FR2645170A1 - Appareil pour la mise en oeuvre de procedes biocatalytiques en presence de biocatalyseurs en phase solide - Google Patents

Abstract

Appareil pour la réalisation d'un procédé de biocatalyse en présence d'un biocatalyseur en phase solide. Cet appareil est pourvu d'un espace réactionnel comprenant un tube central, un dispositif pour l'alimentation en catalyseur, un milieu de culture et un gaz pénétrant dans l'espace réactionnel, ainsi qu'un dispositif pour recueillir le produit obtenu par la biocatalyse et les gaz séparés durant le procédé et comprenant en outre une pompe de circulation. Il comporte une boucle de circulation 50 dont les deux extrémités pénètrent dans l'espace réactionnel 15 en des points disposés l'un au-dessus de l'autre; il comporte un élément formant filtre 21 pour retenir le support et le catalyseur solide dans l'espace réactionnel 15 disposé devant l'orifice de sortie servant au retrait du milieu traité de l'espace réactionnel 15; il comporte une pompe de circulation 38 disposée sur la boucle de circulation divisée elle-même en deux branches, l'une sous pression 39 et l'autre sous aspiration 37, un élément accélérateur de flux 42 se trouvant sur la branche sous pression 39 en aval de la pompe, selon le sens d'écoulement g du milieu traité; il comporte une conduite d'entrée de gaz 44; et sont disposés, dans la branche sous pression 39, des éléments de dispersion de gaz 45.

Description

APPAREIL POUR LA MISE EN OEUVRE DE PROCEDES

BIOCATALYTIQUES EN PRESENCE DE BIOCATALYSEURS

EN PHASE SOLIDE

L'invention a pour objet un appareil pour la mise en oeuvre de procédés biocatalytiques en présence de biocataly-

seurs en phase solide.

L'un des domaines qui se développe de la façon la plus

dynamique en biotechnologie est celle des opérations effec-

tuées en présence de biocatalyseurs en phase solide. Les biocatalyseurs en phase solide sont utilisés dans ce que l'on appelle les techniques d'immobilisation pour localiser des matières biologiquement actives se trouvant dans l'espace réactionnel afin d'empêcher leur passage dans la phase en

voie d'écoulement (J. Chem. Tech. Biotech., 1984, 34, 127).

Les biocatalyseurs en phase solide peuvent être produits par des enzymes isolés, des cellules mortes ou des constituants de cellule immobilisés ou par des cellules vivantes (microbes, cellules d'animaux ou de plantes). Sous l'angle concret, le plus grand nombre dp possibilités sont définies par rapport à

la stabilité et à l'économie.

L'emploi de la biocatalyse en phase solide conduit à des avantages très importants du point de vue économique par comparaison avec les procédures de catalyse traditionnelles, ces avantages étant: - la possibilité de mettre en oeuvre une technologie continue ou semi-continue; - l'obtention d'une productivité volumétrique améliorée;

- les coûts opératoires et d'obtention de produit réduits.

Dans le cas de la production de métabolites secondaires par fermentation à l'aide de cellules immobilisées, d'autres avantages sont obtenus grâce à la viscosité réduite de la

liqueur de fermentation du fait de l'emploi d'un mode opéra-

toire continu, ce qui améliore le transfert en oxygène.

Certains problèmes de surproduction peuvent être évités et les pertes en produits chimiques instables décroissent

(Biotechnol. Bioeng. 183, 25, 2399-2411). -

On a développé différents types de réacteurs pour mettre en oeuvre des opérations biocatalytiques en phase

solide. Sur le plan industriel, les réacteurs dits "à gar-

nissage" sont les plus fréquemment utilisés, c'est-à-dire par exemple pour l'isomérisation du glucose, la résolution des

acides aminés ou la fermentation de l'éthanol (Chem. Eng.

Sci. 1985, 40, 1321-1354). Les réacteurs à lit fluidisé sont utilisés à l'échelle industrielle pour le traitement des eaux usées à l'aide d'une biomasse immobilisée (J. Walter Pollut, Control Fed. 1977, 49, 816). Il existe également un exemple d'emploi de réacteurs à membrane sur le plan industriel

(Chem. Ing. Techn. 1988, 60, 16-23).

Différents types d'installations pilotes et de réac-

teurs de laboratoire sont connus. Les lits à garnissage et les réacteurs à lit fluidisé les plus fréquemment utilisés se sont développés sur des formes multi-unitaires (construction en cascade verticale et horizontale), entre autres, pour

empêcher l'enrichissement en CO2 produit durant le déroule-

ment du procédé (J. Chem. Tech. Biotech., 1987, 39, 75-84), ou pour réduire le mélange en retour de la solution de substrat (Proc. 4th Eur. Congr. Biotech. volume 1, 1987, 273-276). Les réacteurs à boucle interne ou externe sont

utilisés principalement pour la réalisation de la fermenta-

tion de cellules immobilisées (Biotech. Bioeng. 1987, 30,

498-507; J. Chem. Tech. Biotechnol. 1986, 36, 415-426).

Un grand nombre de types de réacteurs existent ainsi qu'il a été montré ci-dessus, pour la réalisation de la biocatalyse en phase solide, cependant un très grand nombre de problèmes dus aux techniques des réacteurs restent non résolus, principalement dans les procédés dans lesquels l'un des substrats est en phase gazeuse (en général oxygène). Le transfert gaz-liquide est très significatif dans la plus grande partie du système biocatalytique traditionnel, par exemple les microbes aérobies rendent nécessaire des taux de transfert en oxygène (OTR) qui atteignent des valeurs de l'ordre de 150 mmoles/dm3/h. Pour une utilisation efficace du volume utile de l'appareil, les valeurs OTR mentionnées doivent être obtenues avec une aération modérément élevée (1-1,5 vvm). Comme la présence de particules de support servant à l'immobilisation des matières bioactives dans la plupart des cas détériore le transfert liquide-masse, les dimensions des particules produisent une augmentation du taux

d'agglomération des bulles de gaz (Proc. 4th Eur. Congr.

Biotech. 1987, volume 1, 101-104) dans la colonne à bulle de fluidisation en trois phases ou dans les systèmes à boucle équipés du distributeur de gaz traditionnel, au maximum une fraction d'OTR précitée peut être obtenue (Chem. Eng. Sci.

1987, 42, 543-553; Biotech. Bioeng. 1988, 32, 677-688).

L'intensification de la distribution du gaz est rendue plus difficile du fait de la stabilité mécanique relativement plus faible et la plus grande partie des matières formant support de sorte que les forces significatives qui en résultent doivent être évitées dans la zone de catalyse, par exemple une grande partie des matières minérales et organiques et des gels de porosité élevée ne peuvent pas supporter les forces de cisaillement liées au mélange mécanique mais également les effets de force induits par les jets gaz-liquide, ou de

liquides fortement turbulents.

Dans certains procédés de fermentation associés à des cultures de cellules animales ou de plantes microbiennes,

particulièrement sensibles à l'infection, d'autres difficul-

tés surgissent qui résident dans le fait que les cellules en général encapsulées dans le gel doivent être amenées dans le

fermenteur dans des conditions stériles. En fait, la struc-

ture du fermenteur ne permet pas en général, ou cela n'est possible qu'avec des procédés très compliqués, la formation

de particules de catalyseur stériles in situ.

L'invention a pour objet la réalisation d'un appareil pour la réalisation de procédés biocatalytiques permettant la

biocatalyse en phase solide, qui assure un transfert gaz-

liquide intensif durant l'opération au cours de laquelle les particules de support de catalyseur, ayant une stabilité mécanique faible, ne sont pas endommagées et qui sont utiles pour combiner les fonctions des particules de support de type gel formant l'appareil et du bioréacteur même lorsque des

conditions de stérilisation spéciales sont requises. -

L'invention est basée sur les reconnaissances que: Si une partie de l'appareil fournissant une zone d'interface gaz-liquide spécifique importante est séparée de la partie contenant le biocatalyseur en phase solide, des forces turbulentes facilitant la

dispersion du gaz n'ont aucune action sur les parti-

cules de catalyseur et, par conséquent, ne les endom-

magent pas.

15. Le mélange de la phase liquide à la phase gazeuse peut être fortement intensifié si le mélahge se produit dans une boucle de circulation dans lequel des éléments de dispersion sont montés et que son volume soit au

maximum 10% du volume de la zone de catalyse de l'ap-

pareil.

En choisissant de façon convenable la direction et la vitesse de l'entrée de la dispersion gaz-liquide dans

l'espace réactionnel réalisé dans l'espace de l'appa-

reil utilisé pour le contact des phases gazeuse et liquide ainsi que pour la formation de structure de

l'espace réactionnel, dans ce dernier, l'un des cou-

rants de circulation des particules de catalyseur et la durée de résidence étendue des bulles de gaz peuvent être assurés, et par la formation appropriée de la zone de réaction, elle permettrait la coagulation des sols dans la zone réactionnelle -ce qui se traduit par la disposition d'une unité de formation de gouttelettes dans le sommet de l'appareil, dans la période préalable à la biocatalyse- ces gouttelettes de sol contiennent le biocatalyseur (par exemple la suspension de cellules ou de spores) de sorte que les grains de biocatalyseur

sont produits in situ dans l'appareil dans des condi-

tions intensifiées.

Sur la base de ces reconnaissances, l'objectif de l'invention est réalisé à l'aide d'un appareil pourvu d'un espace réactionnel comportant un tube central, un dispositif d'alimentation en catalyseur, en liquide et en gaz dans l'espace réactionnel ainsi qu'un dispositif pour recueillir le produit obtenu par biocatalyse ainsi que le gaz qui se sépare durant ce procédé, et comprenant en outre une pompe de circulation, ledit appareil étant caractérisé en ce qu'il présente une boucle de circulation dont les deux extrémités pénètrent dans l'espace réactionnel en des points disposés l'un au-dessus de l'autre, un élément formant filtre pour retenir le support et le catalyseur solide dans l'espace réactionnel situé devant l'orifice de sortie servant au retrait du milieu traité de l'espace réactionnel; une pompe de circulation disposée sur la boucle de circulation qui se divise en une branche sous pression et en une branche sous aspiration, un élément accélérateur de flux se trouvant sur la branche sous pression en aval de la pompe selon le sens d'écoulement du milieu traité, une conduite d'entrée de gaz et, dans la branche sous pression, des éléments de dispersion

du gaz étant disposés.

Selon un mode de réalisation préféré, la chambre de séparation de phase est reliée à l'espace réactionnel pourvu d'une conduite de sortie de gaz et en ce qu'une branche sous aspiration de la boucle de circulation part de la partie inférieure de cette chambre dans laquelle pénètre le tube

central, situé dans l'espace réactionnel.

Selon un autre mode de réalisation de la présente invention, l'espace réactionnel cylindrique est fermé en son fond à l'aide d'une partie de fond cylindrique qui présente une conduite tangentielle reliée à la branche sous pression

de la boucle de circulation.

Selon un autre mode encore de réalisation de l'inven-

tion, la face supérieure de la partie de fond présente une surface en pente ou spirale partant du fond de l'orifice d'entrée de la branche sous pression et allant jusqu'au

sommet de cet orifice.

Selon encore un autre mode de réalisation de l'inven-

tion, l'appareil comporte-un tube d'évacuation traversant la partie de fond, ce tube étant pourvu d'une vanne disposée à l'extérieur et contenant un élément de-filtre le séparant de l'espace réactionnel situé au-dessus ainsi qu'un élément de modification de flux conique dont la section se réduit vers le haut et dont la partie supérieure pénètre dans le tube

central, lequel élément est placé sur l'élément de filtre.

Selon une forme d'exécution de l'invention, ledit appareil comporte un embout d'alimentation du liquide à traiter qui pénètre dans la branche sous pression de la

boucle de circulation entre la pompe et l'élément d'accélé-

ration de flux et comporte une conduite de décharge du produit résultant de la biocatalyse qui part de la branche

sous aspiration de la boucle de circulation.

Selon une autre forme d'exécution de la présente invention, la conduite pénètre dans la chambre de séparation de phase pour alimenter l'espace réactionnel en biocatalyseur solide.

Selon une autre forme encore de réalisation de l'inven-

tion, l'appareil comporte une tête de formation de goutte-

lettes conduisant dans la chambre de séparation de phase pour l'introduction du biocatalyseur, c'est-à-dire de gouttelettes de sol dans lesquelles sont piégées les bactéries, qui est en relation avec une enceinte destinée à recevoir la matière

formant le sol, ladite enceinte contenant un agitateur.

De préférence, une vanne est disposée entre la tête de formation de gouttelettes et l'enceinte. De plus, selon l'invention, il est possible que la tête de formation de

gouttelettes comporte des éléments de formation de goutte-

lettes dirigés vers l'intérieur de la chambre de séparation

de phase.

Si la densité des particules de catalyseur solide est inférieure à celle de la phase liquide participant au procédé de biocatalyse, il est souhaitable d'utiliser le mode de réalisation de l'appareil dans lequel, dans l'espace de réaction conique, le tube initial a la forme d'un entonnoir et comporte une partie de section cylindrique supérieure

ayant un diamètre, une partie de section cylindrique infé-

rieure ayant un diamètre et une partie intermédiaire ayant une forme conique, l'appareil comportant une chambre conique convergente vers le bas de l'espace réactionnel relié à la branche sous aspiration de la boucle de circulation, la branche sous pression de la boucle de circulation pénétrant de façon tangentielle dans la partie inférieure du tube

central et un élément de filtre étant disposé devant l'ori-

fice de la branche d'aspiration dans la chambre.

Selon un autre critère de la présente invention, l'appareil comporte une tuyère de débit de gaz auxiliaire traversant la paroi entourant la chambre conique en son fond et dirigée vers l'orifice de la partie cylindrique inférieure

du tube central qui est disposée dans la chambre.

Selon un autre critère encore de la présente invention, la longueur de la branche sous pression de la boucle de circulation dépasse de plusieurs multiples la longueur de la branche sous aspiration. Par conséquent, le nombre d'éléments de dispersion peuvent être augmentés et, par conséquent,

l'intensité du transfert gaz-liquide peut être augmentée.

Selon un autre mode de réalisation, les éléments de dispersion de gaz présentent un convergent, un divergent et des ouvertures d'interconnexion. Les éléments de dispersion de gaz comportent une tige rigide et un élément en spirale entourant cette tige, l'ensemble étant disposé selon la ou les sections horizontales ou proches de l'horizontale de la

branche sous pression.

- D'autres buts, avantages et caractéristiques apparaî-

tront à la lecture de la description d'un mode de réalisation

de l'invention, faite à titre non limitatif et en regard du dessin annexé, o: - la figure la représente une section axiale verticale schématique de l'appareil; - la figure lb représente une section selon la ligne A-A de la figure 1; - la figure lc représente une section axiale verticale de l'élément de formation de gouttelettes, vue à plus grande échelle; - la figure ld est une représentation axanométrique d'un élément de dispersion à une plus grande échelle; - la figure le est une vue frontale d'un autre élément de - dispersion; - la figure 2a représente une section axiale verticale schématique d'un autre mode de réalisation de l'invention; - la figure 2b représente l'appareil de la figure 2a en cascade; - la figure 3a est une section axiale verticale d'un élément; - la figure 3b est une section selon la ligne F-F de la

figure 3a.

L'appareil représenté sur les figures la à le a pour

but de permettre le piégeage des micro-organismes consomma-

teurs d'air, ou de leurs spores, dans un gel, et de permettre

une fermentation quasi-continue due à l'action des micro-

organismes piégés dans le gel (par exemple la localisation de Brevibacterium flavum sur un support de K-carragénate et son

utilisation pour la biosynthèse du L-tryptophane).

Les éléments essentiels de l'appareil sont les sui-

vants: - l'unité d'entrée I disposée en cuve; - l'unité de réaction avec auto-circulation II disposée au-dessus de la précédente; - l'unité de séparation de phase III;

- l'unité de formation de gouttelettes de sol IV adja-

cente au sommet de l'unité précédente; et - l'unité V de dispersion du gaz par circulation forcée qui relie l'unité d'entrée I de fluide et l'unité de

séparation de phase III par by-pass de l'unité réac-

tionnelle II.

L'unité d'entrée I de fluide comporte une partie de

fond cylindrique, la conduite d'entrée de fluide 2 y péné-

trant de façon tangentielle de sorte que, ainsi que repré-

senté sur la figure lb, elle se poursuit par la conduite tangentielle 3 formée dans la partie de fond 1. La surface intérieure 5 de la partie de fond se trouvant dans la zone 4 (figure la), (cf. également figure lb), est selon une forme en pas de vis par rapport à l'axe x géométrique vertical de

l'appareil en partant depuis le niveau du plan 6.

Une unité conique 8 de modification du flux est dis- posée de façon que son pic soit aligné sur l'axe géométrique vertical, à être au-dessus de la partie de fond 1 et à être fixé à l'aide de vis 7 à la partie de fond 1. Les surfaces cylindriques d'un élément de filtre 10 sont au contact de la base de l'unité de modification de flux 8 et de la partie centrale de la partie supérieure (en vue de dessus) de la partie de fond 1 (voir également la figure lb). L'angle de cône de l'unité de modification de flux 8 est de préférence compris entre 50 et 70 , le rapport du diamètre dk de sa base et du diamètre interne du fond Da sont dans le rapport de

1-1,2/2.

Deux embouts verticaux 11 et 12 sont réalisés dans la partie de fond cylindrique 1 de l'unité d'entrée de fluide I. L'embout 11 est utilisé pour l'élimination de la phase liquide des particules de catalyseur entraînées (l'élément de filtre 10 -ainsi qu'il sera vu ci-dessousretient ces particules) tandis que le trou passant 12 est prévu pour

l'évacuation complète de la suspension liquide-solide conte-

nue dans l'appareil. Les embouts peuvent être ouverts ou fermés à l'aide des valves 13 et 14 disposées en-dessous de

la partie de fond 1.

L'unité de réaction avec auto-circulation II présente un espace réactionnel 15 entouré par une enceinte cylindrique ou paroi 15a. Le diamètre D1 de l'enceinte 15a est identique

au diamètre DA de la partie de fond cylindrique 1. L'encein-

te 15a est entourée par une chambre thermorégulée 16 écartée de la paroi de l'enceinte 15a de façon à former un espace thermorégulé circulaire entre la paroi 15a et la chambre externe 16. Un tube central 17 de diamètre d1 est disposé centralement dans l'espace réactionnel 15, en d'autres termes, la paroi 15a, la chambre thermorégulée 16 et le tube central 17 sont concentriques et ont un axe géométrique vertical x commun. Le diamètre D 1/d1 est dans le rapport de 2/1. La partie inférieure du tube central est disposée au-dessus du pic de l'élément modificateur de flux conique 8, c'est-à-dire que ce tube central entoure partiellement la partie supérieure de l'élément modificateur de flux 8. La distance verticale hI entre la partie inférieure du tube central 17 et le cercle de diamètre d1 formé sur la partie supérieure du cône par la projection verticale de ce tube, est telle que le manchon cylindrique imaginaire formé entre ce cercle et la partie inférieure du tube central et la

section du tube central soit pratiquement identique.

L'unité de séparation de phase III comporte une cham-

bre 18 ayant une partie inférieure en forme de cône tronqué,

divergent vers le haut 19, et une partiesupérieure cylin-

drique 20. Le diamètre D2 de la partie supérieure est, de façon convenable, de l'ordre de 1,5 à 2 fois le diamètre D de l'espace réactionnel 15. La hauteur h de l'unité de séparation de phase III est d'environ 1/2 à 1/4 celle de la hauteur 1 de l'espace réactionnel 15. La hauteur de la partie inférieure conique 19 de l'unité de séparation de phase III

est d'environ 1/3 celle de la hauteur de la partie supérieu-

re 20. La hauteur totale L de l'ensemble formé par l'unité d'entrée de fluide I, l'unité réactionnelle II et l'unité de séparation de phase III, c'est-à-dire la hauteur totale du

réacteur, ne dépasse pas de préférence 5 à 6 fois le diamé-

tre D1 de l'espace réactionnel 15.

La paroi de la partie inférieure conique tronquée est couverte à l'intérieur par un tissu filtrant 21 -consistant en un tamis- qui présente également la forme de la surface conique tronquée. Les dimensions des ouvertures du tissu filtrant 21 sont telles que les gaz s'échappent dans la

direction de la résistance la plus faible soit vers l'inté-

rieur de la chambre 18. L'embout de sortie de liquide 22 et

l'embout d'échantillonnage 23 sont placés à la partie infé-

rieure 19. Le tube central vertical 17 pénètre à l'intérieur de la partie inférieure 19 de l'unité de séparation de phase III, sur une distance de l'ordre d'environ 0,01 à 0,02 m au-dessus du plan déterminé par les axes des il conduites 22 et 23 (les conduites 22 et 23 sont, de façon convenable, horizontales et leurs axes sont évidemment horizontaux). La partie supérieure 20 de l'unité de séparation de phase III est fermée par une plaque sommitale 24. La tête de formation de gouttelettes cylindrique 25 de l'unité de formation de gouttelettes de sol IV est située dans la plaque sommitale 24 symétriquement par rapport à l'axe géométrique

vertical x. Par conséquent, la tête de formation de goutte-

lettes et les parties inférieure 19 et supérieure 20 de l'unité de séparation de phase III sont concentriques et ont pour axe la ligne x. La tête de formation de gouttelettes est reliée par la vanne 26 et la conduite 36 au récipient 27 de l'unité de formation de gouttelettes IV. La conduite de

sortie de gaz 28 s'échappe de la plaque sommitale 24 compre-

nant un réfrigérateur 29. Le diamètre Dcs de la tête de formation de gouttelettes 25 est d'environ la moitié du diamètre D de l'espace réactionnel 15. La tête de formation de gouttelettes 25 peut également être entourée par une enceinte thermorégulée (non représentée) et son volume est d'environ 1/10 du volume de l'enceinte 27 (tank contenant le sol), qui fait partie de l'unité de formation de gouttelettes

de sol IV.

L'enceinte 27 est conique à sa base et cylindrique à son sommet et présente comme axe l'axe géométrique x; il est fermé par la paroi 27a et comporte des trous passants ou

embouts 30 pour l'inoculation, 31 pour le remplissage (ori-

fice de remplissage), et 34 pour l'amenée d'un courant d'air

sous pression (non représenté). La paroi latérale de l'en-

ceinte 27 porte la référence 27b, elle est entourée par l'enceinte thermorégulée 27c qui en est distincte et qui

forme, avec la paroi 27b, un espace thermorégulé étroit 27d.

Le volume de l'enceinte 27 est d'environ 50% le volume de l'espace réactionnel 15 de l'unité réactionnelle II. Un agitateur 33 pénètre dans l'enceinte 27, jusque dans sa partie inférieure tronquée, l'axe de cet agitateur ayant le même axe que la conduite x; il est entraîné en rotation par le moteur M. Des éléments formateurs de gouttelettes 35 sont situés en-dessous de la tête de formation de gouttelettes 25, l'un d'entre eux étant représenté en section et à une échelle agrandie sur la figure lc. Le filtre 36 -formé d'un matériau formant tamis ayant des ouvertures de 0,1 mm- entoure la tête de formation de gouttelettes 25. Le nombre de ces éléments formateurs de gouttelettes 35, répartis de façon concentrique sur la base, peut être déterminé par la formule empirique suivante: 100 D1 (m) 2 - n2] g Le diamètre du trou df des éléments formateurs de

gouttelettes 35 est de 0,3 à 0,5 mm en fonction des carac-

tères du sol. L'unité de dispersion de gaz à circulation forcée V de l'appareil présente la boucle de circulation 50

dont une extrémité est reliée à l'embout 2 de l'unité d'en-

trée de fluide I, l'autre extrémité étant reliée l'embout de

sortie de liquide 22 de l'unité de séparation de phase III.

La boucle de circulation 50 (dont le diamètre maximum est d'environ 1/4 à 1/6 du diamètre D1 de l'espace du réacteur 15)

présente deux branches ou sections: une branche sous aspira-

tion qui part de l'embout de sortie du liquide 22 et va jusqu'à la pompe de circulation 38 de débit variable, et une branche sous pression 39 qui va de la pompe 38 à l'embout d'entrée du fluide 2. La pompe 38 est placée dans cette boucle de circulation 50 de façon à être le plus proche possible de l'embout 22, c'est-à-dire que la branche sous pression 39 de la boucle de circulation 50 doit être aussi longue que possible. La branche sous aspiration et la branche sous pression 39 peuvent être reliées par la vanne 41 qui est

disposée sur la conduite de by-pass 40.

L'élément d'accélération de flux 42 disposé dans la branche sous pression 39 consiste en un convergent pour l'accélération à forte vitesse du débit. Un régulateur de débit 43 est disposé dans la conduite 44 pour l'établissement d'un débit de gaz constant, ce gaz circulant dans la branche sous pression 39 en aval du convergent 42, dans la direction marquée par la flèche g, cette conduite 44 servant à l'entrée du gaz, généralement de l'air (oxygène), dans la direction de la flèche p (figure la), cet air étant requis par la réaction biochimique. Des éléments de dispersion 45 sont disposés dans

la branche sous pression 39 entre la conduite 44 et l'em-

bout 2, l'un d'entre eux étant représenté sur le dessin axonométrique de la figure ld à l'échelle agrandie, et ces éléments permettant le mélange liquide-gaz intensif et la dispersion de la phase gazeuse en fines bulles. L'élément de dispersion 45, montré sur les figures la et lb, comporte un passage étranglé dans son centre, dont une extrémité est reliée au convergent et l'autre à un divergent, selon la direction de circulation du gaz représentée par la flèche g (figure la) (ou le passage rétréci 45, ainsi que représenté sur la figure ld, et est relié en partie au convergent 45b et en partie au divergent 45c). Ces éléments de dispersion peuvent être formés de passages étranglés qui sont disposés dans la conduite verticale lorsque les courants gaz-liquide circulent vers le bas. L'élément de dispersion 46 représenté sur la figure le est formé par une tige rigide 46a et par une partie enroulée en spirale 46b. L'élément de dispersion 46 doit être disposé dans la conduite horizontale. Les éléments

de dispersion 45 et 46 sont remplaçables et leurs caracté-

ristiques de dimension peuvent être déterminées en fonction de la consommation de l'air de la culture cellulaire employée

et des dimensions du réacteur.

La conduite 48 permet l'introduction de la solution alimentée (flèche p, figure la) et la conduite 49 au retrait du produit (flèche t, figure la) et font partie de l'unité de dispersion de gaz V à circulation forcée; ces conduites

peuvent être ouvertes ou fermées par les vannes 47a et 47b.

Les fonctions des appareils décrits cl-dessus sont les suivantes: L'enceinte 27 de l'unité de formation de gouttelettes

de sol IV est alimentée par l'embout requis d'un sol d'algi-

nate de sodium, de concentration appropriée, la vanne 26 étant en position close, puis l'ouverture d'alimentation est close et l'ensemble du réacteur (bioréacteur) est stérilisé par une méthode de stérilisation à la vapeur généralement utilisée. Pour-mettre en oeuvre cette opération, la vapeur est introduite par la conduite 44 de l'unité de dispersion V

et est retirée du système par l'embout 22 quittant la cham-

bre 18 de l'unité de séparation de phase III. Le récipient 27 de l'unité de formation de gouttelettes de sol IV et la tête de formation degouttelettes 25 sont stérilisés à l'aide de vapeur à 120 C, admise dans l'espace thermorégulé 27d, en même temps que la solution de l'enceinte 27 est mélangée à

l'aide du dispositif d'agitation 33 pour améliorer le trans-

fert de chaleur. Lorsque la stérilisation est achevée, l'espace du réacteur et la boucle de circulation 50 sont séchés grâce à l'embout 12 qui le relie à l'unité d'entrée de

fluide I puis le réacteur et la solution de sol sont refroi-

dis à température ambiante, à l'aide d'eau froide circulant dans l'espace thermorégulé 16a et l'espace thermorégulé 27d respectivement. Dans l'étape ultérieure, l'espace du réacteur 15 et en partie la chambre 18 sont remplis jusqu'au niveau de la collerette supérieure du tube central 17 d'une solution de précipitation de CaCl2 stérile, amenée dans le système par la

conduite 48 et la pompe 38.

La solution de sol dans l'enceinte est inoculée par amenée par la conduite d'inoculation 30 d'une suspension de cellules de Brevibacterium flavum et la solution inoculée est homogénéisée à l'aide d'un agitateur 33 jusqu'à ce qu'une concentration de cellules homogène soit obtenue. Puis, la suspension de cellules et de sol homogénéisée obtenue par ouverture de la vanne 26 est passée de l'enceinte 27 dans la tête de formation de gouttelettes cylindrique 24 de l'unité de formation de gouttelettes de sol III. Là, le filtre 36

retient les mycèles grossiers qui sont éventuellement pré-

sents dans la suspension et la suspension elle-même s'écoule

dans les éléments formateurs de gouttelettes 35. La suspen-

sion introduite par l'embout 34 grâce au courant d'air pressurisé stérile, passe dans l'enceinte 27 et la vitesse du

courant est contrôlé par variation de la pression d'air.

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L'unité de formation de gouttelettes 25 convient pour une suspension cellules/sol alimentée selon un débit maximum de: w e 0,4 n (dm 3/h) (n = nombre d'éléments formateurs de gouttelettes 35). Selon cette formule par exemple, pour un réacteur ayant un diamètre de 0,2 m, un débit d'alimentation d'environ 20 dm3/h peut être atteint et cette valeur approche le rendement de l'unité de formation de gouttelettes de sol par vibration connue ayant le rendement le plus élevé utilisé dans les unités pilotes, mais contrairement à celle-ci, les cellules

ne sont pas désintégrées.

Les gouttelettes de la suspension cellules/sol formées tombent depuis la tête de formation de gouttelettes 25 dans

la solution de précipitation CaCl2 qui se trouve dans l'es-

pace réactionnel 15 o elles se solidifient en formant un gel et, après passage par le tube central 34, tombent au fond du réacteur. Durant le temps de formation de particules de gel, le courant d'air stérile passe dans la conduite 44 et dans le

régulateur de débit 43 à une vitesse volumétrique correspon-

dant à une vitesse linéaire de 1 cm/s par rapport à la

section de l'appareil vide, puis dans la boucle de circula-

tion 50, et l'embout 2 et la conduite 3 (figure 1) du réac-

teur. Sous l'influence du jet d'air et de liquide alimenté tangentiellement, est formé un mouvement sous forme de spirale qui part de la surface frontale 5; les particules de gel se déposent sur la partie de fond 1 en même temps que la solution de CaC12 monte dans l'espace cylindrique externe

entre la paroi de l'espace réactionnel 15a et le tube cen-

tral 17, puis atteignent la collerette supérieure du tube central 17 et passant à l'intérieur du tube retombent dans le fond, et de cette façon les particules de gel circulent dans l'espace réactionnel 15. Les conditions de débit induites par le courant d'air stérile améliorent le transfert de masse solide-liquide, c'est-à-dire la diffusion des ions Ca2 dans les grains de gel, ceux-ci se prenant masse sur la totalité de leur section -en un temps plus court par comparaison aux méthodes connues- par conséquent, les cellules encloses dans

2645 170

le gel sont moins exposées au possible effet endommageant la

solution de CaCl2.

Après achèvement de la formation des particules de gel, on ferme la vanne 26 et on arrête la surpression exercée à l'intérieur de l'enceinte 27 par la conduite 34, on ouvre la vanne 13 et, par la conduite 11, on retire la solution de CaCl2 de l'appareil, la vanne d'auto-circulation 41 étant en position ouverte. Le milieu de culture stérile se trouvant dans le réacteur est amené par la pompe 38. (Le cas échéant, avant admission du milieu de culture, les particules de gel sont lavées à l'aide d'eau distillée stérile). Le milieu de culture est introduit par la conduite 48 dans. la boucle de circulation 50. Dès que le niveau du milieu de culture

atteint la collerette supérieure du tube central 17, l'ali-

mentation en milieu de culture est interrompue et la vanne 41 est close; le milieu de culture continue à être mis en circulation à l'aide de la pompe 38. Par la conduite 44 et le régulateur de débit 43 (ce dernier servant à stabiliser le débit du courant gazeux), un courant d'air stérile est introduit dans la branche sous pression 39 de la boucle de circulation 50 (flèche p, figure la) selon un débit qui assure la fourniture d'air requise par le milieu bactérien pour le taux de ventilation de 1 à 1,5 vvm. Dans le cas de micro-organismes aérobies, c'est-à-dire consommant de l'air,

il est souhaitable de maintenir la valeur du taux de trans-

fert d'oxygène (OTR) à une valeur comprise entre 150 et 250 mmoles d'oxygène/dm3h-. Cet intervalle d'OTR peut être atteint dans l'appareil par réglage de la pompe 38 (débit du courant de liquide circulant) à une valeur de l'ordre de 50 à

80% du débit volumétrique réel de gaz (débit d'air stérile).

Sous l'influence du courant liquide-gaz fortement turbulent, est produite une dispersion gaz-liquide extrêmement fine dans les éléments de dispersion 45 et 46 montés dans la boucle de

circulation 50 (cf. figures ld et le) et l'élimination de -

l'interface sera intensive. La chute de pression dans les

éléments de dispersion 45, 46 ne dépasse pas 0,8 à 1,0.105 Pa.

La dispersion gaz-liquide entre dans la partie de

fond 1 du réacteur par l'embout 2 et la conduite tangen-

tielle 3 (figure lb) et, du fait de la surface en forme de filet frontal 5, elle est forcée vers le haut selon un mouvement en spirale. Le milieu contenant la phase liquide et gazeuse entrant à une vitesse de 10 à 20 m/s provoque le mouvement ascendant du fluide selon un cheminement en spirale dans l'espace du réacteur 15 formé dans l'anneau cylindrique,

situé entre l'extérieur du tube central 17 et la paroi 15a.

Les bulles de gaz, qui s'agglomèrent au cours du mouvement ascendant, se déplacent selon un mouvement en spirale de façon que la durée de résidence moyenne des bulles dans le réacteur est plus longue; par ailleurs, du fait des direction différentes des forces qui s'exercent, par exemple des forces de cisaillement, les bulles déjà agglomérées sont détruites et, par conséquent, l'aire de contact gaz-liquide spécifique

dans l'espace réactionnel 15 est augmentée.

Le courant gaz-liquide entraîne les particules de gel

supportant le catalyseur et il passe dans l'unité de sépara-

tion de phase III au-dessus de la collerette du tube cen-

tral 17 puis dans le tube central en même que le flux d'auto-

circulation induit par le courant en retour de bulles de gaz passe par le fond de l'espace du réacteur 15. Le débit de particules de gel (biocatalyseur en phase solide) et la phase liquide sont régulés par l'élément de modification de débit 8 et, en outre, empêchent la formation d'espace mort dans l'appareil. Le fluide qui chute dans le tube central 17

entraîne également les bulles de gaz finement distribuées.

Le gaz qui se sépare de la phase liquide dans l'unité

de séparation de phase III quitte l'appareil par la condui-

te 28. Le courant liquide s'échappe de l'unité de séparation de phase III par l'embout 22 et peut passer par le filtre 21 qui retient les particules du biocatalyseur (particules de gel). La phase liquide s'échappant par l'embout 22 passe dans la branche d'aspiration 37 de la boucle de circulation et, de

là, par la pompe 33 dans la branche sous pression 39.

Le procédé de fermentation et les conditions du milieu de culture peuvent être suivis avec attention par analyse d'échantillons pris dans la conduite 23 amenant à l'unité de séparation de phase III. Dans l'étape de production de la fermentation, l'évacuation continue de produit et l'alimentation continue du milieu de culture peuvent être réalisées par la pompe ou des pompes reliées aux embouts 48

et/ou 49, ou par un trop-plein.

S'il est nécessaire de remplacer le milieu de culture, le liquide formant ferment est retiré par l'embout 11 par ouverture de la vanne 13 (figure la) et le réacteur est alimenté en milieu de culture frais ainsi que décrit plus en

détail ci-dessous.

Apres achèvement du cycle de fermentation total, la liqueur formant ferment en même temps que les particules de gel de support de catalyseur sont soutirées par l'embout 12 par ouverture de la vanne 14 puis stérilisées à l'aide de vapeur.

L'appareil représenté sur les figures 2a, 2b -indépen-

damment du manque d'unité de formation de gouttelettes de sol- est virtuellement semblable à celui des figures la à le, par conséquent les numéros de référence ci-dessus sont

utilisés pour marquer les parties identiques de l'appareil.

L'appareil selon les figures 2a, 2b est sous une forme convenant à la réalisation d'une fermentation quasi-continue avec des micro-organismes immobilisés sur un support préformé -dont la densité est inférieure à la densité du fluide. Une

caractéristique particulière du procédé est qu'il est anaé-

robie ou n'exige qu'une petite quantité d'air; de même le gaz

(par exemple dioxyde de carbone) utilisé en tant que sous-

produit, inhibe la fermentation -c'est-à-dire la fermentation éthanolique due aux cellules de Saccharomyces- par conséquent, un gaz inerte, par exemple de l'azote, ou un mélange de gaz inerte et d'air est utilisé pour déplacer le C02 de la phase liquide. Une autre caractéristique du procédé est que le produit a également un effet d'inhibition de la fermentation, par conséquent, afin de réduire le mélange en retour du

* fluide, divers appareils peuvent être placés en une dispo-

sition en cascade.

Ainsi qu'il a été mentionné ci-dessus, l'unité d'entrée de fluide I de l'appareil selon la figure 2a diffère de celui de l'unité selon la figure la en ce qu'il est pourvu d'une enceinte thermorégulée 51, entourant l'espace thermoréglé étroit 51a. Un embout 52 traversant le couvercle et pénétrant dans la chambre 18 est reliée à l'unité de séparation de phase III au lieu de l'unité de formation de gouttelettes de sol, de sorte que l'alimentation s'y produit avec contrôle de niveau. Les éléments en cascade peuvent être reliés par un tel système de conduites et de vannes de façon à ce que leur fonctionnement varie en séquence. Les parties (réacteurs) K1 - K3 du réacteur en cascade (ligne en cascade) sont

reliées par des conduites 60, 61.

L'appareil selon les figures 2a, 2b fonctionne de la façon suivante: Des parties K1 - K3 de la ligne de cascade (figure 2b) sont remplies d'un milieu de culture à l'aide des pompes 57, 59. Puis les vannes 47b sont closes et les réacteurs de la

ligne en cascade sont stérilisés selon la méthode de stéri-

lisation généralement employée pour ces fermenteurs. Après achèvement de la stérilisation, les réacteurs sont refroidis

puis la température de fermentation est fixée et les parti-

cules de biocatalyseur, contenant les cellules de Saccharo-

myces immobilisées, sont alimentées par la conduite de chargement 52 dans le milieu de culture stérilisé et le

niveau du milieu de culture est fixé au niveau de la colle-

rette supérieure du tube central 17 (figure 2a).

Dans l'étape suivante, le gaz inerte stérile ou le

mélange de gaz inerte et d'air est introduit par la condui-

te 44 contenant le régulateur de débit 43 dans les parties 41, 43 du réacteur en cascade à un débit suffisant pour déplacer

le CO2 produit durant la fermentation et pour assurer l'auto-

circulation de la suspension liquide-solide dans l'espace du réacteur. Afin de s'assurer que l'on obtient le transfert de masse liquide-gaz intensif, le liquide est mis en circulation à l'aide d'une pompe de circulation 38 associée à chaque élément de la cascade par des éléments de dispersion 45, 46 se trouvant dans la boucle de circulation 50 (cf. également ce qui est décrit en relation avec les figures la à le). Le gaz contenant le C02 de chaque réacteur K1-K3 s'échappe de la phase liquide de la chambre 18 de l'unité de séparation de phase III, et quitte le réacteur par la conduite 55, tandis que le liquide quitte le réacteur 15 par le filtre 21 et l'embout 22 (le filtre 21 retient les grains de catalyseur) et passe dans la branche sous aspiration 37 de la boucle de circulation 50, dans la pompe 38, et dans la branche sous pression 39. Lorsqu'il a atteint un nombre prédéterminé de cellules, le chargement continu du milieu de culture stérile l'aide des pompes 57-59 (figure 2a) débute et le produit est retiré en continu. Le mode de réalisation de l'appareil selon l'invention représenté sur les figures 3a et 3b est utilisé pour la réalisation de la réaction biochimique catalysée par une enzyme fixée, dont un substrat est sous forme de phase

liquide, l'autre substrat étant sous forme gazeuse et l'en-

zyme est immobilisé sur des petites particules de support de basse densité sensibles à la déformation. Une telle réaction est par exemple l'oxydation du glucose en acide gluconique en présence de glucose-oxydase immobilisé sur un lit de billes

de polyacrylamide.

Les parties essentielles de ces appareils sont les sorties de fluide VI, l'unité réactionnelle II et l'unité de

dispersion du gaz V à circulation forcée.

L'unité de sortie de fluide VI a la forme d'une chambre en tronc de cône dont l'évasement est dirigé vers le haut, dont l'embout 64 permet l'évacuation de fluide et dont un embout 65 permet l'alimentation en gaz auxiliaire. Pour le retrait ou évacuation du liquide de l'appareil sans que des particules de support catalytique ne soient entraînées, est

utilisé un embout 67 muni d'une vanne 66 et, pour l'élimina-

tion de la charge totale du réacteur, un embout 69 avec une vanne 68 est prévu. Les orifices des embouts 64, 67 et 69 conduisant dans la chambre 63 sont séparés de l'intérieur de

la chambre par un élément de filtre en tronc de cône consis-

tant en un tamis disposé sur la surface interne de la cham-

bre. La dimension des ouverture des mailles du filtre 70 est déterminée de façon à ce qu'il exerce une résistance pour la phase gazeuse qui permet qu'elle augmente dans l'espace réacteur selon la direction de la résistance moindre. La conduite 65 d'entrée du courant de gaz auxiliaire est relié au régulateur de débit 71 qui pénètre dans l'intérieur de la chambre 63 de façon à ce qu'un courant de gaz constant soit obtenu. L'angle du cône de la chambre est compris entre 50 et 60', son diamètre principal Ba pouvant être 1/3 de celui du diamètre du réacteur B1, et sa hauteur pouvant être 1/5 de la hauteur totale du réacteur L. L'unité de réaction et d'auto-circulation II est reliée à l'unité d'ouverture de sortie du fluide VI pourvue d'une partie inférieure en tronc de cône dont l'évasement est

dirigé vers le haut 73 et d'une partie supérieure cylindri-

que 74. La partie inférieure 73 peut être considérée comme étant une continuation de- la chambre 63. La hauteur de la partie inférieure 73 est par rapport à la hauteur de la partie supérieure dans un rapport de 1 à 3. La hauteur totale L du réacteur (formant un ensemble avec l'unité de sortie de fluide VI et l'unité de réaction II) n'est pas supérieure à 1,8 à 2,5.fois le diamètre B1 de l'espace réactionnel 75 (partie supérieure cylindrique 74). Le tube central 76 disposé selon la direction de l'axe x1 est formé de trois parties, la partie cylindrique inférieure 77 de plus petit diamètre el, la partie cylindrique supérieure 78 de plus grand diamètre e3 et la partie intermédiaire qui a la forme d'un tronc de cône dont l'évasement est dirigé vers le haut 79, les différents éléments étant marqués en commençant

du bas par les lettres de référence hl, h2, h3 respective-

ment. Il est souhaitable que cl/c2/c3 soit dans un rapport de 3/1/3 et el/e3 dans le rapport de 1/4; de plus, e3/B1 doit être dans un rapport de 1/2. Les hauteurs HI des espaces réactionnels 75 sont similaires ou pratiquement similaires à la hauteur du tube central 76; l'extrémité inférieure de la partie cylindrique inférieure 77 du tube central pénètre à l'intérieur de la chambre 63, de façon telle que l'espacement d'environ Ba/3 au-dessus du pic du régulateur 71 pénètre dans

la chambre. L'unité de sortie de fluide VI et l'unité réac-

tionnelle II sont entourées par une enceinte thermorégulée 80a

comprenant l'espace thermorégulé 80.

La conduite d'introduction de fluide 81 pénètre de façon tangentielle dans la partie cylindrique supérieure du tube central 76 à environ le quart inférieur de sa hauteur c3, en passant à travers les parois 72 de l'enceinte (et de l'enceinte thermorégulée 80a). La conduite 81 est de préfé- rence horizontale et son diamètre est d'environ 1/10 du

diamètre e3 de la partie cylindrique supérieure 78.

L'espace réactionnel 75 est clos par la couverture 82 au travers de laquelle la conduite de sortie de gaz 83

provenant de l'espace réactionnel pénètre et pénètre égale-

ment la conduite d'alimentation de catalyseur 84.

Une extrémité de la boucle de circulation 85 est reliée à l'embout 64 de l'unité de sortie.de fluide VI, son autre extrémité à la conduite d'alimentation en fluide 81 du

réacteur comportant les éléments de dispersion 45, 46 dis-

posés dans la boucle de circulation 85 selon les figures ld et le. La boucle de circulation 85 présente une branche d'aspiration 87 disposée entre la conduite 64 et la pompe de circulation 66 et une branche sous pression 88 disposée entre la pompe 86 et la conduite d'alimentation en fluide 81. Un convergent 89 est disposé dans ces dernières de façon à

augmenter considérablement la vitesse du débit. La condui-

te 92 comportant un régulateur de débit 91 est destinée à

l'alimentation du courant de gaz. Les éléments de disper-

sion 45 sont disposés dans le chemin vertical de la branche sous pression 88 entre le convergent 89 et la conduite 81 (figure ld) et les éléments de dispersion 46 sont disposés dans le chemin horizontal (figure le); un tel élément de dispersion 46 est disposé dans la conduite 81 ainsi qu'il est

clairement représenté sur la figure 3b.

Une conduite 93 comprenant une vanne 94 conduit dans la branche sous aspiration 87 devant l'embout 64 et l'élément d'accélérateur de débit 89 et de préférence une conduite 95 avec une vanne 96, disposé devant le convoyeur, sert à

l'alimentation en substrat.

L'appareil selon la figure 3a et la figure 3b fonc-

tionne de la façon suivante: L'appareil chimiquement stérilisé est rempli par la conduite d'introduction 84 de catalyseur d'une suspension d'enzymes immobilisés formée de billes de polyacrylamide sur un substrat de glucose. Le volume d'enzymes immobilisés est d'environ 30 à 40% celui du volume utile du réacteur. Puis, la solution de substrat de glucose est introduite dans la conduite 95, selon le sens de la flèche o, passe dans la branche sous pression 88 de la boucle de circulation 85 grâce

à la pompe 86, la vanne 96 étant ouverte. La solution de sub-

strat de glucose est introduite par la conduite 81 dans l'espace réactionnel 75. La charge se poursuit jusqu'à ce que le niveau de liquide atteint la collerette supérieure de la

conduite 76. La vanne 94 est alors close.

Après réduction de la température de réaction à l'aide du liquide qui circule dans l'espace thermorégulé 80, le courant d'air auxiliaire induisant l'auto-circulation de la phase liquide et des particules de catalyseur est amené par la conduite d'entrée auxiliaire 65 et le régulateur de débit 71. La vitesse volumétrique du courant d'air auxiliaire est égale à environ 10% de la vitesse volumétrique du courant d'air (introduit par la conduite 92) assurant la consommation

en oxygène de la réaction. Les bulles formées dans le régu-

lateur de débit 71 passent dans la partie cylindrique infé-

rieur 77 du tube central 76 en exerçant un effet d'aspiration sur la phase liquide et les particules de biocatalyseur de densité inférieure à celle du liquide suspendu dans la phase liquide. De cette façon, le mouvement des particule et du fluide vers le haut se produit dans le tube central 76, et produit une recirculation dans l'anneau entre la paroi externe du tube central 76 et la face interne des parois du récipient 72. Une agglomération intensive des bulles se produit dans le tube central 76 de façon que le courant d'air auxiliaire soit pratiquement insignifiant en tant que source d'oxygène et ne sert qu'à la régulation de la circulation des

particules.

La concentration en oxygène requise est assurée dans la phase liquide de façon telle que la circulation forcée soit réalisée dans la boucle de circulation 85 à l'aide d'une pompe 86. La pompe 86 retire le liquide par la conduite de sortie du fluide 64 tandis que l'élément de filtre 70 retient les particules de catalyseur dans la chambre 63. La pompe 86

amène le liquide dans la branche sous pression 88, le mélan-

geant avec le courant d'air introduit selon la flèche p par la conduite 92 et le régulateur de débit 91, et les éléments de dispersion 45 et 46, ainsi que décrit en relation avec les figures la à le, assurent le transport d'oxygène requis de la

phase gazeuse à la phase liquide.

La dispersion gaz-liquide s'écoule dans la branche sous pression 88 par la conduite d'alimentation de fluide 81 dans la partie cylindrique supérieure 78 du tube central du

réacteur 76 puis le liquide déborde au-dessus de sa colle-

rette et, en même temps que les particules de catalyseur, chute entre les parois du récipient 72 et les parois externes du tube central 76 de façon à retourner au fond du réacteur,

le gaz s'échappant du réacteur par la conduite 83.

L'importance du débit de fluide tangentiel par la conduite 91 révèle en fait que la solution de substrat à teneur en oxygène élevée se mouvant selon un chemin en spirale est en contact intensif avec les particules de catalyseur dans le tube central pendant un temps prolongé, de

façon à assurer une conversion convenable.

Le mode opératoire continu peut être mis en oeuvre avec une alimentation en solution de substrat selon la direction de la flèche o dans la position ouverte de la vanne 96 et prélèvement de produit selon la direction de la flèche t par la conduite 93 alors que la vanne 94 est en position ouverte,

ou avec une connexion en cascade avec divers réacteurs.

Dans le cas d'un mode de fonctionnement par lots du

réacteur, le produit est retiré de la chambre 63 par la -

conduite 67 lorsque la vanne 66 est ouverte. Le réacteur est complètement vidé par la conduite 69 lorsque la vanne 68 est ouverte. Les avantages de la présente invention peuvent être résumés de la façon suivante: Un avantage fondamental important de l'appareil est qu'il permet des opérations biocatalytiques consommant de l'oxygène en présence d'un biocatalyseur en phase solide, ce qui est économiquement possible par utilisation maximale des bénéfices liés à l'utilisation du biocatalyseur en phase solide; en même temps, les difficultés de transfert de masse que présentent les méthodes traditionnelles sont éliminées

par intensification du contact gaz-liquide et par la circu-

lation stable du biocatalyseur immobilisé sur les particule de support. De plus, un avantage significatif résulte du fait que l'espace de réaction dans l'appareil est distinct de l'espace du contact gaz-liquide intensif; les particules de catalyseurs ne sont pas exposées à des contraintes mécaniques élevées, ce qui ne les endommage pas durant l'opération de biocatalyse. Si des cultures de cellules particulièrement sensibles à l'infection sont utilisées en tant que biocatalyseur, une version préférée de l'appareil offre la possibilité de piéger les cellules in situ dans le gel, c'est-à-dire de produire des billes de biocatalyseur solides dans l'appareil lui-même

dans des conditions plus intensives et de plus grande sécu-

rité que celles qui sont offertes par les méthodes connues.

Un autre avantage est que, par la distribution inten-

sive et l'alimentation en gaz inerte (ou de mélange de gaz inerte et d'air), il est possible de faire passer dans le gaz inerte les sousproduits gazeux endommageant de la phase

liquide du fermenteur et ceci dans des conditions économi-

ques. Enfin, l'avantage important est que l'appareil peut former une partie d'une ligne en cascade et qu'un tel procédé biocatalytique peut également être effectué avec un rendement élevé dans lequel le produit et/ou le gaz formé en tant que sous-produit (par exemple dioxyde de carbone) inhibent la

biocatalyse (par exemple la fermentation).

Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés mais elle est susceptible de nombreuses variantes accessibles à l'homme de

l'art sans que l'on ne s'écarte de l'esprit de l'invention.

Claims (15)

REVENDICATIONS

1.- Appareil pour la réalisation d'un procédé de biocatalyse en présence d'un biocatalyseur en phase solide,

ledit appareil étant pourvu d'un espace réactionnel compre-

nant un tube central, un dispositif pour l'alimentation en catalyseur, un milieu de culture et un gaz. pénétrant dans l'espace réactionnel, ainsi qu'un dispositif pour recueillir le produit obtenu par la biocatalyse et les gaz séparés

durant le procédé et comprenant en outre une pompe de circu-

lation, caractérisé en ce qu'il comporte une boucle de circulation (50, 85) dont les deux extrémités pénètrent dans l'espace réactionnel (15, 75) en des points disposés l'un au-dessus de l'autre, en ce qu'il comporte un élément formant filtre (21, 70) pour retenir le support et le catalyseur solide dans l'espace réactionnel (15, 75) disposé devant l'orifice de sortie servant au retrait du milieu traité de l'espace réactionnel (15, 75); en ce qu'il comporte une pompe

de circulation (38, 86) disposée sur la boucle de circula-

tion (85) divisée elle-même en deux branches, l'une sous pression (39, 88) et l'autre sous aspiration (37, 87), un élément accélérateur de flux (42, 89) se trouvant sur la branche sous pression (39, 88) en aval de la pompe, selon le sens d'écoulement (g) du milieu traité, en ce qu'il comporte une conduite d'entrée de gaz (44, 92); et en ce que sont

disposés, dans la branche sous pression (39, 88), des élé-

ments de dispersion de gaz (45, 46).

2.- Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que la chambre de séparation de phase (18) est reliée à l'espace réactionnel (15) pourvu d'une conduite de sortie de gaz (28, 55) et en ce-qu'une branche sous aspiration (37) de la boucle de circulation (50) part de la partie inférieure de cette chambre (18) dans laquelle pénètre le tube central (17),

situé dans l'espace réactionnel (15).

3.- Appareil selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'espace réactionnel cylindrique (15) est fermé en son fond à l'aide d'une partie de fond cylindrique (1) qui présente une conduite (3) tangentielle reliée à la branche

sous pression (39) de la boucle de circulation (50).

4.- Appareil selon la revendication 3, caractérisé en ce que la face supérieure (5) de la partie de fond (1) présente une surface en pente ou spirale partant du fond de l'orifice d'entrée de la branche sous pression (39) et allant jusqu'au sommet de cet orifice.

5.- Appareil selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce qu'il comporte un tube d'évacuation (11) traversant la partie de fond (1), ce tube étant pourvu d'une vanne (13) disposée à l'extérieur et contenant un élément de filtre (10) O10 le séparant de l'espace réactionnel situé au-dessus ainsi qu'un élément de modification de flux conique (8) dont la section se réduit vers le haut et dont la partie supérieure pénètre dans le tube central, lequel élément (8) est placé

sur l'élément de filtre (10).

6.- Appareil selon une quelconque des revendications 1

à 5, caractérisé en ce qu'il comporte un embout (48, 95) d'alimentation du liquide à traiter qui pénètre dans la

branche sous pression (39, 88) de la boucle de circula-

tion (50, 85) entre la pompe (38, 86) et l'élément d'accélé-

ration de flux (48, 89) et comporte une conduite (49, 93) de décharge du produit résultant de la biocatalyse qui part de

la branche sous aspiration (37, 87) de la boucle de circula-

tion (50).

7.- Appareil selon une quelconque des revendications 1

à 6, caractérisé en ce que la conduite (52) pénètre dans la chambre de séparation de phase (18) pour alimenter l'espace

réactionnel (15) en biocatalyseur solide.

8.- Appareil selon une quelconque des revendications 1

à 6, caractérisé en ce qu'il comporte une tête de formation de gouttelettes (25) conduisant dans la chambre de séparation

de phase (18) pour l'introduction du biocatalyseur, c'est-à-

dire de gouttelettes de sol dans lesquelles sont piégées les

bactéries, qui est en relation avec une enceinte (27) des-

tinée à recevoir la matière formant le sol, ladite enceinte

contenant un agitateur.

9.- Appareil selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'une vanne (26) est disposée entre la tête de formation

de gouttelettes (25) et l'enceinte (27).

10.- Appareil selon la revendication 8 ou 9, caractérisé en ce que la tête de formation de gouttelettes (25) comporte des éléments de formation de gouttelettes dirigés vers

l'intérieur de la chambre de séparation de phase (18).

11.- Appareil selon une quelconque des revendications 1

à 6, caractérisé en ce que le tube central (17) a la forme générale d'un entonnoir et comporte une partie de section cylindrique supérieure (78) ayant un diamètre (e3), une partie de section cylindrique inférieure (77) ayant un diamètre (el.) et une partie intermédiaire (79) ayant une forme conique, l'appareil comportant une chambre conique (63) convergente vers le bas de l'espace réactionnel (75) relié à

la branche sous-aspiration (87) de la boucle de circula-

tion (85), la branche sous pression (88) de la boucle de circulation (85) pénétrant de façon tangentielle dans la

partie inférieure du tube central (76) et un élément de fil-

tre (70) étant disposé devant l'orifice de la branche d'as-

piration (87) dans la chambre (63).

12.- Appareil selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il comporte une tuyère de débit de gaz auxiliaire (71) traversant la paroi entourant la chambre conique (63) en son fond et dirigée vers l'orifice de la partie cylindrique inférieure (77) du tube central (76) qui est disposée dans la

chambre (63).

13.- Appareil selon une quelconque des revendications 1

à 12, caractérisé en ce que la longueur de la branche sous pression (38, 89) de la boucle de circulation (50, 85) dépasse de plusieurs multiples la longueur de la branche sous

aspiration (37, 88).

14.- Appareil selon une quelconque des revendications I

à 13, caractérisé en ce que les éléments de dispersion de gaz (45) présentent un convergent (45b), un divergent (45c)

et des ouvertures d'interconnexion (45a).

15.- Appareil selon une quelconque des revendications 1

à 14, caractérisé en ce qu'il comporte des éléments de dispersion de gaz (46) présentant une tige rigide (46a) et un

élément enroulé en spirale (46b).