CA1163937A - Procede et appareil pour la fermentation aerobie acceleree d'une substance dans un milieu nutritif - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un appareil perfectionne pour la fermentation aérobie accélérée d'une substance dans un milieu nutritif. L'appareil selon l'invention qui comprend, comme tous les appareils de ce type, une cuve de fermentation équipée d'un agitateur et pourvu d'un système d'oxygénation interne, est caractérise en ce qu'il comprend en outre un système additionnel d'oxygénation externe à la cuve, lequel système comprend un dispositif aérateur et des moyens pour faire circuler le milieu nutritif de la cuve vers le dispositif aérateur et vice-versa. Le principal avantage de l'appareil selon l'invention est qu'il permet de maîtriser à la fois les problèmes d'agitation, d'aération et de foisonnement généralement rencontrés dans l'utilisation de tels appareils pour la croissance de micro-organismes en culture submergée, avec comme résultat unerapidité de croissance supérieure et un épuisement plus complet du milieu nutritif.

Description

1 ~ ~3937 La présente in~ention a po~r ob~et un p~ocede perfectionne de fermentation aerobie acceleree d'une subs-tance dans un milieu nutritif, ainsi qu'un appareil permet tant de mettre en oeuvre ce procéde perfectionne.
A l'echelon industriel, il est frequent d'utiliser des appareils connu sous le nom de fermenteurs pour acce-lerer dans la mesure du possible la croissance de micro-organismes. Ces fermenteurs qui sont couramment utilisés dans l'industrie, notamment dans l'industrie pharmaceuti-que, sont tous constitués d'une cuve de fermantation equi- -pée d'un agitateur et pourvue d'un système d'oxygénation interne. La cuve est destinee à recevoir le milieu nutri-tif ou milieu de cuIture des micro-organismes. L'agitateur ainsi que le système d'oxygenation sont quant a eux des-tines à favoriser la distribution et la " respiration"
des micro-organismes que l'on cherche à cultiver une fois le milieu de culture ensemencé.
Il est également connu que la croissance de micro-organism~s en culture submergee est generalement beauaoup .
plus rapide et l'épuisement du milieu nutritif est beaucoup plus complet lorsque l'on peut maitriser les problèmes d'agitation, d'aération et de foisonnement au sein du fermenteur. Dans le cas de micro-organismes de structure non filamenteuse r comme par exemple certains types de bactéries ou de levures, ces divers probIemes sont en ge~
neral facilement maitrises dans les fermenteurs de type classique. Tel n'est toutefois pas le cas lorsque le - micro-organisme à cultiver est filamenteux ou à tendance filamenteuse.

A titre d'exemple, on peut constater que si les levures les bacteries cultivees dans un fermenteur ~ 1 ~

de type classique tolèrent des agitations violentes, la croissance de micro-organismes filamenteux tels que le champignon trichoderma album est inhibee au dessus d'une agitation de 150 tours/mn. En fait,lesmicro-organismes filamenteux se lysent meme a 400 tours/mn. Ce phenomème qui est directement associe à l'agitation, est un facteur limitant important puisque, dans le cas de certaines cul-tures, telles que celle de champignon ci-dessus mentionne on ne peut maintenir le taux d'oxygène dissout à 4 mg/l tel qu'il est necessaire en pratique pour une croissance optimum, qu'en agitant à moins de 100 tours/mn.
Pour le meme type de champignon, une aeration importante de l'ordre de l à 3 litre d'air/litre de milieu/
mn ne peut à elle seule maintenir plus de 3 à 6 heures le taux d'oxygène dissous à 5 mg/l. Il est donc nécessaire d'utiliser un volume important d'air pour faire croItre la souche de c~ampignon trichoderma album. Cette aeration poussee conduit à un folsonnement qui est quasi impossible à maItriser, avec, comme resultat-, l'apparition de quan-tites abondantes de mousses. Lorsqu'un micro-organisme cultive est destiné l'alimentation, les substances anti~
mousses utilisees habituellement avec les ~ermenteurs de type classique doivent bien entendu etre alimentaires, ce qui exclut la plupart des substances utilisees habituellement comme anti-mousses et qui sont à base de silicone. Il est alors de pratlque courante dans l'industrie d'utlliser des melanges d'une huile vegetale ou de sels d'acide gras.
Toutefois, ceci ne donne que des resultats très mo~ens, La presente invention a pour objet un procede perfectionne pour la ~ermentation aerobie acceleree d7une substance dans un milieu nutritif, qui permet de remedier aux divers problemes precedemment mentionnes quelle que ;;
~ 2 -, ~ ~ 63937 soit la nature du micro-organisme cultivé.
Plus précisément, la presente invention a pour objet un procédé perfectionné de fermentation qui permet de maltri-ser à la fois l'agitation, l'aération et le foisonnement quelle que soit la nature ou le caractere Eilamenteux du micro-organisme a cultiver.
La présente invention a également pour objet un appareil pour la mise en oeuvre de'ce procédé perfectionné
pour la fermentation aérobie accélérée d'une substance, et en particulier une substance filamenteuse, en milieu nutritif, lequel procede est du type dans lequel - dans une première etape, on amorce la fermentation de la substance au sein d'une cuve de fermentation en realisant une aération de ladite substance et de son mili'eu nutritif au sein meme de la cuve; et - dans une seconde étape, on accelere la fermantation de La substance en faisant circuler Le milieu nutritif seul dans un dispositif aerateur externe ~ la cuve.
Le procedé selon l'inven-tion est caractérise en ce que dans la seconde etape, le milieu nutritif est amene au dlspositif aerateur par une conduite d'amenee~et est retourné
a la cuye par une conduite de retour de diamatre supérieur a la conduite d'amenee, ladite conduite de retour étant surélevée ~ ;
par rapport a celle d'amenee pour diminuer la formation et le recyclage de mousse.
Le procedé selon l'inven'tlon qui permet une oxygena-tion efficace des milieux'de culture et la maltrise du foison-; nement, est tout particulièrement avantageux dans la mesure ou il peut e'tre utilise avec n'importe quel type de micro-orga- ~ ;
nismes tels que des`bacteries, levures ou des champignons de type filamenteux, quel que soit le milieu de culture.
Ce procedé est également avantageux dans le mesure ou .
; 3 ;,` ` `' ~
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il permet d'effectuer la culture de micro-organismes de façon beaucoup plus rapide, grâce a l'obtention simultanee une agita-tion efficace quoique non traumatisante pour le milieu, d'une retention d'oxygène forte, et d'un foisonnement quasi nul.
L'appareil selon l'invention, permettant de mettre en oeuvre le proc~ede perfectionne precedemment defini, est du type comprenant une cuve de fermentation, un agitateur-, un système d'oxygenation interne à la cuve, et un système addi-tionnel d'oxygenation externe a la cuve. Le système externe comprend un dispositif aerateur de preference constitue par un centrifugeur à chambres, et des moyens pour faire circuler le milieu nutritif de la cuve vers le dispositif aerateur et vice-versa.
Les moyens de circulation du milieu nutritif compren-nent une conduite d'amenée du milieu nutritif au dispositif aerateur, une pompe de circulation montée sur la conduite d'amenée, et une conduite de retour du milieu nutritif aere à
la cuve. Cet appareil est caracterisé en ce que la conduite de retour a un diamètre supérieur à la conduite d'amenée et est surélevée par rapport à cette derniere de facon à pouvoir ouvrir dans la cuve au dessus du niveau du milieu nutritif con-tenu dans celle-ci.
De preference, la conduite d'amenee est reliee à la cuve par l'intermediaire d'un vase d'expansion équipé d'au moins un tamis pour ne laisser passer que le milieu nutritif.
De preférence également, l'agitateur est constitué
par une pluralité de plateaux perfores superposes, relies par un dispositif d'engrenage à un moteur destiné à leùr donner un mouvement lent de va-et-vient vertical.
Dans le cas particulier ou le fermenteur selon l'in-vention est appliqué dans la culture de bacteries ou de levures, il est intéressant de supprimer le tamis de filtration r~ :
.

~ ~ 63937 pour laisser passer des quantités variables de micro-organismes dans le dispositif d'aération en début de culture, avant de réinjecter ces micro-organismes dans le fermenteur par débourbage. Une fois la cul-ture amorcée, on peut ainsi récolter de façon continue une quantité importante de micro-organismes directement dans la cuve 4a -en remplaçant simultanement ~es parti,e~s ~u jus e~ m~ ees:
par un milieu nutritif neuf.
Les avantages de l'invention seront mieux com-pris à la lecture de la description qui va suivre d'un mode de realisation prefere de celle-ci, en se référant à
la seule figure de dessins annexee qui represente une vue schematique en coupe d'un appareil perfectionne pour la fermentation d'aerobie acceleree d'une substance dans un milieu nutritif selon l'invention.
Le fermenteur perfectionne illustre sur la figure ci-jointe comprend une cuve ~e fermentat1on 1 equipee d'un `
agitateur 3 constitue d'une pluralite de plateaux perfores 9 destines à brasser le milieu nutritif au sein de la cuve 1 selon un mouvement de va-et-vient vertical. Ce mouvement vertical est assuré à l'aide d'un dispositif d'engrenage 5 de type conventionnel relie ~ un moteur 7.
Le dispositif d'engrenage 5 est conçu de facon à ce que le mélange soit réalisé lentement. Pa~ lentement, l'on entend de 15 ~ 30 mouvements par minute environ. Les plateaux perforés 9 sont quant à eux disposés les uns au dessus les autres de facon à ce qu'au moins un plateau .
superieur puisse remonter la substance entrain de fermenter au dessus du niveau L du milieu nutritif introduit dans la cuve 1. ,;
La cuve 1 est également équipée d'un système , d'oxygénation nterne 11 constitue par un simple anneau -perforé relié ~ une source d'air ou de gaz oxygénée.
Enfin, la cuye 1 est équipée d'un~ oUvertUre d'aération 13 dans sa partie superieure pour permettre ~ ~
un échappement de l'air introduit par le système d'oxygé- ~ , nation 11, ainsi ~ue de tout autre ga~ pou~ant se déve~
lopper au cours de la reaction .
- ~ , ' . ' .: '-., ' . ;' . : ' ' : ' :

i 1 639~7 La cuve 1 peut en outre être équipee dans sa partie exterieure d'un drain 15 -ferme par un robinet ou une vanne.
A l'exception du type particulier d'agitateur utilise fonctionnant selon un mouvement de va-et-vient vertical plutot que selon un mouvement rotatlon dans un plan horizontal, la structure precedemment decrite de la cuve 1 est de type tout à fait conventionnel.
Cet-te structure de base du fermenteur est completee par la presence d'un système additionnel d'oxygenation externe à la cuve, lequel système comprend un dispositif aërateur constitue par un centrifugeur à chambres 29 relie à l'air libre ou à une source de gaz oxygene au moyen d'une entree 31, et des moyens pour faire circuler le milieu nutritif de la cuve 1 vers le centrifugeur à chambres 29 et vice versa.
Ces moyens de circulation du milieu nutritif comprennent une conduite d'amenee 25 du milieu nutritif au centrifugeur à chambre, sur laquelle est monte une pompe de circulation 27, et une conduite de retour 33 du milieu nutritif aere à la cuve.
Selon l'invention, la conduite de re-tour 33 a un diamètre supérieur à celle d'amenee 25 et est sure-levee par rapport à cette dernière. De même, la conduite de retour 33 est montee de façon à ouvrir~dans la cuve au dessus du niveau L du milieu nutritif contenu dans celle-ci etant entendu que la conduite d'amenee 25 part du fond de la cuve pour pouvoir prélever le milieu nutritif à aerer.
~vantageusement, la conduite d'amenee 25 est reliee a la partie inferieure de la cuve par l'intermedialre - ~ 6 -,~

`~ ~ 6~937 d'un vase d'expansion 17 équipe d'une ~anne de fermeture 19 et de deux tamis de filtration 21 et 23 disposes respec-tivement ~ l'entree ainsi qu'a la sortie du vase d'expan-sionO
En operation, lorsque l'on desire proceder à
la fermentation aerobie acceleree d'un micro-organisme quelconque dans un milieu nutritif contenu dans la cuve 1, on procède en deux etapes. Dans une première etape qui peut durer de trois à quatre heures, on amorce ia fermen-tation de la substance au sein de la cuve en realisant l'aeration de ladite substance et de son mllieu nutritif au sein même de la cuve. Pour ce faire, on ferme la valve 19 et l'on aère le rnilieu nutritif au sein de la cuve en utilisant le système d'oxygénation interne Lorsque le micro-organisme à cultiver est dans sa phase ~ ' de croissance exponentielle, on ouvre alors la ~anne 19 du vase d'expansion 17 et on met en route la pompe 27 et le centrifugeur à chambres 29 qui assurent une oxyge-nation externe et rapide du liquide~aspire par la pompe ~ ~ -~20 27 directement du bas de la cuve 1. L'ejection du liquide ~; aere dans la chambre~29 se fait la conduite de retour 33 qui, grâce à son~diametre superieur au diamètre de la conduite d'amenée 25, assure une dissipation~quasi complète -de la mousse se formant dans la colonne liquide reconsti-tuée. he milieù nutritlf reoxygene se deverse alors dans~
le fermenteur, à une faible hauteur (de l'ordre de 30 cm) au dessus du niveau L du~l1qu1de~
Grâce au système particulier d'agitateur utilise fonctionnant par le mouvement de va-et~vlent vertical, très peu de mousse se forme dans le milieu nutrltif et ~ -se trouve maintenue en suspension dans ce milieu.
Lorsque le micro-organisme à développer est -~: , -~63937 de type filamenteux, les tamis 21 et 23 disposes en amont et en aval du ~ase d'expansion 17 permettent avantageuse-ment de filtrer le milieu nutritif et de contenir les particules filamenteuses au sein de la cuve 1.
Bien entendu, le debit du milieu nutritif cir-culant dans le système externe d'oxygenation est re~le en fonction des besoins en oxygène de ce milieu nutritif.
Par sa simplicite, ce système externe permet de très fa-cilement maintenir un taux d'oxygène dissous convenable, comme, par exemple, de l'ordre de 6 à 10 ml par litre dans le milieu nutritif, et ainsi assurer une croissance optimale du micro-or~anisme avec épuisement maximum du milieu de culture.
L'appareil ci-dessus décrit peut etre utilise pour la fermentation en discontinue ou en continue. Dans ce dernier cas, les tamis 21 et 23 sont avantageusement entrouverts lorsque le système externe mis en route et les micro-organismes cultivés sont récoltés dans le cen-trifugeur ~ chambres par debourbage de ce dernier. Bien 20 ~ sûr, la partie du milieu nutritif eliminee durant de de-bourbage doit etre remplacee soit de façon continue soit ~ ~ de temps à autre par introduction de milieu nutritif neuf directement au sein de la cuve.
L'appareil c~i-dessus mentionne a ete teste avec une culture filamenteuse de champignons de type tri~
choderma album, sur sept substrats au milleu nutritif different, à savoir le lactoserumj les jus de luzerne, les `
farines de ble, les effluents de proteinerie, les jus ~ de pomme de terre, le corn streep, et les meiasses de bettera~es. Dans tous les cas, les cultures ont ete maltrisees et les resultats obtenus avec l'appareil per-fectionne selon l'invention ont été excellents, puisque la ''`''' ' .~

- ~ 1 6`~ 7 production de biomasse s'est averee p~u~ fo~te et l~e~
puisement du milieu nutritif plus pousse avec les appareils similaires de type connu, qui ne comprennent qu'un sys-tème d'aération interne.
Bien entendu, l'appareil perfectionne precedem-ment decrit peut être equipe de tous les accessoires connus pour ce genre d'appareil, tels que, par exemple, système de thermostat pour regler la temperature du milieu nutri~if a une valeur fixe donnee, ou systeme de controle du pH. ~ :
sien entendu, d'autres modifications pourraient egalement être apportees a l'appareil precedemment decrit sans sortir du cadre de la présente invention qui n'est limitée que par les revendications qui suivent.

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Claims (8)

Les réalisations de l'invention, au sujet desquelles un droit exclusif de propriété ou de privilège est revendiqué, sont définies comme il suit.

1. Un appareil perfectionne pour la fermentation aérobie accélérée d'une substance dans un milieu nutritif du type comprenant une cuve de fermentation équipée d'un agitateur et pourvue à la fois d'un système d'oxygénation interne et d'un système d'oxygénation externe, ledit système d'oxygénation externe comprenant un dispositif aérateur et des moyens pour faire circuler le milieu nutritif de la cuve vers le dispositif aérateur et vice-versa, lesdits moyens de circulation du milieu nutritif comprenant une conduite d'amenée du milieu nutritif au dispositif aérateur, une pompe de circulation montée sur la conduite d'amenée, et une conduite de retour du milieu nutritif aérée à la cuve, caractérisé en ce que la conduite de retour a un diamètre supérieur à celle d'amenée et est surélevée par rapport à cette dernière.

2. Un appareil selon la revendication 1, caractérisé
en ce que la conduite de retour débouche dans la cuve au dessus du niveau du milieu nutritif contenu dans celle-ci.

3. Un appareil selon la revendication 2, caractérisé
en ce que la conduite d'amenée est reliée à la cuve par l'in-termediaire d'un vase d'expansion équipé d'au moins un tamis pour ne laisser passer que le milieu nutritif.

4. Un appareil selon la revendication 3, caractérisé
en ce que le vase d'expansion comprend une vanne de fermeture.

5. Un appareil selon la revendication 1, 2 ou 4, caractérise en ce que le dispositif aérateur est un centrifu-geur à chambres relie a l'air libre.

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6. Un appareil selon la revendication 1, 2 ou 4, caractérisé en ce que l'agitateur est constitué par une plu-ralité de plateaux perfores superposés, reliés par un dispo-sitif d'engrenage à un moteur destiné à leur donner un mouve-ment lent de va-e-t-vient vertical.

7. Procédé de fermentation aérobie accélérée d'une substance dans un milieu nutritif, du type dans lequel:
- dans une première étape, on amorce la fermentation de la substance au sein d'une cuve de fermentation en réalisant une aération de ladite substance et de son milieu nutritif au sein même de la cuve et, - dans une seconde étape, on accélère la fermentation de la substance en faisant circuler le milieu nutritif seul dans un dispositif aérateur externe à la cuve, caractérisé en ce que, dans la seconde étape, le milieu nutritif est amené au dispositif aérateur par une conduite d'amenée et est retourne à la cuve par une conduite de retour de diamètre supérieur à la conduite d'amenée, ladite conduite de retour étant surélevée par rapport à celle d'amenée pour diminuer la formation et le recyclage de mousse.

8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que dans l'une ou l'autre des étapes, on soumet la substance au sein de la cuve à une agitation lente par brassage vertical en va-et-vient.