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Procédé de production d'alcools avec un support sur lequel sont immobilisés
des
micro-organismes
Domaine technique
La présente invention concerne un procédé de production d'alcools par
fermentation d'un
fluide sucré.
Technique antérieure
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 genre
Clostridium, est
une des plus anciennes fermentations à avoir été industrialisée, et a été
depuis largement
étudiée. Plus récemment, la fermentation I BE (Isopropanol ¨ Butanol ¨
Ethanol) produisant un
mélange d'isopropanol, butanol et éthanol et réalisée également par des
microorganismes
appartenant au genre Clostridium a 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 I BE, 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 DR.,
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
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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,
lo 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 oeuvre 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 of
Clostridium
acetobutylicum immobilized 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 by Clostridium beijerinckii BA101
immobilized by
adsorption onto brick, VVorld Journal of Microbiology & Biotechnology, (16),
377-382), et la
pulpe papetière (voir, par exemple, Survase S.A., van Heiningen A., Granstreim
T., 2012,
Continuous bio-catalytic conversion of sugar mixture to acetone-butanol-
ethanol by
immobilized Clostridium 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
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bead fluidized bed reactor using Clostridium acetobutylicum, J. Chem. Tech.
Biotechnol., (56),
83-89), et de k-carrageenan (voir, par exemple, Godia F., Howard I., Scott D.,
Davison
1990, Use of immobilized microbial membrane fragments to remove oxygen and
favor the
acetone-butanol fermentation, Biotechnol. Prog., 1990, 210-213).
II 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 I BEA, 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.
Résumé de l'invention
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 (seulement) une portion de support usé par une
portion de
support neuf et/ou régénéré.
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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
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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.
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On vient ainsi partager le support en un certain nombre de portions, sous
forme d'un
empilement de couches que va successivement être traversé 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
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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 oeuvre 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
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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).
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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.
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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 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 genre Clostridium. De préférence, ils sont supportés par un
support poreux de
type mousse à base de matériau polymère, comme le polyuréthane, ou de
matériaux
céramiques.
Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, le procédé selon la
présente invention
concerne la production de mélange d'alcools de type ABE ou IBE ou IBEA,
procédé selon
lequel on introduit un fluide sucré dans une section réactionnelle comprenant
un support en
matériau solide poreux sur lequel sont immobilisés des micro-organismes du
genre
Clostridium, ledit support comportant une pluralité de portions ou couches du
matériau solide
poreux en vrac, qui sont disposées successivement selon un sens général
d'écoulement dudit
fluide sucré. Ce mode de réalisation préféré concerne aussi la section
réactionnelle ainsi
équipée de support.
L'invention sera décrite ci-après plus en détails à l'aide d'exemples de
réalisation non limitatifs.
Liste des figures
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La figure 1 représente un exemple de procédé selon le premier mode de
réalisation de
l'invention.
La figure 2 représente un procédé selon un autre exemple de procédé selon le
premier mode
de réalisation de l'invention représenté à la figure 1.
La figure 3 représente une variante du procédé représenté à la figure 1.
La figure 4 représente une variante du procédé représenté à la figure 1.
La figure 5 représente un procédé selon un deuxième mode de réalisation de
l'invention, en
phase de production.
La figure 6 représente le procédé selon le deuxième mode de réalisation de
l'invention selon
la figure 5, pendant la phase de remplacement partiel du support des micro-
organismes.
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.
Description des modes de réalisation
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.
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
figure 1, 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 figure 2 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
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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 type Clostridium.
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 oeuvre 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 oeuvre 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
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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/
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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 figure 3 est une variante du procédé de la figure 1 : 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
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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 figure 4 est une autre variante de la figure 1. Les
différences d'avec la figure
1 sont les suivantes :
- d'une part, on prévoit, comme dans la variante de la figure 3, 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.
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
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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.
Description des modes de réalisation
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.
La biomasse produite par la souche appartenant au genre Clostridium
La biomasse bactérienne est principalement adsorbée sous forme de biofilm sur
un support
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solide. Préférablement, les bactéries sont des souches appartenant à l'espèce
Clostridium
beijerinckii et/ou Clostridium acetobutylicum. Les bactéries utilisées dans le
procédé peuvent
être des souches génétiquement modifiées ou non et naturellement productrice
d'isopropanol
et/ou des souches de Clostridium naturellement productrice d'acétone
génétiquement
modifiées pour les faire produire de l'isopropanol. Dans les exemples
suivants, il s'agit de
Clostridium beijerinckii DSM 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
lo 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 genre Clostridium de façon suffisamment importante
(Le., 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.
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.
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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 4000, 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 I BEA/g de
sucre utilisé, et notamment ici de de 0,31g de produit I BEA/g de sucre
utilisé.
- Le microorganisme est Clostridium beijerinckii DSM 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
lOmm 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 M3 chacun.
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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.
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.
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.
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 oeuvre le premier mode de réalisation de l'invention selon la figure
1 (il s'appliquerait
de façon analogue aux variantes selon l'une des figures 2 à 4).
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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
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)
II met en oeuvre 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
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.
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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.. :
Tableau 1
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 :
Tableau 2
T (h) 0 187,5 375 562,5 750 937,5 1125 1312,
1500
5
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.)
CA 03198700 2023- 5- 12
WO 2022/128492 22
PCT/EP2021/083876
Tableau 3
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 1 er ou 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 oeuvre, et celui qui offre l'augmentation
de production la
plus importante, le deuxième mode étant, quant à lui, d'une mise en oeuvre
industrielle
probablement plus aisée.
CA 03198700 2023- 5- 12
