FR2974311A1 - Recyclage de l'eau par osmose inverse dans un procede de production d'un produit d'interet par fermentation - Google Patents
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Abstract
Procédé de recyclage de l'eau dans un procédé de production d'un produit d'intérêt par fermentation et de purification de ce produit d'intérêt comprenant le traitement d'au moins un effluent aqueux par osmose inverse.
Description
Rec clase de l'eau sar osmose inverse dans un rocédé de -roduction d'un roduit d'intérêt par fermentation
L'invention se rapporte à un procédé de recyclage de l'eau dans un procédé de production par fermentation d'un produit d'intérêt et de purification de ce produit d'intérêt comprenant une étape de traitement d'au moins un effluent aqueux par osmose inverse. Cette étape d'osmose inverse permet de réutiliser l'eau purifiée obtenue dans la production par fermentation du produit d'intérêt. De nombreux produits d'intérêt sont obtenus aujourd'hui par fermentation de microorganismes. A titre d'exemple, nous pouvons citer le 1,3-propanediol qui peut être obtenu grâce à des espèces d'Entérobactéries (W09821339, WO9635796, US61/361,455 et US61/361,459) ou grâce à des espèces de Clostridium (W02008052595 et WO2010128070). Le 1,2-propanediol peut être obtenu par culture de microorganismes sur différents types de substrat (W02005073364, WO20081166848, WO2008116852, WO2008116853, WO2009115114, WO2010051849). Différents procédés de production de méthionine ont été mis au point (W0200508561, WO2006082254, WO2007077041, WO2009043803, WO2010020681, WO2010020682, US61/406,249, PCT/EP2010/069473), ainsi que pour le butanol (W02008052596) ou la monoéthanolamine (W02007144346).
Ces différents produits d'intérêt doivent ensuite être isolés du moût de fermentation obtenu après culture de microorganismes. Différents procédés de purification ont donc été mis au point pour chaque type de produits. Ainsi les documents WO2009068110, WO2010037843, WO2044076392 et WO2004101479 présentent différents procédé de purification du 1,3-propanediol à partir de milieu de fermentation. Ces procédés utilisent majoritairement des étapes de distillation ou d'évaporation pour isoler le 1,3-propanediol des impuretés présentes dans le moût de fermentation obtenu. Les documents US61/288,942, US61/319,899, WO2007074066 décrivent trois procédés de purification du 1,2-propanediol mettant en oeuvre respectivement des étapes de précipitation/évaporation, d'extraction liquide-liquide ou d'osmose inverse. Il a été montré que la méthionine pouvait être isolée du moût de fermentation par cristallisation (W02005059155, WO200807774) et que le butanol pouvait être purifié par une étape de gaz stripping (W02011003962).
La production de ces produits d'intérêt par fermentation est réalisée dans des milieux de culture aqueux et ces procédés sont donc très consommateurs d'eau. Or à l'heure actuelle et pour des entreprises s'intégrant dans les domaines des énergies renouvelables il est primordial de chercher à diminuer les consommations d'eau.
A l'issue de la production et de la purification du produit d'intérêt des effluents aqueux sont obtenus contenant essentiellement de l'eau et des contaminants organiques. Ces contaminants organiques contiennent notamment des produits secondaires synthétisés par les microorganismes producteurs lors de la fermentation. Ces produits secondaires sont typiquement des acides organiques comme l'acide butyrique et l'acide acétique par exemple. Un recyclage de ces effluents aqueux vers l'étape de production aurait pour conséquence une accumulation rapide de ces contaminants dans le milieu de culture et l'inhibition de la fermentation. De façon classique ces effluents sont donc éliminés, généralement via un traitement en station d'épuration. Dans la présente invention, les effluents aqueux sont traités par osmose inverse et l'eau purifiée issue de cette étape peut être directement réutilisée dans l'étape de production par fermentation. Avantageusement, cette étape d'osmose inverse permet d'éliminer les principaux contaminants organiques de l'eau sale issue des étapes de purification, la rendant impropre au recyclage.
L'utilisation d'une étape d'osmose inverse dans des procédés de purification de produits d'intérêt obtenu par fermentation est déjà divulguée comme dans les demandes de brevet WO2007074066 sur la purification du propylène glycol et WO0192555 sur la purification de l'acide lactique. Contrairement à l'objet de l'invention, l'étape d'osmose inverse mise en oeuvre dans ces procédés permet de séparer le produit d'intérêt de l'eau présente dans le milieu à purifier. Or, dans la présente invention la fraction aqueuse subissant l'osmose inverse est quasiment dépourvue du produit d'intérêt. Ici l'osmose inverse permet d'éliminer de la solution aqueuse la majorité des contaminants pouvant gêner le recyclage de l'eau. Des techniques de recyclage de l'eau sont déjà connues. Ces techniques mettent principalement en oeuvre l'osmose inverse dans des conditions différentes que celles identifiées par les inventeurs. La demande WO97/21632 divulgue un procédé permettant d'éliminer des eaux usées ou sales les sels présents dans ces eaux alors que les inventeurs cherchent, ici, à éliminer les molécules organiques présentent dans les effluents de purification. La demande WO97/21632 divulgue un procédé de traitement d'effluent et le recyclage éventuel de ces effluents. Cette invention s'intègre dans un procédé de purification de produit issu de synthèse chimique et les recyclages visés dans cette invention s'intègrent dans ce même procédé chimique. Les exigences de pureté de l'eau sont différentes suivant que cette eau est recyclée au sein d'un procédé chimique ou biologique. La demande WO2010118369 traite d'un système de recyclage de l'eau dans un procédé de production d'éthanol. L'osmose inverse est cependant essentiellement employée pour l'élimination de sels. La demanderesse montre maintenant de façon surprenante que des effluents aqueux comprenant essentiellement de l'eau et des contaminants organiques peuvent être traités par osmose inverse avant d'être recyclés dans le procédé de production du produit d'intérêt par fermentation. Avantageusement, le traitement par osmose inverse est suffisant pour permettre un recyclage de l'eau dans le milieu de culture liquide pour la fermentation. 15 RESUME DE L'INVENTION
L'invention a pour objet un procédé de recyclage de l'eau dans un procédé de production d'un produit d'intérêt par fermentation et de purification de ce produit 20 d'intérêt comprenant les étapes suivantes : a) Production d'un produit d'intérêt par fermentation d'un microorganisme producteur dans un milieu de culture aqueux et obtention d'un moût de fermentation aqueux contenant le produit d'intérêt et au moins un contaminant organique, 25 b) Purification du produit d'intérêt à partir du moût de fermentation aqueux obtenu à l'étape précédente et obtention du produit d'intérêt et d'au moins un effluent aqueux contenant de l'eau et au moins un contaminant organique, c) Traitement de l'effluent aqueux de l'étape précédente par osmose inverse pour séparer l'eau et au moins un contaminant organique, 30 d) Réutilisation de l'eau obtenue à l'étape c) dans l'étape de production du composé d'intérêt par fermentation. De préférence, l'étape b) de purification du produit d'intérêt comprend une étape de clarification du moût de fermentation par filtration et/ou séparation centrifuge.
De préférence, l'étape b) de purification du produit d'intérêt comprend au moins une étape de distillation du moût de fermentation. Avantageusement, l'étape c) comprend le traitement de l'effluent aqueux par osmose inverse avec une membrane spiralée en polyamide.
De préférence, l'étape c) comprend le traitement de l'effluent aqueux par osmose inverse à des pressions supérieures ou égales à 10 bars. De préférence, l'étape d) comprend l'utilisation de l'eau dans le milieu de culture du microorganisme producteur. Dans des modes de réalisation particuliers, le produit d'intérêt est choisi parmi le 1,3-propanediol, le 1,2-propanediol, le 1,4-butanediol, le n-butanol, l'isobutanol, la méthionine, la lysine, la thréonine, l'isoleucine, le glutamate, la monoéthanolamine, l'acide glycolique, l'acide adipique, l'acide succinique, l'acide muconique, l'acide acrylique, les esters d'acide acrylique, l'isoprene, l'isobutene, le butadiène, la cadaverine et la putrescine.
Dans des modes de réalisation particuliers de l'invention, le contaminant organique est choisi dans le groupe consistant en l'acide butyrique, l'acide acétique, acide lactique, acétoïne, 3-hydroxypropionaldehyde, éthanol, hydroxyacétone, acide hexanoïque, acide citrique, acide succinique, methylglyoxal, acide glutamique, acide pyruvique, pyrazine, acétone, acide formique, acide fumarique, acide methylcetovalérique, acide oxalique, acide orotique et acide malique. Dans un premier mode de réalisation préféré, le produit d'intérêt est le 1,3-propanediol et le contaminant organique comprend au moins un contaminant organique choisi dans le groupe consistant en acide butyrique, acide acétique, acide lactique, acétoïne, 3-hydroxypropionaldéhyde et éthanol.
Dans un deuxième mode de réalisation préféré, le produit d'intérêt est le 1,2-propanediol et le contaminant organique comprend au moins un contaminant organique choisi dans le groupe consistant en acide acétique, hydroxyacétone, acide hexanoïque, acide citrique, acide succinique, méthylglyoxal, acide glutamique, acide pyruvique et pyrazine.
Dans un troisième mode de réalisation, le produit d'intérêt est le butanol et le contaminant organique comprend au moins un contaminant organique choisi dans le groupe consistant en acétone, éthanol, acide acétique, acide butyrique, acétoïne et acide lactique.
Dans un quatrième mode de réalisation, le produit d'intérêt est la méthionine et le contaminant organique comprend au moins un contaminant organique choisi dans le groupe consistant en acide acétique, acide lactique, acide formique, acide fumarique, acide méthylcétovalérique, éthanol et acide citrique.
Dans un cinquième mode de réalisation, le produit d'intérêt est l'acide glycolique et le contaminant organique comprend au moins un contaminant organique choisi dans le groupe consistant en acide acétique, acide oxalique, acide orotique, acide lactique, acide succinique, acide glutamique, acide malique et acide citrique.
DESCRIPTION DE L'INVENTION
L'invention se rapporte au recyclage de l'eau dans des procédés de production de produits d'intérêt par fermentation. L'invention concerne en particulier un procédé de recyclage de l'eau dans un 15 procédé de production d'un produit d'intérêt par fermentation et de purification de ce produit d'intérêt comprenant les étapes suivantes : a) Production d'un produit d'intérêt par fermentation d'un microorganisme producteur dans un milieu de culture aqueux et obtention d'un moût de fermentation aqueux contenant le produit d'intérêt et au moins un contaminant 20 organique, b) Purification du produit d'intérêt à partir du moût de fermentation aqueux obtenu à l'étape précédente et obtention du produit d'intérêt et d'au moins un effluent aqueux contenant de l'eau et au moins un contaminant organique, c) Traitement de l'effluent aqueux de l'étape précédente par osmose inverse pour 25 séparer l'eau et au moins un contaminant organique, d) Réutilisation de l'eau obtenue à l'étape c) dans l'étape de production du composé d'intérêt par fermentation. Des produits d'intérêts peuvent être produits par des microorganismes producteurs dans des milieux de culture appropriés selon des techniques bien connues 30 de l'homme du métier. Ces procédés de fermentation sont en général réalisés dans des fermenteurs permettant de contrôler les conditions de culture. La culture du microorganisme producteur s'effectue dans un milieu de culture aqueux et le produit obtenu est un moût de fermentation comprenant le produit d'intérêt.
Par « milieu de culture aqueux » on entend un support aqueux comprenant tous les éléments nécessaires à la culture du microorganisme producteur. Le microorganisme producteur peut être tout microorganisme approprié produisant un produit d'intérêt par fermentation. Le microorganisme producteur est choisi parmi les bactéries, champignons, levures. De préference, ce microorganisme producteur est choisi parmi les espèces de Saccharomycetales, Enterobacteriaceae, Bacillaceae, Streptomycetaceae, Corynebacteriaceae ou Clostridiaceae. De manière préférée le microorganisme est choisi parmi Clostridium acetobutylicum, Escherichia coli, Corynebacterium glutamicum ou Klebsiella.
Le produit d'intérêt est typiquement choisi parmi le 1,3-propanediol, le 1,2-propanediol, le 1,4-butanediol, le n-butanol, l'isobutanol, la méthionine, la lysine, la thréonine, l'isoleucine, le glutamate, la monoéthanolamine, l'acide glycolique, l'acide adipique, l'acide succinique, l'acide muconique, l'acide acrylique, les esters d'acide acrylique, l'isoprene, l'isobutene, le butadiène, la cadaverine et la putrescine.
Dans des modes de réalisation préférés, le produit d'intérêt est choisi parmi le 1,3-propanediol, le 1,2-propanediol, le butanol, l'acide glycolique et la méthionine. De préférence, le produit d'intérêt produit par fermentation dans un milieu de culture aqueux est le 1,3-propanediol. Les termes « moût de fermentation » se rapportent au mélange aqueux obtenu à l'issue de la fermentation. Ce moût de fermentation comprend habituellement une majorité d'eau, le microorganisme producteur, le produit d'intérêt, des produits secondaires, des sels minéraux ainsi que d'autres contaminants ou impuretés. Par produit secondaire, on entend un produit de moindre importance obtenu lors de la production du produit d'intérêt.
Ces produits secondaires peuvent consister notamment en des molécules organiques et des acides organiques pouvant constituer des contaminants organiques. Dans un mode de réalisation de l'invention, le contaminant est choisi dans le groupe consistant en l'acide butyrique, l'acide acétique, acide lactique, acétoïne, 3 - hydroxypropionaldehyde, éthanol, hydroxyacétone, acide hexanoïque, acide citrique, acide succinique, methylglyoxal, acide glutamique, acide pyruvique, pyrazine, acétone, acide formique, acide fumarique, acide methylcetovalérique, acide oxalique, acide orotique et acide malique.
Le moût de fermentation comprend ainsi divers contaminants organiques dont il faut séparer le produit d'intérêt. Ces contaminants organiques se retrouvent alors dans les effluents aqueux issus de la purification du produit d'intérêt. Après l'étape de fermentation, le produit d'intérêt doit être séparé des autres 5 composants du moût de fermentation par des étapes de purification. Une première étape de purification consiste généralement en une étape de clarification afin d'éliminer les matières insolubles dont notamment la biomasse, les protéines, les particules en suspension et les molécules de grande taille. De façon avantageuse, la purification du produit d'intérêt comprend une première étape de 10 clarification du moût de fermentation par filtration et/ou par séparation centrifuge. La purification peut ensuite être réalisée selon toute technique appropriée. Dans des modes de réalisation préférés, la purification comprend une distillation, une évaporation, une précipitation/évaporation, une extraction liquide-liquide, un stripping et/ou une cristallisation. 15 Ces étapes de purification peuvent également conduire à l'obtention de nouveaux contaminants organiques par dégradation. Ces étapes de production par fermentation et de purification du produit d'intérêt génèrent donc des effluents aqueux contenant de l'eau et au moins un contaminant organique. 20 La présente invention concerne un procédé de traitement et de recyclage de l'eau de ces effluents. De préférence, ces effluents contiennent au moins 75% d'eau. Il a été trouvé de façon surprenante qu'une étape d'osmose inverse permet d'éliminer suffisamment de contaminants organiques pour pouvoir réutiliser l'eau dans le procédé de production et de purification du produit d'intérêt. 25 Par « osmose inverse » on entend un procédé de filtration qui consiste à forcer le passage de l'eau à travers une membrane semi-perméable en la soumettant à une pression supérieure à la pression osmotique, de sorte qu'elle s'écoule dans le sens inverse du processus naturel de l'osmose. Tout dispositif d'osmose inverse approprié peut être utilisé dans les procédés de 30 la présente invention. On citera par exemple les modules d'osmose inverse de types tubulaires, plans, à fibres creuses ou spiralés. Ces modules peuvent contenir des membranes organiques notamment en polyamide ou en acétate de cellulose, des membranes minérales, composites ou échangeuses d'ions. L'homme du métier connaît les différentes caractéristiques de ces différents dispositifs. De préférence, les procédés de la présente invention mettent en oeuvre le traitement de l'effluent aqueux par osmose inverse avec une membrane spiralée en 5 polyamide. Dans des modes de réalisation préférés, les procédés de la présente invention mettent en oeuvre le traitement de l'effluent aqueux par osmose inverse à des pressions supérieures ou égales à 10 bars. Dans un mode de réalisation de l'invention, cette étape peut être réalisée à des pressions d'environ 30 bars. 10 De façon avantageuse, l'eau obtenue à l'issue de l'étape d'osmose inverse est suffisamment pure pour être utilisé directement dans le milieu de culture aqueux du microorganisme producteur. L'eau obtenue peut remplacer en totalité ou partiellement l'eau de ville dans les milieux de culture utilisés. L'eau peut donc directement alimenter le fermenteur ou la cuve de préparation du milieu de culture en amont du fermenteur. 15 Cette eau peut donc être directement retournée à l'alimentation des fermenteurs. Dans un mode de réalisation particulier, la présente invention se rapporte à un procédé de recyclage de l'eau dans un procédé de production de PDO (1,3-propanediol) par fermentation et de purification de ce PDO comprenant les étapes suivantes : a) Production de PDO par fermentation d'un microorganisme producteur dans un 20 milieu de culture aqueux et obtention d'un moût de fermentation aqueux contenant du PDO et au moins un contaminant organique choisi parmi l'acide butyrique, l'acide acétique, acide lactique, 3-hydroxypropionaldéhyde, éthanol et l'acétoïne, b) Purification du PDO à partir du moût de fermentation aqueux obtenu à l'étape 25 précédente et obtention du PDO et d'au moins un effluent aqueux contenant de l'eau et au moins un contaminant organique, c) Traitement de l'effluent aqueux de l'étape précédente par osmose inverse pour séparer l'eau et au moins un contaminant organique, d) Réutilisation de l'eau obtenue à l'étape c) dans l'étape de production du PDO 30 par fermentation. De préférence, le moût de fermentation est clarifié par filtration.
Dans un mode de réalisation préféré, la purification du PDO comprend une étape d'ajout de glycérol, une étape de purification sur un évaporateur raclé et au moins une étape de distillation. Les effluents aqueux issus de la production et de la purification du PDO sont traités par osmose inverse pour éliminer les contaminants organiques sous la forme d'un effluent concentré. L'osmose inverse est réalisée avantageusement sur un appareil de séparation membranaire équipé d'une membrane spiralée en polyamide. Cette étape peut être effectuée à des pressions supérieures ou égales à 10 bars. Dans un mode de réalisation de l'invention cette étape peut être réalisée à des pressions d'environ 30 bars.
L'eau purifiée ne comprend plus ou pratiquement plus de contaminant organique et cette eau est recyclée pour la préparation de l'alimentation des fermenteurs. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'étape d) comprend l'utilisation de l'eau dans le milieu de culture du microorganisme producteur. Ce mode de réalisation particulier est illustré par la figure 2. La figure 2 décrit un procédé de production du PDO par voie fermentaire, optimisé pour minimiser les consommations énergétiques et la consommation en eau du procédé. L'alimentation des fermenteurs (A) est constituée en mélangeant la matière première concentrée et les sels minéraux (flux 1) avec l'eau recyclée du procédé (2). Le taux de dilution de la matière première (1) est ajusté en fonction du débit d'eau recyclée (2), pour assurer dans le mélange (3) la concentration souhaitée en matière première à l'entrée des fermenteurs (A). Le moût de fermentation riche en PDO (4) est clarifié par centrifugation, et/ou microfiltration, et ou autre technique connue de l'homme du métier. L'étape de clarification (C) sépare la biomasse (5) et un produit clarifié riche en PDO (6). Pour minimiser la consommation énergétique du procédé, les étapes de préchauffage (B1) et (B2) visent à récupérer des calories du flux chaud (9) pour augmenter la température de (4) et/ou (6). La répartition du préchauffage est choisie pour optimiser les performances de la clarification. Le produit clarifié (6) est concentré dans l'évaporateur (D). L'évaporateur (D) est couplé à une colonne de rectification (E) qui assure une récupération maximale du PDO dans le flux concentré (12). Le flux concentré (12) est transféré vers le procédé de purification du PDO. Les vapeurs (7) issues de (E) sont comprimées sur (F) pour augmenter leur température de condensation. Les vapeurs comprimées (8) sont ainsi utilisées comme source d'énergie sur l'évaporateur (D). Les vapeurs comprimées (8) se condensent pour donner les condensats (9). Les condensats (9) sont refroidis sur les étapes de préchauffage (Bl) et (B2) pour donner le flux aqueux refroidi (10). Le flux aqueux (10) est traité par osmose inverse (G) pour éliminer les espèces organiques, inhibitrices de fermentation, sous la forme d'un effluent concentré (Il). L'osmose inverse (G) produit à partir du flux aqueux (10) une eau purifiée (2), qui est recyclée pour la préparation de l'alimentation des fermenteurs. Dans un deuxième mode de réalisation préféré, le produit d'intérêt est le 1,2-propanediol et le contaminant organique comprend au moins un contaminant organique choisi dans le groupe consistant en acide acétique, hydroxyacétone, acide hexanoïque, acide citrique, acide succinique, méthylglyoxal, acide glutamique, acide pyruvique et pyrazine. Dans un troisième mode de réalisation, le produit d'intérêt est le butanol et le contaminant organique comprend au moins un contaminant organique choisi dans le groupe consistant en acétone, éthanol, acide acétique, acide butyrique, acétoïne et acide lactique.
Dans un quatrième mode de réalisation, le produit d'intérêt est la méthionine et le contaminant organique comprend au moins un contaminant organique choisi dans le groupe consistant en acide acétique, acide lactique, acide formique, acide fumarique, acide méthylcétovalérique, éthanol et acide citrique. Dans un cinquième mode de réalisation, le produit d'intérêt est l'acide glycolique et le contaminant organique comprend au moins un contaminant organique choisi dans le groupe consistant en acide acétique, acide oxalique, acide orotique, acide lactique, acide succinique, acide glutamique, acide malique et acide citrique.
FIGURES Figure 1 : Installation laboratoire d'osmose inverse - Schéma de principe.
Figure 2 : Procédé de production du PDO par voie fermentaire optimisé pour minimiser la consommation en eau du procédé.
Exemple 1 : Distillation de moût de fermentation, et purification du distillat par osmose inverse Un échantillon de moût de fermentation de 1,3 propanediol (PDO) est clarifié par centrifugation et micro filtration 0.1 µm. Ce produit clarifié est concentré par distillation continue, sur une installation pilote dont les caractéristiques sont : - Débit d'alimentation : 80 kg/h - Pression de travail : 500 mbar - La colonne est alimentée dans le bouilleur, la technologie du bouilleur est de type film tombant. - La puissance de chauffage est réglée pour assurer un taux de distillation en masse de la charge de 84.2%. - Le bouilleur est surmonté par une colonne de rectification, de diamètre 200 mm, et équipée de garnissage structuré dont l'efficacité théorique de séparation est estimée à 12 étages théoriques sur une solution aqueuse. (2 088 mm de garnissage tissé Montz A3-750). En tête de cette colonne, les vapeurs sont condensées, et une partie du liquide est reflué dans la colonne pour assurer la séparation liquide-vapeur : le débit de reflux est de 4 kg/h. Dans ces conditions, la concentration en PDO dans le distillat est inférieure à 0.1 g/L. Un échantillon du distillat produit (Al) est utilisé pour évaluer la faisabilité de l'osmose inverse pour l'élimination des molécules organiques contenues dans ce flux. L'installation d'osmose inverse est un appareil de séparation membranaire (SEPA CF II) acquis auprès de GE Water, équipé de membranes d'osmose inverse commerciales, fournies par GE Water. Les caractéristiques sont : / Surface de membrane : 140 cm2, plane / Pression maximale de travail : 60 bars. La configuration de l'installation en marche est donnée par la figure 1 : dans cet exemple, l'installation est utilisée en boucle fermée pour mesurer la rétention de l'acide butyrique et le débit de perméat, sans enrichissement du produit. 11 Deux membranes représentatives des standards industriels sont évaluées : - Membrane AD. Ces membranes sont développées pour le dessalement de l'eau de mer, avec un taux de rétention maximal. - Membrane AG. Ces membranes sont développées pour les applications moins 5 exigeantes, et ont l'avantage de présenter des débits plus élevés. Les caractéristiques de ces membranes sont données dans le tableau 1. Tableau 1 : Caractéristiques des membranes testées Référence Matériau Taux de réjection Domaine de Débit de perméat NaCl, % pH théorique,)/h.m2 AD Polyamide Moyen' : 99.6 4 - 11 20 - 25 0) Minimum' :99.2 AG Polyamide Moyen' : 99.5 4 - 11 40 - 45 (» Minimum :99.0 : Données mesurées pour une eau à 32 g/L de NaCl (concentration de l'eau de mer), et pour une pression de 55 bar 2 : Données mesurées pour une eau saumâtre à 2 g/L de NaCl, et pour une pression de 15.5 bar 15 Le produit test (Al) est circulé sur la membrane, à une pression imposée de 10 à 28 bar. Les résultats obtenus sont donnés dans le tableau 2. Les compositions en acide butyrique ont été mesurées par chromatographie en phase gazeuse. Tous les points de fonctionnement présentés ont été obtenus après au moins 60 minutes de stabilisation de l'appareil. 20 Tableau 2 : Résultats de l'évaluation des membranes AD et AG Membrane Pression Teneur en acide pH Débit de perméat butyrique Entrée Perméat Entrée Perméat bar g/L g/L - - g/min 1/h.m2 28 0.10 9.16 10.56 7.0 29.8 AD 6.46 10 0.08 9.10 10.38 1.3 5.7 28 6.46 0.09 9.15 10.60 31.2 133.9 AG 10 5.89 0.25 9.17 10.21 4.6 19.7 10 Comme indiqué dans le tableau 2, la rétention de l'acide butyrique par ces deux membranes est très bonne : la teneur en acide butyrique est divisée par 50 pour la membrane AD, et 20 minimum pour la membrane AG. Les débits de perméats sont proches voire supérieurs aux débits annoncés par les fournisseurs à pression équivalente. L'osmose inverse est donc une technique de séparation fiable pour l'élimination de l'acide butyrique dans le mélange (Al).
Exemple 2 : Production de perméat par osmose inverse, à partir d'un distillat contaminé 10 par de l'acide butyrique Le mélange (Al) et l'installation d'osmose inverse décrits dans l'exemple 1 sont utilisés pour la production d'eau osmosée, à partir du mélange (Al). L'installation d'osmose inverse est équipée de la membrane AG décrite dans le tableau 1, elle est opérée à 28 bar pour assurer une bonne rétention des composés organiques et des débits de perméats 15 élevés. L'installation est utilisée en boucle ouverte (voir figure 1) : le perméat est collecté en continu, pendant que le produit du bac d'alimentation se concentre au cours du temps. Les lots de perméats produits par cette opération, et le produit restant dans le bac d'alimentation en fin d'essai, sont décrits dans le tableau 3. Les compositions ont été 20 analysées par chromatographie en phase liquide (HPLC).
Tableau 3 : Résultats de la production d'une eau purifiée en organiques, par osmose inverse, à partir d'un mélange riche en Butyrate Produit Masse Composition en g/L pH kg Ammonium Acétate Acétoïne Butyrate Perméat 1 5 0.53 0 0.04 0.13 10.55 Perméat 2 3.7 0.57 0 0.07 0.14 10.63 Perméat 3 5 0.59 0 0.05 0.17 10.4 Perméat 4 3.9 0.62 0 0.09 0.3 10.15 Perméat 5 1.8 0.7 0 0.12 0.51 9.87 Rétentat 3.3 8.3 0.05 2.23 29 8.39 final 25 Le tableau 2 confirme l'efficacité de l'élimination de la plupart des espèces organiques acétate, acétoïne, butyrate. L'ammonium peut être recyclé sur le procédé de fermentation, sans contrainte. Au cours de cette production, le débit de production de perméat à 28 bar est passé de 100 à 150 1/h.m2 en début d'essai, à 50 1/h.m2 en fin d'essai. Cette diminution de débit est expliquée par la concentration progressive du produit, donc de la pression osmotique : le débit fourni reste élevé, et démontre le potentiel d'application industrielle de l'osmose inverse pour le traitement d'effluents aqueux du procédé de purification d'un moût de fermentation.
Exemple 3 : Production de perméat par osmose inverse, à partir d'un distillat contaminé par de l'acide butyrique et de l'acide acétique Un mélange (A2) est produit par distillation, dans les conditions décrites dans l'exemple 1, à partir d'un moût de fermentation PDO préalablement appauvri en acide butyrique, et enrichi en acide acétique. La composition de ce mélange est donnée dans le tableau 4. L'installation d'osmose inverse est équipée de la membrane AG décrite dans le tableau 1, elle est opérée à 28 bars pour assurer une bonne rétention des composés organiques et des débits de perméats élevés. L'installation est utilisée en boucle ouverte (voir figure 1) : le perméat est collecté en continu, pendant que le produit du bac d'alimentation se concentre au cours du temps. Une masse totale de 20 kg du produit (A2) a été traitée, pour produire plus de 16 kg de perméat appauvri en acides organiques. Les résultats détaillés de l'essai sont donnés dans le tableau 4.
Tableau 4 : Résultats de la production d'une eau purifiée en organiques, par osmose inverse, à partir d'un mélange riche en acétate Produit Masse Composition en g/L kg Acétate Acétoïne Butyrate Perméat 1 4 0.9 0.06 0.42 Perméat 2 1 1.1 0.07 0.55 Perméat 3 7.3 0.94 0.06 0.4 Perméat 4 4.1 1.6 0.1 0.83 Rétentat final 3.3 5.37 0.54 7.48 Le tableau 4 confirme l'efficacité de l'élimination de la plupart des espèces organiques acétate, acétoïne, et butyrate, pour cette nouvelle composition. Au cours de cette production, le débit de production de perméat à 28 bar est passé de 100 à 150 1/h.m2 en début d'essai, à 90 1/h.m2 en fin d'essai. Cette diminution de débit est expliquée par la concentration progressive du produit, donc de la pression osmotique : le débit fourni reste élevé, et démontre le potentiel d'application industrielle de l'osmose inverse pour le traitement d'effluents aqueux du procédé de purification d'un moût de fermentation.
Example 4 : Caractérisation de la qualité d'un perméat obtenu par osmose inverse dans l'objectif de le recycler en fermentation.
Cet exemple illustre le recyclage d'un perméat obtenu par osmose inverse, en début de procédé de production particulièrement au niveau de l'étape de fermentation. Les perméats de l'exemple 2 sont testés en remplacement de l'eau de ville utilisée pour préparation des milieux de fermentation dans le cadre de la production de 1.3-propanediol (PDO).
Les milieux de fermentation contiennent 30 g/L de glycérol, 2.9 g/L de sels et oligo-éléments divers, 2.2 g/L d'acide acétique, 23 g/L de MOPS, 32.2 mg/L de vitamines et 1 mg/L de resazurine. Le pH est ajusté à 6.5 UpH avec une solution NH4OH 10% NH3. Ces milieux sont stérilisés 20 minutes à 121°C. Un réducteur de potentiel redox, la cystéine, est ajoutée après stérilisation à hauteur de 0.5 g/L.
Dans le cadre de ce test, la culture et production de PDO à partir d'utilisation de perméat se réalise en mode batch, à 37°C, sous agitation à 150 rpm et en pH évolutif. Le micro-organisme Clostridium acetobutylicum est utilisé pour les tests de recyclage de perméat en fermentation. Ce micro-organisme possède le plasmide pSPD5 lui permettant de transformer le glycérol en 1.3-propanediol.
Une pré-culture en eau de ville réalisée dans les mêmes conditions que décrites ci-dessus est utilisée pour inoculer les tests à proprement dit, lorsque la pré-culture se situe en fin de phase exponentielle. Des cultures témoins en eau de ville et eau osmosée de laboratoire sont également réalisées pour référence.
Tableau 5 : Tableau récapitulatif des résultats obtenus dans les conditions d'essais décrits ci-dessus Témoin Permeat 1 Permeat 2 Permeat 3 Permeat 4 Permeat 5 [1.3 propanediol] 10.2+0.5 10.4+0.7 10.4+0.1 11.7+0.2 11.2+1.1 10.6+0.6 (g/L) Ypdo/glycerol 0.49+0.01 0.51+0.02 0.51+0.03 0.53+0.03 0.51+0.04 0.51+0.01 consommé (g/g) Temps de culture (h) 31.5+13.3 30.0+9.2 35.3+9.3 45.8+3.0 31.8+12.1 30.5+9.2 Compte-tenu des écart-types, les temps de culture, la concentration en 1.3 -propanediol ainsi que les rendements obtenus permettent d'indiquer que les performances sont identiques en utilisant les perméats d'osmose inverse versus eau de ville.
Ces tests permettent de valider le recyclage de perméat d'osmose inverse dans la 10 préparation des milieux de fermentation du procédé de production PDO. Ces tests - réalisé avec remplacement de la quantité totale d'eau de ville par les perméats d'osmose inverse - permettent de plus de valider une utilisation partielle des perméats, plus particulièrement un recyclage tel que les milieux de fermentation soient composés à 67% de perméat d'osmose inverse et 33% d'eau de ville. 15 Le même type de test à été réalisé pour des productions de différents produits. Différentes cultures ont été testées mettant en oeuvre deux microorganismes principaux : Clostridium acetobutylicum ou Escherichia coli. Différentes sources de carbone sont testées. La composition des milieux de fermentation est adaptée en fonction du 20 microorganisme cultivé. Ici les milieux sont ceux présentés dans les demandes de brevet WO2010128070, US61/361.455 WO 2008/052596, US61/406249 ou 61/654,887. L'homme du métier est capable d'adapté la composition du milieu en fonction du microorganisme utilisé. Les milieux divergent en fonction du microorganisme cultivé d'une part et d'autre part au niveau du substrat carboné utilisé (glycérol, saccharose, 25 glucose, xylose hemicellulose ou amidon). Les résultats sont présentés dans le tableau 6: Tableau 6 : Utilisation d'eau osmosée lors de la fermentation de différents microorganismes pour produire différents produits d'intérêt PDO Butanol MPG Méthionine Acide glycolique MEA Clostridium acetobutytilicum Glycérol ++ ++ NR NR NR NR Saccharose ++ ++ NR NR NR NR Glucose ++ ++ NR NR NR NR Xylose ++ ++ NR NR NR NR Hemicellulose ++ ++ NR NR NR NR Amidon ++ ++ NR NR NR NR Escheria col/ Glycérol ++ NR ++ NR NR NR Saccharose ++ ++ ++ ++ ++ ++ Glucose ++ ++ ++ ++ ++ ++ Xylose NR NR NR NR NR NR Hemicellulose NR NR NR NR NR NR amidon NR NR NR NR NR NR ++: croissance et production du métabolite concerné NR: Non réalisé Les résultats présentés dans le tableau 6 montrent que l'utilisation d'eau osmosée selon l'invention permet de remplacer en totalité ou partiellement l'eau de ville dans la composition de milieu de fermentation pour différents types de bactéries. La production
de produit d'intérêt n'est pas affectée par ce remplacement.
REFERENCES
W09821339
W09635796
US61/361,455 US61/361,459 W02008052595 W02010128070 W02005073364 W020081166848 W02008116852 W02008116853 W02009115114 W02010051849 W0200508561
W02006082254 18 WO2007077041 WO2009043803 WO2010020681 WO2010020682 US61/406,249 WO2008052596 WO2007144346 WO2009068110 WO2010037843 WO2044076392 WO2004101479 US61/288,942 US61/319,899 WO2007074066 WO2005059155, WO200807774 WO2011003962 WO2007074066 WO0192555 WO97/21632 WO97/21632 WO2010118369 WO2010128070 US61/361455 WO 2008/052596 US61/406249 US61/654,887
Claims (13)
- REVENDICATIONS1) Procédé de recyclage de l'eau dans un procédé de production d'un produit d'intérêt par fermentation et de purification de ce produit d'intérêt caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : a) Production d'un produit d'intérêt par fermentation d'un microorganisme producteur dans un milieu de culture aqueux et obtention d'un moût de fermentation aqueux contenant le produit d'intérêt et au moins un contaminant organique, b) Purification du produit d'intérêt à partir du moût de fermentation aqueux obtenu à l'étape précédente et obtention du produit d'intérêt et d'au moins un effluent aqueux contenant de l'eau et au moins un contaminant organique, c) Traitement de l'effluent aqueux de l'étape précédente par osmose inverse pour séparer l'eau et au moins un contaminant organique, d) Réutilisation de l'eau obtenue à l'étape c) dans l'étape de production du composé d'intérêt par fermentation.
- 2) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape b) de purification du produit d'intérêt comprend une étape de clarification du moût de fermentation par filtration et/ou séparation centrifuge.
- 3) Procédé selon l'une des revendications 1-2, caractérisé en ce que l'étape b) de purification du produit d'intérêt comprend au moins une étape de distillation du moût de fermentation.
- 4) Procédé selon l'une des revendications 1-3, caractérisé en ce que l'étape c) comprend le traitement de l'effluent aqueux par osmose inverse avec une membrane spiralée en polyamide. 30
- 5) Procédé selon l'une des revendications 1-4, caractérisé en ce que l'étape c) comprend le traitement de l'effluent aqueux par osmose inverse à des pressions supérieures ou égales à 10 bars.25
- 6) Procédé selon l'une des revendications 1-5, caractérisé en ce que l'étape d) comprend l'utilisation de l'eau dans le milieu de culture du microorganisme producteur.
- 7) Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le produit d'intérêt est choisi parmi le 1,3-propanediol, le 1,2-propanediol, le 1,4-butanediol, le n-butanol, l'isobutanol, la méthionine, la lysine, la thréonine, l'isoleucine, le glutamate, la monoéthanolamine, l'acide glycolique, l'acide adipique, l'acide succinique, l'acide muconique, l'acide acrylique, les esters d'acide acrylique, l'isoprene, l'isobutene, le butadiène, la cadaverine et la putrescine.
- 8) Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que le contaminant est choisi dans le groupe consistant en l'acide butyrique, l'acide acétique, acide lactique, acétoïne, 3-hydroxypropionaldehyde, éthanol, hydroxyacétone, acide hexanoïque, acide citrique, acide succinique, methylglyoxal, acide glutamique, acide pyruvique, pyrazine, acétone, acide formique, acide fumarique, acide methylcetovalérique, acide oxalique, acide orotique et acide malique.
- 9) Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le produit d'intérêt est le 1,3-propanediol et le contaminant organique comprend au moins un contaminant organique choisi dans le groupe consistant en acide butyrique, acide acétique, acide lactique, acétoïne, 3-hydroxypropionaldéhyde et éthanol.
- 10) Procédé selon l'une des revendications 1-8, caractérisé en ce que le produit d'intérêt est le 1,2-propanediol et le contaminant organique comprend au moins un contaminant organique choisi dans le groupe consistant en acide acétique, hydroxyacétone, acide hexanoïque, acide citrique, acide succinique, méthylglyoxal, acide glutamique, acide pyruvique et pyrazine.30
- 11) Procédé selon l'une des revendications 1-8, caractérisé en ce que le produit d'intérêt est le butanol et le contaminant organique comprend au moins un contaminant organique choisi dans le groupe consistant en acétone, éthanol, acide acétique, acide butyrique, acétoïne et acide lactique.
- 12) Procédé selon l'une des revendications 1-8, caractérisé en ce que le produit d'intérêt est la méthionine et le contaminant organique comprend au moins un contaminant organique choisi dans le groupe consistant en acide acétique, acide lactique, acide formique, acide fumarique, acide méthylcétovalérique, éthanol et acide citrique. 10
- 13) Procédé selon l'une des revendications 1-8, caractérisé en ce que le produit d'intérêt est l'acide glycolique et le contaminant organique comprend au moins un contaminant organique choisi dans le groupe consistant en acide acétique, acide oxalique, acide orotique, acide lactique, acide succinique, acide glutamique, acide 15 malique et acide citrique.5
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