FR2606423A1 - Procede d'obtention d'un xanthane a fort pouvoir epaississant, et applications de ce xanthane - Google Patents

Procede d'obtention d'un xanthane a fort pouvoir epaississant, et applications de ce xanthane Download PDF

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Abstract

CE PROCEDE D'OBTENTION D'UNE GOMME XANTHANE A FORT POUVOIR EPAISSISSANT DES MILIEUX AQUEUX CONSISTE A CHAUFFER RAPIDEMENT LE BOUILLON FINAL DE FERMENTATION SUR HYDRATES DE CARBONE D'UNE BACTERIE DU GENRE XANTHOMONAS. LE CHAUFFAGE DU MILIEU A LIEU A UN PH VOISIN DE LA NEUTRALITE, A UNE TEMPERATURE COMPRISE ENTRE 105 C ET 120 C POUR 30 SECONDES A 8 MINUTES AVANT D'ISOLER LE XANTHANE.

Description

Procédé d'obtention d'un xanthane à fort pouvoir épaississant et applications de ce xanthane.
La présente invention concerne un procédé d'obtention d'une gomme xanthane, dont les solutions aqueuses ont une viscosité particulièrement élevée. Le xanthane est un hétéropolysaccharide produit par l'action de bactéries du genre Xanthomonas sur des hydrates de carbone, et dont le pouvoir épaississant et viscosifiant est mis à profit pour la récupération de l'huile à partir des formations pétrolières souterraines ou dans le domaine alimentaire, notamment pour donner de la tenue aux préparations lactées ou autres.
On sait qu'un certain nombre d'espèces de ces bactéries du genre Xanthomonas cultivées dans des milieux contenant un hydrate de carbone, tel que le lactose, le saccharose, le fructose, le glucose ou un amidon, produisent un hétéropolysaccharide de masse moléculaire supérieure à 1 000 000 et de structure régulière. La molécule est composée d'une chaîne constituée d'unités B-D-glucose liées en 1,4 ; un glucose sur deux porte une substitution trisaccharidique constituée d'un mannose, d'un acide glucuronique puis d'un mannose terminal ; le mannose terminal peut former un acétal avec l'acide pyruvique, tandis que l'autre mannose peut être acétylé.
A la fin de la fermentation, le xanthane est isolé du milieu, en général après destruction des bactéries par la chaleur, par précipitation à l'aide d'un alcool, tel que l'alcool isopropylique ou par un sel d'ammonium.
On a cherché, dans le passé, à améliorer les propriétés rhéologiques naturelles du xanthane obtenu par fermentation et différentes solutions ont été proposées.
Dans le brevet FR 1 575 756, il est indiqué que le chauffage, à une température comprise entre 800C et 1300C, du milieu de fermentation au pH auquel il se trouve en fin de fermentation, c'est-à-dire entre 6,3 et 6,9, et pendant 10 à 120 minutes améliore la viscosité des solutions du xanthane obtenu ; toutefois, de l'étude des tableaux II, III, IV, il ressort que l'utilisation d'une température supérieure à 1050C est plutôt désavantageuse, surtout lorsque l'on chauffe plus de 10 minutes.
Dans le brevet FR-A 2 318 926, l'augmentation de la viscosité aqueuse des solutions de gomme xanthane est obtenue en modifiant les conditions classiques de la pasteurisation mise en oeuvre pour détruire les bactéries en fin de fermentation. Au lieu de chauffer entre 90,6 0C et 96,10C pendant 1 à 3 minutes le milieu de culture final qui est à un pH de 6 à 7, on chauffe à une température comprise entre 990C et 104,40C et pendant 1 à 5 minutes toutefois, des résultats expérimentaux cités dans ce brevet, on déduit que la température la plus favorable est voisine de 99aC la viscosité des solutions de saumure est alors maximale ; elle est inférieure lorsque l'on pasteurise vers 105"C, même un très court moment (1 minute).
D'autres procédés utilisent un chauffage du milieu à des pH acides, compris entre 3,5 et 6,2, comme dans FR-A 2 551 070 ou au contraire très basique, supérieur à 11. La mise en oeuvre de ces procédés est délicate, car on sait que par chauffage en milieu acide à une température supérieure à 100"C, le xanthane se dépolymérise tandis qu'en milieu alcalin, il y a désacétylation. Enfin, certaines méthodes impliquent un chauffage du milieu de fermentation après addition de différentes substances, telles qu'alcools, phénols, agents tensio-actifsnon ioniques ou encore en présence de sel, comme dans FR-A 2 330 697.
On a maintenant trouvé qu'on pouvait chauffer le milieu final de culture, à un pH voisin de la neutralité, pendant des temps très courts, jusqu'à 1200C sans désacétylation et dépolymérisation et que l'on obtenait ainsi un xanthane à fort pouvoir viscosifiant des solutions aqueuses.
La présente invention concerne donc un procédé d'obtention de gomme xanthane par culture sur hydrates de carbone de bactéries du genre Xanthomonas, qui'consiste à porter le bouillon de fermentation final, dont le pH est voisin de la neutralité, à une température comprise entre 1050C et 1200C pendant 30 secondes à 8 minutes. On préfère une température comprise entre 1070C et 115 C.
La mise en température du milieu doit être rapide, pour que le xanthane ne commence pas à se transformer lors d'un maintien prolongé à des températures supérieures à la température ambiante mais inférieures à celles convenant au traitement. Dans le cas du traitement de tolumesimportants de bouillon de culture, on n'effectuera donc pas le chauffage de la masse fermentée dans sa totalité mais sur des parties de volume tel que l'élévation de température soit pratiquement immédiate en tous ces points. Par exemple, on pourra faire circuler en continu le bouillon de culture dans des échangeurs thermiques de faible diamètre, baignant sur une faible longueur dans des bains portés à la température choisie pour le traitement. Un type d'échangeur convenant est celui de type UHT (Ultra Haute Température), utilisé dans l'industrie laitière.
La durée du chauffage peut être adaptée à la température de traitement choisie, pour avoir une amélioration optimale de la viscosité. En cas de chauffage prolongé, ou si l'on opère à plus de 1200C environ, la molécule de xanthane se dégrade et la viscosité des solutions aqueuses des polysaccharides, ainsi traitées, diminue rapidement.
Il est important que le traitement thermique selon l'invention ait lieu à un pH voisin de la neutralité, compris entre 6,8 et 7,5 et de préférence entre 6,9 et 7,2.
De nombreuses conditions de fermentation ont été décrites et peuvent être mises en oeuvre pour obtenir le milieu final de culture qui sera soumis au procédé de traitement de l'invention.
Le xanthane obtenu peut alors être isolé par précipitation du bouillon de fermentation, ayant subi la thermisation avec de l'isopropanol et filtration du précipité.
Dans les exemples qui suivent, on a utilisé un milieu de fermentation aqueux contenant de 10 à 60 g/l d'un hydrate de carbone ou d'un mélange de ceux-ci, une source d'azote minéral ou de préférence organique telle que de la caséine hydrolysée, des extraits de levure ou des fractions solubles de distillerie, en une quantité correspondant à une concentration d'azote de 0,1 à 1 g/l, ainsi que des oligo-éléments, et des électrolytes tels que le sulfate de magnésium et le phosphate dipotassique, habituellement à une concentration comprise entre 0,5 g/l et 2 g/l.
La fermentation a eu lieu à une température de 28"C environ, sous agitation. On a inoculé un milieu de culture tel que précédemment décrit avec 1 à 10 % (en volume) d'une préculture de
Xanthomonas campestris, qui contient 109 bactéries par ml. Le pH du milieu a été maintenu au voisinage de la neutralité par addition d'une solution concentrée de soude ; il fallait généralement environ 60 heures pour que tous les hydrates de carbone soient transformés ; le traitement thermique de l'invention n'a été appliqué qu'après la fin de la fermentation.
Dans ce qui suit, on décrit des exemples du procédé de l'invention ; les propriétés viscosifiantes et épaississantes des produits ainsi obtenus sont indiquées.
Comme lors de la récupération assistée des hydrocarbures, on injecte dans les sols des solutions aqueuses salines de biopolymères de concentrations comprises entre 200 et 1 000 ppm, la mesure de la viscosité à été effectuée pour des solutions aqueuses contenant 3 % (p/v) de NaCl et 750 ppm du xanthane à étudier.
Dans les applications alimentaires, la gomme xanthane est utilisée pour son pouvoir épaississant dans des formulations complexes, à des concentrations pouvant aller jusqu'à 1 % ; comme il est apparu que la mesure de viscosité d'une solution aqueuse de
NaCl (1 % p/v) contenant 0,2 % du xanthane à étudier était représentative du pouvoir épaississant de ce polysaccharide pour diverses formulations, une autre série de mesures a été faite dans ces conditions.
Les viscosités ont été mesurées, de façon classique, avec un viscosimètre Brookfield de type LVT muni du disque nO 1 et pour une vitesse de 30 tours/minute, à une température de 20"C.
Pour la mesure des viscosités des solutions ayant une concentration de 750 ppm, on utilise le même appareil muni d'un adaptateur UL pour une vitesse de 6 tours/minute.
Le traitement thermique a été effectué dans un échangeur à plaques conprenant : une partie préchauffage à contre-courant d'eau chaude, une partie échange avec le ferment thermisé qui amène le bouillon à environ 750C, et une partie chauffage à l'eau surchauffée pour amener à la température de traitement voulue.
L'ensemble de la montée en température est réalisée en général en moins de 1 minute ; ensuite, le bouillon circule dans une boucle dite de chambrage où la température ne varie plus. On peut monter différentes boucles de chambrage avec des volumes différents, ce qui permet de faire varier les temps de maintien à la température voulue. Le ferment à la sortie de cette boucle repasse dans l'échan- geur, dans lequel il cède ses calories au ferment qui rentre, ce qui descend sa température vers 800C en moins de 30 secondes. Le ferment à 80"C est alors mélangé en continu avec deux volumes d'alcool isopropylique pour précipiter la gomme de xanthane. Le précipité obtenu est lavé par l'alcool isopropylique puis séché sous vide et broyé pour obtenir le xanthane sous forme de poudre.
EXEMPLE 1
Des échantillons d'un bouillon de fermentation de
Xanthomonas campes tris contenant 22 g/l de glucose sont chauffés pendant une minute à différentes températures comprises entre 600C et 1200C. Le pH du bouillon avant chauffage est de 7,2.
Les résultats des mesures de viscosité, effectuées sur des solutions aqueuses à 750 ppm de xanthane et 3 % de NaCl figurent dans le tableau I, colonne a ; ceux obtenus avec des solutions aqueuses de NaCl (1 % p/v) contenant 0,2 % de xanthane dans le tableau I colonne b.
TABLEAU I
Figure img00060001
<tb> <SEP> Température <SEP> de <SEP> Viscosité <SEP>
<tb> <SEP> thermisation <SEP> ( C) <SEP> en <SEP> Pa.s <SEP> x <SEP> 10
<tb> <SEP> a <SEP> (750 <SEP> ppm) <SEP> g <SEP> <SEP> b <SEP> (0,2 <SEP> %)
<tb> Sans <SEP> 20 <SEP> 102
<tb> <SEP> 60 <SEP> 22 <SEP> 1 <SEP> 106
<tb> 80 <SEP> 25 <SEP> 1 <SEP> 118
<tb> <SEP> 90 <SEP> 27 <SEP> 132
<tb> 100 <SEP> 29 <SEP> j <SEP> <SEP> 138
<tb> 105 <SEP> 33 <SEP> 1 <SEP> 146
<tb> 110 <SEP> 35 <SEP> 1l <SEP> <SEP> 166
<tb> 120 <SEP> 34 <SEP> 1 <SEP> 170
<tb> 130 <SEP> 25 <SEP> j <SEP> 132
<tb>
EXEMPLE 2
Un bouillon de fermentation, dont le pH est 6,9 et contenant 26 g/l de xanthane résultant de la fermentation d'un milieu contenant initialement 37 g/l de glucose est chauffé pendant 4 minutes. Les résultats figurent dans le tableau II (mêmes conditions qu'à l'exemple 1).
TABLEAU II
Figure img00070001
<tb> <SEP> Température <SEP> de <SEP> Viscosité
<tb> <SEP> thermisation <SEP> en <SEP> Pa.s <SEP> x
<tb> <SEP> a <SEP> b
<tb> <SEP> Sans <SEP> 22 <SEP> 1 <SEP> 112
<tb> <SEP> 60 <SEP> 20 <SEP> j <SEP> <SEP> 118
<tb> <SEP> 80 <SEP> 24 <SEP> 125
<tb> <SEP> 90 <SEP> 28 <SEP> 140
<tb> 105 <SEP> 36
<tb> <SEP> 175 <SEP>
<tb> 110 <SEP> 39 <SEP> 1 <SEP> 180
<tb> <SEP> 180 <SEP>
<tb> 120 <SEP> 33 <SEP> 165
<tb> 130 <SEP> 20 <SEP> 110 <SEP>
<tb>
EXEMPLE 3
Le traitement thermique est effectué à 105, 110 et 115 C, pendant des temps compris entre 2 min. et 10 min.
On utilise un bouillon de fermentation contenant 23 g/l de xanthane, obtenu à partir de 33 g/l de glucose ; son pH est de 7,1.
La viscosité des solutions aqueuses à 0,2 %, en présence de 1 g/l de NaCl figure dans le tableau III.
TABLEAU III
Figure img00080001
<tb> Durée <SEP> de <SEP> la <SEP> Température <SEP> de <SEP> thermisation
<tb> thermisation
<tb> <SEP> T105 C
<tb> <SEP> T110 C <SEP> T=115 C
<tb> <SEP> Viscosité <SEP> en <SEP> ss <SEP> <SEP> Viscosité <SEP> en <SEP> | <SEP> Viscosité <SEP> en
<tb> <SEP> Pa.s <SEP> x <SEP> 10-3 <SEP> j <SEP> <SEP> Pa.s <SEP> x <SEP> 10-3 <SEP> 1 <SEP> <SEP> Pa.s <SEP> x <SEP> 10-3
<tb> <SEP> I <SEP> I
<tb> <SEP> I <SEP> I
<tb> <SEP> I <SEP> I
<tb> <SEP> I <SEP> I
<tb> <SEP> O <SEP> 132 <SEP> 1 <SEP> 132 <SEP> <SEP> 1 <SEP> 132 <SEP>
<tb> <SEP> 176
<tb> <SEP> 2 <SEP> 150 <SEP> 188 <SEP> 190
<tb> <SEP> 4 <SEP> 168 <SEP> 3 <SEP> 192 <SEP> 3 <SEP> <SEP> 180
<tb> <SEP> 6 <SEP> 172 <SEP> 176 <SEP> 1 <SEP> <SEP> 174
<tb> <SEP> 8 <SEP> 160 <SEP> 3 <SEP> 164 <SEP> 162
<tb> <SEP> 10 <SEP> 132 <SEP> 148 <SEP> 144 <SEP>
<tb>
On constate que le temps de chauffage doit être d'autant plus court que la température est plus élevée, et que la température la plus faible (1050C) ne permet pas d'atteindre la viscosité optimale.
EXEMPLE 4
Des échantillons du bouillon de fermentation, dont le traitement correspond à celui décrit à l'exemple 3, contenant 23 g/l de xanthane, sont acidifiés par addition d'acide sulfurique ou alcalinisés par addition d'une solution aqueuse concentrée de
NaOH.
On chauffe ces échantillons pendant 3 minutes à 1100C. On mesure la viscosité dans les mêmes conditions qu'à l'exemple 3 ; les résultats figurent dans le tableau IV.
TABLEAU IV
Figure img00090001
<tb> pH <SEP> Viscosité <SEP> en <SEP> Pa.s <SEP> x <SEP> 10-3
<tb> 5,5 <SEP> 90
<tb> 6,5 <SEP> 130
<tb> 6,9 <SEP> 160
<tb> 7,1 <SEP> 162
<tb> 7,5 <SEP> 158
<tb> 8,0 <SEP> 136
<tb> 8,5 <SEP> 118
<tb>

Claims (6)

  1. REVENDICATIONS 1. Procédé d'obtention d'un xanthane à fort pouvoir épaississant et viscosifiant par culture sur hydrates de carbone d'une bactérie du genre Xanthomonas et traitement thermique du polysaccharide obtenu in situ, caractérisé en ce que l'on porte à la fin de la fermentation le bouillon de culture dont le pH est ajusté entre 6,8 et 7,5, rapidement à une température comprise entre 105"C et 1200C et mulon l'y maintien pendant 30 secondes à 8 minutes.
  2. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on chauffe entre 1070C et 1150C et pendant 2 à 4 minutes.
  3. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le pH est compris entre 6,9 et 7,2.
  4. 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on isole le xanthane à partir d'une culture de Xanthomonas campestris par précipitation du bouillon de fermentation ayant subi la thermisation avec de l'isopropanol et filtration du précipité.
  5. 5. Utilisation du xanthane préparé selon l'une des revendications 1 à 4 pour l'épaississement de formulations alimentaires.
  6. 6. Utilisation du xanthane préparé selon l'une des revendications 1 à 4 pour la récupération assistée du pétrole.
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