EP3164497A1 - Procede de fermentation ibe - Google Patents

Procede de fermentation ibe

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EP3164497A1
EP3164497A1 EP15732257.9A EP15732257A EP3164497A1 EP 3164497 A1 EP3164497 A1 EP 3164497A1 EP 15732257 A EP15732257 A EP 15732257A EP 3164497 A1 EP3164497 A1 EP 3164497A1
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EP
European Patent Office
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sugars
acetate
aqueous solution
fermentation
solution containing
Prior art date
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Pending
Application number
EP15732257.9A
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German (de)
English (en)
Inventor
Nicolas Lopes Ferreira
Caroline Aymard
Remy Marchal
Frederic Monot
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IFP Energies Nouvelles IFPEN
Original Assignee
IFP Energies Nouvelles IFPEN
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Filing date
Publication date
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    • C10L1/00—Liquid carbonaceous fuels
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    • C12P2203/00—Fermentation products obtained from optionally pretreated or hydrolyzed cellulosic or lignocellulosic material as the carbon source
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E50/00—Technologies for the production of fuel of non-fossil origin
    • Y02E50/10—Biofuels, e.g. bio-diesel

Definitions

  • the present invention relates to a process for producing an aqueous mixture comprising isopropanol, n-butanol and ethanol by fermentation of an aqueous solution comprising C5 and / or C6 sugars.
  • the "green” ethylene can be synthesized by dehydration of ethanol which is itself obtained by fermentation of sugars, preferably glucose.
  • sugars preferably glucose.
  • first generation ethanol production processes the glucose that is fermented comes from sugar plants such as beets or sugar cane.
  • second generation processes fermented sugars are obtained from lignocellulosic biomass, which is one of the most abundant renewable resources on earth.
  • “Second generation” methods generally involve the following steps:
  • An object of the invention is to provide a process for producing an aqueous mixture (isopropanol, n-butanol, ethanol) by fermentation of an aqueous solution of sugars having 5 (C5) and / or 6 (C6) carbon atoms. carbon by means of a fermentative microorganism whose solvent yield is improved.
  • the invention therefore relates to a process for producing an aqueous mixture comprising isopropanol, n-butanol and ethanol comprising a step in which an aqueous solution containing C5 and / or C6 sugars is anaerobically cured. and acetate in the presence of a fermentative microorganism of the genus Clostridium and wherein said aqueous solution has an acetate concentration of between 0.5 and 10 g / L and a weight ratio (acetate) / (the sum of the sugars in C5 and / or C6) of 0.005 to 0.35 g / g.
  • the inventors have found that the presence of acetate in an aqueous solution of C5 and / or C6 sugars makes it possible to improve the fermentation performance "IBE" of the fermentative microorganism of the genus Clostridium and in particular to increase the concentration of isopropanol and n-butanol of the aqueous solution obtained at the end of the fermentation.
  • acetate refers to the deprotonated form of acetic acid, that is to say of chemical formula CH 3 COO " .
  • the proportion of acetate relative to acetic acid and its concentration in the aqueous solution can be adjusted by means of the variable "pH" of said solution.
  • the concentration of acetate in the aqueous solution is between 1 and 8 g / l. More preferably, the concentration of acetate in the aqueous solution is between 2 and 6 g / l, preferably between 3 and 6 g / l.
  • the pH of the aqueous solution containing C5 and / or C6 sugars and acetate is between 4 and 8. More preferably, the pH of the aqueous solution containing C5 sugars and / or C6 and acetate is between 5 and 8.
  • the mass ratio (acetate) / (the sum of the sugars C5 and / or C6) is between 0.08 and 0.35 g / g.
  • the weight ratio (acetate) / (the sum of the sugars C5 and / or C6) is more preferably between 0.09 and 0.2 g / g.
  • the concentration of C5 and / or C6 sugars in the aqueous solution is between 30 and 100 g / l.
  • the aqueous solution containing C5 and / or C6 sugars and acetate is a residual stream resulting from a pretreatment step of a lignocellulosic biomass.
  • the aqueous solution containing C5 and / or C6 sugars and acetate is a vinasse produced by fermentation of sugars.
  • the vinasse can be previously concentrated, for example by evaporation.
  • the aqueous solution containing C5 and / or 06 sugars and acetate is a hydrolyzate derived from the enzymatic hydrolysis of lignocellulosic biomass.
  • the aqueous solution containing sugars in 05 and / or 06 and acetate is an aqueous solution containing sugars in 05 and / or 06 containing an aqueous solution containing acetate which is selected from:
  • a hydrolyzate obtained by enzymatic hydrolysis of a lignocellulosic biomass ⁇ A waste effluent resulting from a pretreatment stage of a lignocellulosic biomass.
  • the sugar at 05 is xylose and the sugar at 06 is glucose.
  • the glucose may possibly come from a stream resulting from the enzymatic hydrolysis step of a first generation biofuel production process (for example ethanol) using as raw material sugar plants, for example sugar beet. and sugar cane or corn or grains of wheat.
  • a first generation biofuel production process for example ethanol
  • the fermentative microorganism used in the process according to the invention is chosen from the Clostridium acetobutylicum and Clostridium beijerinckii strains.
  • the fermentations "IBE” are carried out at a temperature generally between 30 and 37 ° C, preferably at 34 ° C, for a period of between 30 and 120 hours and maintaining a continuous stirring to homogenize the culture medium.
  • the fermentation is conducted in a "batch” or “fed-batch” mode, well known to those skilled in the art.
  • the invention also relates to a process for producing biofuel from lignocellulosic biomass comprising the following steps:
  • Enzymatic hydrolysis of cellulose and hemicellulose are performed to produce a hydrolyzate containing sugars
  • the sugars of the hydrolyzate are fermented in the presence of a fermentation microorganism to produce biofuel
  • the process further comprises a process for producing an aqueous mixture comprising isopropanol, n-butanol and ethanol by fermentation of an aqueous solution containing C5 sugars and / or C6 and acetate, said solution being chosen from:
  • the process for producing the "IBE" mixture according to the invention is advantageously integrated into a process for producing alcohol and / or second-generation solvents so as to treat and efficientlyze by-products generated especially during the stage. pretreatment and fermentation.
  • the subject of the invention is a fermentation process known as "IBE" for producing, using a microorganism of the genus Clostridium, a mixture of solvents (isopropanol, n-butanol, ethanol) from an aqueous solution. containing C5 and / or C6 sugars and in the presence of acetate.
  • the fermentation is carried out in the absence of oxygen and in a bioreactor also designated by the term "fermenter”.
  • the bioreactor is an equipment for the propagation of fermentative microorganisms capable of producing molecules (solvents or other organic compounds) of interest.
  • a fermentation in a bioreactor thus allows growth of the microorganism batch with a control of key parameters such as pH, agitation and temperature of the medium.
  • the fermentation step consists of developing the microorganisms and recovering a reaction effluent or fermentation broth containing an aqueous solution of the mixture (isopropanol, n-butanol, ethanol).
  • the fermentation product is then generally treated in a concentration step to provide a concentrated aqueous solution (isopropanol, n-butanol, ethanol).
  • the fermentation is carried out at a temperature generally between 30 and 37 ° C, preferably at 34 ° C, for a period of between 30 and 120 hours and maintaining a continuous stirring to homogenize the reaction medium.
  • the aqueous solution generally contains C5 and / or C6 sugars in a proportion of 30 to 100 g / l and, in addition, acetic acid in deprotonated form, that is to say in the form of acetate of formula CH 3 COO " .
  • the concentration of acetate in said aqueous solution is between 0.5 and 10 g / l, preferably between 1 and 8 g / l, more preferably between 2 and 6 g / l. L and very preferably between 3 and 6 g / L.
  • the mass ratio (acetate) / (the sum of the sugars C5 and / or C6) is between 0.005 and 0.35. very preferred, the mass ratio (acetate) / (the sum of the sugars C5 and / or C6) is between 0.08 and 0.35 g / g, preferably between 0.09 and 0.2.
  • the aqueous solution has a pH of between 4 and 8, and preferably between 5 and 8.
  • the acetate can be added to an aqueous solution of C5 sugars and / or or C6 to satisfy the acetate concentration of the culture medium.
  • the method according to the invention involves the use of a microorganism of the genus Clostridium which is a bacterium of the family gram positive anaerobic bacilli.
  • the fermentative microorganism is selected from the Clostridium acetobutylicum and Clostridium beijerinckii strains and can be either a natural strain or a genetically modified strain to produce isopropanol.
  • the concentration of microorganism in the fermentation medium is generally between 1 and 30 g / l, and preferably between 2 and 10 g / l.
  • the aqueous solution of C5 and / or C6 sugars that can be fermented by the process according to the invention can have different origins.
  • the aqueous solution advantageously comes from the treatment of a renewable resource.
  • the renewable resource is lignocellulosic biomass type, which notably includes woody substrates (hardwood and softwood), agricultural by-products (straw) or lignocellulosic waste-generating industries (agro-food industries, paper mills).
  • the aqueous solution of C5 and / or C6 sugars can also be obtained from sugar plants, for example sugar beet and sugar cane, or from corn or wheat grains.
  • any C5 sugar naturally present in the various lignocellulosic biomasses (mono- or dicotyledons) used for biofuel production biologically can be fermented by the process according to the invention.
  • the C5 sugars are chosen from xylose and arabinose.
  • any C6 sugar can also be fermented by the process according to the invention.
  • the C6 sugars are selected from glucose, mannose, galactose. More preferably, the C6 sugar is glucose.
  • the aqueous solution of C5 and / or C6 sugars may be derived from a step of a process for producing alcohol and / or second-generation solvents.
  • the solution may be an effluent from the lignocellulosic biomass pretreatment step.
  • the pretreatment stage which aims at modifying the physical and physico-chemical properties of the lignocellulosic material, with a view to improving the accessibility of the cellulose trapped within the matrix of lignin and hemicellulose, generates waste effluents generally containing a a mixture of C5 and C6 sugars which can thus be advantageously used for the IBE fermentation according to the invention.
  • the waste effluent may be from a pretreatment chosen from acid cooking, alkaline cooking, steam explosion with or without acid impregnation, Organosolv processes.
  • a pretreatment chosen from acid cooking, alkaline cooking, steam explosion with or without acid impregnation, Organosolv processes.
  • Such effluent from the pretreatment is advantageous in that it contains sugars useful for fermentation and also acetic acid (or acetate).
  • the aqueous solution containing C5 and / or C6 sugars and acetate is a waste effluent resulting from a pretreatment by steam explosion.
  • Pretreatment by steam explosion is also known as “steam explosion”, “steam gunning”, “explosive relaxation”, “steam pretreatment”.
  • the biomass is rapidly heated to high temperature (150 ° - 250 ° C) by injection of steam under pressure. Stopping treatment is usually done by sudden decompression, called detente or explosion, which destructures the lignocellulosic matrix.
  • the residence times vary from 10 seconds to a few minutes, for pressures ranging from 10 to 50 bars. Many configurations are possible for this type of pretreatment.
  • the implementation may be batch type, or continuous type.
  • the steam explosion may be preceded by an impregnation acid to promote hydrolysis of hemicelluloses during cooking.
  • an impregnation acid to promote hydrolysis of hemicelluloses during cooking.
  • an acid pre-impregnation makes it possible in particular to reduce the temperature of the process (between 150 and 200 ° C. against 250 ° C. for the steam explosion without acid impregnation) and thus to minimize the formation of degradation compounds. .
  • the aqueous stream containing C5 and / or C6 sugars and the acetate which is fermented by the process according to the invention may have as its origin an acidic liquor, recovered at the end of the acid impregnation step of lignocellulosic biomass that precedes the pretreatment stage by steam explosion.
  • aqueous solution of C5 and / or C6 sugars and of the acetate a hydrolyzate obtained by enzymatic hydrolysis of the cellulose and hemicellulose released during the biomass pre-treatment stage.
  • the hydrolysis is carried out in the presence of cellulolytic and / or hemicellulolytic enzymes produced by a microorganism belonging to the genera Trichoderma, Aspergillus, Penicillium or Schizophyllum.
  • the aqueous solution of C5 and / or C6 sugars and acetate may also be a waste effluent from the fermentation step which is also referred to as "vinasse".
  • this liquid residue of fermentation contains unfermented sugars including pentoses (C5 sugars) and even traces of hexoses most difficult to metabolize by the fermentative microorganism (eg galactose).
  • C5 sugars pentoses
  • traces of hexoses most difficult to metabolize by the fermentative microorganism
  • the acetate content in the aqueous solution of sugars it is of course possible to enrich said aqueous solution with C5 and / or C6 sugars and with acetate by supplying additional acetic acid in the medium.
  • the following sources are used as the source of acetate:
  • the acid liquor recovered at the end of the acid impregnation step of a lignocellulosic biomass that precedes the steam explosion step The liquid fraction resulting from a solid / liquid separation operation carried out on the pretreated biomass which is recovered after the expansion phase of the steam explosion pretreatment stage;
  • a condensate resulting from the treatment of the vapor phase generated by the steam explosion pretreatment stage is
  • FIG. 1 is a diagram of a process for the production of alcohol and / or second-generation solvents incorporating an "IBE" fermentation unit.
  • Figure 2 is a diagram of the fermentation process "IBE" according to the invention.
  • FIG. 1 represents an exemplary implementation of the process according to the invention which is advantageously integrated in a process for producing alcohol and / or second-generation solvents.
  • the substrate (lignocellulosic biomass) is introduced via line 1 into the pretreatment reactor 2.
  • the reagents and utilities such as the steam required to conduct the pretreatment are introduced via line 3.
  • the mixture is extracted by line 6 a pretreated substrate and a waste pretreatment effluent that is discharged through line 4.
  • the composition of the waste effluent depends on the method used for the pretreatment. When the pretreatment is of acid type with or without steam explosion, the waste effluent may contain between 0.5 and 10 g / L of acetic acid.
  • the waste effluent of the pretreatment containing C5 and / or C6 sugars and of acetate is advantageously treated by the process according to the invention, optionally after bringing the residual effluent to pH when the pH of the latter is outside the range 4 to 8 pH units.
  • the waste effluent is sent via line 4 to the "IBE" fermentation reactor 19 in order to produce an aqueous solution containing a mixture (isopropanol, n-butanol, ethanol).
  • the conversion unit 7 comprises at least one enzymatic hydrolysis reactor 7a of cellulose in hexoses (preferably in glucose) and an alcoholic fermentation bioreactor and / or of solvents 7b which transforms the hexoses in alcohol and / or solvents.
  • the fermentation is of ethyl type to produce ethanol.
  • the conditions of the enzymatic hydrolysis mainly the solids content of the mixture to be hydrolysed and the amount of enzymes used, are chosen so as to obtain a solubilization of the cellulose of between 20% and 99% in the reactor 7a, and more particularly between 30% and 95%.
  • the water required to obtain the level of target solid material is added via line 8.
  • the cellulolytic and / or hemicellulolytic enzymes are added via line 8a.
  • the hydrolyzate obtained at the outlet of the reactor 7a is sent via line 9 into the fermentation bioreactor 7b. According to one variant, steps 7a and 7b are carried out concomitantly within one and the same reactor.
  • microorganisms used for the fermentation of the released hexoses are introduced via line 8b and the additives necessary for pH adjustment or liquefaction are introduced via line 8c into the bioreactor 7b.
  • a fermentation must containing an alcoholic aqueous mixture and / or solvents and solid material (mainly lignin) is withdrawn from bioreactor 7b by line 11 and sent to a treatment unit 12 for recovering an aqueous alcoholic solution. and / or concentrated solvents.
  • solid material mainly lignin
  • the treatment unit 12 comprises a concentration unit of the alcohols and / or solvents 13 and a solid / liquid separation unit 15.
  • a stream is recovered.
  • aqueous solution of alcohol and / or concentrated solvents which is discharged via line 16 and a sludge which is drawn off by line 14.
  • the sludge is composed of a solid fraction, consisting essentially of cellulose, hemicellulose and lignin which have not been hydrolysed, and a liquid fraction referred to as "vinasse”.
  • the sludge is treated in the solid / liquid separation unit 15. This unit 15 makes it possible to separate the residual solids via line 17 and a liquid fraction (or vinasse) via line 18.
  • Vinasse which is an aqueous solution containing unfermented sugars with, in particular, pentoses (xylose, arabinose) or even traces of hexoses (for example galactose, which is the most difficult hexose to be metabolized by conventional yeasts) as well as oligomers of sugars and acetate, thus constitutes a useful solution for the fermentation "IBE" according to the invention.
  • pentoses xylose, arabinose
  • hexoses for example galactose, which is the most difficult hexose to be metabolized by conventional yeasts
  • oligomers of sugars and acetate thus constitutes a useful solution for the fermentation "IBE" according to the invention.
  • the vinasse is advantageously treated in the "IBE" fermentation bioreactor 19.
  • the vinasse can be previously concentrated before being sent to the reactor 19.
  • the sludge can be directly sent to the "IBE" bioreactor 19.
  • the "IBE” fermentation bioreactor 19 is fed with microorganism of the Clostridium genus by line 21 and with acetic acid by line 20.
  • the presence of Line 20 providing acetic acid is useful when the culture medium in the reactor 19 does not contain enough acetate according to the invention.
  • the added acetic acid can come from a condensate produced by the pretreatment step when it involves a steam explosion.
  • FIG. 2 represents an exemplary implementation of the process for producing an aqueous mixture of isopropanol, n-butanol and ethanol according to the invention.
  • the substrate (lignocellulosic biomass) is introduced via line 1 into the pretreatment reactor 2.
  • the reagents and utilities such as the steam required to conduct the pretreatment are introduced via line 3.
  • the mixture is extracted by line 5 a pretreated substrate and a waste pre-treatment effluent that is discharged via line 4.
  • the composition of the waste effluent depends on the method used for the pretreatment.
  • the waste effluent from the pretreatment containing C5 and / or C6 sugars and acetate is advantageously treated by the process according to the invention.
  • the waste effluent is sent via line 4 into the "IBE" fermentation reactor 19 to produce an aqueous solution containing an aqueous mixture of isopropanol, n-butanol and ethanol.
  • the pretreated substrate it is sent via line 5 to a unit for converting cellulose into hexoses 7a in which the enzymatic hydrolysis of the cellulose is carried out.
  • the conditions of the enzymatic hydrolysis mainly the solids content of the mixture to be hydrolysed and the amount of enzymes used, are chosen so as to obtain a solubilization of the cellulose of between 10% and 99% in the reactor 7, and more particularly between 15 and 95%.
  • the water required to obtain the level of target solid material is added via line 8.
  • the cellulolytic and / or hemicellulolytic enzymes are added via line 8a.
  • the hydrolyzate obtained at the outlet of the cellulose conversion unit 7a is sent via line 9 into the fermentation bioreactor "IBE" 19.
  • microorganisms of the genus Clostridium used for the fermentation of hexoses and pentoses are introduced via line 21.
  • a fermentation must containing an aqueous mixture of isopropanol, n-butanol, ethanol and solid material (mainly lignin) is thus withdrawn from the bioreactor 19 via line 22 and sent to a treatment unit 23 for recovering a solution.
  • concentrated aqueous isopropanol, n-butanol, ethanol As indicated in FIG. 2, the treatment unit 23 comprises a solvent concentration unit 24 and a solid / liquid separation unit 26. At the end of the concentration step, an aqueous concentrated solvent stream is recovered. which is discharged through line 27 and a sludge that is withdrawn through line 25.
  • the sludge is composed of a solid fraction, consisting essentially of cellulose, hemicellulose and lignin which have not been hydrolysed, and of a liquid fraction referred to as "vinasse".
  • the sludge is thus treated in the solid / liquid separation unit 26.
  • This unit 26 makes it possible to separate the residual solids by the line 28 and a liquid fraction (or vinasse) via the line 29.
  • Vinasse which is an aqueous solution containing residual sugars and possibly acetate, is a useful solution for IBE fermentation.
  • the vinasse is advantageously recycled to the fermentation bioreactor "IBE” 19 via line 29.
  • the sludge, containing the solid residues and the vinasse is sent directly into the "IBE" bioreactor 19
  • the "IBE” fermentation bioreactor 19 is supplied via line 20 with acetic acid (or acetate) when the culture medium in the reactor 19 does not contain enough acetate according to the invention.
  • the acetic acid (or acetate) may be possibly from a condensate produced after the treatment of the vapor phase produced by the expansion phase of the pretreatment by steam explosion.
  • Isopropanol / Butanol / Ethanol fermentation in batch was carried out using the Clostridium beijerinckii strain NRRL B593 (DSMZ 6423) and in a CM1 culture medium containing 60 g / l glucose and to which it was added 0 g / ml. L or 3 g / L or 6 g / L of ammonium acetate.
  • composition for 1 liter of CM1 solution is detailed below:
  • Glucose 60 The fermentation was conducted batchwise under the following operating conditions:
  • the amount of the strain Clostridium beijerinckii NRRL B593 used for the tests is between 16 and 24 g / L and was determined by measuring the optical density at 600 nm of the culture medium after seeding of the strain.
  • Table 1 gives the final concentrations of substrates and products obtained at the end of batch culture after 50 hours.
  • Acetic acid 1 [g / L] 0.8 -1, 7 7 0.01 -3.3
  • a negative value indicates a net consumption of acetic acid ([acetic acid] finai - [acetic acid] ⁇ )

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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 C5 et/ou C6.
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 "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. 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. 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 "IBE" 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 CH3COO". 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 5 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. 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 C5 et/ou C6 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 C5 et/ou 06 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 05 et/ou 06 et de l'acétate est une solution aqueuse contenant des sucres en 05 et/ou 06 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 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 œuvre 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 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 C5 et/ou C6 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- 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 CH3COO". 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 C6) 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 C6 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 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 C5 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 C6 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 C5 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 C5 et C6 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 C5 et/ou C6 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 œuvre peut-être de type batch, ou de type continue. L'explosion vapeur peut-être précédée d'une imprégnation 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 rH2S04, 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 C5 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 C5 et/ou C6 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, Pénicillium ou Schizophyllum.
Dans le cadre de l'invention, la solution aqueuse de sucres en C5 et/ou C6 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 C5 et/ou C6 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. • 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 condensât issu du traitement de la phase vapeur générée par l'étape de prétraitement par explosion à la vapeur.
Exemples de mise en œuvre 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 œuvre 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. 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 1 1 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 condensât 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 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 œuvre du procédé de production d'un 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. 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 condensât 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 CM1 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
KH2P04 1 ,00
K2HP04 0,60
CH3COONH4 2,90
FeS04.7H20 0,50
MgS04.7H20 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 œuvre 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 Ad 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 7_ 1 ,7 38,7
Acide acétique 1 [g/L] 0,8 -1 ,7 7_ 0,01 -3,3
Acide butyrique [g/L] 0,1 0,3 7_ 0,1 1 ,8
Ethanol [g/L] 0,1 0,1 7_ 0,01 0,2
Isopropanol [g/L] 2,9 4,5 7_ 0,3 5,9
Butanol [g/L] 5,6 8,4 7. 1 ,9 8,2
Solvants totaux [g/L] 8,9 13,2 7.2,3 16,6
1 une valeur négative indique une consommation nette d'acide acétique ([acide acétique]finai - [acide acétique]^)
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 C5 et/ou C6) 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

REVENDICATIONS
1 . 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.
2. Procédé selon la revendication 1 , dans lequel la concentration en acétate dans la solution aqueuse est comprise entre 1 et 8 g/L.
3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel la concentration en acétate est comprise entre 2 et 6 g/L, de préférence comprise entre 3 et 6 g/L.
4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, 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.
5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le rapport massique (acétate) / (la somme des sucres en C5 et/ou C6) compris entre 0,08 et 0,35 g/g, de préférence compris entre 0,09 et 0,2.
6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la solution aqueuse contenant des sucres en C5 et/ou C6 et de l'acétate est issue d'une étape de prétraitement d'une biomasse lignocellulosique.
7. Procédé selon la revendication 6, 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.
8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel la solution aqueuse contenant des sucres en C5 et/ou C6 et de l'acétate est une vinasse produite par fermentation de sucres.
9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel la solution aqueuse contenant des sucres en C5 et/ou C6 et de l'acétate est un hydrolysat issu de l'hydrolyse enzymatique d'une biomasse lignocellulosique.
10. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel la solution aqueuse contenant des sucres en C5 et/ou C6 et de l'acétate est une solution aqueuse contenant des sucres en C5 et/ou C6 additionnée d'une solution aqueuse contenant de l'acétate choisie parmi :
• un effluent résiduaire issu d'une étape de prétraitement d'une biomasse lignocellulosique;
• une vinasse produite par fermentation de sucres;
• un hydrolysat obtenu par hydrolyse enzymatique d'une biomasse lignocellulosique;
1 1 . Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le sucre en C5 est le xylose et le sucre en C6 est le glucose.
12. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel le microorganisme fermentaire est choisi parmi les souches Clostridium acetobutylicum et Clostridium beijerinckii.
13. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel la concentration en sucres C5 et/ou C6 de la solution aqueuse est comprise entre 30 et 100 g/L.
14. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel la concentration en microorganisme fermentaire du genre Clostridium de la solution aqueuse est comprise entre 1 et 30 g/L.
15. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel la fermentation est effectuée à une température comprise entre 30 et 37°C en maintenant une agitation continue.
16. 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 œuvre en outre un procédé de production d'un mélange aqueux comprenant de l'isopropanol, du n-butanol et de l'éthanol selon l'une des revendications précédentes à partir d'une solution aqueuse contenant des sucres en C5 et/ou C6 et de l'acétate, ladite solution étant choisie parmi :
• un effluent résiduaire issu de l'étape de prétraitement de la biomasse lignocellulosique;
• l'hydrolysat issu l'hydrolyse enzymatique;
• une vinasse produite par la fermentation des sucres.
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