FR3118061A1 - Procédé de production d’alcools avec un support sur lequel sont immobilisés des micro-organismes - Google Patents
Procédé de production d’alcools avec un support sur lequel sont immobilisés des micro-organismes Download PDFInfo
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Abstract
La présente invention concerne un procédé de production d’alcools, selon lequel on introduit un fluide sucré (2) dans une section réactionnelle (1) comprenant un support (4) sur lequel sont immobilisés des micro-organismes, afin de produire par fermentation un moût (3) enrichi en alcools sous l’action desdits micro-organismes, tel que le procédé est opéré en continu, et tel qu’on remplace périodiquement une portion de support usé (41) par une portion de support neuf et/ou régénéré (46). Figure 1 à publier
Description
La présente invention concerne un procédé de production d’alcools par fermentation d’un fluide sucré.
Afin de répondre aux enjeux de la transition énergétique, de nombreuses recherches sont menées pour développer des procédés dits « verts », permettant d’accéder à des intermédiaires chimiques d’une façon alternative au raffinage du pétrole et/ou à la pétrochimie.
Les alcools issus de procédés fermentaires (par exemple isopropanol et n-butanol) sont parmi les substituts de dérivés pétrochimiques les plus prometteurs. La fermentation ABE (Acétone – Butanol – Ethanol), réalisée par des microorganismes appartenant au genreClostridium, est une des plus anciennes fermentations à avoir été industrialisée, et a été depuis largement étudiée. Plus récemment, la fermentation IBE (Isopropanol – Butanol – Ethanol) produisant un mélange d’isopropanol, butanol et éthanol et réalisée également par des microorganismes appartenant au genreClostridiuma fait l’objet de nombreuses études.
Concernant le mode de conduite fermentaire employé dans ce type de procédé, la production en mode discontinu (« batch » selon la terminologie anglo-saxonne) reste la méthode conventionnelle pour les fermentations ABE et IBE, malgré la faible productivité affichée pour ce type de procédé, dans l’intervalle 0,1-0,7 g/L.h (voir, par exemple, Jones D. T., Woods D.R., 1986, Acetone-Butanol Fermentation Revisited. Microbiol. Rew., 50 (4), 484-524 ou Tableau 16.6 Lopez-contreras A. et al chapter book 16, Bioalcohol Production: Biochemical Conversion of Lignocellulosic Biomass, 2010). Mais ces productivités restent trop faibles pour envisager un procédé industriel économiquement viable.
Un procédé continu avec des cellules en suspension dans un réacteur homogène peut également être envisagé. Mais la productivité est également assez faible et peut difficilement être augmentée de façon significative. Un problème technique est la concentration des cellules dans le milieu fermentaire, principalement contrôlée par le taux de dilution appliqué dans le procédé. Celui-ci ne peut pas être élevé pour éviter le lavage cellulaire (« wash out » selon la terminologie anglo-saxonne) dans le fermenteur. Pour ces raisons, depuis quelques années, un fort intérêt est porté aux méthodes visant une forte rétention de la biomasse microbienne. Deux moyens existent : « l’immobilisation des cellules » et le « recyclage » cellulaire avec une rétention au moyen de membranes filtrantes. La présente invention s’intéressera principalement à la technique d’immobilisation des cellules.
Deux techniques d’immobilisation pour procédé continu sont connues : l’adsorption sur support solide et le confinement, les deux techniques ayant été étudiées pour la production d’ABE.
Dans le premier cas d’adsorption sur support solide, l’adsorption physique des micro-organismes sur une surface solide a lieu par des forces électrostatiques, forces de van der Waals, ou par liaison covalente entre la membrane cellulaire bactérienne et le support. Comme il n’existe pas de barrière physique entre le biofilm microbien et la solution de fermentation, différents équilibres entre les taux d’adsorption, de détachement cellulaire et de recolonisation du support solide peuvent être atteints en fonction du support solide, de la mise en œuvre et des conditions opératoires. Il est à noter que les cellules immobilisées sont typiquement entourées de polysaccharides excrétés par les microorganismes (EPS: « Extracellular Polymeric Substances » selon la terminologie anglo-saxonne), et présentent des régimes de croissance et de bioactivité différents de ceux obtenus lorsque les cellules se trouvent en suspension (voir, par exemple, Halan B., Buehler K., Schmid A., 2012, Biofilms as living catalysts in continuous chemical syntheses, Trends in biotechnol., 30 (9), 453-465).
Plusieurs supports solides ont été testés et s’avèrent intéressants d’après la littérature pour la fermentation de type ABE, incluant le charbon (voir, par exemple, Qureshi N., Maddox I.S., 1987, Continuous solvent production from whey permeate using cells ofClostridium acetobutylicumimmobilized by adsorption onto bonechar, Enzyme Microb. Technol., (9), 668-371), les briques (voir, par exemple, Qureshi N., Schripsema J., Lienhardt J., Blaschek H.P., 2000, Continuous solvent production byClostridium beijerinckii BA101immobilized by adsorption onto brick, World Journal of Microbiology & Biotechnology, (16), 377-382), et la pulpe papetière (voir, par exemple, Survase S.A., van Heiningen A., Granström T., 2012, Continuous bio-catalytic conversion of sugar mixture to acetone-butanol-ethanol by immobilizedClostridium acetobutylicum DSM 792,Appl. Microbiol. Biotechnol., (93), 2309-2316). Mais de tels supports solides ne sont pas synthétiques, et peuvent générer des problèmes de reproductibilité pour les procédés de fermentation.
Dans le deuxième cas, celui d’une immobilisation par confinement, de type encapsulation, les microorganismes sont introduits à l’intérieur d’une matrice poreuse, de façon à éviter leur diffusion vers le milieu extérieur, tout en permettant le transfert de matière pour le support et les nutriments, ainsi que pour les produits de réaction. Des exemples de supports utilisant la technique de confinement par encapsulation incluent les billes d’alginate (voir, par exemple, Mollah A.H., Stuckey D.C., 1993, Maximizing the production of acetone-butanol in alginate bead fluidized bed reactor usingClostridium acetobutylicum, J. Chem. Tech. Biotechnol., (56), 83-89), et de k-carrageenan (voir, par exemple, Godia F., Howard I., Scott D., Davison B.H., 1990, Use of immobilized microbial membrane fragments to remove oxygen and favor the acetone-butanol fermentation, Biotechnol. Prog., 1990, 210-213).
Il a par ailleurs été proposé dans le brevet FR-3 086 670 un procédé où l’on vient fixer dans le réacteur fermentaire au moins une partie de la biomasse bactérienne par adsorption sous forme de biofilm sur un matériau poreux à base de mousse polymérique, de type mousse de polyuréthane. Ce matériau s’est révélé particulièrement performant, en permettant un procédé fermentaire en continu, la mousse permettant de fixer les bactéries de façon suffisamment importante, c’est-à-dire au-delà du taux de dilution causant le lavage cellulaire. Ce matériau ouvre une nouvelle voie pour la production de mélanges de type IBEA, en donnant aussi accès à une production en mode continu par immobilisation de la biomasse bactérienne.
Le brevet FR-3 086 553, par ailleurs, propose un procédé de nettoyage de cette mousse de polyuréthane, consistant à mettre la mousse en contact avec un fluide issu d’un moût fermentaire enrichi en alcool et/ou acétone et/ou une solution aqueuse à pH basique. On peut ainsi, une fois la mousse polymérique « usée », notamment bouchée et/ou saturée en biomasse, la régénérer par nettoyage pour la réutiliser dans un réacteur fermentaire avec des performances identiques à ou voisines de celles d’une mousse neuve.
Cependant, les procédés de production en continu de ce type, avec immobilisation des micro-organismes sur un support dans le réacteur fermentaire, restent susceptibles d’amélioration, notamment parce qu’ils nécessitent des phases transitoires, des montées en régime de l’immobilisation cellulaire sur les supports, et des phases de remplacement régulier des supports, phases longues qui pénalisent leur productivité.
L’invention a alors pour but d’améliorer les procédés fermentaires en continu, du type de ceux produisant des mélanges d’alcools ABE ou IBE, notamment en vue d’améliorer leur productivité.
L’invention a tout d’abord pour objet un procédé de production d’alcools, selon lequel on introduit un fluide sucré dans une section réactionnelle comprenant un support sur lequel sont immobilisés des micro-organismes, afin de produire par fermentation un moût enrichi en alcools sous l’action desdits micro-organismes, tel que le procédé est opéré en continu, et tel qu’on remplace périodiquement une portion de support usé par une portion de support neuf et/ou régénéré.
On comprend dans le cadre de l’invention par support « usé » un support dont les performances sont amoindries par rapport à un support neuf, notamment en atteignant un niveau de bouchage/saturation-seuil donné, ou en atteignant une durée de vie en production donnée. Le support sera généralement d’autant plus usé qu’il est « âgé », c’est-à-dire qu’il est utilisé depuis un certain temps depuis le démarrage à un instant donné d’une campagne de production.
On comprend dans le cadre de l’invention par support « régénéré » un support usé qui a été traité/nettoyé pour atteindre à nouveau des performances voisines de ou identiques à un support « neuf ».
On comprend dans le cadre de l’invention par support « neuf » un support qui n’a encore jamais été utilisé en production, et qui n’a donc pas encore été colonisé par les micro-organismes.
L’invention concerne donc des procédés de fermentation en continu, avec un support immobilisant les micro-organismes dans un réacteur fermentaire. Comme brièvement évoqué plus haut, ces supports, un peu à la manière des catalyseurs dans le domaine de la chimie, se désactivent progressivement : On vient coloniser le support avec les micro-organismes (bactéries) au départ, puis le support se charge en bactéries au cours du temps. Cette accumulation est bénéfique pendant une certaine période de temps, puisqu’elle augmente la concentration en biomasse bactérienne, et elle augmente donc la productivité volumique du réacteur fermentaire. Mais au-delà d’une certaine période de temps, le support se trouve largement colonisé par les bactéries, et des phénomènes de bouchage apparaissent : quand le matériau support se présente sous forme de blocs ou de particules, le bouchage peut être observé entre les particules/blocs et/ou au sein même des particules/blocs quand leur matériau est poreux, ce qui fait alors chuter la production. En outre, il faut prendre en compte la mortalité des cellules dans le biofilm, l’usure observée étant donc la conjonction de phénomènes de bouchage croissants et de la mort croissante des bactéries au cours du temps.
La solution proposée par l’invention est d’utiliser un support qu’on peut remplacer progressivement, en remplaçant à chaque fois une portion du support par une portion neuve/régénérée. Le support est ainsi partiellement renouvelé : la portion de support neuf ou régénéré qu’on introduit est progressivement colonisée à son tour par les bactéries, et devient progressivement efficace, davantage que la portion usée qui a été soutirée. Avec ce système, le support maintient une efficacité globale suffisante pendant toute la campagne de production, avec des portions de support qui présentent des « âges » différents. (On comprend par « âge » le temps passé, à l’instant t, par une portion de support en production depuis le début d’une campagne de production) : on vient remplacer progressivement les portions les plus usées/âgées du support pour les remplacer par des portions neuves/régénérées, conservant ainsi un « âge » moyen, une usure moyenne, globalement inchangés pour le support.
Avantageusement, les micro-organismes sont, selon l’invention, immobilisés sur le support sous forme de biofilms ou d’agrégats sur/dans le support, choisi de préférence poreux.
Avantageusement selon l’invention, le support comporte une pluralité de portions de support disposées successivement selon un sens général d’écoulement du fluide (sucré) dans la section réactionnelle, et lesdites portions ont un degré d’usure décroissant d’amont en aval (par rapport à ce sens d’écoulement). C’est en effet la portion la plus amont par rapport au flux de jus sucré qui tend à se charger en premier en bactéries, qui va donc s’user plus que les suivantes. Selon l’invention, on exploite donc ce fait pour provoquer un rajeunissement partiel contrôlé du support.
Ainsi, de préférence, selon l’invention , on remplace la portion de support usé qui est la plus amont dans le support par la portion de support neuf ou régénéré qu’on dispose, elle, en aval de la portion la plus aval du support.
Le support comprend de préférence des blocs de matériau poreux en vrac, qui se trouvent, dans la zone réactionnelle en production, immergés dans un milieu réactionnel liquide baignant ladite section réactionnelle. Ces blocs sont maintenus de préférence dans la section réactionnelle par des dispositifs mécaniques, qui sont à mailles, tels que des grilles, filets , plaques munies d’orifices, et/ou sous forme de déflecteurs.
On comprend par « en vrac » au sens de l’invention le fait que les blocs ne sont pas agencés les uns par rapport aux autres de façon ordonnée.
Le support peut être de préférence dans un matériau de type mousse, soit à base de polymère, du type mousse en polyuréthane (PU), soit à base de matériau céramique. Leur comportement en milieu liquide (aqueux) va dépendre de leur densité, on choisira en conséquence, notamment, le type/la conformation des dispositifs mécaniques les maintenant dans la section réactionnelle.
On peut se reporter au brevet FR-3 086 670 précité pour un exemple de matériau poreux de type mousse de polyuréthane retenue par un système de filet.
Selon un premier mode de réalisation, la section réactionnelle comporte un réacteur, et le support comporte une pluralité de couches, successivement traversées par le fluide sucré, la portion de support usé et la portion de support neuf et/ou régénéré correspondant chacune à une couche ou un ensemble de couches adjacentes du support.
On vient ainsi partager le support en un certain nombre de portions, sous forme d’un empilement de couches que va successivement être traverser par le fluide sucré, et on va pouvoir périodiquement remplacer une, deux, x couches de support usé par le même nombre de couches de support neuf/régénéré.
Au sens de l’invention, et tout particulièrement quand on choisit un support sous forme de blocs de matériau poreux en vrac, le terme « couches » n’est pas à comprendre au sens littéral comme des couches qui seraient parfaitement délimitées les unes par rapport aux autres, continues et avec une interface plane, ou qui seraient parfaitement empilées : ces couches de matériau peuvent avoir des interfaces irrégulières, non planes, même si elles partagent le support en portions qui sont approximativement de même hauteur et/ou qui contiennent approximativement la même quantité de matériau poreux. C’est par soucis de clarté qu’on représente le support sous forme d’un empilement de ces « couches ».
Avantageusement, dans cette configuration, la portion de support usé et la portion de support neuf et/ou régénéré correspondent chacune à une couche du support, la portion de support usé soutirée du réacteur étant la couche la plus amont du support et la portion de support neuf ou régénéré étant introduite dans le réacteur en aval de la couche la plus aval du support.
Dans tout le présent texte, on comprend les termes « amont » et « aval » en fonction du sens général d’écoulement du fluide (sucré) dans la section réactionnelle, ici le réacteur, au travers du support.
Selon une variante, la portion/couche de support neuf ou régénéré est introduite sous forme de blocs de matériau en vrac, dans le réacteur, sous forme solide, notamment par des moyens pneumatiques ou des moyens mécaniques tels une vis sans fin.
Selon une autre variante, la portion/couche de support neuf ou régénéré est introduite sous forme de blocs de matériau en vrac, dans le réacteur, une phase liquide, notamment en suspension dans le fluide sucré alimentant la section réactionnelle.
Selon une variante, la portion/couche usée du support est soutirée du réacteur en phase liquide. Elle peut notamment être soutirée en suspension dans la phase liquide du moût de fermentation sortant du réacteur.
On peut donc équiper le réacteur d’une entrée et/ou une sortie spécifiques, dédiées au remplacement du support poreux, ou plutôt exploiter les entrées/sorties existantes pour alimenter le réacteur en fluide sucré et en soutirer les produits fermentaires. A noter qu’il est avantageux de munir la sortie en produits fermentaires (le mout) d’un moyen mécanique de blocage des solides, de type grille, pour ne pas évacuer les blocs de support poreux involontairement, (moyen qui sera toujours présent quand il existe une sortie dédiée au support poreux, et qui sera amovible, pour pouvoir le retirer / le rendre inactif quand le support usé est à soutirer avec le flux de produits fermentaires, lors d’un remplacement).
Avantageusement, pour ce premier mode de réalisation, le soutirage de la portion/couche de substrat usé à l’une des extrémités du substrat et son remplacement par une portion/couche de substrat neuf/régénéré à son extrémité opposée s’effectue à contre-courant par rapport au sens de circulation du fluide (sucré) dans la section réactionnelle. On parle ici de « contre-courant » puisque le fluide s’écoule d’amont en aval, par définition selon les conventions de la présente invention, dans la section réactionnelle, alors qu’on vient soutirer du support par l’amont et on le complète par l’aval. C’est le mode de fonctionnement le plus judicieux, car, comme expliqué plus haut, c’est généralement la portion la plus amont du support qui tend à se charger le plus/le plus vite en bactéries. On comprend ici par « extrémités » les extrémités (amont/aval) du support relativement au sens d’écoulement global du fluide dans le réacteur en fonctionnement
De préférence, le fluide sucré traverse le support sur lequel les micro-organismes sont immobilisés selon un sens général d’écoulement dans la section réactionnelle comprenant un réacteur, on soutire la portion de support usé du réacteur, et on introduit en remplacement la portion de support neuf ou régénéré, la portion de support usé étant soutirée du réacteur dans la partie la plus amont du support et la portion de support neuf ou régénéré étant introduite dans le réacteur dans la partie la plus aval du support.
La portion de support usé qu’on préfère soutirer du réacteur est la portion la plus amont du support, qui est aussi, généralement, sa portion la plus usée. Et on préfère ajouter la portion de support neuf/régénéré en aval, pour prendre la suite de la portion aval la moins usée : On ne vient donc pas remplacer une portion de support au même endroit, on soutire une portion de support à une de ses extrémités (l’extrémité amont), et on en ajoute une autre à l’autre de ses extrémités (l’extrémité aval) : On crée, on intensifie tout au moins, ainsi la création d’un « gradient » de degré de vieillissement du support le long de la direction d’écoulement du fluide sucré le traversant, les portions/couches de support étant d’autant plus usés qu’elles se situent en amont du support. Avec ce remplacement périodique, on garde un niveau « moyen » de vieillissement du support substantiellement constant, et on peut prolonger les durées de campagne de production et/ou rendre plus productives les durées de campagne à iso-durée.
Ce premier mode de réalisation peut être mis en œuvre de deux façons différentes, avec un réacteur orienté essentiellement selon un axe vertical :
- soit avec une circulation du fluide sucré dans le réacteur de haut en bas, le support s’étendant sur au moins une partie de la hauteur du volume utile du réacteur, la portion de support usé étant soutirée du réacteur dans la partie la plus haute du support, et la portion de support neuf ou régénéré étant introduite dans le réacteur dans la partie la plus basse du support,
- soit avec une circulation du fluide sucré dans le réacteur de bas en haut, le support s’étendant sur au moins une partie de la hauteur du volume utile du réacteur, la portion de support usé étant soutirée du réacteur dans la partie la plus basse du support et la portion de support neuf ou régénéré étant introduite dans le réacteur dans la partie la plus haute du support.
- soit avec une circulation du fluide sucré dans le réacteur de haut en bas, le support s’étendant sur au moins une partie de la hauteur du volume utile du réacteur, la portion de support usé étant soutirée du réacteur dans la partie la plus haute du support, et la portion de support neuf ou régénéré étant introduite dans le réacteur dans la partie la plus basse du support,
- soit avec une circulation du fluide sucré dans le réacteur de bas en haut, le support s’étendant sur au moins une partie de la hauteur du volume utile du réacteur, la portion de support usé étant soutirée du réacteur dans la partie la plus basse du support et la portion de support neuf ou régénéré étant introduite dans le réacteur dans la partie la plus haute du support.
A noter que le matériau du support sera de préférence de faible densité (mousse de PU) si on choisit un écoulement de fluide du haut vers le bas dans le réacteur, et qu’il sera de préférence de densité plus élevée (mousse en céramique) si on choisit un écoulement du bas vers le haut.
On peut bien sûr opérer ainsi une pluralité de réacteurs en parallèle, et éventuellement mutualiser la collecte et le traitement des mouts fermentaires issus de chacun des réacteurs.
Selon un deuxième mode de réalisation de l’invention, la section réactionnelle comporte une série de n réacteurs connectés fluidiquement en série les uns aux autres, et au moins un réacteur de rechange. Le support est alors réparti entre les n réacteurs sous forme de n portions de support, et on remplace périodiquement une portion du support usé par une portion de support neuf ou régénéré en déconnectant un réacteur appartenant à la série de n réacteurs en série et contenant la portion de support usé et en connectant le réacteur de rechange contenant une portion de support neuf ou régénéré à la série de n-1 réacteurs.
Ici, c’est donc l’ensemble du support contenu dans un réacteur qui est la « portion » de support, et c’est un réacteur entier qu’on vient alors remplacer par un autre. Mais on garde le même principe qu’avec le premier mode de réalisation, avec des réacteurs qui vont, au fil de la campagne de production avoir des supports présentant des degrés de vieillissement différents d’un réacteur à l’autre, le réacteur le plus amont ayant le support le plus « âgé ».
De préférence, le réacteur qu’on déconnecte est le réacteur le plus amont par rapport au sens d’écoulement général du fluide sucré à travers la série des n réacteurs, et le réacteur de rechange qu’on connecte est placé en aval du réacteur le plus aval de la série par rapport audit sens d’écoulement.
Comme dans le cas du premier mode de réalisation, on a donc ici une sorte de gradient de degré de vieillissement du support, qui diminue d’un réacteur au suivant, d’amont en aval selon le sens d’écoulement du fluide (sucré).
Selon ce deuxième mode de réalisation, on a donc un volant de réacteurs en mode de production, et un volant de un ou plusieurs autres réacteurs, qui comprennent le/les réacteurs qui ont été déconnectés et qui vont pouvoir être traités pour redevenir opérationnel(s) sous forme de réacteur de rechange en attente d’un remplacement.
En effet, une fois le réacteur contenant la portion de support usé déconnecté, on procède à différents traitements, dont généralement une vidange, et à au moins une opération de traitement du support usé. Ce traitement peut consister en un nettoyage, du type nettoyage en vue de le régénérer, par exemple selon le mode opératoire décrit dans le brevet FR-3 086 553 précité, ou peut consister à le remplacer par un support neuf. Puis, optionnellement, on peut poursuivre le traitement par une stérilisation, afin de le stocker en tant que réacteur de rechange.
Selon une variante optionnelle, la section réactionnelle comprend au moins un réacteur qui est muni d’une boucle de recirculation de fluide, et ceci quel que soit le mode de réalisation de l’invention (des réacteurs indépendants ou montés en série). Alternativement ou cumulativement, la section réactionnelle comprend au moins un réacteur muni de moyens d’agitation mécanique. La boucle de recirculation et/ou l’agitation mécanique assurent un brassage dans le réacteur qui en est équipé, et en homogénéise le contenu.
Quel que soit le mode de réalisation envisagé, la portion du support usé et la portion de support neuf ou régénéré qui la remplace ont de préférence le même dimensionnement. On garde ainsi au support global une taille constante. A noter que le support poreux peut présenter une certaine flottabilité, notamment quand il se trouve sous forme de blocs en vrac de mousse de polymère type polyuréthane, ce qui veut dire que si on soutire une portion de support à une extrémité du support et on en ajouter une autre à l’autre extrémité (cas du premier mode de réalisation notamment), avec des modes de fixation/maintien adaptés du support, après stabilisation des positionnements des portions, le support reste globalement à la même place, à la même « hauteur » dans le réacteur (si on prend l’exemple d’un réacteur orienté verticalement).
Quel que soit le mode de réalisation envisagé, le remplacement périodique de la portion de support usé par une portion de support neuf et/ou régénéré peut se faire par soutirage de la portion de support usé hors de la section réactionnelle et introduction de la portion de support neuf et/ou régénéré dans la section réactionnelle de façon concomitante, ou l’une après l’autre.
Préférentiellement, la portion de support neuf et /ou régénéré est stérilisée avant introduction dans la section réactionnelle.
Quel que soit le mode de réalisation envisagé, le remplacement périodique de la portion de support usé par la portion de support neuf ou régénéré se fait avec des intervalles de temps constants, ou croissants, ou décroissants avec le temps, ou selon des intervalles de temps pilotés selon une mesure ou une évaluation du degré d’usure du support. Le degré d’usure peut être évalué en fonction de différents indicateurs : notamment la mesure ou l’évaluation de la baisse de performance de production, l’évolution du pH, la mesure ou l’évaluation de l’évolution du ratio entre les différents produits issus de la fermentation.
Quel que soit le mode de réalisation envisagé, le procédé continue, de préférence, à produire pendant le remplacement périodique d’une portion de support usé par une portion de support neuf ou régénéré :
- dans le premier mode de réalisation, ce remplacement en continu est facilité si, comme déjà évoqué, on introduit le support neuf avec l’alimentation en flux sucré et on soutire le support usé avec le flux de produits sortant du réacteur,
- dans le deuxième mode de réalisation, le remplacement d’un réacteur par un autre peut induire une interruption courte de production, le temps de déconnecter un réacteur et de reconnecter l’autre.
- dans le premier mode de réalisation, ce remplacement en continu est facilité si, comme déjà évoqué, on introduit le support neuf avec l’alimentation en flux sucré et on soutire le support usé avec le flux de produits sortant du réacteur,
- dans le deuxième mode de réalisation, le remplacement d’un réacteur par un autre peut induire une interruption courte de production, le temps de déconnecter un réacteur et de reconnecter l’autre.
Dans un mode comme dans l’autre, ce remplacement partiel de support conduit à un meilleur lissage de la production.
L’invention, dans son application préférée, vise à produire un moût fermentaire comprenant de l’isopropanol, du butanol et de l’éthanol, les micro-organismes étant issus d’une souche appartenant au genreClostridium. De préférence, ils sont supportés par un support poreux de type mousse à base de matériau polymère, comme le polyuréthane, ou de matériaux céramiques.
L’invention sera décrite ci-après plus en détails à l’aide d’exemples de réalisation non limitatifs.
Liste des figures
La représente un exemple de procédé selon le premier mode de réalisation de l’invention.
La représente un procédé selon un autre exemple de procédé selon le premier mode de réalisation de l’invention représenté à la .
La représente une variante du procédé représenté à la .
La représente une variante du procédé représenté à la .
La représente un procédé selon un deuxième mode de réalisation de l’invention, en phase de production.
La représente le procédé selon le deuxième mode de réalisation de l’invention selon la , pendant la phase de remplacement partiel du support des micro-organismes.
La
La
La
La
La
La
L’ensemble des figures est très schématique, seuls les éléments/dispositifs les plus significatifs au vu de l’invention sont représentés, et, notamment, toutes les conduites, vannes etc. … ne sont pas représentées. L’échelle n’est pas nécessairement respectée, et les références identiques d’une figure à l’autre correspondent au même élément, au même flux etc… Tous les réacteurs utilisés sont de type cylindriques avec un axe longitudinal vertical.
Le procédé de fermentation de l’invention selon un premier mode de réalisation
Un premier mode de réalisation est décrit à l’aide des figures 1 à 4. Les réacteurs 1 des figures 1 à 4 sont identiques, à part des entrées/sorties de fluide configurées différemment. Ce sont des réacteurs fermentaires conventionnels, essentiellement de forme cylindrique orientés selon un axe vertical.
Un premier mode de réalisation est décrit à l’aide des figures 1 à 4. Les réacteurs 1 des figures 1 à 4 sont identiques, à part des entrées/sorties de fluide configurées différemment. Ce sont des réacteurs fermentaires conventionnels, essentiellement de forme cylindrique orientés selon un axe vertical.
Sont tout d’abord décrites les figures 1 et 2 : les réacteurs 1 sont alimentés par un fluide sucré 2 et un flux de mout fermentaire 3 en est soutiré. Dans la variante de la , le réacteur 1 est alimenté en partie haute du réacteur, et le mout 3 est extrait en partie basse du réacteur 1: le flux d’écoulement dans le réacteur est dit descendant (« downflow » en anglais) Dans la variante de la c’est l’inverse, on parle alors de flux montant (« upflow » en anglais) dans le réacteur 1.
Le fluide sucré 2 comprend des sucres en C5 et/ou C6 en phase aqueuse. Le moût fermentaire (que l’on peut aussi appeler jus fermentaire ou vin ou produits fermentaires) 3, lui, est enrichi en isopropanol, butanol, éthanol et acétone par rapport au fluide sucré 2 par conversion des sucres en alcool/solvant sous l’action d’un micro-organisme déposé sur le support 4 solide contenu dans le réacteur 1. Ce support 4 comprend une mousse en polyuréthane, qui joue le rôle d’un lit mobile dans le réacteur 1 sous forme de blocs disposés en vrac et retenus par des systèmes de grilles/ de filets non représentés qui les maintiennent en place sur une certaine hauteur dans le réacteur, à la manière d’un lit fixe. (Alternativement, les blocs de mousse peuvent être disposés de façon structurée, et non en vrac). Le microorganisme colonisant le support est du typeClostridium.
L’étape de fermentation dans le réacteur fermentaire 1 peut être réalisée à une température comprise entre 28°C et 40°C, de préférence entre 30°C et 37°C, de manière à ce que le moût fermentaire 3,3’ comprenne des produits de la réaction de fermentation de type IBEA, par exemple de l’isopropanol, qui est ensuite évacué hors du réacteur.
Ensuite, le moût fermentaire 3 (étapes non représentées) est traité, notamment avec une ou plusieurs étapes successives de type séparation : il est par exemple introduit dans une unité de séparation permettant de séparer et d’extraire les composés d’intérêt du moût de fermentation, ces derniers étant évacués pour être transformés ou valorisés tels quels. Les résidus de la séparation, couramment appelés vinasses, sont évacués de l’unité de séparation, ils sont généralement composés d’eau ainsi que de tout produit liquide ou solide non converti ou non extrait lors des étapes précédentes. L’unité de séparation peut mettre en œuvre une ou plusieurs distillations, et éventuellement une séparation des matières solides et/ou en suspension par exemple par centrifugation, décantation et/ou filtration.
Revenons au réacteur 1 : le support 4 sert donc à immobiliser les micro-organismes (ci- après également désignés par les termes bactéries ou biomasse bactérienne), et à favoriser leur croissance par adsorption sur le support solide 4 directement dans le réacteur fermentaire 1. Cette étape d’immobilisation/adsorption peut aussi être réalisée indirectement, dans un réservoir secondaire non représenté (optionnel), fonctionnant par exemple en mode « in stream » par rapport au réacteur fermentaire 1 : Le support solide 4, une fois chargé de biomasse bactérienne, est alors introduit dans le réacteur fermentaire 1.
Le support solide 4 est partiellement ou, de préférence, totalement immergé, quand le réacteur 1 est en fonctionnement, pour notamment augmenter la formation des biofilms et améliorer les performances.
Le support solide a une forme adaptée pour mettre en œuvre le procédé de l’invention, c’est-à-dire qu’il est constitué d’une pluralité de couches empilées les unes sur les autres selon l’axe vertical du réacteur, qui est aussi l’axe général d’écoulement du fluide traversant le réacteur. Les couches sont conçues pour pouvoir être retirées/ajoutées dans le réacteur indépendamment des autres. Aux figures 1 et 2, on a représenté cinq couches 41 à 45, toutes de même dimensionnement, notamment de même hauteur mesurée selon l’axe vertical, et toutes contiguës. C’est un simple exemple de réalisation, l’invention adaptant la taille et le nombre de couches en fonction, notamment du dimensionnement du réacteur, et les couches peuvent être superposées les unes aux autres sans nécessairement être en contact les unes avec les autres, un espace pouvant être prévu entre deux couches consécutives de l’empilement.
Comme indiqué plus haut, le support 4 est ici constitué d’un empilement de blocs de mousse en vrac. Les « couches » ne sont donc pas à comprendre au sens littéral, n’ont pas d’interface planes, permettent de « découper » le support en portions approximativement de même dimension, ici de même hauteur ou, ce qui revient au même, en portions contenant la même quantité de mousse, ces portions étant « empilées » le long de l’axe longitudinal, ici l’axe vertical, du réacteur.
Les blocs de mousse peuvent se présenter sous la forme de cubes ou des parallélépipèdes ou autres éléments de formes quelconques à trois dimensions. Le filet ou le contenant avec maillage 10 de type grille peut définir une forme de type cylindrique dont le diamètre est inférieur ou sensiblement égal au diamètre interne du réacteur fermentaire 1. De façon plus générale, les couches peuvent avoir une section de même forme géométrique (circulaire ou non) et légèrement inférieure à celle du réacteur, qu’il soit cylindrique ou non. Au sein de chaque couche, les particules ou blocs de mousse peuvent bouger, elles sont mobiles mais contenues par le contenant de type filet/grille(s).
Les couches de support solide 41 à 45 sont de préférence centrées par rapport aux parois internes du réacteur fermentaire 1. Avantageusement, elles ne perturbent pas la circulation du liquide en entrée comme en sortie du réacteur, notamment lorsqu’il est opéré en continu. De plus, la présence éventuelle d’insolubles tels que ceux issus des grandes céréales ne pose pas de problèmes. Le flux de fluide sucré arrivant par le conduit 1 peut également être introduit au droit des couches de support solide 4, par exemple quand la ou les premières couches affleurent à la surface du milieu réactionnel du réacteur fermentaire 1. Avantageusement, lorsque le support solide affleure à la surface du milieu réactionnel au niveau de l’entrée du fluide sucré, le milieu est localement moins concentré en alcool et la croissance des bactéries est favorisée.
Les différentes couches 41 à 45 sont représentées symboliquement avec une nuance de gris d’autant plus soutenue que la mousse qu’elles contiennent est usée, c’est-à-dire que la mousse a un « âge » plus élevé dans la campagne de production du réacteur. Comme on le voit des figures 1 et 2, c’est dans la partie la plus amont du support 4 que les couches sont les plus usées/vieilles : plus la position de la couche est amont dans le support, plus elle est âgée/ usée. L’usure démarre en effet avec la colonisation du support. A force, les pores se bouchent ou les bactéries meurent et ne produisent plus ou moins, et ce phénomène est le plus fort dans la zone la plus amont, qui reçoit en premier le fluide sucré.
Le procédé selon l’invention consiste à remplacer la couche 41 la plus usée (la plus amont) en l’extrayant du réacteur (flèche 5), puis en la remplaçant par une couche 46 neuve ou régénérée (flèche 6). (On a représenté cette couche de façon symbolique à la figure avant son introduction dans le réacteur, dans la mesure où on privilégie l’ajout du support sous forme de blocs de mousse en vrac : avant introduction, le support peut être stocké et transporté jusqu’au réacteur dans un contenant de n’importe quelle forme, naturellement). Globalement, la hauteur du support 4 dans le réacteur après ce remplacement reste inchangée. Après remplacement, c’est la couche 42 qui devient la couche la plus âgée/usée de l’empilement de couches, et la couche 46 qui devient la plus « jeune ». Cette couche est de préférence nue, elle ne contient que de la mousse de polyuréthane, et elle va progressivement s’activer par contamination bactérienne depuis les autres couches et développer elle aussi des biofilms à la surface de la mousse.
Comme représenté schématiquement aux figures 1 et 2, le remplacement peut se faire par des entrées/sorties dédiées pratiquées dans la paroi latérale du réacteur : Pour soutirer la mousse usée, on peut prévoir une sortie dédiée, la mousse évacuée étant en suite séparée du fluide qu’elle a entrainée, le fluide étant éventuellement réinjecté dans le réacteur. Pour introduire la mousse neuve ou régénérée, on peut utiliser des moyens pneumatiques ou mécaniques de type vis sans fin.
On a pu vérifier qu’avec un tel remplacement partiel à des fréquences de temps adaptées selon la durée de campagne de production visée, ce système à contre-courant (entre la circulation du fluide dans le réacteur et le changement de support partiel) est très intéressant car il permet de maintenir la productivité quasi-constante au cours du temps pendant la campagne de production, et d’augmenter le temps d’utilisation du réacteur (ou de la garder constante avec une meilleure productivité).
Le procédé de la est une variante du procédé de la : toutes choses égales par ailleurs, on vient:
- d’une part, ajouter au réacteur une boucle de recirculation 7, qui permet de mieux homogénéiser le contenu du réacteur et de susciter un brassage/une circulation favorable dans le réacteur,
- d’autre part, ajouter des déflecteurs 8 sous forme de grilles, plaques perforées, plaques pleines ou moyens équivalents, qui sont disposés en alternance, en escalier, sur la hauteur du support, l’écartement entre deux déflecteurs successifs mesuré selon la hauteur du réacteur, définissant la hauteur d’une couche de support au sens de l’invention. Ici, on utilise donc des moyens mécaniques pour identifier les couches et pour conduire le cheminement du fluide au travers du support 4 (notamment dans le cas de plaques pleines, non perforées).
- d’une part, ajouter au réacteur une boucle de recirculation 7, qui permet de mieux homogénéiser le contenu du réacteur et de susciter un brassage/une circulation favorable dans le réacteur,
- d’autre part, ajouter des déflecteurs 8 sous forme de grilles, plaques perforées, plaques pleines ou moyens équivalents, qui sont disposés en alternance, en escalier, sur la hauteur du support, l’écartement entre deux déflecteurs successifs mesuré selon la hauteur du réacteur, définissant la hauteur d’une couche de support au sens de l’invention. Ici, on utilise donc des moyens mécaniques pour identifier les couches et pour conduire le cheminement du fluide au travers du support 4 (notamment dans le cas de plaques pleines, non perforées).
Le procédé de la est une autre variante de la . Les différences d’avec la sont les suivantes :
- d’une part, on prévoit, comme dans la variante de la , une boucle de recirculation,
- d’autre part, on n’utilise pas d’entrées/sorties dédiées pour la mousse. En effet, ici, le fluide sucré est introduit en partie basse du réacteur par une entrée d’alimentation en fluide sucré, qui est également utilisée pour introduire périodiquement de la mousse neuve. Pour se faire, on vient momentanément ajouter au fluide sucré des blocs de mousse en suspension. Soit on vient ajouter la mousse au fluide sucré en amont, préalablement à son introduction dans le réacteur, soit on introduit conjointement directement le fluide sucré et la mousse dans l’entrée d’alimentation du réacteur. Pour le soutirage de la mousse usée, en partie haute, on vient retirer une portion contrôlée de mousse avec le mout 3 par la sortie de soutirage du mout, par exemple en munissant la sortie d’une grille dimensionnée pour retenir les blocs de mousse, grille que l’on retire le temps du soutirage de la mousse usée.
- d’une part, on prévoit, comme dans la variante de la
- d’autre part, on n’utilise pas d’entrées/sorties dédiées pour la mousse. En effet, ici, le fluide sucré est introduit en partie basse du réacteur par une entrée d’alimentation en fluide sucré, qui est également utilisée pour introduire périodiquement de la mousse neuve. Pour se faire, on vient momentanément ajouter au fluide sucré des blocs de mousse en suspension. Soit on vient ajouter la mousse au fluide sucré en amont, préalablement à son introduction dans le réacteur, soit on introduit conjointement directement le fluide sucré et la mousse dans l’entrée d’alimentation du réacteur. Pour le soutirage de la mousse usée, en partie haute, on vient retirer une portion contrôlée de mousse avec le mout 3 par la sortie de soutirage du mout, par exemple en munissant la sortie d’une grille dimensionnée pour retenir les blocs de mousse, grille que l’on retire le temps du soutirage de la mousse usée.
Le procédé de fermentation de l’invention selon un deuxième mode de réalisation
Ce deuxième mode est illustré aux figures 5 et 6 : On utilise une série de trois réacteurs de fermentation 31, 32, 33 montés en série avec les connexions fluidiques appropriées. Naturellement, ce n’est qu’un exemple, et la série de réacteurs peut comprendre davantage de réacteurs. Comme dans le mode de réalisation précédent, les réacteurs, tous identiques, sont de type cylindrique et orientés verticalement. Ici, ils sont tous à flux descendant. Le fluide sucré 2 est introduit en partie haute du premier réacteur 31, le plus amont dans la série de trois. Le moût fermentaire 3 sort en partie basse du dernier réacteur 33 de la série, le plus aval. Un quatrième réacteur 34, identique aux trois autres, est le réacteur de rechange, inactif.
L’ensemble des quatre réacteurs est muni d’un support 4 constitué de blocs de mousse de polyuréthane comme précédemment, retenus en position dans chacun des réacteurs par un contenant de type filet ou grille(s). Les supports 4 des réacteurs ont des âges différents, plus ils sont disposés dans un réacteur amont, plus ils sont vieux/usés. C’est ainsi que le support du réacteur 31 a, par exemple, 1500 heures de fonctionnement en production, le support du réacteur 32 a 1000 heures de fonctionnement, et le support du réacteur 33 n’a que 500 heures de fonctionnement. Toutes les 500 heures, on va déconnecter le réacteur ayant le support le plus usé, ici le réacteur 31 donc, du reste de la série de réacteurs, et connecter, en aval du réacteur aval 33 le réacteur de rechange 34. Naturellement, on fait les modifications appropriées : le fluide sucré est redirigé vers l’entrée en partie haute du réacteur 32, et le moût sortant du réacteur 33 est redirigé vers l’entrée en partie haute du réacteur 34, d’où sort en partie basse le moût final.
Le réacteur 31 qui a été déconnecté est vidangé, nettoyé. On remplace son support 4 vieilli par un support avec de la mousse neuve et/ou régénérée. On vient ensuite le stériliser et le mettre en attente, pour constituer un réacteur de rechange. On peut fonctionner avec toujours un réacteur de rechange prêt, et au moins un réacteur déconnecté en cours de nettoyage/préparation.
La colonisation du réacteur nouvellement utilisé 34 est favorisée par l’arrivée de liquide fortement chargé en biomasse venant des réacteurs précédents. Chaque réacteur peut posséder sa propre boucle de recirculation (non représentée). Plusieurs séries de réacteurs peuvent être utilisés en parallèle, pour une collecte commune des moûts de fermentation afin de mutualiser leur traitement.
Là encore, on vérifie qu’avec ce remplacement de réacteurs, on peut augmenter les durées de campagne de production et/ou améliorer la productivité du procédé.
Le fluide sucré
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le fluide sucré comprend une solution aqueuse de sucres issus de la lignocellulose en C5 et/ou C6, et/ou de sucres issus des plantes saccharifères (par exemple glucose, fructose et saccharose), et/ou de sucres issus des plantes amylacées (par exemple dextrines, maltose et autres oligomères, voire d’amidon). Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la solution aqueuse de sucres en C5 et/ou C6 provient du traitement d’une source renouvelable. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la source renouvelable est du type biomasse lignocellulosique qui peut notamment comprendre les substrats ligneux (par exemple feuillus et résineux), les sous-produits de l’agriculture (par exemple de la paille) ou ceux des industries génératrices de déchets lignocellulosiques (provenant d’industries agroalimentaires, papeteries). La source renouvelable peut également provenir de plantes sucrières, comme par exemple la betterave sucrière et la canne à sucre ou encore les plantes amylacées comme le maïs et le blé. La solution aqueuse de sucres en C5 et/ou C6 peut également provenir d’un mélange de différentes sources renouvelables.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le fluide sucré comprend une solution aqueuse de sucres issus de la lignocellulose en C5 et/ou C6, et/ou de sucres issus des plantes saccharifères (par exemple glucose, fructose et saccharose), et/ou de sucres issus des plantes amylacées (par exemple dextrines, maltose et autres oligomères, voire d’amidon). Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la solution aqueuse de sucres en C5 et/ou C6 provient du traitement d’une source renouvelable. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la source renouvelable est du type biomasse lignocellulosique qui peut notamment comprendre les substrats ligneux (par exemple feuillus et résineux), les sous-produits de l’agriculture (par exemple de la paille) ou ceux des industries génératrices de déchets lignocellulosiques (provenant d’industries agroalimentaires, papeteries). La source renouvelable peut également provenir de plantes sucrières, comme par exemple la betterave sucrière et la canne à sucre ou encore les plantes amylacées comme le maïs et le blé. La solution aqueuse de sucres en C5 et/ou C6 peut également provenir d’un mélange de différentes sources renouvelables.
La biomasse produite par la souche appartenant au genre Clostridium
La biomasse bactérienne est principalement adsorbée sous forme de biofilm sur un support solide. Préférablement, les bactéries sont des souches appartenant à l’espèceClostridium beijerinckiiet/ouClostridium acetobutylicum. Les bactéries utilisées dans le procédé peuvent être des souches génétiquement modifiées ou non et naturellement productrice d’isopropanol et/ou des souches deClostridiumnaturellement productrice d’acétone génétiquement modifiées pour les faire produire de l’isopropanol. Dans les exemples suivants, il s’agit deClostridium beijerinckiiDSM 6423.
La biomasse bactérienne est principalement adsorbée sous forme de biofilm sur un support solide. Préférablement, les bactéries sont des souches appartenant à l’espèceClostridium beijerinckiiet/ouClostridium acetobutylicum. Les bactéries utilisées dans le procédé peuvent être des souches génétiquement modifiées ou non et naturellement productrice d’isopropanol et/ou des souches deClostridiumnaturellement productrice d’acétone génétiquement modifiées pour les faire produire de l’isopropanol. Dans les exemples suivants, il s’agit deClostridium beijerinckiiDSM 6423.
Le support solide
Le support solide comprend une mousse de polyuréthane. La mousse de polyuréthane est particulièrement avantageuse car elle donne accès non seulement à la production de mélanges de type IBEA, mais elle donne aussi accès à la production de type continu par immobilisation de la biomasse bactérienne. En effet, la mousse de polyuréthane est capable de fixer les bactéries du genreClostridiumde façon suffisamment importante (i.e.,au-delà du taux de dilution causant le lavage cellulaire) permettant de produire en continu des mélanges de type IBEA. De plus, la mousse de polyuréthane est adaptée pour être immobilisée par immersion dans un réacteur. Alternativement, on peut utiliser une mousse à base de matériau(x) céramique(s).
Le support solide comprend une mousse de polyuréthane. La mousse de polyuréthane est particulièrement avantageuse car elle donne accès non seulement à la production de mélanges de type IBEA, mais elle donne aussi accès à la production de type continu par immobilisation de la biomasse bactérienne. En effet, la mousse de polyuréthane est capable de fixer les bactéries du genreClostridiumde façon suffisamment importante (i.e.,au-delà du taux de dilution causant le lavage cellulaire) permettant de produire en continu des mélanges de type IBEA. De plus, la mousse de polyuréthane est adaptée pour être immobilisée par immersion dans un réacteur. Alternativement, on peut utiliser une mousse à base de matériau(x) céramique(s).
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la mousse de polyuréthane présente :
- des cavités volumiques (i.e.,pores ou cellules) dont le diamètre de sphère équivalent est compris entre 0,1 et 5 mm, de préférence entre 0,25 mm et 1,1 mm, de préférence entre 0,55 et 0,99 mm, et/ou
- une densité apparente (i.e.,masse sur volume apparent) mesurée dans l’air comprise entre 10 et 90 g/L, de préférence entre 10 et 80 g/L, de préférence entre 15 et 45 g/L, tel qu’entre 20 et 45 g/L ou entre 25 et 45 g/L.
- des cavités volumiques (i.e.,pores ou cellules) dont le diamètre de sphère équivalent est compris entre 0,1 et 5 mm, de préférence entre 0,25 mm et 1,1 mm, de préférence entre 0,55 et 0,99 mm, et/ou
- une densité apparente (i.e.,masse sur volume apparent) mesurée dans l’air comprise entre 10 et 90 g/L, de préférence entre 10 et 80 g/L, de préférence entre 15 et 45 g/L, tel qu’entre 20 et 45 g/L ou entre 25 et 45 g/L.
Il est possible d’utiliser un support solide 4 d’un seul bloc dans le deuxième mode de réalisation illustré aux figures 5 et 6. Pour le premier mode de réalisation illustré aux figures 1 à 4, on peut utiliser des blocs (par exemple sous forme de disques) qu’on vient empiler. De préférence, cependant, le support solide comprend un filet ou un contenant avec maillage comprenant des cubes ou des parallélépipèdes ou autres éléments de formes quelconques à 3 dimensions (des polyèdres) de grande ou petite taille (au moins une dimension entre 3 mm et 10 m, tel que de 2 cm à 1 m), et le filet ou le contenant avec maillage formant un cylindre dont le diamètre est inférieur ou sensiblement égal au diamètre interne du réacteur fermentaire 1. Il se peut que des dégagements gazeux aient tendance à faire remonter le support solide 4 : au moins une plaque perforée, un simple filet ou au moins une grille peut suffire pour maintenir le support solide 4, par exemple en mouvement, dans le réacteur fermentaire 1.
Les conditions opératoires préférées selon l’invention, et utilisées dans les exemples
- La température dans le(s) réacteur(s) est comprise entre 28°C et 40°C, de préférence entre 30°C et 37°C, notamment ici de 36°C
- La pression dans le(s) réacteur(s) est sensiblement la pression atmosphérique (plus la hauteur d’eau dans le(s) réacteur(s))
- La concentration en fluide sucré est comprise entre 65 et 35 g/L, de préférence entre 40 et 60 g/L, et notamment ici de 44g/L (milieu aqueux)
- Le(s) réacteur(s) sont opérés en continu, avec des taux de dilution imposés
- Le rendement de la fermentation visé est compris entre 0,28 et 0,34 g de produit IBEA/g de sucre utilisé, et notamment ici de de 0,31g de produit IBEA/g de sucre utilisé.
- Le microorganisme estClostridium beijerinckiiDSM 6423
- Le support poreux 4 est de la mousse en PU sous forme de petits parallélépipèdes en vrac de dimensions 20 mm x 20 mm x 7 mm. (mais comme indiqué plus haut, peut avoir présenter d’autres dimensions, par exemple plus petites telles que : 5 mm x 5 mm x 3 mm ou 10mm x 10 mm x 7 mm, ou plus grandes)
- Pour tous les exemples qui suivent, on considère une installation de 8 réacteurs fermentaires définissant un volume utile de 400 M3chacun.
- La température dans le(s) réacteur(s) est comprise entre 28°C et 40°C, de préférence entre 30°C et 37°C, notamment ici de 36°C
- La pression dans le(s) réacteur(s) est sensiblement la pression atmosphérique (plus la hauteur d’eau dans le(s) réacteur(s))
- La concentration en fluide sucré est comprise entre 65 et 35 g/L, de préférence entre 40 et 60 g/L, et notamment ici de 44g/L (milieu aqueux)
- Le(s) réacteur(s) sont opérés en continu, avec des taux de dilution imposés
- Le rendement de la fermentation visé est compris entre 0,28 et 0,34 g de produit IBEA/g de sucre utilisé, et notamment ici de de 0,31g de produit IBEA/g de sucre utilisé.
- Le microorganisme estClostridium beijerinckiiDSM 6423
- Le support poreux 4 est de la mousse en PU sous forme de petits parallélépipèdes en vrac de dimensions 20 mm x 20 mm x 7 mm. (mais comme indiqué plus haut, peut avoir présenter d’autres dimensions, par exemple plus petites telles que : 5 mm x 5 mm x 3 mm ou 10mm x 10 mm x 7 mm, ou plus grandes)
- Pour tous les exemples qui suivent, on considère une installation de 8 réacteurs fermentaires définissant un volume utile de 400 M3chacun.
Exemple 1 (comparatif)
Les 8 réacteurs fermentaires sont remplis de support solide 4 et fonctionnent chacun pendant une campagne de production donné, ici de 1500 heures. Puis ils sont tous vidangés, nettoyés, stérilisés. Ils sont ensuite remplis à nouveau de support pour une nouvelle campagne de production de 1500 heures.
Les 8 réacteurs fermentaires sont remplis de support solide 4 et fonctionnent chacun pendant une campagne de production donné, ici de 1500 heures. Puis ils sont tous vidangés, nettoyés, stérilisés. Ils sont ensuite remplis à nouveau de support pour une nouvelle campagne de production de 1500 heures.
On séquence les réacteurs (on les fait fonctionner de manière décalée dans le temps) de manière à avoir une production globalement continue en aval. On prévoit également des bacs tampon en aval des réacteurs pour lisser les débits pour la section aval.
Pour un réacteur donné on suppose suivre le profil de productivité p suivant :
- Montée en régime : de 0 à 500h, montée de 0 g/L.h à 2 g/L.h
- Production : de 0 à 1500h, productivité constante de 2 g/L.h
La durée nécessaire pour vidanger/ nettoyer/ stériliser/ re-remplir un réacteur est de 150 heures. Chaque réacteur fonctionne 1500 heures, selon le profil de productivité décrit ci-dessus. Ce profil est équivalent à une productivité apparente constante de 1,67 g/L.h sur 1500 h.
- Montée en régime : de 0 à 500h, montée de 0 g/L.h à 2 g/L.h
- Production : de 0 à 1500h, productivité constante de 2 g/L.h
La durée nécessaire pour vidanger/ nettoyer/ stériliser/ re-remplir un réacteur est de 150 heures. Chaque réacteur fonctionne 1500 heures, selon le profil de productivité décrit ci-dessus. Ce profil est équivalent à une productivité apparente constante de 1,67 g/L.h sur 1500 h.
Pendant 150 heures plus 1500 heures, soit un total de 1650 heures, un réacteur produit la quantité P1 d’alcools suivante:
P1 = 1,67 *1e-6*400*1000*1500 = 1000 t, soit 1000 tonnes d’alcools.
P1 = 1,67 *1e-6*400*1000*1500 = 1000 t, soit 1000 tonnes d’alcools.
Un réacteur effectue pendant une année, soit 8000 heures, 8000/1650 cycles de production, soit 4,85 cycles, et produit ainsi 4850 tonnes d’alcools.
On calcule le temps de décalage T des réacteurs, qui est égal au temps de vidange plus le temps de nettoyage plus le temps de stérilisation plus le temps de re-remplissage plus le temps de fonctionnement maximum divisé par le nombre de réacteurs -1, soit :
T1= (150 + 1500)/7=235,7 h
Ainsi, à chaque instant, sept réacteurs sont en fonctionnement et un est en nettoyage. On produit alors 33950 tonnes d’alcools en un an.
Exemple 2 (selon l’invention)
Il met en œuvre le premier mode de réalisation de l’invention selon la (il s’appliquerait de façon analogue aux variantes selon l’une des figures 2 à 4).
Il met en œuvre le premier mode de réalisation de l’invention selon la
Avec cet exemple, on renouvelle en continu le support dans chacun des 8 réacteurs. Chaque réacteur peut ainsi fonctionner jusqu’à 3000 heures, voire 5000 heures, avant nettoyage.
Pour une production de 5000 heures, le profil de productivité devient :
- Montée en régime : de 0 à 500h, montée de 0 g/L.h à 2 g/L.h
- Production : de 0 à 5000 h, productivité constante de 2 g/L.h
- Montée en régime : de 0 à 500h, montée de 0 g/L.h à 2 g/L.h
- Production : de 0 à 5000 h, productivité constante de 2 g/L.h
Ce profil est équivalent à une productivité apparente p constante de 1,90 g/L.h sur 5000 h.
Pendant 150 heures plus 5000 heures, soit 5150 heures, un réacteur produit la quantité P2 d’alcools suivante :
P2 = 1,9 *1e-6*400*1000*5000 = 3800 t, soit 3800 tonnes d’alcool
Un réacteur effectue pendant une année, soit 8000 heures, 8000/ 5150 soit 1,56 cycles de production, et produit ainsi 5903 tonnes d’alcools.
On peut calculer le temps de décalage T2 des réacteurs, égal au temps de vidange plus le temps de nettoyage plus le temps de stérilisation plus le temps de re-remplissage plus le temps de fonctionnement maximum) divisé par le nombre de réacteurs -1 :
T2 = (150 + 5000)/7= 735,7 h.
Ainsi, à chaque instant, sept réacteurs sont en fonctionnement et un est en nettoyage. On produit alors 41320 tonnes d’alcools en un an, soit 21,7 % d’augmentation de production par rapport à l’exemple 1, ce qui est une augmentation très significative.
Exemple 3 (selon l’invention)
Il met en œuvre le deuxième mode de réalisation de l’invention illustré par les figures 5 et 6.
Il met en œuvre le deuxième mode de réalisation de l’invention illustré par les figures 5 et 6.
Pour un réacteur donné on suppose suivre le profil de productivité suivant :
- Montée en régime : de 0 à 500h, montée de 0 g/L.h à 2 g/L.h
- Production : de 0 à 1500h, productivité constante de 2 g/L.h
- Montée en régime : de 0 à 500h, montée de 0 g/L.h à 2 g/L.h
- Production : de 0 à 1500h, productivité constante de 2 g/L.h
La durée nécessaire pour vidanger/ nettoyer/ stériliser/ re-remplir un réacteur est de 150 heures.
On calcule le temps de décalage T3 des réacteurs, égal au temps de fonctionnement maximum divisé par le nombre de réacteurs :
T3= 1500/8 =187,5 h.
Un réacteur effectue pendant une année, soit 8000 heures, 8000/1500 cycles de production, soit 5,33 cycles. Chacun des 8 réacteurs R1 à R8 a un âge T différent selon le tableau 1 ci-dessous, « 0 » signifiant en « nettoyage » etc.. :
| T (h) | 0 | 187,5 | 375 | 562,5 | 750 | 937,5 | 1125 | 1312,5 | 1500 |
| R1 âge (h) | 1500 | 0 | 187,5 | 375 | 562,5 | 750 | 937.5 | 1125 | 1312,5 |
| R2 âge (h) | 1312,5 | 1500 | 0 | 187,5 | 375 | 562.5 | 750 | 937.5 | 1125 |
| R3 âge (h) | 1125 | 1312,5 | 1500 | 0 | 187.5 | 375 | 562,5 | 750 | 937,5 |
| R4 âge (h) | 937,5 | 1125 | 1312,5 | 1500 | 0 | 187,5 | 375 | 562.5 | 750 |
| R5 âge (h) | 750 | 937,5 | 1125 | 1312,5 | 1500 | 0 | 187,5 | 375 | 562,5 |
| R6 âge (h) | 562.5 | 750 | 937,5 | 1125 | 1312,5 | 1500 | 0 | 187,5 | 375 |
| R7 âge (h) | 375 | 562,5 | 750 | 937,5 | 1125 | 1312,5 | 1500 | 0 | 187,5 |
| R8 âge (h) | 187,5 | 375 | 562,5 | 750 | 937,5 | 1125 | 1312,5 | 1500 | 0 |
Chacun des 8 réacteurs a une productivité p différente, selon le tableau 2 ci-dessous :
| T (h) | 0 | 187,5 | 375 | 562,5 | 750 | 937,5 | 1125 | 1312,5 | 1500 |
| p R1 (g/L.h) | 0 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 0,75 | 0,25 | 0 |
| p R2 | 0,25 | 0 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 0,75 | 0,25 |
| p R3 | 0,75 | 0,25 | 0 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 0,75 |
| p R4 | 2 | 0,75 | 0,25 | 0 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 |
| p R5 | 2 | 2 | 0,75 | 0,25 | 0 | 2 | 2 | 2 | 2 |
| p R6 | 2 | 2 | 2 | 0,75 | 0,25 | 0 | 2 | 2 | 2 |
| p R7 | 2 | 2 | 2 | 2 | 0,75 | 0,25 | 0 | 2 | 2 |
| p R8 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 0,75 | 0,25 | 0 | 2 |
On peut alors calculer la production P, exprimée en poids en kgs, des 8 réacteurs, selon le tableau 3 ci-dessous : (à noter que dans chaque case de ce tableau est indiquée la production pendant l’intervalle de temps considéré de 187,5 heures, et pas la production cumulée depuis le temps T = 0.)
| T (h) | 0 | 187,5 | 375 | 562,5 | 750 | 937,5 | 1125 | 1312,5 | 1500 | |
| P (kg) | ||||||||||
| R1 | 150000 | 150000 | 150000 | 150000 | 150000 | 56250 | 18750 | 0 | ||
| R2 | 0 | 150000 | 150000 | 150000 | 150000 | 150000 | 56250 | 18750 | ||
| R3 | 18750 | 0 | 150000 | 150000 | 150000 | 150000 | 150000 | 56250 | ||
| R4 | 56250 | 18750 | 0 | 150000 | 150000 | 150000 | 150000 | 150000 | ||
| R5 | 150000 | 56250 | 18750 | 0 | 150000 | 150000 | 150000 | 150000 | ||
| R6 | 150000 | 150000 | 56250 | 18750 | 0 | 150000 | 150000 | 150000 | ||
| R7 | 150000 | 150000 | 150000 | 56250 | 18750 | 0 | 150000 | 150000 | ||
| R8 | 150000 | 150000 | 150000 | 150000 | 56250 | 18750 | 0 | 150000 | ||
| TOTAL | 825000 | 825000 | 825000 | 825000 | 825000 | 825000 | 825000 | 825000 | ||
| 6600000 | kg |
On produit donc par cycle de production 6600000 kg, soit 6600 tonnes d’alcools. Avec 5,33 cycles de production par an, on produit donc 35200 tonnes/an d’alcools avec cette technologie, ce qui correspond à une augmentation de production de 3,7% par rapport aux résultats de l’exemple 1, ce qui n’est pas négligeable.
En conclusion, avec le renouvellement partiel du support d’immobilisation en cours de production, avec des portions de support d’âges différents, on peut adopter différentes configurations d’installation, soit avec un (ou plusieurs) réacteurs à lit mobile en contre-courant (mode de réalisation 1), soit avec un enchaînement de réacteurs en lit mobile simulé (mode de réalisation 2). Que ce soit selon le 1erou le deuxième mode de réalisation, l’invention permet d’augmenter la production, à iso-nombre de réacteurs.
Chaque configuration présente en outre des avantages qui lui sont propres : le premier mode est le plus économique à mettre en œuvre, et celui qui offre l’augmentation de production la plus importante, le deuxième mode étant, quant à lui, d’une mise en œuvre industrielle probablement plus aisée.
Claims (16)
- Procédé de production d’alcools, selon lequel on introduit un fluide sucré (2) dans une section réactionnelle (1) comprenant un support (4) sur lequel sont immobilisés des micro-organismes, afin de produire par fermentation un moût (3) enrichi en alcools sous l’action desdits micro-organismes, caractérisé en ce que le procédé est opéré en continu, en ce qu’on remplace périodiquement une portion de support usé (41) par une portion de support neuf et/ou régénéré (46).
- Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les micro-organismes sont immobilisés sous forme de biofilms ou d’agrégats sur le support (4), qui est poreux.
- Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le support (4) comporte une pluralité de portions de support disposées successivement selon un sens général d’écoulement du fluide sucré (2) dans la section réactionnelle (1), et en ce que lesdites portions ont un degré d’usure décroissant d’amont en aval.
- Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu’on remplace la portion de support usé (41) qui est la plus amont dans le support (4) par la portion de support neuf et/ou régénéré (46) qu’on dispose en aval de la portion la plus aval du support.
- Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le support (4) comprend des blocs de matériau solide poreux en vrac, notamment à base de mousse de polymère ou de mousse de matériau céramique, immergés dans un milieu réactionnel liquide baignant la section réactionnelle, et qui sont maintenus dans la section réactionnelle par des dispositifs mécaniques, qui sont à mailles, tels que des grilles, filets et/ou sous forme de déflecteurs (8).
- Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la section réactionnelle comporte un réacteur (1), et en ce que le support comporte une pluralité de couches(41, 42, 43, 44, 45), successivement traversées par le fluide sucré (2), la portion de support usé (41) et la portion de support neuf et/ou régénéré (46) correspondant chacune à une couche du support, la portion de support usé soutirée du réacteur étant la couche la plus amont du support et la portion de support neuf ou régénéré étant introduite dans le réacteur en aval de la couche la plus aval du support.
- Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la portion/couche de support neuf et/ou régénéré (46) est introduite sous forme de blocs de matériau en vrac, dans le réacteur, sous forme solide, notamment par des moyens pneumatiques ou des moyens mécaniques tels une vis sans fin, ou dans une phase liquide, notamment en suspension dans le fluide sucré alimentant la section réactionnelle.
- Procédé selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que la portion/couche usée du support (41) est soutirée du réacteur en phase liquide, notamment en suspension dans la phase liquide du moût de fermentation sortant du réacteur.
- Procédé selon l’une des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que le soutirage de la portion/couche de substrat usé (41) à une de ses extrémités, et son remplacement par une portion/couche de substrat neuf et/ou régénéré (46) à son extrémité opposée s’effectue à contre-courant par rapport au sens de circulation du fluide sucré (2) dans la section réactionnelle.
- Procédé selon l’une des revendications 6 à 9, caractérisé en ce que le réacteur (1) est orienté essentiellement verticalement, avec :
- soit une circulation du fluide sucré (2) dans le réacteur de haut en bas, et le support (4) s’étendant sur au moins une partie de la hauteur du volume utile du réacteur, la portion de support usé (41) étant soutirée du réacteur dans la partie la plus haute du support, et la portion de support neuf et/ou régénéré (46) étant introduite dans le réacteur dans la partie la plus basse du support,
- soit une circulation du fluide sucré (2) dans le réacteur de bas en haut, et le support s’étendant sur au moins une partie de la hauteur du volume utile du réacteur, la portion de support usé (41) étant soutirée du réacteur dans la partie la plus basse du support et la portion de support neuf et/ou régénéré (46) étant introduite dans le réacteur dans la partie la plus haute du support. - Procédé selon l’une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la section réactionnelle comporte une série de n réacteurs (31, 32, 33) connectés fluidiquement en série les uns aux autres, et au moins un réacteur de rechange (34), le support (4) étant réparti entre les n réacteurs sous forme de n portions de support, et en ce qu’on remplace périodiquement une portion du support usé par une portion de support neuf ou régénéré en déconnectant un réacteur (31) appartenant à la série de n réacteurs en série et contenant la portion de support usé et en connectant le réacteur de rechange (34) contenant une portion de support neuf ou régénéré à la série de n-1 réacteurs.
- Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le réacteur (31) qu’on déconnecte est le réacteur le plus amont par rapport au sens d’écoulement général du fluide sucré (2) à travers la série des n réacteurs, et en ce que le réacteur de rechange (34) qu’on connecte est placé en aval du réacteur le plus aval (33) de la série par rapport audit sens d’écoulement.
- Procédé selon l’une des revendications 11 ou 12, caractérisé en ce qu’une fois le réacteur (31) contenant la portion de support usé déconnecté, on procède à sa vidange et à au moins une opération de traitement du support usé, du type nettoyage en vue de le régénérer, ou de remplacement par un support neuf, puis optionnellement, à sa stérilisation, afin de le stocker en tant que réacteur de rechange.
- Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la section réactionnelle comprend au moins un réacteur (1) qui est muni d’une boucle de recirculation (7) de fluide.
- Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le remplacement périodique de la portion de support usé (41) par la portion de support neuf et/ou régénéré (46) se fait avec des intervalles de temps constants, ou croissants, ou décroissants avec le temps, ou selon des intervalles de temps pilotés selon une mesure ou une évaluation du degré d’usure du support.
- Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’on produit un moût fermentaire comprenant de l’isopropanol, du butanol et de l’éthanol, les micro-organismes étant issus d’une souche appartenant au genre Clostridium et étant supportés par le support poreux.
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