BE1021481B1 - Procede de purification d'une solution aqueuse d'acide lactique au depart de sous-produits a haute teneur en hydrates de carbone - Google Patents
Procede de purification d'une solution aqueuse d'acide lactique au depart de sous-produits a haute teneur en hydrates de carbone Download PDFInfo
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Abstract
Procédé de purification d'une solution aqueuse d'acide lactique au départ de sous-produits à haute teneur en hydrates de carbone La présente invention se rapporte à un procédé de purification d'une solution aqueuse 10 d'acide lactique, obtenue par fermentation d'une source d'hydrate de carbone contenant une part de sucres non fermentescibles tels que des oligosaccharides (DPn). Figure 1. 2012/0673
Description
Procédé de purification d’une solution aqueuse d’acide lactique au départ de sous-produits à haute teneur en hydrates de carbone
Domaine de l’invention
La présente invention se rapporte à un procédé de purification d’une solution aqueuse d’acide lactique, obtenue par fermentation d’une source d’hydrates de carbone contenant une part de sucres non fermentescibles tels que des oligosaccharides (DPn).
Etat de l’art
La conjoncture économique actuelle impose aux industriels la nécessité de sans cesse chercher à réduire leurs coûts de production et plus particulièrement ceux liés aux matières premières. L’acide lactique n’échappe pas à cette pression des marchés et l’utilisation de sous-produits ou de déchets de l’industrie est perçue comme une alternative.
Actuellement, les matières premières utilisées dans la production d’acide lactique par fermentation sont des hydrates de carbone plutôt nobles et purs, tels que, par exemple, le saccharose ou certains sirops de glucose. L’inconvénient majeur de ces sources est évidemment leur coût élevé dû principalement à leur pureté.
Il existe néanmoins d’autres sources d’hydrates de carbone de pureté moindre, disponibles en grandes quantités et à faibles coûts comme par exemple : - Les sous-produits issus de l’industrie amidonnière (blé, maïs, pomme de terre,...) - Les sous-produits issus de l’hydrolyse de la cellulose ; l’hémicellulose et la lignine. Ces derniers sont contenus dans la paille, le blé, le maïs, la bagasse, le bois, les rejets de l’industrie papetière, etc... - Les sous-produits issus de l’industrie sucrière tels que le saccharose, contenu dans la mélasse, le jus vert de canne et certains effluents.
Le brevet EP0986532 décrit un procédé de purification de l’acide lactique obtenu par fermentation cependant, ces matières premières de moindre pureté contiennent des polysaccharides non-fermentés ou non-fermentescibles qui perturbent le bon déroulement des étapes de purification décrite. En particulier : - La déminéralisation (encrassement irréversible de résines d’échange ionique). - L’évaporation (encrassement des évaporateurs, perte de l’efficacité thermique du système et développement important de la coloration du produit traité). - La distillation (rendement faible et entrainement d’impuretés dans le produit final)
Ce procédé ne permet donc pas de produire de façon économiquement rentable de l’acide lactique de grande pureté au départ de ces substrats.
Le brevet EP1094054 décrit un procédé de séparation et de purification de l’acide lactique par électrodialyse avec une étape déminéralisation cationique, cependant ni la décationisation ni l’électrodialyse ne permettent d’éliminer les substances non-fermentés ou non-fermentescibles provenant de la fermentation.
Le brevet US5814498 décrit l’utilisation de filtration tangentielle, particulièrement de nanofiltration, couplée ou non à une étape de déminéralisation cationique afin d’éliminer les cations divalents du type calcium et magnésium. Les brevets CA2227398 et US5681728 décrivent également la production d’acide lactique par électrodialyse avec une possible nanofiltration permettant d’éliminer les cations divalents.
En effet si ces ions ne sont pas éliminés, ils formeront des films métal hydroxyde qui obstrueront et colmateront irréversiblement les membranes de l’unité d’électrodialyse requise pour permettre l’extraction de l’acide lactique. Cependant ce procédé ne traite pas du problème de l’élimination des polysaccharides non-fermentés ou non fermentescibles.
Il existe donc un besoin de trouver un procédé de purification de l’acide lactique, obtenu à partir de sources d’hydrate de carbone, qui permette d’atteindre les grades attendus par le marché.
Brève description de l’invention
La présente invention se rapporte à un procédé de purification d’une solution aqueuse d’acide lactique, obtenue par fermentation d’une source d’hydrate de carbone contenant une part de sucres non fermentescibles tels que des oligosaccharides (DPn), qui comprend les étapes suivantes : a. Une déminéralisation cationique avec élimination des cations multivalents susceptibles de former des sels insolubles b. Une filtration membranaire de la solution partiellement déminéralisée avec obtention d’un rétentat contenant l’essentielle partie des DPn et d’un perméat contenant l’essentielle partie de l’acide lactique. c. Une déminéralisation anionique du perméat afin d’éliminer les anions qui pourraient favoriser les réactions de condensation de l’acide lactique. d. Une concentration du perméat apte à réduire la polycondensation de l’acide lactique par utilisation de la technique de la couche mince. e. Une distillation de l’acide lactique apte à réduire sa polycondensation.
Description détaillée de l’invention L’invention concerne un procédé de purification d’une solution aqueuse d’acide lactique, obtenue par fermentation d’une source d’hydrate de carbone contenant une part de sucres non fermentescibles tels que des oligosaccharides (DPn).
De manière préférée, les substrats de départ pour la fermentation seront des substrats impurs issus de l’industrie de l’amidon, de la cellulose ou du saccharose. Ils peuvent également provenir d’un résidu du raffinage du sucre (canne ou betterave) comme la mélasse. Cependant, cette dernière contient du sucre, dont la teneur est variable, mais également des carbohydrates, des composés organiques (des acides carboxyliques, aliphatiques et oléfiniques), des protéines et des phénols.
Pour toutes ces matières premières polymériques, il est évident que les sous-produits à faible coût résultent soit d’une hydrolyse inachevée, soit d’une purification partielle et donc de la présence plus marquée d’impuretés de tous genres mais surtout de molécules polysaccharidiques habituellement reprisent sous le vocable de DPn.
Le procédé de l’invention (figure 1) comprend les étapes suivantes : a. Une déminéralisation cationique avec élimination des cations multivalents susceptibles de former des sels insolubles b. Une filtration membranaire de la solution partiellement déminéralisée avec obtention d’un rétentat contenant l’essentielle partie des DPn et d’un perméat contenant l’essentielle partie de l’acide lactique. c. Une déminéralisation anionique du perméat afin d’éliminer les anions qui pourraient favoriser les réactions de condensation de l’acide lactique. d. Une concentration du perméat apte à réduire la polycondensation de l’acide lactique par utilisation de la technique de la couche mince. e. Une distillation de l’acide lactique apte à réduire sa polycondensation. a. Déminéralisation cationique
La solution d’acide lactique issue de la fermentation est fortement chargée en ions (teneurs pouvant aller jusqu’à 12000 ppm en cations et 22000 ppm en anions), elle est donc traitée par percolation sur une résine cationique de manière à éliminer les cations multivalents, principalement divalents, susceptibles de former des sels insolubles lors de . l’étape suivante de filtration membranaire. Il est possible de pousser cette décationisation jusqu’à l’élimination des espèces cationiques monovalentes (sodium, potassium, ammonium) ou de se cantonner à n’éliminer que les ions multivalents, ce choix étant laissé à la discrétion de l’utilisateur.
Bien que ce ne soit pas sa vocation première dans le cadre de l’invention, la société Demanderesse a constaté que le traitement de décationisation est accompagné d’un effet de décoloration de la solution d’acide lactique.
On entend par résine cationique, des résines échangeuses de cations macroporeuses ou non, cations fors ou faibles ; telles que, de manière non exhaustive, les produits commercialisés par Rhom & Hass sous les références «Amberlite 252 Na», « Amberlite 252 H », « Amberlite 252RF H », « IMAC HP1110 Na », « Amberlite SR IL Na », « IMAC C16P Na », « Amberlite 200C Na », etc...
La solution d’acide lactique obtenue à l’issue de ce traitement est généralement caractérisée par une concentration située entre 50 et 200 g/1 et une charge cationique totale inférieure à 50 ppm alors que la charge totale en cations multivalents est inférieure à 10 ppm voire à 5 ppm. Sa coloration est inférieure à 2000 Hazen et peut même être inférieure à 250 Hazen. b. Filtration membranaire (nanofiltration-)
La solution d’acide lactique partiellement déminéralisée est ensuite traitée par filtration membranaire, en particulier par nanofiltration. La pression de travail se situe entre 1 MPa et 3 MPa.
La porosité de la membrane, parfois exprimée en terme de seuil de rétention, ainsi que le design des modules et carters de filtration, sont judicieusement choisis en fonction, d’une part de la taille des molécules à éliminer (disaccharides, trisaccharides, polysaccharides, molécules colorantes, protéines, colloïdes,...), d’autre part en fonction de la taille des molécules dont l’élimination doit être évitée (acide lactique), et enfin en fonction des paramètres opératoires (température, pH, pressions) et des objectifs de débit transmembranaires. Dans la présente invention, les porosités se situent entre 100 et 1000 Dalton, préférentiellement entre 100 et 800 et plus préférentiellement entre 100 et 400 Dalton.
On peut citer, de manière non exhaustive, les membranes commercialisées par OSMONICS DESAL sous les références « DL4040F », « DL8040F », « DL1SF », « DL2540F », « DL2540C », « DL2540F », etc...
Dans le cadre de la présente invention, le procédé de nanofiltration peut être conduit soit de manière continue, soit de manière discontinue (batch). Durant le traitement, les molécules qui passent au travers de la membrane constituent une fraction appelée « perméat » contenant toute ou l’essentielle partie de l’acide lactique contenu dans la solution partiellement déminéralisée de départ ; alors que les molécules rejetées par la membrane se concentrent dans une fraction généralement appelée « rétentat », qui est recyclé vers le bac d’alimentation. Les macromolécules telles que les polysaccharides, les colorants, etc... sont ainsi progressivement concentrées dans un volume de rétentat de plus en plus réduit (la nature des impuretés, via le colmatage des membranes et l’augmentation de la viscosité du rétentat, viennent en fixer les limites). Cette concentration est contrôlée par le facteur de concentration volumique (FCV) qui se définit comme le rapport du volume initial sur le volume de rétentat (FCV moyen) ou du débit d’alimentation sur le débit de rétentat (FCV instantané).
Le perméat récolté est caractérisé par une concentration en acide lactique comprise entre 50 et 185 g/1 et une coloration située entre 5 et 250 Hazen. La demanderesse a également observé une légère diminution de la teneur en certains anions de type sulfates et la teneur en polysaccharide de plus de 3 unités glucose est inférieure à 0,5 g/1.
En l’absence de l’étape de déminéralisation cationique qui élimine les ions divalents (en particulier le calcium), le facteur de concentration, induit par la nanofiltration, engendrerait la formation de composés insolubles (en particulier le sulfate de calcium, par combinaison des ions calcium avec les ions sulfates provenant de l’étape d’acidification du jus de fermentation), qui viendraient colmater et obstruer les membranes. Ces colmatages d’ordinaires peu réversibles, nécessitent, dès lors, des lavages fréquents et coûteux des membranes ainsi que leur remplacement anticipé.
Afin d’améliorer le rendement de récupération de l’acide lactique lors de l’opération en diminuant sa teneur dans le rétentat, une diafiltration (dilution du rétentat à l’eau) peut éventuellement être réalisée en fin de concentration. La membrane de diafiltration peut être, bien que cela ne soit pas obligatoire dans le cadre de l’invention, de même nature que celle utilisée pour la nanofiltration. Cette étape peut être conduite de manière continue ou discontinue, éventuellement au sein même des modules de nanofiltration lorsque celle-ci est conduite de manière discontinue ou durant les étapes non-productives de son cycle (étape d’attente lors des séquences de rinçage/nettoyage des membranes). Le facteur de concentration est fonction de la concentration et de la nature des impuretés présentes, de la concentration en acide lactique présente dans le rétentat et de la possibilité d’éventuellement recycler le perméat obtenu. Ce facteur peut varier de 0,5 à 10 bien qu’une valeur comprise entre 1 et 5 soit généralement d’application (un facteur de 2 correspond à 2 volumes d’eau pour 1 volume de rétentat issu de la nanofiltration). c. Déminéralisation anionique
Le perméat issu de l’étape de nanofiltration est traité sur résine anionique afin d’éliminer toute trace d’anions, tels que principalement les chlorures et les sulfates, anions perturbateurs lors des étapes suivantes de concentration et distillation.
On entend par résine anionique, des résines échangeuses d’anions fortes ou faibles, telles que, de manière non exhaustive, les produits commercialisés par Rhom & Hass sous les références «Amberlite IRA67 », «IMAC HP661 », «DUOLITE A561 », A568, etc...
La solution d’acide lactique obtenue se caractérise par une concentration située entre 50 et 185 g/1 et une teneur totale en anions inférieure à 10 ppm voire à 5 ppm. La coloration peut être inférieure à 40 voire 20 Hazen.
Le cas échéant, et bien que cela ne soit pas indispensable pour la bonne exécution de l’invention mais que cela puisse être requis par souci de constance dans la production, l’acide peut être à nouveau traité par percolation sur des résines d’échange ionique cationiques et anioniques. Cette étape permettra d’éliminer les traces d’ions résiduels pouvant provenir entre autre des réactifs chimiques (hydroxyde de sodium ; acide chlorhydrique ou sulfurique...) utilisés lors de cycles de régénération des dites résines. La/les résine(s) peut/peuvent être, bien que ce ne soit pas obligatoire dans le cadre de l’invention, de même nature que celle(s) utilisée(s) pour les déminéralisations précédentes. d. Concentration et post-concentration
La solution d’acide lactique issue du traitement sur résines est ensuite concentrée en deux étapes.
La première étape consiste en la concentration rapide et à basse température de la solution d’acide lactique, jusqu’à atteindre une concentration comprise entre 50 et 95%, préférentiellement entre 70 et 95%. Une approche préférée de l’invention envisage la conduite de cette évaporation sous pression réduite, maintenue entre 0,005 MPa et 0,05 MPa, afin d’assurer une température d’ébullition de la solution aussi basse que possible.
Cette étape de l’invention est réalisée par toute technique connue de l’homme de l’art comme, par exemple, l’évaporation en film ruisselant, simple ou multiples effets, associée ou non à des systèmes de recompression mécanique ou thermique des vapeurs.
La deuxième étape consiste en la post-concentration de la solution d’acide lactique effiuant de l’étape de concentration jusqu’à une teneur suffisante pour en permettre la distillation. L’opération peut avantageusement être réalisée, avec un temps de séjour minimal et à une température aussi basse que possible, dans un appareil à couche mince et plus particulièrement à film mince mécaniquement agité (thin-film) ou à l’aide d’un évaporateur à court trajet (short path). La pression est comprise entre 0,001 et 0,05 MPa, préférentiellement entre 0,005 et 0,03 MPa et plus préférentiellement entre 0,005 et 0,015 MPa. La température de la paroi chauffante du corps de l’évaporateur est ajustée de manière, essentiellement, à supporter la vaporisation de l’eau libre contenue dans la solution à concentrer sans pour autant surchauffer cette dernière, elle est comprise entre 50 et 200°C et plus préférentiellement entre 80 et 150°C. e. Distillation
La solution d’acide lactique concentrée est soumise à une distillation conduite dans un réacteur maximisant la surface de vaporisation par rapport au volume de liquide, c’est-à-dire par un réacteur exploitant les propriétés de la couche mince.
Une approche préférée de l’invention consiste à utiliser pour la distillation de l’acide lactique, un évaporateur à film mince mécaniquement agité, à l’extérieur duquel l’acide lactique purifié est condensé (thin-film) ou un évaporateur à court trajet muni d’un condenseur interne (short pass). La température de la paroi est maintenue entre 50 et 180°C, préférentiellement entre 80 et 160°C, plus préférentiellement entre 110 et 160°C. La pression est comprise entre 10"7et 0,01 MPa absolus, préférentiellement entre 10'5 et 2.10‘5 MPa absolus, plus préférentiellement entre 10"4 et 2.10'3 MPa.
Une alternative (figure 2) au procédé de l’invention décrit par les étapes « a » à « e » consiste à éliminer, totalement ou partiellement, l’étape « a » de déminéralisation cationique. Dans ce cadre, la solution d’acide lactique issue de la fermentation est directement traitée par nanofiltration (étape b) et le perméat récolté suivra ensuite les étapes « c » à « e ». Néanmoins, étant donné que la nanofiltration induit un facteur de concentration au niveau du rétentat et que les cations divalents sont toujours présents, la membrane va rapidement se colmater suite à la précipitation des sels (sulfate de calcium en particulier). Afin d’éviter cette précipitation, il convient de provoquer la cristallisation en dehors du module de nanofiltration. Pour ce faire, sachant que le sulfate de calcium présente une courbe de solubilité inversée par rapport à la température, le rétentat sortant du module de nanofiltration est réchauffé de manière à en diminuer sa concentration de saturation en sulfate de calcium, ce qui a pour conséquence de provoquer sa cristallisation dans le bac de maturation. Le sulfate de calcium est alors éliminé par filtration ou toute autre technique de séparation solide/liquide connue de l’homme de l’art (décantation, centrifugation,...).
La solution ainsi débarrassée de son contenu en sulfate de calcium insoluble est ensuite refroidie suffisamment ce qui augmente la capacité de dissolution de ce sel et prévient la cristallisation (due à la concentration) du sulfate de calcium encore contenu sous forme dissoute lors d’un nouveau passage dans le module de nanofiltration. La porosité de la membrane de filtration sera judicieusement choisie en fonction de la taille des cristaux à éliminer mais également des débits à traiter et pourra être inférieure à 20 pm voire à 10 pm. De même, les températures de chauffe et de refroidissement seront optimisées afin de garantir un bilan enthalpique cohérent tout en tenant compte de l’influence des impuretés présentes dans les flux à traiter. D’autres détails et particularités de l’invention, donnés ci-après à titre d’exemples non-limitatifs, ressortent de la description comme quelques formes possibles de sa réalisation.
Exemple 1
Une solution d’acide lactique, obtenue par fermentation au départ d’un dextrose contenant 2% en poids de polysaccharides de DPn (n > 3), est chaulée et filtrée de sorte à en extraire les micro-organismes avant d’être acidifié avec de l’acide sulfurique jusqu’à un pH de 2 et à une température de 72-75°C. Le slurry ainsi obtenu est ensuite filtré de sorte à extraire d’une part un gâteau composé essentiellement de sulfate de calcium et d’autre part, un filtrat. La composition du filtrat est reprise dans le tableau 1.
Tableau 1 : composition de la solution d’acide lactique après filtration
(*) Teneur en DPn (n>3) ; Teneur en Glucose (3,6 gr/1) et Maltose (3,4 gr/1) restant constante a. Déminéralisation cationique
Le filtrat obtenu ci-dessus est alimenté à raison de 3 BV/h sur une colonne contenant 1 BV de résine macroporeuse cationique «Rhom & Hass Amberlite 252 Na», préalablement dépolluée par passage de soude sous forme d’une solution à 4%, ainsi que par passage d’acide chlorhydrique sous forme d’une solution à 7% pour neutraliser la solution précédente. La résine est également préalablement conditionnée sous forme H+ par passage de 2 BV d’une solution d’acide chlorhydrique à 10%.
La composition de la solution d’acide lactique après déminéralisation est reprise dans le tableau 2.
Tableau 2 : composition de la solution d’acide lactique après déminéralisation cationique
(*) Teneur en DPn (n>3) ; Teneur en Glucose (3,6 gr/1) et Maltose (3,4 gr/1) restant constante
Afin de démontrer l’importance de l’invention lors du traitement de ce type de matière première, le jus issu de la déminéralisation cationique a été scindé en deux fractions. La première (A) suivra la succession des étapes de purification suivantes : nanofiltration, déminéralisation anionique, concentration et distillation. La seconde fraction (B) par contre ne sera pas traitée en nanofiltration et suivra donc les étapes suivantes : déminéralisation anionique, concentration et distillation. b. Filtration membranaire (nanofiltration)
La fraction A est traitée par nanofiltration dans une unité de type « SEPA CF Membrane Cell » commercialisée par la société OSMONICS S.A. Cette unité est dotée d’une membrane « DESAL DL 1 SF » d’une surface de 0,027 m2 et d’une porosité comprise entre 100 et 300 Dalton. La solution d’acide lactique est traitée à température ambiante et à une pression fixée à 3 MPa. Les compositions du perméat et du rétentat obtenus après nanofiltration de la fraction A sont repris dans le tableau 3.
Tableau 3 : composition du perméat et du rétentat après nanofiltration de la fraction A n Glucose : 1,1 g/1 ; Maltose : 0 g/1
Durant l’essai le débit moyen du perméat à travers la membrane a été déterminé à 13,65 1/h.m2 et fluctue entre 26,15 et 2,65 1/h.m2. On peut observer dans le tableau ci-dessus que le maltose et tous les DPn se retrouvent dans le rétentat. c. Déminéralisation anionique
La fraction B, non nanofïltrée, et le perméat issu de la nanofiltration de la fraction A sont déminéralisés par percolation sur résine anionique à raison de 3BV/h sur le dessus d’une colonne contenant 1BV de résine anionique faible commercialisée par Applexion sous la référence « XA 945 ». Cette résine étant préalablement conditionnée sous forme basique par percolation de 2BV de soude caustique à 5% de concentration. Les compositions des solutions déminéralisées sont reprises dans le tableau 4.
Tableau 4 : composition des solutions A et B d’acide lactique après déminéralisation anionique
(*)Teneur en DPn(n>3)
On observe dans le tableau ci-dessus que la solution B (non nanofiltrée) contient encore une concentration élevée en DPn. d. Concentration et post-concentration
Les solutions A et B d’acide lactique sont ensuite concentrées dans un évaporateur à film ruisselant en inox présentant une surface d’évaporation de 0,1 m2. La solution concentrée d’acide lactique est extraite au même débit que le débit d’alimentation du système (3,5 1/h) afin d’y maintenir un niveau constant. Le chauffage de la paroi est assuré par une circulation d’huile caloporteuse dans une double enveloppe. Les conditions de pression et de température sont respectivement de 0,01 MPa et 100°C. Les résultats sont repris dans le tableau 5.
Tableau 5 : composition des solutions A et B d’acide lactique après concentration dans un évaporateur à film ruisselant
On peut observer après concentration une forte coloration de la solution B (non nanofiltrée).
Les deux solutions subissent ensuite une post-concentration dans un évaporateur en verre borosilicate à film mince mécaniquement agité d’une surface de chauffage de 0,06 * m . La température de cet évaporateur est ajustée par circulation d’huile caloporteuse dans une double enveloppe, il dispose également d’un condenseur interne (short path) refroidi par circulation d’eau. Durant l’essai, l’ensemble est maintenu sous une pression de 0,01 MPa, une température de parois de 110°C, une température de condenseur de 15°C, une vitesse de rotation de 600 rpm (rotations par minute) et un débit d’alimentation de 11/h.
Les résultats sont repris dans le tableau 6.
Tableau 6 : composition des solutions A et B d’acide lactique après postconcentration dans un évaporateur à couche mince mécaniquement agité
A l’issue de ces essais de post-concentration, nous avons constaté avec la solution B, un encrassement important de l’évaporateur suite à la haute viscosité de la solution issue de l’étape précédente de concentration. e. Distillation
Les deux solutions d’acide lactique concentrées, A et B, obtenues sont ensuite distillées dans la même unité que celle décrite pour la post-concentration. La pression a été portée à 10'3 MPa et la température à 140°C. La coloration du distillât obtenu pour chacune des solutions, sera considérée comme représentative de la pureté chimique de la solution finale d’acide lactique. Les résultats sont repris dans le tableau 7.
Tableau 7 : composition des solutions A et B d’acide lactique après distillation dans un évaporateur à couche mince mécaniquement agité
Pour la solution d’acide lactique B, la distillation a dû être arrêtée avant son terme suite au colmatage de l’unité (blocage du rotor).
Cet exemple prouve donc la nécessité de passer par une étape de nanofiltration lors de l’utilisation de matières premières contenant des DPn.
Exemple 2
Le rétentat issu de la nanofiltration de la solution A de l’exemple 1 subit une étape de diafiltration. Cette étape va permettre la récupération dans le perméat de l’acide lactique encore contenu dans le rétentat. Ce perméat pourra alors être recyclé dans le procédé. La diafiltration est effectuée dans la même cellule de nanofiltration, ainsi qu’avec les mêmes paramètres de pression et de température que décrits dans l’exemple 1. La membrane utilisée est la même que celle utilisée précédemment pour la nanofiltration de la solution A. 2,3 litres d’eau déminéralisée sont ajoutés à 1 litre de rétentat. Cette solution est alors passée à travers la membrane jusqu’à obtenir un FCV de 2,3.
La composition du rétentat est reprise dans le tableau 8.
Tableau 8 : composition du perméat et du rétentat après diafiltration
Exemple 3
Une solution d’acide lactique, obtenue par fermentation au départ d’un dextrose contenant 2% en poids de polysaccharides de DPn (n > 3), est chaulée et filtrée de sorte à en extraire les micro-organismes avant d’être acidifié avec de l’acide sulfurique jusqu’à un pH de 2 et à une température de 72-75°C. Le slurry ainsi obtenu est ensuite filtré de sorte à extraire d’une part un gâteau composé essentiellement de sulfate de calcium et d’autre part, un filtrat. La composition du filtrat est reprise dans le tableau 9.
Tableau 9 : composition de la solution d’acide lactique après filtration
(*) Teneur en DPn (n>3) ; Teneur en Glucose (3,6 gr/l) et Maltose (3,4 gr/1) restant constante A ce stade, la solution d’acide lactique est saturée en sel d’acide lactique (CaSC>4 : gypse). Contrairement à l’exemple 1, l’étape de déminéralisation cationique est éliminée et substituée par une précipitation progressive et contrôlée de ce sel (gypse) durant l’étape de nanofiltration. a. Filtration membranaire (nanofiltration) avec précipitation progressive du gypse 20 litres de solution sont traitées, jusqu’à obtenir un FCV de 20, dans la même cellule de nanofiltration et les mêmes conditions que dans l’exemple 1.
Afin d’éviter le colmatage des membranes, la solution entrante d’acide lactique est préalablement désaturée par refroidissement. C’est-à-dire aussi que le FCV instantané dans les membranes est limité pour rester en dessous de la limite de solubilité. La solution entre ensuite dans la cellule de nanofiltration, le rétentat sortant est porté au-dessus de la limite de solubilité par chauffage. Le delta de température, entre le produit chaud et froid, est de 20°C environ. Ce phénomène de refroidissements et de chauffages successifs va favoriser la précipitation du gypse dans le rétentat qui retourne dans le bac de maturation. S’ensuit alors une filtration du produit chaud, étape qui permet rélimination du gypse précipité. Le filtre de protection commence à retenir le gypse au bout de 12 litres de perméat traités, soit un FCV de 2,5.
Le débit moyen du perméat à travers la membrane est de 10,3 1/h.m2. La composition du perméat est reprise dans le tableau 10.
Tableau 10 composition du perméat après nanofîltration avec précipitation du gypse
(*)Teneur en DPn(n>3)
On peut donc observer une diminution de la coloration d’un pourcentage de 99% ainsi qu’une réduction de la concentration en cations calcium et en anions sulfates respectivement de 97,8% et 78%. b. Déminéralisation anionique
Le perméat issu de la nanofiltration est déminéralisé par percolation sur résine anionique dans les mêmes conditions que celles décrites dans l’exemple 1. La composition de la solution déminéralisée est reprise dans le tableau 11.
Tableau 11 : composition de la solution d’acide lactique après déminéralisation anionique
(*)Teneur en DPn(n>3) c. Concentration et post-concentration
La solution d’acide lactique est ensuite concentrée dans un évaporateur à film ruisselant dans les mêmes conditions que celles décrites dans l’exemple 1. Les résultats sont repris dans le tableau 12.
Tableau 12 : composition de la solution d’acide lactique après concentration dans un évaporateur à film ruisselant
La solution subit ensuite une post-concentration dans un évaporateur en verre borosilicate à film mince mécaniquement agité dans les mêmes conditions que celles décrites dans l’exemple 1.
Les résultats sont repris dans le tableau 13.
Tableau 13 : composition de la solution d’acide lactique après post-concentration dans un évaporateur à couche mince
d. Distillation
La solution d’acide lactique concentrée obtenue est ensuite distillée dans la même unité que celle décrite pour la post-concentration et dans les conditions de l’exemple 1. La coloration du distillât obtenu sera considérée comme représentative de la pureté chimique de la solution finale d’acide lactique. Les résultats sont repris dans le tableau 14.
Tableau 14 : composition des solutions A et B d’acide lactique après distillation dans un évaporateur à couche mince
Cet exemple prouve donc que l’étape de nanofiltration avec précipitation progressive du gypse est une alternative efficace du procédé de l’invention. En effet, l’étape de distillation est facilitée et le produit final correspond aux spécifications attendues.
Claims (9)
- REVENDICATIONS1. Procédé de purification d’une solution aqueuse d’acide lactique, obtenue par fermentation d’une source d’hydrate de carbone contenant une part de sucres non fermentescibles tels que des oligosaccharides (DPn), caractérisé en ce qu’il comprend : a. Une déminéralisation cationique avec élimination des cations multivalents susceptibles de former des sels insolubles b. Une filtration membranaire de la solution partiellement déminéralisée avec obtention d’un rétentat contenant l’essentielle partie des DPn et d’un perméat contenant l’essentielle partie de l’acide lactique. c. Une déminéralisation anionique du perméat afin d’éliminer les anions qui pourraient favoriser les réactions de condensation de l’acide lactique. d. Une concentration du perméat apte à réduire la polycondensation de l’acide lactique par utilisation de la technique de la couche mince. e. Une distillation de l’acide lactique apte à réduire sa polycondensation.
- 2. Procédé de purification suivant la revendication 1 caractérisé en ce que la source d’hydrate de carbone contenant des DPn est issu l’hydrolyse totale ou partielle de produits ou sous-produits de l’industrie amidonnière, sucrière ou de la cellulose.
- 3. Procédé de purification suivant les revendications 1 et 2 caractérisé en ce que la déminéralisation cationique est effectuée à l’aide d’une ou plusieurs résine(s) échangeuse(s) de cations, macroporeuse(s) ou non, de type cations forts ou faibles.
- 4. Procédé de purification suivant les revendications 1 et 2 caractérisé en ce que l’étape de filtration membranaire est une nanofiltration, continue ou discontinue, seule ou couplée à une diafiltration continue ou discontinue.
- 5. Procédé de purification suivant la revendication 4 caractérisé en ce que la nanofiltration requiert une porosité membranaire se situant entre 100 et 1000 Dalton, préférentiellement entre 100 et 800 Dalton et plus préférentiellement entre 100 et 400 Dalton.
- 6. Procédé de purification suivant les revendications 1 et 2 caractérisé en ce que la déminéralisation anionique est effectuée à l’aide d’une ou plusieurs résine(s) échangeuse(s) d’anions de type anions forts ou faibles.
- 7. Procédé de purification suivant les revendications 1 et 2 caractérisé en ce que la distillation est réalisée par toute technique connue de l’homme de l’art applicable à l’acide lactique telle que, de manière non limitative, un évaporateur couche mince mécaniquement agité.
- 8. Procédé de purification d’une solution aqueuse d’acide lactique, obtenue par fermentation d’une source d’hydrate de carbone contenant une part de sucres non fermentescibles tels que des oligosaccharides (DPn) et neutralisée par un oxyde ou un hydroxyde de calcium puis acidifiée à l’acide sulfurique, caractérisé en ce qu’il comprend : a. Une filtration membranaire de la solution partiellement déminéralisée avec obtention d’un rétentat contenant l’essentielle partie des DPn et d’un perméat contenant l’essentielle partie de l’acide lactique. b. Une élimination par précipitation progressive et contrôlée du sulfate de calcium présent dans le rétentat afin d’éviter le colmatage des membranes. c. Une déminéralisation anionique du perméat afin d’éliminer les anions qui pourraient favoriser les réactions de condensation. d. Une concentration du perméat apte à réduire la polycondensation de l’acide lactique par utilisation de la technique de la couche mince. e. Une distillation de l’acide lactique.
- 9. Procédé suivant la revendication 8 caractérisé en ce que l’élimination par précipitation progressive et contrôlée est assurée par chauffages et refroidissements successifs de la solution afin de confiner la cristallisation et l’extraction des cristaux en dehors du module de filtration.
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Patent Citations (2)
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| JOGLEKAR H G ET AL: "Comparative assessment of downstream processing options for lactic acid", SEPARATION AND PURIFICATION TECHNOLOGY, ELSEVIER SCIENCE, AMSTERDAM, NL, vol. 52, no. 1, 1 November 2006 (2006-11-01), pages 1 - 17, XP028035493, ISSN: 1383-5866, [retrieved on 20061101], DOI: 10.1016/J.SEPPUR.2006.03.015 * |
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