorganismes dans le premier étage.
Pour une levure floculante X1max est de l'ordre de 90 à 120 g/litre.
Pour Zymomonas floculant X1max est de l'ordre de 70 à 80 g/litre.
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.
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.
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.
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.
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.
En conséquence, une. agitation trop intense se traduit par une perte de volume utile dans le fermenteur.
L'agitation est optimale lorsqu'elle permet la rupture des flocs fragilisés par l'apparition d'une bulle de CO2 en leur centre.
Ce résultat est atteint :
- 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 ;
- 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.
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.
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.
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.
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.
Il est donné ci-après des exemples qui illustrent l'invention à titre non limitatif. EXEMPLE 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.
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.
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 du
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 de
150 g/1, celle du milieu d'alimentation du second étage de fermentation
So2 est de 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.
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.
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.
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.
La productivité globale en éthanol est égale à :
Les sucres résiduels sont à une concentration de 20 grammes/litre.
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 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.
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.
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 :
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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).

Claims

REVENDICATIONS
1. 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 caractérisé en ce qu'on procède à un transfert maitrisé régulier et continu de la biomasse d'un étage de fermentation à l'étage suivant.
2. Procédé de production d'anhydride carbonique et d'éthanol par fermentation continue multiétagée selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on procède à un transfert maitrisé temporisé de la biomasse d'un étage de fermentation à l'étage suivant.
3. Procédé de production d'anhydride carbonique et d'éthanol par fermentation continue multiétagée selon les revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le débit moyen de transfert de la biomasse d'un étage de fermentation à l'étage suivant est calculé de manière à compenser la perte de viabilité de la biomasse dans les étages avals.
4. Procédé de production d'anhydride carbonique et d'éthanol par fermentation continue multiétagée d'un milieu de culture inoculé par des microorganismes du type bactérie ou levure avec rétention et recyclage des microorganismes selon une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le volume de chaque étage de fermentation, et du premier en particulier est tel 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.
5. Procédé de production d'anhydride carbonique et d'éthanol par fermentation continue multiétagée selon une quelconque des revendications de 1 à 4, caractérisé en ce qu'on procède à une alimentation en substrat répartie sur les différents étages de fermentation.
6. Procédé de production d'anhydride carbonique et d'éthanol par fermentation continue multiétagée selon la revendication 5, caractérisé en ce que par l'intermédiaire de l'alimentation en substrat on contrôle la concentration en éthanol à l'équilibre dans les différents étages.
7. Procédé de production d'anhydride carbonique et d'éthanol par fermentation continue multiétagée selon une quelconque des revendications 1 à 6 caractérisé en ce que la taille et la densité des flocs est contrôlée par injection d'air, de CO ou d'un mélange d'air et de CO2 avec un débit compris entre 0,2 et 2 v.v.m. (volumes de gaz par volume de culture et par minute) de préférence 0,8 à 1,5 v.v.m.
8. Procédé de production d'anhydride carbonique et d'éthanol par fermentation continue multiétagée selon une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la taille et la densité des flocs est contrôlée par brassage mécanique avec un mobile d'agitation du type hélice marine ou ancre avec une vitesse en bout de pale n'exédant pas 0,2 m/s.
9. Installation de fermentation bi-étagée en vue de la production d'anhydride carbonique et d'éthanol pour la mise en oeuvre du procédé selon une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce qu'elle comprend les fermenteurs (1a) et 1b), munis des décanteurs internes (3a) et (3b) et du circuit de surverse 3 entre les deux fermenteurs, des circuits d'alimentation en milieu nutritif (4a) (4b) constitué par les couronnes d'alimentation (4.1) à la base des fermenteurs, et muni des pompes doseuses du milieu nutritif (4.2) des pompes doseuses en eau (4.3) et d'un préchauffeur (4.4), les circuits
(5a) et (5b) de recyclage de l'anhydride carbonique munis des rotamêtres (5.1), des condenseurs (5.2), des filtres (5.6) et des couronnes d'injection de gaz de recyclage (5.7).
10. Installation de fermentation bi-étagée selon la- revendication 9, caractérisé en ce qu'elle comporte en outre une pompe de transfert de la biomasse (9) et un temporiseur (10) .
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