3.7.1 Fermentation en batch
Pendant la fermentation discontinue ou en batch, une s´erie de proc´edures op´eration- nelles sont r´ep´et´ees p´eriodiquement pour assurer la croissance et le d´eveloppement des micro-organismes. Ces proc´edures peuvent inclure le lavage et la d´esinfection du fermen- teur, le remplissage du fermenteur avec le milieu de culture et la st´erilisation de ce milieu, l’inoculation des cellules microbiennes, la fermentation et le d´echargement du contenu du bior´eacteur `a la fin du processus de culture. La fermentation ´ethanolique discontinue la plus simple comprend une ´etape initiale de propagation des levures dans un bior´eacteur a´er´e o`u les cellules microbiennes sont multipli´ees afin d’atteindre la concentration appro- pri´ee pour qu’elles soient inocul´ees dans un fermenteur plus grand. Dans ce fermenteur, les conditions n´ecessaires `a la culture ana´erobie des levures sont assur´ees, favorisant ainsi
la production d’´ethanol. Le principal inconv´enient de ce proc´ed´e r´eside dans les coˆuts d’exploitation et de charge n´ecessaires `a chaque lot de fermentation pour assurer la pro- pagation de la levure jusqu’`a ce qu’elle atteigne une concentration suffisamment ´elev´ee pour permettre les taux de croissance cellulaire et de production d’´ethanol appropri´es. De plus, les levures ne sont pas r´eutilis´ees, ce qui indique qu’il ne faut pas utiliser tout le potentiel de la biomasse cellulaire form´ee au cours du processus [28].
3.7.2 Fermentation semi-continue
La fermentation semi-continue est l’un des r´egimes de culture les plus utilis´es lorsque les concentrations ´elev´ees de substrat inhibent le processus m´etabolique sp´ecifiques comme ceux li´es `a la vitesse de croissance cellulaire. Pour cette raison, les micro-organismes se d´eveloppent plus rapidement `a de faibles concentrations de substrat. Ce type de r´egime de culture avec le recyclage des cellules est la technologie la plus utilis´ee au Br´esil pour la production de bio´ethanol en raison de la possibilit´e d’atteindre des productivit´es volu- m´etriques plus ´elev´ees [28].
3.7.3 Fermentation en continue
La fermentation en continue consiste en la culture de cellules dans un bior´eacteur auquel le milieu frais est ajout´e en permanence et duquel un flux d’effluent de bouillon de culture est d´Ethanolic Fermentation Technologies efinitivement ´elimin´e, comme le montre la figure3.5. 161
7.1.2.3 Continuous fermentation
Continuous fermentation consists of the cultivation of cells in a bioreactor to which the fresh medium is permanently added and from which an effluent stream of culture broth is permanently removed, as shown in Figure 7.3. The microor- ganisms are reproduced within the bioreactor at a grow rate that offsets the cells withdrawal with the effluent achieving the corresponding steady state. To ensure the system homogeneity and reduce concentration gradients in culture broth, continuous stirred-tank reactors (CSTR) are employed. In this way, a constant production of fermented wort can be obtained without the need of stopping the bioreactor operation in order to perform the periodic procedures typical of batch processes, such as filling-up and unloading. This allows a remarkable increase in volumetric productivity compared to discontinuous or semicontinuous processes (see Table 7.1).
The design and development of continuous fermentation systems have allowed the implementation of more effective processes from the viewpoint of the produc- tion costs. Continuous processes have a series of advantages in comparison to conventional batch processes mainly due to reduced construction costs of the bio- reactors, lower requirements of maintenance and operation, better control of the process, and higher productivities (Sánchez and Cardona, 2008). For those very reasons, 30% of ethanol production facilities in Brazil utilize continuous fermen- tation processes (Monte Alegre et al., 2003). Most of these advantages are due to the high cell concentration found in this type of bioreactor. Such high densities can be reached by immobilization techniques, recovery and recycling of biomass, or control of cell growth. The major drawback is that cultivation of yeasts during a long time under anaerobic conditions diminishes their ability to produce etha-
(a) (b) Q V, X, S, P Si Q V1 V2 Vn Si S1, P1 X1 Sn–1, Pn–1 Xn–1
fiGure 7.3 Schematic diagram of continuous fermentation: (a) single-stage continuous
cultivation employing one CSTR, (b) multistage continuous cultivation employing several CSTR. Q = feed stream flow rate; S, X, P = concentrations of substrate, cell biomass, and product, respectively; V = volume of culture broth in fermentation vessel. Subindexes: i, feed stream (influent); 1,2,…n–1,n, stages of the cascade scheme.
Figure 3.5 – Sch´ema de principe de la fermentation en continue : (a) culture continue en une ´etape utilisant un CSTR, (b) culture continue en plusieurs ´etapes utilisant plusieurs CSTR. Q = d´ebit du flux d’alimentation ; S, X, P = concentrations de substrat, de biomasse cellulaire et de produit, respectivement ; V = volume de bouillon de culture dans une cuve de fermentation. Sous-indices : i, flux d’alimentation (influent) ; 1,2,...n-1, n, ´etapes du sch´ema en cascade [28]
Les micro-organismes sont reproduits dans le bior´eacteur `a une vitesse de croissance qui compense le retrait des cellules, l’effluent atteignant l’´etat stationnaire correspondant. Pour garantir l’homog´en´eit´e du syst`eme et r´eduire les gradients de concentration dans le bouillon de culture, des r´eacteurs `a cuve agit´ee en continu (CSTR) sont utilis´es. De cette fa¸con, une production constante de moˆut ferment´e peut ˆetre obtenue sans qu’il soit n´ecessaire d’arrˆeter le fonctionnement du bior´eacteur afin d’effectuer les proc´edures
Premi`ere partie : Etude bibliographique
Chap.III.
Fermentation des sucres en ´ethanol
p´eriodiques typiques des processus par lots, telles que le remplissage et le d´echargement. Cela permet une augmentation remarquable de la productivit´e volum´etrique par rapport aux processus discontinus ou semi-continus [28].