EP0256899A1 - Procédé de liquéfaction de betteraves et de racines de chicorée par hydrolyse enzymatique et hydrolysat liquide obtenu - Google Patents

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EP0256899A1
EP0256899A1 EP87401590A EP87401590A EP0256899A1 EP 0256899 A1 EP0256899 A1 EP 0256899A1 EP 87401590 A EP87401590 A EP 87401590A EP 87401590 A EP87401590 A EP 87401590A EP 0256899 A1 EP0256899 A1 EP 0256899A1
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EP
European Patent Office
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enzymes
beets
hydrolysis
product
mixture
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EP87401590A
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German (de)
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EP0256899B1 (fr
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Régis Jacques Marie P de Baynast de Septfontaines
François Emmanuel Marie Etienne Brouard
Jean-Luc Alain Guy Baret
Yvon George Adrien Joseph Marie Gicquiaux
Hans Sejr Olsen
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Socete Anonyme Dite Agro Industrie Recherches Et
Novo Nordisk AS
Original Assignee
Sucre Rech & Developpement
Novo Nordisk AS
Novo Industri AS
Socete Anonyme Dite Agro Industrie Recherches Et Developpements
Sucre Rech & Dev
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C13—SUGAR INDUSTRY
    • C13K—SACCHARIDES OBTAINED FROM NATURAL SOURCES OR BY HYDROLYSIS OF NATURALLY OCCURRING DISACCHARIDES, OLIGOSACCHARIDES OR POLYSACCHARIDES
    • C13K11/00—Fructose
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C13—SUGAR INDUSTRY
    • C13K—SACCHARIDES OBTAINED FROM NATURAL SOURCES OR BY HYDROLYSIS OF NATURALLY OCCURRING DISACCHARIDES, OLIGOSACCHARIDES OR POLYSACCHARIDES
    • C13K1/00—Glucose; Glucose-containing syrups

Definitions

  • the invention relates to a process for the liquefaction of beets and chicory roots by the enzymatic route and the liquid hydrolyzate obtained.
  • the usual method of processing sugar beets is to cut them into thin strips (dumplings and extract the sucrose from them by diffusion. This gives a sweet juice which can be used to produce sugar for food. This sweet juice can also undergo alcoholic fermentation to produce ethyl alcohol. After extraction by diffusion, there remains a pulp which can be used, after drying, to feed livestock.
  • the present invention relates to a new process aimed at directly converting beets enzymatically into a liquid hydrolyzate, without resorting to diffusion extraction, and without the need for adding water before or during the treatment.
  • the process of the invention is applicable both to sugar beets and to fodder beets and to the hydrides of these types of beets.
  • Coarse grinding a) of beets or chicory roots can be carried out without the addition of water in any suitable type of grinder-kneader, for example of the rotary propeller type. In this stage the beets or chicory roots are crushed into small pieces of a size of the order of about 1cm.
  • the acid added in step b) can be a mineral or organic acid. Sulfuric acid is particularly suitable. The acid is added so that the pH is in the range of 3-5.5, preferably 3.5-5.
  • the mixture of enzymes used for both the prehydrolysis c) and the hydrolysis e) must comprise at least one SPS-ase, a cellulase and a cellobiase.
  • bacteriostatic agent which does not affect the action of the enzymes in step b).
  • An example of a bacteriostatic agent which can be used is formalin at the rate of approximately 0.5 to 2 liters per tonne of beets or chicory roots (0.05 to 0.2%), preferably at the rate of approximately 1 liter. per tonne (0.1%). This agent is used to prevent microbial overgrowth.
  • Bacteriostatic agents other than formalin could of course be used, but formaldehyde has the advantage of being inexpensive and readily available.
  • SPS-ase and its preparation are described in detail in FR-A-2 518 570 in the name of NOVO INDUSTRI A / S.
  • This enzyme is usually obtained from microorganisms of the genus Aspergillus .
  • SP 249 is a brown liquid with the following main specifications: polygalacturonase (EC 3.2.1.15) 9640 PGU / g pectinase 2152 KPU / g SPS-ase 29 SPSU / g cellulase (EC 3.2.1.4.) 673 A-NCU / g fungal ⁇ -glucanase (EC 3.2.1.4) 84 FBGUg hemicellulase (EC 3.2.1.78) 225 KVHCU / g
  • cellulase and cellobiase activities of SP 249 are quite low, they can be enhanced by adding additional cellulase and cellobiase enzymes. Such an addition is necessary in the case of beet processing and only optional in the case of chicory root treatment.
  • cellulase As cellulase, it is possible, for example, to use that produced by submerged fermentation of a strain of Trichoderma reesei .
  • An example of such a cellulase is the Celluclast ® product sold by the Danish Company NOVO INDUSTRI A / S.
  • Celluclast ® has a cellulase activity of 1500 ANCU / g and also has cellobiohydrolase (EC 3.2.1.91) and exo-beta-1,4D-glucosidase (EC 3.2.1.74) exo-activities and endo-endo-activity. beta-1,4D-glucanase (EC 3.2.1.4).
  • Another useful commercial cellulase is "SP-300" also from NOVO INDUSTRI A / S.
  • As cellobiase one can, for example, use that produced by submerged fermentation of a strain of Aspergillus niger .
  • An example of a cellobiase of this type is the product "Novozym 188" sold by the Danish company NOVA INDUSTRI A / S, which has a cellobiase activity of 250 CBU / g.
  • enzymes can be used in various relative proportions. As an indication, 50-75% of SP 249, 5-50% of Celluclast and 5-50% of Novozym 188 can be used, these proportions being by weight relative to the total weight of enzymes. Other enzymes such as pectinases, glucanases, galactomannases, proteases, etc. may be present in the abovementioned mixture of enzymes, if desired.
  • enzymes compared to beets or chicory roots can also vary widely. In terms of activity units per kg of dry matter contained in beets or chicory roots, enzymes can be used in the following ranges:
  • the optional enzymes may, for their part, be present in the following activity ranges:
  • activity units of the enzymes indicated correspond to the units determined by the methods developed by the company NOVO INDUSTRI A / S, which are available from this company on request.
  • the temperature during the prehydrolysis and hydrolysis stages will be between 35 and 60 ° C.
  • the temperature will be between 35 and 55 ° C during the prehydrolysis c) and between 45 and 55 ° C during the hydrolysis e).
  • the duration of the prehydrolysis stage c) can range from 1 to 6 hours, preferably 1 to 3 hours, and that of the hydrolysis e) can range from 20 to 120 hours, preferably from 24 to 72 hours.
  • Stage d) of fine grinding in the state of a slurry can be carried out in any apparatus exerting a significant shearing effect.
  • An example of a device which has been found to be particularly suitable is a deflector of the type used in the pulp industry.
  • the beet pieces are reduced to a size of the order of about 0.1 mm or less.
  • This process can be improved by combining it with one or more of the following optional improvements:
  • a first improvement consists in carrying out, before or during the coarse grinding step (a), a heat treatment of the beets or chicory roots consisting of heating them to a temperature of 70 to 90 ° C. for a few minutes an hour or so, for example using steam.
  • This heat treatment has several advantageous effects: - it facilitates the chopping of beets or chicory roots in step (a), - it makes it possible to reduce the amount of bacteriostatic agent to be used, or even to eliminate it.
  • step (a) it eliminates or greatly reduces the foaming that can occur in step (a), - it makes it possible to considerably limit the browning of the beet pieces and to obtain very slightly colored beet hydrolyzate syrups, while the products obtained without heat treatment are dark brown to black, - for a given dose of enzymes, it improves the characteristics of the hydrolyzate (lower viscosity and higher conversion rate) or allows the use of a lower dose of enzymes to obtain a viscosity and a conversion rate given for the hydrolyzate.
  • a second improvement consists in operating after the hydrolysis step (e) a post-hydrolysis carried out at an equal temperature higher than the actual hydrolysis step, preferably in the range of 55 and 75 ° C.
  • This post-hydrolysis will also usually be carried out at a lower pH than the hydrolysis, in the case where no additional enzymes are added as defined below with respect to the third improvement, while not falling below d 'a pH of 3.
  • the hydrolysis (e) is carried out at pH 4
  • the post-hydrolysis can be carried out at pH 3.
  • the pH will be adjusted according to the Optimal pH for enzymatic activity.
  • the duration of this post-hydrolysis can range from a few minutes to about 10 hours.
  • a third improvement consists in using, in addition to the mixture of enzymes defined, an invertase or an inulinase or, preferably, a mixture of these two enzymes. Addition of the enzyme or mixture of enzymes can be carried out at the rate of 100 to 10,000 INU / kg of dry matter. This addition can be carried out simultaneously with that of the other enzymes or subsequently, for example during the hydrolysis or post-hydrolysis step.
  • a mixture of fungal invertase / inulinase enzymes which is particularly suitable is that marketed under the trade name "Novozym 230" by the company NOVO INDUSTRI A / S, or a yeast invertase.
  • the invention also relates, as a new product, to an aqueous liquid product obtained directly by enzymatic hydrolysis of beets or chicory roots, characterized in that it contains, as main ingredients, glucose, fructose, polysaccharides having degrees of polymerization of 2 and 3, and nitrogen compounds, this product having an acidic pH, a viscosity not exceeding 300 mPa.s, and a content of suspended solids not exceeding 2% by weight.
  • It relates, in particular to such a liquid aqueous product having a pH of 4 to 5 and a viscosity of not more than 150 mPa.s.
  • a liquid hydrolyzed product can typically be obtained having the following characteristics: pH 4-4.5 DENSITY 1.09 VISCOSITY (mPa.s) 50-150 MATERIAL SUSPENSION 0.8-1.5 (% w / w) DRY MATERIALS REFRACTOMETRICS 20-22g / 100g solution TOTAL DRY MATERIAL (%) 24-25 TOTAL SUGARS (expressed in glucose equivalent): 160-200g / l
  • This product can be clarified to remove insoluble matter in suspension, for example by filtration or even by centrifugation, and / or concentrated, for example using a rotary evaporator.
  • the characteristics of clarified, concentrated clarified and concentrated hydrolyzates obtained from the sugar beet hydrolyzate given below are given by way of indication. above.
  • hydrolysates of the invention are useful products, in particular for the production of ethyl alcohol by conventional alcoholic fermentation using yeasts. Alcohol can be obtained with improved yields (3 to 12 percentage points more) compared to the conventional technique. Care must be taken, however, that the residual activity of the bacteriostatic agent does not hinder the development of yeasts or their fermentation activity.
  • This equipment comprises a grinder-mixer 1 of the rotary propeller type open at its upper part for the introduction of beets and the various ingredients to be incorporated (acid, bacteriostatic, enzymes), and connected to its lower part, by a conduit 2 provided from a valve 3, to a pump 4.
  • This pump 4 is itself connected to a deflector 5 by a conduit 6 provided with a valve 7.
  • the conduit 6 is connected at its middle part to a conduit 8 returning to the top of the shredder 1.
  • a conduit 9 connected to the conduit 8.
  • a valve 10 Between the connection point of the conduits 8 and 9 and the conduit 6 is provided, on the conduit 8, a valve 10, while a valve 11 is arranged on the pipe 8 just before the top of the mill 1.
  • the pipe 8 Upstream of the valve 11, the pipe 8 is connected to a pipe 12 leading to the reactor 13 with agitating blades 14, a valve 15 being provided on the pipe 12
  • An outlet pipe 16 is provided at the base of the reactor 13 and controls ée by a valve 17.
  • a jacket 18 with water circulation is provided around the reactor to adjust the temperature of the reactor, cold water or hot water can be admitted, depending on whether it is desired to cool or reheat the reactor.
  • valve 3 When the reduction in the size of the beet pieces and the degree of progress of the prehydrolysis are sufficiently advanced to make the mixture pumpable, the valve 3 is opened and the pump 4 and the shovel 5, the valves 7 and 11 being open and the valves 10 and 15 closed, so as to pass the pieces of beets through the shovel 5 and to recycle them in the crusher 1.
  • the pieces of beets see their size greatly reduced, for example at a thickness of the order of about 0.1 mm or less.
  • the valves 7 and 11 are closed and the valves 10 and 15 are opened, so as to send the beets crushed in the state of pulp or suspension and prehydrolysed, to the reactor 14 where they are left for the time necessary to complete hydrolysis.
  • the liquefied and hydrolyzed beets are evacuated from the reactor by outlet 16, after opening the valve 17.
  • the efficiency of hydrolysis is measured in these tests by the conversion rate (or liquefaction rate) X of the normally insoluble materials of beets: where So is the initial concentration of insoluble beet and St is the concentration of insoluble material at time t.
  • sugar beets were milled in a propeller mill of the LAMORT brand, of a type used in the pulp industry (pulper) in the presence of sulfuric acid additives (adjusting agent). pH), formalin (bacteriostatic agent) and mixture of enzymes.
  • the beets were treated in the grinder-mixer for approximately 1 hour by operating the latter intermittently so as not to exceed approximately 50 ° C., and subjected to three successive passes in the de-stacker, also of LAMORT brand and a type used in the pulp industry (refiner) with recycling in the mill so that the prehydrolysis time in the mill is about 2-3 hours. Then, the prehydrolized ground product was transferred to the reactor to complete the hydrolysis.
  • the proportion of formalin was 0.1% by weight relative to the weight of beets.
  • the pH and the proportion of enzymes were as indicated in the following summary table which summarizes the operating conditions of the treatment and the result of the tests.
  • This example illustrates the optional use of heat treatment.
  • the beets thus treated are then loaded into a LAMORT 201 pulper and cooled during pulping to 45 ° C, the pH is adjusted to 5 with sulfuric acid and formalin (1 liter / t) and a mixture of enzymes consisting, by weight, of 50% of SP 311, 20% of Celluclast and 30% of Novozym 188 at a dose of 11 / t.
  • SP 311 is a crude preparation of SPS-ase marketed by NOVO INDUSTRI A / S.
  • the prehydrolysis is carried out for approximately 3 hours 30 minutes, at the end of which the viscosity has decreased to 1100 mPa.s.
  • the product is then refined by two consecutive passages in a laboratory refiner (Megatron MT) 48/2).
  • the viscosity is no more than 28 mPa.s and the conversion rate of the insolubles is 78%. After 48 hours the viscosity is very much less than 30 mPa.s (measurement limit of the instrument) and the conversion rate reaches 89%.

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Abstract

L'invention se rapporte aux biotechnologies. Elle concerne un procédé de liquéfaction de betteraves ou de racines de chicorée mettant en jeu un mélange d'enzymes comprenant une SPS-ase, une cellulase et une cellobiase. Le produit obtenu est utile notamment pour la préparation d'alcool éthylique par fermentation.

Description

  • L'invention concerne un procédé de liquéfaction de betteraves et de racines de chicorée par voie enzymati­que et l'hydrolysat liquide obtenu.
  • Le mode habituel de traitement des betteraves à sucre consiste à les découper en fines lanières (cos­settes et à extraire le saccharose de celles-ci par diffu­sion. On obtient ainsi un jus sucré qui peut servir à la production de sucre pour l'alimentation. On peut aussi faire subir à ce jus sucré une fermentation alcoolique pour produire de l'alcool éthylique. Après l'extraction par diffusion, il reste une pulpe qui peut servir, après séchage, à l'alimentation du bétail.
  • La présente invention a pour objet un nouveau procédé visant à convertir directement les betteraves par voie enzymatique en un hydrolysat liquide, sans avoir recours à une extraction par diffusion, et sans nécessité d'un ajout d'eau avant ou pendant le traitement.
  • Par ailleurs, il a été trouvé que le procédé de l'invention pouvait être apliqué également aux racines de chicorée.
  • Plus précisément, l'invention concerne un procédé de liquéfaction de betteraves ou de racines de chicorée comprenant les étapes suivantes :
    • a) broyer grossièrement des betteraves ou des racines de chicorée préalablement lavées de façon à les réduire en petits morceaux ;
    • b) ajouter et mélanger aux betteraves ou aux racines de chicorée, pendant ou après leur broyage, une proportion efficace d'un mélange d'enzymes comprenant au moins une SPS-ase, une cellulase et une cellobiase, et un acide de façon à régler le pH du produit broyé dans la gamme de 3 à 5,5 environ ;
    • c) laisser le mélange d'enzymes effectuer une préhydro­lyse du produit broyé pendant 1 à 6 heures environ,
    • d) pendant ou après l'étape c), broyer finement le pro­duit à l'état de bouillie ;
    • e) poursuivre l'hydrolyse du produit broyé à l'état de bouillie par le mélange d'enzymes pendant 20 à 120 heures environ ; et
    • f) récupérer le produit hydrolysé liquide résultant.
  • Le procédé de l'invention est applicable tant aux betteraves à sucre qu'aux betteraves fourragères et aux hydrides de ces types de betteraves.
  • Le broyage grossier a) des betteraves ou des raci­nes de chicorée peut s'effectuer sans addition d'eau dans tout type de broyeur-malaxeur approprié, par exemple du type à hélice rotative. Dans cette étape les betteraves ou les racines de chicorée sont broyées en petits morceaux d'une grosseur de l'ordre de 1cm environ.
  • L'acide ajouté dans l'étape b) peut être un acide minéral ou organique. L'acide sulfurique convient parti­culièrement bien. On ajoute l'acide de façon que le pH soit dans la gamme de 3-5,5, de préférence 3,5-5. Le mé­lange d'enzymes utilisé tant pour effectuer la préhydrolyse c) que l'hydrolyse e) doit comprendre au moins une SPS-ase, une cellulase et une cellobiase.
  • Il est souvent nécessaire d'ajouter un agent bac­tériostatique n'affectant pas l'action des enzymes dans l'étape b). Un exemple d'agent bactériostatique utilisable est le formol à raison d'environ 0,5 à 2 litres par tonne de betteraves ou de racines de chicorée (0,05 à 0,2%), de préférence à raison d'environ 1 litre par tonne (0,1%). Cet agent sert à éviter les proliférations microbiennes. Des agents bactériostatiques autres que le formol pour­raient bien sûr être utilisés, mais le formol présente l'avantage d'être bon marché et facilement disponible.
  • La SPS-ase et sa préparation sont décrites en détail dans FR-A-2 518 570 au nom de NOVO INDUSTRI A/S. Cette enzyme est ordinairement obtenue à partir de mi­croorganismes du genre Aspergillus.
  • Une composition d'enzymes contenant de la SPS-ase, de la cellulase et de la cellobiase, est commercialisée par la Société danoise NOVO INDUSTRI A/S sous la désigna­tion "SP 249" et présente les activités enzymatiques sui­vantes, décrites selon la nomenclature internationale.
    • Pectinases :
  • Pectinestérase - EC 3.1.1.11
    Polygalacturonase - EC 3.2.1.15
    Exopolygalacturonase - EC 3.2.1.67
    Pectinelyase (transeliminase) - EC 4.2.2.2.
    • Cellulases :
  • Endo 1,4 bêta-glucanase - EC 3.2.1.4
    • Hemicellulases :
  • Alpha-glucosidase - EC 3.2.1.20
    Bêta-glucosidase - EC 3.2.1.21
    Alpha-galactosidase - EC 3.2.1.22
    Bêta-galactosidase - EC 3.2.1.23
    Bêta-mannosidase - EC 3.2.1.25
    Alpha-L arabinofuranosidase - EC 3.2.1.55
    Endo 1,4 bêta-mannanase - EC 3.2.1.78
  • Le "SP 249" est un liquide brun dont les spécifi­cations principales sont les suivantes :
    polygalacturonase (EC 3.2.1.15) 9640 PGU/g
    pectinase 2152 KPU/g
    SPS-ase 29 SPSU/g
    cellulase (EC 3.2.1.4.) 673 A-NCU/g
    β-glucanase fongique (EC 3.2.1.4)84 FBGUg
    hemicellulase (EC 3.2.1.78) 225 KVHCU/g
  • Comme les activités de cellulase et de cellobiase de la SP 249 sont assez faibles, on peut les renforcer par addition d'enzymes cellulase et cellobiase supplémen­taires. Une telle addition est nécessaire dans le cas du traitement des betteraves et seulement optionnelle dans le cas du traitement de racines de chicorée.
  • Comme cellulase, on peut, par exemple, utiliser celle produite par fermentation submergée d'une souche de Trichoderma reesei. Un exemple de cellulase de ce type est le produit Celluclast ® vendu par la Société danoise NOVO INDUSTRI A/S. Le Celluclast ® présente une activité cellulase de 1500 ANCU/g et possède également des exo-­activités cellobiohydrolase (EC 3.2.1.91) et exo-bêta-­1,4D-glucosidase (EC 3.2.1.74) et l'endo-activité endo-­bêta-1,4D-glucanase (EC 3.2.1.4). Une autre cellulase du commerce utile est la "SP-300" également de NOVO INDUSTRI A/S.
  • Comme cellobiase, on peut, par exemple, utiliser celle produite par fermentation submergée d'une souche d'Aspergillus niger. Un exemple de cellobiase de ce type est le produit "Novozym 188" vendu par la Société danoise NOVA INDUSTRI A/S, qui présente une activité cellobiase de 250 CBU/g.
  • Ces enzymes peuvent être utilisées en proportions relatives variées. A titre indicatif, on peut utiliser 50-75% de SP 249, 5-50% de Celluclast et 5-50% de Novozym 188, ces proportions étant en poids par rapport au poids total d'enzymes. D'autres enzymes telles que des pectina­ses, des glucanases, des galactomannases, des protéases, etc... peuvent être présentes dans le mélange d'enzymes précité, si désiré.
  • La proportion d'enzymes par rapport aux betteraves ou aux racines de chicorée peut elle aussi varier large­ment. En termes d'unités d'activité par kg de matières sèches contenues dans les betteraves ou racines de chico­rée, les enzymes pourront être utilisées dans les gammes suivantes :
    Figure imgb0001
  • Les enzymes optionnelles pourront, de leur côté, être présentes dans les gammes d'activité suivantes :
    Figure imgb0002
  • Lorsqu'on utilise les mélanges des produits du commerce SP 249, Celluclast et Novozym 188, ces gammes correspondent sensiblement à 0,5 à 5 kg de mélange par tonne de betteraves ou racines de chicorée.
  • Il y a lieu de noter que les unités d'activité des enzymes indiquées correspondent aux unités déterminées par les méthodes mises au point par la Société NOVO INDUSTRI A/S, lesquelles sont disponsibles auprès de cette Société sur demande.
  • Pour une activité optimale des enzymes, la tempé­rature au cours des étapes de préhydrolyse et d'hydrolyse sera comprise entre 35 et 60°C. De préférence, la tempéra­ture sera comprise entre 35 et 55°C pendant la préhydrolyse c) et entre 45 et 55°C pendant l'hydrolyse e).
  • La durée de l'étape de préhydrolyse c) peut aller de 1 à 6 heures, de préférence 1 à 3 heures, et celle de l'hydrolyse e) peut aller de 20 à 120 heures de préfé­rence de 24 à 72 heures.
  • L'étape d) de broyage fin à l'état de bouillie, peut se mettre en oeuvre dans tous appareils exerçant un effet de cisaillement important. Un exemple d'appareil qui s'est révélé particulièrement bien convenir est un dépas­tilleur du genre de ceux utilisés par l'industrie de la pâte à papier. Dans cette étape les morceaux de betteraves sont réduits à une grosseur de l'ordre de 0,1 mm environ ou moins.
  • Le procédé qui vient d'être décrit constitue le procédé de base de l'invention.
  • Ce procédé peut être amélioré en le combinant avec un ou plusieurs des perfectionnements à caractère facultatif suivants :
  • Un premier perfectionnement consiste à effectuer avant ou pendant l'étape de broyage grossier (a), un trai­tement thermique des betteraves ou des racines de chicorée consistant à les chauffer à une température de 70 à 90°C pendant quelques minutes à l'heure environ, par exemple à l'aide de vapeur d'eau. Ce traitement thermique a plu­sieurs effets avantageux :
    - il facilite la mise en morceaux des betteraves ou des racines de chicorée dans l'étape (a), - il permet de réduire la quantité d'agent bactériostatique à utiliser, voire de le supprimer.
    - il permet d'éliminer ou réduire fortement le moussage qui peut se produire dans l'étape (a),
    - il permet de limiter considérablement le brunis­sement des morceaux de betteraves et d'obtenir des sirops d'hydrolysat de betteraves très peu colorés, alors que les produits obtenus sans traitement thermique sont brun foncé à noir,
    - pour une dose d'enzymes donnée, il améliore les caractéristiques de l'hydrolysat (viscosité plus faible et taux de conversion plus élevé) ou bien permet d'employer une dose d'enzymes plus faible pour obtenir une viscosité et un taux de conversion donnés pour l'hydrolysat.
  • Un deuxième perfectionnement consiste à opérer après l'étape d'hydrolyse (e) une post-hydrolyse effectuée à une température égale plus élevée que l'étape d'hydrolyse proprement dite, de préférence dans la gamme de 55 et 75°C. Cette post-hydrolyse sera également conduite habi­tuellement à un pH plus bas que l'hydrolyse, dans le cas où on n'ajoute pas d'enzymes additionnels comme défini ci-­après à propos du troisième perfectionnement, tout en ne descendant pas au dessous d'un pH de 3. Par exemple, si l'hydrolyse (e) est conduite à pH 4, la post-hydrolyse pourra être conduite à pH 3. Dans le cas où on ajoute des enzymes additionnels, le pH sera ajusté en fonction du pH optimal pour l'activité enzymatique. La durée de cette post-hydrolyse peut aller de quelques minutes à 10 heures environ.
  • L'utilisation d'une étape de post-hydrolyse permet d'améliorer la conversion en glucose et fructose au détri­ment des polyosides d'un degré de polymérisation de 2 (saccharose) et plus.
  • Un troisième perfectionnement consiste à utiliser, en plus du mélange d'enzymes défini, une invertase ou une inulinase ou, de préférence, un mélange de ces deux enzymes. L'addition de l'enzyme ou mélange d'enzymes peut se faire à raison de 100 à 10000 INU/kg de matières sè­ches. Cette addition peut se faire simultanément à celle des autres enzymes ou postérieurement, par exemple pendant l'étape d'hydrolyse ou de post-hydrolyse. Un mélange d'enzymes invertase/inulinase fongique qui convient parti­culièrement bien est celui commercialisé sous la désigna­tion commerciale "Novozym 230" par la Société NOVO INDUSTRI A/S, ou une invertase de levure.
  • L'utilisation de cet ou ces enzymes additionnels permet, comme le deuxième perfectionnement ci-dessus, d'améliorer la conversion en glucose et fructose au détri­ment des polyosides d'un degré de polymérisation de 2 (saccharose) et plus.
  • L'invention concerne également, à titre de produit nouveau, un produit aqueux liquide obtenu directement par hydrolyse enzymatique de betteraves ou de racines de chicorée, caractérisé en ce qu'il contient, comme prin­cipaux ingrédients, du glucose, du fructose, des polyosides ayant des degrés de polymérisation de 2 et 3, et des com­posés azotés, ce produit ayant un pH acide, une viscosité non supérieure à 300 mPa.s, et une teneur en matières solides en suspension n'excédant pas 2% en poids.
  • Elle concerne, en particulier un tel produit aqueux liquide ayant un pH de 4 à 5 et une viscosité non supé­rieure à 150 mPa.s.
  • Elle concerne également les produits aqueux obtenus par concentration et éventuellement clarification dudit produit aqueux liquide.
  • Par exemple, en partant de betteraves sucrières ayant la composition typique suivante :
    CONSTITUANTS KG/T
    SACCHAROSE 160
    NON SUCRE SOLUBLES (1) 20
    INSOLUBLES (2) 50
    dont CELLULOSE 10
    MATIERES MINERALES 8
    EAU 770
    (1) matière organique et minérale soluble autre que le saccharose
    (2) matière organique et minérale insoluble
  • On peut obtenir un produit hydrolysé liquide ayant typiquement les caractéristiques suivantes :
    pH 4-4,5
    DENSITE 1,09
    VISCOSITE (mPa.s) 50-150
    MATIERE EN SUSPENSION 0,8-1,5
    (% p/p)
    MATIERES SECHES
    REFRACTOMETRIQUES 20-22g/100g de solution
    MATIERE SECHE TOTALE (%) 24-25
    SUCRES TOTAUX (exprimés en équivalent glucose) : 160-200g/l
    Figure imgb0003
  • Ce produit peut être clarifié pour éliminer les matières insolubles en suspension, par exemple par filtra­tion ou même par centrifugation, et/ou concentré, par exemple à l'aide d'un évaporateur rotatif. On donne ci-­après, à titre indicatif, les caractéristiques d'hydroly­sats clarifiés, clarifiés concentrés, et concentrés, obte­nus à partir de l'hydrolysat de betteraves sucrières ci-­ dessus.
    • * HYDROLYSAT CLARIFIE
  • DENSITE 1,09
    VISCOSITE (mPa.s) 5-10
    MATIERES SECHES REFRACTOMETRIQUES 20-22g/100g de solution
    COMPOSITION EN SUCRES IDENTIQUE A CELLE DE L'HYDROLYSAT BRUT
    • * HYDROLYSAT CLARIFIE CONCENTRE
  • DENSITE 1,3
    VISCOSITE (mPa.s à 20°C) 90
    MATIERES SECHES REFRACTOMETRIQUES 63-67g/100g de solution
    COMPOSITION RELATIVE EN SUCRES IDENTIQUE A CELLE DE L'HYDROLYSAT CLARIFIE
    • *HYDROLYSAT BRUT CONCENTRE
  • DENSITE 1,35
    VISCOSITE (Pa.s à 20°C) 18-20
    MATIERES SECHES REFRACTOMETRIQUES 50-60g/100g de solution
    ACTIVITE DE L'EAU 0,78-0,82
    COMPOSITION EN SUCRES IDENTIQUE A CELLE DE L'HYDROLYSAT BRUT
  • Les hydrolysats de l'invention qu'ils soient bruts et/ou clarifiés et/ou concentrés, sont des produits utiles, notamment pour la production d'alcool éthylique par fer­mentation alcoolique classique à l'aide de levures. On peut obtenir de l'alcool avec des rendements améliorés (3 à 12 points de pourcentage en plus) par rapport à la technique classique. Il faut veiller, toutefois, à ce que l'activité rémanente de l'agent bactériostatique ne gêne pas le développement des levures ou leur activité fermentaire.
  • Les exemples non limitatifs suivants sont donnés afin d'illustrer l'invention.
    • Exemples 1 à 8
  • Ces exemples ont été conduits en utilisant l'appa­reillage-pilote représenté schématiquement sur la figure unique.
  • Cet appareillage comprend un broyeur-malaxeur 1 du type à hélice rotative ouvert à sa partie supérieure pour l'introduction des betteraves et des divers ingré­dients à incorporer (acide, bactériostatique, enzymes), et relié à sa partie inférieure, par un conduit 2 muni d'une vanne 3, à une pompe 4. Cette pompe 4 est elle-même reliée à un dépastilleur 5 par un conduit 6 muni d'une vanne 7. Le conduit 6 est connecté à sa partie médiane à un conduit 8 retournant au sommet du broyeur 1. A la sortie du dépastilleur 5 est prévu un conduit 9 raccordé au conduit 8. Entre le point de raccordement des conduits 8 et 9 et le conduit 6 est prévue, sur le conduit 8, une vanne 10, tandis qu'une vanne 11 est disposée sur le con­duit 8 juste avant le sommet du broyeur 1. En amont de la vanne 11, le conduit 8 se raccorde à un conduit 12 aboutissant au réacteur 13 à pales agitatrices 14, une vanne 15 étant prévue sur le conduit 12. Une conduite de sortie 16 est prévue à la base du réacteur 13 et com­mandée par une vanne 17. Une chemise 18 à circulation d'eau est prévue autour du réacteur pour régler la tempé­rature du réacteur, de l'eau froide ou de l'eau chaude pouvant y être admise, selon que l'on désire refroidir ou réchauffer le réacteur.
  • Le fonctionnement de cet appareillage est le sui­vant :
  • Le broyeur 1 étant en marche, on y introduit les betteraves, l'acide, l'agent bactériostatique et le mélange d'enzymes.
  • Lorsque la réduction de la grosseur des morceaux de betteraves et le degré d'avancement de la préhydrolyse sont suffisamment avancés pour rendre le mélange pompable, on ouvre la vanne 3 et on met en marche la pompe 4 et le dépastilleur 5, les vannes 7 et 11 étant ouvertes et les vannes 10 et 15 fermées, de façon à faire passer les morceaux de betteraves dans le dépastilleur 5 et à les recycler au broyeur 1. Dans cette opération les morceaux de betteraves voient leur grosseur fortement réduite, par exemple à une grosseur de l'ordre de 0,1 mm environ ou moins. A la fin de cette opération, on ferme les vannes 7 et 11 et on ouvre les vannes 10 et 15, de façon à envoyer les betteraves broyées à l'état de pulpe ou suspension et préhydrolysées, au réacteur 14 où on les laisse le temps nécessaire pour achever l'hydrolyse. Enfin, les betteraves liquéfiées et hydrolysées sont évacuées du réacteur par la sortie 16, après ouverture de la vanne 17.
  • L'efficacité de l'hydrolyse est mesurée dans ces essais par le taux de conversion (ou taux de liquéfaction) X des matières normalement insolubles des betteraves :
    Figure imgb0004
     où So est la concentration initiale des betteraves en matières insolubles et St est la concentration en matières insolubles au temps t.
  • Dans tous les essais, des betteraves à sucre ont été broyées dans un broyeur-malaxeur à hélice de marque LAMORT, d'un type utilisé dans l'industrie de la pâte à papier (pulpeur) en présence des additifs acide sulfuri­que (agent de réglage du pH), formol (agent bactériostati­que) et mélange d'enzymes. Les betteraves ont été traitées dans le broyeur-malaxeur pendant environ 1 heure en faisant fonctionner ce dernier de façon intermittente de façon à ne pas dépasser environ 50°C, et soumises à trois passes successives dans le dépastilleur, également de marque LAMORT et d'un type utilisé dans l'industrie de la pâte à papier (affineur) avec recyclage au broyeur de façon que la durée de préhydrolyse dans le broyeur, soit d'envi­ron 2-3 heures. Ensuite, le produit broyé préhydrolisé a été transféré au réacteur pour compléter l'hydrolyse. La proportion de formol était de 0,1% en poids par rapport au poids de betteraves. Le Ph et la proportion d'enzymes étaient tels qu'indiqués dans le Tableau récapitulatif suivant qui résume les conditions opératoires du traitement et le résultat des essais.
    Figure imgb0005
    • EXEMPLE 9
  • Cet exemple illustre l'emploi facultatif d'un traitement thermique.
  • 20 kg de betteraves sucrières entières sont pla­cées dans un récipient muni d'un dispositif d'alimentation en vapeur. On laisse pénétrer la vapeur dans le récipient ; la température, à coeur, de la betterave croît de 3°C (initialement) à 75°C en 1h 30 environ.
  • Les betteraves ainsi traitées sont ensuite chargées dans un pulpeur LAMORT 201 et refroidies en cours de pul­page jusqu'à 45°C, le pH est ajusté à 5 avec de l'acide sulfurique et on ajoute du formol (1 litre/t) et un mélan­ge d'enzymes constitué, en poids, de 50% de SP 311, 20% de Celluclast et 30% de Novozym 188 à la dose de 11/t. La SP 311 est une préparation brute de SPS-ase commercialisée par NOVO INDUSTRI A/S. On effectue la préhydrolyse pendant 3h 30 environ, temps au bout duquel la viscosité a décru jusqu'à 1100 mPa.s. Le produit est ensuite raffiné par deux passages consécutifs dans un raffineur de labora­toire (Megatron MT) 48/2). L'hydrolyse est poursuivie ensuite dans un réacteur agité à pH = 4 et T = 55°C.
  • Après 24 heures d'hydrolyse la viscosité n'est plus que de 28 mPa.s et le taux de conversion des inso­lubles est de 78%. Après 48 heures la viscosité est très largement inférieure à 30 mPa.s (limite de mesure de l'instrument) et le taux de conversion atteint 89%.
    • EXEMPLES 10 et 11 et EXEMPLE-TEMOIN A
  • Ces exemples illustrent respectivement l'emploi d'une étape de post-hydrolyse et l'addition d'un mélange d'enzymes invertase/inulinase (Novozym 230) au mélange d'enzymes de base.
  • Le tableau suivant récapitule les conditions opé­ratoires et les résultats obtenus :
    Figure imgb0006
  • On voit d'après ces résultats que la mise en oeu­vre d'un traitement de post-hydrolyse ou l'addition d'invertase/inulinase améliore fortement les taux de con­version en glucose et fructose.
    • EXEMPLES 12 et 13
  • Ces exemples illustrent le traitement de racines de chico­rée par le procédé de l'invention. Dans chacun de ces exemples on a traité 10 kg environ de racines de chicorée préalablement lavées.
  • Les conditions opératoires utilisées et les résul­tats obtenus sont résumés ci-dessous :
    Figure imgb0007
    Figure imgb0008

Claims (20)

1. Un procédé de liquéfaction de betteraves ou de racines de chicorée comprenant les étapes suivantes :
a) broyer grossièrement des betteraves ou des racines de chicorée préalablement lavées de façon à les réduire en petits morceaux ;
b) ajouter et mélanger aux betteraves ou aux racines de chicorée, pendant ou après leur broyage, une proportion efficace d'un mélange d'enzymes comprenant au moins une SPS-ase, une cellulase et une cellobiase, et un acide de façon à régler le pH du produit broyé dans la gamme de 3 à 5,5 environ :
c) laisser le mélange d'enzymes effectuer une préhydro­lyse du produit broyé pendant 1 à 6 heures environ,
d) pendant ou après l'étape c) broyer finement le pro­duit à l'état de bouillie ;
e) poursuivre l'hydrolyse du produit broyé à l'état de bouillie par le mélange d'enzymes pendant 20 à 120 heures environ ; et
f) récupérer le produit hydrolysé liquide résultant.
2. Un procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, dans l'étape b), le pH est ajusté dans la gamme de 3,5 à 5.
3. Un procédé selon la revendication 1 ou 2, ca­ractérisé en ce que l'étape de préhydrolyse a une durée de 1-3 heures.
4. Un procédé selon l'une quelconque des revendi­cations 1 à 3, caractérisé en ce que, dans l'étape d), les matières solides sont broyées à une grosseur de parti­cules de 0,1 mm ou moins.
5. Un procédé selon l'une quelconque des revendi­cations 1 à 4, caractérisé en ce que l'étape d'hydrolyse e) a une durée de 24 à 72 heures.
6. Un procédé selon l'une quelconque des revendi­cations 1 à 5, caractérisé en ce que la température dans les étapes c) et e) est maintenue dans la gamme de 35 à 60°C.
7. Un procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que la température est maintenue entre 35 et 55°C dans l'étape c) et entre 45 et 55°C dans l'étape e).
8. Un procédé selon l'une quelconque des revendi­cations 1 à 7, caractérisé en ce que les enzymes sont utilisées dans les proportions suivantes, exprimées en termes d'unités d'activité par kg de matières sèches con­tenues dans les betteraves ou les racines de chicorée :
SPS-ase 15 à 800
Cellulase 380 à 42000
Cellobiase 10 à 4500.
9. Un procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que les enzymes sont utilisées dans les proportions suivantes :
SPS-ase 20 à 190 U/kg de matières sèches
Cellulase 700 à 7000 U/kg de matières sèches
Cellobiase 20 à 400 U/kg de matières sèches.
10. Un procédé selon la revendication 8, caracté­risé en ce que le mélange d'enzymes contient, en outre, les enzymes suivantes dans les proportions indiquées, exprimées en terme d'unités d'activité par kg de matières sèches contenues dans les betteraves ou les racines de chicorée :
polygalacturonase 5000 à 250000
pectinase 1000 à 55000
β-glucanase fongique 40 à 2500
hémicellulase 120 à 6000.
11. Un procédé selon la revendication 10, caracté­risé en ce que les enzymes indiquées sont utilisées dans les proportions suivantes exprimées en terme d'unités d'activité par kg de matières sèches contenues dans les betteraves ou les racines de chicorée :
polygalacturonase 9000 à 60000
pectinase 2000 à 14000
β-glucanase fongique 80 à 550
hémicellulase 200 à 1500.
12. Un procédé selon l'une quelconque des revendi­cations 1 à 9, caractérisé en ce que le mélange d'enzymes comprend, en poids, 50-75% de SPS-ase, 5-50% de cellulase et 5-50% de cellobiase.
13. Un procédé selon l'une quelconque des revendi­cations 1 à 12, caractérisé en ce que, en outre, on effec­tue avant ou pendant l'étape (a), un traitement thermique des betteraves ou des racines de chicorée consistant à les chauffer à une température de 70 à 90°C pendant quelques minutes à 1 heure environ.
14. Un procédé selon l'une quelconque des revendi­cations 1 à 13, caractérisé en ce que, en outre, on effec­tue, après l'étape d'hydrolyse (e), une post-hydrolyse à une température comprise entre 55 et 75°C et pendant quelques minutes à 10 heures environ.
15. Un procédé selon la revendication 14, caracté­risé en ce que la post-hydrolyse est effectuée à un pH inférieur au pH utilisé pour l'hydrolyse (e).
16. Un procédé selon l'une quelconque des revendi­cations 1 à 13, caractérisé en ce que, en outre, on utilise en plus du mélange d'enzymes défini, une enzyme invertase ou une enzyme inulinase ou un mélange des deux.
17. Un procédé selon l'une quelconque des revendi­cations 1 à 16, caractérisé en ce que, en outre, on ajoute un agent bactériostatique dans l'étape (b).
18. A titre de produit nouveau, un produit aqueux liquide obtenu directement par hydrolyse enzymatique de betteraves ou de racines de chicorée, caractérisé en ce qu'il contient, comme principaux ingrédients, du glucose, du fructose, des polyosides ayant des degrés de polyméri­sation de 2 et 3, des pentoses, de l'acide galacturonique et des composés azotés, ce produit ayant un pH acide, une viscosité non supérieure à 300 mPa.s, et une teneur en matières solides en suspension n'excédant pas 2% en poids.
19. Un produit selon la revendication 18, caracté­risé en ce qu'il a un pH de 4 à 5 et une viscosité non supérieure à 150 mPa.s.
20. Produit aqueux liquide obtenu par concentration et éventuellement, clarification d'un produit selon la revendication 18 ou 19.
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