CA2951353C - Procede de fermentation ibe - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne un procédé de production d'un mélange aqueux comprenant de l'isopropanol, du n-butanol et de l'éthanol comprenant une étape dans laquelle on fermente en stricte anaérobiose une solution aqueuse contenant des sucres en C5 et/ ou C6 et de l'acétate en présence d'un microorganisme fermentaire du genre Clostridium et dans lequel ladite solution aqueuse a une concentration en acétate comprise entre 0,5 et 10 g/L et un rapport massique (acétate) / (la somme des sucres en C5 et/ou C6) compris entre 0,005 et 0,35 g/g
Description
PROCEDE DE FERMENTATION IBE
La présente invention concerne un procédé de production d'un mélange aqueux comprenant de l'isopropanol, du n-butanol et de l'éthanol par fermentation d'une solution aqueuse comprenant des sucres en 05 et/ou 06.
Etat de la technique Afin de répondre aux enjeux de la transition énergétique, de nombreuses recherches sont actuellement menées pour développer des procédés pour produire de manière "verte" des intermédiaires chimiques qui peuvent se substituer à ceux généralement issus du pétrole.
Ainsi par exemple l'éthylène "vert" peut être synthétisé par déshydratation de l'éthanol qui est lui-même obtenu par fermentation de sucres, de préférence du glucose. Dans les procédés de production d'éthanol dits de "première génération", le glucose qui est fermenté provient de plantes sucrières telles que la betterave ou la canne à sucre. Dans les procédés dits de 1 5 "seconde génération", les sucres fermentés sont obtenus au départ de la biomasse lignocellulosique qui représente une des ressources renouvelables les plus abondantes sur terre. Les procédés de "seconde génération" mettent en jeu généralement les étapes suivantes :
= prétraitement de la biomasse pour rendre accessibles la cellulose et l'hémicellulose contenues dans la biomasse;
= hydrolyse enzymatique de la cellulose et l'hémicellulose pour produire un hydrolysat contenant du glucose, = fermentation en éthanol du glucose contenu dans l'hydrolysat, et = séparation/purification de l'éthanol obtenu après fermentation.
Un autre exemple de procédé actuellement étudié concerne la fermentation "butylique" de sucres qui permet la production de solvants. On peut citer par exemple les fermentations "ABE" qui correspond à la production d'un mélange comprenant de l'acétone, du n-butanol (produit majoritaire) et de l'éthanol ou "IBE" qui produit un mélange contenant de l'isopropanol, du n-butanol et de l'éthanol. Ces fermentations sont réalisées en anaérobiose et en présence d'un microorganisme fermentaire de genre Clostridium.
La validité économique de ces types de procédé de production d'alcool et/ou de solvant est difficile à obtenir même pour les opérateurs disposant d'une large ressource mobilisable.
L'optimisation de ces types de procédé passe notamment par une amélioration du rendement de l'étape de fermentation des sucres par les microorganismes les mieux adaptés.
La présente invention concerne un procédé de production d'un mélange aqueux comprenant de l'isopropanol, du n-butanol et de l'éthanol par fermentation d'une solution aqueuse comprenant des sucres en 05 et/ou 06.
Etat de la technique Afin de répondre aux enjeux de la transition énergétique, de nombreuses recherches sont actuellement menées pour développer des procédés pour produire de manière "verte" des intermédiaires chimiques qui peuvent se substituer à ceux généralement issus du pétrole.
Ainsi par exemple l'éthylène "vert" peut être synthétisé par déshydratation de l'éthanol qui est lui-même obtenu par fermentation de sucres, de préférence du glucose. Dans les procédés de production d'éthanol dits de "première génération", le glucose qui est fermenté provient de plantes sucrières telles que la betterave ou la canne à sucre. Dans les procédés dits de 1 5 "seconde génération", les sucres fermentés sont obtenus au départ de la biomasse lignocellulosique qui représente une des ressources renouvelables les plus abondantes sur terre. Les procédés de "seconde génération" mettent en jeu généralement les étapes suivantes :
= prétraitement de la biomasse pour rendre accessibles la cellulose et l'hémicellulose contenues dans la biomasse;
= hydrolyse enzymatique de la cellulose et l'hémicellulose pour produire un hydrolysat contenant du glucose, = fermentation en éthanol du glucose contenu dans l'hydrolysat, et = séparation/purification de l'éthanol obtenu après fermentation.
Un autre exemple de procédé actuellement étudié concerne la fermentation "butylique" de sucres qui permet la production de solvants. On peut citer par exemple les fermentations "ABE" qui correspond à la production d'un mélange comprenant de l'acétone, du n-butanol (produit majoritaire) et de l'éthanol ou "IBE" qui produit un mélange contenant de l'isopropanol, du n-butanol et de l'éthanol. Ces fermentations sont réalisées en anaérobiose et en présence d'un microorganisme fermentaire de genre Clostridium.
La validité économique de ces types de procédé de production d'alcool et/ou de solvant est difficile à obtenir même pour les opérateurs disposant d'une large ressource mobilisable.
L'optimisation de ces types de procédé passe notamment par une amélioration du rendement de l'étape de fermentation des sucres par les microorganismes les mieux adaptés.
2 Un but de l'invention est de proposer un procédé de production d'un mélange aqueux (isopropanol, n-butanol, éthanol) par fermentation d'une solution aqueuse de sucres ayant 5 (C5) et/ou 6 (C6) atomes de carbone au moyen d'un microorganisme fermentaire dont le rendement en solvant est amélioré.
Résumé de l'invention L'invention concerne donc un procédé de production d'un mélange aqueux comprenant de l'isopropanol, du n-butanol et de l'éthanol comprenant une étape dans laquelle on fermente en anaérobiose une solution aqueuse contenant des sucres en C5 et/ou C6 et de l'acétate en présence d'un microorganisme fermentaire du genre Clostridium et dans lequel ladite solution aqueuse a une concentration en acétate comprise entre 0,5 et 10 g/L et un rapport massique (acétate) / (la somme des sucres en C5 et/ou C6) compris entre 0,005 et 0,35 g/g.
Une autre réalisation de l'invention concerne un procédé production de biocarburant sous forme d'éthanol à partir de biomasse lignocellulosique, ledit procédé
comprenant les étapes suivantes :
= on prétraite la biomasse lignocellulosique pour rendre accessibles de la cellulose et de l'hémicellulose contenues dans la biomasse;
= on effectue une hydrolyse enzymatique de la cellulose et de l'hémicellulose pour produire un hydrolysat contenant des sucres; et = on fermente en présence d'un microorganisme fermentaire les sucres de l'hydrolysat pour produire du biocarburant sous forme d'éthanol ;
le procédé mettant en oeuvre en outre une étape de production d'un mélange aqueux comprenant de l'isopropanol, du n-butanol et de l'éthanol, caractérisée en ce que dans ladite étape on fermente en anaérobiose une solution aqueuse contenant des sucres en C5 et/ou C6 et de l'acétate en présence d'un microorganisme fermentaire du genre Clostridium et dans lequel ladite solution aqueuse a une concentration en acétate comprise entre 0,5 et 10 g/L et un rapport massique (acétate) / (la somme des sucres en C5 et/ou C6) compris entre 0,08 et 0,35 g/g, ladite solution étant choisie dans le groupe constitué par:
Date Reçue/Date Received 2021-09-17 2a = un effluent résiduaire issu de l'étape de prétraitement de la biomasse lignocellulosique;
= l'hydrolysat issu de l'hydrolyse enzymatique; et = une vinasse produite par la fermentation des sucres.
De façon surprenante, les inventeurs ont constaté que la présence d'acétate dans une solution aqueuse de sucres en C5 et/ou C6 permet d'améliorer les performances en fermentation "I BE" du microorganisme fermentaire du genre Clostridium et en particulier d'augmenter la concentration en isopropanol et n-butanol de la solution aqueuse obtenue à l'issue de la fermentation.
Dans le cadre de l'invention, le terme "acétate" désigne la forme déprotonée de l'acide acétique, c'est-à-dire de formule chimique CH3C00-. La proportion d'acétate par rapport à l'acide acétique et sa concentration dans la solution aqueuse peuvent être réglées au moyen de la variable "pH" de ladite solution.
De préférence, la concentration en acétate dans la solution aqueuse est comprise entre 1 et 8 g/L. De manière plus préférée, la concentration en acétate dans la solution aqueuse est comprise entre 2 et 6 g/L, de préférence comprise entre 3 et 6 g/L.
De manière préférée, le pH de la solution aqueuse contenant des sucres en C5 et/ou C6 et de l'acétate est compris entre 4 et 8. De manière plus préférée, le pH
de la solution aqueuse contenant des sucres en C5 et/ou C6 et de l'acétate est compris entre et 8.
De préférence le rapport massique (acétate) / (la somme des sucres en C5 et/ou C6) est compris entre 0,08 et 0,35 g/g. Le rapport massique (acétate) / (la somme des sucres en C5 et/ou C6) est de manière plus préférée compris entre 0,09 et 0,2 g/g.
Date Reçue/Date Received 2021-09-17
Résumé de l'invention L'invention concerne donc un procédé de production d'un mélange aqueux comprenant de l'isopropanol, du n-butanol et de l'éthanol comprenant une étape dans laquelle on fermente en anaérobiose une solution aqueuse contenant des sucres en C5 et/ou C6 et de l'acétate en présence d'un microorganisme fermentaire du genre Clostridium et dans lequel ladite solution aqueuse a une concentration en acétate comprise entre 0,5 et 10 g/L et un rapport massique (acétate) / (la somme des sucres en C5 et/ou C6) compris entre 0,005 et 0,35 g/g.
Une autre réalisation de l'invention concerne un procédé production de biocarburant sous forme d'éthanol à partir de biomasse lignocellulosique, ledit procédé
comprenant les étapes suivantes :
= on prétraite la biomasse lignocellulosique pour rendre accessibles de la cellulose et de l'hémicellulose contenues dans la biomasse;
= on effectue une hydrolyse enzymatique de la cellulose et de l'hémicellulose pour produire un hydrolysat contenant des sucres; et = on fermente en présence d'un microorganisme fermentaire les sucres de l'hydrolysat pour produire du biocarburant sous forme d'éthanol ;
le procédé mettant en oeuvre en outre une étape de production d'un mélange aqueux comprenant de l'isopropanol, du n-butanol et de l'éthanol, caractérisée en ce que dans ladite étape on fermente en anaérobiose une solution aqueuse contenant des sucres en C5 et/ou C6 et de l'acétate en présence d'un microorganisme fermentaire du genre Clostridium et dans lequel ladite solution aqueuse a une concentration en acétate comprise entre 0,5 et 10 g/L et un rapport massique (acétate) / (la somme des sucres en C5 et/ou C6) compris entre 0,08 et 0,35 g/g, ladite solution étant choisie dans le groupe constitué par:
Date Reçue/Date Received 2021-09-17 2a = un effluent résiduaire issu de l'étape de prétraitement de la biomasse lignocellulosique;
= l'hydrolysat issu de l'hydrolyse enzymatique; et = une vinasse produite par la fermentation des sucres.
De façon surprenante, les inventeurs ont constaté que la présence d'acétate dans une solution aqueuse de sucres en C5 et/ou C6 permet d'améliorer les performances en fermentation "I BE" du microorganisme fermentaire du genre Clostridium et en particulier d'augmenter la concentration en isopropanol et n-butanol de la solution aqueuse obtenue à l'issue de la fermentation.
Dans le cadre de l'invention, le terme "acétate" désigne la forme déprotonée de l'acide acétique, c'est-à-dire de formule chimique CH3C00-. La proportion d'acétate par rapport à l'acide acétique et sa concentration dans la solution aqueuse peuvent être réglées au moyen de la variable "pH" de ladite solution.
De préférence, la concentration en acétate dans la solution aqueuse est comprise entre 1 et 8 g/L. De manière plus préférée, la concentration en acétate dans la solution aqueuse est comprise entre 2 et 6 g/L, de préférence comprise entre 3 et 6 g/L.
De manière préférée, le pH de la solution aqueuse contenant des sucres en C5 et/ou C6 et de l'acétate est compris entre 4 et 8. De manière plus préférée, le pH
de la solution aqueuse contenant des sucres en C5 et/ou C6 et de l'acétate est compris entre et 8.
De préférence le rapport massique (acétate) / (la somme des sucres en C5 et/ou C6) est compris entre 0,08 et 0,35 g/g. Le rapport massique (acétate) / (la somme des sucres en C5 et/ou C6) est de manière plus préférée compris entre 0,09 et 0,2 g/g.
Date Reçue/Date Received 2021-09-17
3 De préférence la concentration en sucres C5 et/ou C6 de la solution aqueuse est comprise en 30 et 100 g/L.
Selon un mode de réalisation, la solution aqueuse contenant des sucres en C5 et/ou C6 et de l'acétate est un flux résiduaire issu d'une étape de prétraitement d'une biomasse lignocellulosique.
Selon un autre mode de réalisation, la solution aqueuse contenant des sucres en 05 et/ou 06 et de l'acétate est une vinasse produite par fermentation de sucres.
Optionnellement la vinasse peut être au préalable concentrée, par exemple par évaporation.
De manière alternative, la solution aqueuse contenant des sucres en 05 et/ou C6 et de l'acétate est un hydrolysat issu de l'hydrolyse enzymatique d'une biomasse lignocellulosique.
Selon un autre aspect de l'invention, la solution aqueuse contenant des sucres en C5 et/ou 06 et de l'acétate est une solution aqueuse contenant des sucres en 05 et/ou additionnée d'une solution aqueuse contenant de l'acétate qui est choisie parmi :
= une vinasse produite par fermentation de sucres;
= un hydrolysat obtenu par hydrolyse enzymatique d'une biomasse lignocellulosique;
= un effluent résiduaire issu d'une étape de prétraitement d'une biomasse lignocellulosique.
De préférence, le sucre en 05 est le xylose et le sucre en 06 est le glucose.
Le glucose peut éventuellement provenir d'un flux issu de l'étape d'hydrolyse enzymatique d'un procédé de production de biocarburant (par exemple l'éthanol) de première génération utilisant comme matière première des plantes sucrières, comme par exemple la betterave sucrière et la canne à sucre ou encore du maïs ou des grains de blé.
De préférence, le microorganisme fermentaire utilisé dans le procédé selon l'invention est choisi parmi les souches Clostridium acetobutylicum et Clostridium beijerinckii.
Les fermentations "IBE" sont réalisées à une température généralement comprise entre 30 et 37 C, de préférence à 34 C, pendant une durée comprise entre 30 et 120 heures et en maintenant une agitation continue pour homogénéiser le milieu de culture. De préférence la
Selon un mode de réalisation, la solution aqueuse contenant des sucres en C5 et/ou C6 et de l'acétate est un flux résiduaire issu d'une étape de prétraitement d'une biomasse lignocellulosique.
Selon un autre mode de réalisation, la solution aqueuse contenant des sucres en 05 et/ou 06 et de l'acétate est une vinasse produite par fermentation de sucres.
Optionnellement la vinasse peut être au préalable concentrée, par exemple par évaporation.
De manière alternative, la solution aqueuse contenant des sucres en 05 et/ou C6 et de l'acétate est un hydrolysat issu de l'hydrolyse enzymatique d'une biomasse lignocellulosique.
Selon un autre aspect de l'invention, la solution aqueuse contenant des sucres en C5 et/ou 06 et de l'acétate est une solution aqueuse contenant des sucres en 05 et/ou additionnée d'une solution aqueuse contenant de l'acétate qui est choisie parmi :
= une vinasse produite par fermentation de sucres;
= un hydrolysat obtenu par hydrolyse enzymatique d'une biomasse lignocellulosique;
= un effluent résiduaire issu d'une étape de prétraitement d'une biomasse lignocellulosique.
De préférence, le sucre en 05 est le xylose et le sucre en 06 est le glucose.
Le glucose peut éventuellement provenir d'un flux issu de l'étape d'hydrolyse enzymatique d'un procédé de production de biocarburant (par exemple l'éthanol) de première génération utilisant comme matière première des plantes sucrières, comme par exemple la betterave sucrière et la canne à sucre ou encore du maïs ou des grains de blé.
De préférence, le microorganisme fermentaire utilisé dans le procédé selon l'invention est choisi parmi les souches Clostridium acetobutylicum et Clostridium beijerinckii.
Les fermentations "IBE" sont réalisées à une température généralement comprise entre 30 et 37 C, de préférence à 34 C, pendant une durée comprise entre 30 et 120 heures et en maintenant une agitation continue pour homogénéiser le milieu de culture. De préférence la
4 fermentation est conduite selon un mode "batch" ou "fed-batch", bien connu de l'homme du métier.
L'invention concerne également un procédé de production de biocarburant à
partir de biomasse lignocellulosique comprenant les étapes suivantes:
= on prétraite la biomasse lignocellulosique pour rendre accessibles la cellulose et l'hémicellulose contenues dans la biomasse;
= on effectue une hydrolyse enzymatique de la cellulose et l'hémicellulose pour produire un hydrolysat contenant des sucres;
= on fermente en présence d'un microorganisme fermentaire les sucres de l'hydrolysat pour produire du biocarburant, caractérisé en ce que le procédé met en oeuvre en outre un procédé de production d'un mélange aqueux comprenant de l'isopropanol, du n-butanol et de l'éthanol par fermentation d'une solution aqueuse contenant des sucres en C5 et/ou C6 et de l'acétate, ladite solution 1 5 étant choisie parmi :
= un effluent résiduaire issue de l'étape de prétraitement de la biomasse lignocellulosique;
= une vinasse produite par la fermentation des sucres;
= l'hydrolysat issu l'hydrolyse enzymatique.
Ainsi le procédé de production du mélange "IBE" selon l'invention est avantageusement intégré dans un procédé de production d'alcool et/ou de solvants de seconde génération de manière à traiter et valoriser des sous-produits générés notamment lors de l'étape de prétraitement et de fermentation.
Description détaillée de l'invention L'invention a pour objet un procédé de fermentation dite "IBE" permettant de produire, à
l'aide d'un microorganisme du genre Clostridium, un mélange de solvants (isopropanol, n-butanol, éthanol) à partir d'une solution aqueuse contenant des sucres en 05 et/ou 06 et en présence d'acétate. La fermentation est opérée en absence d'oxygène et dans un bioréacteur également désigné par le vocable "fermenteur". Le bioréacteur est un équipement de propagation de microorganismes fermentaires capables de produire des molécules (solvants ou autres composés organiques) d'intérêt. Une fermentation en bioréacteur permet ainsi une croissance du micro-organisme en batch avec un contrôle des paramètres-clés comme le pH, l'agitation et la température du milieu.
L'étape de fermentation consiste à faire développer les microorganismes et récupérer un effluent réactionnelle ou moût de fermentation contenant une solution aqueuse du mélange (isopropanol, n-butanol, éthanol). Le produit de la fermentation est généralement ensuite traité dans une étape de concentration afin fournir une solution aqueuse (isopropanol, n-
L'invention concerne également un procédé de production de biocarburant à
partir de biomasse lignocellulosique comprenant les étapes suivantes:
= on prétraite la biomasse lignocellulosique pour rendre accessibles la cellulose et l'hémicellulose contenues dans la biomasse;
= on effectue une hydrolyse enzymatique de la cellulose et l'hémicellulose pour produire un hydrolysat contenant des sucres;
= on fermente en présence d'un microorganisme fermentaire les sucres de l'hydrolysat pour produire du biocarburant, caractérisé en ce que le procédé met en oeuvre en outre un procédé de production d'un mélange aqueux comprenant de l'isopropanol, du n-butanol et de l'éthanol par fermentation d'une solution aqueuse contenant des sucres en C5 et/ou C6 et de l'acétate, ladite solution 1 5 étant choisie parmi :
= un effluent résiduaire issue de l'étape de prétraitement de la biomasse lignocellulosique;
= une vinasse produite par la fermentation des sucres;
= l'hydrolysat issu l'hydrolyse enzymatique.
Ainsi le procédé de production du mélange "IBE" selon l'invention est avantageusement intégré dans un procédé de production d'alcool et/ou de solvants de seconde génération de manière à traiter et valoriser des sous-produits générés notamment lors de l'étape de prétraitement et de fermentation.
Description détaillée de l'invention L'invention a pour objet un procédé de fermentation dite "IBE" permettant de produire, à
l'aide d'un microorganisme du genre Clostridium, un mélange de solvants (isopropanol, n-butanol, éthanol) à partir d'une solution aqueuse contenant des sucres en 05 et/ou 06 et en présence d'acétate. La fermentation est opérée en absence d'oxygène et dans un bioréacteur également désigné par le vocable "fermenteur". Le bioréacteur est un équipement de propagation de microorganismes fermentaires capables de produire des molécules (solvants ou autres composés organiques) d'intérêt. Une fermentation en bioréacteur permet ainsi une croissance du micro-organisme en batch avec un contrôle des paramètres-clés comme le pH, l'agitation et la température du milieu.
L'étape de fermentation consiste à faire développer les microorganismes et récupérer un effluent réactionnelle ou moût de fermentation contenant une solution aqueuse du mélange (isopropanol, n-butanol, éthanol). Le produit de la fermentation est généralement ensuite traité dans une étape de concentration afin fournir une solution aqueuse (isopropanol, n-
5 butanol, éthanol) concentrée.
La fermentation est réalisée à une température généralement comprise entre 30 et 37 C, de préférence à 34 C, pendant une durée comprise entre 30 et 120 heures et en maintenant une agitation continue pour homogénéiser le milieu réactionnel.
Selon l'invention, la solution aqueuse contient généralement des sucres en C5 et/ou C6 à
raison de 30 à 100 g/L et en outre de l'acide acétique sous forme déprotonée, c'est-à-dire sous forme d'acétate de formule CH3C00-. La concentration en acétate dans ladite solution aqueuse est comprise entre 0,5 et 10 g/L, de préférence comprise entre 1 et 8 g/L, de manière plus préférée comprise entre 2 et 6 g/L et de manière très préférée comprise entre 3 et 6 g/L. En outre le rapport massique (acétate) / (la somme des sucres en C5 et/ou C6) est compris entre 0,005 et 0,35. Selon un mode de réalisation très préféré, le rapport massique (acétate) / (la somme des sucres en C5 et/ou 06) est compris entre 0,08 et 0,35 g/g, de préférence compris entre 0,09 et 0,2.
La présence d'acide acétique (acide carboxylique faible dont le pKa est égal à
4,8 à 25 C) sous forme acétate dépend du pH de la solution aqueuse. Ainsi selon l'invention la solution aqueuse a un pH compris entre 4 et 8, et de préférence compris entre 5 et 8.
Dans le cadre de l'invention, l'acétate peut être ajouté à une solution aqueuse de sucres en C5 et/ou C6 pour satisfaire la concentration en acétate du milieu de culture.
Le procédé selon l'invention implique l'utilisation d'un microorganisme du genre Clostridium qui est une bactérie de la famille des bacilles gram positifs anaérobies. De préférence le microorganisme fermentaire est choisi parmi les souches Clostridium acetobutylicum et Clostridium beijerinckii et peut être soit une souche naturelle soit un souche génétiquement modifiée pour produire de l'isopropanol.
La concentration en microorganisme dans le milieu de fermentation est généralement comprise entre 1 et 30 g/L, et de préférence comprise entre 2 et 10 g/L.
La solution aqueuse de sucres en C5 et/ou 06 qui peut être fermentée par le procédé selon l'invention peut avoir différentes origines. Cependant afin de répondre à la problématique de produire des solvants de manière "verte", la solution aqueuse provient avantageusement du traitement d'une ressource renouvelable. De préférence la ressource renouvelable est du
La fermentation est réalisée à une température généralement comprise entre 30 et 37 C, de préférence à 34 C, pendant une durée comprise entre 30 et 120 heures et en maintenant une agitation continue pour homogénéiser le milieu réactionnel.
Selon l'invention, la solution aqueuse contient généralement des sucres en C5 et/ou C6 à
raison de 30 à 100 g/L et en outre de l'acide acétique sous forme déprotonée, c'est-à-dire sous forme d'acétate de formule CH3C00-. La concentration en acétate dans ladite solution aqueuse est comprise entre 0,5 et 10 g/L, de préférence comprise entre 1 et 8 g/L, de manière plus préférée comprise entre 2 et 6 g/L et de manière très préférée comprise entre 3 et 6 g/L. En outre le rapport massique (acétate) / (la somme des sucres en C5 et/ou C6) est compris entre 0,005 et 0,35. Selon un mode de réalisation très préféré, le rapport massique (acétate) / (la somme des sucres en C5 et/ou 06) est compris entre 0,08 et 0,35 g/g, de préférence compris entre 0,09 et 0,2.
La présence d'acide acétique (acide carboxylique faible dont le pKa est égal à
4,8 à 25 C) sous forme acétate dépend du pH de la solution aqueuse. Ainsi selon l'invention la solution aqueuse a un pH compris entre 4 et 8, et de préférence compris entre 5 et 8.
Dans le cadre de l'invention, l'acétate peut être ajouté à une solution aqueuse de sucres en C5 et/ou C6 pour satisfaire la concentration en acétate du milieu de culture.
Le procédé selon l'invention implique l'utilisation d'un microorganisme du genre Clostridium qui est une bactérie de la famille des bacilles gram positifs anaérobies. De préférence le microorganisme fermentaire est choisi parmi les souches Clostridium acetobutylicum et Clostridium beijerinckii et peut être soit une souche naturelle soit un souche génétiquement modifiée pour produire de l'isopropanol.
La concentration en microorganisme dans le milieu de fermentation est généralement comprise entre 1 et 30 g/L, et de préférence comprise entre 2 et 10 g/L.
La solution aqueuse de sucres en C5 et/ou 06 qui peut être fermentée par le procédé selon l'invention peut avoir différentes origines. Cependant afin de répondre à la problématique de produire des solvants de manière "verte", la solution aqueuse provient avantageusement du traitement d'une ressource renouvelable. De préférence la ressource renouvelable est du
6 PCT/EP2015/064724 type biomasse lignocellulosique qui comprend notamment les substrats ligneux (feuillus et résineux), les sous-produits de l'agriculture (paille) ou ceux des industries génératrices de déchets lignocellulosiques (industries agroalimentaires, papeteries).
La solution aqueuse de sucres en C5 et/ou C6 peut également être obtenue à
partir de plantes sucrières, comme par exemple la betterave sucrière et la canne à sucre ou encore à
partir du maïs ou de grains de blé.
Tout sucre en C5 naturellement présent dans les différentes biomasses lignocellulosiques (mono- ou dicotylédones) utilisés pour la production de biocarburant par voie biologique peut être fermenté par le procédé selon l'invention. De préférence les sucres en 05 sont choisis parmi le xylose et l'arabinose.
Tout sucre en C6 peut également être fermenté par le procédé selon l'invention. De préférence, les sucres en 06 sont choisis parmi le glucose, la mannose, le galactose. De manière plus préférée, le sucre en C6 est le glucose.
La solution aqueuse de sucres 05 et/ou C6 peut être issue d'une étape d'un procédé de production d'alcool et/ou de solvants de seconde génération. Dans ce cas, la solution peut être un effluent provenant de l'étape de prétraitement de la biomasse lignocellulosique.
L'étape de prétraitement qui vise à modifier les propriétés physiques et physico-chimiques du matériau lignocellulosique, en vue d'améliorer l'accessibilité de la cellulose emprisonnée au sein de la matrice de lignine et d'hémicellulose génère des effluents résiduaires contenant généralement un mélange de sucres en 05 et 06 qui peuvent être ainsi avantageusement utiliséq pour la fermentation IBE selon l'invention. Par exemple l'effluent résiduaire peut être issu d'un prétraitement choisi parmi la cuisson acide, la cuisson alcaline, l'explosion à la vapeur avec ou sans imprégnation acide, les procédés Organosolv. Un tel effluent issu du prétraitement est avantageux dans la mesure où il contient des sucres utiles pour la fermentation et également de l'acide acétique (ou acétate).
De préférence, la solution aqueuse contenant des sucres en 05 et/ou 06 et de l'acétate est un effluent résiduaire issu d'un prétraitement par explosion à la vapeur. Le prétraitement par explosion à la vapeur est aussi connu sous le nom de "steam explosion", "steam gunning", "détente explosive", "prétraitement à la vapeur". Dans ce procédé, la biomasse est portée rapidement à haute température (150 - 250 C) par injection de vapeur sous pression. L'arrêt du traitement s'effectue généralement par décompression brutale, appelée détente ou explosion, qui déstructure la matrice lignocellulosique. Les temps de séjour varient de 10 secondes à quelques minutes, pour des pressions allant de 10 à 50 bars. De nombreuses configurations sont possibles pour ce type de prétraitement. La mise en oeuvre peut-être de type batch, ou de type continue. L'explosion vapeur peut-être précédée d'une imprégnation
La solution aqueuse de sucres en C5 et/ou C6 peut également être obtenue à
partir de plantes sucrières, comme par exemple la betterave sucrière et la canne à sucre ou encore à
partir du maïs ou de grains de blé.
Tout sucre en C5 naturellement présent dans les différentes biomasses lignocellulosiques (mono- ou dicotylédones) utilisés pour la production de biocarburant par voie biologique peut être fermenté par le procédé selon l'invention. De préférence les sucres en 05 sont choisis parmi le xylose et l'arabinose.
Tout sucre en C6 peut également être fermenté par le procédé selon l'invention. De préférence, les sucres en 06 sont choisis parmi le glucose, la mannose, le galactose. De manière plus préférée, le sucre en C6 est le glucose.
La solution aqueuse de sucres 05 et/ou C6 peut être issue d'une étape d'un procédé de production d'alcool et/ou de solvants de seconde génération. Dans ce cas, la solution peut être un effluent provenant de l'étape de prétraitement de la biomasse lignocellulosique.
L'étape de prétraitement qui vise à modifier les propriétés physiques et physico-chimiques du matériau lignocellulosique, en vue d'améliorer l'accessibilité de la cellulose emprisonnée au sein de la matrice de lignine et d'hémicellulose génère des effluents résiduaires contenant généralement un mélange de sucres en 05 et 06 qui peuvent être ainsi avantageusement utiliséq pour la fermentation IBE selon l'invention. Par exemple l'effluent résiduaire peut être issu d'un prétraitement choisi parmi la cuisson acide, la cuisson alcaline, l'explosion à la vapeur avec ou sans imprégnation acide, les procédés Organosolv. Un tel effluent issu du prétraitement est avantageux dans la mesure où il contient des sucres utiles pour la fermentation et également de l'acide acétique (ou acétate).
De préférence, la solution aqueuse contenant des sucres en 05 et/ou 06 et de l'acétate est un effluent résiduaire issu d'un prétraitement par explosion à la vapeur. Le prétraitement par explosion à la vapeur est aussi connu sous le nom de "steam explosion", "steam gunning", "détente explosive", "prétraitement à la vapeur". Dans ce procédé, la biomasse est portée rapidement à haute température (150 - 250 C) par injection de vapeur sous pression. L'arrêt du traitement s'effectue généralement par décompression brutale, appelée détente ou explosion, qui déstructure la matrice lignocellulosique. Les temps de séjour varient de 10 secondes à quelques minutes, pour des pressions allant de 10 à 50 bars. De nombreuses configurations sont possibles pour ce type de prétraitement. La mise en oeuvre peut-être de type batch, ou de type continue. L'explosion vapeur peut-être précédée d'une imprégnation
7 d'acide pour favoriser l'hydrolyse des hémicelluloses lors de la cuisson.
Lorsque l'explosion à
la vapeur est appliquée sur un substrat préalablement acidifié, par exemple avec l'H2804, elle conduit généralement à une solubilisation et à une hydrolyse quasi-totale des hémicelluloses en leurs monomères. L'utilisation d'une pré-imprégnation acide permet notamment de diminuer la température du procédé (entre 150 et 200 C contre 250 C pour l'explosion à la vapeur sans imprégnation acide) et ainsi de minimiser la formation de composés de dégradation.
Ainsi le flux aqueux contenant des sucres en 05 et/ou C6 et de l'acétate qui est fermenté par le procédé selon l'invention peut avoir comme origine une liqueur acide, récupérée à l'issu de l'étape d'imprégnation acide d'une biomasse lignocellulosique qui précède l'étape de prétraitement par explosion à la vapeur.
Il également possible d'utiliser comme source de solution aqueuse contenant des sucres en C5 et/ou C6 et de l'acétate, la fraction liquide récupérée après une opération de séparation solide/liquide réalisée sur le substrat prétraité obtenu après la phase de détente de l'étape de prétraitement par explosion à la vapeur.
Il est également possible d'utiliser comme solution aqueuse de sucres en 05 et/ou 06 et de l'acétate un hydrolysat obtenu par hydrolyse enzymatique de la cellulose et de l'hémicellulose libérées lors de l'étape de prétraitement de la biomasse. A
titre d'exemple, l'hydrolyse être réalisée en présence d'enzymes cellulolytiques et/ou hemicellulolytiques produites par un microorganisme appartenant aux genres Trichoderma, Aspergillus, Penicillium ou Schizophyllum.
Dans le cadre de l'invention, la solution aqueuse de sucres en C5 et/ou 06 et de l'acétate peut également être un effluent résiduaire issu de l'étape de fermentation qui est également désigné par le terme "vinasse". Typiquement ce résidu liquide de la fermentation contient des sucres non fermentés dont des pentoses (sucres C5) et voire des traces d'hexoses les plus difficiles à métaboliser par le microorganisme fermentaire (par exemple le galactose).
Afin de respecter la teneur en acétate dans la solution aqueuse de sucres, il est possible bien entendu d'enrichir ladite solution aqueuse de sucres en 05 et/ou 06 et de l'acétate en apportant de l'acide acétique supplémentaire dans le milieu. De façon avantageuse, on utilise comme source d'acétate les sources suivantes:
= la liqueur acide récupérée à l'issue de l'étape d'imprégnation acide d'une biomasse lignocellulosique qui précède l'étape d'explosion à la vapeur.
Lorsque l'explosion à
la vapeur est appliquée sur un substrat préalablement acidifié, par exemple avec l'H2804, elle conduit généralement à une solubilisation et à une hydrolyse quasi-totale des hémicelluloses en leurs monomères. L'utilisation d'une pré-imprégnation acide permet notamment de diminuer la température du procédé (entre 150 et 200 C contre 250 C pour l'explosion à la vapeur sans imprégnation acide) et ainsi de minimiser la formation de composés de dégradation.
Ainsi le flux aqueux contenant des sucres en 05 et/ou C6 et de l'acétate qui est fermenté par le procédé selon l'invention peut avoir comme origine une liqueur acide, récupérée à l'issu de l'étape d'imprégnation acide d'une biomasse lignocellulosique qui précède l'étape de prétraitement par explosion à la vapeur.
Il également possible d'utiliser comme source de solution aqueuse contenant des sucres en C5 et/ou C6 et de l'acétate, la fraction liquide récupérée après une opération de séparation solide/liquide réalisée sur le substrat prétraité obtenu après la phase de détente de l'étape de prétraitement par explosion à la vapeur.
Il est également possible d'utiliser comme solution aqueuse de sucres en 05 et/ou 06 et de l'acétate un hydrolysat obtenu par hydrolyse enzymatique de la cellulose et de l'hémicellulose libérées lors de l'étape de prétraitement de la biomasse. A
titre d'exemple, l'hydrolyse être réalisée en présence d'enzymes cellulolytiques et/ou hemicellulolytiques produites par un microorganisme appartenant aux genres Trichoderma, Aspergillus, Penicillium ou Schizophyllum.
Dans le cadre de l'invention, la solution aqueuse de sucres en C5 et/ou 06 et de l'acétate peut également être un effluent résiduaire issu de l'étape de fermentation qui est également désigné par le terme "vinasse". Typiquement ce résidu liquide de la fermentation contient des sucres non fermentés dont des pentoses (sucres C5) et voire des traces d'hexoses les plus difficiles à métaboliser par le microorganisme fermentaire (par exemple le galactose).
Afin de respecter la teneur en acétate dans la solution aqueuse de sucres, il est possible bien entendu d'enrichir ladite solution aqueuse de sucres en 05 et/ou 06 et de l'acétate en apportant de l'acide acétique supplémentaire dans le milieu. De façon avantageuse, on utilise comme source d'acétate les sources suivantes:
= la liqueur acide récupérée à l'issue de l'étape d'imprégnation acide d'une biomasse lignocellulosique qui précède l'étape d'explosion à la vapeur.
8 = la fraction liquide issue d'une opération de séparation solide/liquide réalisée sur la biomasse prétraitée qui est récupérée après la phase de détente de l'étape de prétraitement par explosion à la vapeur;
= un condensat issu du traitement de la phase vapeur générée par l'étape de prétraitement par explosion à la vapeur.
Exemples de mise en uvre du procédé selon l'invention Des exemples de mode de réalisation du procédé selon l'invention sont décrits ci-après en se référant aux dessins parmi lesquels :
= La figure 1 est un schéma d'un procédé de production d'alcool et/ou de solvants de seconde génération intégrant une unité de fermentation "IBE".
= La figure 2 est un schéma du procédé de fermentation "IBE" selon l'invention.
La figure 1 représente un exemple de mise en oeuvre du procédé selon l'invention qui est avantageusement intégré dans un procédé de production d'alcool et/ou de solvants de seconde génération.
Le substrat (biomasse lignocellulosique) est introduit par la ligne 1 dans le réacteur de prétraitement 2. Les réactifs et utilités telles que la vapeur nécessaires à
la conduite du prétraitement sont introduits par la ligne 3. Du réacteur de prétraitement 2, on extrait par la ligne 6 un substrat prétraité et un effluent de prétraitement résiduaire qui est évacué par la ligne 4. La composition de l'effluent résiduaire dépend de la méthode utilisée pour le prétraitement. Lorsque le prétraitement est de type acide avec ou sans explosion à la vapeur, l'effluent résiduaire peut contenir entre 0,5 et 10 g/L d'acide acétique.
Dans le cadre de l'invention, l'effluent résiduaire du prétraitement contenant des sucres en C5 et/ou C6 et de l'acétate est avantageusement traité par le procédé selon l'invention après éventuellement une mise au pH de l'effluent résiduaire lorsque le pH de ce dernier est en dehors de la gamme 4 à 8 unités pH.
Comme indiqué sur la figure 1, l'effluent résiduaire est envoyé par la ligne 4 dans le réacteur de fermentation "IBE" 19 afin de produire une solution aqueuse contenant un mélange (isopropanol, n-butanol, éthanol).
Quant au substrat prétraité, il est envoyé par la ligne 5 dans une unité 7 de conversion de la cellulose en alcool et/ou solvant. Comme représenté sur la figure 1, l'unité
de conversion 7 comprend au moins un réacteur d'hydrolyse enzymatique 7a de la cellulose en hexoses (de préférence en glucose) et un bioréacteur de fermentation alcoolique et/ou de solvants 7b qui transforme les hexoses en alcool et/ou en solvants. De préférence la fermentation est de type éthylique permettant de produire de l'éthanol.
= un condensat issu du traitement de la phase vapeur générée par l'étape de prétraitement par explosion à la vapeur.
Exemples de mise en uvre du procédé selon l'invention Des exemples de mode de réalisation du procédé selon l'invention sont décrits ci-après en se référant aux dessins parmi lesquels :
= La figure 1 est un schéma d'un procédé de production d'alcool et/ou de solvants de seconde génération intégrant une unité de fermentation "IBE".
= La figure 2 est un schéma du procédé de fermentation "IBE" selon l'invention.
La figure 1 représente un exemple de mise en oeuvre du procédé selon l'invention qui est avantageusement intégré dans un procédé de production d'alcool et/ou de solvants de seconde génération.
Le substrat (biomasse lignocellulosique) est introduit par la ligne 1 dans le réacteur de prétraitement 2. Les réactifs et utilités telles que la vapeur nécessaires à
la conduite du prétraitement sont introduits par la ligne 3. Du réacteur de prétraitement 2, on extrait par la ligne 6 un substrat prétraité et un effluent de prétraitement résiduaire qui est évacué par la ligne 4. La composition de l'effluent résiduaire dépend de la méthode utilisée pour le prétraitement. Lorsque le prétraitement est de type acide avec ou sans explosion à la vapeur, l'effluent résiduaire peut contenir entre 0,5 et 10 g/L d'acide acétique.
Dans le cadre de l'invention, l'effluent résiduaire du prétraitement contenant des sucres en C5 et/ou C6 et de l'acétate est avantageusement traité par le procédé selon l'invention après éventuellement une mise au pH de l'effluent résiduaire lorsque le pH de ce dernier est en dehors de la gamme 4 à 8 unités pH.
Comme indiqué sur la figure 1, l'effluent résiduaire est envoyé par la ligne 4 dans le réacteur de fermentation "IBE" 19 afin de produire une solution aqueuse contenant un mélange (isopropanol, n-butanol, éthanol).
Quant au substrat prétraité, il est envoyé par la ligne 5 dans une unité 7 de conversion de la cellulose en alcool et/ou solvant. Comme représenté sur la figure 1, l'unité
de conversion 7 comprend au moins un réacteur d'hydrolyse enzymatique 7a de la cellulose en hexoses (de préférence en glucose) et un bioréacteur de fermentation alcoolique et/ou de solvants 7b qui transforme les hexoses en alcool et/ou en solvants. De préférence la fermentation est de type éthylique permettant de produire de l'éthanol.
9 Les conditions de l'hydrolyse enzymatique, principalement le taux de matière sèche du mélange à hydrolyser et la quantité d'enzymes utilisée, sont choisies de façon à obtenir une solubilisation de la cellulose comprise entre 20% et 99% au sein du réacteur 7a, et plus particulièrement entre 30% et 95%. L'eau nécessaire à l'obtention du taux de matière solide .. visé est ajoutée par la conduite 8. Les enzymes cellulolytiques et/ou hémicellulolytiques sont ajoutées par la ligne 8a. L'hydrolysat obtenu en sortie du réacteur 7a est envoyé par la ligne 9 dans le bioréacteur de fermentation 7b. Selon une variante, les étapes 7a et 7b sont réalisées de manière concomitante au sein d'un même réacteur.
Les microorganismes utilisés pour la fermentation des hexoses libérés sont introduits par la ligne 8b et les additifs nécessaires pour une mise au pH ou une liquéfaction sont introduits par la ligne 8c dans le bioréacteur 7b.
Un moût de fermentation contenant un mélange aqueux alcoolique et/ou de solvants et de la matière solide (principalement de la lignine) est soutiré du bioréacteur 7b par la ligne 11 et envoyé dans une unité de traitement 12 permettant de récupérer une solution aqueuse alcoolique et/ou de solvants concentrée.
Comme indiqué sur la figure 1, l'unité de traitement 12 comprend une unité de concentration des alcools et/ou solvants 13 et une unité de séparation solide/liquide 15. A
l'issue de l'étape de concentration, on récupère un flux aqueux d'alcool et/ou de solvants concentré qui est évacué par la ligne 16 et une boue qui est soutiré par la ligne 14. La boue est composée d'une fraction solide, constituée essentiellement de cellulose, d'hémicellulose et de lignine qui n'ont pas été hydrolysées, et d'une fraction liquide désignée par le terme "vinasse".
Comme indiqué sur la figure 1, la boue est traitée au sein de l'unité de séparation solide/liquide 15. Cette unité 15 permet de séparer les solides résiduels par la ligne 17 et une fraction liquide (ou vinasse) par la ligne 18.
La vinasse, qui est une solution aqueuse contenant des sucres non fermentés avec en particulier des pentoses (xylose, arabinose), voire des traces d'hexoses (par exemple le galactose qui est l'hexose le plus difficile à métaboliser par les levures conventionnelles) ainsi que des oligomères de sucres et de l'acétate, constitue ainsi une solution utile pour la fermentation "IBE" selon l'invention.
Comme montré sur la figure 1, la vinasse est avantageusement traitée dans le bioréacteur de fermentation "IBE" 19. Alternativement, la vinasse peut être préalablement concentrée avant d'être envoyée dans le réacteur 19.
Selon une autre option, la boue peut être directement envoyée dans le bioréacteur "IBE" 19.
Le bioréacteur de fermentation "IBE" 19 est alimenté en microorganisme du genre Clostridium par la ligne 21 et en acide acétique par la ligne 20. La présence de ligne 20 apportant l'acide acétique est utile lorsque le milieu de culture dans le réacteur 19 ne contient pas suffisamment d'acétate conformément à l'invention.
Il est à noter que l'acide acétique ajouté peut provenir d'un condensat produit par l'étape de prétraitement lorsque celle-ci met implique une explosion à la vapeur.
Un mélange aqueux "IBE" est ainsi récupéré en sortie du bioréacteur 19 via la ligne 22.
Comme représenté à la figure 1, il est également possible de prévoir un piquage d'une ligne 5 10 sur la ligne 9 afin d'alimenter le bioréacteur 19 en hydrolysat produit par le réacteur d'hydrolyse enzymatique 7a. La présence de la ligne 10 permet notamment de régler la concentration en sucres C5 et/ou C6 du milieu de culture dans le bioréacteur 19.
La figure 2 représente un exemple de mise en oeuvre du procédé de production d'un
Les microorganismes utilisés pour la fermentation des hexoses libérés sont introduits par la ligne 8b et les additifs nécessaires pour une mise au pH ou une liquéfaction sont introduits par la ligne 8c dans le bioréacteur 7b.
Un moût de fermentation contenant un mélange aqueux alcoolique et/ou de solvants et de la matière solide (principalement de la lignine) est soutiré du bioréacteur 7b par la ligne 11 et envoyé dans une unité de traitement 12 permettant de récupérer une solution aqueuse alcoolique et/ou de solvants concentrée.
Comme indiqué sur la figure 1, l'unité de traitement 12 comprend une unité de concentration des alcools et/ou solvants 13 et une unité de séparation solide/liquide 15. A
l'issue de l'étape de concentration, on récupère un flux aqueux d'alcool et/ou de solvants concentré qui est évacué par la ligne 16 et une boue qui est soutiré par la ligne 14. La boue est composée d'une fraction solide, constituée essentiellement de cellulose, d'hémicellulose et de lignine qui n'ont pas été hydrolysées, et d'une fraction liquide désignée par le terme "vinasse".
Comme indiqué sur la figure 1, la boue est traitée au sein de l'unité de séparation solide/liquide 15. Cette unité 15 permet de séparer les solides résiduels par la ligne 17 et une fraction liquide (ou vinasse) par la ligne 18.
La vinasse, qui est une solution aqueuse contenant des sucres non fermentés avec en particulier des pentoses (xylose, arabinose), voire des traces d'hexoses (par exemple le galactose qui est l'hexose le plus difficile à métaboliser par les levures conventionnelles) ainsi que des oligomères de sucres et de l'acétate, constitue ainsi une solution utile pour la fermentation "IBE" selon l'invention.
Comme montré sur la figure 1, la vinasse est avantageusement traitée dans le bioréacteur de fermentation "IBE" 19. Alternativement, la vinasse peut être préalablement concentrée avant d'être envoyée dans le réacteur 19.
Selon une autre option, la boue peut être directement envoyée dans le bioréacteur "IBE" 19.
Le bioréacteur de fermentation "IBE" 19 est alimenté en microorganisme du genre Clostridium par la ligne 21 et en acide acétique par la ligne 20. La présence de ligne 20 apportant l'acide acétique est utile lorsque le milieu de culture dans le réacteur 19 ne contient pas suffisamment d'acétate conformément à l'invention.
Il est à noter que l'acide acétique ajouté peut provenir d'un condensat produit par l'étape de prétraitement lorsque celle-ci met implique une explosion à la vapeur.
Un mélange aqueux "IBE" est ainsi récupéré en sortie du bioréacteur 19 via la ligne 22.
Comme représenté à la figure 1, il est également possible de prévoir un piquage d'une ligne 5 10 sur la ligne 9 afin d'alimenter le bioréacteur 19 en hydrolysat produit par le réacteur d'hydrolyse enzymatique 7a. La présence de la ligne 10 permet notamment de régler la concentration en sucres C5 et/ou C6 du milieu de culture dans le bioréacteur 19.
La figure 2 représente un exemple de mise en oeuvre du procédé de production d'un
10 mélange aqueux d'isopropanol, de n-butanol et d'éthanol selon l'invention.
Le substrat (biomasse lignocellulosique) est introduit par la ligne 1 dans le réacteur de prétraitement 2. Les réactifs et utilités telles que la vapeur nécessaires à
la conduite du prétraitement sont introduits par la ligne 3. Du réacteur de prétraitement 2, on extrait par la ligne 5 un substrat prétraité et un effluent du prétraitement résiduaire qui est évacué par la ligne 4. La composition de l'effluent résiduaire dépend de la méthode utilisée pour le prétraitement.
Dans ce mode de réalisation, l'effluent résiduaire du prétraitement contenant des sucres en C5 et/ou C6 et de l'acétate, est avantageusement traité par le procédé selon l'invention.
Comme indiqué sur la figure 2, l'effluent résiduaire est envoyé par la ligne 4 dans le réacteur de fermentation "IBE" 19 afin de produire une solution aqueuse contenant un mélange aqueux d'isopropanol, de n-butanol et d'éthanol.
Quant au substrat prétraité, il est envoyé par la ligne 5 dans une unité de conversion de la cellulose en hexoses 7a dans laquelle est réalisée l'hydrolyse enzymatique de la cellulose.
Les conditions de l'hydrolyse enzymatique, principalement le taux de matière sèche du mélange à hydrolyser et la quantité d'enzymes utilisée, sont choisies de façon à obtenir une solubilisation de la cellulose comprise entre 10% et 99% au sein du réacteur 7, et plus particulièrement entre 15 et 95%. L'eau nécessaire à l'obtention du taux de matière solide visé est ajoutée par la conduite 8. Les enzymes cellulolytiques et/ou hémicellulolytiques sont ajoutées par la ligne 8a.
L'hydrolysat obtenu en sortie de l'unité de conversion de la cellulose 7a est envoyé par la ligne 9 dans le bioréacteur de fermentation "IBE" 19.
Les microorganismes du genre Clostridium utilisés pour la fermentation des hexoses et des pentoses sont introduits par la ligne 21.
Un moût de fermentation contenant un mélange aqueux isopropanol, n-butanol, éthanol et de la matière solide (principalement de la lignine) est ainsi soutirée du bioréacteur 19 par la ligne 22 et envoyé dans une unité de traitement 23 permettant de récupérer, une solution aqueuse concentrée isopropanol, n-butanol, éthanol.
li Comme indiqué sur la figure 2, l'unité de traitement 23 comprend une unité de concentration des solvants 24 et une unité de séparation solide/liquide 26. A l'issue de l'étape de concentration, on récupère un flux aqueux de solvants concentré qui évacué par la ligne 27 et une boue qui est soutirée par la ligne 25. La boue est composée d'une fraction solide, constituée essentiellement de cellulose, d'hémicellulose et de lignine qui n'ont pas été
hydrolysées, et d'une fraction liquide désignée par le terme "vinasse". La boue est donc traitée au sein de l'unité de séparation solide/liquide 26. Cette unité 26 permet de séparer les solides résiduels par la ligne 28 et une fraction liquide (ou vinasse) par la ligne 29.
La vinasse, qui est une solution aqueuse contenant des sucres résiduels et éventuellement de l'acétate, constitue une solution utile pour la fermentation IBE. Comme montré sur la figure 2, la vinasse est avantageusement recyclée dans le bioréacteur de fermentation "IBE"
19 par la ligne 29. De manière alternative la boue, contenant les résidus solides et la vinasse, est directement envoyée dans le bioréacteur "IBE" 19. Le bioréacteur de fermentation "IBE" 19 est alimenté par la ligne 20 en acide acétique (ou acétate) lorsque le milieu de culture dans le réacteur 19 ne contient pas suffisamment d'acétate conformément à
l'invention. L'acide acétique (ou acétate) peut être éventuellement provenir d'un condensat produit après le traitement de la phase vapeur produite par la phase de détente du prétraitement par explosion à la vapeur.
Exemple Une fermentation Isopropanol/Butanol/Ethanol en batch a été réalisée à l'aide de la souche Clostridium beijerinckii NRRL B593 (DSMZ 6423) et dans un milieu de culture contenant 60 g/L de glucose et auquel il a été ajouté 0 g/L ou 3 g/L ou 6 g/L
d'acétate d'ammonium.
La composition pour 1 litre de solution CM1 est détaillée ci-dessous :
Quantité [en g]
Extrait de levure 5,00 KH2PO4 1,00 K2HPO4 0,60 CH3000NH4 2,90 FeSO4.7H20 0,50 MgSO4.7H20 1,00 p-amino-benzoate 0,10 Glucose 60 La fermentation a été menée en batch dans les conditions opératoires suivantes:
= température de 34 C
= une agitation à 150 tours par minute II est à noter que le pH n'est pas régulé dans les milieux de fermentation contenant de l'acétate.
La quantité de la souche Clostridium beijerinckii NRRL B593 mise en oeuvre pour les tests est comprise entre 16 et 24 g/L et a été déterminée par mesure de la densité
optique à 600 nm du milieu de culture après ensemencement de la souche.
Le tableau 1 donne les concentrations finales en substrats et produits obtenus en fin de culture batch après 50 heures.
Contrôle Aci Ac2 Pas de régulation Pas de régulation pH0=5,8 de pH de pH
Acétate ajouté 0 g/L 3,0 g/L 6 g/L
Concentration Acétate 2,9 5,9 8,9 Rapport massique 0,048 0,098 0,148 [acétate/glucose] (g/g) Glucose consommé [g/L] 36,5 36,8 +/_ 1,7 38,7 Acide acétique 1 [g/L] 0,8 -1,7 +/_ 0,01 -3,3 Acide butyrique [g/L] 0,1 0,3 +I_ 0,1 1,8 Ethanol [g/L] 0,1 0,1 +/_ 0,01 0,2 Isopropanol [g/L] 2,9 4,5 +/_ 0,3 5,9 Butanol [g/L] 5,6 8,4 +7_ 1,9 8,2 Solvants totaux [g/L] 8,9 13,2 +L2,3 16,6 lune valeur négative indique une consommation nette d'acide acétique ([acide acétique]final _ [acide acétique]
initial, Tableau 1 Le suivi du pH du milieu de fermentation indique que le pH s'élève jusqu'à 5,3 dans les milieux contenant de l'acétate sans impacter les performances de la souche.
Cette évolution du pH dans les bioréacteurs peut-être la conséquence de nombreux équilibres entre production et ré-assimilation des acides.
On observe ainsi que la souche, quel que soit le milieu de culture (contenant ou non de l'acétate), consomme les mêmes quantités de glucose au bout de 50 heures de fermentation. En revanche, la production de solvants (isopropanol et butanol) augmente fortement lorsque dans le milieu de culture on a jouté 3 g/L d'acétate (soit un rapport massique (acétate) / (la somme des sucres en 05 et/ou 06) de 0,098) ou 6 g/L
d'acétate (soit un rapport massique (acétate) / (la somme des sucres en C5 et/ou C6) de 0,148).
On constate également une consommation de l'acétate, de 1,8 ou 3,3 g/L pour les fermentations dans les milieux contenant respectivement 3 ou 6 g/L d'acétate, par la souche Clostridium beijerinckii NRRL B593.
Le substrat (biomasse lignocellulosique) est introduit par la ligne 1 dans le réacteur de prétraitement 2. Les réactifs et utilités telles que la vapeur nécessaires à
la conduite du prétraitement sont introduits par la ligne 3. Du réacteur de prétraitement 2, on extrait par la ligne 5 un substrat prétraité et un effluent du prétraitement résiduaire qui est évacué par la ligne 4. La composition de l'effluent résiduaire dépend de la méthode utilisée pour le prétraitement.
Dans ce mode de réalisation, l'effluent résiduaire du prétraitement contenant des sucres en C5 et/ou C6 et de l'acétate, est avantageusement traité par le procédé selon l'invention.
Comme indiqué sur la figure 2, l'effluent résiduaire est envoyé par la ligne 4 dans le réacteur de fermentation "IBE" 19 afin de produire une solution aqueuse contenant un mélange aqueux d'isopropanol, de n-butanol et d'éthanol.
Quant au substrat prétraité, il est envoyé par la ligne 5 dans une unité de conversion de la cellulose en hexoses 7a dans laquelle est réalisée l'hydrolyse enzymatique de la cellulose.
Les conditions de l'hydrolyse enzymatique, principalement le taux de matière sèche du mélange à hydrolyser et la quantité d'enzymes utilisée, sont choisies de façon à obtenir une solubilisation de la cellulose comprise entre 10% et 99% au sein du réacteur 7, et plus particulièrement entre 15 et 95%. L'eau nécessaire à l'obtention du taux de matière solide visé est ajoutée par la conduite 8. Les enzymes cellulolytiques et/ou hémicellulolytiques sont ajoutées par la ligne 8a.
L'hydrolysat obtenu en sortie de l'unité de conversion de la cellulose 7a est envoyé par la ligne 9 dans le bioréacteur de fermentation "IBE" 19.
Les microorganismes du genre Clostridium utilisés pour la fermentation des hexoses et des pentoses sont introduits par la ligne 21.
Un moût de fermentation contenant un mélange aqueux isopropanol, n-butanol, éthanol et de la matière solide (principalement de la lignine) est ainsi soutirée du bioréacteur 19 par la ligne 22 et envoyé dans une unité de traitement 23 permettant de récupérer, une solution aqueuse concentrée isopropanol, n-butanol, éthanol.
li Comme indiqué sur la figure 2, l'unité de traitement 23 comprend une unité de concentration des solvants 24 et une unité de séparation solide/liquide 26. A l'issue de l'étape de concentration, on récupère un flux aqueux de solvants concentré qui évacué par la ligne 27 et une boue qui est soutirée par la ligne 25. La boue est composée d'une fraction solide, constituée essentiellement de cellulose, d'hémicellulose et de lignine qui n'ont pas été
hydrolysées, et d'une fraction liquide désignée par le terme "vinasse". La boue est donc traitée au sein de l'unité de séparation solide/liquide 26. Cette unité 26 permet de séparer les solides résiduels par la ligne 28 et une fraction liquide (ou vinasse) par la ligne 29.
La vinasse, qui est une solution aqueuse contenant des sucres résiduels et éventuellement de l'acétate, constitue une solution utile pour la fermentation IBE. Comme montré sur la figure 2, la vinasse est avantageusement recyclée dans le bioréacteur de fermentation "IBE"
19 par la ligne 29. De manière alternative la boue, contenant les résidus solides et la vinasse, est directement envoyée dans le bioréacteur "IBE" 19. Le bioréacteur de fermentation "IBE" 19 est alimenté par la ligne 20 en acide acétique (ou acétate) lorsque le milieu de culture dans le réacteur 19 ne contient pas suffisamment d'acétate conformément à
l'invention. L'acide acétique (ou acétate) peut être éventuellement provenir d'un condensat produit après le traitement de la phase vapeur produite par la phase de détente du prétraitement par explosion à la vapeur.
Exemple Une fermentation Isopropanol/Butanol/Ethanol en batch a été réalisée à l'aide de la souche Clostridium beijerinckii NRRL B593 (DSMZ 6423) et dans un milieu de culture contenant 60 g/L de glucose et auquel il a été ajouté 0 g/L ou 3 g/L ou 6 g/L
d'acétate d'ammonium.
La composition pour 1 litre de solution CM1 est détaillée ci-dessous :
Quantité [en g]
Extrait de levure 5,00 KH2PO4 1,00 K2HPO4 0,60 CH3000NH4 2,90 FeSO4.7H20 0,50 MgSO4.7H20 1,00 p-amino-benzoate 0,10 Glucose 60 La fermentation a été menée en batch dans les conditions opératoires suivantes:
= température de 34 C
= une agitation à 150 tours par minute II est à noter que le pH n'est pas régulé dans les milieux de fermentation contenant de l'acétate.
La quantité de la souche Clostridium beijerinckii NRRL B593 mise en oeuvre pour les tests est comprise entre 16 et 24 g/L et a été déterminée par mesure de la densité
optique à 600 nm du milieu de culture après ensemencement de la souche.
Le tableau 1 donne les concentrations finales en substrats et produits obtenus en fin de culture batch après 50 heures.
Contrôle Aci Ac2 Pas de régulation Pas de régulation pH0=5,8 de pH de pH
Acétate ajouté 0 g/L 3,0 g/L 6 g/L
Concentration Acétate 2,9 5,9 8,9 Rapport massique 0,048 0,098 0,148 [acétate/glucose] (g/g) Glucose consommé [g/L] 36,5 36,8 +/_ 1,7 38,7 Acide acétique 1 [g/L] 0,8 -1,7 +/_ 0,01 -3,3 Acide butyrique [g/L] 0,1 0,3 +I_ 0,1 1,8 Ethanol [g/L] 0,1 0,1 +/_ 0,01 0,2 Isopropanol [g/L] 2,9 4,5 +/_ 0,3 5,9 Butanol [g/L] 5,6 8,4 +7_ 1,9 8,2 Solvants totaux [g/L] 8,9 13,2 +L2,3 16,6 lune valeur négative indique une consommation nette d'acide acétique ([acide acétique]final _ [acide acétique]
initial, Tableau 1 Le suivi du pH du milieu de fermentation indique que le pH s'élève jusqu'à 5,3 dans les milieux contenant de l'acétate sans impacter les performances de la souche.
Cette évolution du pH dans les bioréacteurs peut-être la conséquence de nombreux équilibres entre production et ré-assimilation des acides.
On observe ainsi que la souche, quel que soit le milieu de culture (contenant ou non de l'acétate), consomme les mêmes quantités de glucose au bout de 50 heures de fermentation. En revanche, la production de solvants (isopropanol et butanol) augmente fortement lorsque dans le milieu de culture on a jouté 3 g/L d'acétate (soit un rapport massique (acétate) / (la somme des sucres en 05 et/ou 06) de 0,098) ou 6 g/L
d'acétate (soit un rapport massique (acétate) / (la somme des sucres en C5 et/ou C6) de 0,148).
On constate également une consommation de l'acétate, de 1,8 ou 3,3 g/L pour les fermentations dans les milieux contenant respectivement 3 ou 6 g/L d'acétate, par la souche Clostridium beijerinckii NRRL B593.
Claims (16)
1. Un procédé de production de biocarburant sous forme d'éthanol à partir de biomasse lignocellulosique, ledit procédé comprenant les étapes suivantes :
= on prétraite la biomasse lignocellulosique pour rendre accessibles de la cellulose et de l'hémicellulose contenues dans la biomasse;
= on effectue une hydrolyse enzymatique de la cellulose et de l'hémicellulose pour produire un hydrolysat contenant des sucres; et = on fermente en présence d'un microorganisme fermentaire les sucres de l'hydrolysat pour produire du biocarburant sous forme d'éthanol ;
le procédé mettant en ceuvre en outre une étape de production d'un mélange aqueux comprenant de l'isopropanol, du n-butanol et de l'éthanol, caractérisée en ce que dans ladite étape on fermente en anaérobiose une solution aqueuse contenant des sucres en C5 et/ou C6 et de l'acétate en présence d'un microorganisme fermentaire du genre Clostridium et dans lequel ladite solution aqueuse a une concentration en acétate comprise entre 0,5 et 10 g/L et un rapport massique (acétate) / (la somme des sucres en C5 et/ou C6) compris entre 0,08 et 0,35 g/g, ladite solution étant choisie dans le groupe constitué par :
= un effluent résiduaire issu de l'étape de prétraitement de la biomasse lignocellulosique;
= l'hydrolysat issu de l'hydrolyse enzymatique; et = une vinasse produite par la fermentation des sucres.
= on prétraite la biomasse lignocellulosique pour rendre accessibles de la cellulose et de l'hémicellulose contenues dans la biomasse;
= on effectue une hydrolyse enzymatique de la cellulose et de l'hémicellulose pour produire un hydrolysat contenant des sucres; et = on fermente en présence d'un microorganisme fermentaire les sucres de l'hydrolysat pour produire du biocarburant sous forme d'éthanol ;
le procédé mettant en ceuvre en outre une étape de production d'un mélange aqueux comprenant de l'isopropanol, du n-butanol et de l'éthanol, caractérisée en ce que dans ladite étape on fermente en anaérobiose une solution aqueuse contenant des sucres en C5 et/ou C6 et de l'acétate en présence d'un microorganisme fermentaire du genre Clostridium et dans lequel ladite solution aqueuse a une concentration en acétate comprise entre 0,5 et 10 g/L et un rapport massique (acétate) / (la somme des sucres en C5 et/ou C6) compris entre 0,08 et 0,35 g/g, ladite solution étant choisie dans le groupe constitué par :
= un effluent résiduaire issu de l'étape de prétraitement de la biomasse lignocellulosique;
= l'hydrolysat issu de l'hydrolyse enzymatique; et = une vinasse produite par la fermentation des sucres.
2. Le procédé selon la revendication 1, dans lequel la concentration en acétate dans la solution aqueuse est comprise entre 1 et 8 g/L.
3. Le procédé selon la revendication 2, dans lequel la concentration en acétate est comprise entre 2 et 6 g/L.
4. Le procédé selon la revendication 2, dans lequel la concentration en acétate est comprise entre 3 et 6 g/L.
5. Le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le pH de la solution aqueuse contenant des sucres en C5 et/ou C6 et de l'acétate est compris entre 4 et 8.
Date Reçue/Date Received 2022-09-16
Date Reçue/Date Received 2022-09-16
6. Le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel le rapport massique (acétate) / (la somme des sucres en C5 et/ou C6) est compris entre 0,09 et 0,2.
7. Le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel la solution aqueuse contenant des sucres en C5 et/ou C6 et de l'acétate est issue de l'étape de prétraitement de la biomasse lignocellulosique.
8. Le procédé selon la revendication 7, dans lequel la solution aqueuse contenant des sucres en C5 et/ou C6 et de l'acétate est issue d'un prétraitement par explosion de la vapeur.
9. Le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel la solution aqueuse contenant des sucres en C5 et/ou C6 et de l'acétate est la vinasse produite par fermentation des sucres.
10. Le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel la solution aqueuse contenant des sucres en C5 et/ou C6 et de l'acétate est l'hydrolysat issu de l'hydrolyse enzymatique.
11. Le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel la solution aqueuse contenant des sucres en C5 et/ou C6 et de l'acétate est additionnée d'une solution aqueuse contenant de l'acétate choisie dans le groupe constitué par:
= un effluent résiduaire issu d'une étape de prétraitement d'une biomasse lignocellulosique;
= une vinasse produite par fermentation de sucres; et = un hydrolysat obtenu par hydrolyse enzymatique d'une biomasse lignocellulosique.
= un effluent résiduaire issu d'une étape de prétraitement d'une biomasse lignocellulosique;
= une vinasse produite par fermentation de sucres; et = un hydrolysat obtenu par hydrolyse enzymatique d'une biomasse lignocellulosique.
12. Le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, dans lequel le sucre en C5 est le xylose et le sucre en C6 est le glucose.
13. Le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, dans lequel le microorganisme fermentaire est choisi dans le groupe constitué par les souches Clostridium acetobutylicum et Clostridium beijerinckii.
Date Reçue/Date Received 2022-09-16
Date Reçue/Date Received 2022-09-16
14. Le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, dans lequel la concentration en sucres C5 et/ou C6 de la solution aqueuse est comprise entre et 100 g/L.
15. Le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 14, dans lequel la concentration en microorganisme fermentaire du genre Clostridium de la solution aqueuse est comprise entre 1 et 30 g/L.
16. Le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 15, dans lequel la fermentation est effectuée à une température comprise entre 30 et 37 C en maintenant une agitation continue.
Date Reçue/Date Received 2022-09-16
Date Reçue/Date Received 2022-09-16
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