EP4172348A1 - Procede de fermentation ibe optimise pour valoriser l'acetone - Google Patents

Procede de fermentation ibe optimise pour valoriser l'acetone

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Publication number
EP4172348A1
EP4172348A1 EP21731545.6A EP21731545A EP4172348A1 EP 4172348 A1 EP4172348 A1 EP 4172348A1 EP 21731545 A EP21731545 A EP 21731545A EP 4172348 A1 EP4172348 A1 EP 4172348A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
acetone
fermentation
carried out
reaction section
effluent
Prior art date
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Pending
Application number
EP21731545.6A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Marcel Ropars
Nicolas Lopes Ferreira
Sandra Menir
Helena GONZALEZ PENAS
Eszter Toth
Vincent Coupard
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
IFP Energies Nouvelles IFPEN
Original Assignee
IFP Energies Nouvelles IFPEN
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by IFP Energies Nouvelles IFPEN filed Critical IFP Energies Nouvelles IFPEN
Publication of EP4172348A1 publication Critical patent/EP4172348A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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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
    • C12P7/00—Preparation of oxygen-containing organic compounds
    • C12P7/02—Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a hydroxy group
    • C12P7/04—Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a hydroxy group acyclic
    • 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
    • C12P7/00—Preparation of oxygen-containing organic compounds
    • C12P7/02—Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a hydroxy group
    • C12P7/04—Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a hydroxy group acyclic
    • C12P7/06—Ethanol, i.e. non-beverage
    • 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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    • C12P7/02—Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a hydroxy group
    • C12P7/04—Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a hydroxy group acyclic
    • C12P7/06—Ethanol, i.e. non-beverage
    • C12P7/065—Ethanol, i.e. non-beverage with microorganisms other than yeasts
    • 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
    • C12P7/00—Preparation of oxygen-containing organic compounds
    • C12P7/02—Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a hydroxy group
    • C12P7/04—Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a hydroxy group acyclic
    • C12P7/16—Butanols
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E50/00—Technologies for the production of fuel of non-fossil origin
    • Y02E50/10—Biofuels, e.g. bio-diesel

Definitions

  • the present invention relates to a process for the production of alcohols comprising the IBE fermentation of an aqueous solution comprising C5 and / or C6 sugars in the presence of natural microorganisms, making it possible to maximize the yield of alcohols, in particular of isopropanol.
  • the alcohols resulting from fermentation are the most promising substitutes for petrochemical derivatives.
  • ABE fermentation (Acetone - Butanol - Ethanol) is one of the oldest fermentations to have been industrialized (early 20th century) and has since been widely studied (cf. Moon et al. “One hundred years of clostridial butanol fermentation.” FEMS Microbiol Lett. 2016 Feb, 363, 3).
  • IBE fermentation Isopropanol - Butanol - Ethanol
  • IBE fermentation Isopropanol - Butanol - Ethanol
  • the fermentation must obtained systematically includes acetone, often in low concentration (generally around 2% of the mass of the solvents produced).
  • This presence of acetone in the products of an IBE fermentation process is, however, characteristic of a yield of alcohols, in particular isopropanol, which may be incomplete.
  • US Patent 6930213 describes a process for the hydrogenation of acetone to isopropanol in several reaction steps so as to produce isopropanol of high purity and with improved selectivity. In parallel, the enzymatic way to convert acetone is explored.
  • the literature describes, for example, the reduction of acetone to isopropanol using a particular strain of Clostridium, in particular the strain Clostridium ragsdalei, in a fermentation system very different from the IBE or ABE fermentation, since it consists of the fermentation of a gaseous substrate resulting from gasification, also called syngas, which comprises a gaseous mixture of nitrogen N2, hydrogen H2, carbon dioxide CO2 and carbon monoxide CO (Ramachandriya KD et al., “Reduction of acetone to isopropanol using producer gas fermenting microbes ”, Biotechnol Bioeng., 2011 Oct, 108 (10), 2330-8).
  • acetone is added to the fermentation medium, at concentrations of up to 2 g / L without affecting the growth of the microorganism.
  • None of these documents proposes a process for the production of alcohols by enzymatic conversion of C5 and / or C6 sugars, allowing the direct upgrading of acetone, in particular acetone co-produced with alcohols.
  • none of the documents provides a relatively simple process diagram that makes it possible to significantly improve the process. rate of conversion of sugars into alcohols and therefore the yields of alcohols produced, in particular of isopropanol, which represents a significant economic gain.
  • the present invention thus relates to a process for the production of alcohols comprising the following steps: a. a fermentation step implementing a reaction section comprising at least one bioreactor in which an IBE type fermentation is carried out in the presence of a Clostridium strain, in particular of industrial interest, said reaction section being fed at least with a solution aqueous C5 and / or C6 sugars and a recycled acetone stream, to produce fermentation gases and fermentation wort containing fermentation products comprising butanol, ethanol, isopropanol and acetone; b. a stage of recovery of the fermentation products, to obtain a flow of fermentation products; vs.
  • step a for treating the flow of fermentation products from step b) using an acetone separation section to produce at least one acetone effluent and one aqueous alcohol effluent; d. an acetone recycling step which uses at least one transfer section to recycle at least a fraction of the acetone effluent from step c) to step a), said at least fraction of the acetone effluent which is transferred constituting said recycled acetone stream which feeds the reaction section of step a).
  • the Applicant has discovered that it is possible to re-introduce into the fermentation medium, according to a simple process diagram, the acetone co-produced with alcohols by natural microorganisms, without particular purification, in a manner to convert it into isopropanol using these same natural microorganisms.
  • This re-assimilation and conversion of the co-product into alcohol, in particular into isopropanol significantly improves the yield of sugars in alcohols, which represents a significant economic gain.
  • the Applicant has in fact discovered that the acetone co-produced during IBE fermentation by natural microorganisms can be easily recycled and re-assimilated almost completely by the same microorganisms in order to be converted into isopropanol.
  • the process according to the invention thus makes it possible to increase the yield of isopropanol from 4 to 6% by weight relative to a process of the prior art, by using the same strain and the same. quantity of natural microorganisms and, in particular, by implementing a simple system for recycling the acetone co-produced.
  • the improved performances obtained by virtue of the method according to the invention appear possible, for limited investment and operating costs.
  • Another advantage of the present invention lies in the possibility of upgrading the acetone co-produced, but also of converting exogenous acetone, which can be defined, according to the invention, as bio-compatible acetone obtained from fermentation or chemical processes external to the process of the present invention. It appears in fact that acetone is very well converted into isopropanol, with conversion rates of up to 90%, by microorganisms naturally producing the mixture of isopropanol, butanol and ethanol, even at high concentrations of acetone in the fermentation medium.
  • the IBE type fermentation is a fermentation using microorganisms which allow the conversion of sugars comprising 5 carbon atoms (C5) and / or 6 carbon atoms (C6), dissolved in an aqueous solution , in fermentation products comprising solvents composed mainly of a mixture of Isopropanol - Butanol - Ethanol alcohols.
  • solvents composed mainly of a mixture of Isopropanol - Butanol - Ethanol alcohols.
  • acetone is co-produced; this solvent represents approximately 2% by weight of the weight of the solvents produced.
  • fermentation also produces fermentation gases, in particular carbon dioxide (C0 2 ) and hydrogen.
  • the microorganisms also called bacteria, used in the fermentation system are strains derived from species, from Clostridium, in particular of industrial interest, capable naturally, that is to say in the wild state , to produce mainly the alcohols isopropanol, n-butanol, hereinafter noted butanol, and ethanol, from sugars with 5 carbons (C5) or with 6 carbons (C6).
  • the term “predominantly” means here, preferably at least 60% by weight, preferably at least 80% by weight, preferably at least 90% by weight, of the solvents obtained by fermentation.
  • These strains are also called “IBE strains” or “wild IBE strains”.
  • a bacterium capable of producing isopropanol in the wild state may for example be a bacterium selected from a C. beijerinckii bacterium, a C. diolis bacterium, C. puniceum bacteria, C. aurantibutyricum bacteria, C. butyricum bacteria, C. saccharoperbutylacetonicum bacteria, C. botulinum bacteria, C. drakei bacteria, bacteria C. scatologenes, C. perfringens bacteria, and C. tunisiense bacteria, preferably bacteria selected from C. beijerinckii bacteria, C. diolis bacteria, C. puniceum bacteria, C.
  • a bacterium naturally capable of producing isopropanol is a C. beijerinckii bacterium, preferably a subclade of C. beijerinckii selected from DSM 6423, LM G 7814, LM G 7815, NRRL B-593, NCCB 27006, a bacterium C. aurantibutyricum DSZM 793 and ATCC 17777, or a subclade of such a bacterium C. beijerinckii or C.
  • aurantibutyricum showing at least 90 %, 95%, 96%, 97%, 98% or 99% identity with strain DSM 6423 (cf. https://www.ebi.ac.Uk/ena/data/view/GCA_900010805.1). Particularly preferred is C. beijerinckii bacteria from the DSM 6423 subclade.
  • microorganisms used naturally synthesize during fermentation a specific enzyme, called secondary alcohol dehydrogenase (sadh), which allows the conversion of acetone into isopropanol in the presence of a cofactor, more particularly in the presence of NADPH ( Nicotinamide adenine dinucleotide phosphate), this co-factor being produced by the same microorganisms in the presence in particular of glucose.
  • these microorganisms are called interchangeably “microorganisms", “naturally occurring microorganisms”, “strains derived from Clostridium species” or even "natural strains” or "wild strains”.
  • Wild strains can, however, naturally undergo point mutations within their genetic material (i.e. within their DNA) without affecting their fermentation performance.
  • a “bioreactor”, also referred to as a “fermenter” is equipment for the propagation of fermentative microorganisms capable of producing molecules (solvents or other organic compounds) of interest. Fermentation in a bioreactor thus allows, in the presence of C5 and / or C6 sugars, growth of the microorganism used, with control of key parameters such as pH, agitation and temperature of the fermentation medium (or fermentation), also called reaction medium, and the production of the targeted solvents.
  • the fermentation step according to the invention therefore consists in growing the microorganisms and recovering a reaction effluent comprising the fermentation must containing an aqueous solution comprising an isopropanol, n-butanol, ethanol mixture.
  • the volume of a bioreactor corresponds to the useful volume of said bioreactor.
  • solvents refers to all the alcohol and ketone compounds produced by fermentation. More particularly, the term “solvents” denotes the mixture of isopropanol, butanol, ethanol and acetone produced during the IBE fermentation used in the process according to the invention.
  • the expression "between ... and " means that the limit values of the interval are included in the range of values described. If this was not the case and the limit values were not included in the range described, such precision will be provided by the present invention.
  • the different parameter ranges for a given step such as the pressure and temperature ranges can be used alone or in combination.
  • a range of preferred pressure values can be combined with a range of more preferred temperature values.
  • the invention thus relates to a process for the production of alcohols comprising, preferably consisting of, the following steps: a. an IBE type fermentation step implementing a reaction section comprising at least one bioreactor which contains a naturally occurring microorganism, said reaction section being fed at least with an aqueous solution of C5 and / or C6 sugars and a recycled acetone stream , to produce fermentation gases and fermentation wort containing fermentation products comprising butanol, ethanol, isopropanol and acetone; b. a stage of recovery of the fermentation products, to obtain a flow of fermentation products; vs.
  • step b) a step for treating the flow of fermentation products resulting from step b) using an acetone separation section to produce at least one acetone effluent and one aqueous alcohol effluent; d. an acetone recycling step which uses at least one transfer section to recycle at least a fraction of the acetone effluent from step c) to step a), said at least fraction of the acetone effluent which is transferred constituting said recycled acetone stream which feeds the reaction section.
  • the process is supplied with an aqueous solution of C5 and / or C6 sugars.
  • Said aqueous solution of C5 and / or C6 sugars can have different origins. It is advantageously obtained from the treatment of a renewable source.
  • This renewable source can be of the lignocellulosic biomass type which includes in particular woody substrates (deciduous and coniferous), agricultural by-products (straw) or those from industries generating lignocellulosic waste (agrifood industries, paper mills).
  • the aqueous solution of sugars can also be obtained from sugar plants, such as, for example, sugar beet and sugar cane, or else from starchy plants such as corn or wheat.
  • Any C5 sugar naturally present in the various lignocellulosic biomasses (mono- or dicotyledonous) used for the production of biofuel by the biological route can be fermented by the process according to the invention.
  • the C5 sugars are chosen from xylose and arabinose.
  • any C6 sugar can also be fermented by the process according to the invention.
  • the C6 sugars are chosen from glucose, mannose and galactose. More preferably, the C6 sugar is glucose.
  • the C5 and / or C6 sugars are dissolved in said aqueous solution of sugars.
  • concentration of C5 and / or C6 sugars in said aqueous solution of sugars is between 1 and 900 g / L, preferably between 10 and 600 g / L, preferably between 20 and 500 g / L, very preferably between 25 and 150 g / L.
  • the aqueous solution of C5 and / or C6 sugars is a liquid solution.
  • the process for the production of alcohols comprises a fermentation step a) implementing a reaction section which itself comprises at least one bioreactor in which the IBE fermentation is carried out in the presence of a natural microorganism.
  • Said natural microorganism is a strain of Clostridium capable of naturally producing the alcohols isopropanol, n-butanol (also called butanol according to the invention) and ethanol from C5 and / or C6 sugars.
  • the fermentation system also called bacterial biomass
  • a microorganism, or bacteria belonging to the genus Clostridium and capable of producing isopropanol in the state wild type, in particular capable of carrying out an IBE fermentation in the wild state and advantageously selected from a C. beijerinckii bacterium, a C. diolis bacterium,
  • the microorganism employed is a C. beijerinckii bacterium, preferably a C. beijerinckii subclade selected from DSM 6423, LMG 7814, LMG 7815, NRRL B-593, NCCB 27006, a C. aurantibutyricum DSZM 793 bacterium.
  • Said reaction section can comprise one or more bioreactors, preferably at least two bioreactors, preferably at least five bioreactors.
  • said reaction section comprises at most thirty bioreactors, preferably at most twenty bioreactors, preferably at most ten bioreactors.
  • Each bioreactor comprises said natural microorganism.
  • the reaction section comprises several bioreactors, the bioreactors operate in parallel.
  • Said reaction section is fed with an aqueous solution of C5 and / or C6 sugars.
  • said aqueous solution is in liquid form.
  • said reaction section comprises several bioreactors, said aqueous solution of C5 and / or C6 sugars can be divided into as many feed streams of aqueous solution of sugars as there are bioreactors present in said reaction section.
  • Said reaction section is also supplied with a recycled acetone stream, advantageously resulting from step d) of the process according to the invention.
  • said recycled acetone stream is in liquid form.
  • Said recycled acetone stream can be introduced directly in said (or said) bioreactor (s) or in a mixer located upstream of said bioreactor in which it is mixed with said aqueous solution of C5 and / or C6 sugars before being introduced into said (or said) bioreactor ( s).
  • said reaction section comprises several bioreactors
  • said recycled acetone stream can be divided into as many recycled acetone feed streams as there are bioreactors present in said reaction section.
  • Said reaction section can also optionally be supplied with an exogenous acetone flow.
  • said exogenous acetone stream which optionally feeds the reaction section is in liquid form.
  • Said exogenous acetone stream can be mixed with the recycled acetone stream C6 before being introduced into said bioreactor (s) or can directly feed said bioreactor (s).
  • Said flow of exogenous acetone, which optionally feeds the reaction section is a flow of biocompatible acetone, resulting from at least one process other than the process according to the invention.
  • Said exogenous acetone flow can come, at least in part, from another fermentation process, for example using an ABE fermentation, or from a “chemical” process, that is to say not using no fermentation.
  • the acetone produced by the chemical process is directly biocompatible, that is to say does not contain poison of the microorganisms used in step a) of the process according to the invention, or is treated prior to its introduction into the reaction section of step a) to make it biocompatible.
  • the reaction section of step a) is supplied with said recycled acetone stream and optionally said exogenous acetone stream, at flow rates adjusted so that the acetone concentration supplying the reaction section of step a) is less than or equal at 10 g / L, preferably less than or equal to 5 g / L, preferably less than or equal to 2 g / L, and preferably greater than strictly than 0, preferably greater than or equal to 0.01 g / L, preferably greater than or equal to 0.1 g / L, relative to all the liquid streams feeding the reaction section of step a), that is to say relative to the aqueous solution of C5 sugars and / or C6, recycled acetone stream and optionally exogenous acetone stream.
  • the acetone concentration feeding the reaction section of step a) is defined as being the total quantity by weight of acetone entering the reaction section of step a), that is to say supplied by the recycled acetone stream and optionally the exogenous acetone flow, relative to the total volume of the flows feeding the reaction section of step a), that is to say relative to the sum of the flows liquids composed of the flow of aqueous solution of sugars, of the recycled acetone flow and optionally of the exogenous acetone flow, expressed in volume.
  • the fermentation carried out in the reaction section is carried out at a temperature between 25 and 40 ° C, preferably between 30 and 37 ° C, preferably at 34 ° C.
  • the fermentation is carried out at a pH between 4.0 and 7.0, preferably between 4.5 and 6.0.
  • the reaction section of step a) is carried out at atmospheric pressure.
  • the fermentation can be carried out in batch mode, also called "batch" mode according to the English term, that is to say with an initial feed and without feed. intermediate and / or without a continuous feed, in particular in aqueous sugar solution, in said stream of acetone optionally recycled from the preceding batch (s) and optionally in an exogenous stream of acetone.
  • the fermentation is carried out in the bioreactor (s) advantageously closed for the liquid phase (but open for the outgoing gas phase), for a period of between 30 and 150 hours which advantageously corresponds to the duration of a batch.
  • the useful volume of the bioreactor (s) is between 10 and 500 m 3 .
  • the quantity of aqueous solution of C5 and / or C6 sugars initially introduced into the (or each) bioreactor preferably at a concentration of between 1 to 900 g / L, preferably between 10 and 600 g / L, preferably between 20 and 500 g / L and even more preferred between 30 g / L and 90 g / L, and in particular between 40 g / L and 60 g / L, corresponds to half of the useful volume of the bioreactor considered, and advantageously corresponds to the fermentation medium of said bioreactor.
  • the quantity of microorganisms introduced per batch (per “batch”) and per bioreactor corresponds to a volume of a culture medium for cells (or bacteria) at the maximum growth rate and so that said volume of the culture medium is between 2 and 10% of the volume of the fermentation medium (or reaction volume). Continuous stirring is maintained to homogenize the reaction medium.
  • the fermentation can be carried out in “semi-continuous” or “fed-batch” mode according to the English term.
  • the aqueous solution of sugars and advantageously the acetone stream are advantageously introduced into the bioreactor (s) for a part at the start of the batch and for another part added as the batch progresses. in the bioreactor (s).
  • a batch designates, according to the knowledge of a person skilled in the art, advantageously the time for carrying out the fermentation between two emptying of the bioreactor (s) and the operations which take place during this time.
  • a batch preferably lasts between 20 and 200 hours, preferably between 30 and 150 hours.
  • the useful volume of the bioreactor (s) is between 10 and 500 m 3 .
  • the (or each) bioreactor is initially fed with an amount of aqueous solution of C5 and / or C6 sugars, preferably at a sugar concentration of between 30 g / L and 90 g / L, preferably between 40 g / L and 60 g / L, which corresponds to a volume preferably equal to half of the useful volume of (each) bioreactor.
  • each bioreactor is fed, advantageously continuously or by pulses, with an aqueous solution of C5 and / or C6 sugars, preferably at a sugar concentration of between 500 and 800 g / L, at a flow rate advantageously between 10 and 5000 L / h, preferably between 20 and 2500 L / h.
  • the quantity of microorganisms introduced per batch and per bioreactor corresponds to a volume of a culture medium for cells (or bacteria) at the maximum growth rate and so that said volume of the culture medium is between 2 and 10% of the volume of the fermentation medium (or reaction volume). Continuous stirring is maintained to homogenize the reaction medium, in each bioreactor.
  • a withdrawal of the butanol produced, in liquid or gas form, continuously or by pulses, can then be implemented in each bioreactor, the objective of this technique being to eliminate the butanol, which is toxic to microorganisms, as and when that it is produced by the strain.
  • This technique is called ISPR for In Situ Product Recovery according to the Anglo-Saxon term, and is well known to those skilled in the art (cf. Outram V. et al. "A comparison of the energy use of in situ product recovery techniques for the Acetone Butanol Ethanol fermentation ”Bioresource Technology, 2016, 220, 590-600).
  • flow designate the quantities introduced or leaving the bioreactor (s), per batch .
  • the fermentation can be carried out in “simple continuous” mode, also called continuous mode with free cells.
  • the bioreactor (s) is (are) then continuously supplied with the aqueous solution of sugars and the recycled acetone stream, and optionally an exogenous acetone stream.
  • the feed rate of said aqueous solution of C5 and / or C6 sugars is adjusted so that the dilution rate in the bioreactor (s), expressed in h -1 and corresponding to the inverse of the residence time (i.e.
  • the flow rate of said aqueous solution of C5 and / or C6 sugars divided by the volume, that is to say the useful volume, of the bioreactors), as well known to those skilled in the art, is between 0.01 and 0 , 05 h 1 , preferably between 0.0125 and 0.033 h 1 .
  • the feed rate of said recycled acetone stream, and optionally said exogenous acetone stream is adjusted as indicated above, so that the acetone concentration supplying the bioreactor relative to the sum of the liquid streams supplying the bioreactor (that is to say the aqueous solution of sugars, the recycled acetone stream and optionally the exogenous acetone stream) is less than or equal to 10 g / L, preferably less than or equal to 5 g / L, preferably less than or equal to 2 g / L, and preferably greater than strictly than 0, preferably greater than or equal to 0.01 g / L, preferably greater than or equal to 0.1 g / L.
  • the concentration of microorganism in the reaction medium is between 10 8 and 10 11 cells / mL of reaction medium, preferably between 10 9 and 10 1 ° cells / mL of reaction medium.
  • Continuous stirring of the reaction medium in the bioreactor (s) is advantageously maintained in order to homogenize said reaction medium.
  • the microorganisms and the products formed are withdrawn, continuously or by pulses, from the bioreactor (s).
  • An ISPR technique, as described above, can also be applied to remove butanol, which is toxic to bacteria.
  • the fermentation can be carried out in “supported continuous” mode, also called continuous confined mode or continuous mode with cell immobilization.
  • the microorganisms then form a film, or biofilm, on a solid support, for example composed of a porous inorganic material, such as clays, of a metal foam, of a polymeric foam, in particular a polyurethane foam, the polyurethane foam being preferred (cf. FR 3,086,670).
  • the microorganism concentration is between 10 7 and 10 10 cells / cm 3 of solid support, preferably between 10 8 and 10 9 cells / cm 3 of solid support.
  • the inoculated solid support i.e.
  • the solid support containing the microorganism biofilm, preferably the inoculated polyurethane foam is then placed in the or each bioreactor so that the volume of inoculated solid support preferably represents between 1 and 50% of the useful volume of the bioreactor, preferably between 5 and 30% of the useful volume of the bioreactor.
  • the (or them) bioreactor (s) is (are) then continuously fed with the aqueous solution of C5 and / or C6 sugars, at a concentration advantageously between 1 to 900 g / L, preferably between 10 and 600 g / L, preferably between 20 and 500 g / L, very preferably between 25 and 150 g / L, and the recycled acetone stream, and optionally an exogenous acetone stream.
  • the feed rate of the bioreactor (s) with said aqueous solution of C5 and / or C6 sugars is adjusted so that the dilution rate, expressed in h 1 and corresponding to the inverse of the residence time (that is to say to the flow rate of said aqueous solution of C5 and / or C6 sugars divided by the volume, that is to say of the useful volume, of the bioreactors), as is well known to those skilled in the art. trade, is between 0.01 and 0.40 h 1 , preferably between 0.015 and 0.30 h 1 , preferably between 0.02 and 0.20 h 1 .
  • the feed rate of said recycled acetone stream, and optionally said exogenous acetone stream is adjusted as indicated above, so that the acetone concentration supplying the bioreactor with respect to all the liquid streams supplying the bioreactor (that is to say the aqueous solution of sugars, the recycled acetone flow and optionally the exogenous acetone flow) is less than or equal to 10 g / L, preferably less than or equal to 5 g / L, preferably less than or equal to 2 g / L, and preferably greater than strictly than 0, preferably greater than or equal to 0.01 g / L, preferably greater than or equal to 0.1 g / L.
  • Continuous stirring of the reaction medium in the bioreactor (s) is advantageously maintained in order to homogenize said reaction medium.
  • the microorganisms and the products formed are withdrawn, continuously or by pulses, from the bioreactor (s).
  • An ISPR technique, as described above, can also be applied to remove butanol, which is toxic to bacteria.
  • the fermentation is carried out in simple continuous mode or in continuous mode with cell immobilization, and preferably in continuous mode with cell immobilization.
  • Said step a) allows the production of fermentation gas, in particular comprising carbon dioxide (CO2) and hydrogen, and a fermentation wort containing fermentation products comprising butanol, ethanol, isopropanol and acetone.
  • CO2 carbon dioxide
  • a fermentation wort containing fermentation products comprising butanol, ethanol, isopropanol and acetone.
  • the process for the production of alcohols comprises a step b) of recovering the fermentation products generated in step a), in order to obtain a flow of fermentation products.
  • This step advantageously consists at least in separating the fermentation products, comprising in particular butanol, ethanol, isopropanol and acetone mixed with water, fermentation must and fermentation gases.
  • This separation can be carried out by any method known to those skilled in the art.
  • the process for recovering alcohols in a fermenter described in application WO 2018/001628 can most particularly be implemented in this step b).
  • Said flow of fermentation products obtained at the end of step b) comprises in particular isopropanol, n-butanol, ethanol and acetone, mixed with water.
  • the process for producing alcohols comprises a step c) of treating the flow of fermentation products from step b).
  • Said step c) uses at least one acetone separation section to produce at least one acetone effluent and an aqueous alcohol effluent.
  • Said aqueous alcohol effluent comprises in particular butanol, ethanol and isopropanol.
  • step c) implements in said acetone separation section: c-1) a distillation of the flow of fermentation products resulting from step b) in a beer column to obtain at the bottom of said beer column a flow of water and at the top of the beer column an aqueous mixture of solvents, c-2) a distillation of the aqueous mixture of solvents in a distillation column, to obtain in said acetone effluent column head and said aqueous alcohol effluent at the column bottom.
  • the aqueous mixture of solvents extracted at the top of the beer column of step c-1) of this particular embodiment comprises water, butanol, in particular n-butanol, ethanol, isopropanol and acetone.
  • Said beer column from step c-1) can advantageously be equipped with a reboiling system, preferably by recompression of the overhead vapors. It can also include a reflux recycle system.
  • the aqueous mixture of solvents, extracted at the top of the beer column from step c-1) of the particular embodiment is then sent to a distillation column, also called “acetone column”.
  • the role of the acetone column of step c-2) is to separate the acetone from the flow of alcohols, the acetone being extracted at the top of the column, and to produce said aqueous effluent of alcohols, advantageously concentrated. in isopropanol-butanol-ethanol, which is withdrawn at the bottom of said acetone column.
  • the acetone effluent obtained at the end of step c) has an acetone concentration greater than or equal to 95% by weight, preferably greater than or equal to 98% by weight, preferably greater than or equal to 99.5 % by weight relative to the weight of said acetone effluent.
  • the aqueous alcohol effluent comprises, for its part, water and a mixture of alcohols, said alcohols being those advantageously produced during IBE fermentation, in particular n-butanol (called butanol), ethanol and isopropanol.
  • Step c) can optionally further comprise an alcohol separation section.
  • Said optional alcohol separation section comprises a distillation column, fed with the aqueous effluent of alcohols from the acetone separation section. It separates at least one butanol effluent and one hydroalcoholic effluent comprising ethanol and isopropanol.
  • the process for producing alcohols comprises a step d) of recycling the acetone.
  • This acetone recycling step uses at least one transfer section to recycle at least a fraction of the acetone effluent from step c) to step a).
  • Said fraction of the acetone effluent which is recycled to step a) constitutes the recycled acetone stream which feeds the reaction section of said step a) of the process according to the invention.
  • the method according to the invention can operate in continuous, batch or semi-continuous mode, as described above.
  • the process operates in continuous mode, and more preferably, in confined continuous mode.
  • the process according to the invention thus makes it possible to reintegrate the acetone co-produced in the fermentation medium, in the bioreactor, in order to have it re-assimilated by the microorganisms and to convert it into isopropanol.
  • the isopropanol yield is improved, between 4 and 6% by weight of gain depending on the Clostridium strains used, compared to a process using the same strain and the same quantity of natural microorganisms but without the system of recycling and re-assimilation of the acetone co-produced.
  • the process according to the invention therefore allows an increase in the overall yield of conversion of sugars into alcohols compared to an IBE fermentation process without upgrading the acetone by-product.
  • the process according to the present invention also makes it possible to upgrade the acetone exogenous to said process by converting it into isopropanol, and in particular at low pressures compared to a conventional process using the chemical route.
  • the unit of weight “tonne” is written “t”
  • the unit of weight “gram” is written “g”
  • FIG. 1 schematically shows a particular arrangement of the process according to the invention.
  • An aqueous solution of C5 and / or C6 sugars (1) feeds a reaction section (R1) comprising at least one bioreactor.
  • Said bioreactor comprises a microorganism which naturally converts sugars into isopropanol, butanol and ethanol alcohols.
  • the fermentation products (2) obtained after IBE fermentation of the sugars are recovered and introduced into an acetone separation section (C) which separates an acetone effluent (3) entirely recycled to the reaction section (R1) and an aqueous effluent of alcohols (4) including isopropanol, butanol and ethanol.
  • FIG. 2 represents another particular arrangement of the method according to the invention.
  • the process shown schematically in Figure 2 further comprises compared to the process schematized in Figure 1, a supply of exogenous acetone (5) such that the total concentration of acetone supplying the section (R1) is less than or equal to 10 g / L, preferably less than or equal to 5 g / L, preferably less than or equal to 2 g / L, and preferably greater than strictly 0, preferably greater than or equal to 0.01 g / L, preferably greater than or equal to 0.1 g / L, relative to all the flows supplying said section (R1).
  • a supply of exogenous acetone (5) such that the total concentration of acetone supplying the section (R1) is less than or equal to 10 g / L, preferably less than or equal to 5 g / L, preferably less than or equal to 2 g / L, and preferably greater than strictly 0, preferably greater than or equal to 0.01 g / L, preferably greater than or
  • Example 1 illustrates an IBE fermentation process in the presence of Clostridium beijerinckii strain DSM6423, without a recycling system for the acetone co-produced. This is a method according to the prior art.
  • the fermentation production unit uses a fermentation unit comprising 4 fermenters which treats an aqueous solution of glucose (C6 sugar) of 62.5 g / L.
  • the total useful volume of the fermenters in the fermentation unit is 14,000 m 3 .
  • the plant's sugar consumption is approximately 125,000 t / year of glucose, corresponding to a flow rate of 250,000 L / h of aqueous glucose solution, i.e. a dilution rate of 0.022 h 1 .
  • the fermenters operate at 37 ° C, atmospheric pressure and a pH between 4.5 and 6.
  • the unit operates in single continuous mode.
  • the quantity of microorganisms is between 10 9 and 10 1 ° cells / mL of reaction medium.
  • the production unit also includes a unit for processing the solvents produced, in particular an acetone separation unit, comprising a beer column followed by an acetone column, to separate the acetone produced from the alcohols.
  • a unit for processing the solvents produced in particular an acetone separation unit, comprising a beer column followed by an acetone column, to separate the acetone produced from the alcohols.
  • the production unit produces 40,000 tonnes of solvents per year.
  • Table 1 summarizes the amounts of the various solvents produced.
  • the total yield of glucose in solvents (acetone + ethanol + isopropanol + butanol) is 0.320 kg / kg (i.e. kg of solvents produced per kg of glucose consumed) and the rate of conversion of glucose to alcohols ( ethanol + isopropanol + butanol) is 0.314 kg / kg.
  • Example 2 (compliant)
  • Example 2 illustrates a process according to the invention.
  • Example 2 indeed illustrates an IBE fermentation process in the presence of the Clostridium beijerinckii strain DSM6423, with a system for recycling the acetone co-produced.
  • the production unit additionally includes a recycling system for the acetone co-produced and separated in the dedicated separation unit.
  • a flow of approximately 100,000 g / h of acetone is thus produced and continuously recycled to the fermenters. All the separated acetone effluent is recycled to the fermentation unit.
  • the acetone concentration of all the streams feeding the bioreactor is 0.4 g / L throughout production.
  • Table 2 shows the amounts of the various solvents produced by the process described in Example 2.
  • the total yield of glucose in solvents (acetone + ethanol + isopropanol + butanol) is always 0.320 kg of solvents per kg of glucose but the rate of conversion of glucose into alcohols (ethanol + isopropanol + butanol), obtained according to the process of l Example 2, is 0.319 kg / kg, instead of 0.314 kg / kg, obtained by the non-conforming process of Example 1.

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Abstract

La présente invention concerne un procédé de production d'alcools comprenant: a. une étape de fermentation de type IBE dans au moins un bioréacteur (R1) en présence d'un microorganisme de souche naturelle, et alimenté au moins par une solution aqueuse (1) de sucres en C5 et/ou C6 et un flux acétone recyclé (3), pour produire des gaz de fermentation et un moût de fermentation contenant des produits fermentaires; b. une étape de récupération des produits fermentaires, pour obtenir un flux de produits fermentaires (2); c. une étape de traitement du flux de produits fermentaires comprenant une section de séparation de l'acétone pour produire au moins un effluent acétone (3) et un effluent aqueux d'alcools (4); d. une étape de recyclage d'au moins une fraction de l'effluent acétone (3) issu de l'étape c) vers l'étape a).

Description

PROCEDE DE FERMENTATION IBE OPTIMISE POUR VALORISER L’ACETONE Domaine technique
La présente invention concerne un procédé de production d’alcools comprenant la fermentation IBE d’une solution aqueuse comprenant des sucres en C5 et/ou C6 en présence de microorganismes naturels, permettant de maximiser le rendement en alcools, en particulier en isopropanol.
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 pétrochimie.
Les alcools issus de fermentation (éthanol, n-butanol, noté butanol dans la suite, isopropanol) sont les substituts de dérivés pétrochimiques les plus prometteurs. La fermentation ABE (Acétone - Butanol - Ethanol) est une des plus anciennes fermentations à avoir été industrialisée (début du 20ème siècle) et a été depuis largement étudiée (cf. Moon et al. « One hundred years of clostridial butanol fermentation. » FEMS Microbiol Lett. 2016 Feb, 363, 3). Il existe également la fermentation IBE (Isopropanol - Butanol - Ethanol) qui produit un mélange d’isopropanol, butanol et éthanol (cf. Dos Santos Vieira et al. « Acetone- free biobutanol production: Past and recent advances in the Isopropanol-Butanol-Ethanol (IBE) fermentation. » Bioresour Technol. 2019 Sep, 287:121425). Ces deux types de fermentations sont réalisées en anaérobiose stricte par un microorganisme fermentaire généralement du genre Clostridium.
Ces souches de Clostridia, non pathogènes, dites solvantogènes, et utilisées en biotechnologie, ont naturellement la capacité de transformer une variété importante de sucres pour produire des espèces chimiques d’intérêt, et plus particulièrement un mélange d’acétone, de butanol et d’éthanol au cours de la fermentation ABE (Jones et al. « Acetone- butanol fermentation revisited. » Microbiol Rev 1986, 50: 484-524). Certaines sont quant à elles capables de produire un mélange d’isopropanol, de butanol et d’éthanol lors d’une fermentation dite IBE (Chen ét al., « Acetone-butanol-isopropanol production by Clostridium beijerinckii (synonym, Clostridium butylicum). » Biotechnol Lett 1986, 8: 371-376 ; George et al., « Acetone, isopropanol and butanol production by Clostridium beijerinckii (syn. Clostridium butylicum) and Clostridium aurantibutyricum. » Appl Environ Microbiol 1983, 45: 1160-1163). Seules quelques souches de Clostridia solvantogènes particulières sont naturellement capables de produire au cours du processus fermentaire de l’isopropanol en remplacement quasi-total de l’acétone, notamment certaines souches de Clostridium beijerinckii (ou C. beijerinckii), telle que la souche DSM6423. Les autres souches produisent un mélange Acétone / Butanol / Ethanol (A/B/E).
Lors du processus fermentaire IBE qui conduit au mélange d’alcools Isopropanol / Butanol / Ethanol (l/B/E), l’acétone est donc un produit intermédiaire de la voie de production fermentaire de l’isopropanol (Maté de Gérando étal., « Genome and transcriptome of the natural isopropanol producer Clostridium beijerinckii DSM6423 » BMC Genomics, 2018 19:242 ; Collas, 2012. « Production of isopropanol, butanol and éthanol by metabolic engineered Clostridia ». Thèse de doctorat en Microbiologie et Biologie moléculaire. AgroParisTech. France). Cependant, en fin de fermentation IBE, réalisée par la souche DSM6423 par exemple, le moût fermentaire obtenu comprend systématiquement de l’acétone, souvent en faible concentration (généralement environ 2% de la masse des solvants produits). Cette présence d’acétone dans les produits d’un procédé de fermentation IBE est cependant caractéristique d’un rendement en alcools, en particulier en isopropanol, pouvant être incomplet.
Il apparait alors utile, pour rendre économiquement intéressante la production fermentaire d’alcools l/B/E à grande échelle, d’optimiser les procédés classiques de fermentation IBE en convertissant l’acétone co-produit en alcool, en particulier en isopropanol, permettant ainsi de limiter l’accumulation de ce co-produit acétone dans les procédés. Récupérer et convertir l’acétone permet en outre de le valoriser et surtout d’améliorer les rendements de conversion des sucres en alcools.
Des procédés industriels de transformation de l’acétone en isopropanol par voie chimique existent. Ce sont des procédés conventionnels d’hydrogénation catalytique sous pression. Par exemple, les procédés décrits dans les documents EP 0379323 et US 2011/0218367 sont des procédés de production d’isopropanol par réaction de l’acétone avec de l’hydrogène en présence de catalyseurs à base de métal hydrogénant, en particulier à base de Nickel de Raney, à une température entre 20 et 200°C et une pression comprise entre 1 et 80 bars (cf. EP 0379323). La demande US 2011/0218367 précise que la sélectivité en isopropanol est améliorée en présence d’eau. Le brevet US 6930213 décrit quant à lui un procédé d’hydrogénation de l’acétone en isopropanol en plusieurs étapes réactionnelles de manière à produire de l’isopropanol de haute pureté et avec une sélectivité améliorée. En parallèle, la voie enzymatique pour convertir l’acétone est explorée. La littérature décrit, par exemple, la réduction d’acétone en isopropanol en utilisant une souche particulière de Clostridium, notamment la souche Clostridium ragsdalei, dans un système fermentaire très différent de la fermentation IBE ou ABE, puisqu’il consiste en la fermentation d’un substrat gazeux issu de la gazéification, appelé aussi syngas, qui comprend un mélange gazeux d’azote N2, d’hydrogène H2, de dioxyde de carbone CO2 et du monoxyde de carbone CO (Ramachandriya KD et al., « Réduction of acetone to isopropanol using producer gas fermenting microbes », Biotechnol Bioeng., 2011 Oct, 108(10), 2330-8). Dans ce procédé, de l’acétone est ajouté dans le milieu fermentaire, à des concentrations allant jusqu’à 2 g/L sans affecter la croissance du microorganisme.
Une autre étude propose d’optimiser la fermentation Acétone - Isopropanol - Butanol en présence d’une souche naturelle de Clostridium, NJP7, pour améliorer la production de butanol ou de butanol-isopropanol, notamment en introduisant dans le milieu de culture avec le glucose de l’acide exogène (acide acétique ou acide butyrique) ou un précurseur d’enzymes spécifiques (Xin ét al., « Strategies for improved isopropanol-butanol production by a Clostridium strain from glucose and hemicellulose through Consolidated bioprocessing », Biotechnololy for Biofuels, 2017, 10 :118). Cette même étude montre que les titres et productivités en butanol et isopropanol de la souche Clostridium NJP7, peuvent être encore améliorées lors d’une fermentation fed-batch par extraction in situ à l’aide de biodiesel.
D’autres travaux encore proposent de réaliser des modifications génétiques d’une souche de Clostridum acetobutylicum ATCC 824, qui produit naturellement un mélange Acétone - Butanol - Ethanol, pour lui faire produire de l’isopropanol en remplacement de l’acétone. Cependant, la production d’acétone résiduelle est toujours observée, malgré la présence d’une alcool deshydrogénase produite par le microorganisme génétiquement modifié et capable de convertir efficacement l’acétone (Joungmin Lee et al., « Metabolic Engineering of Clostridium acetobutylicum ATCC 824 for Isopropanol-Butanol-Ethanol Fermentation », George ét al., Applied and Environmental Microbiology, March 2012, Vol.78 N.5, p. 1416 — 1423).
Aucun de ces documents ne propose un procédé de production d’alcools par conversion enzymatique de sucres en C5 et/ou C6, permettant la valorisation directe d’acétone, notamment de l’acétone co-produit avec les alcools. Aucun des documents ne propose en outre un schéma de procédé relativement simple permettant d’améliorer sensiblement le taux de conversion des sucres en alcools et donc les rendements en alcools produits, en particulier en isopropanol, ce qui représente un gain économique notable.
Résumé de l’invention
La présente invention concerne ainsi un procédé de production d’alcools comprenant les étapes suivantes : a. une étape de fermentation mettant en œuvre une section réactionnelle comprenant au moins un bioréacteur dans lequel une fermentation de type IBE est réalisée en présence d’une souche de Clostridium, en particulier d’intérêt industriel, ladite section réactionnelle étant alimentée au moins par une solution aqueuse de sucres en C5 et/ou C6 et un flux acétone recyclé, pour produire des gaz de fermentation et un moût de fermentation contenant des produits fermentaires comprenant du butanol, de l’éthanol, de l’isopropanol et de l’acétone ; b. une étape de récupération des produits fermentaires, pour obtenir un flux de produits fermentaires ; c. une étape de traitement du flux de produits fermentaires issu de l’étape b) mettant en œuvre une section de séparation de l’acétone pour produire au moins un effluent acétone et un effluent aqueux d’alcools ; d. une étape de recyclage de l’acétone qui met en œuvre au moins une section de transfert pour recycler au moins une fraction de l’effluent acétone issu de l’étape c) vers l’étape a), ladite au moins fraction de l’effluent acétone qui est transférée constituant ledit flux acétone recyclé qui alimente la section réactionnelle de l’étape a).
De manière surprenante, la demanderesse a découvert qu’il était possible de ré-introduire dans le milieu de fermentation, selon un schéma de procédé simple, l’acétone co-produit avec des alcools par les microorganismes naturels, sans purification particulière, de manière à le convertir en isopropanol en utilisant ces mêmes microorganismes naturels. Cette réassimilation et conversion du co-produit en alcool, en particulier en isopropanol, permet d’améliorer sensiblement le rendement des sucres en alcools, ce qui représente un gain économique notable. La demanderesse a en effet découvert que l’acétone co-produit lors de la fermentation IBE par les microorganismes naturels peut être recyclé facilement et réassimilé quasi complètement par les mêmes microorganismes pour être converti en isopropanol.
Le procédé selon l’invention permet ainsi d’augmenter le rendement en isopropanol de 4 à 6% poids par rapport à un procédé de l’art antérieur, en utilisant la même souche et la même quantité de microorganismes naturels et, en particulier, en mettant en œuvre un système simple de recyclage de l’acétone co-produit. Les performances améliorées obtenues grâce au procédé selon l’invention apparaissent possibles, pour des coûts d’investissement et de fonctionnement limités.
Un autre avantage de la présente invention réside dans la possibilité de valoriser l’acétone co-produit, mais aussi de convertir de l’acétone exogène, qui peut être défini, selon l’invention, comme de l’acétone bio-compatible issu de procédés fermentaires ou chimiques externes au procédé de la présente invention. Il apparaît en effet que l’acétone est très bien convertie en isopropanol, avec des taux de conversion pouvant aller jusqu’à 90%, par les microorganismes produisant naturellement le mélange isopropanol, butanol et éthanol, même à des concentrations d’acétone élevées dans le milieu fermentaire.
Description des modes de réalisation
Selon l’invention, la fermentation de type IBE, fermentation IBE, est une fermentation utilisant des microorganismes qui permettent la conversion de sucres comprenant 5 atomes de carbone (C5) et/ou 6 atomes de carbone (C6), solubilisés dans une solution aqueuse, en produits fermentaires comprenant des solvants composés majoritairement d’un mélange d’alcools Isopropanol - Butanol - Ethanol. Lors de cette fermentation IBE, de l’acétone est co-produit ; ce solvant représente environ 2% poids du poids des solvants produits. Généralement, la fermentation produit également des gaz fermentaires, en particulier du dioxyde de carbone (C02) et de l’hydrogène.
Selon l’invention, les microorganismes, appelés aussi bactéries, utilisés dans le système fermentaire sont des souches issues d’espèce, de Clostridium, en particulier d’intérêt industriel, capables naturellement, c’est-à-dire à l’état sauvage, de produire majoritairement les alcools isopropanol, n-butanol, noté butanol par la suite, et éthanol, à partir de sucres à 5 carbones (C5) ou à 6 carbones (C6). Le terme « majoritairement » signifie ici, de préférence au moins 60% poids, préférentiellement au moins 80% poids, de manière préférée au moins 90% poids, des solvants obtenus par fermentation. Ces souches sont aussi appelées « souches IBE » ou « souches IBE sauvages ».
Une bactérie capable de produire de l’isopropanol à l’état sauvage, en particulier capable d’effectuer une fermentation IBE à l’état sauvage, peut être par exemple une bactérie sélectionnée parmi une bactérie C. beijerinckii, une bactérie C. diolis, une bactérie C. puniceum, une bactérie C. aurantibutyricum, une bactérie C. butyricum, une bactérie C. saccharoperbutylacetonicum, une bactérie C. botulinum, une bactérie C. drakei, une bactérie C. scatologenes, une bactérie C. perfringens, et une bactérie C. tunisiense, de préférence une bactérie sélectionnée parmi une bactérie C. beijerinckii, une bactérie C. diolis, une bactérie C. puniceum, une bactérie C. aurantibutyricum et une bactérie C. saccharoperbutylacetonicum. De manière préférée, une bactérie naturellement capable de produire de l’isopropanol, en particulier capable d’effectuer une fermentation IBE à l’état sauvage, est une bactérie C. beijerinckii, de préférence un sous-clade de C. beijerinckii sélectionné parmi DSM 6423, LM G 7814, LM G 7815, NRRL B-593, NCCB 27006, une bactérie C. aurantibutyricum DSZM 793 et ATCC 17777, ou un sous-clade d’une telle bactérie C. beijerinckii ou C. aurantibutyricum présentant au moins 90%, 95%, 96%, 97%, 98% ou 99% d’identité avec la souche DSM 6423 (cf. https://www.ebi.ac.Uk/ena/data/view/GCA_900010805.1). La bactérie C. beijerinckii de sous- clade DSM 6423 est particulièrement préférée.
Avantageusement, les microorganismes utilisés synthétisent naturellement au cours de la fermentation une enzyme spécifique, appelée alcool deshydrogénase secondaire (sadh), qui permet la conversion de l’acétone en isopropanol en présence d’un co-facteur, plus particulièrement en présence du NADPH (Nicotinamide adénine dinucléotide phosphate), ce co-facteur étant produit par les mêmes microorganismes en présence notamment de glucose. Selon l’invention, ces microorganismes sont appelés indifféremment « microorganismes », « microorganismes de souche naturelle », « souches issues d’espèce de Clostridium » ou encore « souches naturelles » ou bien « souches sauvages ».
Les souches sauvages peuvent cependant subir naturellement des mutations ponctuelles au sein de leur matériel génétique (c’est-à-dire au sein de leur ADN) sans affecter leurs performances fermentaires.
Selon l’invention, un « bioréacteur », également désigné par « fermenteur », est un équipement de propagation de microorganismes fermentaires capables de produire des molécules (solvants ou autres composés organiques) d’intérêt. Une fermentation en bioréacteur permet ainsi, en présence de sucres en C5 et/ou C6, une croissance du microorganisme utilisé, avec un contrôle des paramètres-clés comme le pH, l’agitation et la température du milieu de fermentation (ou fermentaire), appelé aussi milieu réactionnel, et la production des solvants visés.
L'étape de fermentation selon l’invention consiste donc à faire croître les microorganismes et récupérer un effluent réactionnel comprenant le moût de fermentation contenant une solution aqueuse comprenant un mélange isopropanol, n-butanol, éthanol. Selon l’invention, le volume d’un bioréacteur correspond au volume utile dudit bioréacteur.
Selon l’invention, le terme « solvants » désigne l’ensemble des composés alcools et cétones produits par fermentation. Plus particulièrement, le terme « solvants » désigne le mélange isopropanol, butanol, éthanol et acétone produit lors de la fermentation IBE mise en œuvre dans le procédé selon l’invention.
Selon la présente invention, l’expression « compris entre ... et ... » signifie que les valeurs limites de l’intervalle sont incluses dans la gamme de valeurs décrite. Si tel n’était pas le cas et que les valeurs limites n’étaient pas incluses dans la gamme décrite, une telle précision sera apportée par la présente invention.
Dans le sens de la présente invention, les différents plages de paramètres pour une étape donnée telles que les plages de pression et de température peuvent être utilisées seules ou en combinaison. Par exemple, dans le sens de la présente invention, une plage de valeurs préférées de pression peut être combinée avec une plage de valeurs de température plus préférées.
Dans la suite, des modes de réalisation particuliers et/ou préférés de l’invention peuvent être décrits. Ils pourront être mis en œuvre séparément ou combinés entre eux, sans limitation de combinaison lorsque c’est techniquement réalisable.
L’invention concerne ainsi un procédé de production d’alcools comprenant, de préférence consistant en, les étapes suivantes : a. une étape de fermentation de type IBE mettant en œuvre une section réactionnelle comprenant au moins un bioréacteur qui contient un microorganisme de souche naturelle, ladite section réactionnelle étant alimentée au moins par une solution aqueuse de sucres en C5 et/ou C6 et un flux acétone recyclé, pour produire des gaz de fermentation et un moût de fermentation contenant des produits fermentaires comprenant du butanol, de l’éthanol, de l’isopropanol et de l’acétone ; b. une étape de récupération des produits fermentaires, pour obtenir un flux de produits fermentaires ; c. une étape de traitement du flux de produits fermentaires issu de l’étape b) mettant en œuvre une section de séparation de l’acétone pour produire au moins un effluent acétone et un effluent aqueux d’alcools ; d. une étape de recyclage de l’acétone qui met en œuvre au moins une section de transfert pour recycler au moins une fraction de l’effluent acétone issu de l’étape c) vers l’étape a), ladite au moins fraction de l’effluent acétone qui est transférée constituant ledit flux acétone recyclé qui alimente la section réactionnelle.
Charge
Selon l’invention, le procédé est alimenté par une solution aqueuse de sucres en C5 et/ou C6.
Ladite solution aqueuse de sucres en C5 et/ou C6 peut avoir différentes origines. Elle provient avantageusement du traitement d’une source renouvelable. Cette source renouvelable peut être du type biomasse lignocellulosique qui comprend notamment les substrats ligneux (feuillus et résineux), les sous-produits de l’agriculture (paille) ou ceux des industries génératrices de déchets lignocellulosiques (industries agroalimentaires, papeteries). La solution aqueuse de sucres peut également être obtenue à partir de plantes sucrières, comme par exemple la betterave sucrière et la canne à sucre, ou encore à partir de plantes amylacées comme le maïs ou le blé.
Tout sucre en C5 naturellement présent dans les différentes biomasses lignocellulosiques (mono- ou dicotylédones) utilisés pour la production de biocarburant par voie biologique peut être fermenté par le procédé selon l'invention. De préférence les sucres en C5 sont choisis parmi le xylose et l’arabinose.
Tout sucre en C6 peut également être fermenté par le procédé selon l'invention. De préférence, les sucres en C6 sont choisis parmi le glucose, la mannose, le galactose. De manière plus préférée, le sucre en C6 est le glucose.
Avantageusement, les sucres en C5 et/ou C6 sont solubilisés dans ladite solution aqueuse de sucres. La concentration en sucres C5 et/ou C6 de ladite solution aqueuse de sucres est comprise entre 1 à 900 g/L, de préférence entre 10 et 600 g/L, préférentiellement entre 20 et 500 g/L, de manière très préférée entre 25 et 150 g/L. De préférence, la solution aqueuse de sucres en C5 et/ou C6 est une solution liquide.
Etape a)
Conformément à l’invention, le procédé de production d’alcools comprend une étape a) de fermentation mettant en œuvre une section réactionnelle qui comprend elle-même au moins un bioréacteur dans lequel est réalisée la fermentation IBE en présence d’un microorganisme naturel. Ledit microorganisme naturel est une souche de Clostridium capable de produire naturellement les alcools isopropanol, n-butanol (appelé encore butanol selon l’invention) et éthanol à partir de sucres en C5 et/ou C6.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le système fermentaire, appelé encore biomasse bactérienne, est produit au moins par (et/ou comprend) un microorganisme, ou bactérie, appartenant au genre Clostridium et capable de produire de l’isopropanol à l’état sauvage, en particulier capable d’effectuer une fermentation IBE à l’état sauvage et avantageusement sélectionné parmi une bactérie C. beijerinckii, une bactérie C. diolis, une bactérie C. puniceum, une bactérie C. aurantibutyricum, une bactérie C. butyricum , une bactérie C. saccharoperbutyiacetonicum, une bactérie C. botulinum, une bactérie C. drakei, une bactérie C. scatologenes, une bactérie C. perfringens, et une bactérie C. tunisiense, de préférence parmi une bactérie C. beijerinckii, une bactérie C. diolis, une bactérie C. puniceum, une bactérie C. aurantibutyricum et une bactérie C. saccharoperbutyiacetonicum. De manière préférée, le microorganisme employé est une bactérie C. beijerinckii, de préférence un sous-clade de C. beijerinckii sélectionné parmi DSM 6423, LMG 7814, LMG 7815, NRRL B-593, NCCB 27006, une bactérie C. aurantibutyricum DSZM 793, ATCC 17777, ou un sous-clade d’une telle bactérie C. beijerinckii ou C. aurantibutyricum présentant au moins 90%, 95%, 96%, 97%, 98% ou 99% d’identité avec la souche DSM 6423 (cf. https://www.ebi.ac.Uk/ena/data/view/GCA_900010805.1).
Ladite section réactionnelle peut comprendre un ou plusieurs bioréacteurs, de préférence au moins deux bioréacteurs, préférentiellement au moins cinq bioréacteurs. Avantageusement, ladite section réactionnelle comprend au plus trente bioréacteurs, de préférence au plus vingt bioréacteurs, préférentiellement au plus dix bioréacteurs. Chaque bioréacteur comprend ledit microorganisme naturel. Lorsque la section réactionnelle comprend plusieurs bioréacteurs, les bioréacteurs fonctionnent en parallèle.
Ladite section réactionnelle est alimentée par une solution aqueuse de sucres en C5 et/ou C6. Avantageusement, ladite solution aqueuse est sous forme liquide. Lorsque ladite section réactionnelle comprend plusieurs bioréacteurs, ladite solution aqueuse de sucres en C5 et/ou C6 peut être divisée en autant de flux d’alimentation en solution aqueuse de sucres que de bioréacteurs présents dans ladite section réactionnelle.
Ladite section réactionnelle est également alimentée par un flux acétone recyclé, avantageusement issu de l’étape d) du procédé selon l’invention. Avantageusement, ledit flux acétone recyclé est sous forme liquide. Ledit flux acétone recyclé peut être introduit directement dans ledit(ou lesdits) bioréacteur(s) ou dans un mélangeur situé en amont dudit bioréacteur dans lequel il est mélangé à ladite solution aqueuse de sucres en C5 et/ou C6 avant d’être introduit dans ledit(ou lesdits) bioréacteur(s). Lorsque ladite section réactionnelle comprend plusieurs bioréacteurs, ledit flux acétone recyclé peut être divisé en autant de flux d’alimentation en acétone recyclé que de bioréacteurs présents dans ladite section réactionnelle.
Ladite section réactionnelle peut en outre être éventuellement alimentée par un flux acétone exogène. Avantageusement, ledit flux acétone exogène qui alimente éventuellement la section réactionnelle est sous forme liquide. Ledit flux acétone exogène peut être mélangé au flux acétone recyclé C6 avant d’être introduit dans ledit(ou lesdits) bioréacteur(s) ou peut alimenter directement ledit(ou lesdits) bioréacteur(s).
Ledit flux d’acétone exogène qui alimente éventuellement la section réactionnelle, est un flux d’acétone biocompatible, issu d’au moins un procédé autre que le procédé selon l’invention. Ledit flux d’acétone exogène peut provenir, au moins en partie, d’un autre procédé de fermentation, par exemple mettant en œuvre une fermentation ABE, ou d’un procédé « chimique » c’est-à-dire ne mettant en œuvre aucune fermentation. Dans ce dernier cas, l’acétone produit par le procédé chimique est directement biocompatible, c’est-à-dire ne contient pas de poison des microorganismes utilisés dans l’étape a) du procédé selon l’invention, ou est traité préalablement à son introduction dans la section réactionnelle de l’étape a) pour le rendre biocompatible.
Avantageusement, la section réactionnelle de l’étape a) est alimentée en ledit flux acétone recyclé et éventuellement ledit flux acétone exogène, à des débits ajustés de sorte que la concentration en acétone alimentant la section réactionnelle de l’étape a) est inférieure ou égale à 10 g/L, de préférence inférieure ou égale à 5 g/L, préférentiellement inférieure ou égale à 2 g/L, et de préférence supérieure strictement à 0, préférentiellement supérieure ou égale à 0,01 g/L, de manière préférée supérieure ou égale à 0,1 g/L, par rapport à l’ensemble des flux liquides alimentant la section réactionnelle de l’étape a), c’est-à-dire par rapport à la solution aqueuse de sucres en C5 et/ou C6, du flux acétone recyclé et éventuellement du flux acétone exogène. La concentration en acétone alimentant la section réactionnelle de l’étape a) est définie comme étant la quantité pondérale d’acétone totale entrant dans la section réactionnelle de l’étape a), c’est-à-dire apporté par le flux acétone recyclé et éventuellement le flux acétone exogène, par rapport au volume total des flux alimentant la section réactionnelle de l’étape a), c’est-à-dire par rapport à la somme des flux liquides composés du flux de solution aqueuse de sucres, du flux acétone recyclé et éventuellement du flux acétone exogène, exprimée en volume.
Avantageusement, la fermentation mise en œuvre dans la section réactionnelle est réalisée à une température comprise entre 25 et 40°C, de préférence entre 30 et 37°C, de manière préférée à 34°C. De préférence, la fermentation est mise en œuvre à un pH compris entre 4,0 et 7,0, de préférence entre 4,5 et 6,0. Avantageusement, la section réactionnelle de l’étape a) est opérée à pression atmosphérique.
Selon un mode de réalisation particulier de l’invention, la fermentation peut être mise en œuvre en mode discontinu, encore appelé mode « batch » selon le terme anglo-saxon consacré, c’est-à-dire avec une alimentation initiale et sans alimentation intermédiaire et/ou sans alimentation continue, en particulier en solution aqueuse de sucres, en ledit flux d’acétone recyclé éventuellement du ou des lots précédents et éventuellement en un flux d’acétone exogène. En d’autres termes, dans ce mode de réalisation, la fermentation est mise en œuvre dans le ou les bioréacteur(s) avantageusement fermé(s) pour la phase liquide (mais ouvert pour la phase gaz sortante), pendant une durée comprise entre 30 et 150 heures qui correspond avantageusement à la durée d’un lot. De préférence, le volume utile du (des) bioréacteur(s) est compris entre 10 et 500 m3. La quantité de solution aqueuse de sucres en C5 et/ou C6 introduite initialement dans le (ou chaque) bioréacteur, de préférence à une concentration comprise entre 1 à 900 g/L, préférentiellement entre 10 et 600 g/L, de manière préférée entre 20 et 500 g/L et encore plus préféré entre 30 g/L et 90 g/L, et en particulier entre 40 g/L et 60 g/L, correspond à la moitié du volume utile du bioréacteur considéré, et correspond avantageusement au milieu fermentaire dudit bioréacteur. La quantité de microorganismes introduits par lot (par « batch ») et par bioréacteur correspond à un volume d’un milieu de culture des cellules (ou bactéries) au taux de croissance maximal et de sorte que ledit volume du milieu de culture est compris entre 2 et 10% du volume du milieu fermentaire (ou volume réactionnel). Une agitation continue est maintenue pour homogénéiser le milieu réactionnel.
Selon un second mode de réalisation particulier de l’invention, la fermentation peut être mise en œuvre en mode « semi-continu », ou « fed-batch » selon le terme anglo-saxon consacré. Dans ce mode de réalisation, la solution aqueuse de sucres et avantageusement le flux d’acétone sont avantageusement introduits dans le(les) bioréacteur(s) pour une partie en début de lot et pour une autre partie ajoutés au fur et à mesure du lot dans le(les) bioréacteur(s). Un lot désigne, selon les connaissances de l’homme du métier, avantageusement le temps de mise en œuvre de la fermentation entre deux vidanges du(ou des) bioréacteur(s) et les opérations qui se déroulent pendant ce temps. Un lot dure de préférence entre 20 et 200 heures, préférentiellement entre 30 et 150 heures. De préférence, le volume utile du (des) bioréacteur(s) est compris entre 10 et 500 m3. De préférence, le (ou chaque) bioréacteur est initialement alimenté par une quantité de solution aqueuse de sucres en C5 et/ou C6, de manière préférée à concentration en sucres comprise entre 30 g/L et 90 g/L, de préférence entre 40 g/L et 60 g/L, qui correspond à un volume de préférence égal à la moitié du volume utile du (de chaque) bioréacteur. Au cours de la fermentation, chaque bioréacteur est alimenté, avantageusement en continu ou par puise, par une solution aqueuse de sucres en C5 et/ou C6, de préférence à une concentration en sucres comprise entre 500 et 800 g/L, à un débit compris avantageusement entre 10 et 5000 L/h, de préférence entre 20 et 2500 L/h. La quantité de microorganismes introduite par lot et par bioréacteur correspond à un volume d’un milieu de culture des cellules (ou bactéries) au taux de croissance maximal et de sorte que ledit volume du milieu de culture est compris entre 2 et 10% du volume du milieu fermentaire (ou volume réactionnel). Une agitation continue est maintenue pour homogénéiser le milieu réactionnel, dans chaque bioréacteur. Un soutirage du butanol produit, sous forme liquide ou gaz, en continu ou par puise, peut alors être mis en œuvre dans chaque bioréacteur, l’objectif de cette technique étant d’éliminer le butanol, toxique aux microorganismes, au fur et à mesure qu’il est produit par la souche. Cette technique est appelée ISPR pour In Situ Product Recovery selon le terme anglo-saxon, et est bien connue de l’Homme de métier (cf. Outram V. et al. « A comparison of the energy use of in situ product recovery techniques for the Acetone Butanol Ethanol fermentation » Bioresource Technology, 2016, 220, 590-600).
Lorsque la fermentation est mise en œuvre en mode discontinu (ou batch) ou en mode semi- continu (ou fed-batch), les termes « flux » désignent les quantités introduites ou sortant du(ou des) bioréacteur(s), par lot.
Selon un troisième mode de réalisation particulier de l’invention, la fermentation peut être mise en œuvre en mode « continu simple », appelé encore mode continu avec cellules libres. Le (ou les) bioréacteur(s) est(sont) alors alimenté(s) en continu par la solution aqueuse de sucres et le flux d’acétone recyclé, et éventuellement un flux d’acétone exogène. Le débit d’alimentation en ladite solution aqueuse de sucres en C5 et/ou C6, à une concentration avantageusement comprise entre 1 à 900 g/L, préférentiellement entre 10 et 600 g/L, de manière préférée entre 20 et 500 g/L, de manière très préférée entre 25 et 150 g/L, est ajusté de sorte que le taux de dilution dans le (ou les) bioréacteur(s), exprimé en h-1 et correspondant à l’inverse du temps de séjour (c’est-à-dire au débit de ladite solution aqueuse de sucres en C5 et/ou C6 divisé par le volume, c’est-à-dire du volume utile, des bioréacteurs), comme bien connu de l’homme du métier, est compris entre 0,01 et 0,05 h 1, de préférence entre 0,0125 et 0,033 h 1. Le débit d’alimentation en ledit flux d’acétone recyclé, et éventuellement ledit flux d’acétone exogène, est ajusté comme indiqué plus haut, de sorte que concentration en acétone alimentant le bioréacteur par rapport à la somme des flux liquides alimentant le bioréacteur (c’est-à-dire la solution aqueuse de sucres, le flux d’ acétone recyclé et éventuellement le flux d’acétone exogène) est inférieure ou égale à 10 g/L, de préférence inférieure ou égale à 5 g/L, préférentiellement inférieure ou égale à 2 g/L, et de préférence supérieure strictement à 0, préférentiellement supérieure ou égale à 0,01 g/L, de manière préférée supérieure ou égale à 0,1 g/L. Avantageusement, dans le cas d’une fermentation mise en œuvre en mode continu simple, la concentration en microorganisme dans le milieu réactionnel, appelé encore milieu de fermentation, est comprise entre 108et 1011 cellules/mL de milieu réactionnel, de préférence entre 109 et 101° cellules/mL de milieu réactionnel. Une agitation continue du milieu réactionnel dans le (ou les) bioréacteur(s) est avantageusement maintenue pour homogénéiser ledit milieu réactionnel. Dans ce mode de réalisation, les microorganismes et les produits formés sont soutirés, en continu ou par puise, du (ou des) bioréacteur(s). Une technique ISPR, comme décrite ci-avant, peut en outre être appliquée pour éliminer le butanol, toxique pour les bactéries.
Selon un autre mode de réalisation particulier de l’invention, la fermentation peut être mise en œuvre en mode « continu supporté », appelé encore mode continu confiné ou mode continu avec immobilisation cellulaire. Les microorganismes forment alors un film, ou biofilm, sur un support solide, par exemple composé d’un matériau inorganique poreux, comme des argiles, d’une mousse métallique, d’une mousse polymérique, en particulier une mousse polyuréthane, la mousse polyuréthane étant préférée (cf. FR 3 086 670). Avantageusement, dans le cas d’une fermentation mise en œuvre en mode continu supporté, la concentration en microorganisme est comprise entre 107 et 1010 cellules/cm3 de support solide, de préférence entre 108 et 109 cellules/cm3 de support solide. Le support solide inoculé, c’est-à- dire le support solide contenant le biofilm de microorganisme, de préférence la mousse polyuréthane inoculée, est alors placé dans le ou chaque bioréacteur de sorte que le volume de support solide inoculé représente de préférence entre 1 et 50% du volume utile du bioréacteur, de manière préférée entre 5 et 30% du volume utile du bioréacteur. Le (ou les) bioréacteur(s) est(sont) alors alimenté(s) en continu par la solution aqueuse de sucres en C5 et/ou C6, à une concentration avantageusement comprise entre 1 à 900 g/L, préférentiellement entre 10 et 600 g/L, de manière préférée entre 20 et 500 g/L, de manière très préférée entre 25 et 150 g/L, et le flux d’acétone recyclé, et éventuellement un flux d’acétone exogène. Le débit d’alimentation du (ou des) bioréacteur(s) en ladite solution aqueuse de sucres en C5 et/ou C6 est ajusté de sorte que le taux de dilution, exprimé en h 1 et correspondant à l’inverse du temps de séjour (c’est-à-dire au débit de ladite solution aqueuse de sucres en C5 et/ou C6 divisé par le volume, c’est-à-dire du volume utile, des bioréacteurs), comme bien connu de l’homme du métier, est compris entre 0,01 et 0,40 h 1, de préférence entre 0,015 et 0,30 h 1, de manière préférée entre 0,02 et 0,20 h 1. Le débit d’alimentation en ledit flux d’acétone recyclé, et éventuellement ledit flux d’acétone exogène, est ajusté comme indiqué plus haut, de sorte que concentration en acétone alimentant le bioréacteur par rapport à l’ensemble des flux liquides alimentant le bioréacteur (c’est-à-dire la solution aqueuse de sucres, le flux d’acétone recyclé et éventuellement le flux d’acétone exogène) est inférieure ou égale à 10 g/L, de préférence inférieure ou égale à 5 g/L, préférentiellement inférieure ou égale à 2 g/L, et de préférence supérieure strictement à 0, préférentiellement supérieure ou égale à 0,01 g/L, de manière préférée supérieure ou égale à 0,1 g/L. Une agitation continue du milieu réactionnel dans le (ou les) bioréacteur(s) est avantageusement maintenue pour homogénéiser ledit milieu réactionnel. Dans ce mode de réalisation, les microorganismes et les produits formés sont soutirés, en continu ou par puise, du (ou des) bioréacteur(s). Une technique ISPR, comme décrite ci-avant, peut en outre être appliquée pour éliminer le butanol, toxique pour les bactéries.
De manière préférée, la fermentation est mise en œuvre en mode continu simple ou continu avec immobilisation cellulaire, et préférentiellement en mode continu avec immobilisation cellulaire.
Ladite étape a) permet la production de gaz de fermentation, en particulier comprenant du dioxyde de carbone (CO2) et de l’hydrogène, et d’un moût de fermentation contenant des produits fermentaires comprenant du butanol, de l’éthanol, de l’isopropanol et de l’acétone.
Etape b)
Conformément à l’invention, le procédé de production d’alcools comprend une étape b) de de récupération des produits fermentaires générés à l’étape a), pour obtenir un flux de produits fermentaires. Cette étape consiste avantageusement au moins à séparer les produits fermentaires, comprenant en particulier le butanol, de l’éthanol, de l’isopropanol et de l’acétone en mélange avec de l’eau, du moût de fermentation et des gaz de fermentation.
Cette séparation peut être réalisée par toute méthode connue de l’Homme du métier. Par exemple, le procédé de récupération d’alcools dans un fermenteur décrit dans la demande WO 2018/001628 peut tout particulièrement être mis en œuvre dans cette étape b).
Ledit flux de produits fermentaires obtenu à l’issu de l’étape b) comprend en particulier de l’isopropanol, du n-butanol, de l’éthanol et de l’acétone, en mélange avec de l’eau.
Etape c)
Conformément à l’invention, le procédé de production d’alcools comprend une étape c) de de traitement du flux de produits fermentaires issu de l’étape b). Ladite étape c) met en œuvre au moins une section de séparation de l’acétone pour produire au moins un effluent acétone et un effluent aqueux d’alcools. Ledit effluent aqueux d’alcools comprend en particulier du butanol, de l’éthanol et de l’isopropanol.
La séparation de l’acétone du flux de produits fermentaires peut être opérée selon toute méthode connue de l’Homme du métier, comme par exemple par distillation(s), fractionnement(s), etc. Elle peut notamment mettre en œuvre une succession de distillations. Ainsi dans un mode de réalisation particulier de l’invention, l’étape c) met en œuvre dans ladite section de séparation de l’acétone : c-1) une distillation du flux de produits fermentaires issu de l’étape b) dans une colonne à bière pour obtenir en fond de ladite colonne à bière un flux d’eau et en tête de colonne à bière un mélange aqueux de solvants, c-2) une distillation du mélange aqueux de solvants dans une colonne de distillation, pour obtenir en tête de colonne ledit effluent acétone et en fond de colonne ledit effluent aqueux d’alcools.
Le mélange aqueux de solvants extrait en tête de la colonne à bière de l’étape c-1) de ce mode de réalisation particulier comprend de l’eau, du butanol, en particulier du n-butanol, de l’éthanol, de l’isopropanol et de l’acétone. Ladite colonne à bière de l’étape c-1) peut avantageusement être équipée d’un système de rebouillage, de préférence par recompression des vapeurs de tête. Elle peut également comprendre un système de recycle de reflux. Le mélange aqueux de solvants, extrait en tête de la colonne à bière de l’étape c-1) du mode de réalisation particulier, est ensuite envoyé dans une colonne de distillation, appelé encore « colonne à acétone ». Le rôle de la colonne à acétone de l’étape c-2) est de séparer l'acétone du flux d'alcools, l'acétone étant extrait en tête de la colonne, et de produire ledit effluent aqueux d’alcools, avantageusement concentré en isopropanol-butanol-éthanol, qui est soutiré en fond de ladite colonne à acétone.
Avantageusement, l’effluent acétone obtenu à l’issue de l’étape c) présente une concentration en acétone supérieure ou égale à 95% poids, de préférence supérieure ou égale à 98% poids, de manière préférée supérieure ou égale à 99,5% poids par rapport au poids dudit effluent acétone. L’effluent aqueux d’alcools comprend, quant à lui, de l’eau et un mélange d’alcools, lesdits alcools étant ceux avantageusement produits lors de la fermentation IBE, en particulier le n-butanol (nommé butanol), l’éthanol et l’isopropanol.
L’étape c) peut éventuellement comprendre en outre une section de séparation des alcools. Ladite éventuelle section de séparation des alcools comprend une colonne de distillation, alimentée par l’effluent aqueux d’alcools issu de la section de séparation de l’acétone. Elle permet de séparer au moins un effluent butanol et un effluent hydroalcoolique comprenant l’éthanol et l’isopropanol.
Etape d)
Conformément à l’invention, le procédé de production d’alcools comprend une étape d) de de recyclage de l’acétone. Cette étape de recyclage de l’acétone met en œuvre au moins une section de transfert pour recycler au moins une fraction de l’effluent acétone issu de l’étape c) vers l’étape a). Ladite fraction de l’effluent acétone qui est recyclée vers l’étape a) constitue le flux acétone recyclé qui alimente la section réactionnelle de ladite étape a) du procédé selon l’invention.
Le procédé selon l’invention peut fonctionner en mode continu, discontinu ou semi-continu, comme décrit plus avant. De préférence, le procédé fonctionne en mode continu, et de manière préférée, en mode continu confiné.
Le procédé selon l’invention permet ainsi de réintégrer l’acétone co-produit au milieu fermentaire, dans le bioréacteur, pour le faire réassimiler par les microorganismes et le convertir en isopropanol. La réassimilation de l’acétone étant quasi complète, le rendement en isopropanol est amélioré, entre 4 et 6% poids de gain selon les souches de Clostridium utilisées, par rapport à un procédé utilisant la même souche et la même quantité de microorganismes naturels mais sans le système de recyclage et réassimilation de l’acétone co-produit. Le procédé selon l’invention permet donc une augmentation du rendement global de conversion des sucres en alcools par rapport à un procédé de fermentation IBE sans valorisation du co-produit acétone.
Le procédé selon la présente invention permet également de valoriser de l’acétone exogène audit procédé en le convertissant en isopropanol, et notamment à des pressions faibles par rapport à un procédé conventionnel utilisant voie chimique.
Les figures intégrées à la présente description et les exemples qui suivent sont présentés à titre illustratif et non limitatif du procédé selon l’invention.
Selon l’invention, en particulier dans les exemples, l’unité de poids « tonne » s’écrit « t », l’unité de poids « gramme » s’écrit « g », l’unité de temps « heure » s’écrit « h ».
Liste des figures
Figure 1
La Figure 1 représente de manière schématique un arrangement particulier du procédé selon l’invention. Une solution aqueuse de sucres en C5 et/ou C6 (1) alimente une section réactionnelle (R1) comprenant au moins un bioréacteur. Ledit bioréacteur comprend un microorganisme convertissant naturellement les sucres en alcools isopropanol, butanol et éthanol. Les produits fermentaires (2) obtenus après fermentation IBE des sucres sont récupérés et introduits dans une section de séparation de l’acétone (C) qui sépare un effluent acétone (3) entièrement recyclé vers la section réactionnelle (R1) et un effluent aqueux d’alcools (4) comprenant l’isopropanol, le butanol et l’éthanol.
Figure 2
La Figure 2 représente un autre arrangement particulier du procédé selon l’invention. Le procédé schématisé en Figure 2 comprend en plus par rapport au procédé schématisé à la Figure 1, une alimentation en acétone exogène (5) de telle sorte que la concentration totale en acétone alimentant la section (R1) est inférieure ou égale à 10 g/L, de préférence inférieure ou égale à 5 g/L, de manière préférée inférieure ou égale à 2 g/L, et de préférence supérieure strictement à 0, préférentiellement supérieure ou égale à 0,01 g/L, de manière préférée supérieure ou égale à 0,1 g/L, par rapport à l’ensemble des flux alimentant ladite section (R1). Exemples
Les exemples ci-dessous sont construits à partir des résultats issus de tests laboratoire réalisés en présence de microorganismes du genre Clostridium et notamment avec la souche DSM6423 qui produit naturellement à partir des sucres en C5 et/ou C6 des solvants selon la répartition en Isopropanol / Butanol / Ethanol / Acétone : 36% / 60% / 2% / 2%, exprimée en pourcentage pondéral.
Exemple 1 (non conforme)
L’Exemple 1 illustre un procédé de fermentation IBE en présence de la souche de Clostridium beijerinckii DSM6423, sans système de recyclage de l’acétone co-produit. C’est un procédé conforme à l’art antérieur.
L'unité de production fermentaire met en œuvre une unité de fermentation comprenant 4 fermenteurs qui traite une solution aqueuse de glucose (sucre en C6) de 62,5 g/L. Le volume utile total des fermenteurs de l'unité de fermentation est de 14000 m3. La consommation de sucres de l’usine est d’environ 125 000 t/an de glucose, correspondant à un débit de 250000 L/h de solution aqueuse de glucose, soit un taux de dilution de 0,022 h 1. Les fermenteurs fonctionnent à 37°C, à pression atmosphérique et à un pH compris entre 4,5 et 6. L’unité fonctionne en mode continu simple. La quantité de microorganismes est comprise entre 109 et 101° cellules/mL de milieu réactionnel.
L’unité de production comprend également une unité de traitement des solvants produits, notamment une unité de séparation de l’acétone, comprenant une colonne à bière suivie d’une colonne à acétone, pour séparer l’acétone produite des alcools.
L’unité de production produit 40 000 tonnes de solvants par an.
Le Tableau 1 résume les quantités des différents solvants produits.
Tableau 1
Le rendement total du glucose en solvants (acétone + éthanol + isopropanol + butanol) est de 0,320 kg/kg (c’est-à-dire kg de solvants produits par kg de glucose consommé) et le taux de conversion du glucose en alcools (éthanol + isopropanol + butanol) est de 0,314 kg/kg. Exemple 2 (conforme)
L’Exemple 2 illustre un procédé conforme à l’invention. L’Exemple 2 illustre en effet un procédé de fermentation IBE en présence de la souche de Clostridium beijerinckii DSM6423, avec un système de recyclage de l’acétone co-produit.
Les paramètres et conditions opératoires du procédé décrit dans l’Exemple 1 sont repris. L’unité de production comprend en plus un système de recyclage de l’acétone co-produit et séparé dans l’unité de séparation dédiée. Un flux d’environ 100 000 g/h d’acétone est ainsi produit et recyclé en continu vers les fermenteurs. Tout l’effluent acétone séparé est recyclé vers l’unité de fermentation.
La concentration en acétone de l’ensemble des flux alimentant le bioréacteur est de 0,4 g/L tout au long de la production.
Le Tableau 2 présente les quantités des différents solvants produits, par le procédé décrit dans l’Exemple 2.
Tableau 2
Le rendement total du glucose en solvants (acétone + éthanol + isopropanol + butanol) est toujours de 0,320 kg de solvants par kg de glucose mais le taux de conversion du glucose en alcools (éthanol + isopropanol + butanol), obtenu selon le procédé de l’Exemple 2, est de 0,319 kg/kg, au lieu de 0,314 kg/kg, obtenu par le procédé non conforme de l’Exemple 1.
La souche de Clostridium beijerinckii DSM6423 présente dans les fermenteurs de l’unité de fermentation a assimilé l’acétone réintroduite et l’a converti en isopropanol avec un rendement de l’acétone en isopropanol de 90% poids (90% = 100x(15 120-14400)/800). .
Le gain de production en isopropanol est d’environ 5,0 % poids (5,0% = (15120- 14400)/14400) par rapport au procédé décrit dans l’Exemple 1 (non conforme) qui ne comprend pas de système de valorisation de l’acétone.

Claims

Revendications
1. Procédé de production d’alcools comprenant les étapes suivantes : a. une étape de fermentation mettant en œuvre une section réactionnelle comprenant au moins un bioréacteur dans lequel une fermentation de type IBE est réalisée en présence d’une souche de Clostridium, ladite section réactionnelle étant alimentée au moins par une solution aqueuse de sucres en C5 et/ou C6 et un flux acétone recyclé, pour produire des gaz de fermentation et un moût de fermentation contenant des produits fermentaires comprenant du butanol, de l’éthanol, de l’isopropanol et de l’acétone ; b. une étape de récupération des produits fermentaires, pour obtenir un flux de produits fermentaires ; c. une étape de traitement du flux de produits fermentaires issu de l’étape b) mettant en œuvre une section de séparation de l’acétone pour produire au moins un effluent acétone et un effluent aqueux d’alcools ; d. une étape de recyclage de l’acétone qui met en œuvre au moins une section de transfert pour recycler au moins une fraction de l’effluent acétone issu de l’étape c) vers l’étape a), ladite au moins fraction de l’effluent acétone qui est transférée constituant ledit flux acétone recyclé qui alimente la section réactionnelle de l’étape a).
2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la section réactionnelle de l’étape a) est alimentée en outre par un flux acétone exogène.
3. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la section réactionnelle de l’étape a) est alimentée en ledit flux acétone recyclé et éventuellement ledit flux acétone exogène, à des débits ajustés de sorte que la concentration en acétone dans l’ensemble des flux liquides, composé de la solution aqueuse de sucres en C5 et/ou C6, du flux acétone recyclé et éventuellement du flux acétone exogène, alimentant la section réactionnelle de l’étape a) est inférieure ou égale à 10 g/L, de préférence inférieure ou égale à 5 g/L, préférentiellement inférieure ou égale à 2 g/L.
4. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la fermentation mise en œuvre dans la section réactionnelle de l’étape a) est réalisée à une température comprise entre 25 et 40°C, de préférence entre 30 et 37°C, de manière préférée à 34°C. 5. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la fermentation mise en œuvre dans la section réactionnelle de l’étape a) est mise en œuvre à un pH compris entre 4 et 7, de préférence entre 4,
5 et 6.
6. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la section réactionnelle de l’étape a) est opérée à pression atmosphérique.
7. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la section réactionnelle au moins deux bioréacteurs, préférentiellement au moins cinq bioréacteurs, et avantageusement au plus trente bioréacteurs, de préférence au plus vingt bioréacteurs, préférentiellement au plus dix bioréacteurs.
8. Procédé selon l’une des revendications 1 à 7, dans lequel la fermentation est mise en œuvre en mode discontinu, pendant une durée comprise entre 30 et 150 heures.
9. Procédé selon l’une des revendications 1 à 7, dans lequel la fermentation est mise en œuvre en mode semi-continu pendant 20 à 200 heures, préférentiellement entre 30 et 150 heures.
10. Procédé selon l’une des revendications 1 à 7, dans lequel la fermentation est mise en œuvre en mode continu simple, la concentration en souche de Clostridium dans le milieu réactionnel, est comprise entre 108et 1011 cellules/mL de milieu réactionnel, de préférence entre 109 et 101° cellules/ml_ de milieu réactionnel.
11. Procédé selon l’une des revendications 1 à 7, dans lequel la fermentation est mise en œuvre en mode continu supporté, la souche de Clostridium étant sous forme de biofilm sur un support solide à la concentration en souche de Clostridium dans le milieu réactionnel, est comprise entre 107 et 101° cellules/cm3 de support solide, de préférence entre 108 et 109 cellules/cm3 de support solide.
12. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel l’étape c) met en œuvre dans ladite section de séparation de l’acétone : c-1) une distillation du flux de produits fermentaires issu de l’étape b) dans une colonne à bière pour obtenir en fond de ladite colonne à bière un flux d’eau et en tête de colonne à bière un mélange aqueux de solvants, c-2) une distillation du mélange aqueux de solvants dans une colonne de distillation, pour obtenir en tête de colonne ledit effluent acétone et en fond de colonne ledit effluent aqueux d’alcools.
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