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Patent 2353307 Summary

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  • At the time of issue of the patent (grant).
(12) Patent Application: (11) CA 2353307
(54) English Title: DEVICE AND PROCEDURE FOR PROCESSING GASEOUS EFFLUENTS
(54) French Title: APPAREIL ET PROCEDE POUR LE TRAITEMENT DES EFFLUENTS GAZEUX
Status: Dead
Bibliographic Data
(51) International Patent Classification (IPC):
  • B01D 53/84 (2006.01)
  • B01D 53/62 (2006.01)
  • B01D 61/14 (2006.01)
(72) Inventors :
  • PARENT, CARMEN (Canada)
  • DUTIL, FREDERIC (Canada)
(73) Owners :
  • PARENT, CARMEN (Canada)
  • DUTIL, FREDERIC (Canada)
(71) Applicants :
  • CO2 SOLUTION (Canada)
(74) Agent: ROBIC
(74) Associate agent:
(45) Issued:
(22) Filed Date: 2001-07-13
(41) Open to Public Inspection: 2003-01-13
Availability of licence: N/A
(25) Language of filing: French

Patent Cooperation Treaty (PCT): No

(30) Application Priority Data: None

Abstracts

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Claims

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Description

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CA 02353307 2001-07-13
1
APPAREIL ET PROCÉDÉ POUR LE TRAITEMENT
DES EFFLUENTS GAZEUX
DOMAINE DE L'INVENTION
La présente invention se rapporte au domaine de l'assainissement de l'air.
Plus
particulièrement, la présente invention se rapporte au traitement d'effluents
gazeux.
DESCRIPTION DE L'ART ANTÉR1EUR
Diverses méthodes sont aujourd'hui utilisées pour traiter des effluents
gazeux. L'une des plus
populaires est l'usage de procédés biologiques mettant en oeuvre des
biofiltres à tourbes
arrosés par une phase aqueuse constituée d'une flore de microorganismes.
Bien que ces biofiltres aient contribué à l'avancement technologique dans le
domaine du
traitement d'ei~luent gazeux, il n'en demeure pas moins qu'ils sont difficiles
d'entretien et très
peu versatiles. Ils occupent également une très grande superficie.
Par conséquent, il existe donc un besoin pour de nouveaux appareils et
méthodes pour le
traitement d'effluent gazeux.
SOMMAIRE DE L'INVENTION
La présente invention propose un appareil de traitement d'effluents gazeux
dont l'installation
et l'entretien sont faciles. Plus précisément, l'appareil comprend une cellule
de traitement et
une cellule de rétention.
La présente invention propose également un procédé pour traiter un ou des
effluents gazeux.
Le procédé comprend les étapes suivantes
a) acheminement d'un effluent gazeux à l'appareil mentionné ci-haut; et
b) traitement de l'effluent gazeux à l'aide d'au moins un biocatalyseur.

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2
Avantageusement, le procédé présenté décrit une méthode permettant le
traitement des
effluents gazeux par un système biologique de nature enzymatique. L'appareil
ou le réacteur
à membrane permet la transformation physico-chimique d'un gaz, à l'aide d'un
catalyseur
biologique, en un composé chimique dissous en milieu aqueux ou organique. Ce
système
utilise le principe de l'ultrafiltration ou la microfiltration afin de
permettre la transformation
du gaz tout en piégeant l'unité catalytique libre dans le liquide. Les
catalyseurs pouvant être
utilisés comprennent tout types de particules biologiques capables de
transformer un produit
(enzymes, organites, microorganismes, etc. ). Plusieurs types de
biocatalyseurs peuvent être
utilisés simultanément.
L'ultrafiltration et la microfiltration sont définies comme une action de
filtrer une solution à
travers une membrane fine par pression. La présente invention utilise ce
principe. La pression
est générée dans le système par le gaz à traiter. Le procédé présenté donne la
possibilité de
dissoudre et de transformer le gaz à traiter. Il permet, aussi, l'écoulement
du liquide traité
sans perte de l'unité catalytique. Étant donné la pression partielle plus
élevée à l'intérieur du
réacteur à membrane, il s'ensuit une dissolution plus importante du gaz ou des
gaz à traiter
suivant la loi de Henry.
2 0 DESCRIPTION DES FIGURES
Figure no 1 : Figure représentant un schéma de principe du réacteur à filtre
tangentiel externe.
Figure no 2 : Figure représentant un schéma de principe d'un réacteur à filtre
intégré.
Figure no 3 : Figure représentant un schéma de principe d'un réacteur à filtre
intégré et
flux tangentiel.
2 5 Figure no 4 : Figure représentant un schéma de principe d'un réacteur avec
cartouche
filtrante.
Figure no 5 : Figure représentant un schéma de principe de plusieurs réacteurs
à membrane
utilisés en série.

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3
DESCRIPTION DE MODES DE RÉALISATION PRÉFÉRENTIELS DE
L'INVENTION
Le réacteur à membrane est constitué d'une cellule de traitement et d'une
cellule de rétention
des particules biocatalytiques. La cellule de rétention peut faire partie
intégrante de la cellule
de traitement (figure 2-3 et 4) ou être une composante du circuit
d'alimentation faisant suite
à la cellule de traitement (figure 1 ).
Le ou les gaz à traiter pénètrent dans la cellule de traitement. Il est
conduit à la base inférieure
de la cellule et libéré par un système de diffusion afin que le gaz soit
distribué de façon
uniforme et que le diamètre des bulles soit réduit au minimum. De cette façon,
le contact gaz
et liquide est favorisé. Un agitateur magnétique ou mécanique peut être ajouté
afin
d'améliorer ainsi le mélange gaz / liquide. Il assure une répartition uniforme
du biocatalyseur.
Le liquide permettant la dissolution du gaz et la réaction enzymatique est
introduit par le haut
de la cellule de traitement. L'introduction du liquide peut se faire de façon
continue ou
interrompue. Elle peut être régulée de façon à maintenir le niveau du liquide
constant à
l'intérieur de la cellule de traitement.
2 0 Le couvercle de la cellule de traitement contient, en plus, deux
ouvertures dont l'une permet
la sortie du gaz en continue tandis que l'autre est munie d'une soupape de
sécurité pour éviter
que la pression à l'intérieur du réacteur à membrane excède la pression
permise par
l'équipement. La sortie de gaz en continue peut, elle-même, être reliée à une
seconde cellule
de traitement qui permet une transformation supplémentaire du gaz. Ainsi le
nombre d'unités
2 5 de traitement est fonction de l'efficacité escomptée du traitement du gaz.
L'invention décrite ici se présente préférablement sous quatre versions
1) Réacteur à filtre tansentiel externe:

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4
Ä la base du système, le liquide traité est acheminé, à l'aide d'une pompe, à
une membrane
filtrante à flux tangentiel de porosité définie selon la taille de l'unité
catalytique. L'unité
catalytique peut même être une composante de la membrane.
Une partie du liquide, contenant l'unité biocatalytique (retentât), retourne à
la cellule de
traitement alors que l'autre partie (filtrat), saturée du produit de la
réaction, traverse la
membrane filtrante et est retirée du système. Elle est acheminée à d'autres
types de traitement
(décantation, résine échangeuse d'ions, etc.) ou jetée( figure 1).
2) Réacteur à filtre intésré
Ä la base de la chambre de réaction, une membrane de porosité déterminée,
sélectionnée selon
la taille de l'unité catalytique utilisée, est appuyée contre la paroi
inférieure perforée de la
cellule de traitement. Le liquide s'écoule de façon perpendiculaire au filtre.
Le liquide sortant
de la chambre réactionnelle est exempt de l'unité catalytique et est dirigé à
d'autres systèmes
de traitement (décantation, résine échangeuse d'ions etc.) ( figure 2).1
3) Réacteur à filtre intégré et flux tangentiel
2 0 Cette version de réacteur à membrane se compare à la deuxième version et
a, comme
différence, un flux de liquide tangentiel circulant en circuit fermé à la
surface de la membrane.
Cette version permet à la phase liquide de balayer la membrane et de remettre
en circulation
l'unité catalytique (figure 3).
2 5 4) Réacteur à membrane avec cartouche filtrante
Une cartouche filtrante est fixée dans la chambre réactionnelle. Cette
cartouche peut se
positionner à la hauteur voulue dans le réacteur (figure 4). Cette cartouche
est reliée
directement à la sortie non pressurisée de récupération du filtrat. La
membrane de la
30 cartouche doit posséder une porosité inférieure à la dimension de l'unité
catalytique.

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Comme décrit précédemment, le réacteur à membrane permet le traitement des
effluents
gazeux. Il permet le traitement de plus d'un type de gaz de façon simultanée
ou de façon
séquentielle. Un coenzyme ou un cofacteur catalyse la réaction et le choix de
la porosité de
la membrane filtrante doit tenir compte de la taille de ce biocatalyseur. Le
réacteur à
5 membrane est un réacteur biologique doté d'une grande versatilité
d'opération. Il permet
l'emploi de divers types d'unités biocatalytiques, c'est-à-dire que ces unités
peuvent être
utilisées libres, en réseau de polyéthylène glycol (PEG) ou avec liens
chimiques, capturées
dans des billes d'alginate, emprisonnées dans des liposomes ou autres,
immobilisées sur un
support.
La taille du réacteur à membrane ainsi que la porosité requise de la membrane
utilisée sont
fonction des besoins de l'utilisation et sont directement proportionnelles aux
débits désirés
(utilisation dans un cadre de recherche ou pour des applications
industrielles, par exemple).
Description du procédé
Matériels et méthodes
Le gaz à traiter, dont le débit est contrôlé par une valve (1), entre par
l'ouverture (2) placée
sur le couvercle du réacteur à membrane (3). Le gaz est acheminé jusqu'au
diffuseur (4). Des
micro-bulles s'échappent du diffuseur et permettent une répartition uniforme
du gaz à traiter.
2 0 Un détendeur (6) placé sur la ligne de sortie du gaz (5) assure une
pression constante dans la
chambre réactionnelle (7). Cette sortie peut conduire le gaz restant à une
autre chambre
réactionnelle. La figure 5 montre une application de deux réacteurs à membrane
en série. Un
agitateur (8) optionnel, relié au couvercle interne de la chambre, assure la
répartition du gaz
dissous et des unités catalytiques.
2 5 Le liquide, de composition optimisée pour Ia biocatalyse, est introduit
par une ouverture (9)
située sur le couvercle (3). Le débit de ce liquide est régulée par une valve
(10). La base de
la chambre réactionnelle (11) est perforée de façon à permettre au liquide de
s'échapper du
système.

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Le couvercle possède un système de sécurité (12) pour protéger l'équipement
d'une
surpression.
II est possible de suivre la réaction enzymatique par des prélèvements à la
sortie
d'échantillonnage(17) située dans la partie supérieure de la chambre
réactionnelle. Ces
mesures peuvent être l'analyse du pH, d'un des sous-produits de la réaction,
de la
concentration de l'enzyme, de la température à l'intérieur de la chambre etc.
Avec le réacteur à membrane à filtre tangentiel ( figure 1), un conduit
externe (20), relié à la
base du réacteur à membrane, est connecté à une pompe (14) qui amène le fluide
jusqu'à
l'unité filtrante. Le système filtrant est dit de type tangentiel (13) et
permet la filtration du
liquide sans colmatage de la membrane. Une partie du liquide traverse la
membrane (filtrat)
et sort du système (15), alors que l'unité catalytique, de taille supérieure à
la porosité de la
membrane, demeure captive dans le circuit de traitement (16). Ainsi, il y a
recirculation d'une
partie du liquide et de l'unité catalytique.
Quant au réacteur à membrane intégrée ( figure 2), le liquide traité doit
traverser la membrane
(21 ) située à la base du système avant de s'échapper de la chambre
réactionnelle par la sortie
non pressurisée (5).
La figure 3 montre l'utilisation d'une membrane intégrée (21) dans un système
où un flux de
liquide tangentiel balaye la membrane de façon à empêcher l'adhésion de
l'unité catalytique.
2 0 Le liquide ainsi que le catalyseur circule en circuit fermé.
Ä la figure 4, la cartouche filtrante (22), quant à elle, permet de filtrer le
liquide traité vers
la sortie non pressurisée de la chambre (5). L'unité catalytique est gardée
captive dans la
chambre réactionnelle alors que seul le liquide traité peut traverser la
membrane.
2 5 EXEMPLE
L'exemple suivant donne une application potentielle de la présente invention
et n'est pas
destiné à limiter la portée de l'invention. Des modifications et des
variations peuvent être
apporter sans s'écarter de l'esprit et de la portée de l'invention. Bien que
n'importe quels

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7
méthodes et matériaux semblables ou équivalent à ceux décrits dans le présent
puissent être
utilisés dans la pratique pour tester la présente invention, les méthodes et
les matériaux
préférés sont décrits.
Exemple 1
Le réacteur a été utilisé pour transformer le dioxyde de carbone en ion
bicarbonate à l'aide de
l'anhydrase carbonique. L'enzyme étant de faible poids moléculaire, soit
30,000 daltons, un
complexe de cette enzyme a été fabriqué afin d'augmenter sa taille. Ceci
permettait, en
augmentant la porosité de la membrane, d'obtenir un débit supérieur de
filtrat. Plusieurs
possibilités permettaient la formation de ce complexe; utilisation de cellules
entières: enzymes
immobilisées sur support: enzymes emprisonnées dans des billes d'alginate et
chitosan et/ou
carboxyméthylcellulose: réseau albumine /enzymes liées chimiquement.
Des essais utilisant des globules rouges (contenant l'anhydrase carbonique)
ont permis de
constater une activité de l'enzyme. Étant donné, que l'enzyme diffusait
rapidement en dehors
de la cellule, nous avons alors eu recours à des techniques d'encapsulation de
l'enzyme afin
de pallier le problème.
La pression dans la chambre permet une dissolution rapide du gaz à traiter. De
là, l'anhydrase
carbonique catalyse l'hydratation du dioxyde de carbone et le transforme en
ion bicarbonate.
Grâce au système de filtration tangentielle, le liquide contenant le
bicarbonate est expulsé de
la chambre réactionnelle alors qu'une partie du liquide, transportant les
unités enzymatiques,
2 0 retourne au système.
ENUMÉRATION DES SYST~MES COMMERCIAUX
Présentement, la gamme d'appareils disponibles sur le marché ne présente pas
de tel système
2 5 pour le traitement des effluents gazeux.
Dans le tableau ci-dessous, un répertoire des brevets, devant se rapprocher de
près ou de loin
à ce système, a fait l'objet d'étude et les points similaires et non
similaires sont énumérés.

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8
Comparaison de l'invention décrite ci-dessus par rapport aux brevets suivants
NO BREVET TITRE CRITIQUES


Process for enzymatic Brevet n'utilisant pas
le traitement


55250305 ultrafiltration of d'un effluent gazeux
deamidated


rotein


JP60014900008A2Manufacture of immobilizedBrevet sur une concentration


biologically b active leve d'enzymes sur la membrane


substance membrane d'ultrafiltration


Enzyme-coupled Utilisation d'une enzyme


US4033822 ultrafiltration incorpore dans la membrane


membranes . Pas d'utilisation pour
un effluent


azeux


Gas treatment process Utilisation d'un gas spcifique
un


US4758417 type de bactries


Design de la cellule d'ultrafilration


diffrent


AVANTAGES DE L'INVENTION PAR RAPPORT AUX AUTRES PROCÉDÉS
1) Permet l'emploi d'unités catalytiques sous formes libre et non liée. Ceci
lui confère une
pleine activité puisque l'immobilisation d'unités catalytiques peut conduire à
une perte
importante d'activité.
2) Possibilité de traiter plusieurs types d'effluents gazeux.
3) Permet le traitement de plus d'un type de gaz par simple ajout d'unités
catalytiques
spécifiques.
4) Possibilité d'utiliser plusieurs réacteurs à membrane en série pour
augmenter l'efficacité
de traitement ou diversifier le type de traitement.
5) Contact direct du biocatalyseur avec le substrat (gaz dissous).
6) Permet, par l'analyse du gaz de sortie, le suivi de la réaction tout au
long de la
transformation.
7) Permet l'utilisation simultanée ou séquentielle de plusieurs
biocatalyseurs.

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8) L'alimentation en coenzyme spécifique à une enzyme est facilitée par
l'alimentation en
continue du liquide.
9) Possibilité de recirculation du liquide.
10) Permet l'alternance ou le remplacement d'une unité ou de plusieurs unités
de
traitement en cours de processus si les unités sont placées en parallèle.
11) Permet l'utilisation de multiples biocatalyseurs (enzymes, organites
cellulaires, particules
microbiennes, membranes de procaryotes ou d'eucaryotes, particules
moléculaires
biologiques).
12) Les biocatalyseurs peuvent être utilisés de façon emprisonnée ou
immobilisée sur un
support.
13) Ne requiert pas un attachement de l'unité catalytique.
14) Permet la capture de sous-produits indésirables sur membrane en fin de
traitement par
l'ajout de colonne échangeuse d'ions ou autres.
15) Permet l'ajout d'une unité de décantation suite à l'unité de traitement.
16) Fonctionnement du procédé aisé et ne requérant que peu de matériel.
17) Installation facile.
18) Entretien facile.
19) Facilité à ajouter de l'unité catalytique même lorsqu'en marche.
2 0 Variantes possibles à l'invention
1 ) Biocatalyseur est utilisé sous désignation de toutes particules
biologiques permettant la
transformation d'un substrat en un ou plusieurs produits. II peut s'agir
d'enzymes, d'organites
cellulaires (mitochondries, membranes, etc.), de cellules animales, végétales
ou humaines.
2 5 2) Les biocatalyseurs peuvent être fixés sur un support de polymères
(nylon, polystyrène,
polyuréthane, polyméthyle méthacrylate, gel de silice fonctionnalisé, etc.).
3) Les biocatalyseurs peuvent être capturés dans des pores de gel de silice,
de billes de
gélatine (alginate, alginate/chitosan, alginate/carloxyméthylcellulose, etc.)
4) Les biocatalyseurs peuvent être utilisés en réseau tels que un complexe
d'albumine/unité
3 0 catalytique, polyéthylène glycol/unités catalytiques etc.

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5) La membrane servant de barrière physique à l'unité catalytique peut être de
différentes
compositions (cellulose, nylon, polyméthyle méthacrylate, PVDF, etc).
6) La membrane peut contenir l'unité catalytique.
7) La membrane servant de barrière physique peut être de porosités diverses
selon la
5 dimension de l'unité catalytique utilisée et du débit de sortie désiré.
8) La dimension du réacteur à membrane peut être de taille variable.
9) L'utilisation du système en circuit fermé ou non est optionnelle.
10) Il y a possibilités d'ajouter à la chambre réactionnelle des unités afin
de permettre
l'opération catalytique mieux adaptée au traitement. Par exemple, un circuit
de
10 thermorégulation autour de la chambre permet d'effectuer la réaction
catalytique dans des
conditions de température optimisées.
11 ) La membrane de rétention peut faire partie intégrante de la chambre
réactionnelle ou faire
suite à la chambre.
12) Le système de diffusion du gaz peut être à une hauteur variable dans la
chambre
réactiomielle et l'entrée du gaz peut être située au bas ou en haut de la
colonne.
13) Le système peut opérer à une pression variable et peut aussi opérer sans
aucune pression
selon les besoins de l'utilisation.
14) La chambre réactionnelle peut être constituée de matériaux divers : Ex :
verre,
plastique, acier inoxydable, polymère synthétique etc.
15) Le débit à l'entrée du liquide ou du gaz est variable selon le rendement
désiré.
16) Les analyseurs de gaz peuvent être installés à l'entrée et à la sortie du
système.
17) Un système de contrôle du niveau d'eau peut être installé, celui-ci étant
basé soit sur le
différentiel de pression entre le haut et la bas de la colonne, sur la masse
de liquide dans le
système ou sur la détection du niveau de liquide (sans si limiter). Une valve,
à la sortie du
2 5 liquide, pourra être contrôlée pour faire varier le niveau du liquide.
18) Une série de valves à l'entrée et la sortie liquide et gazeuse permet de
changer le débit
des phases en cause. Des débitmètres permettent d'évaluer les flux.
19) Un détendeur situé à la sortie du gaz permet de pressuriser l'équipement
au niveau voulu.
20) Une pompe de recirculation permet au liquide de la boucle de recirculation
d'atteindre une
vitesse adéquate pour empêcher le colmatage du filtre à flux tangentiel.

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CONCLUS10N
Le système de traitement des effluents gazeux présenté ici possède certaines
caractéristiques
innovatrices qui ne se retrouvent actuellement dans aucun des systèmes
répertoriés jusqu'ici.
Ce principe permet une avenue forte intéressante pour plusieurs applications
industrielles dans
l'assainissement de l'air contaminé par un gaz.
Grâce à son système de filtration en continue spécifique à l'unité
catalytique, le colmatage de
la membrane est restreint au minimum. Il permet, aussi, l'utilisation d'unités
catalytiques très
petites et libres dans le milieu.
Bien que des modes de réalisation préférés de l'invention aient été décrits en
détails ci-dessus
et illustrés dans les dessins annexés, l'invention n'est pas limitée à ces
seuls modes de
réalisation et plusieurs changements et modifications peuvent y être effectués
par une
personne du métier sans sortir du cadre ou de l'esprit de l'invention.

Representative Drawing
A single figure which represents the drawing illustrating the invention.
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Title Date
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(22) Filed 2001-07-13
(41) Open to Public Inspection 2003-01-13
Dead Application 2003-10-16

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Abandonment Date Reason Reinstatement Date
2002-10-16 FAILURE TO RESPOND TO OFFICE LETTER
2003-03-17 FAILURE TO COMPLETE
2003-07-14 FAILURE TO PAY APPLICATION MAINTENANCE FEE

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Application Fee $150.00 2001-07-13
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DUTIL, FREDERIC
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Document
Description 
Date
(yyyy-mm-dd) 
Number of pages   Size of Image (KB) 
Representative Drawing 2002-03-06 1 5
Cover Page 2002-12-20 1 22
Description 2001-07-13 11 470
Drawings 2001-07-13 3 41
Abstract 2003-01-13 1 1
Claims 2003-01-13 1 1
Correspondence 2001-08-10 1 29
Assignment 2001-07-13 3 88
Correspondence 2002-12-06 1 19