FR2511031A1

FR2511031A1 - Dispositif pour l'elaboration de milieux fluides de faible viscosite et de milieux tres visqueux, en particulier pour une fermentation de micro-organismes

Info

Publication number: FR2511031A1
Application number: FR8213923A
Authority: FR
Inventors: Premysl Krovak; Miroslav Salvet
Original assignee: Czech Academy of Sciences CAS
Current assignee: Czech Academy of Sciences CAS
Priority date: 1981-08-10
Filing date: 1982-08-10
Publication date: 1983-02-11
Also published as: SE8204606D0; CH660459A5; JPS5898083A; SE458122B; AT388563B; HU194301B; SE8204606L; JPS633590B2; GB2106540A; CS228221B1; DE3229748A1; GB2106540B; ATA301382A; FR2511031B1

Abstract

ON DECRIT UN DISPOSITIF ADAPTE A ASSURER LES OPERATIONS LES PLUS DIVERSES DE MELANGE, DE POMPAGE ET DE DISPERSION DE MILIEUX QUI PEUVENT ETRE SOIT FLUIDES, SOIT TRES VISQUEUX. LE DISPOSITIF REPOSE SUR UN PRINCIPE DE MALAXAGE ET DE POMPAGE SANS AUBAGE DE MILIEUX FLUIDES DE TOUTES SORTES ET DE TOUTES DENSITES. L'ELEMENT PRINCIPAL DU DISPOSITIF EST UN ROTOR CREUX 1 AVEC UNE ENVELOPPE 14 ET UN FOND 4 PRESENTANT AU MOINS UNE OUVERTURE D'ENTREE, CE ROTOR ETANT ENTRAINE A UNE VITESSE SUSCEPTIBLE DE COMMUNIQUER AU MILIEU A TRAITER PAR LA FORCE CENTRIFUGE UN EFFET D'ENTRAINEMENT DEPUIS UNE EXTREMITE DU ROTOR JUSQU'A L'AUTRE. LE FLUIDE SORT DU ROTOR SOIT PAR DES OUVERTURES DE SORTIE 15, 28 MENAGEES DANS L'ENVELOPPE, SOIT PAR LE DESSUS OU LE COUVERCLE ET CE FLUIDE EST SOIT SIMPLEMENT ELEVE, SOIT EN MEME TEMPS DIFFUSE AU DESSUS OU AU DESSOUS DU NIVEAU LIQUIDE POUVANT EXISTER DANS UN RECIPIENT DE CONFINEMENT 16.

Description

L'invention concerne un dispositif pour l'élaboration de milieux fluides

dont la viscosité peut être faible ou très

élevée, en particulier pour une fermentation de micro-

organismes. On entend par élaboration de milieux fluides avant tout leur mélange (homogénéisation), leur pompage, leur dispersion ou pulvérisation dans une phase liquide ou gazeuse (diffusion, extraction, séchage ou fermentation de micro-organismes, par

exemple par submertion).

Le dispositif selon l'invention peut réaliser ses fonc-

tions indépendamment ou bien plusieurs de ses fonctions peu-

vent s'effectuer simultanément (par exemple, dans les instal-

lations de fermentation).

Les dispositifs selon l'invention se prêtent aux traite-

ments des milieux les plus divers: il peut s'agir de liquides

newtoniens ou non-newtoniens, de matériaux solides suscepti-

bles de couler et de gaz en combinaison avec une phase liquide

ou un milieu liquide contenant des matières solides, par exem-

ple sous forme de fibres.

On connaît des dispositifs mélangeurs de milieux liquides que l'on divise selon leur consistance en liquides newtoniens

et liquides non-newtoniens: gels et pâtes.

On peut évoquer aussi le mélange de liquides ou de maté-

riaux solides granulés avec un gaz (diffusion, fluidisation)

ou encore les dispersions ou émulsions de phases liquides.

Selon ces diverses actions à effectuer, on met en oeuvre

des appareils mélangeurs de genres différents.

On distingue essentiellement deux genres d'appareils mé-

langeurs: les appareils rapides et les appareils lents Les appareils rapides sont appliqués à des milieux peu visqueux et permettent une bonne dispersion Ils ne peuvent cependant pas être utilisés pour les liquides de viscosité élevée Pour ces derniers, on ne peut utiliser que des appareils mélangeurs à mouvement lent, par exemple les mélangeurs à ancre, et les mélangeurs à bande, les mélangeurs à peigne et analogues; aucun de ces mélangeurs ne permet cependant une dispersion complète des matières à mélanger en raison de la lenteur du

mouvement d'oscillation.

Aucun de ces mélangeurs antérieurs ne se prête par exemple, à la fermentation, car au cours du processus il intervient

une modification de la densité du milieu.

La mise en oeuvre des appareils mélangeurs habituellement

utilisée ne permet donc pas l'obtention de toutes les condi-

tions optimales qui sont nécessaires pour une fermentation complète Ceci est par exemple le cas dans la préparation de levures, d'antibiotiques, d'alcaloïdes, de polysaccharides et analogues, o il est nécessaire de communiquer au milieu à

traiter un mouvement et de mélanger des phases liquides, ga-

zeuses et solides, o le milieu de fermentation présente au début de la fermentation une consistance très fluide tandis que vers la fin de l'opération, la consistance devient très visqueuse et prend déjà souvent le caractère d'un gel du genre

dit pudding.

On trouve des conditions similaires dans certaines réac-

tionschimiques, par exemple dans la polymérisation, o le mi-

lieu liquide devient très visqueux vers la fin de la polymé-

risation de sorte que la poursuite du malaxage au moyen des

mélangeurs habituels perdrait son efficacité.

Les inconvénients ci-dessus évoqués des systèmes connus

de malaxage et de pompage sont évités grâce au dispositif se-

lon l'invention, pour l'élaboration de milieux de liquides de faible viscosité et de viscosité élevée, en particulier pour

la fermentation de micro-organismes, ce dispositif étant es-

sentiellement caractérisé en ce qu'il comporte un rotor creux, qui est entraîné par une unité d'entraînement, ledit rotor

comportant une enveloppe et un fond, le fond du rotor présen-

tant au moins une ouverture d'entrée pour l'adduction du mi-

lieu en provenance d'un récipient et l'entraînement du rotor s'effectuant à une vitesse à laquelle le milieu à traiter se

trouve déplacé sous l'action de la force centrifuge d'une ex-

trémité du rotor à l'autre Le fond peut présenter la forme d'un anneau circulaire avec une ouverture d'entrée centrale

ou bien, il peut être prévu une pluralité d'ouvertures d'en-

trée à l'extérieur de la partie périphérique du fond, ces ou-

verturesétant disposées symétriquement de préférence autour du milieu du fond A sa partie supérieure, le rotor creux est

soit complètement ouvert, sans couvercle, soit muni d'un cou-

vercle auquel cas il est possible d'aménager dans le couvercle et aussi dans l'enveloppe des ouvertures de sortie de manière similaire à ce qui a été ménagé dans le fond Les ouvertures

de sortie mais aussi les ouvertures d'entrée peuvent se pré-

senter sous diverses formes et peuvent, également, être équi-

pées de diffuseurs, d'ajutage, de redresseurs d'écoulement, -

de moyens pour débarrasser le milieu de la mousse ou, au con-

traire, pour faire mousser le milieu, ou de tous autres ac-

cessoires qui influencent l'écoulement, le débit et la forme

du milieu entrant ou sortant par ces ouvertures.

Une forme de réalisation du dispositif spécialement adap-

té au pompage d'un milieu en écoulement est remarquable en ce que le fond et le couvercle du rotor présentent la forme d'un

anneau circulaire, avec une ouverture centrale pour l'admis-

sion et l'évacuation du milieu en écoulement, ces ouvertures

étant munies de diffuseurs pour un redressement de l'écoule-

ment à l'entrée du rotor et aussi de l'écoulement à la sortie

du rotor.

Une autre forme de réalisation du dispositif selon l'in-

vention est destinée au malaxage et à la dispersion afin de permettre un mélange complet: une telle forme de réalisation

peut être utilisée par exemple dans le domaine de la polymé-

risation en vue d'assurer un taux de conversion élevé et une augmentation du poid moléculaire du polymère Le mode d'action de l'appareil malaxeur selon l'inventionest comparable dans une certaine mesure à celui d'une pompe, dans ce cas d'une pompe centrifuge: pour de nombreux systèmes de milieu fluide à traiter ces modes d'action coopèrent et se combinent en vue

d'un rendement élevé.

Le dispositif selon l'invention peut, d'une part, être utilisé comme un malaxeur indépendant ou destiné à travailler au-dessous de la surface du milieu, mais il peut servir aussi

comme une pompe indépendante pour élever divers milieux liqui-

des, en particulierdes milieux très visqueux et dans de nom-

breux cas, il pourra remplacer les pompes centrifuges habituel-

les et analogues qui sont d'une construction compliquée et présentent un rendement énergétique faible et de fortes pertes hydrauliques. Dans le cas o le dispositif doit remplir le rôle d'une

pompe, le rotor creux devra être plongé dans le milieu à trai-

ter soit totalement soit partiellement par sa partie inférieu-

re o se trouve le fond du rotor.

Il est souvent avantageux d'incorporer dans l'enceinte de malaxage des butées o d'autres structures fixées dans l' espace situées soit en dessous soit au dessus soit de part et

d'autre du niveau du milieu La raison en est que dans l'en-

ceinte de malaxage et ceci, aussi bien dans la partie infé-

rieure en écoulement, c'est-à-dire au dessous du niveau, que

dans la partie supérieure située au dessus du niveau, le mi-

lieu se trouve entrainé dans des mouvements tourbillonnaires, qu'il y a lieu d'exploiter en vue de réaliser une dispersion et une diffusion complète des éléments constituants L'arbre du rotor creux est habituellement supporté dans le châssis principal de l'enceinte de malaxage ou dans un bâti fixe du rotor creux Des éléments de butée ou d'autres structures de modification des conditions d'écoulement peuvent également être ménagés comme éléments constituant du bâti fixe du rotor creux. Une autre alternative de l'exploitation du dispositif

selon l'invention pour l'élévation d'un fluide et sa disper-

sion conduit à l'équipement de la partie inférieure du rotor creux qui est destiné à être plongé dans le milieu, avec un voile fixe avec un tube destiné à l'adduction du milieu vers le fond du rotor creux Un tel tube peut être fixé au châssis principal du dispositif ou bien constituer une partie du bâti

fixe dans lequel est placé le rotor.

Dans ce cas, il ne faut prévoir aucune structure de butée ou de modification d'écoulement dans l'enceinte de malaxage, dans le châssis principal ou dans le bâti fixe du rotor creux et il ne se forme pas de tourbillon central dans l'enceinte de malaxage et le milieu n'est pas agité au dessous du niveau mais simplement aspiré à travers le tube de recouvrement fixe

qui est ménagé pour l'amenée du fluide au fond du rotor.

Le dispositif selon l'invention pour l'élaboration de milieux liquides en particulier de milieux visqueux repose sur deux principes, à savoir le principe d'une agitation sans aubes et d'un pompage sans aubes de tout milieu fluide Ceci rend possible l'élaboration de diverses manières de milieux

fluides, par exemple, leur homogénéisation avec pompage simul-

tané vers le haut et aussi leur dispersion en nappe dans un milieu gazeux ou encore, l'élévation de matériaux granulaires susceptibles de couler avec pulvérisation ou encore séchage ou refroidissement par la mise en oeuvre de techniques de fluide etc. Le rotor creux décrit peut être un élément de base pour une série d'alternatives, dont les éléments de construction

sont en soi connus et qui rendent possibles en diverses combi-

naisons les traitements pour les applications et pour les do-

maines les plus divers de milieux fluides de toutes sortes.

Deux genres d'applications sont possibles selon la partie

du rotor creux qui est en contact avec la phase en écoulement.

Dans un premier cas d'application, le milieu en écoule-

ment fait naître dans le rotor cylindrique par une ouverture d'entrée ménagée dans le fond du rotor par exemple, par un diffuseur tangentiel tandis que son évacuation du rotor se produit également par l'intermédiaire d'un diffuseur semblable ou par une ouverture de sortie Dans ce cas, le milieu, par

exemple, un acide, ne se trouve en contact qu'avec la paroi in-

terne de l'enveloppe cylindrique du rotor, de sorte que le ro-

tor joue principalement le rôle d'une pompe L'acide entrant par le fond du rotor se trouve entrainé par le haut par la force centrifuge et progresse en une spirale ascendante jusqu' au couvercle du rotor d'o il est évacué par exemple par un diffuseur tangentiel Les parois externes de l'enveloppe ou du fond du rotor ne se trouvent pas en contact dans ce cas avec le milieu mais seulement avec l'atmosphère extérieure par

exemple.

On a affaire à l'autre cas lorsque le rotor creux vient en contact avec le liquide par les deux faces de son enveloppe et, éventuellement aussi de son couvercle Dans ce cas, les parois internes du rotor, du fond et aussi du couvercle jouent la fonction d'une pompe, comme dans le premier cas, tandis que les parois externes de ces éléments du rotor qui présentent

en un frottement avec le liquide, travaillent comme un mala-

xeur du fluide.

Dans ce cas, le rotor creux doit être au moins partielle-

ment plongé dans le fluide, c'est-à-dire qu'il est nécessaire

que le fond du rotor ainsi que l'ouverture d'entrée se trou-

vent au dessous du niveau du liquide dans l'enceinte de mala-

xage.

Le rotor creux peut être totalement plongé dans le liqui-

de et travaille dans ce cas, comme un appareil malaxeur clas-

sique et le malaxage se produit simplement au dessous du ni- veau du liquide; ou bien, l'immersion n'est que partielle,

c'est-à-dire qu'une partie du rotor dépasse au dessus du li-

quide Ce dernier cas convient en particulier pour une fermen-

tation de micro-organismes, en particulier de milieux de cul-

ture aérobie, et aussi pour des réactions et des diffusions chimiques d'une phase liquide et d'une phase gazeuse, pour la

polymérisation, l'extraction et analogues Dans les applica-

tions de ce genre, les trois fonctions principales du disposi-

tif de l'invention seront toutes utilisées (pompage, malaxage

et dispersion).

D'autres effets de mélange pourront être réalisés dans

les cas o la section du rotor creux, au lieu d'être circulai-

re, sera carrée, elliptique, triangulaire, ou lorsque l'enve-

loppe du rotor sera réalisée par exemple en tôle ondulée de manière à présenter des reliefs en forme d'ondes Dans ce cas,

les arêtes ou les reliefs de l'enveloppe du rotor creux pour-

ront agir comme les aubes d'un appareil malaxeur dans la mesu-

re o il se trouve totalement ou partiellement plongé dans le liquide à traiter Dans la partie située au dessus du liquide, c'est-à-dire dans un espace de gaz par exemple, dans l'air,

ces éléments peuvent remplir un rôle d'un appareil de souffla-

ge, d'un ventilateur, d'un disperseur de gouttes dans l'air,

d'un moyen de suppression de mousse dans les processus biochi-

miques, etc Le rotor creux peut présenter, par exemple, aussi plusieurs profils, par exemple, un profil circulaire dans la partie immergée et un profil rectangulaire dans la partie située au dessus du liquide ou inversement, etc.

Les ouvertures de sortie, ménagées par exemple dans l'en-

veloppe d'un rotor qui travaille comme un appareil malaxeur, peuvent être réalisées de diverses manières, par exemple, en

plusieurs rangées disposées les unes au dessus des autres.

Par la forme et la position des ouvertures, on peut modi-

fier les caractéristiques de la dispersion (dispersion en nappe, dispersion en jets croisés, dispersion selon des lignes

hélicoïdales etc).

La vitesse et le débit du liquide sortant du rotor peu-

vent être réglés en agissant sur la vitesse de rotation du rotor en choisissant le diamètre et la hauteur du rotor et les dimensions des ouvertures d'entrée, en fonction aussi de la distance entre les ouvertures d'entrée ou de la distance de l'ouverture d'entrée par rapport au niveau du milieu de

fermentation dans un fermenteur.

En vue d'une augmentation de la pression et de la vitesse de pulvérisation du milieu, il est possible de fermer le totor

au moyen d'un couvercle et de réduire les ouvertures de sor-

tie ménagées dans le couvercle ou dans l'enveloppe du rotor

et, éventuellement dans le fond de celui-ci.

Les ouvertures de sortie ménagées dans le couvercle du rotor rendent possible une dispersion du milieu vers le haut; les ouvertures de sortie ménagées dans l'enveloppe du rotor permettent la dispersion latérale tandis que les ouvertures aménagées dans le fond permettent la diffusion en direction

du fond de l'enceinte de malaxage.

Afin de favoriser un tourbillon central, que le liquide

de culture peut former à l'intérieur de l'enceinte par frot-

tement du rotor en mouvement au milieu de l'enceinte, on peut avantageusement ménager dans l'enceinte de fermentation, de préférence à la périphérie de cette enceinte, des éléments de

butée, qui contrarient la production de tourbillons Ces élé-

ments de butée contribuent en même temps par faire un mélange

complet du milieu.

Le mélange du liquide est divisé par exemple dans le cas de la fermentation, en trois espaces de travail de l'enceinte de fermentation, qui sont disposés d'une part, dans le liquide (au-dessous du niveau) et, d'autre part, dans la partie gaz au-dessus du liquide Du premier espace de travail, lequel est situé à l'intérieur du liquide mélangé, o il se forme un tourbillon central, lequel se trouve divisé, par exemple par les éléments de butée, en tourbillons localisés, le liquide

est aspiré dans le deuxième espace de travail, lequel est si-

tué à l'intérieur du rotor, o le mélange se forme sous l'ac-

tion du chaxp de forces centrifuges, gui repartit le liquide d'une part, en une phase lourde etd'autre part, en une phase légère, et le rélange

à nouveau, et l'élève d'autre part selon une spirale ascen-

dante, après quoi le liquide se trouve dispersé en nappe

dans le troisième espace de travail gazeux au-dessus du ni-

veau liquide, o il retombe ensuite en fines gouttes sur la surface du liquide, ou bien retourne par écoulement dans le liquide, par exemple, par ruissellement le long des parois

des enceintes de fermentation sous la forme d'une fine pelli-

cule de liquide.

Dans l'espace gazeux, o le milieu en écoulement a reçu

la forme de fines gouttelettes, d'un nuage ou d'une mince pel-

licule, on réalise un contact intensif entre les phases liqui-

des et gazeuses indépendamment du caractère du liquide dans le fermentateur et l'on favorise une croissance maximale des

micro-organismes cultivés, qui prospèrent ensuite dans l'es-

pace situé au-dessous du niveau du liquide.

L'intensité des processus peut être influencée dans les deux cas, en particulier par la vitesse de rotation du rotor,

par les dimensions de celui-ci, par la grandeur des ouvertu-

res d'entrée et de sortie et par le degré d'immersion-de 1 '

ensemble du rotor au-dessous du niveau du liquide.

Le fermenteur selon l'invention peut aussi être muni à des moyens d'équipement visuels: il peut s'agir par exemple; d'autres malaxeurs (à hélices et analogues), d'un dispositif de suppression de mousse, de régulateur de température, d'un

thermomètre, d'un analyseur du milieu, par exemple d'un p H-

mètre, de sondes de contrôle, d'appareils de dosage de matiè-

res nutritives, d'oxygène, d'acide carbonique et analogues.

On peut également associé au rotor un moyen mécanique

adapté à casser la mousse, par exemple, des barres qui traver-

sent les parois du rotor en particulier son couvercle, ou en-

core un couvercle de rotor à prolongement qui s'étende en par-

tant du rotor dans l'espace gazeux situé dans l'enceinte de

malaxage au dessus du niveau du liquide.

Le dispositif selon l'invention rend possible un recy-

clage complet du milieu en écoulement dans le fermenteur in-

dépendamment de la viscosité, réalise une grande surface de

contact du liquide et du gaz et ceci même dans le cas de li-

quides très visqueux, rend possible une dispersion de ce milieu

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dans l'espace situé au dessus du liquide de fermentation, c'est-à-dire dans la phase gazeuse, et limite automatiquement la formation de mousse dans l'espace situé au dessus de la phase liquide jusqu'à la hauteur de la dispersion Un autre avantage consiste dans le fait que l'entraînement d'une phase liquide demeure assurée même dans les milieux très visqueux

grâce à l'effet de succion de l'ouverture d'entrée du rotor.

L'entraînement du rotor peut s'effectuer par le bas ou par le haut, c'està-dire à partir du fond ou du couvercle

du fermenteur.

L'appareil de fermentation selon l'invention permet de réaliser une importante économie d'énergie par rapport aux

fermenteurs actuels, cette économie pouvant atteindre 30 %.

Un avantage consiste d'autre part, en ce que en comparai-

son avec les types connus de fermenteurs, o les cellules des microorganismes ne peuvent croître que dans la phase liquide

inférieure agitée, la croissance se poursuit dans le disposi-

tif de l'invention d'une manière continue dans chacun des trois espaces de travail, et exploite la totalité de l'espacez disponible à l'intérieur de l'enceinte de fermentation avec

de grandes surfaces de contact.

Ceci rend possible par exemple, une oxygénation complète des cellules en croissance des micro-organismes (bactéries, levures, éponges, algues et analogues) Une conséquence en

est le raccourcissement du temps de fermentation et l'obten-

tion d'une concentration plus élevée du produit final par

rapport aux types connus d'installation semblable.

Un avantage est d'autre part, la facilité de réglage du processus de fermentation au cours de différentes phases de

fermentation et un malaxage ménagé des cellules de micro-

organismes (par exemple lors de la production d'antibiotiques),

car on évite tout endommagement sérieux de ces cellules, con-

trairement à ce qui se passe par exemple, dans les agitateurs à aubes ou dans les agitateurs du genre turbines que l'on

trouve dans les enceintes de fermentation.

Dans le cas o l'on ne s'intéresse qu'à la fonction de pompage du dispositif, il est avantageux de donner au fond et au couvercle du rotor, une forme d'anneau circulaire avec une ouverture centrale pour l'amenée et l'évacuation du milieu liquide, ces ouvertures pourront être avantageusement munies de diffuseurs pour un redressement des écoulements entrant et sortant.

Le rotor creux de la pompe sans aubes, qui présente habi-

tuellement la forme d'un cylindre creux avec un axe de rota- tion vertical et un fond horizontal, est essentiellement un

récipient tournant avec des ouvertures La forme d'un tel ré-

cipient peut cependant être quelconque (cela pourrait être un cône, un cylindre, un polyèdre etc) et il en sera de même pour la direction de l'axe de rotation qui pourra être soit

vertical, soit incliné, soit horizontal.

Le rotor joue ici un rôle semblable à celui de la roue à aubes de pompe centrifuge connue, c'est-à-dire qui a pour fonction de conférer au milieu pompé de l'énergie cinétique; cette fonction repose cependant ici sur un autre principe

hydro-dynamique, c'est-à-dire non pas sur l'action hydro-

dynamique des aubes d'une roue qui est confinée dans un boîtier ou carter fixe de la pompe Alors que la roue à aubes est ouverte à la périphérie, et que l'énergie de mouvement se trouve détruite par frottement sur la paroi interne fixe du carter de la pompe, par turbulence sur les aubes et encore par

laminage du liquide dans les intervalles entre paroi du car-

ter et des aubes, le rotor creux selon l'invention ne présente

pas ces inconvénients.

Le milieu en écoulement, par exemple un liquide, qui en-

tre avec une vitesse angulaire nulle au fond du rotor, arrive

dans le dispositif selon l'invention grâce à la force centri-

fuge presque instantanément en un anneau de liquide rotatif (un paraboloide de liquide) dont la hauteur correspond à la

hauteur du rotor, un anneau qui a déjà été formé par le li-

quide précédemment entré dans le rotor Le milieu acquiert l'énergie cinétique et la vitesse angulaire qui correspondent à l'enveloppe du rotor même au cas o les parois externes de

l'enveloppe de rotor ne sont pas tout à fait lisses (elles peu-

vent même être rendues rugueuses avec des reliefs, des nervu-

res, des rayures etc).

L'anneau de liquides constitue dans une certaine mesure, un tourbillon central ascendant, qui se forme ici jusqu'à la hauteur du liquide pompé En raison de l'importance des forces 11 1 centrifuges, il ne se produit dans ce tourbillon pratiquement pas de pertes ni de moments hydro- dynamiques perturbateurs

par turbulence, frottement contre les parois fixes, de tour-

billons parasites etc il s'agit d'un mouvement naturel Le tourbillon central sous forme d'anneau de liquide est complè-

tement symétrique et régulier et son écoulement peut s'ex-

traire dans la partie supérieure du rotor au moyen d'un dif-

fuseur de sortie, par exemple dans une canalisation de pompage ou analogues, alors que les pertes dans le diffuseur fixe de

sortie demeurent relativement faibles (environ 7 %).

Ces circonstances donnent lieu aussi à un rendement élevé de cette pompe sans aubes selon la présente invention et à une

très faible consommation d'énergie électrique pour l'entraîne-

ment du rotor La formation de l'anneau circulaire ne donne

lieu qu'à de faibles résistances hydro-mécaniques à surmonter.

Des exemples d'application pratique du dispositif selon

* l'invention pour l'élaboration de milieux fluides sont repré-

sentés schématiquement dans les dessins annexés.

la figure 1 est une vue d'ensemble d'un dispositif se-

lon l'invention, jouant le rôle d'une pompe, en coupe longitu-

dinale vrticale;

la figure 2 est une vue d'ensemble similaire d'un dis-

positif selon l'invention qui remplit la fonction d'un appa-

reil malaxeur classique, d'un disperseur, d'un émulsionneur, d'un homogénéiseur et analogues, cet appareil étant plongé

dans le milieu à traiter.

A la différence de la "pompe" précédente, ici le milieu

n'est pas seulement au contact des parois internes du dispo-

sitif mais aussi avec les parois externes du rotor creux,

en particulier avec l'enveloppe et le fond et se trouve immer-

gé complètement sous la surface du milieu confiné dans l'en-

ceinte de malaxage.

la figure 3 montre un autre genre d'un dispositif mala-

xeur selon l'invention, lequel assure l'agitation d'un liquide sous la surface de celui-ci tout en assurant la diffusion de

ce liquide sous forme de gouttelettes dans l'espace situé au-

dessus du liquide (o le liquide est soumis à oxydation, par

exemple);

la figure 4 est une vue en plan du fond du rotor en forme d'anneau circulaire avec une ouverture centrale la figure 5 est une vue en plan d'un fond de rotor

présentant plusieurs ouvertures d'entrée symétriquement dis-

posées autour du milieu; la figure 6 montre schématiquement en coupe longitudi- nale verticale un exemple d'un agencement typique pour la fermentation de micro-organismes, o l'on rencontre les trois fonctions du rotor creux, c'est-à-dire un malaxage sans aube, un pompage et une dispersion du milieu traité; la figure 7 montre en coupe longitudinale et verticale un malaxeur amovible selon la présente invention, lequel à la différence du malaxeur selon la figure 6, est placé dans une enceinte fixe, dans des éléments de butée sous forme de barre qui en font également partie; la figure 8 est une vue semblable d'une pompe sans

aube qui est logée dans une enceinte fixe, dont la partie in-

férieure constitue un recouvrement fixe qui entoure la partie inférieure du rotor qui est immergé au-dessous de la surface

d'un milieu liquide.

Selon la forme de réalisation choisie et représentée sur la figure 1, un dispositif selon l'invention est constitué pour jouer le rôle d'une pompe sans aube Cette pompe comporte un rotor creux 1 dont l'arbre d'entraînement 2 est accouplé dans la partie supérieure avec l'arbre d'un moteur électrique d'entraînement 18, qui communique sa rotation au rotor 1 Le moteur électrique 18 est fixé au châssis principal 3 de la pompe Le rotor 1 est supporté au moyen de paliers sur le châssis 3, il présente la forme-d'un cylindre creux et il est relié à l'arbre 2 au moyen de-rayons 19 Le rotor 1 est muni en outre, à son extrémité inférieure, d'un fond 4 et, à son

extrémité supérieure, d'un couvercle 5, qui présentent respec-

tivement des ouvertures circulaires 6 et 7, de sorte que ces deux parties ont une forme d'anneau circulaire.

Les diffuseurs redresseurs tangentiels 8 et 9 respective-

ment inférieur et supérieur sont disposés au bas et dans le haut du châssis 3 Le diffuseur inférieur 8 a une entrée 10 et une sortie 11, le diffuseur supérieur 9 a une entrée 12 et une sortie 13 Les deuk diffuseurs redresseurs 8 et 9 sont formés par un tube ascendant, qui forme une boucle ou une ondulation

et dont le diamètre est choisi en fonction du débit de la pom-

pe Le conduit formant le diffuseur-redresseur 8 passe au-

dessous du fond 4, traverse l'ouverture circulaire 6 et se termine peu audessus du fond 4 par une sortie 11 rétrécie et allongée.

Dans le cas du diffuseur supérieur 9, l'entrée 12 est si-

tuée à l'intérieur du rotor 1, donnant accès à la partie du conduit formant le diffuseur 9 qui est au-dessous du couvercle à proximité immédiate de celui-ci Ce conduit traverse en- suite en montant l'ouverture circulaire 7 et se prolonge le long du couvercle 5 et au-delà de celui-ci jusqu'à la sortie 13. Le liquide pompé, par exemple de l'eau, s'écoule par 1 ' intermédiaire d'une canalisation d'amenée dans le diffuseur intérieur 10 et pénètre théoriquement à vitesse nulle par 1 ' intermédiaire de la sortie tangentielle allongée 11 au fond 4

du rotor 1 Au bout de très peu de temps, il se forme par ro-

tation du liquide à l'intérieur du rotor un anneau liquide

(en forme de paraboloide), dont la vitesse angulaire de rota-

tion correspond approximativement à la vitesse angulaire de

rotation de l'enveloppe du rotor.

Dès que le courant d'eau entrant se mélange avec l'an-

neau et que les deux tournent dans le rotor creux et y trou-

vent l'énergie nécessaire et aussi la pression centrifuge, l'eau se trouve élevée le long de la paroi interne du rotor 1 en une spirale montante vers la partiesupérieure du rotor 1, o elle parvient au-dessous du couvercle 5 dans l'entrée 12 du

conduit formant le diffuseur supérieur 9 et quitte le dispo-

sitif par la sortie 13 de ce diffuseur supérieur.

Une condition du pompage continu du liquide est que le liquide s'écoule dans chacun des deux diffuseurs 8 et 9 dans

le sens de la rotation du rotor 1.

La figure 2 est une vue d'ensemble d'un dispositif selon l'invention qui remplit la fonction d'un malaxeur classique

et complètement immergé, mais qui remplit également la fonc-

tion de pompe de sorte que les deux fonctions se retrouvent combinées. Ce dispositif comporte un rotor creux 1, dont la section

est circulaire et dont le fond 4 est pourvu de quatre ouvertu-

res d'entrée circulaires.

Le rotor 1 ne comporte pas de couvercle et il est ouvert en haut Dans l'enveloppe 14 du rotor 1, sont ménagées des

ouvertures de sortie circulaires 28 dont certaines sont équi-

pées d'ajutage 15 La rangée-inférieure d'ajutage 15 présente une ouverture de sortie latérale de direction opposée à celle

de la rotation du rotor 1.

Dans le récipient 16 du mélangeur, sont prévus d'autre part des éléments verticaux de butée 17 au-dessous du niveau du liquide, qui s'étendent selon une direction correspondant à celle de l'axe du rotor et qui sont fixées à l'enveloppe du

récipient 16 du mélangeur.

Le rotor creux forme dans ce cas deux espaces de travail

à savoir, celui du récipient 16 et celui du rotor 1 Le liqui-

de est aspiré à l'intérieur du rotor 1 à travers les quatre ouvertures d'entrée 6 du fond 4 et si la section totale de passage de ces quatre ouvertures est petite par rapport à la

section transversale du rotor 1 lui-même, le liquide peut éga-

lement pénétré à l'intérieur du rotor à travers la partie su-

périeure ouverte de celui-ci vers le milieu.

Le liquide se trouvant à l'intérieur du rotor 1 se trou-

ve entrafné par la force centrifuge selon une spirale ascen-

dante au contact de laparoi interne de l'enveloppe 14 et par-

vient soit par-dessus le bord supérieur du rotor ou bien à

travers les ouvertures de sortie 28, 29 ménagées dans l'enve-

loppe 14 ou dans le fond 4, ou encore par les ajutages 15 en

retour dans la masse liquide environnant le rotor Les ouver-

tures de sortie 28, 29 les aj-utages 15 et autres moyens analo-

gues sont ménagés au-dessous du niveau du liquide, améliorant le mélange de la phase liquide en rendant possible l'injection

sous pression au-dessous de la surface du liquide Ceci favo-

rise en même temps une division dans le rotor 1 des fractions plus lourdes et plus légères Dans la mesure o de telles fractions de densités différentes peuvent se développer dans le milieu, elles se trouvent à nouveau mélangées à la sortie du rotor 1 A l'extérieur du rotor 1, le liquide se trouve mélangé par frottement des parois externes du rotor 1 contre le liquide, qui se trouve à l'intérieur du récipient 16 Le

rotor 1 est disposé dans une position excentrique dans le ré-

cipient 16 de sorte qu'il se développe dans le récipient un mouvement tourbillonnaire excentré, qui se trouve cependant calmé par les éléments de butée 16, tandis qu'autour de ces éléments eux-même, se développent des champs tourbillonnaires localisés Lorsque la section du rotor 1 présente la forme d'un rectangle, d'un triangle, d'une ellipse ou analogues, etc, c'est-à-dire si elle n'est pas circulaire, comme c'est le cas pour un rotor cylindrique, (auquel cas le fond 4 et, le cas échéant, le couvercle 5 auraient la même forme) alors les arêtes, éventuellement la forme générale du rotor 1 au dessous de la surface du liquide donneraient lieu à l'effet de mélange supplémentaire qui serait analogue à l'action de

malaxage d'aubes par exemple.

La figure 3 montre en coupe axiale verticale un disposi-

tif mélangeur selon l'invention qui est complètement immergé

dans le milieu fluide à homogénéiser.

Cette forme de réalisation se distingue de la précédente par le fait que le couvercle 5 du rotor 1 avec deux ajutages à sa périphérie se trouve au niveau de la surface du milieu liquide confiné dans le récipient 16 tandis que l'enveloppe 14

ou le fond 4 du rotor 1 ne comporte pas d'ajutage 15 ni d'ou-

vertures de sortie 28, 29 Ainsi la partie inférieure immergée de l'appareil mélangeur forme dans le milieu un tourbillon central non perturbé, il n'y a pas de tourbillon localisé aux

éléments de butée 17, tandis que le fluide sortant de l'inté-

rieur du rotor 1 se trouve dispersé au-dessus du niveau liqui-

de sous la forme de tourbillon de gouttelettes rotatives en

forme de spirales.

L'appareil mélangeur est disposé au milieu de l'enceinte

16 et réalise un système de mélange par le bas L'arbre verti-

cal 2 de l'appareil mélangeur traverse le fond du récipient

et comporte un passage étanche dans le fond L'arbre 2 est re-

lié au rotor creux 1 par les rayons 19 et par le couvercle 5.

A l'intérieur du récipient 16 sont prévus des éléments de bu-

tée 17 qui sont fixés à l'enveloppe du récipient 16 et évitent la formation d'un tourbillon central à l'intérieur du récipient 16 Dans cette forme de réalisation sont réunies plusieurs fonctions, à savoir, un malaxage sans aube, un pompage sans aube et une dispersion du milieu dans l'espace de gaz au-dessus

1 1031

du niveau du liquide La figure 4 est une vue en plan d'un fond 4 en forme d' anneau circulaire avec une ouverture centrale d'entrée 6 au milieu. La figure 5 montre un fond 4 avec plusieurs ouvertures d'entrée 6 qui sont disposées symétriquement autour du milieu

du fond 4 à l'écart de la partie périphérique de celui-ci.

La figure 6 montre un exemple de réalisation de disposi

tifs destinés à la fermentation ou à la culture de micro-

organismes o la croissance -de cellules se développent dans le

milieu de culture et donne lieu vers la fin de la fermenta-

tion à la formation à partir d'un liquide initialement très

fluide d'un liquide de consistance de miel ou de pudding.

On y trouve une enceinte de fermentation 20 avec un fond et un couvercle dans lesquels se trouvent les paliers 21 d'un rotor creux 1 avec un arbre vertical 2 Une partie du rotor 1

forme un élément aspirateur 24 dans lequel se trouve l'ouver-

ture d'entrée 27.

Le rotor 1 comporte d'autre part une enveloppe de forme

cylindrique 14, un fond circulaire 4 avec une ouverture d'en-

trèe centrale 6 pour l'admission du liquide dans le rotor 1.

Dans l'enveloppe 14 est ménagée une série d'ouvertures 28 pour la sortie du fluide de l'intérieur du-rotor 1 Les ouvertures 28 supérieuresprésentent la forme d'ajutage 15 L'arbre 2 est entraîné par un moteur électrique 18 pourvu d'un régulateur de vitesse L'arbre 2 est relié à l'enveloppe 14 du rotor 1 au

moyen de rayons 19 en forme de croisillons.

A l'intérieur de l'enceinte de fermentation 20, sont pré-

vus dans la zone périphérique en disposition symétrique par rapport à l'axe quatre éléments de butée 17 sous forme de

barres verticales Ces barres sont fixées au fond et au cou-

vercle de l'enceinte de fermentation 20 Ces butées 17 évitent l'établissement d'un tourbillon central, lequel se produirait sans cela à l'intérieur de l'enceinte de fermentation sous 1 '

effet d'entraînement exercé par le rotor.

L'enceinte de fermentation 20 comporte deux espaces prin-

cipaux de travail, à savoir un espace intérieur liquide et un espace supérieur gazeux, un troisième espace de travail se trouvant à l'intérieur du rotor Lorsque le rotor cylindrique 1 tourne, avec sa partie inférieure immergée dans le liquide, le milieu liquide pénètre par l'ouverture centrale 6 dans le fond 4 à l'intérieur du rotor 1, il se trouve élevé dans une spirale ascendante et renvoyé dans l'enceinte de fermentation 20 soit par les ouvertures 28 dans l'espace liquide, soit par les ajutages 15 sous forme de gouttelettes dans l'espace de gaz En se heurtant soit -aux éléments de butée 17 ménagés à l'intérieur de l'enceinte 20, soit contre la paroi interne de ce récipient lui-même, les gouttelettes éclatent et donnent lieu au ruissellement sous la forme d'une mince pellicule le long des parois et vers la surface du liquide pour rejoindre ainsi le liquide se trouvant dans la partie intérieure de 1 '

enceinte 20.

Dans l'espace de travail contenant du gaz, il se produit ainsi une diffusion intensi-ve de gaz dans le milieu liquide, par exemple pour une oxygénation intensive des cellules en

croissance des micro-organismes qui sont soumises à une fer-

mentation à l'intérieur de l'enceinte 20.

Dans l'espace de liquide, il se produit également par la rotation de la partie inférieure du rotor 1 qui est immergé

dans le liquide,un malaxage intensif du milieu de culture.

Pour un réglage déterminé des ajutages 15 ou des ouver-

tures de sortie 28 de l'enveloppe 14 et pour une vitesse an-

gulaire appropriée du rotor, il se développe dans le liquide se trouvant à l'intérieur du rotor 1 une pression centrifuge

telle que la sortie du milieu liquide sous cette pression au-

dessus du niveau du liquide, peut conduire par exemple à une désintégration de la mousse formée pendant la fermentation et, contribuer aussi à la diminution de la consommation d'énergie,

de sorte qu'il ne sera pas nécessaire de faire appel à un li-

quide de destruction de la mousse ou à d'autres moyens de suppression de la mousse qui sont particulièrement voraces en énergie. L'enceinte de fermentation 20 comporte un fond de forme spéciale Au milieu du fond est ménagée une partie en creux

dans laquelle est inséré le rotor creux 1 avec sa partie infé-

rieure qui forme d'élément aspirateur 24 Cet élément 24 assu-

re une aspiration complète du milieu liquide à partir du fond

de l'enceinte de fermentation 20.

Le dispositif de fermentation selon l'invention peut être appliqué à des fermentations de milieux de toutes sortes et en particulier aussi bien à des milieux de faible viscosité qu'à des milieux de haute viscosité ainsi qu'à des milieux dont la viscosité a subi de très fortes variations en cours de fermen-

tation ou encore, à des suspensions avec des produits en for-

me de granules ou des fibres ainsi qu'à des liquides de genre

non newtoniens.

La figure 7 montre shcématiquement un appareil mélangeur amvible qui est placé dans une enceinte 23 stationnaire A

l'intérieur de l'enceinte 23 sont aménagés des éléments de bu-

tée 17 et ceci d'une part, dans la partie inférieure de l'en-

ceinte 23 en vue de la formation de turbulences localisées dans la partie liquide du milieu mélangé et, d'autre part, dans la partie supérieure de ladite enceinte en vue de la dispersion en fines gouttelettes du milieu expulsé à travers les ouvertures de sortie 28 dans l'espace situé au dessus du

niveau liquide Les éléments de butée 17 sont disposés respec-

tivement dans la partie supérieure et dans la partie inférieu-

re de l'enceinte 23 sont réunis par des colonnes 22.

La partie inférieure du rotor 1 est immergée dans le li-

quide tandis que la partie supérieure se trouve au dessus du

niveau du liquide confiné dans l'enceinte 23 Le bord supé-

rieur du rotor 1 est fermé par un couvercle 5 L'arbre 2 est relié au couvercle 5 du rotor 1 ainsi qu'à l'enveloppe 14 de

ce rotor au moyen d'un croisillon 19.

Le mode de fonctionnement de cet appareil mélangeur est analogue à celui qui a été décrit en référence à la figure 6, avec cette différence cependant, que les structures de butée 17 font partie de l'enceinte 23 du rotor 1 et non pas de la

structure d'une cuve 20 associée à l'appareil.

Cet agencement, comme les précédents, est également utili-

sable pour la polymérisation et pour d'autres réactions chimi-

ques de milieux de faible viscosité ou de milieux de viscosité

élevée, ainsi que pour le traitement d'eaux résiduelles char-

gées de boue, ou de rejets industriels ou analogues.

La figure 8 montre une pompe sans aube, qui disperse laté-

ralement le milieu élevé, laquelle pompe est logée dans un ré-

cipient stationnaire 23, dont la partie inférieure forme par-

tiellement un recouvrement stationnaire 25, qui entoure la partie inférieure immergée au dessous du niveau liquide du rotor creux 1, ce qui évite un contact de la paroi extérieure de l'enveloppe 14 et du fond 4 du rotor creux 1 avec le milieu liquide au dessous du niveau de celui-ci Des éléments de bu- tée 17 se trouvent seulement dans la partie supérieure de 1 '

enceinte 20.

Le recouvrement 25 joue au dessous du niveau liquide un rôle comparable à celui des éléments de butée 17 ou d'autres

structures semblables au dessous du niveau liquide, car il em-

pèche l'établissement d'un tourbillon central dans le milieu liquide Dans ce cas, le milieu ne se trouve pas mélangé dans

la partie inférieure par contact de la paroi externe de l'en-

veloppe 14 et le rotor 1 joue avant tout le rôle d'une pompe aspirante immergée, tandis que le fluide élevée se trouve

dispersé dans les parties environnantes à hauteur correspon-

dante Dans la partie inférieure de l'enceinte 23, il est pos-

sible de prévoir un panier d'aspiration qui joue le rôle de filtre.

L'agencement représenté à la figure 8 peut trouver appli-

cation par exemple dans la technique des fluides pour le re-

froidissement de liquides, pour le séchage de matières pulvé-

risantes, pour l'humidification du sol et analogues.

Le dispositif selon l'invention a une vocation universel-

le Il y a lieu de prendre en considération le genre de milieu dans lequel le dispositif est appelé à travailler, la question

de savoir s'il est immergé ou non, par exemple, dans un liqui-

de (qu'on pompe), ou bien s'il est complètement immergé dans le liquide (appareil mélangeur complètement immergé), ou bien s'il n'est que partiellement immergé par le liquide (par exemple

comme un appareil de fermentation pour la culture de micro-

organismes) Il peut trouver application dans divers procédés pour le traitement de milieux liquides ou fluides de toutes consistances, en particulier dans les domaines de la chimie,

de la pharmacologie, de la construction de machines, des tech-

niques thermiques (échangeur de chaleur), d'installation de

purification d'eau, ou dans la fabrication de vernis et cou-

leurs, mais aussi dans d'autres exploitations industrielles et dans des installations agricoles (humidification, séchage de

matériaux alimentaires, de céréales, dosage de matières ali-

mentaires, liquides et analogues).

Le dispositif selon l'invention se prête également, en

raison de la simplicité de sa tructure, au traitement de flui-

des agressifs (acides, vases) et de toutes sortes de gaz Il peut servir dans les diverses techniques mentionnées aussi

bien comme dispositif d'exploitation que comme moyen de labo-

ratoire.

Le dispositif peut travailler sous des conditions quel-

conques par exemple de température de pression ou de vide,

ainsi que dans un champ électrique, magnétique ou autre.

Un autre avantage consiste en ce que le dispositif est d'une construction simple et que sa fabrication demande moins de main-d'oeuvre et impose des conditions moins sévères que d'autres dispositifs semblables Une fabrication en série pourrait par exemple être réalisée en une matière plastique appropriée avec la mise en oeuvre des techniques de moulage

par injection.

Claims

REVENDICATIONS 1 Dispositif pour l'élaboration de milieux fluides de faible viscosité ou de viscosité élevée, en particulier pour la fermentation de microorganismes, avec un récipient dont on pompe le contenu ou dans lequel on mélange le fluide et avec d'autres éléments pour le mélange ou le pompage de ce fluide, caractérisé en ce que le dispositif comporte un rotor creux ( 1), qui est entraîné par une unité d'entraînement et qui est formé par une enveloppe ( 14) et un fond ( 4), ledit fond ( 4) du rotor ( 1) étant muni au moins d'une ouverture d' entrée ( 6) pour l'introduction du fluide en provenance du ré- cipient ( 16, 20). 2 Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le fond ( 4) présente la forme d'un anneau circulaire avec une ouverture centrale ( 6) ou il est ménagé dans le fond ( 4) plusieurs ouvertures d'entrée ( 6) à l'écart de la partie péri- phérique, de façon de préférence symétrique autour du milieu du fond ( 4). 3 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le rotor ( 1) est muni d'un couvercle ( 5); des ouvertures de sortie ( 7) étant ménagées dans ledit couvercle ( 5), dans ladite enveloppe ( 14) et dans le cas échéant dans le fond ( 4) du rotor ( 1). 4 Dispositif selon l'une quelconque des revendicatiorsl à 3, caractérisé en ce que les ouvertures de sortie ou d'en- trée ( 7, 6) présentent des formes diverses ou bien sont munies d'ajutage ( 15), diffuseurs ( 8,9) ou autres accessoires ( 24), qui influencent le débit et la forme des écoulements de sortie ou d'entrée à travers lesdites ouvertures ( 6, 7) 5 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le fond ( 4) et le couvercle ( 5) sont de forme circulaire, munis d'une ouverture centrale ( 6, 7) pour l'amenée et l'évacuation du fluide dans et hors du rotor ( 1), les ouvertures ( 6, 7) étant munies de diffuseurs ( 8, 9) pour le redressement de l'écoulement entrant dans le rotor ( 1) ou sortant de celui-ci. 6 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'à l'intérieur du récipient de fer- mentation de mélange ( 20, 16) il est ménagé des structures ( 17) de butée ou d'attaque au dessous du niveau et/ou au dessus du niveau du liquide. 7 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'arbre ( 2) du rotor ( 1) est mon- té en rotation sur le châssis principal ( 3) dans le récipient de mélange ( 16, 20) ou dans un récipient stationnaire ( 23) du rotor ( 1). 8 Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que des structures de butée ( 17) ou panier d'aspiration font partie du récipient stationnaire ( 23). 9 Dispositif selon l'une quelconque des revendications

1 à 8, caractérisé en ce que la partie inférieure du rotor ( 1) qui est destinée à l'immersion dans le liquide, est entourée d'un recouvrement stationnaire ( 35), avec un tube ( 26) pour

l'amenée du fluide au fond ( 4) du rotor ( 1).

Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que le recouvrement stationnaire ( 25) est fixé au châssis principal ( 3) du dispositif sur le récipient de mélange ( 16, ), ou bien constitue une partie du récipient stationnaire

( 23), dans lequel est monté le rotor ( 1).