FR2951460A1

FR2951460A1 - Procede de fabrication de polyhydroxyalcanoate

Info

Publication number: FR2951460A1
Application number: FR0957267A
Authority: FR
Inventors: Cedric Dever; Alexandre Briand
Original assignee: Valagro Carbone Renouvelable Poitou Charentes SAEM
Current assignee: Valagro Carbone Renouvelable Poitou Charentes SAEM
Priority date: 2009-10-16
Filing date: 2009-10-16
Publication date: 2011-04-22
Anticipated expiration: 2029-10-16
Also published as: FR2951460B1

Abstract

L'objet de l'invention est un procédé de fabrication de polyhydroxyalcanoates, économique, efficace et sans solvant, comprenant au moins les étapes suivantes : - transformation d'une matière première végétale en source carbonée par extrusion en présence d'eau de façon à obtenir un jus sucré, - fermentation bactérienne du jus sucré par des bactéries capables de métaboliser le sucre en polyhydroxyalcanoates, - centrifugation pour récupérer la biomasse bactérienne, et - extraction des polyhydroxyalcanoates par extrusion.

Description

PROCEDE DE FABRICATION DE POLYHYDROXYALCANOATE

La présente invention concerne un procédé particulier de fabrication d'au moins un polyhydroxyalcanoate par fermentation bactérienne à partir de matières premières renouvelables. Les polyhydroxyalcanoates (PHA) sont des polyesters linéaires, susceptibles d'être obtenus par fermentation bactérienne de sucres ou de lipides. Actuellement, on connaît plus de 300 micro-organismes capables de produire des polyhydroxyalcanoates. Les polyhydroxyalcanoates produits par les bactéries sont stockés dans leurs organismes comme source de carbone et d'énergie. Ils peuvent ensuite être extraits des cellules microbiennes sous forme de granules microscopiques pour être utilisés sous forme de poudre ou de granulés. Les trois principaux polyhydroxyalcanoates fabriqués de façon industrielle aujourd'hui sont le poly-4-hydroxybutyrate (PHB), le poly(3-hydroxybutyrateco-3-hydroxyvalerate) (PHBV) et le poly(3-hydroxybutyrate-co-3- hydroxyhexanoate) (PHBH). Les procédés connus de fabrication de polyhydroxyalcanoates utilisent comme matières premières pour les microorganismes des produits carbonés, en particulier le glucose ou le dextrose obtenus par déstructuration de l'amidon. La fermentation est réalisée en présence de nutriments adaptés, notamment d'azote, de phosphore ou d'oxygène, qui permettent de favoriser la croissance et la multiplication des micro-organismes. Avec ces nutriments, la population de micro-organismes croit rapidement, créant ainsi un déficit en nutriments. Les micro-organismes sont alors en position de stress et se mettent à transformer par voie enzymatique la matière première source de carbone en réserve d'énergie sous forme d'inclusions polymériques au sein de leurs cellules. Les polyhydroxyalcanoates peuvent représenter jusqu'à 80% des polymères 5 formés et stockés dans les cellules des micro-organismes. Lorsque la masse maximale de polymère au sein de la cellule est atteinte, la transformation enzymatique est stoppée. Les polyhydroxyalcanoates sont ensuite extraits des cellules par des techniques de séparation classiques. Les polyhydroxyalcanoates présentent des propriétés extrêmement variées en 10 fonction de la combinaison de monomères de la matière première utilisée. Avantageusement, ils possèdent des propriétés mécaniques intéressantes tout en étant biocompatibles et biodégradables, si bien qu'ils pourraient être utilisés dans de nombreuses applications. Toutefois leur production est aujourd'hui encore très limitée à l'échelle 15 industrielle. En effet, les sources de carbone utilisées actuellement et les techniques d'extraction mises en oeuvres, entraînent des coûts de production trop importants. En outre, les sources carbonées sont limitées au glucose et au dextrose et 20 nécessitent des traitements chimiques polluants pour être obtenus à partir de l'amidon. Par ailleurs, les techniques actuelles de séparation nécessitent une étape d'extraction par centrifugation suivie d'une étape de purification des polyhydroxyalcanoates par ajout de solvant organique, d'agents chimiques ou de 25 mélange surfactant/enzyme, qui sont des solvants coûteux, polluants et difficiles à mettre en place à l'échelle industrielle.

Ces différentes contraintes rendent les procédés d'obtention de polyhydroxyalcanoates peu efficaces, non rentables et difficilement industrialisables. C'est pourquoi l'objectif de la présente invention est de pallier aux inconvénients de l'art antérieur en proposant un procédé de fabrication de polyhydroxyalcanoates économiquement et écologiquement attractif et totalement satisfaisant en terme de qualité et de rendement. A cet effet l'invention vise un procédé de fabrication de polyhydroxyalcanoates, comprenant au moins les étapes suivantes - transformation d'une matière première végétale en source carbonée par extrusion en présence d'eau de façon à obtenir un jus sucré, - fermentation bactérienne du jus sucré par des bactéries capables de métaboliser le sucre en polyhydroxyalcanoates, - centrifugation pour récupérer la biomasse bactérienne, et - extraction des polyhydroxyalcanoates par extrusion. Avantageusement, le procédé selon l'invention évite l'utilisation de solvants polluants pour extraire la source carbonée et pour purifier le polyhydroxyalcanoate et utilise une source naturelle de carbone. Le procédé est en outre très économique en comparaison aux autres procédés industriels. En effet sa mise en oeuvre ne nécessite qu'un investissement minime, à savoir : une extrudeuse, un fermenteur et une centrifugeuse. Les polyhydroxyalcanoates obtenus peuvent être utilisés dans différents domaines en fonction de leur nature. Ils peuvent par exemple être utilisés pour la fabrication de cartes de crédit ou encore de couverts jetables.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description détaillée qui va suivre. La présente invention vise donc un procédé de fabrication de polyhydroxyalcanoates, comprenant au moins les étapes suivantes : - transformation d'une matière première végétale en source carbonée par extrusion en présence d'eau, - fermentation bactérienne du jus sucré obtenu par des bactéries capables de métaboliser le sucre en polyhydroxyalcanoates, - centrifugation, et - extraction des polyhydroxyalcanoates par extrusion. Par matière première végétale au sens de l'invention, on entend tout produit végétal susceptible de contenir des polymères de sucres. Il peut s'agir notamment - de plantes ou parties de plantes amylacées, en particulier le blé, le mdis ou le seigle, - de plantes ou parties de plantes sources d'insuline, comme le topinambour ou la chicorée, ou encore - de lignocellulosiques, telles que l'épicéa, l'hêtre, le chanvre ou le lin. 15 De même par source carbonée on entend tout sucre, notamment le glucose, le fructose et le dextrose. La première étape consiste donc à transformer une matière première végétale en sucre par extrusion en présence d'eau. Cette étape permet d'obtenir un jus sucré, c'est-à-dire un liquide contenant au 20 moins un sucre susceptible d'être métabolisé par des micro-organismes. Le défibrage de la matière première est réalisée dans une extrudeuse, c'est-à-dire un dispositif composé principalement d'une ou plusieurs vis sans fin tournant à vitesse déterminée à l'intérieur d'un fourreau cylindrique régulé en température. De façon préférée, le procédé selon l'invention est réalisé dans une 25 extrudeuse bivis c'est-à-dire une extrudeuse constituée de deux vis coopérantes tournant dans le même sens et d'un fourreau enveloppant ces deux vis. Les deux vis sont identiques et sont composées de modules qui comprennent un élément de convoyage du matériau muni de fenêtres ou de fentes taillées dans les filets.

Préférentiellement, le défibrage de la matière première est réalisée à une température comprise entre 60°C et 180°C, encore plus préférentiellement entre 90°C et 120°C, et idéalement entre 100°C et 110°C. De même cette étape est réalisée en présence d'une quantité d'eau représentant 5 de façon préférée entre 200% et 450% de la masse de ladite matière première, encore plus préférentiellement entre 300% et 400%. Selon un mode de réalisation particulièrement adapté, le défibrage est réalisé également en présence d'un acide fort ou d'une base forte. Il peut s'agir par exemple de l'acide chlorhydrique ou de l'hydroxyde de sodium. 10 De façon préférée, la concentration en acide fort ou base forte est comprise entre 0,5% et 4% en volume par rapport au volume d'eau. Avantageusement, la conjugaison particulière des paramètres température, quantité d'eau et éventuellement quantité d'acide fort ou de base forte, permet d'obtenir un produit intermédiaire lignocellulosique susceptible d'être hydrolysé 15 avec un taux particulièrement élevé de façon à obtenir un jus très concentré en sucres. L'hydrolysat obtenu peut éventuellement être filtré, stérilisé et neutralisé. Après cette première étape, le jus sucré est fermenté par au moins une bactérie capable de métaboliser le sucre en polyhydroxyalcanoates. A titre d'exemple il 20 peut s'agir de Pseudonomas aeruginosa, ou Ralstonia eutropha. Préférentiellement on choisira des bactéries Ralstonia eutropha. Selon un mode de réalisation adapté, la fermentation s'effectue à une température comprise entre 20°C et 35°C, préférentiellement entre 25°C et 30°C, à un pH compris entre 4 et 10, de façon préférée entre 6 et 8, jusqu'à 25 une concentration critique en polyhydroxyalcanoates comprise entre 1 et 150 g.L-1. Après fermentation, le milieu de culture peut être mélangé à des tensio-actifs pour désorganiser la membrane bactérienne, tels que Tween 80, Sodium Dodecyl Sulfate, EDTA ou bétaïne. Préférentiellement, les tensio-actifs choisis sont l'EDTA ou la bétciine. Il est également possible d'ajouter des produits amylacés, comme par exemple l'amidon.

L'étape de centrifugation est préférentiellement réalisée à une vitesse entre 2 000 trs/min (tours/minute) et 30 000 trs/min, plus préférentiellement entre 4 000 trs/min et 8 000 trs/min. Cette étape permet de récupérer la biomasse bactérienne dont les cellules contiennent des polyhydroxyalcanoates. Après centrifugation, le procédé comprend une étape d'extraction des polyhydroxyalcanoates contenus dans les bactéries récupérées. Cette étape est réalisée par extrusion. Préférentiellement l'extrusion est mise en oeuvre à l'aide d'une extrudeuse BC 21 « bi-vis » de clextral. De façon préférée, l'extrudeuse traite la biomasse à une température entre 120 et 200°C, plus préférentiellement entre 140 et 160°C.

Avantageusement, le procédé selon l'invention évite l'utilisation de solvants polluants à la fois pour extraire la source carbonée et pour purifier le polyhydroxyalcanoate. Il utilise en outre une source naturelle de carbone. De plus le procédé est très économique et peut être aisément mis en oeuvre à l'échelle industrielle.

Il permet d'obtenir un rendement important en polyhydroxyalcanoates, qui peuvent alors être utilisés notamment pour la fabrication de cartes de crédit ou encore de couverts jetables. L'invention peut être illustrée par un exemple non limitatif de procédé de fabrication de polyhydroxyalcanoates.

On introduit 50 kg de topinambour, préalablement broyés, dans une extrudeuse bi-vis BC21 (Clextral) à 180°C en présence de 0,33% d'acide chlorhydrique à 100% (v/v).

L'hydrolysat obtenu est ensuite filtré, stérilisé à 120°C et neutralisé. Un jus sucré chargé en fructose est ainsi obtenu. Le jus sucré obtenu est ensuite placé dans un fermenteur de 300L en présence de Ralstonia Eutropha.

Après fermentation, la solution est centrifugée (5000 tours/min) afin de récupérer 2 kg de « culot ». Ce dernier est finalement extrudé avec une extrudeuse BC21 (Clextral) dans les conditions suivantes : 250 trs/min, 190°C. 0,5 kg de matériaux polymériques ont ainsi été récupérés. Une caractérisation par Calorimétrie Différentielle et par Résonance Magnétique du Proton a permis de montrer que ce matériau est constitué de poly(hydroxybutyrate-co-valerate) avec une teneur molaire en valérate de 7% et avec une température de fusion de 190°C.

Claims

REVENDICATIONS1. Procédé de fabrication de polyhydroxyalcanoates, comprenant au moins les étapes suivantes : - transformation d'une matière première végétale en source carbonée par extrusion en présence d'eau de façon à obtenir un jus sucré, - fermentation bactérienne du jus sucré par des bactéries capables de métaboliser le sucre en polyhydroxyalcanoates, - centrifugation pour récupérer la biomasse bactérienne, et - extraction des polyhydroxyalcanoates par extrusion.
2. Procédé de fabrication de polyhydroxyalcanoates selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape de transformation de la matière première végétale en source carbonée est réalisée à une température comprise entre 60°C et 180°C.
3. Procédé de fabrication de polyhydroxyalcanoates selon l'une des précédentes revendications, caractérisé en ce que l'étape de transformation de la matière première végétale en source carbonée est réalisée en présence d'une quantité d'eau représentant entre 200% et 450% de la masse de ladite matière première végétale.
4. Procédé de fabrication de polyhydroxyalcanoates selon l'une des précédentes revendications, caractérisé en ce que l'étape de transformation de la matière première végétale en source carbonée est réalisée également en présence d'un acide fort ou d'une base forte.
5. Procédé de fabrication de polyhydroxyalcanoates selon la revendication 4, caractérisé en ce que la concentration de l'acide fort ou de la base forte est comprise entre 0,5% et 4% en volume par rapport au volume d'eau.
6. Procédé de fabrication de polyhydroxyalcanoates selon l'une des précédentes revendications, caractérisé en ce que la matière première végétale est choisie parmi les plantes amylacées, les plantes sources d'insuline et les plantes lignocellulosiques.
7. Procédé de fabrication de polyhydroxyalcanoates selon l'une des précédentes revendications, caractérisé en ce que la fermentation est réalisée à une température comprise entre 20 et 35°C.
8. Procédé de fabrication de polyhydroxyalcanoates selon l'une des précédentes revendications, caractérisé en ce que la fermentation est réalisée à 10 un pH compris entre 4 et 10.
9. Procédé de fabrication de polyhydroxyalcanoates selon l'une des précédentes revendications, caractérisé en ce que la centrifugation est réalisée à une vitesse comprise entre 2 000 tours/minute et 30 000 tours/minute.
10. Procédé de fabrication de polyhydroxyalcanoates selon l'une des 15 précédentes revendications, caractérisé en ce que l'extraction des polyhydroxyalcanoates est réalisée par extrusion à une température comprise entre 120°C et 200°C.