CH647546A5 - Procede et dispositif de biotransformation aerobie. - Google Patents
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Description
La présente invention se rapporte à un procédé de biotransformation d'une masse liquide avec mélange externe des phases. 25 La plupart des réactions mettant en jeu des biotransformations exigent un apport d'oxygène dans des conditions de mélange assurant une homogénéité aussi grande que possible du milieu polyphasé ainsi formé. Cet apport d'oxygène peut s'effectuer par des nombreuses méthodes telles que:
30 — apport gazeux au sein de la masse liquide avec agitation mécanique ou hydraulique;
— action d'un jet liquide entraînant le gaz environnant et créant dans la masse du liquide une agitation importante;
— ruissellement du liquide sur un support créant une surface de 35 contact avec l'air et permettant ainsi une certaine oxygénation.
Les deux premières méthodes citées ne permettent l'obtention d'un milieu très homogène qu'au prix d'une dépense d'énergie mécanique élevée et n'autorisent pas, par ailleurs, le fonctionnement sur lit fixe qui se révèle particulièrement intéressant dans de nombreux 4o cas.
Le dernier procédé permet d'utiliser un lit fixe, mais exige des installations très encombrantes pour créer l'aire interfaciale nécessaire à un bon apport d'oxygène.
Le but de la présente invention est de proposer un procédé qui 45 permette une oxygénation de la masse liquide garantissant une homogénéité convenable et constante du milieu de biotransformation, tout en autorisant aussi bien l'emploi d'un lit mobile que l'emploi d'un lit fixe dans des conditions relativement peu onéreuses et de faible encombrement, et d'obtenir une accélération notable de la trans-50 formation.
A cet effet, le procédé de biotransformation d'une masse liquide par contact avec une biomasse est caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes:
a) oxygénation de la masse liquide, préalablement à son contact 55 avec la biomasse, par mise sous forme d'émulsion par apport d'un gaz d'oxygénation à l'aide de moyens agencés de telle façon que la vitesse du liquide provoque l'aspiration du gaz d'oxygénation;
b) répartition fine de la masse liquide;
c) contact avec la biomasse;
60 d) séparation au moins partielle du gaz entraîné par ladite masse liquide;
e) recirculation de la masse liquide vers l'étape a.
Ce procédé d'oxygénation continue du liquide amène ainsi dans le réacteur de biotransformation une émulsion gaz/liquide homo-65 gène qui assure un contact très régulier du liquide avec le lit de contact support de la biomasse, ce qui garantit une bonne biotransformation. De plus, le fonctionnement en liquide recyclé, avec création à chaque cycle d'une nouvelle émulsion, permet la conservation dans
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le temps de la qualité du mélange en même temps qu'un apport élevé mais réglable en oxygène.
Le gaz d'oxygénation peut être de l'air, le cas échéant enrichi en oxygène, ou bien de l'oxygène pur pour améliorer la réactivité de l'émulsion et sa richesse en oxygène. Le rapport en volumes entre le gaz d'oxygénation et le liquide est de préférence, quoique non nécessairement, inférieur à 'A environ. La masse liquide dans laquelle se déroule la biotransformation peut être de tout type et peut notamment être constituée d'une solution d'un produit transformable ou de déchets industriels, d'eaux usées ou autres produits susceptibles d'être transformés, valorisés ou éliminés.
Le dispositif pour la mise en œuvre du procédé selon l'invention, que l'on peut appeler réacteur biologique, est caractérisé en ce qu'il comporte une enceinte formant réacteur de biotransformation d'une biomasse, des moyens d'alimentation de la masse liquide à traiter dans la partie supérieure de l'enceinte, des moyens d'apport d'un gaz d'oxygéntion dans la masse liquide, agencés de telle façon que la vitesse du liquide provoque l'aspiration du gaz d'oxygénation, des moyens de répartition fine de la masse liquide, des moyens de séparation au moins partielle de gaz entraîné par ladite masse liquide, et des moyens de recirculation de la masse liquide vers la partie supérieure de l'enceinte.
De préférence, le réacteur biologique comporte des moyens de soutien de la biomasse, cette biomasse étant sous forme de lit fixe.
Les moyens d'injection du gaz d'oxygénation et d'émulsion peuvent consister en un venturi à émulsion au col duquel se fait l'apport du gaz d'oxygénation et qui est agencé de telle manière que la vitesse du liquide au col provoque l'aspiration du gaz pour créer dans le divergent du venturi une émulsion très fine.
Pour améliorer l'homogénéité du liquide ruisselant sur le lit de biomasse, l'émulsion gaz/liquide peut être distribuée sur ce lit ou au sein de ce lit de biomasse par l'intermédiaire de moyens de répartition fine pouvant consister, par exemple, en une série de trous pour la distribution en pluie.
L'oxygénation renouvelée de la recirculation du liquide en réaction permet d'utiliser des moyens de support du lit de biomasse qui sont fixes dans l'enceinte du réacteur biologique, et sont constitués de garnitures, par exemple en matière poreuse ou plastique imputrescible, développant une surface de contact importante et permettant une immobilisation de la biomasse et sa concentration sur son support.
Bien entendu, les moyens de soutien de la biomasse peuvent, le cas échéant, être supprimés pour assurer la recirculation de la biomasse, auquel cas la biomasse n'est plus sous forme de lit fixe et n'est plus nécessairement fixée sur un support.
L'émulsion en sortie du biotransformateur passe à travers un élément (grille fine, séparateur centrifuge ou autre) apte à séparer, totalement ou partiellement, le gaz non utilisé du liquide pour faciliter la recirculation du liquide, et contribuant à retenir les supports de biomasse.
Pour réduire la consommation d'oxygène d'apport, l'enceinte contenant la biomasse peut comporter un collecteur du gaz d'oxygénation libéré de l'émulsion et des moyens de reprise et de réinjection de ce gaz d'oxygénation dans la masse liquide en amont du lit de biomasse.
Le dispositif de fermentation dont les caractéristiques principales viennent d'être décrites permet, en fonctionnement avec de faibles taux de recyclage, de réaliser des réactions demandant peu d'oxygène avec une dépesne d'énergie très limitée, ou bien, en fonctionnant avec de forts taux de recyclage, des réactions nécessitant un très grand apport d'oxygène, tout en assurant dans les deux cas une parfaite homogénéité au mélange en émulsion de gaz oxygéné et de liquide.
La surface de contact gaz/liquide est créée sous forme d'émulsion à l'extérieur de l'appareil et le contact oxygène/matière à transformer sur le lit fixe se fait dans le réacteur avec l'émulsion formée, permettant d'utiliser pleinement l'activité des micro-organismes immobilisés.
La réalisation de fermentations sur lit fixe devient possible avec ce type d'appareil sans nécessiter des volumes considérables.
Les avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, faite à titre d'exemple et en regard du dessin annexé, où la figure unique représente schématiquement un dispositif de fermentation selon la présente invention.
Le dispositif de biotransformation, ou bioréacteur, comporte une enceinte de biotransformation 1 qui contient un lit de biomasse 2 constitué de moyens de support fixes et de surface importante tels que des anneaux de garnissage ou autres supports de formes diverses réalisés en matière imputrescible et résistant à la corrosion, traversée par le liquide émulsionné et oxygéné qui parcourt ce lit de biomasse, retenu à sa partie inférieure par un dispositif 3 pouvant servir à casser l'émulsion résiduelle à sa sortie du lit de biomasse. L'enceinte 1 présente à sa partie supérieure un canal 4 d'amenée de l'émulsion se prolongeant par un diffuseur 5 répartissant celui-ci en pluie à la surface supérieure du lit de biomasse 2. La partie inférieure de l'enceinte 1, qui peut se rétrécir en forme de trémie, débouche sur un canal collecteur 6 sur lequel est branché un canal de prélèvement 7.
Le canal d'amenée 4 est relié à un venturi 8 à convergent-divergent au col duquel est injecté, par un canal d'injection 9, un gaz d'oxygénation et d'émulsion tel que de l'air, éventuellement enrichi en oxygène, ou de l'oxygène pur et, le cas échéant, d'autres gaz dont la présence pourrait favoriser, stabiliser ou, si besoin est, ralentir et même stopper la réaction.
Les gaz d'émulsion libérés au-dessus du lit de biomasse et les gaz formés éventuellement par la fermentation sont collectés à la partie supérieure de l'enceinte 1 par une conduite de gaz de reprise 10 et réinjectés au col du venturi 8 par une pompe 11 et une conduite de réinjection 12 ou bien prélevés partiellement ou totalement sur une conduite de prélèvement 12a.
Une partie du liquide contenu dans le canal collecteur 6 est amenée, par un canal de liquide de reprise 13, à une pompe de circulation 14 qui refoule ce liquide à l'entrée du venturi 8 par une condutie 15 sur laquelle est branché un canal 16 d'injection de liquide neuf.
Le bioréacteur qui vient d'être décrit fonctionne de la façon suivante: le liquide à transformer, constitué par exemple de produits à biotransformation ou de déchets ou d'eaux usées à valoriser ou à éliminer, est introduit dans l'enceinte par le canal d'injection 16 et se mélange à l'entrée du venturi 8 avec le liquide recirculé par la pompe 14. Le gaz oxygéné, introduit au col du venturi 8 par le canal d'injection 9 et, le cas échéant, par le canal de réinjection 12, est aspiré par le liquide mis en dépression au col du venturi où sa pression statique est transformée en pression dynamique. Cette aspiration du gaz d'oxygénation produit une émulsion très fine. Dans un mode de réalisation de l'invention, donné à titre d'exemple non limitatif, le rapport en volumes entre le gaz et le liquide est inférieur à 0,5.
L'émulsion finement divisée ainsi produite est distribuée et répartie par le canal d'amenée 4 et le diffuseur 5, à la partie supérieure du lit de biomasse 2 et s'écoule lentement sur la surface de contact importante de ce lit en le réalimentant en oxygène.
Le liquide qui parvient par gravité à la partie inférieure du lit bactérien 2 traverse le dispositif 3 qui réduit l'émulsion gaz oxygéné/liquide pour libérer ce dernier qui est accompagné des produits de fermentation et qui s'accumule dans le canal collecteur 6 où il est prélevé par le canal 7 et recirculé partiellement par la pompe 14. Des quantités réglables de gaz et de liquide sont prélevées respectivement sur la conduite 12a et sur les canaux 7 et 13 en fonction de la progression de la transformation réalisée sur le lit 2.
Le matériel de transformation créé s'est montré performant aussi bien pour la destruction complète de polluants organiques dans des eaux usées provenant par exemple de l'industrie agro-alimentaire que pour la biotransformation de différents substrats (par exemple, transformation alcool/acide) que pour la transformation de ces mêmes polluants en protéines unicellulaires sans utilisation du lit fixe.
Il est possible, pour le démarrage ou la stabilisation de la bio-transformation, de fonctionner en circuit fermé sans adjonction de
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fluide extérieur ou bien par cycles de biotransformation fermés successifs. On pourrait de même envisager que le sens de circulation du liquide soit périodiquement inversé, par exemple pour régénérer la partie inférieure du lit de biomasse et dégager le dispositif 3. On doit comprendre de même que les différents débits de circulation de gaz et de liquide peuvent être asservis à des organes de mesure de l'activité du lit de biomasse ou de la progression de la biotransformation. Un échangeur de chaleur, réchauffeur et/ou réfrigérant, peut être installé sur les conduites de recirculation 13 et/ou 10-12 et/ou sur les conduites d'alimentation 16 et/ou de prélèvement 7 et/ou 12a. De la même façon, le fonctionnement peut se faire en lit bactérien non immobilisé, l'apport se faisant toujours par création d'une émulsion extérieure au réacteur.
Il est encore évident que le procédé selon la présente invention peut être mis en œuvre sur un lit de biomasse en circulation et donc que le dispositif décrit peut comporter des moyens de recirculation du lit.
Selon un autre mode de réalisation de l'invention, la grille 3 d'immobilisation de la biomasse n'est pas forcément nécessaire et cette suppression conduit à la transformation de ce réacteur en fer-menteur ou épurateur, sans nécessiter de changement du dispositif s d'oxygénation. Dans ce cas, la pompe de recirculation 14 assure la recirculation de la biomasse en même temps que celle de la masse liquide. On obtient dans ce cas un système à lit de biomasse mobile. Il n'est pas, dans ce cas, nécessaire que la biomasse soit fixée sur un support. C'est là un autre avantage du procédé et du dispositif selon i° l'invention qui peut fonctionner aussi bien en lit fixe qu'en lit mobile.
Le mode de réalisation où l'émulsion gaz/liquide est distribuée au sein du lit de biomasse n'a pas été représenté. En fait, le diffuseur 5 consiste par exemple en une sphère comportant des perforais tions sur sa surface, ladite sphère, reliée au canal d'amenée 4 par tous moyens convenables, étant disposée au sein du Ut de biomasse 2.
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1 feuille dessin
Claims (19)
1. Procédé de biotransformation d'une masse liquide par contact avec une biomasse, comprenant les étapes suivantes:
a) oxygénation de la masse liquide, préalablement à son contact avec la biomasse, par mise sous forme d'émulsion par apport d'un gaz d'oxygénation à l'aide de moyens agencés de telle façon que la vitesse du liquide provoque l'aspiration du gaz d'oxygénation;
b) répartition fine de la masse liquide;
c) contact avec la biomasse;
d) séparation au moins partielle du gaz entraîné par la masse liquide;
e) recirculation de la masse liquide vers l'étape a.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la distribution de la masse liquide se fait par pulvérisation en pluie au-dessus de la biomasse.
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REVENDICATIONS
3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la distribution de la masse liquide se fait au sein de la biomasse supportée.
4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la biomasse est constituée par des micro-organismes proliférants ou non ou par des organelles ou fractions subcellulaires de ces mêmes micro-organismes ou encore par des enzymes.
5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le gaz d'oxygénation est de l'air, le cas échéant enrichi en oxygène.
6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le gaz d'oxygénation est de l'oxygène pur.
7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la masse liquide est une solution d'un produit transformable ou de déchets industriels.
8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la masse liquide consiste en des eaux usées ou en un substrat à biotransformer.
9. Dispositif pour la mise en œuvre du procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte ime enceinte (1) formant réacteur de biotransformation d'une biomasse (2), des moyens d'alimentation (15,16) de la masse liquide à traiter dans la partie supérieure de l'enceinte (1), des moyens d'apport (8, 9) d'un gaz d'oxygénation dans la masse liquide, agencés de telle façon que la vitesse du liquide provoque l'aspiration du gaz d'oxygénation, des moyens de répartition fine (5) de la masse liquide, des moyens de séparation (3) au moins partielle de gaz entraîné par la masse liquide, et des moyens de recirculation (14,15) de la masse liquide vers la partie supérieure de l'enceinte (1).
10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'enceinte (1) contient des moyens de support de la biomasse (2) tels qu'une garniture formant un lit fixe soutenu par les moyens de séparation (3).
11. Dispositif selon l'une des revendications 9 ou 10, caractérisé en ce que les moyens d'apport du gaz d'oxygénation et d'émulsion consistent en un venturi à émulsion (8) au col duquel est aspiré le gaz d'oxygénation.
12. Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que le venturi à émulsion (8) est agencé de telle manière que la vitesse du liquide au col provoque l'aspiration du gaz pour créer dans le divergent du venturi une émulsion.
13. Dispositif selon l'une des revendications 9 à 12, caractérisé en ce que les moyens d'apport (8, 9) sont situés à l'extérieur de l'enceinte contenant le lit fixe de biomasse (2).
14. Dispositif selon l'une des revendications 9 à 13, caractérisé en ce que l'émulsion gaz oxygéné/liquide est distribuée sur le lit de biomasse (2) par l'intermédiaire de moyens de répartition (5) pour la distribution en pluie, consistant de préférence en une série de trous.
15. Dispositif selon l'une des revendications 9 à 13, caractérisé en ce que l'émulsion gaz oxygéné/liquide est distribuée au sein du lit de biomasse par l'intermédiaire de moyens de répartition.
16. Dispositif selon l'une des revendications 9 à 15, caractérisé en ce que les moyens de support du lit de biomasse (2) sont fixés dans l'enceinte et constitués de garnitures, notamment en matière plastique ou poreuse imputrescible se prêtant à l'immobilisation de la biomasse et développant une surface de contact.
17. Dispositif selon la revendication 16, caractérisé en ce que les 5 moyens de support du lit de biomasse (2) sont retenus par un dispositif de soutien (3) susceptible en outre de casser l'émulsion gaz oxygéné/liquide pour faciliter le prélèvement et la recirculation du liquide et améliorer le transfert.
18. Dispositif selon la revendication 16, caractérisé en ce que le io dispositif de soutien (3) est un élément tel que grille, séparateur centrifuge ou autre, apte à casser totalement ou partiellement l'émulsion gaz oxygéné/liquide pour faciliter la recirculation du liquide.
19. Dispositif selon l'une des revendications 9 à 18, caractérisé en ce que l'enceinte contenant le lit de biomasse (2) comporte un colis lecteur (10) du gaz d'oxygénation libéré de l'émulsion et des moyens de reprise (11) et de réinjection (12) de ce gaz d'oxygénation dans la masse liquide en amont du lit de biomasse (2).
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