EP4684029A1 - Procede de traitement d'une biomasse lignocellulosique - Google Patents

Procede de traitement d'une biomasse lignocellulosique

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EP4684029A1
EP4684029A1 EP24710112.4A EP24710112A EP4684029A1 EP 4684029 A1 EP4684029 A1 EP 4684029A1 EP 24710112 A EP24710112 A EP 24710112A EP 4684029 A1 EP4684029 A1 EP 4684029A1
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EP
European Patent Office
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sugars
biomass
juice
hydrolysis
solid
Prior art date
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Pending
Application number
EP24710112.4A
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German (de)
English (en)
Inventor
Matthieu ARAGONES
Sophie COUDERC
Gilles Ferschneider
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IFP Energies Nouvelles IFPEN
Original Assignee
IFP Energies Nouvelles IFPEN
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Filing date
Publication date
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Pending legal-status Critical Current

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    • 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
    • C12P7/08—Ethanol, i.e. non-beverage produced as by-product or from waste or cellulosic material substrate
    • C12P7/10—Ethanol, i.e. non-beverage produced as by-product or from waste or cellulosic material substrate substrate containing cellulosic material
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M43/00—Combinations of bioreactors or fermenters with other apparatus
    • C12M43/02—Bioreactors or fermenters combined with devices for liquid fuel extraction; Biorefineries
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    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
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    • C12P2201/00—Pretreatment of cellulosic or lignocellulosic material for subsequent enzymatic treatment or hydrolysis
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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    • Y02E50/10—Biofuels, e.g. bio-diesel

Definitions

  • the present invention relates to the treatment of sweet juices, in particular those known as second generation (2G), which can be obtained from lignocellulosic biomass.
  • 2G second generation
  • Lignocellulosic biomass represents one of the most abundant renewable resources on earth.
  • the substrates considered are very varied, they concern both woody substrates such as different woods (hardwoods and softwoods), co-products from agriculture (wheat straw, corn cobs, etc.) or other industries, such as the food industry, paper, etc.
  • lignocellulosic biomass into sugary juices depending on the type of biomass. If it is sacchariferous plants (sugar beet, sugar cane), starchy plants (corn and wheat), we obtain so-called first generation (1G) sugary juices, for example by extraction operations.
  • sacchariferous plants sucrose beet, sugar cane
  • starchy plants corn and wheat
  • 2G second generation sweet juices by a biochemical transformation process which generally includes a pretreatment step and an enzymatic hydrolysis step by an enzymatic cocktail.
  • the pretreatment most often includes an impregnation step by an acidic or basic or oxidizing liquor, then cooking of the impregnated biomass which is possibly accompanied by a steam explosion.
  • the sweet juices resulting from the hydrolysis can then be further treated, for example by fermentation to convert them into alcohol, and the process also includes separation and/or purification steps.
  • sweet juices can also come from a mixture of sweet juices from different types of biomass.
  • cellulose and hemicellulose are those that allow the production of 2G sweet juices.
  • hemicellulose is mainly broken down into sugars during pretreatment, and cellulose is converted into glucose by enzymatic hydrolysis.
  • access to raw cellulose remains difficult for enzymes, hence the need for the pretreatment mentioned above.
  • This pretreatment makes it possible to modify the physicochemical properties of lignocellulosic biomass in order to improve the accessibility of cellulose to enzymes and its reactivity to enzymatic hydrolysis.
  • the solvent can be an alcohol (ethanol), an acid such as acetic acid, formic acid, or even acetone.
  • Patent FR 3 075 201 also describes a process for pre-treating biomass by acid impregnation followed by steam explosion, with, in addition, washing of the reactor feed means and recycling of the wash water in the process.
  • Patent FR 3 083 126 thus describes a liquid/solid separation operation on the pretreated biomass obtained at the end of the pretreatment step or at the end of an additional step of said pretreated biomass, this separation step comprising two successive sub-steps:
  • a downstream extraction/washing sub-step b2 implemented by a continuous filter, in particular of the belt filter type, using a washing fluid, to obtain a solid phase enriched in solid and a plurality of liquid phases enriched in liquid, with operation of the filter preferably in counter-current between the circulation of the solid/liquid mixture to be separated and the extraction/washing fluid, and at least partial recycling of a liquid phase extracted from the belt filter at the inlet of the mixer as a mixing fluid.
  • the sweet juices thus obtained from lignocellulosic biomass are in the form of a mixture of sugars in aqueous phase, where we find so-called C5 sugars (i.e. with 5 carbons), such as xylose and arabinose, and so-called C6 sugars (i.e. with 6 carbons), such as glucose, mannose and galactose.
  • C5 sugars i.e. with 5 carbons
  • C6 sugars i.e. with 6 carbons
  • sweet juices resulting from the pretreatment of lignocellulosic biomass we observe for the majority of lignocellulosic biomasses, in the sweet juice, a proportion of C5 sugars higher than that of C6 sugars.
  • sweet juice we mean that sugars are released by the pretreatment, and that they can be solubilized by mixing the pretreated biomass with water for example.
  • the sugars in sweet juice are mainly, if not exclusively, C5 and C6 sugars. In fact, they can be found in three different forms:
  • oligomeric form that is to say that the sugars are in a polymeric form, but with a low degree of polymerization, between 2 and 6, they are also soluble in water.
  • the liquid fraction obtained is a sweet juice with sugars in monomeric and oligomeric form.
  • the sugars in polymeric form, insoluble, are found in the solid fraction.
  • the proportion of C5 sugars compared to C6 sugars, and the proportion, for each of these types of sugars, of the oligomeric form compared to the monomeric form are variable, in particular according to the nature of the biomass (straw, wood, etc.), according to the type and severity of the pretreatment, according to the washing conditions when there is washing, etc. But in most cases, there is indeed a significant content of sugars in oligomeric form in the sweetened juices.
  • sugars in oligomeric form can be detrimental, regardless of the intended application for these sweet juices. Indeed, when the aim is to convert these sweet juices into other compounds, whether by chemical or biochemical conversion (e.g. fermentation), sugars in monomeric form are more reactive than sugars in oligomeric form. And if there are outlets for sweet juices as is, without further conversion, these must generally meet data specifications, including a high monomeric sugar content.
  • the invention therefore aims to obtain sweet juices with a high sugar content in monomeric form. It also aims to integrate this obtaining of sugars with a high sugar content in monomeric form into a production line for sugar or alcohol from lignocellulosic biomass, in order to improve the operation or performance thereof, in particular so as to obtain a higher quality of sweet juice in the case of sugar production, and/or so as to obtain a higher alcohol conversion rate in the case of alcohol production and/or so as to obtain a more economical process in terms of utilities or energy.
  • the invention firstly relates to a method for treating lignocellulosic biomass, said method comprising:
  • a biomass pretreatment step comprising cooking the biomass, possibly accompanied by a steam explosion, to obtain a pretreated biomass
  • step a) a first step of solid/liquid separation of all or part of the pretreated biomass obtained in step a) into a first solid fraction of pretreated biomass and a first liquid fraction comprising a mixture of compounds, in particular in aqueous phase, comprising C5 sugars with 5 carbons and C6 sugars with 6 carbons, said C5 sugars and/or said C6 sugars being partly in monomeric form and partly in oligomeric form.
  • step b a first step of enzymatic hydrolysis of the first solid fraction of pretreated biomass obtained in step b), to obtain a hydrolysate in the form of sugar(s), including C6 sugars with 6 carbons,
  • step b) a step of treating said first liquid fraction obtained in step b) by hydrolysis under acidic conditions and/or by a second enzymatic hydrolysis, in order to obtain a first treated liquid fraction which is enriched in C5 sugars in monomeric form and/or in C6 sugars in monomeric form and depleted in C5 sugars in oligomeric form and/or in C6 sugars in oligomeric form.
  • sugars with 5 carbons will be referred to as C5 sugars
  • sugars with 6 carbons as C6 sugars
  • the first liquid fraction to be treated according to the invention in step d) may also be referred to, for the sake of brevity, by the term “juice” or “sweet juice” or “initial juice”: This is a mixture of compounds including C5 and C6 sugars in the aqueous phase and soluble in water.
  • “depleted” means that the concentration (or content) of the oligomeric sugar in question in the mixture decreases as a result of the treatment and “enriched”, conversely, means that the concentration of the monomeric sugar in the mixture increases as a result of the treatment.
  • “sugars” generically means sugars which can be in both their monomeric form and their oligomeric form, unless otherwise specified.
  • the first liquid fraction contains sugars derived mainly, in particular entirely, from the depolymerization of hemicelluloses present in the lignocellulosic biomass.
  • This first fraction is a sweet juice obtained without the addition of enzymes, and obtained at the end of the pretreatment of a lignocellulosic biomass.
  • the invention has thus developed and integrated into a biomass conversion process a treatment of a sugary juice which will transform at least part of the sugars in oligomeric form into sugars in monomeric form, by acid hydrolysis, preferably hot, or by enzymatic hydrolysis.
  • the invention has therefore developed a hydrolysis treatment that will transform at least part of the sugars in oligomeric form into sugars in monomeric form. What is very advantageous is that we thus manage to reduce/remove the undesirable compounds, namely the sugars in oligomeric form, to convert them into sugars in monomeric form, which are the desired products: it is not simply a matter of removing them from the initial sweet juice, but of converting them to the desired form.
  • hydrolysis is divided into chemical hydrolysis, with acidic conditions preferably hot, or biochemical, with enzymes. They can of course be combined but a single hydrolysis operation has proven to be entirely sufficient to obtain convincing results:
  • the conversion yield of oligomers into monomers obtained with the treatment according to the invention can in fact be up to 50% and more.
  • the invention therefore "intercalates" a stage of treatment of the sweet juice obtained at the end of pre-treatment in a biomass treatment process aimed at converting it into sugars and then possibly into alcohol, and which provides, in a known manner, a pre-treatment of the biomass then its enzymatic hydrolysis, then its possible fermentation: this opens the way to a number of new possibilities for valorization, product quality and biomass conversion yield, as detailed below.
  • the severity of the treatment can thus be modulated according to the sugar juice to be treated and the purity of monomeric sugar to be achieved, by modulating the different operating conditions of the hydrolysis treatment of step d).
  • the severity of the conditions of the pretreatment a) of the biomass can also be modulated according to that of the hydrolysis conditions of the treatment step d).
  • we can "afford” to reduce the severity of the pretreatment of the biomass for example by impregnating it with a less acidic solution, by cooking it at a lower temperature, without ultimately negatively impacting the sugar/alcohol production yield of the overall biomass conversion process.
  • the treatment step d) is a hydrolysis step under acidic conditions preferably carried out at a temperature of at least 60°C, in particular at least 70°C, in particular at least 75°C, or at least 80°C, or at least 90°C, or at least 100°C, and preferably at most 140°C, in particular at most 130°C. It is indeed very effective to carry out the hydrolysis “hot”, at at least 60°C, but it is preferable not to raise the temperature of the sugar juice too much, in order to avoid any parasitic reaction of the Maillard reaction type which would degrade the sugars.
  • the treatment step d) is a hydrolysis step under acidic conditions preferably carried out so that there is at least 0.1% by weight of acid in said first liquid fraction, in particular between 0.2 and 2.8% by weight of acid in said mixture, and/or with a pH of at most 4.5, and preferably between 0.5 and 2.5.
  • the treatment step d) is a hydrolysis step under acidic conditions preferably carried out so that there is at least 0.1% by weight of acid in the total mixture M (sugars + water), in particular between 0.2 and 2.8% by weight of acid in said mixture.
  • the acid contents in the total mixture M (sugars + water) correspond to an addition of acid to the initial sweet juice.
  • the acid in question is preferably chosen from at least one of the following strong acids: sulfuric acid, hydrochloric acid and/or at least from at least one of the following organic acids: acetic acid, oxalic acid, formic acid, etc.
  • the acid may also be in the form of a solution of acid diluted in water.
  • the hydrolysis step under acidic conditions carried out according to the invention is carried out at a pH preferably of at most 4.5, in particular of at most 4 or of at most 3.5 or of at most 3.
  • the treatment step d) is a second enzymatic hydrolysis step carried out at a temperature of at most 80°C or at most 70°C, in particular at least 20°C, and is preferably between 40 and 60°C.
  • the treatment step d) is an enzymatic hydrolysis step preferably carried out at a pH of at least 3, in particular at least 3.5, in particular at least 4, and preferably at most 6. It is in fact in this pH range that the enzymes tend to be the most effective.
  • the pH of the initial mixture M may be adjusted by adding acid or base, in particular by adding base, preferably KOH or NaOH, when the pH of the initial mixture M is less than or equal to 3. This is particularly the case when the juice comes from pretreatment with acid impregnation of biomass, and therefore strongly acidic (with a pH which can be of the order of 2 or less).
  • the treatment step d) of enzymatic hydrolysis is carried out by adding to the initial mixture (juice) M a quantity of enzymes corresponding to at least 0.05 g protein/kg of mixture, in particular to at least 0.08 g protein/kg of juice for a concentration of 50 g of monomeric sugars/kg of juice, and preferably corresponding to at most 2 or 3 g protein/kg of mixture at the same concentration of monomeric sugars in the mixture.
  • the treatment step d) is an enzymatic hydrolysis step, and it may comprise a sub-step d1) of separating the enzymes from the first treated liquid fraction, in order to obtain on the one hand a first treated and separated liquid fraction, and on the other hand an enzyme fraction.
  • this enzyme fraction may be at least partly recycled to step d): it may be necessary to provide a fresh supply of enzymes, in addition to the recycled fraction, to carry out step d), in particular if the activity of the enzymes gradually decreases.
  • the so-called treated fraction also includes the treated and separated fraction, when enzymatic hydrolysis with separation of the enzymes at the end of hydrolysis has been chosen.
  • a plate filter can be used, or microfiltration or ultrafiltration membranes (where separation is achieved by sieving, due to the difference in size between the components to be separated and that of the pores of the membrane).
  • the acid or enzymatic hydrolysis treatment of step d) can be carried out continuously, in fed batch or batch, in particular in a stirred or piston-type reactor.
  • step a) only a first part of the pretreated biomass obtained in step a) is conducted to the first step b) of solid/liquid separation, and a second part of the pretreated biomass is conducted directly to step c) of first enzymatic hydrolysis.
  • the first enzymatic hydrolysis can then be carried out on both types of streams at the same time, one coming directly from the pretreatment, the other having passed through a solid/liquid separation step, the relative proportion of the stream from the pretreated biomass which goes to the solid/liquid separation and of the stream from the pretreated biomass which goes directly to the enzymatic hydrolysis is adjustable, for example between a relative proportion of 90/10 to 10/90 by weight. It can also be provided that 100% of the biomass stream passes through the step b) of solid/liquid separation before enzymatic hydrolysis.
  • the first enzymatic hydrolysis can thus be carried out jointly at the same time
  • Step b) of solid/liquid separation may, according to a preferred embodiment, comprise a first step of contact between the pretreated lignocellulosic biomass and a contacting fluid, preferably water, then a second step of filtration, and optionally washing.
  • step b) of solid/liquid separation comprises a step of contacting the pretreated biomass with a fluid and then a washing step, this can be carried out in co-current or counter-current, using in particular a portion of the recovered liquid fraction as washing and/or contacting fluid.
  • the contacting fluid is a portion of the recovered liquid fraction and the washing fluid is water.
  • Step b) of solid/liquid separation can, according to a preferred embodiment, be carried out on a filtration unit, in particular a belt filter or a filter press, by centrifugation or by decantation.
  • a filtration unit in particular a belt filter or a filter press, by centrifugation or by decantation.
  • the method according to the invention may also comprise a step e) of fermentation by second microorganisms of the hydrolysate in the form of sugar(s) obtained in step c), in order to obtain a fermented biomass comprising at least one alcohol, in particular ethanol. This is then a process for producing ethanol-type alcohol which can be used as biofuel.
  • the enzymatic hydrolysis steps c) and fermentation steps e) can be carried out simultaneously.
  • SSCF Simultaneous Saccharification and Co-Fermentation
  • the method according to the invention may also comprise a step f) of producing enzymes from first microorganisms, in particular fungi, in order to use said enzymes to ensure the first enzymatic hydrolysis of step c).
  • all or part of the first liquid fraction can be sent once treated in step d) as a substrate for growth of the first microorganisms and/or for production of enzymes by said microorganisms.
  • the process integrates in situ production of enzymes to carry out the enzymatic hydrolysis of the pretreated biomass (the other alternative being to bring enzymes produced on another site to the production site).
  • the method according to the invention may also comprise a step i) of propagation of second fermentation microorganisms, in order to use said microorganisms, in particular yeasts, to ensure the fermentation of step f) when it is planned.
  • step i) of propagation of second fermentation microorganisms in order to use said microorganisms, in particular yeasts, to ensure the fermentation of step f) when it is planned.
  • the microorganisms are propagated in situ, on the biomass treatment site.
  • all or part of the first liquid fraction once treated in step d) can be sent to said step i) as a substrate for propagation of said third microorganisms.
  • the first microorganisms used in step f) and optionally the second microorganisms used in steps i) and e) are chosen from yeasts, bacteria, fungi, and preferably from yeasts in the genus Saccharomyces, in particular the species Saccharomyces cerevisae or, among bacteria, in the genus Corynebacterium.
  • the first microorganisms are chosen from fungi, in particular filamentous fungi, preferably those of the genus Trichoderma, in particular Trichoderma reesei.
  • the pretreatment according to step a) of the biomass comprises
  • the process of the invention comprises fermentation step f), it may also comprise:
  • step j) of separation in particular by distillation (21), of the fermented biomass in the form of alcohol obtained in step f), with an optional step k) of solid/liquid separation of the fermented biomass before or after said separation step j).
  • the invention also relates to a plant for treating lignocellulosic biomass using the method described above.
  • a first solid/liquid separation unit comprising in particular a filtration device, of all or part (3a) of the pretreated biomass (3) obtained in unit a) into a first solid fraction (7) of pretreated biomass and a first liquid fraction (6) comprising a mixture of compounds, in particular in aqueous phase, comprising C5 sugars with 5 carbons and C6 sugars with 6 carbons, said C5 sugars and/or said C6 sugars being partly in monomeric form and partly in oligomeric form
  • step b) a unit for processing said first liquid fraction (6) obtained in step b) by hydrolysis under acidic conditions and/or by enzymatic hydrolysis, in order to obtain a first treated liquid fraction which is enriched in C5 sugars in monomeric form and/or in C6 sugars in monomeric form and depleted in C5 sugars in oligomeric form and/or in C6 sugars in oligomeric form.
  • the first and second microorganisms mentioned above may be a single type of microorganism or a combination of different microorganisms.
  • the enzymes may be of the same type or, preferably, be a mixture of enzymes of different type/function which may also be called an enzyme “cocktail”.
  • the biomass of interest to the invention and from which the first liquid fraction comprising C5 sugars with 5 carbons and C6 sugars with 6 carbons is derived is of the lignocellulosic type, originating in particular from forest and/or agricultural and/or paper residues, and/or from sacchariferous plants and/or from starchy plants and/or from Fermentable Household Waste Fractions (FFOM).
  • FFOM Fermentable Household Waste Fractions
  • the pretreatment of biomass from which the first liquid fraction is obtained may be hydrolysis (without enzyme) or pretreatment of the biomass including in particular impregnation of the biomass with an acidic or basic or oxidizing liquor followed by cooking of the impregnated biomass, in particular cooking with steam explosion.
  • the first liquid fraction comprising C5 sugars with 5 carbons and C6 sugars with 6 carbons is preferably obtained, according to the invention, after a solid/liquid separation step b) preferably using a biomass pretreated by steam explosion, optionally repulped with a solvent (water in particular) and optionally washed with a solvent (water in particular).
  • the invention also relates to the first treated liquid fraction obtained in step d): it thus relates to a liquid comprising a mixture of compounds in aqueous solution, which includes C5 sugars and conversion products of C6 sugars and possibly other minority compounds present in the juice to be treated by acid or enzymatic hydrolysis, with in addition
  • Figure 1 represents in the form of a block diagram a process for treating lignocellulosic biomass with a view to converting it into alcohol (ethanol), without implementing the treatment by hydrolysis of the sugar juices according to the invention.
  • Figure 2 represents in the form of a block diagram a process for treating lignocellulosic biomass with a view to converting it into alcohol (ethanol), which modifies the process of Figure 1 to implement the hydrolysis treatment of sugary juices according to the invention.
  • alcohol ethanol
  • Figure 3 represents in the form of a block diagram a process for treating lignocellulosic biomass with a view to converting it into sugar(s), without implementing the treatment by hydrolysis of the sugar juices according to the invention.
  • Figure 4 represents in the form of a block diagram a process for treating lignocellulosic biomass with a view to converting it into sugar(s), which modifies the process of Figure 3 to implement the treatment by hydrolysis of the sugary juices according to the invention.
  • Figure 5 represents in the form of a block diagram a process for treating lignocellulosic biomass with a view to converting it partly into sugar(s) and partly into alcohol (ethanol), without implementing the treatment by hydrolysis of the sugary juices according to the invention.
  • Figure 6 represents in the form of a block diagram a process for treating lignocellulosic biomass with a view to converting it partly into sugar(s) and partly into alcohol (ethanol), which modifies the process of Figure 5 to implement the treatment by hydrolysis of the sugary juices according to the invention.
  • reactor does not require that there be only one, and can be understood as a unit comprising at least one reactor or several reactors (mounted in series or in parallel). The same applies to all other devices, in particular tools such as filtration, solid/liquid separation, etc. (for the sake of brevity).
  • Solid is to be understood in opposition to “liquid”, but that any solid fraction may still contain a certain proportion of liquid (and vice versa).
  • This proportion of solid and soluble compounds in a sample can be assessed by measuring its Dry Matter (acronym “DM”) content, which is measured according to ASTM E1756 - 08 (2015) “Standard Test Method for Determination of Total Solids in Biomass”.
  • Figures 1 to 6 represent process block diagrams and are greatly simplified to facilitate understanding. They do not necessarily represent all the steps/equipment necessary for the processes described, focusing on the most significant steps/equipment/flows in view of the invention.
  • the invention integrates into a process for converting biomass, of the lignocellulosic type, into sugar(s) or alcohol, an acid or enzymatic hydrolysis treatment of sugary juices containing C5 sugars, and, in a lower content/proportion, C6 sugars, so as to reduce or even eliminate the content of sugars in oligomeric form in favor of their monomeric form, in order to benefit from it, in particular either to increase the conversion yield of the biomass (into alcohol in particular), or to obtain sugars of higher quality/purity, or to reduce production costs.
  • the invention focuses on processes with pretreatment of the biomass before enzymatic hydrolysis, pretreatment which results in the production of sweet juices mixing C5 sugars and C6 sugars.
  • This chemical or biochemical treatment involves bringing the juice sweetened with C5 and C6 sugars, juice obtained by treating material based on linear cellulosic biomass and mainly comprising C5 sugar, into contact with a hot acid medium or with enzymes, so that the proportion of oligomeric sugar decreases in favor of the monomeric form of the sugars.
  • composition of the sweet juice 6 to be treated may vary depending on the biomass, the type of pretreatment, the pretreatment conditions, the washing conditions of the pretreated biomass.
  • the sweet juice to be treated according to the invention may have the following composition:
  • oligomeric glucose between 0.5 and 36 g/kg of potential glucose, in particular between 5.5 and 20 g/kg of potential glucose, or between 0.1 and 35 g/kg of oligomeric glucose, in particular between 0.5 and 30 g/kg of oligomeric glucose, in particular between 0.5 and 10 g/kg of oligomeric glucose
  • Glucose concentration is understood in the sense of monomeric glucose.
  • the xylose concentration is understood in the sense of monomeric xylose.
  • HPLC high performance liquid chromatography
  • the potential sugar concentration is the measurement of the concentration of monomeric sugars after acid hydrolysis on the initial sugar juice at 120°C for 1 hour in the presence of a large excess of diluted acid: to 0.3 grams of MS of the initial juice are added 4.92 grams of 72% sulfuric acid and water, the quantity of which is calculated to obtain a mixture of 90 g.
  • the concentration of oligomeric sugars corresponds to the difference between the concentration of potential sugars and the concentration of monomeric sugars.
  • the invention consists, in its first embodiment, in treating this type of sweet juice hot and under acidic conditions, in order to hydrolyze the sugars in oligomeric form into sugars in monomeric form, while preserving the monomeric sugars already present in the initial sweet juice.
  • sweet juice treatment by acid hydrolysis in order to hydrolyze the sugars in oligomeric form into sugars in monomeric form, while preserving the monomeric sugars already present in the initial sweet juice.
  • this pretreatment is an operation of impregnation of lignocellulosic biomass (wheat straw) with an acidic liquor, followed by a steam explosion operation of the impregnated biomass.
  • the pretreated biomass undergoes a liquid/solid separation operation at the end of the pretreatment step, this liquid/solid separation step comprising a contacting step between the pretreated lignocellulosic biomass and water, and a filtration and optionally washing step.
  • 550 kg of pretreated biomass are mixed with 1010 kg of water, then filtered and then pressed. After filtration and pressing, 885 kg of a juice M, also called C5 hydrolysate, is obtained.
  • This juice has a pH of 1.5.
  • the concentration of compounds of interest in this initial sweet juice M is given in Table 1 below, with concentrations expressed in g per kg of juice. Note that it is possible that the composition contains other impurities, which we did not seek to analyze, for example of the salt (mineral) or acid type, 5-HMF and furfural, in (very) low levels.
  • Juice M contains 49.5 g/kg of glucose and xylose sugars. The dry matter content of the initial sweet juice M is 8% by weight. The concentrations of minority sugars, such as arabinose, galactose and mannose for this biomass, are not indicated.
  • This juice is the control juice, which will be treated according to the invention in the following examples.
  • sweet juice M defined in example 1. It is treated according to the invention with the following operating conditions: The juice is treated in a stirred batch reactor for 1 hour at 120°C. The pH of the juice is already acidic (pH of approximately 1.5); no acid is added to the juice.
  • sweet juice M defined in example 1. It is treated according to the invention with the following operating conditions: The juice is treated in a stirred batch reactor for 1 hour at 120°C. 72% sulfuric acid in water is added to the initial sweet juice M so that the final concentration of pure sulfuric acid added to the total mixture is 1% by weight.
  • sweet juice M defined in example 1. It is treated according to the invention with the following operating conditions: The juice is treated in a stirred batch reactor for 1 hour at 120°C. 72% sulfuric acid in water is added to the initial sweet juice M so that the final concentration of pure sulfuric acid added to the total mixture is 2% by weight.
  • sweet juice M defined in example 1. It is treated according to the invention with the following operating conditions: The juice is treated in a stirred batch reactor for 1 hour at 120°C. 72% sulfuric acid in water is added to the initial sweet juice M so that the final concentration of pure sulfuric acid added to the total mixture is 3% by weight.
  • sweet juice M defined in example 1. It is treated according to the invention with the following operating conditions: The juice is treated in a stirred batch reactor for 1 hour at 120°C. 72% sulfuric acid in water is added to the initial sweet juice M so that the final concentration of pure sulfuric acid added to the total mixture is 4% by weight.
  • Table 2 below groups together the sugar concentrations in the sweet juices of the examples once hydrolyzed according to the invention.
  • C is the concentration of glucose and xylose sugars analyzed by HPLC in g/kg
  • R is the change in the yield of monomeric sugars.
  • the first line tO corresponds to the concentrations of the juice M before starting the treatment according to the invention, note that the sugar concentration decreases when acid is added, due to the dilution caused by this addition of acid in aqueous solution: the more acid is added, the more the concentration decreases.
  • the theoretical potential sugar concentration at tO + 1 hour corresponds to the total potential glucose and xylose of the juice M: it is the sugar concentration after acid hydrolysis in the presence of an excess of acid in dilute conditions.
  • the maximum evolution of the yield of monomeric sugars is 15.5%.
  • the acid hydrolysis of the juices according to the invention is favorable for obtaining juices with higher contents of monomeric sugars and a lower content of oligomeric sugars.
  • the treatment must be adjusted, particularly in terms of acidity, because too high an acidity (and/or too high a treatment temperature) can lead to degradation of the monomeric sugars, which can tend to cause the loss of all or part of the benefit of the invention.
  • the invention consists, in its second embodiment, in treating this type of sweet juice by enzymatic hydrolysis, in order to hydrolyze the sugars in oligomeric form into sugars in monomeric form, while retaining the monomeric sugars already present in the initial sweet juice.
  • this pretreatment is an operation of impregnation of lignocellulosic biomass (here wheat straw) with an acidic liquor, followed by a steam explosion operation of the impregnated biomass.
  • the pretreated biomass undergoes a liquid/solid separation operation at the end of the pretreatment step, this liquid/solid separation step comprising a contacting step between the pretreated lignocellulosic biomass and water, and a filtration and optionally washing step.
  • 550 kg of pretreated biomass are mixed with 1010 kg of water, then filtered and then pressed. After filtration and pressing, 885 kg of a juice M, also called hydrolysate C5, is obtained.
  • This juice has a pH of 1.7.
  • the concentration of compounds of interest in this initial sweet juice M is given in Table 3 below, with concentrations expressed in g per kg of juice. Note that it is possible that the composition contains other impurities, which we have not sought to analyze, for example of the salt (mineral) or acid type, 5-HMF and furfural, in (very) low levels.
  • the dry matter content in the initial sweet juice is 6.9% by weight.
  • Juice M contains 38.4 g/kg of glucose and xylose sugars.
  • the concentrations of minority sugars, such as arabinose, galactose and mannose for this biomass, are not indicated.
  • This juice is the control juice, which will be treated according to the invention in the following examples.
  • the initial M juice is at pH 1.7. It feeds a stirred reactor, the reaction is carried out in batch. An aqueous solution of KOH is added in sufficient quantity to increase the pH of the juice to a pH of approximately 4.8.
  • the juice is then treated by adding 0.1 g protein/kg of juice by the addition of an enzymatic cocktail produced by Trichoderma reeseiet having a protein concentration of 35.8 g/kg (measured by the Kjeldhal method), an FPase activity (of 0.8 IU/mg), a beta-glucosidase activity (of 35.6 lU/mg) and a xylanase activity, then by stirring the mixture for 24 hours at 50°C.
  • an enzymatic cocktail produced by Trichoderma reeseiet having a protein concentration of 35.8 g/kg (measured by the Kjeldhal method), an FPase activity (of 0.8 IU/mg), a beta-glucosidase activity (of 35.6 lU/mg) and a xylanase activity
  • C is the concentration of glucose and xylose sugars analyzed by HPLC in g/kg
  • R is the change in the yield of monomeric sugars. The maximum change in the yield of sugars is 23%.
  • the enzymatic hydrolysis of juices according to the invention is favorable for obtaining juices with higher contents of monomeric sugars and a lower content of oligomeric sugars.
  • the invention is flexible in terms of implementation, it can be operated at low temperature, the nature and quantity of enzymes added during treatment can be adjusted, in particular according to the type of sweet juice. And a significant increase in the content of monomeric sugars is obtained with reasonable treatment times. If necessary, in particular if a very high purity of monomeric sugar is required, the treatment time can be extended or the parameters mentioned above can be adjusted.
  • hybrid process C aimed at obtaining both an alcohol and sugar(s)
  • FIG. 1 depicts a conversion process without the processing step d) described above.
  • the figure references represent the following flows/devices/steps:
  • Solid/liquid separation (a belt filter or a filter press for example) to extract a sweet juice, with an optional washing step
  • Enzyme cocktail mixture of one or more enzymes, containing in particular cellulases, beta glucosidases, xylanases, etc.
  • Solid/liquid separation e.g. a filter press
  • a solvent e.g. water
  • Biomass 1 undergoes conditioning/pretreatment in unit 2 (possible mechanical grinding, dust removal, removal of any metal parts, then, here as an example, impregnation with an acid liquor and cooking/explosion with steam of the pretreated biomass 3).
  • Part of this pretreated biomass, flow 3a goes to a solid/liquid filtration tool 4, said tool also being supplied with water 5 as contact and/or washing water.
  • the pretreated biomass is contacted with water to improve its filterability.
  • the mixture is then filtered on a belt filter, and washed with water.
  • Another part of the pretreated biomass, stream 3b can go to the enzymatic hydrolysis reactor 14.
  • This reactor 14 is also supplied by stream 7 which is the solid fraction resulting from filtration in unit 4, which is therefore the solid washed pretreated biomass.
  • a flow 15 of hydrolysate (sugars), which then feeds a fermentation reactor 16 to be converted into ethanol: at the outlet of fermentation reactor 16, we obtain a fermentation must, also called wine, which contains ethanol in water.
  • a solid/liquid separation tool 18 separates a woody solid residue 19 from a liquid fraction 20, the filtered wine. This filtered wine is conducted into a separation tool 21 (distillation column) to obtain ethanol 23 and an aqueous liquid residue (called vinasse).
  • the liquid fraction 6 is an aqueous sugary juice comprising mainly C5 sugars. All or part of this fraction, the flow 6a, can go to the enzyme production reactor 8, which produces an enzymatic cocktail 10 to feed the enzymatic hydrolysis reactor 14: this flow can thus constitute a growth and/or production substrate for microorganisms of the Trichoderma reesei type that produce this mixture of enzymes 10. All or part of this flow 6, the flow 6b, can also go to the yeast propagation reactor 11 13 that feed the fermentation reactor 16.
  • the sugary juice 6b will be able to serve as a propagation substrate for yeasts, for example Saccharomyces, in particular the species Saccharomyces cerevisae.
  • the enzymatic hydrolysis operation 14 is preferably carried out in 2 stages: liquefaction with a fed-batch of substrate then enzymatic hydrolysis in batch, (possibly with two reactors in series, or in the same reactor), to work at the highest possible DM content and to convert lignocellulosic substrates whose rheology can be complex.
  • Neutralization of the medium can be carried out before the enzymatic hydrolysis, for example by adding a basic solution in the case where the pretreatment is carried out in acidic conditions.
  • enzymatic hydrolysis and fermentation can be done simultaneously (SSCF). When they are done one after the other, an adjustment of the pH of the medium between units 14 and 16 can be made.
  • enzyme production and/or yeast propagation can be done on the biomass processing site, as shown in Figure 1. But one or the other can also be done ex situ: ready-to-use enzymes or yeasts can thus be brought to the site. This explains why, depending on the choices made on this subject, the flow can be divided into two flows 6a, 6b (with a distribution between the two flows that can be equal or not depending on the needs), or be used only for yeast propagation or only for enzyme production.
  • FIG. 2 shows the method of Figure 1, but with the modifications according to the invention, and the following additional references:
  • the entire pretreated biomass flow 3 first passes into the tool 4 before separation and sending of the solid portion to the hydrolysis reactor 14: there is only one flow 3/3a entering in its entirety into the tool 4, and the flow 3b is zero: the reactor 14 is no longer supplied with flow 3b.
  • This embodiment is more particularly recommended in the case of the production of sugar A, more than in the case of the production of alcohol B or sugar and alcohol C.
  • Figure 3 shows the process without the sugar juice treatment according to the invention. This involves stopping the conversion of the biomass at the sugar production stage, therefore without fermentation.
  • the sugar juice 20 mainly consisting of C6 sugars is therefore the first final product that is recovered
  • the stream 6a can be used to serve as a substrate for the growth and/or production of enzymes in the reactor 8 (if in situ enzyme production)
  • the stream 6b is the second final product that can be recovered, a juice of sugars mainly in C5, but which still contains C6 sugars.
  • Figure 4 is a process that integrates the treatment of sugary juice according to the invention into the process of Figure 3: It shows the reactors/tools 24, 27 of the process of Figure 2, which are operated in the same way.
  • the sugary juice 6 containing mainly C5/C6 sugars is treated into a juice 26 (or 29), which is partly divided into a flow 6a' of C5 sugars to serve as a substrate for the growth/production of enzymes in the reactor 8 if the production of enzymes is done in situ, and in whole or in part into a flow 6d', which is a C5/C5 sugary juice with a high content of monomeric sugars that can be recovered as such.
  • Hybrid process C for converting biomass into ethanol and sugar(s)
  • This flow 6d can be a part of flow 6, or the whole of this flow (if ex situ production of enzymes, and/or ex situ propagation of yeasts, or if we prefer to use other, external sources, for the growth/propagation of microorganisms/production of enzymes).
  • the process of Figure 6 integrates, in the process of Figure 5, the treatment of sweet juice according to the invention: We find the reactors/tools 24,27 previously described, the obtaining of a treated flow 26 or 29 in sugars with a high monomeric content, and that of a flow 6d' which constitutes all or part of the juice 26,29 and which constitutes a sweet juice rich in monomeric sugar which can be used as is, in parallel with the production of ethanol 23.
  • hydrolyzate of lignocellulosic sugars composed of a mixture of sugars with 6 and 5 carbon atoms is purified into a hydrolyzate containing C5/C6 sugars with a high monomeric sugar content/low oligomeric sugar content:
  • This treated mixture of C5/C6 sugars is beneficial for many chemical conversion applications (conversion of xylose to xylitol by catalysis) or biochemical applications (propagation of yeasts, induction of fungi for the production of enzymes for example).
  • the treatment of sweet juice by enzymatic hydrolysis is carried out on a clear medium, it is easy to separate the enzymes by sieving separation, by difference in size between the components to be separated and that of the pores of the membrane, for example ultrafiltration membranes, to remove and recycle the microorganisms.
  • the sugar juice treated according to the invention can be concentrated, if necessary, to a content of, for example, 50 g/kg, which is all the more advantageous since this sugar juice is used for the production of enzymes and propagation of yeasts.
  • the juice treatment step is therefore perfectly integrated into the production of ethanol and/or 2G sugars.
  • the impregnation is carried out in the presence of acid liquor heated to 80°C.
  • the acid concentration in the liquor is 2.5% by weight (expressed as % by weight of H 2 SC>4).
  • the pretreated biomass 3 is then brought into contact with water 5 and feeds a belt filter 4 to carry out a solid/liquid separation allowing the production of the sugary juice 6 and a pretreated and washed biomass 7.
  • the sugar content in the sweet juice 6 is determined by HPLC (high performance liquid chromatography), and makes it possible to determine a sugar extraction yield defined as the ratio between the quantity of sugars extracted in the juice 6 and the quantity of sugars present in the pretreated biomass 3. This yield is 77%.
  • the concentration of compounds of interest in this sweet juice is given in Table 6 below, with concentrations expressed in g per kg of juice. Note that it is possible that the juice contains other impurities, which we have not sought to analyze, for example of the salt (mineral) or acid type, in (very) low levels.
  • the dry matter content in the sweet juice is 6.9% by weight.
  • the juice contains 43.0 g/kg of glucose and xylose sugars.
  • the concentrations of minority sugars, such as arabinose, galactose and mannose for this biomass, are not indicated.
  • the yield of C5 and C6 monomeric sugars in the juice relative to the potential C5 and C6 sugars present in the biomass is 17.4%.
  • the yield of C5 monomeric sugars relative to the potential C5 sugars present in the lignocellulosic biomass is 33.8% by weight, and the yield of C6 monomeric sugars relative to the potential C6 sugars present in the lignocellulosic biomass is 6.7% by weight.
  • the pretreated and washed biomass 7 feeds an enzymatic hydrolysis reactor 14.
  • the hydrolysis is carried out under the following operating conditions: 50°C, pH 4.8.
  • the dry matter content is 16.8% by weight, or 7.5% by weight of cellulose.
  • the quantity of enzymes added is 21.7 mg protein/g cellulose.
  • the enzyme cocktail used was produced by Trichoderma reesei and has FPase and beta-glucosidase activity. Under the conditions used, the conversion yield of cellulose to glucose is 83% by weight.
  • the hydrolyzate obtained 15 is then filtered on a filter press to eliminate a solid residue 19 and obtain a sweet juice 20.
  • the sugar content in the sweet juice 20 is determined by HPLC (high performance liquid chromatography), and makes it possible to determine a sugar extraction yield defined as the ratio between the quantity of sugars extracted in the juice 20 and the quantity of sugars present in the hydrolysate 15: this yield is 74%.
  • the sweet juice 6 is treated in a reactor 24 stirred in batch, for 1 hour at 120°C in the presence of H 2 SC>4. 1% by weight of pure H 2 SC>4 is added to the sweet juice 6.
  • the pretreated and washed biomass 7 feeds an enzymatic hydrolysis reactor 14.
  • the hydrolysis is carried out under the following operating conditions: 50°C, pH 4.8.
  • the dry matter content is 16.8% by weight, or 7.5% by weight of cellulose.
  • the amount of enzymes added is 21.7 mg protein/g cellulose.
  • the enzyme cocktail used was produced by Trichoderma reesei and has FPase and beta-glucosidase activity. Under the conditions used, the conversion yield of cellulose to glucose is 83% by weight.
  • the hydrolyzate obtained 15 is then filtered on a filter press to eliminate a solid residue 19 and obtain a sweet juice 20.

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Abstract

L'invention concerne un traitement de biomasse lignocellulosique : - a) une étape de prétraitement (2), pour obtenir une biomasse prétraitée (3) - b) une première étape de séparation solide/liquide (3a) de la biomasse prétraitée (3) obtenue à l'étape a) en une première fraction solide (7) de biomasse prétraitée et une première fraction liquide (6) comprenant un mélange de composés comprenant des sucres C5 et des sucres C6, pour partie sous forme monomérique et pour partie sous forme oligomérique - c) une première étape d'hydrolyse enzymatique (14) de la première fraction solide (7) de biomasse prétraitée obtenue à l'étape b), pour obtenir un hydrolysat (15) sous forme de sucre(s) - d) une étape de traitement (24) de ladite première fraction liquide (6) obtenue à l'étape b) par hydrolyse, afin d'obtenir une fraction traitée (26) enrichie en sucres C5 sous forme monomérique et/ou en sucres C6 sous forme monomérique.

Description

PROCEDE DE TRAITEMENT D’UNE BIOMASSE LIGNOCELLULOSIQUE
Domaine technique
La présente invention concerne le traitement de jus sucrés, notamment ceux dits de seconde génération (2G), qu’on peut obtenir à partir de biomasse lignocellulosique.
Ces jus sucrés peuvent être utilisés pour produire d’autres produits par voie chimique ou biochimique (par exemple des alcools comme l'éthanol, le butanol, ou d’autres molécules, par exemple des solvants tels que l’acétone, des produits intermédiaires utilisés dans l’industrie chimique, etc...), notamment en tant que substituts de dérivés pétrochimiques.
Technique antérieure
La biomasse lignocellulosique représente une des ressources renouvelables les plus abondantes sur terre. Les substrats considérés sont très variés, ils concernent à la fois des substrats ligneux comme différents bois (feuillus et résineux), des coproduits issus de l’agriculture (pailles de blé, rafles de maïs, etc...) ou d’autres industries, comme l’industrie agroalimentaire, papetière, etc...
Différents types de procédés existent pour convertir la biomasse lignocellulosique en jus sucrés selon le type de biomasse. S’il s’agit de plantes saccharifères (la betterave sucrière, la canne à sucre), de plantes amylacées (le maïs et le blé), on obtient des jus sucrés dits de première génération (1G), par exemple par des opérations d’extraction.
S’il s’agit de biomasse de type résidus agricoles, forestiers, papetiers, on obtient des jus sucrés dits de seconde génération (2G) par un procédé de transformation biochimique qui comprend généralement une étape de prétraitement et une étape d’hydrolyse enzymatique par un cocktail enzymatique. Le prétraitement comporte le plus souvent une étape d’imprégnation par une liqueur acide ou basique ou oxydante, puis une cuisson de la biomasse imprégnée qui est éventuellement accompagnée d’une explosion à la vapeur. Les jus sucrés issus de l’hydrolyse peuvent ensuite être ensuite traités, par exemple par fermentation pour les convertir en alcool, et le procédé comprend également des étapes de séparation et/ou de purification.
Ces jus sucrés peuvent également provenir d’un mélange de jus sucrés provenant de différents types de biomasse.
La biomasse lignocellulosique est composée de trois principaux polymères : la cellulose (35 à 50% poids), qui est un polysaccharide essentiellement constitué d'hexoses ; l'hémicellulose (20 à 30% poids), qui est un polysaccharide le plus souvent essentiellement constitué de pentoses ; et la lignine (15 à 25% poids), qui est un polymère de structure complexe et de haut poids moléculaire, composé d'alcools aromatiques reliés par des liaisons éther. Ces différentes molécules sont responsables des propriétés intrinsèques de la paroi végétale et s'organisent en un enchevêtrement complexe.
Parmi les trois polymères de base qui intègrent la biomasse lignocellulosique, la cellulose et l'hémicellulose sont ceux qui permettent la production de jus sucrés 2G.
Le plus souvent, l’hémicellulose est majoritairement décomposée en sucres durant le prétraitement, et la cellulose est convertie en glucose par l’hydrolyse enzymatique. Toutefois, l’accès à la cellulose brute reste difficilement accessible aux enzymes, d’où la nécessité du prétraitement mentionné plus haut. Ce prétraitement permet de modifier les propriétés physico-chimiques de la biomasse lignocellulosique afin d’améliorer l'accessibilité de la cellulose aux enzymes et sa réactivité à l’hydrolyse enzymatique.
De nombreuses technologies intéressant l’invention pour réaliser ce prétraitement existent, qui seront ci-après regroupées sous le terme générique de « cuisson » : cuissons acides, cuissons alcalines, cuisson par auto-hydrolyse, explosion à la vapeur, procédés dits « organosolv pulping » selon le terme anglais connu (ou traitement avec organo-solvant en français). Ce dernier procédé concerne un prétraitement en présence d’un ou plusieurs solvants organiques et généralement d’eau. Le solvant peut être un alcool (éthanol), un acide type acide acétique, acide formique, ou encore l’acétone.
Différentes configurations sont reportées par exemple dans le document «Production of bioethanol from lignocellulosic materials via the biochemical pathway: A review », M. Balat, Energy Conversion and Management 52 (2011 ) 858-875, ou encore dans le document « Bioethanol production from agricultural wastes : an overview », N. Sarkar, S. Kumar Ghosh, S. Bannerjee, K. Aikat, Renewable Energy 37 (2012) 19-27.
Un des prétraitements le plus efficace est l’explosion à la vapeur, notamment en condition acide, qui permet une hydrolyse presque totale de l’hémicellulose et une amélioration importante de l’accessibilité et de la réactivité de la cellulose aux enzymes. Ce prétraitement peut être précédé d’autre(s) traitement(s).
Ainsi, le prétraitement peut généralement comporter trois étapes qui sont la préparation de liqueur, l’imprégnation de la biomasse par cette liqueur et le prétraitement de la biomasse imprégnée, par exemple par cuisson éventuellement couplée à une explosion à la vapeur : Le brevet FR 3 075 203 décrit un procédé avec imprégnation de la biomasse avec une liqueur acide, puis cuisson et explosion à la vapeur de la biomasse imprégnée, avec un ajustement de l’acidité de la liqueur acide et un recyclage de celle-ci. Le brevet FR 3 075 201 décrit également un procédé de prétraitement de la biomasse par imprégnation acide puis explosion à la vapeur, avec en outre un lavage des moyens d’alimentation des réacteurs et recyclage des eaux de lavage dans le procédé.
Le brevet FR 3 075 201 décrit également un procédé de prétraitement de la biomasse par imprégnation acide puis explosion à la vapeur, avec en outre un lavage des moyens d’alimentation des réacteurs et recyclage des eaux de lavage dans le procédé.
On peut ensuite opérer, sur la biomasse prétraitée, une séparation solide/liquide, de façon à récupérer une fraction liquide qui est un jus sucré en phase aqueuse, et une fraction solide, qui est un marc prétraité appelé aussi gâteau.
Le brevet FR 3 083 126 décrit ainsi une opération de séparation liquide/solide sur la biomasse prétraitée obtenue à l’issue de l’étape de prétraitement ou à l’issue d’une étape additionnelle de ladite biomasse prétraitée, cette étape de séparation comprenant deux sous-étapes successives :
- une sous-étape amont de contactage b1 du mélange solide/liquide mise en oeuvre par un mélangeur en continu utilisant un fluide de mélange,
- et une sous-étape aval b2 d’extraction/lavage mise en oeuvre par un filtre en continu, notamment de type filtre à bandes, utilisant un fluide de lavage, pour obtenir une phase solide enrichie en solide et une pluralité de phases liquides enrichies en liquide, avec un fonctionnement du filtre de préférence en contre-courant entre la circulation du mélange solide/liquide à séparer et le fluide d’extraction/lavage, et un recyclage au moins partiel d’une phase liquide extraite du filtre à bandes en entrée du mélangeur en tant que fluide de mélange.
Les jus sucrés ainsi obtenus à partir de biomasse lignocellu losique, notamment après son prétraitement ou après l’hydrolyse enzymatique dans le cas des sucres dits 2G, se présentent sous forme d’un mélange de sucres en phase aqueuse, où l’on trouve des sucres dits C5 (c’est-à-dire à 5 carbones), comme le xylose et l’arabinose, et des sucres dits C6 (c’est-à-dire à 6 carbones), comme le glucose, le mannose et le galactose.
Notamment dans le cas de jus sucrés de type 2G issus du prétraitement de la biomasse lignocellulosique, on observe pour la majorité des biomasses lignocellulosiques, dans le jus sucré, une proportion de sucres en C5 supérieure à celle des sucres en C6. Par jus sucré, on entend que des sucres sont libérés par le prétraitement, et qu’ils peuvent être solubilisés en mélangeant la biomasse prétraitée avec de l’eau par exemple.
Les sucres du jus sucré, comme vu plus haut, sont majoritairement, voire exclusivement, des sucres en C5 et en C6. De fait, ils peuvent se retrouver sous trois formes différentes :
- sous une forme polymérique, avec un degré de polymérisation élevé, supérieur à 6, c’est-à- dire qu’ils n’ont pas été convertis, ils sont insolubles dans l’eau, c’est le cas de la cellulose,
- sous une forme monomérique, ils sont solubles dans l’eau
- sous une forme oligomérique, c’est-à-dire que les sucres sont sous une forme polymérique, mais avec un degré de polymérisation bas, entre 2 et 6, ils sont également solubles dans l’eau.
Cela signifie que, après prétraitement de la biomasse, et après avoir opéré une séparation solide/liquide de la biomasse ainsi traitée, la fraction liquide obtenue est un jus sucré avec des sucres sous forme monomérique et oligomérique. Les sucres sous forme polymérique , insolubles, se retrouvent, eux, dans la fraction solide.
La proportion de sucres en C5 par rapport aux sucres en C6, et la proportion, pour chacun de ces types de sucres de la forme oligomérique par rapport à la forme monomérique sont variables, notamment selon la nature de la biomasse (paille, bois ...), selon le type et la sévérité du prétraitement, selon les conditions de lavage quand il y a lavage etc... Mais dans la plupart des cas de figures, il y a bien dans les jus sucrés une teneur non négligeable de sucres sous forme oligomérique.
Or la présence de ces sucres sous forme oligomérique peut s’avérer préjudiciable, quelle que soit l’application visée pour ces jus sucrés. En effet, quand on vise la conversion de ces jus sucrés en d’autres composés, que ce soit par conversion chimique ou biochimique (fermentation par exemple), les sucres sous forme monomérique sont plus réactifs que les sucres sous forme oligomérique. Et s’il existe des débouchés pour des jus sucrés tels quels, sans conversion ultérieure, ceux-ci doivent généralement respecter des spécifications de données, incluant une teneur en sucre monomérique élevée.
Il existe donc un besoin pour améliorer la qualité de ces jus sucrés, et notamment pour en augmenter la teneur en sucre(s)s sous forme monomérique ou en diminuer la teneur en sucre(s) sous forme oligomérique.
L’invention a donc pour but d’obtenir des jus sucrés à haute teneur en sucres sous forme monomérique. Elle a également pour but d’intégrer cette obtention de sucres à haute teneur en sucres sous forme monomérique dans une ligne de production de sucre ou d’alcool à partir de biomasse lignocellulosique, afin d’en améliorer le fonctionnement ou les performances, notamment de façon à obtenir une qualité supérieure de jus sucré dans le cas d’une production de sucre, et/ou de façon à obtenir un taux de conversion en alcool supérieur dans le cas d’une production d’alcool et/ou de façon à obtenir un procédé plus économe en utilités ou en énergie.. Résumé de l’invention
L’invention a tout d’abord pour objet un procédé de traitement d’une biomasse lignocellulosique, ledit procédé comprenant
- a) une étape de prétraitement de la biomasse, comprenant une cuisson de la biomasse, éventuellement accompagnée d’une explosion à la vapeur, pour obtenir une biomasse prétraitée
- b) une première étape de séparation solide/liquide de tout ou partie de la biomasse prétraitée obtenue à l’étape a) en une première fraction solide de biomasse prétraitée et une première fraction liquide comprenant un mélange de composés, notamment en phase aqueuse, comprenant des sucres C5 avec 5 carbones et des sucres C6 avec 6 carbones, lesdits sucres C5 et/ou lesdits sucres C6 étant pour partie sous forme monomérique et pour partie sous forme oligomérique
- c) une première étape d’hydrolyse enzymatique de la première fraction solide de biomasse prétraitée obtenue à l’étape b), pour obtenir un hydrolysat sous forme de sucre(s), dont des sucres C6 avec 6 carbones,
- d) une étape de traitement de ladite première fraction liquide obtenue à l’étape b) par hydrolyse en condition acide et/ou par une deuxième hydrolyse enzymatique, afin d’obtenir une première fraction liquide traitée qui est enrichie en sucres C5 sous forme monomérique et/ou en sucres C6 sous forme monomérique et appauvrie en sucres C5 sous forme oligomérique et/ou en sucres C6 sous forme oligomérique.
On désignera par soucis de concision, dans le présent texte, les sucres avec 5 carbones par sucres C5, et les sucres avec 6 carbones par sucres C6, et la première fraction liquide à traiter selon l’invention dans l’étape d) pourra aussi être désignée, par soucis de concision , parle terme « jus » ou « jus sucré » ou « jus initial » : Il s’agit d’un mélange de composés dont des sucres en C5 et C6 en phase aqueuse et solubles dans l’eau.
De façon générale dans le présent texte, sauf mention expresse contraire, toutes les fractions liquides sont aqueuses.
Au sens de l’invention, on comprend par « appauvri » le fait que la concentration (ou la teneur) du sucre oligomérique considéré dans le mélange diminue du fait du traitement et par « enrichi », a contrario, le fait que la concentration du sucre monomérique dans le mélange augmente du fait du traitement. Au sens de l’invention, on comprend par « sucres » de façon générique des sucres qui peuvent être à la fois sous leur forme monomérique et sous forme oligomérique, sauf s’il en est spécifié autrement.
De préférence, la première fraction liquide contient des sucres issus en majorité, notamment en totalité, de la dépolymérisation des hémicelluloses présents dans la biomasse lig nocellulosique. Cette première fraction est un jus sucré obtenu sans ajout d’enzymes, et obtenu à l’issue du prétraitement d’une biomasse lignocellulosique.
L’invention a ainsi mis au point et intégré dans un procédé de conversion de biomasse un traitement d’un jus sucré qui va transformer au moins une partie des sucres sous forme oligomérique en sucres sous forme monomérique, par une hydrolyse acide de préférence à chaud, ou par une hydrolyse enzymatique.
L’invention a donc mis au point un traitement par hydrolyse qui va transformer au moins une partie des sucres sous forme oligomérique en sucres sous forme monomérique. Ce qui est très avantageux, c’est qu’on parvient ainsi à réduire/supprimer les composés indésirables, à savoir les sucres sous forme oligomérique, pour les convertir en sucres sous forme monomérique, qui sont les produits recherchés : il ne s’agit pas simplement de les retirer du jus sucré initial, mais de les convertir à la forme recherchée.
Et cette hydrolyse se décline en hydrolyse chimique, avec des conditions acides de préférence à chaud, ou biochimique, avec des enzymes. Elles peuvent bien sûr être cumulées mais une seule opération d’hydrolyse s’est avérée tout-à-fait suffisante pour obtenir des résultats probants :
Le rendement de conversion des oligomères en monomères obtenu avec le traitement selon l’invention, quel que soit le type d’hydrolyse chimique ou biochimique choisi, peut en effet aller jusqu’à 50% et plus.
L’invention vient donc « intercaler » une étape de traitement du jus sucré obtenu en fin de prétraitement dans un procédé de traitement de biomasse visant à la convertir en sucres puis éventuellement en alcool, et qui prévoit, de façon connue, un prétraitement de la biomasse puis son hydrolyse enzymatique, puis son éventuelle fermentation : cela ouvre la voie à quantité de nouvelles possibilités de valorisation, de qualité de produit et de rendement de conversion de la biomasse, comme détaillé plus loin.
Les conditions de cette hydrolyse, notamment l’acidité du milieu et la température dans le cas de l’hydrolyse acide, ou la teneur et nature des enzymes dans le cas de l’hydrolyse enzymatique, la durée du traitement etc. sont ajustées en fonction, notamment,
- de la nature de la biomasse,
- du type de prétraitement a) qu’elle a eu, données qui conditionnent la teneur en oligomères du mélange,
- ou encore des spécifications de pureté en sucre monomérique s’il est valorisé tel quel.
On peut ainsi moduler la sévérité du traitement en fonction du jus sucré à traiter et de la pureté en sucre monomérique à atteindre, en modulant les différentes conditions opératoires du traitement d’hydrolyse de l’étape d).
Et ce qui est tout particulièrement avantageux, c’est qu’on peut également moduler la sévérité des conditions du prétraitement a) de la biomasse en fonction de celle des conditions de l’hydrolyse de l’étape de traitement d). Ainsi, si on adopte des conditions de traitement selon l’invention suffisamment sévères, alors on peut « se permettre » de diminuer la sévérité du prétraitement de la biomasse, par exemple en l’imprégnant avec une solution moins acide, en la cuisant à une température inférieure, sans impacter négativement, finalement, le rendement de production en sucre/en alcool du procédé de conversion de biomasse global.
En effet, si on choisit des conditions opératoires moins sévères pour le prétraitement, on tend à former moins d’éventuels composés de dégradation, éventuellement au profit de davantage de sucres oligomériques, mais qui vont, eux, être reconvertis en sucres monomériques avec le traitement d’hydrolyse de l’invention.
Et cela peut être très intéressant économiquement (par exemple baisse de consommation d’acide lors de l’imprégnation de la biomasse, baisse de consommation énergétique pour la cuisson de biomasse imprégnée), à l’échelle industrielle, sans impacter négativement les rendements de production en sucre ou alcool.
Selon un premier mode de réalisation, l’étape de traitement d) est une étape d’hydrolyse en condition acide opérée de préférence à une température d’au moins 60°C, notamment d’au moins 70°C, notamment d’au moins 75°C, ou d’au moins 80°C, ou d’au moins 90°C, ou d’au moins 100°C, et de préférence d’au plus 140°C, notamment d’au plus 130°C. Il est en effet très efficace d’opérer l’hydrolyse « à chaud », à au moins 60°C, mais il est préférable de ne pas trop monter en température le jus sucré, afin d’éviter toute réaction parasite du type réaction de Maillard qui viendrait dégrader les sucres.
Selon ledit premier mode de réalisation l’étape de traitement d) est une étape d’hydrolyse en condition acide opérée de préférence de façon qu’il y ait au moins 0,1% poids d’acide dans ladite première fraction liquide , notamment entre 0,2 et 2,8% poids d’acide dans ledit mélange, et/ou avec un pH d’au plus 4,5, et de préférence compris entre 0,5 et 2,5.
Selon ledit premier mode de réalisation l’étape de traitement d) est une étape d’hydrolyse en condition acide opérée de préférence de façon qu’il y ait au moins 0,1% poids d’acide dans le mélange M total (sucres+ eau), notamment entre 0,2 et 2,8% poids d’acide dans ledit mélange. Les teneurs en acide dans le mélange M total (sucres + eau) correspondent à un ajout d’acide dans le jus sucré initial.
Avantageusement, l’acide en question est choisi de préférence parmi au moins un des acides forts suivants : acide sulfurique, acide chlorhydrique et/ou au moins parmi au moins un des acides organiques suivants : acide acétique, acide oxalique, acide formique ... L’acide peut être également sous forme d’une solution d’acide dilué dans l’eau.
Avantageusement, l’étape d’hydrolyse en condition acide opérée selon l’invention est opérée à un pH de préférence d’au plus 4,5, notamment d’au plus 4 ou d’au plus 3,5 ou d’au plus 3.
Il est de préférence choisi entre 0,5 et 2,5.
Selon un deuxième mode de réalisation de l’invention, l’étape de traitement d) est une deuxième étape d’hydrolyse enzymatique opérée à une température d’au plus 80°C ou d’au plus 70°C, notamment d’au moins 20°C, et est de préférence comprise entre 40 et 60°C.
Selon ledit deuxième mode de réalisation de l’invention l’étape de traitement d) est une étape d’hydrolyse enzymatique opérée de préférence à un pH d’au moins 3, notamment au moins 3,5, notamment d’au moins 4, et de préférence d’au plus 6. C’est en effet dans cette gamme de pH que les enzymes tendent à être les plus efficaces.
Pour obtenir ce pH, il peut être nécessaire d’ ajuster le pH du mélange initial M par ajout d’acide ou de base, notamment par ajout de base, de préférence KOH ou NaOH, quand le pH du mélange M initial est inférieur ou égal à 3. C’est notamment le cas quand le jus est issu d’un prétraitement avec imprégnation acide de biomasse, et donc fortement acide (avec un pH qui peut être de l’ordre de 2 ou moins).
Selon ledit deuxième mode de réalisation de l’invention, l’étape de traitement d) d’hydrolyse enzymatique est opéré par ajout au mélange (jus) initial M d’une quantité d’enzymes correspondant à au moins 0,05 g protéine/ kg de mélange, notamment à au moins 0,08 g protéine/kg de jus pour une concentration de 50 g de sucres monomériques /kg de jus, et correspondant de préférence à au plus 2 ou 3 g protéine/kg de mélange à la même concentration de sucres monomériques dans le mélange. Selon ce deuxième mode de réalisation, l’étape de traitement d) est une étape d’hydrolyse enzymatique, et elle peut comprendre une sous-étape d1 ) de séparation des enzymes de la première fraction liquide traitée, afin d’obtenir d’une part une première fraction liquide traitée et séparée, et d’autre part une fraction d’enzymes. Très avantageusement, cette fraction d’enzymes peut être au moins pour partie recyclée à l’étape d) : il peut être nécessaire de prévoir un apport frais d’enzymes, outre la fraction recyclée, pour opérer l’étape d), notamment si l’activité des enzymes décroit progressivement. A noter que dans le présent texte, on considère que la fraction dite traitée englobe aussi la fraction traitée et séparée, quand on a choisi une hydrolyse enzymatique avec séparation des enzymes en fin d’hydrolyse.
Toute technique connue peut être utilisée pour séparer des enzymes. On peut par exemple avoir recours à un filtre à plaques, ou encore à des membranes de microfiltration ou d’ultrafiltration (où la séparation est réalisée par tamisage, du fait de la différence de taille entre les composants à séparer et celle des pores de la membrane).
Avantageusement, le traitement d’hydrolyse acide ou enzymatique de l’étape d) peut être opéré de façon continue, en fed batch ou par batch, notamment dans un réacteur agité ou de type piston.
Selon une variante de l’invention, seule une première partie de la biomasse prétraitée obtenue à l’étape a) est conduite vers la première étape b) de séparation solide/liquide, et une deuxième partie de la biomasse prétraitée est conduite directement à l’étape c) de première hydrolyse enzymatique. La première hydrolyse enzymatique peut alors être opérée sur les deux types de flux en même temps, l’un venant directement du prétraitement, l’autre ayant passé par une étape de séparation solide/liquide, la proportion relative du flux issu de la biomasse prétraitée qui va à la séparation solide/liquide et du flux issu de la biomasse prétraitée qui va directement à l’hydrolyse enzymatique est modulable, par exemple entre une proportion relative de 90/10 à 10/90 en poids. On peut aussi prévoir que 100% du flux de biomasse passe par l’étape b) de séparation solide/liquide avant hydrolyse enzymatique.
On peut ainsi conjointement opérer la première hydrolyse enzymatique à la fois
- sur le résidu solide issu de la séparation solide/liquide b), car ce résidu contient encore des composés convertibles en sucres par hydrolyse enzymatique,
- et sur de la biomasse prétraitée issue directement du prétraitement, ce qui permet de maintenir un rendement de conversion par hydrolyse enzymatique élevé par rapport à la quantité de biomasse initiale, malgré le prélèvement d’une portion de biomasse prétraitée pour en récupérer les sucres solubles. L’étape b) de séparation solide/liquide peut, selon un mode de réalisation préféré, comporter une première étape de contactage entre la biomasse lig nocellulosique prétraitée et un fluide de contactage, préférentiellement de l’eau, puis une deuxième étape de filtration, et optionnellement un lavage.
Lorsque l’étape b) de séparation solide/liquide comprend une étape de contactage de la biomasse prétraitée avec un fluide puis une étape de lavage, celle-ci peut s’effectuer en cocourant ou contre-courant, en utilisant notamment une partie de la fraction liquide récupérée comme fluide de lavage et/ou de contactage. De préférence le fluide de contactage est une partie de la fraction liquide récupérée et le fluide de lavage est de l’eau.
L’étape b) de séparation solide/liquide peut, selon un mode de réalisation préféré, être effectuée sur une unité de filtration, notamment un filtre à bande ou un filtre-presse, par centrifugation ou par décantation.
Le procédé selon l’invention peut également comprendre une étape e) de fermentation par des deuxièmes micro-organismes de l’hydrolysat sous forme de sucre(s) obtenu à l’étape c), afin d’obtenir une biomasse fermentée comprenant au moins un alcool, notamment de l’éthanol. Il s’agit alors d’un procédé de production d’alcool type éthanol qui peut servir de biocarburant.
Et dans ce cas, selon un mode de réalisation préféré, les étapes d’hydrolyse enzymatique c) et de fermentation e) peuvent être réalisées simultanément. On parle alors de SSCF pour « Simultaneous Saccharification and Co-Fermentation » en anglais.
Le procédé selon l’invention peut également comprendre une étape f) de production d’enzymes à partir de premiers micro-organismes, notamment des champignons, afin d’utiliser lesdites enzymes pour assurer la première hydrolyse enzymatique de l’étape c).
Et dans ce cas, on peut envoyer tout ou partie de la première fraction liquide une fois traitée à l’étape d) en tant que substrat de croissance des premiers micro-organismes et/ou de production d’enzymes par lesdits micro-organismes. On est ici dans le cas de figure où le procédé intègre une production in situ d’enzymes pour opérer l’hydrolyse enzymatique de la biomasse prétraitée (l’autre alternative étant d’amener sur le site de production des enzymes produites sur un autre site).
Le procédé selon l’invention peut également comprendre une étape i) de propagation de deuxièmes micro-organismes de fermentation, afin d’utiliser lesdits micro-organismes, notamment des levures, pour assurer la fermentation de l’étape f) quand elle est prévue. On est ici dans le cas de figure où les micro-organismes sont propagés in situ, sur le site de traitement de la biomasse. Et dans ce cas, on peut envoyer tout ou partie de la première fraction liquide une fois traitée à l’étape d) vers ladite étape i) en tant que substrat de propagation desdits troisièmes micro-organismes.
De préférence, les premiers micro-organismes utilisés à l’étape f) et éventuellement les deuxièmes micro-organismes utilisés aux étapes i) et e) sont choisis parmi les levures, les bactéries, les champignons, et de préférence parmi les levures dans le genre Saccharomyces, notamment l’espèce Saccharomyces cerevisae ou, parmi les bactéries, dans le genre Corynebacterium.
De préférence, les premiers micro-organismes sont choisis parmi les champignons, notamment les champignons filamenteux, de préférence ceux du genre Trichoderma, notamment Trichoderma reesei.
Selon un mode préféré de réalisation, le prétraitement selon l’étape a) de la biomasse comprend
- a1) une sous-étape d’imprégnation de la biomasse (1) par une liqueur, notamment acide, pour obtenir une biomasse imprégnée
- a2) une sous-étape de cuisson de la biomasse imprégnée, éventuellement accompagnée d’une explosion à la vapeur, pour obtenir une biomasse prétraitée (3).
Quand le procédé de l’invention comprend l’étape f) de fermentation, il peut comprendre également :
- une étape j) de séparation, notamment par distillation (21), de la biomasse fermentée sous forme d’alcool obtenue à l’étape f), avec une éventuelle étape k) de séparation solide/liquide de la biomasse fermentée avant ou après ladite étape j) de séparation.
L’invention a également pour objet une installation de traitement de biomasse lig nocellulosique mettant en oeuvre le procédé décrit plus haut.
L’invention a également pour objet une installation de traitement d’une biomasse lignocellulosique, ladite installation comprenant
- a) une unité de prétraitement de la biomasse, comprenant un dispositif de cuisson de la biomasse, éventuellement accompagnée d’une explosion à la vapeur, pour obtenir une biomasse prétraitée
- b) une première unité de séparation solide/liquide, comprenant notamment un dispositif de filtration, de tout ou partie (3a) de la biomasse prétraitée (3) obtenue dans l’unité a) en une première fraction solide (7) de biomasse prétraitée et une première fraction liquide (6) comprenant un mélange de composés, notamment en phase aqueuse, comprenant des sucres C5 avec 5 carbones et des sucres C6 avec 6 carbones, lesdits sucres C5 et/ou lesdits sucres C6 étant pour partie sous forme monomérique et pour partie sous forme oligomérique
- c) une unité d’hydrolyse enzymatique de la première fraction solide de biomasse prétraitée obtenue à l’étape b), pour obtenir un hydrolysat sous forme de sucre(s), dont des sucres C6 avec 6 carbones,
- une unité de traitement de ladite première fraction liquide (6) obtenue à l’étape b) par hydrolyse en condition acide et/ou par hydrolyse enzymatique, afin d’obtenir une première fraction liquide traitée qui est enrichie en sucres C5 sous forme monomérique et/ou en sucres C6 sous forme monomérique et appauvrie en sucres C5 forme oligomérique et/ou en sucres C6 sous forme oligomérique.
Au sens de l’invention, les premiers et deuxièmes micro-organismes mentionnés plus haut peuvent être un seul type de microorganisme ou une association de différents microorganismes. De même, au sens de l’invention, les enzymes peuvent être de même type ou, préférentiellement, être un mélange d’enzymes de type/fonction différente qu’on peut aussi appeler « cocktail » enzymatique.
La biomasse intéressant l’invention et dont est issue la première fraction liquide comprenant des sucres C5 avec 5 carbones et des sucres C6 avec 6 carbones, est de type lig nocellulosique, provenant notamment de résidus forestiers et/ou agricoles et/ou papetiers, et/ou de plantes saccharifères et/ou de plantes amylacées et/ou de Fractions Fermentescibles d’Ordures Ménagères (FFOM).
Le prétraitement de biomasse dont est issue la première fraction liquide peut être une hydrolyse (sans enzyme) ou prétraitement de la biomasse comprenant notamment une imprégnation de la biomasse par une liqueur acide ou basique ou oxydante suivie d’une cuisson de la biomasse imprégnée, notamment une cuisson avec explosion à la vapeur.
La première fraction liquide comprenant des sucres C5 avec 5 carbones et des sucres C6 avec 6 carbones est obtenue de préférence, selon l’invention, après une étape de séparation solide/liquide b) mettant de préférence en oeuvre une biomasse prétraitée par explosion à la vapeur éventuellement repulpée avec un solvant (de l’eau notamment) et éventuellement lavée avec un solvant (de l’eau notamment).
L’invention a également pour objet la première fraction liquide traitée obtenue à l’étape d): elle a ainsi pour objet un liquide comprenant un mélange de composés en solution aqueuse, qui comprend des sucres en C5 et des produits de conversion des sucres en C6 et éventuellement des autres composés minoritaires présents dans le jus à traiter par hydrolyse acide ou enzymatique, avec en outre
- une teneur S1 en sucres C5 et/ou sucres C6 comprise entre 10 et 100 g/kg de solution
- dont une proportion P1 en sucres C5 et/ou en sucres C6 sous forme oligomérique d’au plus 50% poids, notamment d’au plus 30% poids, notamment d’au plus 20 ou 10% poids par rapport aux sucres monomériques.
L’invention sera décrite ci-après de façon plus détaillée, à l’aide d’exemples non limitatifs et des figures suivantes :
Liste des figures
La figure 1 représente sous forme d’un schéma-bloc un procédé de traitement de biomasse lig nocellulosique en vue de la convertir en alcool (éthanol), sans mettre en oeuvre le traitement par hydrolyse des jus sucrés selon l’invention.
La figure 2 représente sous forme d’un schéma-bloc un procédé de traitement de biomasse lig nocellulosique en vue de la convertir en alcool (éthanol), qui modifie le procédé de la figure 1 pour mettre en oeuvre le traitement par hydrolyse des jus sucrés selon l’invention.
La figure 3 représente sous forme d’un schéma-bloc un procédé de traitement de biomasse lig nocellulosique en vue de la convertir en sucre(s), sans mettre en oeuvre le traitement par hydrolyse des jus sucrés selon l’invention.
La figure 4 représente sous forme d’un schéma-bloc un procédé de traitement de biomasse lig nocellulosique en vue de la convertir en sucre(s), qui modifie le procédé de la figure 3 pour mettre en oeuvre le traitement par hydrolyse des jus sucrés selon l’invention.
La figure 5 représente sous forme d’un schéma-bloc un procédé de traitement de biomasse lig nocellulosique en vue de la convertir pour partie en sucre(s), pour partie en alcool (éthanol), sans mettre en oeuvre le traitement par hydrolyse des jus sucrés selon l’invention.
La figure 6 représente sous forme d’un schéma-bloc un procédé de traitement de biomasse lig nocellulosique en vue de la convertir pour partie en sucre(s), pour partie en alcool (éthanol), qui modifie le procédé de la figure 5 pour mettre en oeuvre le traitement par hydrolyse des jus sucrés selon l’invention. Dans tout le présent texte, et notamment dans la description des figures, le terme de réacteur n’impose pas qu’il y en ait qu’un seul, et peut être compris comme une unité comprenant au moins un réacteur ou plusieurs réacteurs (montés en série ou en parallèle). Il en est de même pour tous les autres dispositifs, notamment les outils de type filtration, séparation solide/liquide etc... (par soucis de concision).
A noter que dans tout le présent texte, « solide » est à comprendre en opposition à « liquide », mais que toute fraction solide peut encore contenir une certaine proportion de liquide (et réciproquement). On peut évaluer cette proportion de solide et composés solubles dans un échantillon par mesure de son taux de Matière Sèche (acronyme "MS"), qui est mesuré selon la norme ASTM E1756 - 08(2015) « Standard Test Method for Determination of Total Solids in Biomass”.
Les figures 1 à 6 représentant des schémas bloc de procédés et sont très simplifiées pour en faciliter la compréhension. Elles ne représentent pas nécessairement toutes les étapes/équipements nécessaires aux procédés décrits, se concentrant sur les étapes/équipements/flux les plus significatifs au vu de l’invention.
Les références gardent la même signification d’une figure à l’autre.
Description des modes de réalisation
L’invention intègre dans un procédé de conversion de biomasse, de type lignocellu losique, en sucre(s) ou en alcool, un traitement d’hydrolyse acide ou enzymatique de jus sucrés contenant des sucres en C5, et, dans une moindre teneur/proportion, des sucres en C6, de façon à diminuer voire supprimer la teneur en sucres sous forme oligomérique au profit de leur forme monomérique, pour en tirer bénéfice, notamment soit pour augmenter le rendement de conversion de la biomasse (en alcool plus particulièrement), soit pour obtenir des sucres de plus haute qualité/pureté, soit pour diminuer les coûts de production.
En effet, dans le processus de traitement de biomasse, l’invention s’intéresse aux procédés avec prétraitement de la biomasse avant hydrolyse enzymatique, prétraitement qui entraîne la production de jus sucrés mélangeant des sucres en C5 et des sucres en C6.
On va donc décrire :
- dans un premier temps, l’étape de traitement acide ou enzymatique des jus sucrés de l’étape d) de conversion de biomasse lignocellulosique,
- puis, dans un second temps, et à l’aide des figures 1 à 6, le procédé de conversion de biomasse lignocellulosique produisant ces jus sucrés et intégrant cette étape de traitement d) pour en tirer bénéfice. Etape de traitement par hydrolyse de jus sucrés en C5 et C6
Ce traitement chimique ou biochimique de traitement est une mise en contact du jus sucré en sucres C5 et C6, jus obtenu par traitement de matière à base de biomasse lig nocellulosique et comprenant majoritairement du sucre en C5, avec un milieu acide à chaud ou avec des enzymes, afin que la proportion de sucre oligomérique diminue au profit de la forme monomérique des sucres.
La composition du jus sucré 6 à traiter peut varier selon la biomasse, le type de prétraitement, les conditions de prétraitement, les conditions de lavage de la biomasse prétraitée.
Par exemple, le jus sucré à traiter selon l’invention peut avoir la composition suivante :
- entre 0,5 et 30 g de glucose par kg de jus, notamment entre 5 et 15 g/kg de glucose
- entre 10 et 100 g de xylose par kg de jus, notamment entre 20 et 60 g/kg de xylose
- entre 0,5 et 36 g/kg de glucose potentiel, notamment entre 5,5 et 20 g/kg de glucose potentiel, soit entre 0,1 et 35 g/kg de glucose oligomère, notamment entre 0,5 et 30 g/kg de glucose oligomère, notamment entre 0,5 et 10 g/kg de glucose oligomère
- entre 10 et 130 g/kg de xylose potentiel, notamment entre 22 et 75 g/kg de xylose potentiel, soit entre 0,1 et 30 g/kg de xylose oligomère, notamment entre 2 et 20 g/kg de xylose oligomère avec les conventions suivantes :
- La concentration en glucose s’entend au sens glucose monomère.
- La concentration en xylose s’entend au sens xylose monomère.
- Ces concentrations peuvent être analysées par exemple par des méthodes de chromatographie liquide haute performance (HPLC)
- La concentration en sucre potentiel est la mesure de la concentration en sucres monomères après hydrolyse acide sur le jus sucré initial à 120°C pendant 1 heure en présence d’un large excès d’acide dilué : à 0,3 gramme de MS du jus initial sont ajoutés 4,92 grammes d’acide sulfurique à 72% et de l’eau dont la quantité est calculée pour obtenir un mélange de 90 g.
- La concentration en sucres oligomères correspond à la différence entre la concentration en sucres potentiels et la concentration en sucres monomères.
L’invention consiste, dans son premier mode de réalisation, à traiter à chaud et en conditions acides ce type de jus sucré, afin d’hydrolyser les sucres sous forme oligomérique en sucres sous forme monomérique, tout en conservant les sucres monomériques déjà présents dans le jus sucré initial. Exemples de traitement de jus sucré par hydrolyse acide
Exemple 1 (comparatif)
On part d’un jus sucré initial M issu de biomasse prétraitée par imprégnation acide de la biomasse puis explosion à la vapeur, biomasse prétraitée qui est ensuite lavée et séparée en fraction liquide (le jus sucré) et en fraction solide conformément à l’enseignement du brevet FR 3 083 126 précité, auquel on se rapportera pour plus de détails. C’est le jus provenant du flux 6 décrit plus loin.
Succinctement, ce prétraitement est une opération d’imprégnation de biomasse lig nocellulosique (paille de blé) par une liqueur acide, suivie par une opération d’explosion vapeur de la biomasse imprégnée. La biomasse prétraitée subit une opération de séparation liquide/solide à l’issue de l’étape de prétraitement, cette étape de séparation liquide/solide comprenant une étape de contactage entre la biomasse lignocellu losique prétraitée et de l’eau, et une étape de filtration et optionnellement de lavage. Pour obtenir le jus sucré initial M à traiter selon l’invention, 550 kg de biomasse prétraitée sont mélangés avec 1010 kg d’eau, puis filtrés puis pressés. Après filtration et pressage, 885 kg d’un jus M, appelé aussi hydrolysat C5, est obtenu. Le prétraitement se déroulant dans des conditions acides, ce jus a un pH de 1 ,5.
La concentration en composés d’intérêt de ce jus sucré initial M est donnée dans le tableau 1 ci-dessous, avec des concentrations exprimées en g par kg de jus. A noter qu’il est possible que la composition contienne des impuretés autres, qu’on n’a pas cherché à analyser, par exemple du type sel (minéral) ou acide, 5-HMF et furfural, dans de (très) faibles teneurs. Le jus M contient 49,5 g/kg de sucres glucose et xylose. La teneur en matière sèche du jus sucré initial M est de 8% poids. Les concentrations des sucres minoritaires, comme l’arabinose, le galactose et le mannose pour cette biomasse, ne sont pas indiquées.
[Table 1]
Ce jus est le jus témoin, qui sera traité selon l’invention dans les exemples suivants.
Exemple 2 (selon l’invention)
On part du jus sucré M défini à l’exemple 1 . On le traite selon l’invention avec les conditions opératoires suivantes : Le jus est traité dans un réacteur agité en batch, pendant 1 heure à 120°C. Le pH du jus est déjà acide (pH d’environ 1 ,5), on n’ajoute pas d’acide au jus.
Exemple 3 (selon l’invention)
On part du jus sucré M défini à l’exemple 1 . On le traite selon l’invention avec les conditions opératoires suivantes : Le jus est traité dans un réacteur agité en batch, pendant 1 heure à 120°C. On ajoute de l’acide sulfurique à 72% dans de l’eau au jus sucré initial M pour qu’au final la concentration en acide sulfurique pur ajouté dans le mélange total soit de 1% poids.
Exemple 4 (selon l’invention)
On part du jus sucré M défini à l’exemple 1 . On le traite selon l’invention avec les conditions opératoires suivantes : Le jus est traité dans un réacteur agité en batch, pendant 1 heure à 120°C. On ajoute de l’acide sulfurique à 72% dans de l’eau au jus sucré initial M pour qu’au final la concentration en acide sulfurique pur ajouté dans le mélange total soit de 2% poids.
Exemple 5 (comparatif)
On part du jus sucré M défini à l’exemple 1 . On le traite selon l’invention avec les conditions opératoires suivantes : Le jus est traité dans un réacteur agité en batch, pendant 1 heure à 120°C. On ajoute de l’acide sulfurique à 72% dans de l’eau au jus sucré initial M pour qu’au final la concentration en acide sulfurique pur ajouté dans le mélange total soit de 3% poids.
Exemple 6 (comparatif)
On part du jus sucré M défini à l’exemple 1 . On le traite selon l’invention avec les conditions opératoires suivantes : Le jus est traité dans un réacteur agité en batch, pendant 1 heure à 120°C. On ajoute de l’acide sulfurique à 72% dans de l’eau au jus sucré initial M pour qu’au final la concentration en acide sulfurique pur ajouté dans le mélange total soit de 4% poids.
Le tableau 2 ci-dessous regroupe les concentrations en sucres dans les jus sucrés des exemples une fois hydrolysés selon l’invention.
C est la concentration des sucres glucose et xylose analysée par HPLC en g/kg, et R est l’évolution du rendement en sucres monomériques.
[Table 2]
La première ligne tO correspond aux concentrations du jus M avant démarrage du traitement selon l’invention, à noter que la concentration en sucres diminue quand on ajoute de l’acide, du fait de la dilution provoquée par cet ajout d’acide en solution aqueuse : plus on ajoute d’acide, plus la concentration diminue.
La concentration en sucre potentiel théorique à tO + 1 heure correspond au glucose et au xylose potentiel total du jus M : c’est la concentration en sucres après hydrolyse acide en présence d’un excès d’acide en conditions diluées. Ainsi l’évolution maximale du rendement en sucres monomériques est de 15,5%.
On voit des données du tableau 2 que, sans ajouter d’acide (exemple 2), puisqu’ici le jus est déjà à pH acide, on convertit par le traitement à chaud une certaine quantité d’oligomères en monomères. En ajoutant 1% (exemple 3) et 2% d’acide (exemple 4), c’est également le cas, avec un rendement qui augmente.
En revanche, en ajoutant 3% (exemple 5) ou 4% d’acide (exemple 6), on n’a plus d’évolution favorable du rendement : la conversion des oligomères en monomères est contrecarrée par la dégradation des monomères.
En conclusion, on voit que l’hydrolyse acide selon l’invention des jus est favorable pour obtenir des jus avec de plus fortes teneurs en sucres monomériques et une teneur abaissée en sucres oligomériques. Cependant, le traitement est à ajuster, notamment en termes d’acidité, car une acidité trop forte (et/ou une température de traitement trop élevée) peut conduire à dégrader les sucres monomériques, ce qui peut tendre à faire perdre tout ou partie du bénéfice de l’invention. Exemples de traitement de jus sucré par hydrolyse enzymatique
L’invention consiste, dans son deuxième mode de réalisation, à traiter par hydrolyse enzymatique ce type de jus sucré, afin d’hydrolyser les sucres sous forme oligomérique en sucres sous forme monomérique, tout en conservant les sucres monomériques déjà présents dans le jus sucré initial.
Exemple 7 (comparatif)
On part d’un jus sucré initial M issu de biomasse prétraitée par imprégnation acide de la biomasse puis explosion à la vapeur, biomasse prétraitée qui est ensuite lavée et séparée en fraction liquide (le jus sucré) et en fraction solide conformément à l’enseignement du brevet FR 3 083 126 précité, auquel on se rapportera pour plus de détails. C’est le jus provenant du flux 6 décrit plus loin.
Succinctement, ce prétraitement est une opération d’imprégnation de biomasse lig nocellulosique (ici de la paille de blé) par une liqueur acide, suivie par une opération d’explosion vapeur de la biomasse imprégnée. La biomasse prétraitée subit une opération de séparation liquide/solide à l’issue de l’étape de prétraitement, cette étape de séparation liquide/solide comprenant une étape de contactage entre la biomasse lignocellulosique prétraitée et de l’eau, et une étape de filtration et optionnellement de lavage. Pour obtenir le jus sucré initial M à traiter selon l’invention, 550 kg de biomasse prétraitée sont mélangés avec 1010 kg d’eau, puis filtrés puis pressés. Après filtration et pressage, 885 kg d’un jus M, appelé aussi hydrolysat C5, est obtenu. Le prétraitement se déroulant dans des conditions acides, ce jus a un pH de 1 ,7.
La concentration en composés d’intérêt de ce jus sucré initial M est donnée dans le tableau 3 ci-dessous, avec des concentrations exprimées en g par kg de jus. A noter qu’il est possible que la composition contienne des impuretés autres, qu’on n’a pas cherché à analyser, par exemple du type sel (minéral) ou acide, 5-HMF et furfural, dans de (très) faibles teneurs. La teneur en matière sèche dans le jus sucré initial est de 6,9% poids. Le jus M contient 38,4 g/kg de sucres glucose et xylose.
Les concentrations des sucres minoritaires, comme l’arabinose, le galactose et le mannose pour cette biomasse, ne sont pas indiquées.
[Table 3]
Ce jus est le jus témoin, qui sera traité selon l’invention dans les exemples suivants.
Exemple 8 (selon l’invention)
On part du jus sucré initial M défini à l’exemple 7. On le traite selon l’invention avec les conditions opératoires suivantes :
Le jus M initial est à pH 1 ,7. Il alimente un réacteur agité, la réaction est opérée en batch. On y ajoute une solution aqueuse de KOH en quantité suffisante pour augmenter le pH du jus jusqu’à un pH d’environ 4,8.
Le jus est ensuite traité en ajoutant 0,1 g protéines /kg de jus par l’ajout d’un cocktail enzymatique produit par Trichoderma reeseiet ayant une concentration en protéines de 35,8 g/kg (mesure par la méthode Kjeldhal), une activité FPase (de 0,8 IU/mg),une activité beta- glucosidase (de 35,6 lU/mg) et une activité xylanase , puis en agitant le mélange pendant 24 heures à 50°C.
Le tableau 4 ci-dessous regroupe les concentrations en sucres des exemples une fois hydrolysés selon l’invention, à t=0 (teneurs en sucres au démarrage du traitement ) et à t = tO + 1 heure.
C est la concentration des sucres glucose et xylose analysée par HPLC en g/kg, et R est l’évolution du rendement en sucres monomériques. L’évolution maximal du rendement en sucres est de 23%.
[Table 4]
Les données du tableau 4 montrent que, dès 1 heure de traitement, on a une conversion importante des sucres oligomères en sucres monomères, puisque que le rendement en sucres monomériques est augmenté de 12%, soit plus de 50% de l’augmentation théorique possible (qui est de 23%).
Après 1 heure de réaction, les concentrations des sucres glucose et xylose ont atteint un plateau, il n’est pas nécessaire de poursuivre le traitement sur des temps longs, car l’amélioration moins forte dans le rendement en sucres monomériques risque d’être moins avantageuse au regard d’un allongement du temps d’immobilisation de réacteur par exemple.
En conclusion, on voit que l’hydrolyse enzymatique selon l’invention des jus est favorable pour obtenir des jus avec de plus fortes teneurs en sucres monomériques et une teneur abaissée en sucres oligomériques. L’invention est flexible en termes de mise en oeuvre, elle peut être opérée à température peu élevée, on peut ajuster la nature et la quantité des enzymes ajoutées pendant le traitement, notamment selon le type de jus sucré. Et on obtient une augmentation notable de la teneur en sucres monomères avec des durées de traitement raisonnables. Si nécessaire, notamment si une très haute pureté en sucre monomère est requise, on peut allonger le temps de traitement ou jouer sur les paramètres mentionnés plus haut.
Procédés de conversion de biomasse lignocellulosigue produisant des jus sucrés et intégrant l’étape de traitement desdits jus sucrés précédemment décrite
Trois procédés de conversion sont ci-après décrits :
- un procédé A de conversion en alcool (éthanol)
- un procédé B de conversion en sucre(s) , et
- un procédé C dit « hybride » visant à obtenir à la fois un alcool et des sucre(s)
Procédé A de conversion de biomasse en éthanol
Il est illustré à l’aide des figures 1 et 2.
La figure 1 décrit un procédé de conversion sans l’étape de traitement d) décrite plus haut. Les références des figures représentent les flux/dispositifs/étapes suivants :
1 : Biomasse
2 : Conditionnement et prétraitement
3 : Biomasse prétraitée
3a : Biomasse prétraitée vers l’outil de filtration
3b : Biomasse prétraitée vers hydrolyse enzymatique (flux optionnel)
4 : Séparation solide/liquide (un filtre à bande ou un filtre-presse par exemple) pour extraire un jus sucré, avec une étape optionnelle de lavage
5 : Eau en tant que fluide de contactage et/ou de lavage
6 : Jus sucré contenant majoritairement des sucres C5 6a : Jus sucré comprenant majoritairement des sucres C5 vers la production d’enzymes 6b : Jus sucré comprenant majoritairement des sucres C5 vers la propagation de levures
7 : Biomasse prétraitée et lavée
8 : Réacteur de production d’enzymes
9 : Inoculum de Champignon (Trichoderma Reese/ par exemple) pour la production d’enzymes
10 : Cocktail enzymatique (mélange d’une ou plusieurs enzymes, contenant notamment des cellulases, beta glucosidases, xylanases...)
11 : Réacteur de propagation de levures
12 : Levures
13 : Levures propagées
14 : Réacteur d’hydrolyse enzymatique.
15 : Hydrolysat
16 : Réacteur de fermentation
17 : Moût de fermentation (vin)
18 : Séparation solide/liquide (un filtre-presse par exemple) avec une étape optionnelle de lavage du résidu solide par un solvant (par exemple de l’eau)
19 : Résidu solide (composé majoritairement de lignine)
20 : Produit liquide de la filtration, ici du vin filtré
21 : Séparation de l’éthanol et de l’eau (colonne de distillation, tamis par exemple)
22 : Résidu liquide (vinasses)
23 : Éthanol purifié
Si on prend le déroulé du procédé selon la figure 1 : La biomasse 1 subit un conditionnement/prétraitement dans l’unité 2 (éventuel broyage mécanique, dépoussiérage, retrait de pièces métalliques éventuelles, puis, ici à titre d’exemple, imprégnation par une liqueur acide et cuisson/explosion à la vapeur de la biomasse prétraitée 3). Une partie de cette biomasse prétraitée, le flux 3a, part vers un outil de filtration solide/liquide 4, ledit outil étant également alimenté en eau 5 comme eau de contactage et/ou de lavage. Dans un premier temps, la biomasse prétraitée est contactée avec de l’eau pour améliorer sa filtrabilité. Le mélange est ensuite filtré sur un filtre à bande, et lavé à l’eau. Une autre partie de la biomasse prétraitée, le flux 3b peut partir vers le réacteur d’hydrolyse enzymatique 14. Ce réacteur 14 est alimenté également par le flux 7 qui est la fraction solide issue de la filtration dans l’unité 4, qui est donc la biomasse prétraitée lavée solide.
En sortie de réacteur 14, on a un flux 15 d’hydrolysat (des sucres), qui alimente ensuite un réacteur de fermentation 16 pour être converti en éthanol : en sortie du réacteur de fermentation 16, on obtient un moût de fermentation, appelé aussi vin, qui contient de l’éthanol dans de l’eau. Un outil de séparation solide/liquide 18 vient séparer un résidu solide ligneux 19 d’une fraction liquide 20, le vin filtré. Ce vin filtré est conduit dans un outil de séparation 21 (colonne à distiller) pour obtenir de l’éthanol 23 et un résidu liquide aqueux (appelé vinasse).
En sortie de l’outil de séparation 4, la fraction liquide 6 est un jus sucré aqueux comprenant majoritairement des sucres en C5. Tout ou partie de cette fraction, le flux 6a, peut aller vers le réacteur 8 de production d’enzymes, qui produit un cocktail enzymatique 10 pour alimenter le réacteur 14 d’hydrolyse enzymatique : ce flux peut ainsi constituer un substrat de croissance et/ou de production vis-à-vis des microorganismes de type Trichoderma reesei qui produisent ce mélange d’enzymes 10. Tout ou partie de ce flux 6, le flux 6b, peut aussi aller vers le réacteur 11 de propagation des levures 13 qui alimentent le réacteur de fermentation 16. Là encore, le jus sucré 6b va pouvoir servir de substrat de propagation vis- à-vis des levures, par exemple Saccharomyces, notamment l’espèce Saccharomyces cerevisae.
Il est à noter, par ailleurs, que l’opération d’hydrolyse enzymatique 14 se fait de façon préférée en 2 étapes : liquéfaction avec un fed-batch de substrat puis hydrolyse enzymatique en batch, (éventuellement avec deux réacteurs en série, ou dans le même réacteur), pour travailler à la teneur en MS la plus haute possible et pour convertir des substrats lignocellulosiques dont la rhéologie peut être complexe. Une neutralisation du milieu peut être réalisée avant l’hydrolyse enzymatique, par exemple par ajout d’une solution basique dans le cas où le prétraitement est effectué en condition acide.
Il est également à noter que l’hydrolyse enzymatique et la fermentation peuvent se faire simultanément (SSCF). Quand elles sont faites l’une après l’autre, un ajustement du pH du milieu entre les unités 14 et 16 peut être réalisé.
Il est également à noter que la production d’enzymes et/ou la propagation des levures peuvent se faire sur le site de traitement de la biomasse, comme représenté à la figure 1 . Mais l’une ou l’autre peuvent aussi se faire ex situ : on peut ainsi amener sur site des enzymes ou des levures prêtes à l’emploi. Ceci explique que, suivant les choix faits à ce sujet, le flux peut être partagé en deux flux 6a, 6b (avec une répartition entre les deux flux qui peut être égale ou pas selon les besoins), ou n’être utilisé que pour la propagation des levures ou que pour la production des enzymes.
La figure 2 représente le procédé de la figure 1 , mais avec les modifications selon l’invention, et les références supplémentaires suivantes :
6a’ : Jus sucré comprenant des sucres C5 et C6 à haute teneur en sucre monomérique vers la production d’enzymes
6b’ : Jus sucré comprenant des sucres C5 et C6 à haute teneur en sucre monomérique vers la propagation de levures
6c’ : Jus sucré comprenant des sucres C5 et C6 à haute teneur en sucre monomérique vers la fermentation
24 : Réacteur de traitement d’hydrolyse acide ou enzymatique
25 : Ajout d’acide (hydrolyse acide) ou ajout d’enzymes et de KOH
26 : Jus sucré comprenant des sucres C5 et C6 à haute teneur en sucre monomérique et éventuellement des enzymes en cas d’hydrolyse enzymatique
27 : Séparation éventuelle solide/liquide ou par différence de taille (une centrifugeuse, un filtre ou une unité d’ultrafiltration par exemple) des enzymes contenues dans le jus 26
28 : Dans le cas d’une hydrolyse enzymatique du jus sucré, recyclage au moins partiel des enzymes
29 : Jus sucré identique au jus 26 ou dépourvu d’enzymes si choix d’une hydrolyse enzymatique avec séparation sucres/enzymes dans l’unité 27
A noter que le flux 3 de biomasse prétraitée se partage dans la figure 2 en deux flux : le flux 3a qui part vers l’outil 4 et le flux 3b qui part directement vers le réacteur d’hydrolyse enzymatique 14. Mais ici comme dans le cas des procédés représentés aux figures suivantes, la proportion relative entre les flux 3a et 3b est variable.
Et selon un mode de réalisation de l’invention, il est également prévu que tout le flux de biomasse prétraité 3 passe d’abord dans l’outil 4 avant séparation et envoi de la portion solide vers le réacteur d’hydrolyse 14 : il n’y a plus qu’un flux 3/3a entrant en totalité dans l’outil 4, et le flux 3b est nul : le réacteur 14 n’est plus alimenté en flux 3b. Ce mode de réalisation est plus particulièrement préconisé dans le cas de la production de sucre A, davantage que dans le cas de la production d’alcool B ou de sucre et d’alcool C.
Ce cas de figure à flux 3b nul fait donc aussi partie de l’invention, qu’il s’agisse d’un procédé de production d’alcool, de sucre ou hybride alcool/sucre.
Le flux 26 ou 29 de jus sucré peut être utilisé comme substrat pour la production d’enzymes, la propagation des levures ou en fermentation.
Ici, le flux 6 contenant plus de sucres en C5 que de sucres en C6 est traité de la façon suivante : il est amené dans un réacteur 24 d’hydrolyse chimique (acide) ou biochimique (enzymes), qui peut inclure une étape préliminaire d’augmentation/d’ajustement du pH du jus 6, par exemple avec une solution basique d’hydroxyde de sodium ou de potassium, dans le cas où le prétraitement de la biomasse s’est fait en condition acide. Le réacteur 24 est donc alimenté en acide (hydrolyse acide) ou en enzymes éventuellement avec ajout d’une base simultané ou préalable (hydrolyse enzymatique). En sortie du réacteur 24, on a un flux 26 de jus sucré appauvri en sucres oligomériques.
L’outil de séparation optionnel 27 permet de récupérer une fraction solide 28 d’enzymes (dans le cas où les enzymes seraient par exemple supportées sur un support solide) ou une fraction des enzymes solubles dans le jus qui serait par exemple séparée par différence de taille entre les protéines et les sucres. Ces enzymes vont pouvoir, en tout ou partie, être recyclées dans le réacteur 24.
La fraction liquide séparée 29 est donc un jus sucré soit identique au jus 26 en cas d’hydrolyse acide, soit dépourvue partiellement ou totalement d’enzymes en cas d’hydrolyse enzymatique. A noter cependant que, même en cas d’hydrolyse enzymatique, la séparation des enzymes reste optionnelle, notamment quand ce jus n’est pas valorisé tel quel.
Procédé B de conversion de biomasse en sucres
Il est illustré par les figures 3 et 4.
La figure 3 représente le procédé sans le traitement de jus sucré selon l’invention. Il s’agit ici d’arrêter la conversion de la biomasse au stade de la production de sucres, sans fermentation donc. Par rapport à la figure 1 , le jus sucré 20 majoritairement constitué de sucres en C6, est donc le premier produit final qui est valorisé, le flux 6a peut être utilisé pour servir de substrat pour la croissance et/ou la production d’enzymes dans le réacteur 8 (si production d’enzymes in situ), et le flux 6b est le deuxième produit final qui est peut être valorisé, un jus de sucres majoritairement en C5, mais qui contient encore des sucres en C6.
La figure 4 est un procédé qui intègre au procédé de la figure 3 le traitement de jus sucré selon l’invention : On y retrouve les réacteurs/outils 24,27 du procédé de la figure 2, qui sont opérés de la même manière. Ici, le jus sucré 6 contenant majoritairement des sucres C5 / C6 est traité en un jus 26 (ou 29), qui se partage en partie en un flux 6a’ de sucres en C5 pour servir de substrat à la croissance/production d’enzymes dans le réacteur 8 si la production d’enzymes se fait in situ, et en tout ou partie en un flux 6d’, qui est un jus sucré en C5 /C5 à haute teneur en sucres monomériques qu’on peut valoriser en tant que tel.
Procédé C « hybride » de conversion de biomasse en éthanol et en sucre(s)
Il est illustré par les figures 5 et 6.
Le procédé selon la figure 5 n’utilise pas le traitement du jus sucré selon l’invention. Il s’agit ici de produire en parallèle des sucres et de l’éthanol. Par rapport au procédé de la figure 1 qui vise à produire de l’éthanol, ici on a, à la fois :
- une production d’éthanol, qui est le flux 23 obtenu comme dans le procédé de la figure 1 , et - une production sucres majoritairement en C5 : c’est le flux 6d, issu du flux 6 comme dans le procédé de la figure 3. Ce flux 6d peut être une partie du flux 6, ou la totalité de ce flux (si production d’enzymes ex situ, et/ou propagation des levures ex situ, ou encore si on préfère utiliser d’autres sources, externes, pour la croissance /propagation des microorganismes/production d’enzymes).
Le procédé de la figure 6 intègre, dans le procédé de la figure 5, le traitement de jus sucré selon l’invention : On retrouve les réacteurs/outils 24,27 précédemment décrits, l’obtention d’un flux traité 26 ou 29 en sucres à haute teneur monomérique, et celle d’un flux 6d’ qui constitue tout ou partie du jus 26,29 et qui constitue un jus sucré riche en sucre monomérique qu’on peut valoriser tel quel, en parallèle de la production d’éthanol 23.
De ces différentes mises en oeuvre de l’invention, on en voit tous les avantages : L’hydrolysat de sucres lignocellulosiques composé d’un mélange de sucres à 6 et 5 atomes de carbone est purifié en un hydrolysat contenant des sucres en C5/ C6 à haute teneur en sucre monomérique/faible teneur en sucre oligomérique:
L’utilisation de ce mélange traité de sucres C5/C6 est bénéfique pour de nombreuses applications de conversion chimique (conversion du xylose en xylitol par catalyse) ou biochimiques (propagation de levures, induction de champignon pour la production d’enzymes par exemple).
A noter que le traitement de jus sucrée par hydrolyse enzymatique s’effectue sur un milieu clair, il est facile de séparer les enzymes par une séparation par tamisage, par différence de taille entre les composants à séparer et celle des pores de la membrane, par exemple des membranes d’ultrafiltration, pour retirer et recycler les micro-organismes.
On peut concentrer le jus sucré traité selon l’invention, si nécessaire, jusqu’à une teneur de par exemple 50 g/kg, ce qui est d’autant plus avantageux que ce jus de sucres est utilisé pour la production des enzymes et propagation des levures. L’étape de traitement de jus est donc parfaitement intégrée à la production d’éthanol et/ou de sucres 2G.
Exemples mettant en oeuyre un procédé de conversion de biomasse
Exemple 9: Procédé de production de sucres (comparatif) :
Une biomasse lignocellu losique 1 contenant 24% poids de xylane et 33% poids de cellulose et dont la teneur en matière sèche est de 88% poids subit un prétraitement 2 qui consiste en :
- une imprégnation par une solution aqueuse d’acide sulfurique : l’imprégnation est effectuée en présence de liqueur acide chauffée à 80°C. La concentration en acide dans la liqueur est de 2,5% poids (exprimée en % poids d’H2SC>4). - l’introduction de cette biomasse imprégnée au sein d’un réacteur sous pression chauffé à 185°C avec injection de vapeur, pendant un temps de séjour de 5 min.
- une détente à pression atmosphérique libérant de la vapeur et une biomasse prétraitée ayant un taux de matière sèche de 44% poids.
Les conversions sont indiquées dans le tableau 5 ci-dessous :
[Table 5]
La biomasse prétraitée 3 est ensuite mise en contact avec de l’eau 5 et alimente un filtre-à- bande 4 pour effectuer une séparation solide/liquide permettant l’obtention du jus sucré 6 et d’une biomasse prétraitée et lavée 7.
La teneur en sucres dans le jus sucré 6 est déterminée par HPLC (Chromatographie phase liquide haute performance), et permet de déterminer un rendement d’extraction des sucres défini comme étant le ratio entre la quantité de sucres extraits dans le jus 6 et la quantité de sucres présents dans la biomasse prétraitée 3. Ce rendement est de 77%.
La concentration en composés d’intérêt de ce jus sucré est donnée dans le tableau 6 ci- dessous, avec des concentrations exprimées en g par kg de jus. A noter qu’il est possible que le jus contienne des impuretés autres, qu’on n’a pas cherché à analyser, par exemple du type sel (minéral) ou acide, dans de (très) faibles teneurs. La teneur en matière sèche dans le jus sucré est de 6,9% poids. Le jus contient 43,0 g/kg de sucres glucose et xylose.
Les concentrations des sucres minoritaires, comme l’arabinose, le galactose et le mannose pour cette biomasse, ne sont pas indiquées.
[Table 6]
Le rendement en sucres monomériques C5 et C6 dans le jus par rapport aux sucres potentiels C5 et C6 présents dans la biomasse est de 17,4%. Le rendement en sucres monomériques C5 par rapport aux sucres C5 potentiels présents dans la biomasse lig nocellulosique est de 33,8% poids, et le rendement en sucres monomériques C6 par rapport aux sucres C6 potentiels présents dans la biomasse lignocellu losique est de 6,7% poids.
La biomasse prétraitée et lavée 7 alimente un réacteur d’hydrolyse enzymatique 14. L’hydrolyse est réalisée dans les conditions opératoires suivantes : 50°C, pH 4,8. La teneur en matière sèche est de 16,8% poids, soit 7,5% poids de cellulose. La quantité d’enzymes ajoutée est de 21 ,7 mg protéines/g cellulose. Le cocktail enzymatique utilisé a été produit par Trichoderma reeseiet possède une activité FPase et beta-glucosidase. Dans les conditions mises en oeuvre, le rendement de conversion de la cellulose en glucose est de 83% poids.
L’hydrolysat obtenu 15 est ensuite filtré sur un filtre-presse pour éliminer un résidu solide 19 et obtenir un jus sucré 20.
La teneur en sucres dans le jus sucré 20 est déterminée par HPLC (Chromatographie phase liquide haute performance), et permet de déterminer un rendement d’extraction des sucres défini comme étant le ratio entre la quantité de sucres extraits dans le jus 20 et la quantité de sucres présents dans l’hydrolysat 15 : ce rendement est de 74%.
La teneur en matière sèche du résidu solide 19 est de 33,5% poids.
La concentration en composés d’intérêt dans le jus sucré 20 est donnée dans le tableau 7 ci- dessous, avec des concentrations exprimées en g par kg de jus. A noter qu’il est possible que le jus contienne des impuretés autres, qu’on n’a pas cherché à analyser, par exemple du type sel (minéral) ou acide, dans de (très) faibles teneurs. La teneur en matière sèche dans le jus sucré est de 9,3% poids. Les concentrations des sucres minoritaires, comme l’arabinose, le galactose et le mannose pour cette biomasse, ne sont pas indiquées. [Table 7]
Le rendement en sucres monomériques dans le jus par rapport aux sucres potentiels présents dans la biomasse est de 36,4%.
Ainsi, en rassemblant les deux jus de sucres obtenus, le jus 6 et le jus 20, le rendement en sucres monomériques par rapport aux sucres potentiels présents dans la biomasse est de 53,8% poids. Le rendement en sucres monomériques C5 par rapport aux sucres C5 potentiels présents dans la biomasse lignocellulosique est de 41 ,9% poids, et le rendement en sucres monomériques C6 par rapport aux sucres C6 potentiels présents dans la biomasse lignocellulosique est de 61 ,5% poids.
Exemple 10 : Procédé de production de sucres - Selon l’invention
Une biomasse lignocellulosique 1 contenant 24% poids de xylane et 33% poids de cellulose et dont la teneur en matière sèche est de 88% poids subit un prétraitement 2 qui consiste en :
- une imprégnation par une solution aqueuse d’acide sulfurique : l’imprégnation est effectuée en présence de liqueur acide chauffée à 80°C. La concentration en acide dans la liqueur est de 2,5% poids (exprimée en % poids d’H2SC>4).
- l’introduction de cette biomasse imprégnée au sein d’un réacteur sous pression chauffé à 185°C avec injection de vapeur, pendant un temps de séjour de 5 min.
- une détente à pression atmosphérique libérant de la vapeur et une biomasse prétraitée ayant un taux de matière sèche de 44% poids.
Les conversions sont indiquées dans le tableau 8 ci-dessous : [Table 8]
La biomasse prétraitée 3 est ensuite mise en contact avec de l’eau 5 et alimente un filtre-à- bande 4 pour effectuer une séparation solide/liquide permettant l’obtention du jus sucré 6 et d’une biomasse prétraitée et lavée 7.
La teneur en sucres dans le jus sucré 6 est déterminée par HPLC (Chromatographie phase liquide haute performance), et permet de déterminer un rendement d’extraction des sucres défini comme étant le ratio entre la quantité de sucres extraits dans le jus 6 et la quantité de sucres présents dans la biomasse prétraitée 3. Ce rendement est de 77%.
La concentration en composés d’intérêt de ce jus sucré est donnée dans le tableau 9 ci- dessous, avec des concentrations exprimées en g par kg de jus. A noter qu’il est possible que le jus contienne des impuretés autres, qu’on n’a pas cherché à analyser, par exemple du type sel (minéral) ou acide, dans de (très) faibles teneurs. La teneur en matière sèche dans le jus sucré initial est de 6,9% poids. Le jus contient 43,0 g/kg de sucres glucose et xylose. Les concentrations des sucres minoritaires, comme l’arabinose, le galactose et le mannose pour cette biomasse, ne sont pas indiquées.
[Table 9]
Le jus sucré 6 est traité dans un réacteur 24 agité en batch, pendant 1 heure à 120°C en présence d'H2SC>4. 1% poids d’H2SC>4 pur est ajouté au jus sucré 6.
La concentration en composés d’intérêt dans le jus sucré après traitement par hydrolyse acide est donnée dans le tableau 10 ci-dessous, avec des concentrations exprimées en g par kg de jus. A noter qu’il est possible que le jus contienne des impuretés autres, qu’on n’a pas cherché à analyser, par exemple du type sel (minéral) ou acide, dans de (très) faibles teneurs.
[Table 10]
Le jus sucré 26 obtenu selon le procédé de l’invention présente donc une teneur en sucres oligomériques réduite de 35% par rapport au jus sucré 6. Le rendement en sucres monomériques C5 et C6 dans le jus par rapport aux sucres potentiels présents dans la biomasse lignocellulosique 1 est de 18,2% poids. L’augmentation du rendement en glucose et en xylose dans le jus 26 est respectivement de 9% poids et 4% poids.
La biomasse prétraitée et lavée 7 alimente un réacteur d’hydrolyse enzymatique 14. L’hydrolyse est réalisée dans les conditions opératoires suivantes : 50°C, pH 4,8. La teneur en matière sèche est de 16,8% poids, soit 7,5% poids de cellulose. La quantité d’enzymes ajoutée est de 21 ,7 mg protéines/g cellulose. Le cocktail enzymatique utilisé a été produit par Trichoderma reeseiet possède une activité FPase et beta-glucosidase. Dans les conditions mises en oeuvre, le rendement de conversion de la cellulose en glucose est de 83% poids. L’hydrolysat obtenu 15 est ensuite filtré sur un filtre-presse pour éliminer un résidu solide 19 et obtenir un jus sucré 20.
La teneur en sucres dans le jus sucré 20 est déterminée par HPLC (Chromatographie phase liquide haute performance), et permet de déterminer un rendement d’extraction des sucres défini comme étant le ratio entre la quantité de sucres extraits dans le jus 20 et la quantité de sucres présents dans l’hydrolysat 15 : ce rendement est de 74%.
La teneur en matière sèche du résidu solide 19 est de 33,5% poids.
La concentration en composés d’intérêt dans le jus sucré 20 est donnée dans le tableau 11 ci-dessous, avec des concentrations exprimées en g par kg de jus. A noter qu’il est possible que le jus contienne des impuretés autres, qu’on n’a pas cherché à analyser, par exemple du type sel (minéral) ou acide, dans de (très) faibles teneurs. La teneur en matière sèche dans le jus sucré est de 9,3% poids. Les concentrations des sucres minoritaires, comme l’arabinose, le galactose et le mannose pour cette biomasse, ne sont pas indiquées.
[Table 11]
Le rendement en sucres monomériques dans le jus par rapport aux sucres potentiels présents dans la biomasse est de 36,4%.
Ainsi, en rassemblant les deux jus de sucres obtenus, le jus 26 et le jus 20, le rendement en sucres monomériques par rapport aux sucres potentiels présents dans la biomasse est de 55%poids, donc un rendement amélioré. Le rendement en sucres monomériques C5 par rapport aux sucres C5 potentiels présents dans la biomasse lignocellulosique est de 43,1% poids, et le rendement en sucres monomériques C6 par rapport aux sucres C6 potentiels présents dans la biomasse lignocellulosique est de 62,1% poids.
Exemple 11 : Procédé de production de sucres - selon l’invention Une biomasse lignocellu losique 1 contenant 24% poids de xylane et 33% poids de cellulose et dont la teneur en matière sèche est de 88% poids subit un prétraitement 2 qui consiste en :
- une imprégnation par une solution aqueuse d’acide sulfurique : l’imprégnation est effectuée en présence de liqueur acide chauffée à 80°C. La concentration en acide dans la liqueur est de 2,5% poids (exprimée en % poids d’H2SC>4).
- l’introduction de cette biomasse imprégnée au sein d’un réacteur sous pression chauffé à 150°C avec injection de vapeur, pendant un temps de séjour de 7 min.
- une détente à pression atmosphérique libérant de la vapeur et une biomasse prétraitée ayant un taux de matière sèche de 45% poids.
Les conversions sont indiquées dans le tableau 12 ci-dessous :
[Table 12]
La biomasse prétraitée 3 est ensuite mise en contact avec de l’eau 5 et alimente un filtre-à- bande 4 pour opérer une séparation solide/liquide permettant l’obtention du jus sucré 6 et d’une biomasse prétraitée et lavée 7.
La teneur en sucres dans le jus sucré 6 est déterminée par HPLC (Chromatographie phase liquide haute performance), et permet de déterminer un rendement d’extraction des sucres défini comme étant le ratio entre la quantité de sucres extraits dans le jus 6 et la quantité de sucres présents dans la biomasse prétraitée 3. Ce rendement est de 77%.
La concentration en composés d’intérêt de ce jus sucré est donnée dans le tableau 13 ci- dessous, avec des concentrations exprimées en g par kg de jus. A noter qu’il est possible que le jus contienne des impuretés autres, qu’on n’a pas cherché à analyser, par exemple du type sel (minéral) ou acide, dans de (très) faibles teneurs. La teneur en matière sèche dans le jus sucré initial est de 8,0% poids. Le jus contient 37,3 g/kg de sucres glucose et xylose.
Les concentrations des sucres minoritaires, comme l’arabinose, le galactose et le mannose pour cette biomasse, ne sont pas indiquées.
[Table 13]
Le rendement en sucres monomériques C5 et C6 dans le jus par rapport aux sucres potentiels présents dans la biomasse lignocellulosique est de 15%.
Les conditions opératoires mises en oeuvre à l’étape de prétraitement 2, notamment le temps de séjour, la température et la concentration en acide dans la liqueur, permettent d’avoir un rendement en sucres monomériques C5 par rapport aux sucres potentiels C5 présents dans la biomasse de 33,8% poids, soit un rendement équivalent à celui de l’exemple 9, mais avec des conditions de prétraitement moins sévères : .
En effet, la température de l'étape de prétraitement est ici de 150°C et non de 185°C, et on obtient pourtant le même rendement sucres 5 dans le jus 6, avec un gain supplémentaire de rendement grâce à l'étape d'hydrolyse selon l'invention qui permet d'avoir un jus 26 appauvri en oligomères et riches en monomères C5.
Le jus sucré 6 est traité dans un réacteur agité en batch 24, pendant 1 heure à 120°C en présence d'H2SC>4 à 1% poids d’H2SC>4 pur est ajouté au jus sucré 6.
La concentration en composés d’intérêt dans le jus sucré après traitement par hydrolyse acide est donnée dans le tableau 14 ci-dessous, avec des concentrations exprimées en g par kg de jus. A noter qu’il est possible que le jus contienne des impuretés autres, qu’on n’a pas cherché à analyser, par exemple du type sel (minéral) ou acide, dans de (très) faibles teneurs.
[Table 14]
Le jus sucré 26 obtenu selon le procédé de l’invention présente donc une teneur en sucres oligomériques réduite de 35% par rapport au jus sucré 6. Le rendement en sucres monomériques dans le jus par rapport aux sucres potentiels présents dans la biomasse est de 18,1% poids. L’augmentation du rendement en glucose et en xylose dans le jus 26 est respectivement de 45% poids et 18% poids.
La biomasse prétraitée et lavée 7 alimente un réacteur d’hydrolyse enzymatique 14. L’hydrolyse est réalisée dans les conditions opératoires suivantes : 50°C, pH 4,8. La teneur en matière sèche est de 16,6% poids, soit 7,5% poids de cellulose. La quantité d’enzymes ajoutée est de 21 ,7 mg protéines/g cellulose. Le cocktail enzymatique utilisé a été produit par Trichoderma reeseiet possède une activité FPase et beta-glucosidase. Dans les conditions mises en oeuvre, le rendement de conversion de la cellulose en glucose est de 83% poids.
L’hydrolysat obtenu 15 est ensuite filtré sur un filtre-presse pour éliminer un résidu solide 19 et obtenir un jus sucré 20.
La teneur en sucres dans le jus sucré 20 est déterminée par HPLC (Chromatographie phase liquide haute performance), et permet de déterminer un rendement d’extraction des sucres défini comme étant le ratio entre la quantité de sucres extraits dans le jus 20 et la quantité de sucres présents dans l’hydrolysat 15 : ce rendement est de 74%.
La teneur en matière sèche du résidu solide 19 est de 33,5% poids.
La concentration en composés d’intérêt dans le jus sucré 20 est donnée dans le tableau 15 ci-dessous, avec des concentrations exprimées en g par kg de jus. A noter qu’il est possible que le jus contienne des impuretés autres, qu’on n’a pas cherché à analyser, par exemple du type sel (minéral) ou acide, dans de (très) faibles teneurs. La teneur en matière sèche dans le jus sucré est de 9,4% poids. Les concentrations des sucres minoritaires, comme l’arabinose, le galactose et le mannose pour cette biomasse, ne sont pas indiquées.
[Table 15]
Le rendement en sucres monomériques dans le jus par rapport aux sucres potentiels présents dans la biomasse est de 38,4%.
Ainsi, en rassemblant les deux jus de sucres obtenus, le jus 26 et le jus 20, le rendement en sucres monomériques par rapport aux sucres potentiels présents dans la biomasse lig nocellulosique 1 est de 57% poids. Le rendement en sucres monomériques C5 par rapport aux sucres C5 potentiels présents dans la biomasse lig nocellulosique est de 50,9% poids, et le rendement en sucres monomériques C6 par rapport aux sucres C6 potentiels présents dans la biomasse lignocellulosique est de 60,2% poids Le procédé selon l’invention permet donc d’atteindre des rendements élevés en sucres monomériques, tout en réduisant la température à l’étape de prétraitement, ce qui est très avantageux du point de vue de la consommation énergétique du procédé (réduction de la consommation de vapeur).

Claims

Revendications
1 . Procédé de traitement d’une biomasse lignocellu losique, ledit procédé comprenant
- a) une étape de prétraitement (2) de la biomasse, comprenant une cuisson de la biomasse, éventuellement accompagnée d’une explosion à la vapeur, pour obtenir une biomasse prétraitée (3)
- b) une première étape de séparation solide/liquide de tout ou partie (3a) de la biomasse prétraitée (3) obtenue à l’étape a) en une première fraction solide (7) de biomasse prétraitée et une première fraction liquide (6) comprenant un mélange de composés, notamment en phase aqueuse, comprenant des sucres C5 avec 5 carbones et des sucres C6 avec 6 carbones, lesdits sucres C5 et/ou lesdits sucres C6 étant pour partie sous forme monomérique et pour partie sous forme oligomérique
- c) une première étape d’hydrolyse enzymatique (14) de la première fraction solide (7) de biomasse prétraitée obtenue à l’étape b), pour obtenir un hydrolysat (15) sous forme de sucre(s), dont des sucres C6 avec 6 carbones,
- d) une étape de traitement (24) de ladite première fraction liquide (6) obtenue à l’étape b) par hydrolyse en condition acide et/ou par une deuxième hydrolyse enzymatique, afin d’obtenir une première fraction liquide traitée (26) qui est enrichie en sucres C5 sous forme monomérique et/ou en sucres C6 sous forme monomérique et appauvrie en sucres C5 forme oligomérique et/ou en sucres C6 sous forme oligomérique.
2. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l’étape de traitement d) est une étape d’hydrolyse en condition acide opérée à une température d’au moins 60°C, notamment d’au moins 70°C, notamment d’au moins 75°C, ou d’au moins 80°C, ou d’au moins 90°C, ou d’au moins100°C, et de préférence d’au plus 140°C, notamment d’au plus 130°C.
3. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’étape de traitement d) est une étape d’hydrolyse en condition acide opérée avec au moins 0,1% poids d’acide ajouté dans ladite première fraction liquide (6), notamment entre 0,2 et 2,8% poids d’acide dans ledit mélange, et/ou avec un pH d’au plus 4,5, et de préférence compris entre 0,5 et 2,5.
4. Procédé selon la revendication 1 , caractérisé en ce que l’étape de traitement d) est une deuxième étape d’hydrolyse enzymatique opérée à une température d’au plus 80°C ou d’au plus 70°C, notamment d’au moins 20°C, et est de préférence comprise entre 40 et 60°C.
5. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’étape de traitement d) est une étape d’hydrolyse enzymatique opérée à un pH d’au moins 3, notamment au moins 3,5, notamment d’au moins 4, et de préférence d’au plus 6.
6. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’étape de traitement d) est une étape d’hydrolyse enzymatique, et en ce qu’elle comprend une sous- étape d1) de séparation des enzymes de la première fraction liquide traitée (26), afin d’obtenir d’une part une première fraction liquide traitée et séparée (29), et d’autre part une fraction d’enzymes (28) qui est au moins pour partie recyclée à l’étape d).
7. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que seule une première partie (3a) de la biomasse prétraitée (3) obtenue à l’étape a) est conduite vers la première étape b) de séparation solide/liquide, et en ce qu’une deuxième partie (3b) de la biomasse prétraitée (3) est conduite directement à l’étape c) d’hydrolyse enzymatique.
8. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comprend également une étape e) de fermentation (16) par des deuxièmes micro-organismes de l’hydrolysat sous forme de sucre(s) obtenu à l’étape c), afin d’obtenir une biomasse fermentée (17) comprenant au moins un alcool, notamment de l’éthanol.
9. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comprend une étape f) de production d’enzymes (8) à partir de premiers micro-organismes, notamment des champignons, afin d’utiliser lesdites enzymes pour assurer l’hydrolyse enzymatique de l’étape c), et en ce qu’on envoie tout ou partie de la première fraction liquide traitée (26) obtenue à l’étape d) en tant que substrat de croissance desdits premiers micro-organismes et/ou de production des enzymes par lesdits premiers micro-organismes.
10. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce qu’il comprend une étape i) de propagation (11 ) de deuxièmes micro-organismes de fermentation, afin d’utiliser lesdits micro-organismes, notamment des levures, pour assurer la fermentation de l’étape e), et en ce qu’on envoie tout ou partie tout ou partie de la première fraction liquide traitée (26) obtenue à l’étape d) vers ladite étape i) en tant que substrat de propagation desdits troisièmes micro-organismes.
11 . Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce qu’on envoie tout ou partie de la première fraction liquide traitée (26) obtenue à l’étape d) à l’étape e) de fermentation (16).
12. Procédé selon l’une des revendications 8 ou 10 ou 11 , caractérisé en ce que les premiers micro-organismes utilisés à l’étape f) et éventuellement les deuxièmes micro- organismes utilisés aux étapes i) et e) sont choisis parmi les levures, les bactéries, les champignons, et de préférence parmi les levures dans le genre Saccharomyces, notamment l’espèce Saccharomyces cerevisae ou, parmi les bactéries, dans le genre Corynebacterium.
13. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le prétraitement (2) selon l’étape a) de la biomasse comprend
- a1) une sous-étape d’imprégnation de la biomasse (1) par une liqueur, notamment acide, pour obtenir une biomasse imprégnée
- a2) une sous-étape de cuisson de la biomasse imprégnée, éventuellement accompagnée d’une explosion à la vapeur, pour obtenir une biomasse prétraitée (3).
14. Procédé selon la revendication 8, 10 ou 11 , caractérisé en ce qu’il comprend également :
- une étape j) de séparation, notamment par distillation (21), de la biomasse fermentée sous forme d’alcool (20) obtenue à l’étape e), avec une éventuelle étape k) de séparation solide/liquide de la biomasse fermentée avant ou après ladite étape j) de séparation.
15. Installation de traitement d’une biomasse lig nocellu losique, ladite installation comprenant
- a) une unité de prétraitement (2) de la biomasse, comprenant un dispositif de cuisson de la biomasse, éventuellement accompagnée d’une explosion à la vapeur, pour obtenir une biomasse prétraitée
- b) une première unité de séparation solide/liquide (4), comprenant notamment un dispositif de filtration, de tout ou partie (3a) de la biomasse prétraitée (3) obtenue dans l’unité a) en une première fraction solide (7) de biomasse prétraitée et une première fraction liquide (6) comprenant un mélange de composés, notamment en phase aqueuse, comprenant des sucres C5 avec 5 carbones et des sucres C6 avec 6 carbones, lesdits sucres C5 et/ou lesdits sucres C6 étant pour partie sous forme monomérique et pour partie sous forme oligomérique
- c) une unité d’hydrolyse enzymatique (14) de la première fraction solide (7) de biomasse prétraitée obtenue à l’étape b), pour obtenir un hydrolysat (15) sous forme de sucre(s), dont des sucres C6 avec 6 carbones,
- une unité de traitement (24) de ladite première fraction liquide (6) obtenue à l’étape b) par hydrolyse en condition acide et/ou par hydrolyse enzymatique, afin d’obtenir une première fraction liquide traitée (26) qui est enrichie en sucres C5 sous forme monomérique et/ou en sucres C6 sous forme monomérique et appauvrie en sucres C5 forme oligomérique et/ou en sucres C6 sous forme oligomérique.
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