EP3856916A1 - Procede de production d'alcools avec clostridium sur support solide - Google Patents

Procede de production d'alcools avec clostridium sur support solide

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EP3856916A1
EP3856916A1 EP19779444.9A EP19779444A EP3856916A1 EP 3856916 A1 EP3856916 A1 EP 3856916A1 EP 19779444 A EP19779444 A EP 19779444A EP 3856916 A1 EP3856916 A1 EP 3856916A1
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EP
European Patent Office
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fermentation
solid support
clostridium
fermentation reactor
isopropanol
Prior art date
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Pending
Application number
EP19779444.9A
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German (de)
English (en)
Inventor
Helena GONZALEZ PENAS
Marcel Ropars
Eszter Toth
Vincent Coupard
Sandra Menir
Nicolas Lopes Ferreira
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IFP Energies Nouvelles IFPEN
Original Assignee
IFP Energies Nouvelles IFPEN
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Filing date
Publication date
Application filed by IFP Energies Nouvelles IFPEN filed Critical IFP Energies Nouvelles IFPEN
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    • C12M25/00—Means for supporting, enclosing or fixing the microorganisms, e.g. immunocoatings
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12N—MICROORGANISMS OR ENZYMES; COMPOSITIONS THEREOF; PROPAGATING, PRESERVING, OR MAINTAINING MICROORGANISMS; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING; CULTURE MEDIA
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    • C12P7/04—Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a hydroxy group acyclic
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
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    • C12P7/26—Ketones
    • C12P7/28—Acetone-containing products
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    • 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 description relates to a process for the production of alcohols by fermentation of a sweet fluid.
  • Alcohols from fermentation processes are among the most promising substitutes for petrochemical derivatives.
  • ABE Acetone - Butanol - Ethanol
  • IBE fermentation carried out by microorganisms belonging to the genus Clostridium, is one of the oldest fermentations to have been industrialized (early 20th century) and has since been widely studied. More recently, the IBE fermentation (Isopropanol - Butanol -
  • Ethanol producing a mixture of isopropanol, butanol and ethanol and also produced by microorganisms belonging to the genus Clostridium, has been the subject of numerous studies.
  • a continuous process with cells suspended in a homogeneous reactor can also be envisaged. But productivity is also quite low and can hardly be increased significantly.
  • One of the major technical problems is the concentration of cells in the fermentation medium, mainly controlled by the dilution rate applied in the process. This cannot be raised to avoid cell washing ("wash out” according to English terminology) in the fermenter. For these reasons, for a few years, a great interest is carried by the methods aiming at a strong retention of the microbial biomass. There are two ways: “cell immobilization” and cell "recycling” with retention using filter membranes.
  • EPS polysaccharides excreted by their own microorganisms
  • a first object of the present description is to provide a fermentation process of the IBEA type (Isopropanol - Butanol - Ethanol - Acetone) in a reactor in which the rate of hydraulic dilution is different from the dilution rate of the active biomass.
  • IBEA type Isopropanol - Butanol - Ethanol - Acetone
  • a method capable of at least partially fixing the bacterial biomass by adsorption in the form of biofilm in the fermentation reactor, improving the volume productivity is described below.
  • the abovementioned object as well as other advantages, are obtained by a process for the production of alcohols, in which a sweet fluid is introduced into a fermentation reactor to produce a fermentation must enriched in isopropanol, butanol, ethanol and acetone with respect to the sweet fluid, the fermentation reactor comprising a biomass produced by a strain belonging to the genus Clostridium supported (ie immobilized) on a solid support comprising a polyurethane foam.
  • the fermentation must comprises an addition of at least 0.2 g / L of isopropanol, of at least 0.2 g / L of butanol, of at least 0.2 g / L of ethanol and at least 0.2 g / L of acetone, relative to the sweet fluid.
  • the fermentation must comprises a contribution of at least 0.2 g / L of isopropanol, of at least 0.2 g / L of butanol, of less than 0.2 g / L of ethanol and at least 0.2 g / L of acetone, relative to the sweet fluid.
  • the fermentation must 0 comprises a contribution of at least 0.2 g / L of isopropanol, of at least 0.2 g / L of butanol, of less than 0.2 g / L of ethanol and of less 0.2 g / L of acetone, compared to the sweet fluid.
  • the fermentation must comprises an addition of minus 1 g / L of isopropanol, at least 2 g / L of butanol, relative to the sweet fluid.
  • the fermenting must comprises a contribution of at least 2 g / L of isopropanol, of at least 4 g / L of butanol, relative to the sweet fluid.
  • the fermentation must comprises an addition of at least 3 g / L 5 of isopropanol, of at least 6 g / L of butanol, relative to the sweet fluid.
  • the fermentation must comprises a contribution of at least 4 g / L of isopropanol, of at least 8 g / L of butanol, relative to the sweet fluid.
  • the fermentation must comprises an addition of at least 10 g / L of isopropanol, of at least 20 g / L of butanol, relative to the sweet fluid.
  • the fermentation must comprises an addition of at least 15 g / L of isopropanol, of at least 30 g / L of butanol, relative to the sweet fluid.
  • the fermentation must comprises an intake of at least 0.4 g / L of isopropanol + butanol, the isopropanol / (isopropanol + butanol) ratio being able to vary from 0 to 1 (eg 0.01 to 0 , 99).
  • the fermenting must comprises a contribution of at least 3 g / L of isopropanol + butanol, the isopropanol / (isopropanol + butanol) ratio can vary from 0 to 1 (eg 0.01 to 0.99).
  • the fermentation must comprises an intake of at least 6 g / L of isopropanol + butanol, the isopropanol / (isopropanol + butanol) ratio being able to vary from 0 to 1 (eg 0.01 to 0 , 99).
  • the fermentation must comprises an intake of at least 90 g / L of isopropanol + butanol, the isopropanol / (isopropanol + butanol) ratio being able to vary from 0 to 1 (eg 0.01 to 0 , 99).
  • the fermentation must comprises an intake of at least 12 g / L of isopropanol + butanol, the isopropanol / (isopropanol + butanol) ratio being able to vary from 0 to 1 (eg 0.01 to 0 , 99).
  • the fermentation must comprises an intake of at least 30 g / L 5 of isopropanol + butanol, the isopropanol / (isopropanol + butanol) ratio being able to vary from 0 to 1
  • the fermentation must comprises an intake of at least 60 g / L of isopropanol + butanol, the isopropanol / (isopropanol + butanol) ratio being able to vary from 0 to 1 (eg 0.01 to 0 , 99).
  • the production process according to the first aspect also makes it possible to maintain better stability of the microorganisms (eg maintenance of performance over time).
  • the fermentation products, and particularly the alcohols (eg butanol) have an inhibiting effect on the microorganism
  • the production process according to the first aspect reduces at least in part the negative effects of these inhibitor products on the biological activity present in the environment.
  • the sweet fluid is introduced continuously into the fermentation reactor.
  • the polyurethane foam comprises at least one of the following characteristics:
  • - volume cavities ie., pores or cells
  • equivalent sphere diameter is between 0.1 and 5 mm, preferably between 0.25 mm and 1.1 mm, preferably between 0.55 and 0, 99 mm, and
  • an apparent density ie, mass on apparent volume measured in the air between 10 and 90 g / L, preferably between 10 and 80 g / L, preferably between 15 and 45 g / L, such as between 20 and 45 g / L.
  • the fermentation is carried out at a dilution rate (defined as the charge flow ratio (liquid volume of the sweetened fluid) to be converted relative to the liquid volume of the fermentation reactor) of between 0.04 h 1 and 1 h 1 , preferably between 0.08 h 1 and 0.5 h 1 , such as between 0.12 h 1 and 0.3 h 1 .
  • a dilution rate defined as the charge flow ratio (liquid volume of the sweetened fluid) to be converted relative to the liquid volume of the fermentation reactor
  • the fermentation reactor comprises between 10% and 90%, preferably between 20% and 50%, preferably between 20% and 40% (eg 25-30%) in apparent volume of solid support by relative to the total volume of the fermentation reactor.
  • the solid support is at least partially, preferably completely immersed, in the reaction medium.
  • the solid support is traversed by natural or forced convection with a flow of sweet fluid (eg descending, rising, or radial fluid circulation, optionally in forced convection (eg radial turbine of the Rushton or axial type or through a support)).
  • the fermentation reactor is an upward or downward or radial fluid circulation reactor and optionally with countercurrent gas evolution.
  • the biomass is produced by (and / or comprises) a microorganism belonging to the genus Clostridium and capable of producing mixtures of the IBEA type (eg Clostridium acetobutylicum, Clostridium beijerinckii, Clostridium saccharobutylicum. Clostridium tyrobutyricum, C. saccharoperbutylacetonicum, C. butylicum 5 and other Clostridium sp).
  • the microorganism employed may or may not be genetically modified.
  • Clostridium species known as “solvents” can be used.
  • the strains preferably used are those belonging to the species C. beijerinckii or C. acetobutylicum. They can be genetically modified strains or not.
  • a genetically modified strain corresponds to a strain whose genetic material (DNA) has been modified compared to an initial strain. Genetic modifications are carried out using genetic tools well known to those skilled in the art (cf. Pyne et al Biotech Adv 2014 32 (3): 623-41 and Wasels et al J. Microbiol Methods 2017 140: 5-1 1).
  • the genetic modifications may correspond to modifications of the own genomic content of the strain used in order to improve its performance for the production of Isopropanol / Butanol / Ethanol or its capacity to modify the selectivity towards isopropanol or n-butanol. Genetic modifications may also correspond to the integration of one (or more) genetic material (s) making it possible to improve the performance or the selectivity towards isopropanol or n-butanol of the Clostridium strains used in the process.
  • the biomass produced by the strain belonging to the genus Clostridium comprises a bacterium 5 genetically modified or not and belonging to the species Clostridium beijerinckii and / or
  • the sweet fluid comprises an aqueous solution of sugars derived from C5 and / or C6 lignocellulose, and / or sugars derived from saccharifous plants (eg glucose, fructose and sucrose), and / or sugars from starchy plants (eg dextrins, maltose and other oligomers, even starch).
  • the aqueous solution comprises from 20 to 800 g / L (eg from 20 to 500 g / L) of sugar.
  • the sweet fluid is produced from a load of biomass.
  • the biomass load comes from the treatment of a renewable source.
  • the renewable source comprises lignocellulosic biomass (eg woody substrates, such as softwoods and hardwoods (for example softwoods such as spruces or pines, or hardwoods such as eucalyptus), agricultural products (eg straw) or those of industries generating lignocellulosic waste (food industries, paper mills)) and / or plants from dedicated cultures (eg miscanthus, Panicum virgatum (panic erect or switchgrass)), and / or sugar plants, such as sugar beet, sugar cane, Jerusalem artichoke and / or starchy plants (eg corn and wheat) and / or tubers (eg cassava, Jerusalem artichoke and potato).
  • the renewable source further comprises a lignocellulosic biomass of products and residues from the paper industry and transformation products of lignocellulosic materials. 5
  • the biomass load comprises approximately 35 to
  • the solid support is placed inside the fermentation reactor before and / or after the immobilization (e.g. by adsorption) of the biomass produced by the strain belonging to the genus Clostridium on the solid support.
  • the biomass produced by the strain belonging to the genus Clostridium is immobilized on the solid support in a secondary reservoir, and the solid support supporting the biomass produced by the strain belonging to the genus Clostridium (also named below) bacterial biomass) is introduced into the fermentation reactor. It is possible to immobilize the bacterial biomass inside a secondary tank operating in a fast loop ("in stream" according to English terminology) relative to the fermentation reactor. It is in particular possible to implement a batch stage in the process of the present description, for example for a period of 4-5 hours, for example before the continuous introduction of the sweet fluid into the fermentation reactor.
  • the reaction medium which contains / submerges the solid support undergoes an inoculation rate with an inoculation solution of bacterial biomass (eg with cells at substantially maximum growth rate) of between 0.5 % and 20% by volume, preferably between 1% and 20% by volume relative to the total volume of the reaction volume (eg 10% by volume).
  • the solid support is at least partially, preferably completely immersed, in the inoculation solution during said “batch” step.
  • the bacterial biomass is immobilized on the solid support in the form of a biofilm (ie microbial group which can either be attached to a solid surface (organic or inorganic), or form flocs or aggregates in isolation , especially by auto granulation, on the solid surface).
  • a biofilm ie microbial group which can either be attached to a solid surface (organic or inorganic), or form flocs or aggregates in isolation , especially by auto granulation, on the solid surface).
  • the solid support is introduced into the fermentation reactor in the form of one or more blocks.
  • the solid support e.g. in the form of a single block
  • the block has a diameter substantially equal to the internal diameter of the fermentation reactor.
  • the block and the fermentation reactor are described herein as straight circular cylinders, it is understood that the block and the fermentation reactor can be of any shape.
  • the block is centered or eccentric relative to the main (vertical) axis of the fermentation reactor, or attached to a radial wall of the fermentation reactor.
  • the solid support is introduced into the fermentation reactor in the form of a net or a container with a mesh comprising a plurality of cubes, parallelepipeds or any other 3-dimensional shapes ("chips" according to Anglo-Saxon terminology) of polyurethane foam, for example at least one dimension of which is at least 3 mm.
  • the net or the container with a mesh is a straight circular cylinder having a diameter less than or substantially equal to the internal diameter of the fermentation reactor.
  • the net or the container with a mesh has a diameter substantially equal to the internal diameter of the fermentation reactor.
  • the solid support forms a fluidized bed or a fixed bed in the fermentation reactor.
  • the solid support forms a fluidized bed maintained in immersion, at least partial and preferably total, by a grid.
  • the solid support is agitated (eg mechanically).
  • the solid support is immobilized inside a net or a container with a concentric mesh, for example concentric with the stirring axis (eg use of a Robinson type reactor Mahoney).
  • the solid support e.g. block (s), net, container with mesh
  • the sweet fluid is introduced directly above or below the block (s), the net or the mesh.
  • the fermentation is an anaerobic (0 strict) fermentation, such as under a supply of inert gas (e.g. under nitrogen).
  • inert gas e.g. under nitrogen
  • the fermentation is carried out at a temperature between 28 ° C and 40 ° C, preferably between 30 ° C and 37 ° C (eg 36 ° C), and / or at a pressure between about 0.1 MPa and 0.15 MPa (ie, atmospheric pressure + water heights). 5 According to one or more embodiments, the fermentation is carried out continuously for a duration of at least 250 hours, preferably at least 500 hours without any superior limitation (e.g. 5000h).
  • a fermentation reactor (2) comprising a biomass produced by a strain belonging to the genus Clostridium supported on a solid support (9) comprising a polyurethane foam .
  • At least part of the fermentation must obtained at the outlet of the fermentation reactor is recycled at the inlet of the fermentation reactor. It is in particular possible to reach linear speeds independent of the overall residence time 5.
  • Figure 1 is a schematic view of a process for the production of alcohols according to embodiments of the present description.
  • FIG. 2 is a schematic view of a solid support whose diameter is substantially equal to the internal diameter of a fermentation reactor according to embodiments of the present description.
  • Figure 3 is a schematic view of solid supports centered, eccentric or attached to the walls of fermentation reactors according to embodiments of the present description.
  • FIG. 4 is a schematic view of solid supports according to embodiments of the present description, comprising elements of polyurethane foam confined in a net or a container with a mesh.
  • FIG. 5 is a schematic view of a solid support forming a fluidized bed contained in immersion in a fermentation reactor according to embodiments of the present description.
  • FIG. 6 shows a schematic view of a process for the production of alcohols according to embodiments of the present description, further comprising a step of finishing fermentation.
  • FIG. 7 shows the evolution of the volume productivity in IBEA of a reference process as a function of the imposed dilution rate.
  • the sweet fluid is the sweet fluid
  • the sweet fluid comprises an aqueous solution of sugars derived from C5 and / or C6 lignocellulose, and / or sugars derived from saccharifous plants (eg glucose, fructose and sucrose), and / or sugars from starchy plants (eg dextrins, maltose and other oligomers, even starch).
  • the aqueous solution of sugars C5 and / or C6 comes from the treatment of a renewable source.
  • the renewable source is of the lignocellulosic biomass type which can in particular include woody substrates (eg hardwoods and conifers), agricultural by-products (eg straw) or those of industries generating lignocellulosic waste (eg food industry, paper mills).
  • the renewable source can also come from sugar plants, such as sugar beet and sugar cane or starchy plants such as corn and wheat.
  • the aqueous solution of C5 and / or C6 sugars can also come from a mixture of different renewable sources.
  • the bacterial biomass is mainly adsorbed in the form of biofilm on a solid support.
  • the bacteria are strains belonging to the species Clostridium beijerinckii and / or Clostridium acetobutylicum.
  • the bacteria used in the process can be genetically modified strains or not and naturally producing isopropanol and / or Clostridium strains naturally producing acetone genetically modified to make them produce isopropanol.
  • the solid support includes a polyurethane foam.
  • Polyurethane foam is particularly advantageous because it not only gives access to the production of IBEA type mixtures, but it also gives access to continuous type production by immobilizing the bacterial biomass. Indeed, the Applicant has demonstrated that polyurethane foam is capable of fixing bacteria of the genus Clostridium from sufficiently large (ie., beyond the dilution rate causing cell washing) allowing continuous production of IBEA type mixtures.
  • the polyurethane foam is adapted to be immobilized by immersion in a reactor.
  • the polyurethane foam has:
  • 5 - volume cavities ie, pores or cells whose equivalent sphere diameter is between 0.1 and 5 mm, preferably between 0.25 mm and 1.1 mm, preferably between 0.55 and 0, 99 mm, and / or
  • an apparent density ie, mass on apparent volume measured in the air between 10 and 90 g / L, preferably between 10 and 80 g / L, preferably between 0 15 and 45 g / L, such as between 20 and 45 g / L or between 25 and 45 g / L.
  • the equivalent sphere diameter of the volume cavities can in particular be obtained by analysis with a X-ray microscope (eg HR tube 70kV 200 microA Medium focal point; Varian pixel detector: 6 microns; acquisition time: 2 hours) of a sample (eg 7 mm x 7mm x 15 5 mm) and reconstruction of a representative volume of the foam (eg reconstructed volume 5 mm x 5 mm x 5 mm with a voxel size of 6 microns) with the assumption of spherical cells.
  • a X-ray microscope eg HR tube 70kV 200 microA Medium focal point; Varian pixel detector: 6 microns; acquisition time: 2 hours
  • a sample eg 7 mm x 7mm x 15 5 mm
  • reconstruction of a representative volume of the foam eg reconstructed volume 5 mm x 5 mm x 5 mm with a voxel size of 6 microns
  • Diameter measurements were made by 3D image analysis with Avizo software from 3D volumes acquired by X-ray microscope.
  • the cells were closed artificially0 by image analysis so as to estimate the volume and then the diameter.
  • the diameter of a given cell is assimilated to that of a sphere of the same volume.
  • the different stages of image analysis are as follows:
  • FIG. 1 represents a diagram of production of a mixture of alcohols from a substrate of the lignocellulosic biomass type.
  • the sweet fluid comprising for example C5 and / or C6 sugars is introduced via line 1 into a fermentation reactor 2 to undergo a fermentation step.
  • the sweet fluid is brought into contact with the bacterial biomass supported on a solid support comprising a polyurethane foam.
  • Fermentable sugars eg C5 and / or C6 sugars
  • alcohols and / or 0 solvents by microorganisms to produce a (first) fermentative must (or juice or wine), in particular enriched in isopropanol, butanol, ethanol and acetone versus sweet fluid.
  • the fermentation step in the fermentation reactor 2 can be carried out at a temperature between 28 ° C and 40 ° C, preferably between 30 ° C and 37 ° C, so that the fermentative must include products of the IBEA type fermentation reaction, for example isopropanol which is then discharged via line 3.
  • the fermentation must is introduced via line 3 into a separation unit 4 (optional) making it possible to separate and extract the compounds of interest from the fermentation must, the latter being evacuated via line 5.
  • the residues of the separation commonly called vinasses, are evacuated from the separation unit 4 through the conduit 6. Les0 vinasses are generally composed of water as well as any liquid or solid product that is not converted or not extracted during the preceding steps.
  • the separation unit 4 can carry out one or more distillations, and optionally a separation of the solid and / or suspended matter, for example by centrifugation, decantation and / or filtration.
  • bacterial biomass can be immobilized on a solid support directly in the fermentation reactor 2 or indirectly in a secondary tank 7 (optional), operating for example in "in stream” mode0 with respect to the fermentation reactor 2.
  • the solid support thus in charge of Bacterial biomass can then be introduced into the fermentation reactor, for example via line 8 or any other means.
  • the solid support forms a fluidized bed or a fixed bed.
  • the liquid surface speed of the sweet fluid is greater than the minimum fluidization speed.
  • the liquid surface speed of the sweet fluid is modified (e.g. increased) as a function of the evolution of the density difference which takes place during fermentation. For example, as the biofilm is formed on the solid support, the density of the solid support may vary (eg increase), giving rise to evolving hydraulic regimes (eg different optional recycling rates at the start of fermentation and at the end of fermentation).
  • a solid support comprising a loose or structured stack of 5 particles of polyurethane foam can be envisaged, with or without mechanical agitation
  • the fermentation medium crosses the solid bed in an upward or downward current (“upflow” or “downflow” according to English terminology).
  • upflow or “downflow” according to English terminology
  • a system0 allowing a gaseous release against the current can be provided.
  • a radial circulation can also be envisaged in the fermentation reactor 2, for example in the case where mechanical agitation is applied to the center of the fermentation reactor 2 (e.g. radial turbine of the Rushton type).
  • the solid is immobilized inside a basket concentric with the stirring axis 5, making it possible in particular to control the speeds of the reaction medium and the hydrodynamics imposed around the latter (eg Robinson Mahoney type reactor).
  • the solid support is partially or completely submerged, in particular to increase the formation of biofilms and improve performance.
  • the solid support is introduced in the form of a single block, for example in the form of a cylinder whose diameter is less than or substantially equal to the internal diameter of the fermentation reactor 2.
  • the diameter of the solid support 9 is substantially equal to the internal diameter of the fermentation reactor 2.
  • the block can thus correspond to a filtering medium within which the biofilms will develop.
  • the solid support 9 as shown in FIG. 02 can cause a slight overpressure in the free liquid phase, at the lower level. It should be noted that if the gaseous evolution is significant during fermentation, a gas pocket can form under the solid support and preferential passages within the solid support 9 can be generated during the evacuation of the gas.
  • the solid support block 5 can be centered, eccentric or attached to a wall of the fermentation reactor 2.
  • the solid support 9 does not in any way disturb the circulation of the liquid entering or leaving the process, in particular when operated continuously.
  • the possible presence of insolubles such as those from large grains does not pose any problems.
  • the flow of sweet fluid arriving via the conduit 1 can also be introduced to the right of the solid support blocks 9, for example when these are flush with the surface of the reaction medium of the fermentation reactor 2.
  • the solid support is flush with the surface of the reaction medium at the entry of the sweet fluid, the medium is locally less concentrated in alcohol and the growth of bacteria is favored.
  • the solid support comprises a net or a container with a mesh 10 comprising cubes or parallelepipeds or other elements of any 3-dimensional shape (eg polyhedra) of large or small size (eg at least one dimension between 3 mm and 10 m, such as from 2 cm to 1 m), as shown in Figure 4, the elements being made of polyurethane foam.
  • the net or the container with mesh 10 forms a cylinder whose diameter is less than or substantially equal to the internal diameter of the fermentation reactor 2.
  • the diameter of the net or of the container with mesh 10 is substantially equal to the internal diameter of the fermentation reactor 2. It may be that gas emissions tend to raise the solid support 9.
  • a perforated plate, a simple net or a grid 1 1 may be sufficient to keep the solid support, for example in motion, in the fermentation reactor 2.
  • the fermentation reactor 2 has an upward fluid circulation.
  • the direction of circulation of the sweet fluid can be descending. It is also understood that the direction of circulation can be generally rising or falling (seen from the outside of the fermentation reactor) and radial inside the fermentation reactor 2.
  • the process for the production of alcohols can use a finishing reactor 12 called “finisher” (optional).
  • the fermentation must withdrawn from the fermentation reactor 2 through the conduit 3 is introduced into the finishing reactor 12 adapted to produce a second fermentation must enriched in IBEA compared to the fermentation must withdrawn from the fermentation reactor 2.
  • the second fermentation must is then withdrawn from the finishing reactor 12 and evacuated via line 6 and introduced into the separation unit 4 (optional) making it possible to separate and extract the compounds of interest from the fermentation must, the latter being evacuated via line 5.
  • the finishing reactor 12 is preferably without PU foam.
  • the finisher is preferably homogeneous and aims to exploit the IBEA title potential of the Clostridium strain as well as possible, by allowing an extended residence time, and to add an amount of carbonaceous substrate which corresponds to the needs of the strain.
  • the finishing reactor 12 makes it possible in particular to guarantee an exhaustion of the dares.
  • the process for producing alcohols also puts in place a step of partial recovery of the IBEA compounds produced present in the first and / or the second fermenting must.
  • This IBEA compound extraction step uses a stripping step with a pressurized gas sent to the fermentation reactor 2 and / or the finishing reactor 12 in order to entrain the alcohols present in the aqueous phase.
  • the stripping gas is a gas produced directly by fermentation and which has been previously stored (by methods known to those skilled in the art) before its implementation.
  • the stripping gas typically comprises carbon dioxide and optionally hydrogen.
  • This gas stripping step advantageously makes it possible to control the alcohol content during fermentation. present in the environment in order to limit the phenomena of inhibition of microorganisms which appear when the alcohol content reaches a critical value.
  • the gas stripping step can either be carried out continuously or discontinuously.
  • the fermentation gas flow rate relative to the fermenter volume is for example between 0.5 and 2.5 l / l / min, preferably between 0.7 and 1.1 l / l / min.
  • the recovery process can also be implemented so that the gas stripping step is carried out in a finisher 12 containing an organic solvent immiscible with water, the solvent forming a organic phase supernatant above the fermentation must.
  • the solvent will also be chosen so as to be biocompatible with the microorganism.
  • the stripping gas is thus injected into the fermentation must so as to entrain the alcohols produced in the supernatant organic phase and in such a way that part of the alcohols are transferred to the organic phase when the stripping gas passes through said organic phase.
  • a first batch stage (duration 4-8 hours) corresponding to the lag time (“lag time” according to English terminology) and start of exponential growth (accompanied by generation of fermentation gas);
  • FIG. 7 shows the evolution of the volume productivity r in IBEA g / Lh as a function of the dilution rate D imposed in the bioreactor (h 1 ).
  • the dilution rate D is defined as the volume flow entering the reactor divided by the volume of the last.
  • this parameter can be considered both as the inverse of the residence time for the fluid and for the microorganisms. Consequently, a cell washing phenomenon appears beyond a certain dilution rate, leading to a loss in volume productivity.
  • the critical dilution rate is between 0.04 and 0.06 h 1 , when the maximum productivity reaches a value of approximately 0.45 g / Lh of IBEA.
  • Example 1 according to the present description: Batch mode test with polyurethane foam
  • bioreactors are filled with 20 mL of fermentation medium, which has previously been placed under anaerobic conditions in order to guarantee the absence of oxygen. 40% of solid volume (apparent volume) relative to the total volume of the bioreactor is introduced into each bioreactor.
  • the initial glucose is fixed at 90 g / L, the seeding rate is 10% (liquid vol) (same inoculum for all fermentations) with cells at the maximum growth rate.
  • the microorganism used is Clostridium beijerinckii DSM 6423. All the bioreactors are introduced into an anaerobic jar, and brought to temperature (36 ° C), for a fixed duration of 12 days. The pressure is substantially atmospheric + the water height of the bioreactor. Then, the final fermentation must is analyzed, as well as the solids supporting biofilm. Each operating condition is carried out in triplicate to ensure the repeatability of the experiments.
  • the titer is quantified from the fermentation yield which is considered invariable and the glucose consumption on each test.
  • batch fermentations with Mousse 1 and Mousse 2 produced 17.5 g / L and 15.2 g / L of IBEA respectively, a titer in both cases higher than that obtained with control fermentation (13, 3 g / L IBEA)
  • Example 2 continuous test with polyurethane foam
  • the process is implemented experimentally according to embodiments of the present description, by means of two fermentations in continuous mode with immobilization on solid supports of the foam type.
  • polyurethane Foam 1, Foam 2 with different physical and structural characteristics.
  • the main characteristics of these two foams are explained in Table 1.
  • the filling is carried out in bulk mode, with cubes of dimensions 3 mm x 5 mm x 5 mm.
  • a new period of time corresponding to at least three times the residence time is expected with each new set point for stabilization.
  • the final fermentation wort is taken sterile from the column and analyzed for glucose and major metabolites (i.e. isopropanol, butanol, ethanol and acetone).
  • Table 3 shows the evolution of the fermentation, as a function of the imposed dilution rate, of the percentage of glucose consumption (% ), de0 the total IBEA content (g / L), and the volume productivity (g / Lh in IBEA). Compared to the conditions of suspended cells (reference example), an increase in productivity is observed in the case where the cells are immobilized on Moss 1 (factor 6) or Mousse 2 (factor 3).
  • the bacterial biomass used in the process according to the present description may correspond to another strain than Clostridium beijerinckii DSM 6423.
  • the polyurethane foams according to the present description may be other than those described in Table 1.
  • IBEA contents and improved volume productivity can be obtained by means of inoculation rate, sugar rate, dilution rate, temperatures, pressures, agitation, durations, etc. other than those shown in the examples. 0
  • all the embodiments described above can be combined with one another.
  • all of the features of the embodiments described above can be combined with or replaced by other features of other embodiments. 5
  • the process is implemented experimentally according to embodiments of the present description, by means of two fermentations in continuous mode with immobilization on solid supports of the polyurethane foam type.
  • the filling is carried out in bulk mode, with cubes of dimensions 10 mm x 10 mm x 7 mm.
  • the foams have a macro-pore size of about 1 mm.
  • the two fermenters are in the form of a glass column of 250 ml of useful volume.
  • the conditions for filling the fermenters are explained in Table 4.
  • a recirculation loop is arranged between the inlet and the outlet of the reactor to maintain good homogenization within the fermenter.
  • the liquid leaves by overflow.
  • the entire fermentation system was previously put under anaerobic conditions by nitrogen purge to guarantee the absence of oxygen.
  • the glucose concentration in the feeder is fixed at 60 g / L.
  • the fermenter is inoculated at 10% by volume with cells at the maximum growth rate relative to the total volume of the fermentation medium.
  • the microorganism used is Clostridium beijerinckii DSM 6423.
  • the system is temperature controlled at 34 ° C without agitation other than recirculation.
  • the pressure is substantially atmospheric. 0
  • the test takes place in 2 stages:
  • the dilution rate is continuously increased as a function of the solvent concentrations.
  • the fermentation must is removed sterile and analyzed for glucose and main metabolites (i.e. isopropanol, butanol, ethanol and acetone). .
  • the pH is also measured. 0
  • the two fermenters are operated over a period of 912 h.
  • the dilution rate varies between 0.02 h-1 and 0.23 h-1.
  • the total IBEA content varies between 8 and 16 g / L.
  • the maximum volume productivity for the two fermenters is 1.5 g / L. h in IBEA.
  • the best performance over the entire test gives a maximum volume productivity of 2.44 g / L / h in IBEA for fermenter 1 and 2.24 g / L / h 5 in IBEA for fermenter 2.
  • Example 4 continuous test with polyurethane foam in a stirred reactor
  • a continuous test is carried out experimentally with cells immobilized on a support of the polyurethane foam type.
  • a bioreactor with 5 L0 of total volume is filled with 2 L of fermentation medium.
  • the initial glucose is fixed at 60 g / L, and the inoculum is 0.2L, i.e. an inoculation rate at 10% by volume relative to the volume total fermentation medium with cells at maximum growth rate, after having undergone a 1 hour nitrogen purge in order to ensure anaerobiosis (strict) from the start of the purge test nitrogen is maintained during the preliminary batch stage (7 hours).
  • the microorganism used is Clostridium beijerinckii DSM 6423.
  • the temperature is fixed at 5 34 ° C. Mechanical agitation varies between and 60 and 170 rpm.
  • the pressure is substantially atmospheric + the water height of the bioreactor.
  • the test takes place in 2 stages:
  • the dilution rate is continuously increased as a function of the solvent concentrations.
  • the fermentation wort is removed sterile 5 and analyzed for glucose and main metabolites (i.e. isopropanol, butanol, ethanol and acetone). The pH is also measured.
  • the two fermenters are operated for over a period of approximately 765 h.
  • the dilution rate varies between 0.02 h-1 and 0.2 h-1.
  • the total IBEA content varies between 5 and 16 g / L.
  • the maximum volume productivity obtained for this fermentation is 1.6 g / L. h en0 IBEA.

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Abstract

La présente invention concerne un procédé de production en d'alcools, dans lequel on introduit en un fluide sucré dans un réacteur fermentaire (2) pour produire un moût fermentaire enrichi en isopropanol, butanol, éthanol et acétone par rapport au fluide sucré, le réacteur fermentaire (2) comprenant une biomasse produite par une souche appartenant au genre Clostridium supportée sur un support solide (9) comprenant une mousse de polyuréthane; et un réacteur fermentaire (2) comprenant ladite biomasse supportée sur ledit support solide (9).

Description

PROCEDE DE PRODUCTION D’ALCOOLS AVEC CLOSTRIDIUM SUR SUPPORT
SOLIDE
Domaine technique
La présente description concerne un procédé de production d’alcools par fermentation d’un 5 fluide sucré.
Technique antérieure
Afin de répondre aux enjeux de la transition énergétique, de nombreuses recherches sont menées pour développer des procédés dits « verts », permettant d’accéder à des intermédiaires chimiques d’une façon alternative au raffinage du pétrole et/ou à la 0 pétrochimie.
Les alcools issus de procédés fermentaires (e.g. isopropanol et n-butanol) sont parmi les substituts de dérivés pétrochimiques les plus prometteurs. La fermentation ABE (Acétone - Butanol - Ethanol), réalisée par des microorganismes appartenant au genre Clostridium, est une des plus anciennes fermentations à avoir été industrialisée (début du 20ème siècle) et a 5 été depuis largement étudiée. Plus récemment, la fermentation IBE (Isopropanol - Butanol -
Ethanol) produisant un mélange d’isopropanol, butanol et éthanol et réalisée également par des microorganismes appartenant au genre Clostridium, a fait l’objet de nombreuses études.
Concernant le mode de conduite fermentaire employé dans ce type de procédé, la production en mode discontinu (« batch » selon la terminologie anglo-saxonne) reste la0 méthode conventionnelle pour les fermentations ABE et IBE, malgré la faible productivité affichée pour ce type de procédé, dans l’intervalle 0,1 -0,7 g/L.h (voir, par exemple, Jones D. T., Woods D.R., 1986, Acetone-Butanol Fermentation Revisited. Microbiol. Rew., 50 (4), 484-524 ou Tableau 16.6 Lopez-contreras A. et al chapter book 16, Bioalcohol Production: Biochemical Conversion of Lignocellulosic Biomass, 2010). Mais ces productivités restent 5 trop faible pour envisager un procédé industriel économiquement viable. .
Un procédé continu avec des cellules en suspension dans un réacteur homogène peut également être envisagée. Mais la productivité est également assez faible et peut difficilement être augmentée de façon significative. Un des problèmes techniques majeurs est la concentration des cellules dans le milieu fermentaire, principalement contrôlée par le0 taux de dilution appliqué dans le procédé. Celui-ci ne peut pas être élevé pour éviter le lavage cellulaire (« wash out » selon la terminologie anglo-saxonne) dans le fermenteur. Pour ces raisons, depuis quelques années, un fort intérêt est porté par les méthodes visant une forte rétention de la biomasse microbienne. Deux moyens existent : « l’immobilisation des cellules » et le « recyclage » cellulaire avec une rétention au moyen de membranes filtrantes.
5 Deux techniques d’immobilisation pour procédé continu sont souvent citées : l’adsorption sur support solide et le confinement, les deux techniques ayant été étudiées dans la littérature pour la production d’ABE.
Dans le premier cas d’adsorption sur support solide, l’adsorption physique des micro organismes sur une surface solide a lieu par des forces électrostatiques, forces de van der 0 Waals, ou par liaison covalente entre la membrane cellulaire bactérienne et le support.
Comme il n’existe pas de barrière physique entre le biofilm microbien et la solution de fermentation, différents équilibres entre les taux d’adsorption, de détachement cellulaire et de recolonisation du support solide peuvent être atteints en fonction du support solide, de la mise en oeuvre et des conditions opératoires. Il est à noter que les cellules immobilisées sont 5 typiquement entourées de polysaccharides excrétés par les propres microorganismes (EPS:
« Extracellular Polymeric Substances » selon la terminologie anglo-saxonne), et présentent différents régimes de croissance et de bioactivité que lorsque les cellules se trouvent en suspension (voir, par exemple, Halan B., Buehler K., Schmid A., 2012, Biofilms as living catalysts in continuous Chemical synthèses, Trends in biotechnol., 30 (9), 453-465). 0 Plusieurs supports solides ont été testés et s’avèrent intéressants d’après la littérature pour la fermentation de type ABE, incluant le charbon (voir, par exemple, Qureshi N., Maddox I.S., 1987, Continuous solvent production from whey permeate using cells of Clostridium acetobutylicum immobilized by adsorption onto bonechar, Enzyme Microb. Technol., (9), 668-371 ), les briques (voir, par exemple, Qureshi N., Schripsema J., Lienhardt J., Blaschek 5 H. P., 2000, Continuous solvent production by Clostridium beijerinckii BA101 immobilized by adsorption onto brick, World Journal of Microbiology & Biotechnology, (16), 377-382), et la pulpe papetière (voir, par exemple, Survase S.A., van Heiningen A., Granstrom T., 2012, Continuous bio-catalytic conversion of sugar mixture to acetone-butanol-ethanol by immobilized Clostridium acetobutylicum DSM 792, Appl. Microbiol. Biotechnol., (93), 2309-0 2316). En revanche, de tels supports solides ne sont pas synthétiques et génèrent des problèmes majeurs de reproductibilité pour les procédés de fermentation. Dans le cas d’une encapsulation (immobilisation par confinement), les microorganismes sont introduits à l’intérieur d’une matrice poreuse, de façon à éviter leur diffusion vers le milieu extérieur, tout en permettant le transfert de matière pour le substrat et les nutriments, ainsi que les produits de réaction. Des exemples de supports utilisant la technique de confinement 5 par encapsulation incluent les billes d’alginate (voir, par exemple, Mollah A.H., Stuckey D.C., 1993, Maximizing the production of acetone-butanol in alginate bead fluidized bed reactor using Clostridium acetobutylicum, J. Chem. Tech. Biotechnol., (56), 83-89), et de k- carrageenan (voir, par exemple, Godia F., Howard I., Scott D., Davison B. H., 1990, Use of immobilized microbial membrane fragments to remove oxygen and favor the acetone-butanol0 fermentation, Biotechnol. Prog., 1990, 210-213).
Résumé de l’invention
Un premier objet de la présente description est de fournir un procédé de fermentation de type IBEA (Isopropanol - Butanol - Ethanol - Acétone) dans un réacteur dans lequel le taux de dilution hydraulique est différent du taux de dilution de la biomasse active. A cette fin, un 5 procédé capable de fixer au moins en partie la biomasse bactérienne par adsorption sous forme de biofilm dans le réacteur fermentaire, améliorant la productivité volumique, est décrit ci-après.
Selon un premier aspect, l’objet précité, ainsi que d’autres avantages, sont obtenus par un procédé de production d’alcools, dans lequel on introduit un fluide sucré dans un réacteur0 fermentaire pour produire un moût fermentaire enrichi en isopropanol, butanol, éthanol et acétone par rapport au fluide sucré, le réacteur fermentaire comprenant une biomasse produite par une souche appartenant au genre Clostridium supportée ( i.e immobilisée) sur un support solide comprenant une mousse de polyuréthane.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le moût fermentaire comprend un apport d’au 5 moins 0.2 g/L d’isopropanol, d’au moins 0.2 g/L de butanol, d’au moins 0.2 g/L d’éthanol et d’au moins 0.2 g/L d’acétone, par rapport au fluide sucré. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le moût fermentaire comprend un apport d’au moins 0.2 g/L d’isopropanol, d’au moins 0.2 g/L de butanol, de moins de 0.2 g/L d’éthanol et d’au moins 0.2 g/L d’acétone, par rapport au fluide sucré. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le moût fermentaire0 comprend un apport d’au moins 0.2 g/L d’isopropanol, d’au moins 0.2 g/L de butanol, de moins de 0.2 g/L d’éthanol et de moins de 0.2 g/L d’acétone, par rapport au fluide sucré. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le moût fermentaire comprend un apport d’au moins 1 g/L d’isopropanol, d’au moins 2 g/L de butanol, par rapport au fluide sucré. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le moût fermentaire comprend un apport d’au moins 2 g/L d’isopropanol, d’au moins 4 g/L de butanol, par rapport au fluide sucré. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le moût fermentaire comprend un apport d’au moins 3 g/L 5 d’isopropanol, d’au moins 6 g/L de butanol, par rapport au fluide sucré. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le moût fermentaire comprend un apport d’au moins 4 g/L d’isopropanol, d’au moins 8 g/L de butanol, par rapport au fluide sucré. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le moût fermentaire comprend un apport d’au moins 10 g/L d’isopropanol, d’au moins 20 g/L de butanol, par rapport au fluide sucré. Selon un ou0 plusieurs modes de réalisation, le moût fermentaire comprend un apport d’au moins 15 g/L d’isopropanol, d’au moins 30 g/L de butanol, par rapport au fluide sucré. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le moût fermentaire comprend un apport d’au moins 0.4 g/L d’isopropanol + butanol, la ratio isopropanol/(isopropanol + butanol) pouvant varier de 0 à 1 (e.g. 0,01 à 0,99). Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le moût fermentaire comprend 5 un apport d’au moins 3 g/L d’isopropanol + butanol, la ratio isopropanol/(isopropanol + butanol) pouvant varier de 0 à 1 (e.g. 0,01 à 0,99). Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le moût fermentaire comprend un apport d’au moins 6 g/L d’isopropanol + butanol, la ratio isopropanol/(isopropanol + butanol) pouvant varier de 0 à 1 (e.g. 0,01 à 0,99). Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le moût fermentaire comprend un apport d’au moins 90 g/L d’isopropanol + butanol, la ratio isopropanol/(isopropanol + butanol) pouvant varier de 0 à 1 (e.g. 0,01 à 0,99). Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le moût fermentaire comprend un apport d’au moins 12 g/L d’isopropanol + butanol, la ratio isopropanol/(isopropanol + butanol) pouvant varier de 0 à 1 (e.g. 0,01 à 0,99). Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le moût fermentaire comprend un apport d’au moins 30 g/L 5 d’isopropanol + butanol, la ratio isopropanol/(isopropanol + butanol) pouvant varier de 0 à 1
(e.g. 0,01 à 0,99). Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le moût fermentaire comprend un apport d’au moins 60 g/L d’isopropanol + butanol, la ratio isopropanol/(isopropanol + butanol) pouvant varier de 0 à 1 (e.g. 0,01 à 0,99).
Le procédé de production selon le premier aspect permet par ailleurs de maintenir une0 meilleure stabilité des microorganismes (e.g. maintien des performances dans la durée). De plus, bien qu’il soit connu qu’à partir d’une certaine teneur dans le milieu de fermentation, les produits fermentaires, et particulièrement les alcools (e.g. le butanol), ont un effet inhibiteur pour le microorganisme, le procédé de production selon le premier aspect permet de réduire au moins en partie les effets négatifs de ces produits inhibiteurs sur l’activité biologique présente dans le milieu.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le fluide sucré est introduit en continu dans le réacteur fermentaire. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la mousse de polyuréthane comprend au moins une des caractéristiques suivantes :
- des cavités volumiques ( i.e ., pores ou cellules) dont le diamètre de sphère équivalent est compris entre 0,1 et 5 mm, de préférence entre 0,25 mm et 1 ,1 mm, de préférence entre 0,55 et 0,99 mm, et
- une densité apparente {i.e., masse sur volume apparent) mesurée dans l’air comprise entre 10 et 90 g/L, de préférence entre 10 et 80 g/L, de préférence entre 15 et 45 g/L, tel qu’entre 20 et 45 g/L.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la fermentation est réalisée à un taux de dilution (défini comme le rapport de débit de charge (volume liquide du fluide sucré) à convertir rapporté au volume liquide du réacteur fermentaire) compris entre 0,04 h 1 et 1 h 1, de préférence entre 0,08 h 1 et 0,5 h 1 , tel qu’entre 0,12 h 1 et 0,3 h 1.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le réacteur fermentaire comprend entre 10% et 90%, de préférence entre 20% et 50%, de préférence entre 20% et 40% (e.g. 25-30%) en volume apparent de support solide par rapport au volume total du réacteur fermentaire. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le support solide est immergé au moins partiellement, préférablement totalement, dans le milieu réactionnel. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le support solide est traversé par convection naturelle ou forcée d’un flux de fluide sucré (e.g. circulation fluidique descendante, montante, ou radiale, optionnellement en convection forcée (e.g. turbine radiale du type Rushton ou axiale ou au travers d’un support)).
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le réacteur fermentaire est un réacteur à circulation fluidique montante ou descendante ou radiale et optionnellement à dégagement gazeux à contrecourant. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la biomasse est produite par (et/ou comprend) un microorganisme appartenant au genre Clostridium et capable de produire des mélanges de type IBEA (e.g. Clostridium acetobutylicum, Clostridium beijerinckii, Clostridium saccharobutylicum. Clostridium tyrobutyricum, C. saccharoperbutylacetonicum, C. butylicum 5 et autre Clostridium sp). Le microorganisme employé peut-être génétiquement modifiée ou non. De manière plus globale, la plupart des espèces de Clostridium dites « solvantogènes » peuvent être utilisées. Les souches préférablement employées sont celles appartenant à l’espèce C. beijerinckii ou C. acetobutylicum. Il peut s’agir de souches génétiquement modifiées ou non. Une souche génétiquement modifiée correspond à une souche dont le 0 matériel génétique (ADN) a été modifiée par rapport à une souche initiale. Les modifications génétiques sont réalisées à l’aide d’outils génétiques bien connus de l’homme de l’art (cf Pyne et al Biotech Adv 2014 32(3):623-41 et Wasels et al J. Microbiol Methods 2017 140:5- 1 1 ). Les modifications génétiques peuvent correspondre à des modifications du propre contenu génomique de la souche employée afin d’améliorer ses performances pour la 5 production d’Isopropanol/Butanol/Ethanol ou sa capacité à modifier la sélectivité envers l’isopropanol ou le n-butanol. Les modifications génétiques peuvent également correspondre à l’intégration d’un (ou plusieurs) matériel(s) génétique(s) permettant d’améliorer les performances ou la sélectivité envers l’isopropanol ou le n-butanol des souches de Clostridium utilisé dans le procédé. On entend par matériel génétique, un fragment d’ADN0 contenant un ou plusieurs éléments génétiques (promoteur, gène, terminateur, structure régulatrice, etc.) intégré au sein du génome de la souche génétiquement modifiée (cf revue de Walther & François Biotechnology Advances 34 (2016) 984-996 pour ce qui est de Clostridium acetobutylicum). Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la biomasse produite par la souche appartenant au genre Clostridium comprend une bactérie 5 génétiquement modifiée ou non et appartenant à l’espèce Clostridium beijerinckii et/ou
Clostridium acetobutylicum.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le fluide sucré comprend une solution aqueuse de sucres issus de la lignocellulose en C5 et/ou C6, et/ou de sucres issus des plantes saccharifères (e.g. glucose, fructose et saccharose), et/ou de sucres issus des plantes0 amylacées (e.g. dextrines, maltose et autres oligomères, voire d’amidon). Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la solution aqueuse comprend de 20 à 800 g/L (e.g. de 20 à 500 g/L) de sucre. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le fluide sucré est produit à partir d’une charge de biomasse. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la charge de biomasse provient du traitement d’une source renouvelable. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la source renouvelable comprend la biomasse lignocellulosique (e.g. substrats ligneux, tels que des 5 résineux et feuillus (par exemple des résineux tels les épicéas ou les pins, ou des feuillus tels les eucalyptus), les sous-produits de l’agriculture (e.g. paille) ou ceux des industries génératrices de déchets lignocellulosiques (industries agroalimentaires, papeteries)), et/ou les plantes de cultures dédiées (e.g. miscanthus, Panicum virgatum (panic érigé ou switchgrass)), et/ou les plantes sucrières, telles que la betterave sucrière, la canne à sucre, 0 le topinambour et/ou les plantes amylacées (e.g. maïs et blé) et/ou les tubercules (e.g. manioc, topinambour et pomme de terre). Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la source renouvelable comprend en outre une biomasse lignocellulosique de produits et résidus de l’industrie papetière et des produits de transformation de matériaux lignocellulosiques. 5 Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la charge de biomasse comprend environ 35 à
50% en poids de cellulose, 20 à 30% en poids d’hémicellulose et 15 à 25% en poids de lignine par rapport au poids total de la charge de biomasse.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le support solide est disposé à l’intérieur du réacteur fermentaire avant et/ou après l’immobilisation (e.g. par adsorption) de la biomasse0 produite par la souche appartenant au genre Clostridium sur le support solide.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la biomasse produite par la souche appartenant au genre Clostridium est immobilisée sur le support solide dans un réservoir secondaire, et le support solide supportant la biomasse produite par la souche appartenant au genre Clostridium (également nommée ci-après biomasse bactérienne) est introduit dans le 5 réacteur fermentaire. Il est possible d’immobiliser la biomasse bactérienne à l’intérieur d’un réservoir secondaire fonctionnant en boucle rapide (« in stream » selon la terminologie anglo-saxonne) par rapport au réacteur fermentaire. Il est notamment possible de mettre en oeuvre une étape batch dans le procédé de la présente description, par exemple pendant une durée de 4-5 heures, par exemple avant l’introduction en continu du fluide sucré dans le0 réacteur fermentaire. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le milieu réactionnel qui contient/submerge le support solide subit un taux d’inoculation avec une solution d’inoculation de biomasse bactérienne (e.g. avec des cellules au taux de croissance sensiblement maximal) compris entre 0,5% et 20% en volume, préférablement entre 1 % et 20% en volume par rapport au volume total du volume réactionnel (e.g. 10% en volume). Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le support solide est immergé au moins partiellement, préférablement totalement, dans la solution d’inoculation pendant ladite étape « batch ». Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la biomasse bactérienne est 5 immobilisée sur le support solide sous forme de biofilm ( i.e groupement microbien qui peut être, soit attaché à une surface solide (organique ou inorganique), soit former flocs ou agrégats de façon isolée, notamment par auto granulation, sur la surface solide).
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le support solide est introduit dans le réacteur fermentaire sous la forme d’un ou plusieurs blocs. Selon un ou plusieurs modes de0 réalisation, le support solide (e.g. sous la forme d’un seul bloc) est sensiblement sous la forme d’un cylindre circulaire droit ayant un diamètre inférieur ou sensiblement égal au diamètre interne du réacteur fermentaire. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le bloc a un diamètre sensiblement égal au diamètre interne du réacteur fermentaire. Bien que le bloc et le réacteur fermentaire soient décrits ici comme des cylindres circulaires droits, il est 5 entendu que le bloc et le réacteur fermentaire peuvent être de forme quelconque. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le bloc est centré ou excentré par rapport à l’axe principal (vertical) du réacteur fermentaire, ou accolé à une paroi radiale du réacteur fermentaire.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le support solide est introduit dans le réacteur fermentaire sous la forme d’un filet ou d’un contenant avec maillage comprenant une0 pluralité de cubes, parallélépipèdes ou autres formes quelconques à 3 dimensions (« chips » selon la terminologie anglo-saxonne) de mousse de polyuréthane, par exemple dont au moins une dimension est d’au moins 3 mm. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le filet ou le contenant avec maillage est un cylindre circulaire droit ayant un diamètre inférieur ou sensiblement égal au diamètre interne du réacteur fermentaire. Selon un ou plusieurs 5 modes de réalisation, le filet ou le contenant avec maillage a un diamètre sensiblement égal au diamètre interne du réacteur fermentaire. Bien que le filet, le contenant avec maillage et le réacteur fermentaire soient décrits ici comme des cylindres circulaire droit, il est entendu que le filet, le contenant avec maillage et le réacteur fermentaire peuvent être de forme quelconque. 0 Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le support solide forme un lit fluidisé ou un lit fixe dans le réacteur fermentaire. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le support solide forme un lit fluidisé maintenu en immersion, au moins partielle et préférablement totale, par une grille. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le support solide est agité (e.g. mécaniquement). Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le support solide est immobilisé à l’intérieur d’un filet ou d’un contenant avec maillage concentrique, par exemple concentrique à l’axe d’agitation (e.g. utilisation d’un réacteur du type Robinson Mahoney).
5 Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le support solide (e.g. bloc(s), filet, contenant avec maillage) est disposé dans le réacteur fermentaire de sorte à affleurer à la surface du milieu réactionnel. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le fluide sucré est introduit directement au-dessus ou au-dessous du (des) bloc(s), du filet ou du maillage.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la fermentation est une fermentation en 0 anaérobiose (e.g. stricte), tel que sous un apport de gaz inerte (e.g. sous azote).
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la fermentation est réalisée à une température comprise entre 28°C et 40°C, de préférence entre 30°C et 37°C (e.g. 36°C), et/ou à une pression comprise entre environ 0,1 MPa et 0,15 MPa (i.e., pression atmosphérique + les hauteurs d’eau). 5 Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la fermentation est réalisée en continu pendant une durée d’au moins 250 heures, de préférence d’au moins 500 heures sans aucune limitation supérieure (e.g. 5000h).
Selon un deuxième aspect, l’objet précité, ainsi que d’autres avantages, sont obtenus par un réacteur fermentaire (2) comprenant une biomasse produite par une souche appartenant au0 genre Clostridium supportée sur un support solide (9) comprenant une mousse de polyuréthane.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, au moins une partie du moût fermentaire obtenu en sortie du réacteur fermentaire est recyclée à l’entrée du réacteur fermentaire. Il est notamment possible d’atteindre des vitesses linéaires indépendantes du temps de séjour 5 global.
Des modes de réalisation du procédé référencé ci-dessus ainsi que d’autres caractéristiques et avantages dudit procédé vont apparaître à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre uniquement illustratif et non limitatif, et en référence aux dessins suivants. Liste des figures
La figure 1 est une vue schématique d’un procédé de production d’alcools selon des modes de réalisation de la présente description.
La figure 2 est une vue schématique d’un support solide dont le diamètre est sensiblement 5 égal au diamètre interne d’un réacteur fermentaire selon des modes de réalisation de la présente description.
La figure 3 est une vue schématique de supports solides centré, excentré ou accolé aux parois de réacteurs fermentaires selon des modes de réalisation de la présente description.
La figure 4 est une vue schématique de supports solides selon des modes de réalisation de 0 la présente description, comprenant des éléments en mousse de polyuréthane confinés dans un filet ou un contenant avec maillage.
La figure 5 est une vue schématique d’un support solide formant un lit fluidisé contenu en immersion dans un réacteur fermentaire selon des modes de réalisation de la présente description. 5 La figure 6 montre une vue schématique d’un procédé de production d’alcools selon des modes de réalisation de la présente description comprenant en outre une étape de finition de fermentation.
La figure 7 montre l’évolution de la productivité volumique en IBEA d’un procédé de référence en fonction du taux de dilution imposé. 0 Description des modes de réalisation
Des modes de réalisation du procédé selon le premier aspect et du réacteur selon le deuxième aspect vont maintenant être décrits en détail. Dans la description détaillée suivante, de nombreux détails spécifiques sont exposés afin de fournir une compréhension plus approfondie du procédé. Cependant, il apparaîtra à l’homme du métier que le procédé 5 peut être mis en œuvre sans ces détails spécifiques. Dans d’autres cas, des caractéristiques bien connues n’ont pas été décrites en détail pour éviter de compliquer inutilement la description. Dans ce qui suit, le terme « comprendre » est synonyme de (signifie la même chose que) « inclure » et « contenir », et est inclusif ou ouvert et n’exclut pas d’autres éléments non récités. En outre, dans la présente description, les termes « environ », « substantiellement » « sensiblement » et « à peu près » sont synonymes de (signifie la même chose que) marge inférieure et/ou supérieure de 10% de la valeur donnée.
Le fluide sucré
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le fluide sucré comprend une solution aqueuse de sucres issus de la lignocellulose en C5 et/ou C6, et/ou de sucres issus des plantes saccharifères (e.g. glucose, fructose et saccharose), et/ou de sucres issus des plantes amylacées (e.g. dextrines, maltose et autres oligomères, voire d’amidon). Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la solution aqueuse de sucres en C5 et/ou C6 provient du traitement d’une source renouvelable. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la source renouvelable est du type biomasse lignocellulosique qui peut notamment comprendre les substrats ligneux (e.g. feuillus et résineux), les sous-produits de l’agriculture (e.g. paille) ou ceux des industries génératrices de déchets lignocellulosiques (e.g. industries agroalimentaires, papeteries). La source renouvelable peut également provenir de plantes sucrières, comme par exemple la betterave sucrière et la canne à sucre ou encore les plantes amylacées comme le maïs et le blé. La solution aqueuse de sucres en C5 et/ou C6 peut également provenir d’un mélange de différentes sources renouvelables. La biomasse produite par la souche appartenant au genre Clostridium
La biomasse bactérienne est principalement adsorbée sous forme de biofilm sur un support solide. Préférablement, les bactéries sont des souches appartenant à l’espèce Clostridium beijerinckii et/ou Clostridium acetobutylicum. Les bactéries utilisées dans le procédé peuvent être des souches génétiquement modifiées ou non et naturellement productrice d’isopropanol et/ou des souches de Clostridium naturellement productrice d’acétone génétiquement modifiées pour les faire produire de l’isopropanol.
Le support solide
Le support solide comprend une mousse de polyuréthane. La mousse de polyuréthane est particulièrement avantageuse car elle donne accès non seulement à la production de mélanges de type IBEA, mais elle donne aussi accès à la production de type continu par immobilisation de la biomasse bactérienne. En effet, la demanderesse a mis en évidence que la mousse de polyuréthane est capable de fixer les bactéries du genre Clostridium de façon suffisamment importante ( i.e ., au-delà du taux de dilution causant le lavage cellulaire) permettant de produire en continu des mélanges de type IBEA. De plus, la mousse de polyuréthane est adaptée pour être immobilisée par immersion dans un réacteur.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la mousse de polyuréthane présente :
5 - des cavités volumiques {i.e., pores ou cellules) dont le diamètre de sphère équivalent est compris entre 0,1 et 5 mm, de préférence entre 0,25 mm et 1 ,1 mm, de préférence entre 0,55 et 0,99 mm, et/ou
- une densité apparente {i.e., masse sur volume apparent) mesurée dans l’air comprise entre 10 et 90 g/L, de préférence entre 10 et 80 g/L, de préférence entre0 15 et 45 g/L, tel qu’entre 20 et 45 g/L ou entre 25 et 45 g/L.
Description de la méthode de mesure du diamètre des pores : la tomographie X.
Le diamètre de sphère équivalent des cavités volumiques peut être notamment obtenu par analyse au microscanner X (e.g. tube HR 70kV 200 microA Point focal medium ; détecteur Varian pixel : 6 microns ; durée d’acquisition : 2h) d’un échantillon (e.g. 7 mm x 7mm x 15 5 mm) et reconstruction d’un volume représentatif de la mousse (e.g. volume reconstruit 5 mm x 5 mm x 5 mm avec une taille de voxel de 6 microns) avec l’hypothèse de cellules sphériques.
Les mesures de diamètres ont été faites par analyse d’image 3D avec le logiciel Avizo à partir de volumes 3D acquis par microscanner X. Les cellules ont été fermées artificiellement0 par analyse d’images de façon à en estimer le volume puis le diamètre. Le diamètre d’une cellule donnée est assimilé à celui d’une sphère de même volume. Les différentes étapes de l’analyse d’images sont les suivantes :
- seuillage des images ( noir = cellules et blanc = parois) ;
- cloisonnement 2D des « cellules » par la méthode des bassins versants xy sur 5 Avizo ;
- cloisonnement 3D des cellules par la méthode des bassins versants 3D sur Avizo ;
- élimination des cellules de bord (cellules incomplètes) ;
- mesure des volumes des cellules reconstruites ;
- estimation des diamètres de cellule (diamètres des sphères équivalentes de même0 volume) ; et
- répartition en taille des cellules pour comparaison. Le procédé
La figure 1 représente un schéma de production d’un mélange d’alcools à partir d’un substrat du type biomasse lignocellulosique.
En référence à la figure 1 , le fluide sucré comprenant par exemple des sucres en C5 et/ou 5 C6 est introduit par le conduit 1 dans un réacteur fermentaire 2 pour subir une étape de fermentation.
Dans le réacteur fermentaire 2, le fluide sucré est mis en contact avec la biomasse bactérienne supportée sur un support solide comprenant une mousse de polyuréthane. Les sucres fermentescibles (e.g. sucres en C5 et/ou C6) sont ainsi transformés en alcools et/ou 0 solvants par les microorganismes pour produire un (premier) moût (ou jus ou vin) fermentaire, notamment enrichi en isopropanol, butanol, éthanol et acétone par rapport au fluide sucré.
L’étape de fermentation dans le réacteur fermentaire 2 peut être réalisée à une température comprise entre 28°C et 40°C, de préférence entre 30°C et 37°C, de manière à ce que le moût fermentaire comprenne des produits de la réaction de fermentation de type IBEA, par 5 exemple de l’isopropanol qui est ensuite évacué par un conduit 3.
Le moût fermentaire est introduit par le conduit 3 dans une unité de séparation 4 (optionnelle) permettant de séparer et d’extraire les composés d’intérêt du moût de fermentation, ces derniers étant évacués par le conduit 5. Les résidus de la séparation, couramment appelés vinasses, sont évacués de l’unité de séparation 4 par le conduit 6. Les0 vinasses sont généralement composées d’eau ainsi que de tout produit liquide ou solide non converti ou non extrait lors des étapes précédentes. L’unité de séparation 4 peut mettre en oeuvre une ou plusieurs distillations, et éventuellement une séparation des matières solides et/ou en suspension par exemple par centrifugation, décantation et/ou filtration.
Plusieurs mises en oeuvre ou technologies de réacteur fermentaire existant dans l’état de 5 l’art sont adaptées pour immobiliser la biomasse bactérienne par adsorption sur le support solide, et ce que la mise en œuvre ait lieu à l’intérieur du réacteur fermentaire 2 ou dans un réservoir secondaire en mode « in stream ». Par exemple, la biomasse bactérienne peut être immobilisée sur un support solide directement dans le réacteur fermentaire 2 ou indirectement dans un réservoir secondaire 7 (optionnel), fonctionnant par exemple en mode0 « in stream » par rapport au réacteur fermentaire 2. Le support solide ainsi chargé de biomasse bactérienne peut alors est introduit dans le réacteur fermentaire, par exemple par le conduit 8 ou tout autre moyen.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le support solide forme un lit fluidisé ou un lit fixe.
Dans le cas d’un lit fluidisé, un flux de liquide peut être établi directement sur le lit de mousse 5 de polyuréthanne en direction descendante (puisque la densité du moût fermentaire est généralement supérieure à la densité de la mousse de polyuréthanne). Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la vitesse superficielle liquide du fluide sucré est supérieure à la vitesse minimale de fluidisation. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la vitesse superficielle liquide du fluide sucré est modifiée (e.g. augmentée) en fonction de l’évolution0 de l’écart de densité qui a lieu en cours de fermentation. Par exemple, au fur et à mesure que le biofilm se forme sur le support solide, la densité du support solide peut être amenée à varier (e.g. augmenter), donnant lieu à des régimes hydrauliques évolutifs (e.g. taux de recyclage optionnel différents en début de fermentation et en fin de fermentation).
Dans le cas d’un lit fixe, un support solide comprenant un empilage vrac ou structuré de 5 particules de mousse de polyuréthane peut être envisagé, avec ou sans agitation mécanique
(e.g. à l’intérieur d’une colonne).
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le milieu fermentaire traverse le lit solide en courant montant ou descendant (« upflow » ou « downflow » selon la terminologie anglo- saxonne). Par exemple dans le cas d’une circulation liquide descendante, un système0 permettant un dégagement gazeux à contrecourant peut être prévu. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, une circulation radiale peut être également envisagée dans le réacteur fermentaire 2, par exemple dans le cas où l’on applique une agitation mécanique au centre du réacteur fermentaire 2 (e.g. turbine radiale du type Rushton). Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le solide est immobilisé à l’intérieur d’un panier concentrique à l’axe 5 d’agitation, permettant notamment de contrôler les vitesses du milieu réactionnel et l’hydrodynamique imposée autour de ce dernier (e.g. réacteur du type Robinson Mahoney).
Immersion et mise en œuyre du support solide
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le support solide est partiellement ou totalement immergé, pour notamment augmenter la formation des biofilms et améliorer les0 performances. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le support solide est introduit sous forme d’un seul bloc, par exemple en forme de cylindre dont le diamètre est inférieur ou sensiblement égal au diamètre interne du réacteur fermentaire 2. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, comme montré sur la figure 2, le diamètre du support solide 9 est sensiblement 5 égal au diamètre interne du réacteur fermentaire 2. Le bloc peut ainsi correspondre à un média filtrant au sein duquel les biofilms vont se développer. Bien qu’il soit possiblement plus difficile de gérer un apport d’insolubles pouvant être entraînés avec le fluide sucré, les performances d’un procédé utilisant un réacteur fermentaire 2 tel que présenté sur la figure 1 sont parmi les plus élevées. En revanche, le support solide 9 tel que représenté sur la figure 0 2 peut occasionner une légère surpression dans la phase liquide libre, au niveau inférieur. Il est à noter que si le dégagement gazeux est important pendant la fermentation, une poche de gaz peut se former sous le support solide et des passages préférentiels au sein du support solide 9 peuvent être générés lors de l’évacuation du gaz.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, comme montré sur la figure 3, le bloc de support 5 solide 9 peut-être centré, excentré ou accolé à une paroi du réacteur fermentaire 2.
Avantageusement, le support solide 9 ne perturbe en aucune façon la circulation du liquide en entrée comme en sortie du procédé, notamment lorsque opéré en continu. De plus, la présence éventuelle d’insolubles tels que ceux issus des grandes céréales ne pose pas de problèmes. Le flux de fluide sucré arrivant par le conduit 1 peut également être introduit au0 droit des blocs de support solide 9, par exemple quand ceux-ci affleurent à la surface du milieu réactionnel du réacteur fermentaire 2. Avantageusement, lorsque le support solide affleure à la surface du milieu réactionnel au niveau de l’entrée du fluide sucré, le milieu est localement moins concentré en alcool et la croissance des bactéries est favorisée.
Il est entendu qu’il n’est pas requis d’utiliser un support solide 9 d’un seul bloc. Selon un ou 5 plusieurs modes de réalisation, le support solide comprend un filet ou un contenant avec maillage 10 comprenant des cubes ou des parallélépipèdes ou autres éléments de formes quelconques à 3 dimensions (e.g. polyèdres) de grande ou petite taille (e.g. au moins une dimension entre 3 mm et 10 m, tel que de 2 cm à 1 m), tel que montré sur la figure 4, les éléments étant constitués de mousse de polyuréthane. Selon un ou plusieurs modes de0 réalisation, le filet ou le contenant avec maillage 10 forme un cylindre dont le diamètre est inférieur ou sensiblement égal au diamètre interne du réacteur fermentaire 2. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le diamètre du filet ou du contenant avec maillage 10 est sensiblement égal au diamètre interne du réacteur fermentaire 2. Il se peut que des dégagements gazeux aient tendance à faire remonter le support solide 9. En revanche, une plaque perforée, un simple filet ou une grille 1 1 (voir figure 5) peut suffire pour maintenir le support solide, par exemple en mouvement, dans le réacteur fermentaire 2.
Dans les modes de réalisation des figures 2 à 5, le réacteur fermentaire 2 est à circulation fluidique montante. En revanche, il est entendu que le sens de circulation du fluide sucré peut être descendant. Il est également entendu que le sens de circulation peut être globalement montant ou descendant (vu de l’extérieur du réacteur fermentaire) et radial à l’intérieur du réacteur fermentaire 2.
Etapes de finition
Comme indiqué sur la figure 6, le procédé de production d'alcools peut mettre en oeuvre un réacteur de finition 12 dit « finisseur » (optionnel). Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le moût fermentaire soutiré du réacteur fermentaire 2 par le conduit 3 est introduit dans le réacteur de finition 12 adapté pour produire un deuxième moût fermentaire enrichi en IBEA par rapport au moût fermentaire soutiré du réacteur fermentaire 2. Le deuxième moût fermentaire est ensuite soutiré du réacteur de finition 12 et évacué par le conduit 6 et introduit dans l’unité de séparation 4 (optionnelle) permettant de séparer et d’extraire les composés d’intérêt du moût de fermentation, ces derniers étant évacués par le conduit 5. Le réacteur de finition 12 est de préférence sans mousse PU. Le finisseur est de préférence homogène et a pour objectif d’exploiter au mieux le potentiel en titre IBEA de la souche Clostridium, en permettant un temps de séjour prolongé, et d’ajouter une quantité de substrat carboné qui correspond aux besoins de la souche. Le réacteur de finition 12 permet notamment de garantir un épuisement des oses.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le procédé de production d'alcools met en outre une étape de récupération partielle des composés IBEA produits présents dans le premier et/ou le deuxième moût fermentaire. Cette étape d'extraction des composés IBEA fait appel à une étape de stripage avec un gaz sous pression envoyé dans le réacteur fermentaire 2 et/ou le réacteur de finition 12 afin d'entrainer les alcools présents dans la phase aqueuse.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le gaz de stripage est un gaz produit directement par fermentation et qui a été préalablement stocké (par des méthodes connues de l’homme de l’art) avant sa mise en oeuvre. Le gaz de stripage comprend typiquement du dioxyde de carbone et éventuellement de l'hydrogène. Cette étape de stripage au gaz permet avantageusement de contrôler au cours de la fermentation la teneur en alcools présents dans le milieu afin de limiter les phénomènes d'inhibition des microorganismes qui apparaissent lorsque la teneur en alcools atteint une valeur critique. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, l’étape de stripage au gaz peut être soit réalisée en continue soit de manière discontinue. Le débit de gaz fermentaire rapporté au volume de fermenteur est par exemple compris entre 0,5 et 2,5 l/l/min, de préférence compris entre 0,7 et 1 ,1 l/l/min.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le procédé de récupération peut également être mis en oeuvre de telle sorte que l'étape de stripage au gaz soit opérée dans un finisseur 12 contenant un solvant organique non miscible à l'eau, le solvant formant une phase organique surnageant au-dessus du moût de fermentation. Le solvant sera par ailleurs choisi de manière à être biocompatible avec le microorganisme.
Le gaz de stripage est ainsi injecté dans le moût de fermentation de manière à entraîner les alcools produits dans la phase organique surnageante et de telle façon qu'une partie des alcools soient transférés dans la phase organique lorsque le gaz de stripage traverse ladite phase organique. Exemples
Exemple de référence : test en continu de cellules en suspension
On met en oeuvre expérimentalement un essai en mode continu avec des cellules en suspension. Un bioréacteur disposant de 5 L de volume total est rempli avec 1 ,8 L de milieu fermentaire. Le glucose initial est fixé à 60 g/L, et l’inoculum est de 0,2 L, soit un taux d’inoculation à 10% en volume par rapport au volume total du milieu fermentaire avec des cellules au taux de croissance maximal, après avoir subi une purge à l’azote d’1 heure visant à s’assurer d’une anaérobiose (stricte) dès le début de l’essai La purge à l’azote est maintenue pendant l’étape batch préliminaire (4-5 heures). Le microorganisme employé est Clostridium beijerinckii DSM 6423. La température et l’agitation mécanique sont fixées à 36°C et 60 rpm respectivement dès le début de l’essai ; la pression est sensiblement atmosphérique + la hauteur d’eau du bioréacteur. L’essai se déroule en 2 étapes :
- une première étape batch (durée 4-8 heures) correspondant au temps de latence (« lag time » selon la terminologie anglo-saxonne) et démarrage de la croissance exponentielle (accompagné de génération de gaz de fermentation) ; et
- une deuxième étape en mode continu dans laquelle des taux de dilution différents sont imposés. Une période de temps correspondante au minimum à trois fois (préférablement au moins 5 fois) le temps de séjour est attendue à chaque nouvelle consigne pour stabilisation. Ensuite, le moût fermentaire est analysé en glucose et métabolites principaux (i.e., isopropanol, butanol, éthanol et acétone). La figure 7 montre l’évolution de la productivité volumique r en IBEA g/L.h en fonction du taux de dilution D imposé dans le bioréacteur (h 1). Le taux de dilution D est défini comme le débit volumique entrant dans le réacteur divisé par le volume de dernier. Dans le cas d’un procédé avec microorganismes en suspension, ce paramètre peut être considéré à la fois comme l’inverse du temps de séjour pour le fluide et pour les microorganismes. Conséquemment, un phénomène de lavage cellulaire apparaît au-delà d’un certain taux de dilution, conduisant à une perte en productivité volumique. Dans ce cas, le taux de dilution critique se situe entre 0,04 et 0,06 h 1 , moment où la productivité maximale atteint une valeur d’environ 0,45 g/L.h d’ IBEA.
Exemple 1 selon la présente description : Test en mode batch avec de la mousse de polyuréthane
On met en oeuvre expérimentalement un procédé en mode batch : deux fermentations avec des supports solides de type mousse de polyuréthane (Mousse 1 , Mousse 2) aux caractéristiques physiques et structurales différentes, et une fermentation de contrôle (cellules en suspension). Les principales caractéristiques de ces deux mousses apparaissaient dans le tableau 1 suivant :
Tableau 1
Plusieurs bioréacteurs sont remplis de 20 mL de milieu fermentaire, qui a préalablement été mis sous anaérobiose afin de garantir l’absence d’oxygène. On introduit dans chaque bioréacteur 40% de volume solide (volume apparent) par rapport au volume total du bioréacteur. Le glucose initial est fixé à 90 g/L, le taux d’ensemencement est de 10% (vol liquide) (même inoculum pour l’ensemble des fermentations) avec des cellules au taux de croissance maximal. Le microorganisme employé est Clostridium beijerinckii DSM 6423. L’ensemble des bioréacteurs est introduit dans une jarre d’anaérobiose, et mis sous température (36°C), pour une durée fixe de 12 jours. La pression est sensiblement atmosphérique + la hauteur d’eau du bioréacteur. Ensuite, le moût de fermentation final est analysé, ainsi que les solides supportant du biofilm. Chaque condition opératoire est réalisée en triplicata afin de s’assurer de la répétabilité des expériences.
La présence des solides du type mousse de polyuréthane a plusieurs effets sur la surconsommation conséquente de glucose (voir tableau 2 ci-dessous) et sur le titre final en IBEA.
Tableau 2
Le titre est quantifié à partir du rendement de fermentation qui est considéré invariable et la consommation en glucose sur chaque essai. Ainsi, les fermentations batch avec la Mousse 1 et la Mousse 2 ont produit respectivement 17,5 g/L et 15,2 g/L d’ IBEA, titre dans les deux cas supérieur à celui obtenu avec la fermentation de control (13,3 g/L d’ IBEA)
Exemple 2 selon la présente description : test en continu avec de la mousse de polyuréthane On met en oeuvre expérimentalement le procédé selon des modes de réalisation de la présente description, au moyen de deux fermentations en mode continu avec immobilisation sur des supports solides de type mousse de polyuréthane (Mousse 1 , Mousse 2) aux caractéristiques physiques et structurales différentes. Les principales caractéristiques de ces deux mousses sont explicitées dans le tableau 1. Le remplissage est effectué en mode vrac, avec des cubes de dimensions 3 mm x 5 mm x 5 mm.
A l’intérieur d’une colonne en verre de 1 12 ml (dimensions : diamètre interne = 32 mm, H= 13,9 cm) est introduit le support solide, à un taux volumique de 50% dans la colonne par rapport au volume interne total de la colonne. La colonne est disposée dans la boucle de recirculation d’une deuxième fiole de fermentation, dont le volume de milieu fermentaire atteint 80 ml. L’ensemble du système fermentaire a préalablement été mis sous anaérobiose par purge d’azote afin de garantir l’absence d’oxygène. Le glucose dans une nourrice de charge est fixé à 90 g/L, et le support solide subit un taux d’inoculation à 10% en volume avec des cellules au taux de croissance maximal par rapport au volume total du milieu 5 fermentaire. Le microorganisme employé est Clostridium beijerinckii DSM 6423. Le système est mis sous température (36°C), sans agitation. La pression est sensiblement atmosphérique + la hauteur d’eau de la colonne en verre. L’essai se déroule en 2 étapes :
- une première étape batch (durée 4-5 heures) correspondant au « lag time » et démarrage de la croissance exponentielle (accompagné de génération gaz de 0 fermentation) ; et
- une deuxième étape en mode continu dans laquelle des taux de dilution différents sont imposés.
Une période de temps correspondante au minimum à trois fois le temps de séjour est attendue à chaque nouvelle consigne pour stabilisation. Périodiquement, le moût de 5 fermentation final est prélevé stérilement de la colonne et analysé en glucose et métabolites principaux ( i.e isopropanol, butanol, éthanol et acétone).
La présence de support solide du type mousse de polyuréthane a plusieurs effets sur la fermentation en mode continu : le tableau 3 ci-dessous montre l’évolution de la fermentation, en fonction du taux de dilution imposé, du pourcentage de consommation de glucose (%), de0 la teneur totale en IBEA (g/L), et de la productivité volumique (g/L.h en IBEA). Par rapport aux conditions de cellules en suspension (exemple de référence), une augmentation de productivité est observée dans le cas où les cellules sont immobilisées sur la Mousse 1 (facteur 6) ou la Mousse 2 (facteur 3).
Tableau 3
5 Bien que des modes de réalisation et exemples mentionnés ci-dessus soient décrits en détail, il est entendu que des modes de réalisation supplémentaires peuvent être envisagés. Par exemple, la biomasse bactérienne utilisée dans le procédé selon la présente description peut correspondre à une autre souche que Clostridium beijerinckii DSM 6423. Aussi, les mousses 5 de polyuréthane selon la présente description peuvent être autres que celles décrites au tableau 1 . De plus, des teneurs en IBEA et des productivités volumiques améliorées peuvent être obtenues au moyen de taux d’inoculation, de taux de sucre, de taux de dilution, de températures, de pressions, d’agitations, de durées, etc. autres que ceux indiqués dans les exemples. 0 Sauf spécification contraire dans la présente description, il sera apparent pour l’homme du métier que tous les modes de réalisation décrits ci-dessus peuvent être combinés entre eux. Par exemple, sauf spécification contraire, toutes les caractéristiques des modes de réalisation décrits ci-dessus, peuvent être combinées avec ou remplacées par d’autres caractéristiques d’autres modes de réalisation. 5 Exemple 3 selon la présente description : test en continu avec de la mousse de polyuréthane
On met en oeuvre expérimentalement le procédé selon des modes de réalisation de la présente description, au moyen de deux fermentations en mode continu avec immobilisation sur des supports solides de type mousse de polyuréthane. Le remplissage est effectué en mode vrac, avec des cubes de dimensions 10 mm x 10 mm x 7 mm. Les mousses0 présentent une taille de macro-pores d’environ 1 mm.
Les deux fermenteurs se présentent sous la forme d’une colonne en verre de 250 ml de volume utile. Les conditions de remplissage des fermenteurs sont explicitées dans le tableau 4.
Tableau 4
5 Une boucle de recirculation est disposée entre l’entrée et la sortie du réacteur pour maintenir une bonne homogénéisation au sein du fermenteur. La sortie du liquide se fait par débordement. L’ensemble du système fermentaire a préalablement été mis sous anaérobiose par purge d’azote afin de garantir l’absence d’oxygène. La concentration en 5 glucose dans la nourrice de charge est fixée à 60 g/L. Le fermenteur est inoculé à 10% en volume avec des cellules au taux de croissance maximal par rapport au volume total du milieu fermentaire. Le microorganisme employé est Clostridium beijerinckii DSM 6423. Le système est régulé en température à 34°C sans agitation autre que la recirculation. La pression est sensiblement atmosphérique. 0 L’essai se déroule en 2 étapes :
- une première étape batch (durée 7 heures) correspondant au « lag time » et démarrage de la croissance exponentielle (accompagnée de génération gaz de fermentation) ; et
- une deuxième étape en mode continu dans laquelle des taux de dilution différents 5 sont imposés.
Dans la deuxième étape, le taux de dilution est augmenté continuellement en fonction des concentrations en solvants. Périodiquement, le moût de fermentation est prélevé stérilement et analysé en glucose et métabolites principaux ( i.e isopropanol, butanol, éthanol et acétone). . Le pH est également mesuré. 0 Les deux fermenteurs sont opérés sur une durée de 912 h. Le taux de dilution varie entre 0.02 h-1 et 0.23 h-1. Après 200 h de fermentation, la teneur totale en IBEA varie entre 8 et 16 g/L. Avant 500 h, la productivité volumique maximale pour les deux fermenteurs est de 1.5 g/L. h en IBEA. Les meilleures performances sur l’ensemble de l’essai donnent une productivité volumique maximale de 2.44 g/L/h en IBEA pour le fermenteur 1 et de 2.24 g/L/h 5 en IBEA pour le fermenteur 2.
Exemple 4 selon la présente description : test en continu avec de la mousse de polyuréthane dans un réacteur agité
On met en oeuvre expérimentalement un essai en mode continu avec des cellules immobilisées sur un support de type mousse polyuréthane. Un bioréacteur disposant de 5 L0 de volume total est rempli avec 2 L de milieu fermentaire. Le glucose initial est fixé à 60 g/L, et l’inoculum est de 0,2L, soit un taux d’inoculation à 10% en volume par rapport au volume total du milieu fermentaire avec des cellules au taux de croissance maximal, après avoir subi une purge à l’azote d’1 heure visant à s’assurer d’une anaérobiose (stricte) dès le début de l’essai La purge à l’azote est maintenue pendant l’étape batch préliminaire (7 heures). Le microorganisme employé est Clostridium beijerinckii DSM 6423. La température est fixée à 5 34°C. L’agitation mécanique varie entre et 60 et 170 rpm. La pression est sensiblement atmosphérique + la hauteur d’eau du bioréacteur.
L’essai se déroule en 2 étapes :
- une première étape batch (durée 7 heures) correspondant au temps de latence (« lag time » selon la terminologie anglo-saxonne) et démarrage de la croissance 0 exponentielle (accompagné de génération de gaz de fermentation) ; et
- une deuxième étape en mode continu dans laquelle des taux de dilution différents sont imposés.
Dans la deuxième étape, le taux de dilution est augmenté continuellement en fonction des concentrations en solvants. Périodiquement, le moût de fermentation est prélevé stérilement 5 et analysé en glucose et métabolites principaux ( i.e isopropanol, butanol, éthanol et acétone). Le pH est également mesuré.
Les deux fermenteurs sont opérés pour sur une durée de 765 h environ. Le taux de dilution varie entre 0.02 h-1 et 0.2 h-1. Après 100 h, la teneur totale en IBEA varie entre 5 et 16 g/L. La productivité volumique maximale obtenue pour cette fermentation est de 1.6 g/L. h en0 IBEA.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de production d’alcools, dans lequel on introduit un fluide sucré dans un réacteur fermentaire (2) pour produire un moût fermentaire enrichi en isopropanol, butanol, éthanol et acétone par rapport au fluide sucré, le réacteur fermentaire (2)
5 comprenant une biomasse produite par une souche appartenant au genre Clostridium supportée sur un support solide (9) comprenant une mousse de polyuréthane.
2. Procédé selon la revendication 1 , dans lequel la mousse de polyuréthane présente : des cavités volumiques dont le diamètre de sphère équivalent est compris entre 0,1 et 5 mm ; et/ou une densité apparente mesurée dans l’air comprise entre 10 et 90 g/L. 0
3. Procédé selon la revendication 1 ou la revendication 2, dans lequel le fluide sucré est introduit en continu dans le réacteur fermentaire (2).
4. Procédé selon la revendication 3, dans lequel la fermentation est réalisée à un taux de dilution (D) du fluide sucré rapporté au volume du réacteur fermentaire (2) compris entre 0,04 h 1 et 1 h 1.
5 5. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la biomasse produite par la souche appartenant au genre Clostridium comprend une bactérie appartenant à une espèce sélectionnée parmi les espèces Clostridium acetobutylicum, Clostridium beijerinckii, Clostridium saccharobutylicum. Clostridium tyrobutyricum, C. saccharoperbutylacetonicum, C. butylicum. 0
6. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la biomasse produite par la souche appartenant au genre Clostridium comprend une bactérie génétiquement modifiée appartenant à l’espèce Clostridium beijerinckii naturellement productrice d’isopropanol et/ou Clostridium acetobutylicum génétiquement modifiée pour la production d’isopropanol. 5 7. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la biomasse produite par la souche appartenant au genre Clostridium est immobilisée sur le support solide (9) dans un réservoir secondaire
(7), et le support solide (9) supportant la biomasse produite par la souche appartenant au genre Clostridium est introduit dans le réacteur fermentaire (2).
8. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel, la biomasse produite par la souche appartenant au genre Clostridium est immobilisée sur le support solide sous forme de biofilm.
9. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le support
5 solide (9) est introduit dans le réacteur fermentaire (2) sous la forme d’un ou plusieurs blocs, et/ou sous la forme d’un filet ou d’un contenant avec maillage (10) comprenant une pluralité de cubes, parallélépipèdes ou autres formes quelconques à 3 dimensions de mousse de polyuréthane.
10. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le support 0 solide (9) est sensiblement sous la forme d’un cylindre circulaire droit ayant un diamètre inférieur ou sensiblement égal au diamètre interne du réacteur fermentaire (2).
1 1. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le support solide (9) forme un lit fluidisé ou un lit fixe dans le réacteur fermentaire (2).
12. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le support 5 solide (9) est disposé dans le réacteur fermentaire (2) de sorte à affleurer à la surface du milieu réactionnel du réacteur fermentaire (2).
13. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la production du moût fermentaire est mise en oeuvre par fermentation en anaérobiose.
14. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la0 fermentation est réalisée à une température comprise entre 28°C et 40°C, et/ou à une pression comprise entre environ 0,1 MPa et 0,15 MPa, et/ou pendant une durée d’au moins 250 heures.
15. Réacteur fermentaire (2) comprenant une biomasse adaptée pour la production d’isopropanol, de butanol, d’éthanol et d’acétone et produite par une souche 5 appartenant au genre Clostridium supportée sur un support solide (9) comprenant une mousse de polyuréthane.
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