FR2601036A1 - Procede de liquefaction de betteraves par hydrolyse enzymatique et hydrolysat liquide obtenu - Google Patents
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Abstract
L'INVENTION SE RAPPORTE AUX BIOTECHNOLOGIES. ELLE CONCERNE NOTAMMENT UN PROCEDE DE LIQUEFACTION DE BETTERAVES METTANT EN JEU UN MELANGE D'ENZYMES COMPRENANT UNE SPS-ASE, UNE CELLULASE ET UNE CELLOBIASE. LE PRODUIT OBTENU EST UTILE POUR LA PREPARATION D'ALCOOL ETHYLIQUE PAR FERMENTATION.
Description
L'invention concerne un procédé de liquéfaction de betteraves par voie
enzymatique et l'hydrolysat
liquide obtenu.
Le mode habituel de traitement des betteraves à sucre consiste à les découper en fines lanières (cossettes) et à extraire le saccharose de celles-ci par diffusion. On obtient ainsi un jus sucré qui peut servir à la production de sucre pour l'alimentation. On peut aussi faire subir à ce jus sucré une fermentation alcoo10 lique pour produire de l'alcool éthylique. Après l'extraction par diffusion, il reste une pulpe qui peut servir,
après séchage, à l'alimentation du bétail.
La présente invention a pour objet un nouveau procédé visant à convertir directement les betteraves par voie enzymatique en un hydrolysat liquide, sans avoir recours à une extraction par diffusion, et sans nécessité
d'un ajout d'eau avant ou pendant le traitement.
Plus précisément, l'invention concerne un procédé de liquéfaction de betteraves comprenant les 20 étapes suivantes: a) broyer grossièrement des betteraves préalablement lavées de façon à les réduire en petits morceaux; b) ajouter et mélanger aux betteraves, pendant ou après leur broyage, un agent bactériostatique, une propor25 tion efficace d'un mélange d'enzymes comprenant au moins une SPS-ase, une cellulase et une cellobiase, et un acide de façon à régler le pH du produit broyé dans la gamme de 3 à 5,5 environ; c) laisser le mélange d'enzymes effectuer une pré30 hydrolyse du produit broyé pendant 2 à 6 heures environ, d) pendant'ou après l'étape c), broyer finement le produit à l'état de bouillie; e) poursuivre l'hydrolyse du produit broyé à l'état de bouillie par le mélange d'enzymes pendant 20 à 120 heures 35 environ; et
f) récupérer le produit hydrolysé liquide résultant.
Le procédé de l'invention est applicable tant aux betteraves à sucre qu'aux betteraves fourragères
et aux hybrides de ces types de betteraves.
Le broyage grossier a) des betteraves peut s'effectuer sans addition d'eau dans tout type de broyeur5 malaxeur approprié, par exemple du type à hélice rotative.
Dans cette étape les betteraves sont broyées en petits
morceaux d'une grosseur de l'ordre de 1cm environ.
L'agent bactériostatique ajouté dans l'étape d) ne doit pas gêner l'action des enzymes. Un exemple d'agent bactériostatique utilisable est le formol à raison d'environ 0,5 à 2 litres par tonne de betteraves (0,05 à 0,2%), de préférence à raison d'environ 1 litre par tonne (0,1%). Cet agent sert à éviter les proliférations microbiennes. Des agents bactériostatiques autres 15 que le formol pourraient bien sûr être utilisés, mais le formol présente l'avantage d'être très bon marché
et facilement disponible.
L'acide ajouté dans l'étape b) peut être un acide minéral ou organique. L'acide sulfurique convient 20 particulièrement bien. On ajoute l'acide de façon que
le pH soit dans la gamme de 3-5,5, de préférence 3,5-5.
Le mélange d'enzymes utilisé tant pour effectuer la préhydrolyse c) que l'hydrolyse e) doit comprendre au moins
une SPS-ase, une cellulase et une cellobiase.
La SPS-ase et sa préparation sont décrites en détail dans FR-A-2 518 570 au nom de NOVO INDUSTRI A/S. Cette enzyme est ordinairement obtenue à partir
de microorganismes du genre Aspergillus.
Une composition d'enzymes contenant de la 30 SPS-ase est commercialisée par la Société danoise NOVO INDUSTRI A/S sous la désignation "SP 249" et présente les activités enzymatiques suivantes, décrites selon
la nomenclature internationale.
Pectinases: Pectinestérase - EC 3.1.1.11 Polygalacturonase - EC 3.2.1.15 Exopolygalacturonase - EC 3.2.1.67
Pectinelyase (transeliminase) - EC 4.2.2.2.
Cellulases: Endo 1,4 bêta-glucanase - EC 3.2.1.4 Hemicellulases: Alphaglucosidase - EC 3.2.1.20 Bêta-glucosidase - EC 3.2.1.21 Alphagalactosidase - EC 3.2.1.22 Bêta-galactosidase - EC 3.2.1.23 Bêtamannosidase - EC 3.2.1.25 Alpha-L arabinofuranosidase - EC 3.2.1.55 Endo 1,4 bêta-mannanase - EC 3.2.1.78 Le "SP 249" est un liquide brun dont les specifications principales sont les suivantes: polygalacturonase (EC 3.2. 1.15) 9640 PGU/g 15 pectinase 2152 KPU/g SPS-ase 29 SPSU/g cellulase (EC 3.2.1.4) 673 A-NCU/g /3-glucanase fongique (EC 3.2.1.4) 84 FBGU/g hemicellulase (EC 3.2.1.78) 225 KVHCU/g Comme cellulase, on peut, par exemple, utiliser celle produite par fermentation submergée d'une sou che de Trichoderma reesei. Un exemple de cellulase de ce type est le produit Celluclast vendu par la Société danoise NOVO INDUSTRI A/S.Le Celluclast présente une activité cellulase de 1500 ANCU/g et possède également des exo-activités cellobiohydrolase (EC 3.2.1.91) et exo-bêta-1,4Dglucosidase (EC 3.2.1.74) et l'endoactivité endo bêta-1,4D-glucanase (EC 3.2.1.4). Une autre
cellulase du commerce utile est la "SP-300" également 30 de NOVO INDUSTRI A/S.
Comme cellobiase, on peut, par exemple, utiliser celle produite par fermentation submergée d'une souche d'Aspergillus niger. Un exemple de cellobiase de ce type est le produit "Novozym 188" vendu par la 35 Société danoise NOVO INDUSTRI A/S, qui présente une
activité cellobiase de 250 CBU/g.
Ces enzymes peuvent être utilisées en proportions relatives variées. A titre indicatif, on peut utiliser 50-75%o de SP 249, 5-50% de Celluclast et -50% de Novozym 188, ces proportions étant en poids par rapport au poids total d'enzymes. D'autres enzymes telles que des pectinases, des glucanases, des galactoman5 nases, des protéases, etc... peuvent être présentes dans
le mélange d'enzymes précité, si désiré.
La proportion d'enzymes par rapport aux betteraves peut elle aussi varier largement. En termes d'unités d'activité par kg de matières sèches contenues 10 dans les betteraves, les enzymes pourront être utilisées dans les gammes suivantes-: Unités/kg de matières sèches Enzyme Gamme large Gamme préférée SPS-ase 15 à 800 20 à 190 Cellulase 380-42000 700 à 7000 Cellobiase 10-4500 20 à 400 Les enzymes optionnelles pourront, de leur côté, être présentes dans les gammes d'activité suivantes: Unités/kg de matières sèches 20 Enzyme Gamme large Gamme préférée polygalacturonase 5000-250000 9000 à 60000 pectinase 1000-55000 2000 à 14000 13 glucanase fongique 40-2500 80 à 550 hemicellulase 120-6000 200 à 1500 Lorsqu'on utilise les mélanges des produits du commerce SP 249, Celluclast et Novozym 188, ces gammes correspondent sensiblement à 0,5 à 5 kg de mélange par
tonne de betteraves.
Il y a lieu de noter que les unités d'activité 30 des enzymes indiquées correspondent aux unités déterminées par les méthodes mises au point par la Société NOVO INDUSTRI A/S, lesquelles sont disponibles auprès de cette Société
sur demande.
Pour une activité optimale des enzymes, 35 la température au cours des étapes de préhydrolyse et d'hydrolyse sera comprise entre 35 et 60 C. De préférence, la température sera comprise entre 35 et 55 C pendant la préhydrolyse c) et entre 45 et 55 C pendant l'hydrolyse e). La durée de l'étape de préhydrolyse c) peut aller de 2 à 6 heures, de préférence 2 à 3 heures, et 5 celle de l'hydrolyse e) peut aller de 20 à 120 heures
de préférence de 40 à 72 heures.
L'étape d) de broyage fin à l'état de bouillie, peut se mettre en oeuvre dans tous appareils exerçant un effet de cisaillement important. Un exemple d'appa10 reil qui s'est révélé particulièrement bien convenir est un dépastilleur du genre de ceux utilisés par l'industrie de la pâte à papier. Dans cette étape les morceaux de betteraves sont réduits à une grosseur de l'ordre
de 0,1 mm environ ou moins.
L'invention concerne également, à titre de produit nouveau, un produit aqueux liquide obtenu directement par hydrolyse enzymatique de betteraves, caractérisé en ce qu'il contient, comme principaux ingrédients, du glucose, du fructose, des polyosides ayant des degrés de polymérisation de 2 et 3, et des composés azotés, ce produit ayant un pH acide, une viscosité non
supérieure à 300 mPa.s, et une teneur en matières solides en suspension n'excédant pas 2% en poids.
Elle concerne, en particulier'un tel produit 25 aqueux liquide ayant un pH de 4 à 5 et une viscosité
non supérieure à 150 mPa.s.
Elle concerne également les produits aqueux obtenus par concentration et éventuellement clarification
dudit produit aqueux liquide.
Par exemple, en partant de bettraves sucrières ayant la composition typique suivante:
CONSTITUANTS KG/T
SACCHAROSE 160
5.NON SUCRE SOLUBLE (1) 20
INSOLUBLES (2) 50
dont CELLULOSE 10
MATIERES MINERALES B
EAU 770
(1) matière organique et minérale soluble autre que le saccharose (2) matière organique et minérale insoluble On peut obtenir un produit hydrolysé liquide ayant typiquement les caractéristiques suivantes: 15 pH 4-4,5
DENSITE 1,09
VISCOSITE (mPa.s) 50-150
MATIERE EN SUSPENSION 0,8-1,5
(%D p/p) MATIERES SECHES REFRACTOMETRIQUES 20-22g/100g de solution MATIERE SECHE O10TALE (%) 24-25 SUCRES TOTAUX (exprimés en équivalent glucose): 160-200g/l NATURE BIOCHIMIQUE Proportion, o. le %
GLUCOSE 30-33
FRUCTOSE 17-27
DP2(3) 23-25
DP3(3) 21-14
DP4(3) et plus 3-0,5
PENTOSES 10-20
ACIDE GALACTURONIQUE 1
(3) dpn: polyoside de degré de polymérisation n AZOTE (X 6,25) 0,5-1,3 () FIBRES (exprimés en % de la fraction insoluble):
HEMICELLULOSE 34
CELLULOSE 18
LIGNINE 3
Ce produit peut être clarifié pour éliminer les matières insolubles en suspension, par exemple par filtration ou même par centrifugation, et/ou concentré, par exemple à l'aide d'un évaporateur rotatif. On donne ciaprès, à titre indicatif, les caractéristiques d'hydrolysats clarifiés, clarifiés concentrés, et concentrés, obtenus à partir de l'hydrolysat de betteraves sucrières ci-dessus.
HYDROLYSAT CLARIFIE
DENSITE 1,09
VISCOSITE (mPa.s) 5-10 MATIERES SECHES REFRACTOMETRIQUES 20-22g/100g de solution MATIERE EN SUSPENSION 1-2 (% v/v)
COMPOSITION EN SUCRES IDENTIQUE A CELLE DE L'HYDROLYSAT BRUT
* HYDROLYSAT CLARIFIE CONCENTRE
DENSITE 1,3
VISCOSITE (mPa.s à 20 C) 90 MATIERES SECHES REFRACTOMETRIQUES 63-67g/100g de solution COMPOSITION RELATIVE EN SUCRES IDENTIQUE A CELLE DE L'HY-20 DROLYSAI CLARIFIE
HYDROLYSAI BRUT CONCENTRE
DENSITE 1,35
VISCOSITE (Pa.s à 200C) 18-20 MATIERES SECHES REFRACTOMETRIQUES 5060g/100g de solution 25 ACTIVITE DE L'EAU 0,78-0,82 COMPOSITION EN SUCRES IDENTIQUE A CELLE DE L'HYDROLYSAT BRUI Les hydrolysats de l'invention qu'ils soient bruts et/ou clarifiés et/ou concentré, sont des produits utiles, notamment pour la production d'alcool éthylique
par fermentation aleoolique classique à l'aide de levures.
On peut obtenir de l'alcool avec des rendements améliorés (3 à 12 points de pourcentage en plus) par rapport à la technique classique. Il faut veiller, toutefois, à ce que l'activité rémanente de l'agent bactériostatique ne gêne pas le développement des levures ou leur activité fermentaire.
Les exemples non limitatifs suivants sont donnés afin d'illustrer l'invention.
Les exemples ont été conduits en utilisant l'appareillage -pilote représenté schématiquement sur la figure unique. Cet appareillage comprend un broyeur-malaxeur 1 du type à hélice rotative ouvert à sa partie supérieure pour l'introduction des betteraves et des divers ingrédients à incorporer (acide, bactériostatique, enzymes), 10 et relié à sa partie inférieure, par un conduit 2 muni d'une vanne 3, à une pompe 4.Cette pompe 4 est elle-même reliée à un dépastilleur 5 par un conduit 6 muni d'une vanne 7. Le conduit 6 est connecté à sa partie médiane à un conduit 8-retournant au sommet 15 du broyeur 1. A la sortie du dépastilleur 5 est prévu un conduit 9 raccordé au conduit 8. Entre le point de raccordement des conduits 8 et 9 et le conduit 6 est prévue, sur le conduit 8, une vanne 10, tandis qu'une vanne 11 est disposée sur le conduit 8 juste 20 avant le sommet du brcyeur 1. En amont de la vanne 11, le conduit 8 se raccorde à un conduit 12 aboutissant au réacteur 13 à pales agitatrices 14, une vanne 15 étant prévue sur le conduit 12. Une conduite de sortie 16 est prévue à la base du réacteur 13 et commandée 25 par une vanne 17. Une chemise 18 à circulation d'eau est prévue autour du réacteur pour régler la température du réacteur, de l'eau froide ou de l'eau chaude pouvant y être admise, selon que l'on désire refroidir ou
réchauffer le réacteur.
Le fonctionnement de cet appareillage est le suivant: Le broyeur 1 étant en marche, on y introduit les betteraves, l'acide, l'agent bactériostatique et le
mélange d'enzymes.
Lorsque la réduction de la grosseur des morceaux de betteraves et le degré d'avancement de la pré-hydrolyse sont suffisamment avancés pour rendre le mélange pompable, on ouvre la vanne 3 et on met en marche la pompe 4 et le dépastilleur 5, les vannes 7 et 11 étant ouvertes et les vannes 10 et 15 fermées, de façon à faire passer les morceaux de betteraves dans le dépastilleur 5 et à les recycler au broyeur 1. Dans cette opération les morceaux de betteraves 10 voient leur grosseur fortement réduite, par exemple
à une grosseur de l'ordre de 0,1 mm environ ou moins.
A la fin de cette opération, on ferme les vannes 7 et 11 et on ouvre les vannes 10 et 15, de façon à envoyer les betteraves broyées à l'état de pulpe ou 15 suspension et préhydrolysées, au réacteur 14 o on
les laisse le temps nécessaire pour achever l'hydrolyse.
Enfin, les betteraves liquéfiées et hydrolysées sont évacuées du réacteur par la sortie 16, après ouverture
de la vanne 17.
Les exemples non limitatifs suivants
sont donnés en vue d'illustrer l'invention.
L'efficacité de l'hydrolyse est mesurée dans ces essais par le taux de conversion (ou taux de liquéfaction) X des matières normalement insolubles 25 des betteraves: So - St St X - - =1So So o So est la concentration initiale des betteraves 30 en matières insolubles et St est la concentration
en matières insolubles au temps t.
Dans tous les essais, des betteraves à sucre ont été broyées dans un broyeui-malaxeur à hélice de marque Lamort, d'un type utilisé dans l'industrie de la pâte à papier (pulpeur) en présence des additifs acide sulfurique (agent de réglage du pH), formol (agent bactériostatique) et mélange d'enzymes. Les betteraves ont été traitées dans le broyeurmalaxeur pendant environ 1 heure en faisant fonctionner ce dernier de façon intermittente de façon à ne pas dépasser environ C, et soumises à trois passes successives dans le 5 dépastilleur, également de marque Lamort et d'un type utilisé dans l'industrie de la pâte à papier (affineur) avec recyclage au broyeur de façon que la durée de préhydrolyse dans le broyeur, soit d'environ 2-3 heures. Ensuite, le produit broyé préhydrolysé a été transféré au réacteur 10 pour compléter l'hydrolyse. La proportion de formol était
de 0,1% en poids par rapport au poids de betteraves.
Le pH et la proportion d'enzymes étaient tels qu'indiqués dans le Tableau récapitulatif suivant qui résume les
conditions opératoires du traitement et le résultat des 15 essais.
T A B L E A U
Essai Mélange d'enzymes Hydrolyse Taux de conver- Viscosité du produit nature proportion, pH temp.,C durée, o obtenum Pa.; () litre/tonne heure
1 A(1) 0,83 4,7 50 70 61 300
2 A(1) 1,67 4 50 70 80 55
3 A(1) 1,25 4 50 48 77 85
4 A(1) 1,25 4 50 32/72 76/84 70/ < 30
B(2) 1,25 4 55 46 78 65
6 (3) A(1) 1,25 4 50 46 86 35
7 A(1) 1,26 3,68 50 48 76,1 30
8 + SP 300 0,2 kg/t
8 A(1) 3,60 50 48 68,5 115
+ Pectinex 1,26
3XL 1,25
(1) mélange, en poids, de 75% de SP 249, 20% de Celluclast et 5% de Novozym 188
(2) mélange,en poids, de 75 o de SP 249,20,% de SP 300 et 5,% de Novozym 188.
(3) essai réalisé à partir de betteraves fourragères contenant 12,3% de sucre.
(4) Pectinex 3XL est une pectinase vendue par NOVO FEENT A.G., Bâle (Suisse) Co o' 1;É)
Claims (15)
1. Un procédé de liquéfaction de betteraves comprenant les étapes suivantes: a) broyer grossièrement des betteraves préalablement lavées de façon à les réduire en petits morceaux; b) ajouter et mélanger aux betteraves, pendant ou après leur broyage, un agent bactériostatique, une proportion efficace d'un mélange d'enzymes comprenant au moins une SPSase, une cellulase et une cellobiase, et un acide 10 de façon à régler le pH du produit broyé dans la gamme de 3 à 5,5 environ; c) laisser le mélange d'enzymes effectuer une préhydrolyse du produit broyé pendant 2 à 6 heures environ, d) pendant ou après l'étape c), broyer finement le produit 15 à l'état de bouillie; e) poursuivre l'hydrolyse du produit broyé à l'état de bouillie par le mélange d'enzymes pendant 20 à 120 heures environ; et f) récupérer le produit hydrolysé liquide résultant. 20
2. Un procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, dans l'étape b), le pH est ajusté
dans la gamme de 3,5 à 5.
3. Un procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'étape de préhydrolyse a une 25 durée de 2-3 heures.
4. Un procédé selon l'une quelconque des
revendications 1 à 3, caractérisé en ce que, dans l'étape
d), les matières solides sont broyées à une grosseur
de particules de 0,1 mm ou moins.
5. Un procédé selon l'une quelconque des
revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'étape
d'hydrolyse e) a une durée de 40 à 72 heures.
6. Un procédé selon l'une quelconque des
revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la tempéra35 ture dans les étapes c) et e) est maintenue dans
la gamme de 35 à 60 C.
7. Un procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que la température est maintenue entre et 55 C dans l'étape c) et entre 45 et 55 C dans
l'étape e).
8. Un procédé selon l'une quelconque des
revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les enzymes
sont utilisées dans les proportions suivantes, exprimées en termes d'tactivité par kg de matières sèches contenues dans les betteraves: SPSase 15 à 800 Cellulase 380 à 42000 Cellobiase 10 à 4500
9. Un procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que les enzymes sont utilisées dans 15 les proportions suivantes: SPS-ase 20 à 190 U/kg de matières sèches Cellulase 700 à 7000 U/kg de matières sèches Cellobiase 20 à 400 U/kg de matières sèches
10. Un procédé selon la revendication 8, carac20 térisé en ce que le mélange d'enzymes contient, en outre, les enzymes suivantes dans les proportions indiquées, exprimées en terme d'activité par kg de matières sèches contenues dans les betteraves: polygalacturonase 5000 à 250000 pectinase 1000 à 55000 f-glucanase fongique 40 à 2500 hémicellulase 120 à 6000
11. Un procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que les enzymes indiquées sont utilisées 30 dans les proportions suivantes: polygalacturonase 9000 à 60000 pectinase 2000 à 14000 ($-glucanase fongique 80 à 550 hémicellulase 200 à 1500
12. Un procédé selon l'une quelconque des
revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le mélange d'enzymes comprend, en poids, 50-75,% de SPS-ase, 5-50%
de cellulase et 5-50% de cellobiase.
13. A titre de produit nouveau, un produit aqueux liquide obtenu directement par hydrolyse enzymatique de betteraves, caractérisé en ce qu'il contient, comme principaux ingrédients, du glucose, du fructose, des polyosides ayant des degrés de polymérisation de 2 et 3, des pentoses, de l'acide galacturonique et des
composés azotés, ce produit ayant un pH acide, une viscosité non supérieure à 300 mPa.s, et une teneur en matières 10 solides en suspension n'excédant pas 2% en poids.
14. Un produit selon la revendication 13, caractérisé en ce qu'il a un pH de 4 à 5 et une viscosité
non supérieure à 150 mPa.s.
15. Produit aqueux liquide obtenu par concen15 tration et éventuellement, clarification d'un produit
selon la revendication 13 ou 14.
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