FR2997094A1 - Procede de production d'ethanol a partir de biomasse avec recyclage d'un flux interne comprenant de l'ethanol en amont ou au sein du pretraitement - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un procédé de production d'éthanol à partir de biomasse comprenant au moins les étapes suivantes : a) on prétraite dans un réacteur de prétraitement la biomasse par explosion à la vapeur de manière à fournir un effluent contenant un substrat prétraité contenant de la cellulose; b) on effectue une hydrolyse enzymatique du substrat prétraité issu de l'étape a) de manière à fournir un hydrolysat; c) on effectue une fermentation éthylique des hexoses et éventuellement des pentoses contenus dans l'hydrolysat de sorte à produire un effluent fermenté contenant de l'éthanol ; d) on effectue une étape d'extraction de l'éthanol de l'effluent fermenté issu de l'étape c). Le procédé comprend en outre une étape e) dans laquelle on recycle, en amont du ou dans le réacteur de prétraitement, au moins un flux interne aqueux comprenant de l'éthanol issu d'une fermentation éthylique de sorte à récupérer en sortie dudit réacteur de prétraitement un effluent en phase vapeur contenant de l'éthanol.

Description

DOMAINE DE L'INVENTION La présente invention s'inscrit dans le cadre d'un procédé de production d'éthanol dit de "seconde génération" à partir de 5 biomasse lignocellulosique. ART ANTÉRIEUR La biomasse lignocellulosique représente une des ressources renouvelables les plus abondantes sur terre. Les substrats 10 considérés sont très variés, puisqu'ils concernent à la fois les substrats ligneux (feuillus et résineux), les sous-produits de l'agriculture (paille) ou ceux des industries génératrices de déchets lignocellulosiques (industries agroalimentaires, papeteries). 15 La biomasse lignocellulosique est composée de trois principaux polymères : la cellulose (35 à 50%), l'hémicellulose (20 à 30%) qui est un polysaccharide essentiellement constitué de pentoses et d'hexoses et la lignine (15 à 25%) qui est un polymère de structure complexe et de haut poids moléculaire, composé d'alcools aromatiques 20 reliés par des liaisons éther. Ces différentes molécules sont responsables des propriétés intrinsèques de la paroi végétale et s'organisent en un enchevêtrement complexe. La cellulose et éventuellement les hémicelluloses sont les 25 cibles de l'hydrolyse enzymatique mais ne sont pas directement accessibles aux enzymes. C'est la raison pour laquelle ces substrats doivent subir un prétraitement précédant l'étape d'hydrolyse enzymatique. Le prétraitement vise à modifier les propriétés physiques et physico-chimiques du matériau lignocellulosique, en vue 30 d'améliorer l'accessibilité de la cellulose emprisonnée au sein de la matrice de lignine et d'hémicellulose. De nombreuses technologies pour réaliser ce prétraitement existent. On peut citer par exemple la cuisson acide, la cuisson alcaline, l'explosion à la vapeur, les procédés Organosolv, etc. 35 L'efficacité du prétraitement se mesure à la fois par le bilan matière à l'issue du prétraitement (taux de récupération des sucres sous forme de monomères ou d'oligomères solubles ou polymères insolubles) et également par la susceptibilité à l'hydrolyse enzymatique des résidus cellulosiques et hémicellulosiques. Le prétraitement par explosion à la vapeur se distingue par ses 5 performances en termes de dégradabilité de la cellulose et son faible taux de dilution. Le prétraitement par explosion à la vapeur est aussi connu sous le nom de "steam explosion", "steam gunning", "détente explosive", "prétraitement à la vapeur". La biomasse est portée rapidement à 10 haute température (150°-250 °C) par injection de vapeur sous pression. L'arrêt du traitement s'effectue généralement par décompression brutale, appelée détente ou explosion, qui déstructure la matrice lignocellulosique. Les temps de séjour varient de 10 secondes à quelques minutes, pour des pressions allant de 10 à 50 15 bars. Cette technique a été mise en oeuvre soit en discontinu soit en continu. Certaines technologies proposent une injection d'eau pour refroidir le milieu avant la décompression. De nombreuses configurations sont possibles pour ce type de prétraitement. La mise en oeuvre peut-être de type batch, ou de type 20 continue. L'explosion vapeur peut-être précédée d'une imprégnation d'acide pour favoriser l'hydrolyse des hémicelluloses lors de la cuisson. Lorsque l'explosion à la vapeur est appliquée sur un substrat préalablement acidifié, par exemple avec l'H2SO4, elle conduit à une solubilisation et une hydrolyse quasi-totale des 25 hémicelluloses en leurs monomères, en limitant la dégradation en furfural. En outre, la susceptibilité de la cellulose à l'hydrolyse enzymatique est améliorée. L'utilisation d'un catalyseur acide permet de diminuer la température du procédé (150 à 200°C contre 250°C pour l'explosion à la vapeur sans catalyseur), et ainsi de 30 minimiser la formation de composés de dégradation. L'explosion à la vapeur peut être précédée d'une étape de cuisson acide qui vise à hydrolyser les hémicelluloses et à les retirer dans une solution liquide sous forme de sucres monomères et/ou d'oligomères. 35 La présence d'éthanol dans une biomasse à l'entrée du prétraitement par explosion à la vapeur a été peu étudiée. Zahibi et al. [S. Zabihi, et al. "Pretreatment of wheat straw using steam, steam/acetic acid and steam/ethanol and its enzymatic hydrolysis for sugar production." Bloystems engineering 105 (2010): 288-97] ont étudié l'impact d'une imprégnation préalable de la paille avec de l'éthanol sur un prétraitement par explosion à la vapeur sans présence d'acide. L'imprégnation avec de l'éthanol augmente l'efficacité de l'explosion à la vapeur (augmentation du rendement en sucres de l'hydrolyse). Les mélanges éthanol/eau utilisés pour l'imprégnation sont 25%, 50% et 75% poids éthanol. La solution la plus concentrée a montré les meilleurs résultats. Dans cet article, l'effet de l'acide acétique a aussi été étudié dans les mêmes conditions que l'éthanol, et un impact positif sur l'hydrolyse enzymatique a aussi été observé. Les paramètres opératoires de l'explosion à la vapeur peuvent être adaptés en fonction du type de biomasse à traiter.

Les paramètres importants pour le prétraitement sont notamment la température, la durée, la présence d'acide (type et concentration) et leurs effets sont interchangeables dans une certaine mesure. Ainsi par exemple une durée plus longue peut compenser une température moins élevée.

Les procédés biochimiques de production d'éthanol à partir de biomasse lignocellulosique, dit "procédés de seconde génération" comprennent au moins les étapes suivantes : - prétraitement du substrat, - hydrolyse enzymatique du substrat prétraité, - fermentation en éthanol de l'hydrolysat obtenu, et - séparation/purification de l'éthanol obtenu après fermentation. La validité économique de ce type de procédé de production d'éthanol est difficile à obtenir même pour les opérateurs disposant d'une large ressource mobilisable. Plusieurs postes ont un fort impact sur le coût global d'opération des unités ; on peut citer en particulier l'accessibilité de la ressource végétale et l'énergie mise en oeuvre pour la séparation et la purification de l'éthanol qui sont le plus souvent réalisées par distillation. L'optimisation de ce type de procédé passe obligatoirement par une valorisation optimale de l'ensemble des sucres, ainsi que par une bonne gestion de l'intégration thermique du procédé.

Le substrat prétraité voit son accessibilité aux enzymes améliorée par le prétraitement. Les étapes d'hydrolyse et de fermentation peuvent être mises en oeuvre selon plusieurs agencements connus de l'homme de l'art. On cite notamment: Separate (ou Seguential) Hydrolysis and Fermentation (SHF), Simultaneous Saccharification and Fermentation (SSF), Presacchararification followed by Simultaneous Saccharification and Fermentation (PSSF), Hybrid Hydrolysis and Fermentation (HHF). La levure Saccharomyces cerevisiae est l'organisme le plus performant pour la production d'éthanol. La souche naturelle n'utilise que les hexoses (glucose, mannose, et à un degré moindre, le galactose). Certains travaux de modifications génétiques ont conduit à des souches capables d'utiliser aussi les pentoses (et notamment le xylose), mais les performances (rendement, productivité, titre final) sur pentoses restent en retrait par rapport à l'utilisation des hexoses. Il est en effet connu que la vitesse de consommation des pentoses est nettement inférieure à celle des hexoses. Plusieurs voies sont à l'étude pour la fermentation industrielle des pentoses en éthanol, soit à partir de microorganismes fermentant naturellement les pentoses, soit par modifications génétiques de microorganismes déjà performants pour l'utilisation des hexoses. L'introduction de la fermentation des pentoses permet encore d'autres configurations de procédés comme par exemple la "Simultaneous Saccharification and Co-Fermentation" (SSCF). Enfin, il existe également le "Consolidated BioProcessing" (CBP) dans lequel les enzymes sont directement produites dans le réacteur d'hydrolyse et de fermentation. Cependant aucun microorganisme n'a aujourd'hui des performances satisfaisantes pour une mise en oeuvre industrielle à court terme. L'extraction de l'éthanol réalisée par distillation est un poste particulièrement énergivore. Pour l'amélioration du bilan économique de la production d'éthanol, il convient d'envisager de réduire les volumes d'eau notamment au moyen de recyclages et/ou de regroupements de différents flux qui concentrent les alcools et d'intégrer thermiquement l'ensemble de la chaîne. En effet, la consommation spécifique d'énergie pour séparer par exemple l'éthanol diminue fortement lorsque la concentration dans le flux initial (aussi appelée titre) augmente. RÉSUMÉ DE L'INVENTION Un but de l'invention est donc de proposer un procédé de production d'éthanol à partir de biomasse pour lequel les bilans en énergie et en eau sont optimisés. A cette fin, il est proposé un procédé de production d'éthanol à partir de biomasse comprenant au moins les étapes suivantes : a) on prétraite dans un réacteur de prétraitement la biomasse par explosion à la vapeur de manière à fournir un effluent contenant un substrat prétraité; b) on effectue une hydrolyse enzymatique du substrat prétraité contenu dans l'effluent issu de l'étape a) en présence d'enzymes cellulolytiques et/ou hémicellulolytiques de manière à produire un hydrolysat contenant des sucres solubilisés; c) on effectue une fermentation éthylique des sucres solubilisés contenus dans l'hydrolysat issu de l'étape b) en éthanol, en présence d'un microorganisme alcooligène de sorte à produire un effluent fermenté contenant de l'éthanol; d) on effectue une étape d'extraction de l'éthanol de l'effluent fermenté issu de l'étape c). Le procédé selon l'invention comprend en outre une étape e) dans laquelle on recycle, en amont du ou dans le réacteur de prétraitement, au moins un flux interne aqueux comprenant de l'éthanol issu d'une fermentation éthylique, de sorte à récupérer en sortie dudit réacteur de prétraitement un effluent en phase vapeur contenant de l'éthanol. Au sens de la présente invention, le terme "fermentation 30 éthylique" désigne un procédé de fermentation des sucres en éthanol seul au moyen de microorganismes tels que par exemple des levures ou des bactéries. La présente invention décrit un procédé de production d'éthanol dans lequel un flux comprenant de l'eau et de l'éthanol est recyclé 35 au sein du prétraitement par explosion à la vapeur.

Ainsi au moins une partie de l'éthanol produit par fermentation éthylique est recyclée dans l'étape de prétraitement par explosion à la vapeur, de sorte que les effluents vapeurs générés lors de la détente de l'étape de prétraitement et contenant de l'éthanol peuvent être envoyés vers une étape de distillation, commune ou non avec la chaîne principale. L'invention exploite la propriété de l'éthanol à former un azéotrope avec l'eau qui, du fait de sa température d'ébullition plus basse que celle de l'eau, permet une répartition favorable de l'éthanol en phase vapeur. Ainsi, l'éthanol qui est envoyé à l'étape d'extraction se trouve déjà sous forme vapeur, ce qui permet de diminuer le coût énergétique de la séparation par distillation, et donc le coût énergétique global du procédé. L'autre partie de l'éthanol recyclé non récupéré après la phase de détente, reste dans l'effluent en sortie du prétraitement, et contribue à augmenter le titre du ou des vins à distiller. Par ailleurs le flux interne recyclé peut être avantageusement et aisément intégré thermiquement dans le schéma global du procédé selon l'invention. Ainsi le flux interne, avant d'être recyclé, peut être préalablement chauffé au moyen de tout flux chaud produit par le procédé, comme par exemple lors de l'étape d'extraction qui met généralement en oeuvre au moins une étape de distillation. Ainsi, grâce au procédé selon la présente invention il est possible d'améliorer nettement le bilan énergétique de l'étape d'extraction de l'ordre de 5% à 50%.

Par ailleurs le recyclage selon l'invention permet de réutiliser une partie de l'eau dans l'étape de prétraitement par explosion à la vapeur et donc va dans le sens d'une optimisation du bilan eau du procédé. Selon un mode de réalisation, le procédé comprend en outre les 30 étapes suivantes: - on effectue une séparation solide/liquide d'au moins une partie d'une vinasse produite à l'étape d) de sorte à récupérer une fraction liquide contenant des pentoses; et - on effectue une fermentation éthylique des pentoses de la fraction 35 liquide de sorte à fournir ledit flux interne comprenant de l'éthanol.

Selon un autre mode de réalisation, le procédé comprend en outre les étapes suivantes: - on effectue une séparation solide/liquide d'au moins une partie de l'effluent issu de l'étape a) de sorte à récupérer une fraction 5 liquide contenant des sucres solubilisés; et - on effectue une fermentation éthylique des sucres de la fraction liquide de sorte à fournir ledit flux interne comprenant de l'éthanol. Selon l'invention ladite fraction liquide comprend des hexoses et/ou des pentoses. 10 Selon un autre mode de réalisation, le procédé comprend en outre les étapes suivantes: - on effectue une séparation solide/liquide d'au moins une partie de l'effluent obtenu à l'étape a) de sorte à récupérer une pulpe; - on effectue un lavage de ladite pulpe de sorte à récupérer une 15 fraction liquide contenant des sucres solubilisés; - on effectue une fermentation éthylique des sucres solubilisés contenus dans la fraction liquide de sorte à fournir ledit le flux interne de l'éthanol. Selon un autre mode de réalisation du procédé selon l'invention 20 le flux interne contenant de l'éthanol est issu d'au moins une partie de l'effluent fermenté produit à l'étape c). Selon un mode de réalisation du procédé selon l'invention, le flux interne est une fraction liquide obtenue après séparation solide/liquide d'au moins une partie de l'effluent fermenté produit 25 à l'étape c). Selon un mode de réalisation du procédé selon l'invention, le flux interne est une fraction liquide obtenue après lavage d'un gâteau obtenu par séparation solide/liquide d'au moins une partie de le procédé comprend les d'au moins une partie de l'effluent fermenté obtenu à l'étape c). 30 Selon un autre mode de réalisation, étapes suivantes: - on effectue une séparation solide/liquide l'hydrolysat obtenu à l'étape b) de sorte à récupérer une pulpe contenant des hexoses et éventuellement des pentoses; 35 - on effectue une fermentation éthylique des hexoses et éventuellement des pentoses contenus dans la pulpe de sorte à fournir ledit le flux interne comprenant de l'éthanol.

Selon un autre mode de réalisation, le procédé comprend les étapes suivantes: - on effectue une séparation solide/liquide d'au moins une partie de l'hydrolysat obtenu à l'étape b) de sorte à récupérer une fraction 5 liquide contenant des hexoses et éventuellement des pentoses; - on effectue une fermentation éthylique des hexoses et éventuellement des pentoses contenus dans la fraction liquide de sorte à fournir ledit le flux interne comprenant de l'éthanol. Selon un mode de réalisation, le procédé comprend les étapes 10 suivantes: - on effectue une séparation solide/liquide d'au moins une partie de l'hydrolysat obtenu à l'étape b) de sorte à récupérer une pulpe; - on effectue un lavage de la pulpe de sorte à récupérer une fraction liquide contenant des hexoses et éventuellement des 15 pentoses; - on effectue une fermentation éthylique des hexoses et éventuellement des pentoses contenus dans la fraction liquide de sorte à fournir ledit le flux interne comprenant de l'éthanol. Selon un autre mode de réalisation du procédé selon l'invention 20 les étapes b) et c) sont réalisées dans un même réacteur. Selon un autre mode de réalisation préféré, le flux interne contenant de l'éthanol est vaporisé avant l'étape de recyclage e). Le procédé selon l'invention permet de traiter de la biomasse issue d'espèces arborescentes résineuses, de feuillues ou de déchets 25 lignocellulosiques agricoles. Dans le cadre de l'invention, le prétraitement à la vapeur peut se faire en présence d'acide, ce dernier peut être injecté directement sur la biomasse à l'entrée du réacteur de prétraitement. L'acide peut également être utilisé en conditions très diluées pour 30 imprégner la biomasse dans la phase de préparation. Le taux de MS peut être augmenté par une séparation solide/liquide après l'imprégnation de l'acide. Selon l'invention, les enzymes cellulolytiques et/ou hemicellulolytiques utilisées pendant l'étape d'hydrolyse peuvent 35 être produites par un microorganisme appartenant aux genres Tri choderma, Aspergillus, Penicillium ou Schizophyllum, ou une bactérie anaérobie appartenant au genre Clostridium, par exemple.

Selon l'invention, les microorganismes alcooligènes utilisés dans l'unité de conversion pour réaliser la fermentation éthylique des hexoses sont de préférence choisis parmi les levures et les bactéries, éventuellement génétiquement modifiées.

Lorsque le microorganisme alcooligène est une levure, Saccharomyces cerevisiae est celle qui est préférée. Il est également possible de choisir des levures telles que Schizosaccharomyces pombe ou Saccharomyces uvarum ou diastaticus. Des levures plus thermophiles, telles que les Kluyveromyces fragilis 10 (maintenant souvent désignée par K. marxianus) présentent également un intérêt, notamment lorsque l'hydrolyse enzymatique et la fermentation éthylique sont réalisées simultanément (procédé SSF). Un organisme génétiquement modifié, comme par exemple une levure de type Saccharomyces cerevisiae telle que la TMB 3400 15 (Ohgren et al, J. of Biotech 126, 488-498, 2006) peut également être utilisé. Cette levure permet notamment de fermenter en éthanol une partie des pentoses lors de l'étape de fermentation éthylique des hexoses, lorsque le glucose est en concentration limitante. Lorsque le microorganisme alcooligène est une bactérie, on 20 préférera Zymomonas mobilis qui présente une voie d'assimilation efficace. Tout comme pour les levures, des espèces de Zymomonas mobilis ont été modifiées pour convertir les pentoses en éthanol comme par exemple la souche Zymomonas mobilis 8bi décrite par Dutta et al (Biotechnol. Prog., 2010, Vol. 26, No. 1, pp 64-72). 25 Les levures, et de préférence Saccharomyces cerevisiae sont les microorganismes utilisés de façon très préférée pour la conversion des hexoses. Ils présentent une meilleure robustesse, sécurité, et ne nécessitent pas de stérilité pour la conduite du procédé et des installations. 30 Les levures du genre Saccharomyces sont capables de fermenter les seuls et uniques hexoses (glucose et mannose essentiellement). Ces levures valorisent de façon optimale les hexoses en éthanol et permettent d'atteindre des rendements massiques de conversion de l'ordre de 0,46 à 0,48, ce qui est proche du rendement massique 35 théorique maximal qui vaut 0,51. Seuls les pentoses et quelques sources carbonées marginales ne sont pas utilisés par ces levures sauvages. Des souches modifiées de Saccharomyces ont été développées pour fermenter les pentoses, soit en co-fermentation des hexoses, soit dans une étape séparée. La fermentation éthylique est réalisée préférentiellement à une température comprise entre 30°C et 40°C, et à un pH compris entre 3 et 6,5. DESCRIPTION DES DESSINS Ces aspects ainsi que d'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront clarifiés dans la description détaillée de modes de réalisation particuliers de l'invention, référence étant faite 10 aux dessins des figures, dans lesquelles : La Figure 1 est une représentation schématique d'un premier mode de réalisation du procédé de production d'éthanol selon l'invention. La Figure 2 est une représentation schématique d'un second mode 15 de réalisation du procédé de production d'éthanol selon l'invention. La Figure 3 est une représentation schématique d'un troisième mode de réalisation du procédé de production d'éthanol selon l'invention. La Figure 4 est une représentation schématique d'un quatrième 20 mode de réalisation du procédé de production d'éthanol selon l'invention. La Figure 5 est une représentation schématique d'un cinquième mode de réalisation du procédé de production d'éthanol selon l'invention. 25 Généralement, des éléments identiques sont dénotés par des mêmes références dans les figures. DESCRIPTION DÉTAILLÉE DE L'INVENTION Au sens de la présente invention, on désigne sous le terme de 30 "pentoses" les monomères et oligomères solubles des sucres comprenant 5 atomes de carbone et sous le terme de "hexoses" les monomères et oligomères solubles des sucres comprenant 6 atomes de carbone. On désigne sous l'abréviation "MS" les matières sèches (solides 35 et solubles) présentes dans un milieu et sous l'abréviation "MES" les matières en suspension (solides) présentes dans un milieu. Le taux de matières sèches (ou "Total Solids") est déterminé selon la méthode ASTM E1756-01 qui consiste en une perte de masse à 105°C. En référence à la figure 1, le substrat cellulosique et/ou lignocellulosique est introduit par la conduite 1 dans une unité de 5 préparation 2 de la charge. L'eau et/ou la vapeur nécessaires à la conduite de la préparation de charge sont introduites dans l'unité de préparation par une ligne dédiée (non représentée). Les réactifs (e.g. de l'acide) et autres utilités sont introduits par une autre ligne dédiée (non représentée). La préparation de charge comprend 10 par exemple un broyage mécanique, une addition d'acide, un réglage de la "MS" par ajout d'eau sous forme liquide et/ou vapeur avant l'introduction dans le réacteur d'explosion à la vapeur. Le substrat cellulosique ou lignocellulosique utilisé dans le procédé selon la présente invention peut être choisi parmi les 15 biomasses les plus variées, mais plus particulièrement depuis les espèces arborescentes résineuses (softwood tels que les épicéas ou les pins) ou feuillues (hardwood tels que les eucalyptus) ou les déchets lignocellulosiques agricoles (paille de blé, riz, etc.) ou encore les cultures dédiées (miscanthus, switchgrass). 20 Le substrat préparé est introduit dans le réacteur de prétraitement 4, via la ligne 3, qui met en oeuvre la technique d'explosion à la vapeur. La vapeur nécessaire au prétraitement est introduite par une conduite (non représentée). La phase vapeur générée à la détente est extraite par la conduite 27. 25 Le rôle du prétraitement est de rendre la cellulose accessible aux enzymes, en déstructurant la matrice lignocellulosique. Lors du prétraitement par explosion à la vapeur, on rend accessible préférentiellement l'hémicellulose, qui se retrouve en grande partie dans la phase liquide en sortie du prétraitement. 30 Typiquement, les conditions opératoires pour le prétraitement par explosion à la vapeur sont les suivantes: - T= 150 à 250°C - P = 10 à 50 bar - temps de mise sous pression = quelques secondes à 35 quelques minutes Il est à noter que des étapes additionnelles suivant l'étape de prétraitement, par exemple de mise au pH ou de liquéfaction peuvent être réalisées afin de faciliter la mise en oeuvre et l'efficacité des étapes d'hydrolyse enzymatique et de fermentation éthylique subséquente. Le substrat prétraité contient préférentiellement entre 5% 5 poids et 80% poids de MS, plus préférentiellement entre 15% poids et 60% poids de MS et encore plus préférentiellement entre 20% poids et 55% poids de MS. Comme montré sur la figure 1, le substrat prétraité est extrait par la conduite 5 et envoyé vers une unité de séparation 10 solide/liquide 6. L'unité de séparation solide/liquide 6 permet de séparer par la ligne 18 un flux liquide contenant des sucres issus essentiellement de l'hémicellulose et une pulpe humide qui est envoyée par la conduite 7 dans une unité de conversion 8 qui réalise la transformation de la cellulose en éthanol. Les sucres issus de 15 l'hémicellulose comprennent des pentoses et éventuellement des hexoses selon le type de biomasse traitée. L'unité de conversion 8 de la cellulose en éthanol comprend au moins une unité d'hydrolyse enzymatique 9 et une unité de fermentation éthylique 10. Dans la figure 1, les unités d'hydrolyse 20 enzymatique et fermentation éthylique sont représentées de manière séparée l'une de l'autre, cependant il est possible dans le cadre de ce mode de réalisation d'avoir un seul réacteur dans lequel sont effectuées simultanément l'hydrolyse et la fermentation (procédé SSF). 25 Les conditions de l'hydrolyse enzymatique, principalement le taux de matière sèche du mélange à hydrolyser et la quantité d'enzymes utilisée, sont choisies de telle façon que l'on obtienne une solubilisation de la cellulose comprise entre 20% et 99% et de manière préférée entre 30% et 95%. L'eau nécessaire à l'obtention du 30 taux de MS visé est ajoutée par une conduite (non représentée). Le taux de MS souhaité est généralement compris entre 5% poids et 45% poids et préférentiellement entre 8% poids et 40% poids. Selon l'invention, l'hydrolyse enzymatique est préférentiellement réalisée à pH compris entre 4 et 5,5 à une 35 température comprise entre 40°C et 60°C. Les additifs nécessaires, par exemple les enzymes cellulolytiques et/ou hémicellulolytiques, les microorganismes de fermentation (si la réaction de conversion est en une seule étape), de l'eau, des nutriments, des réactifs chimiques comme par exemple la soude et/ou l'ammoniac et/ou la potasse, sont introduits par une conduite (non représentée) dédiée à cet effet.

Comme mentionné plus haut, il est possible de réaliser l'hydrolyse enzymatique et la fermentation éthylique (des hexoses ou des hexoses et pentoses) dans une même et seule opération désignée par le terme SSF. Cette opération est préférentiellement réalisée à une température comprise entre 30°C et 45°C, à un pH compris entre 4 et 6. De manière optionnelle et selon le(s) microorganisme(s) de fermentation utilisé(s), tout ou partie des pentoses peuvent être aussi fermentés en éthanol. De préférence le microorganisme alcooligène est une levure. De 15 manière encore plus préféré, le microorganisme alcooligène appartient au genre Saccharomyces. A l'issue de l'étape de conversion éthylique, un moût fermenté comprenant un résidu solide et un vin éthylique est extrait par la conduite 11 et est amené dans une unité d'extraction/purification 12 20 de l'éthanol contenu dans le vin éthylique. Cette étape d'extraction/purification comprend généralement au moins une étape de distillation. De l'unité d'extraction/purification 12, on récupère au moins: - un effluent contenant de l'éthanol via la ligne 13 ; 25 - une pulpe, soutirée par la ligne 14, contenant un résidu insoluble qui est en partie composé de cellulose et hémicellulose qui n'ont pas été hydrolysées et de lignine en mélange avec une fraction liquide (vinasse) contenant des sucres non fermentés (des pentoses et éventuellement des 30 hexoses). La pulpe est transférée vers une unité de séparation solide/liquide 15 d'où l'on récupère par la ligne 16 un gâteau humide comprenant de la cellulose, de l'hémicellulose qui n'ont pas été hydrolysées et de la lignine et, par la ligne 17, une vinasse 35 clarifiée contenant les sucres non fermentés. La vinasse clarifiée contient par exemple des pentoses non fermentés (xylose, arabinose), voire des traces de galactose qui est l'hexose le plus difficile à métaboliser par les levures conventionnelles, voire des traces de glucose si la fermentation a été incomplète. Le gâteau humide peut être soit réintroduit dans le procédé, soit valorisé pour produire de l'énergie par exemple par 5 méthanisation ou par combustion, ou en tant que complément agricole (épandage). En référence à la figure 1, une fraction de la vinasse clarifiée, entre 10% et 90% et de préférence entre 15% et 60% poids, est envoyée par la conduite 17 vers un réacteur 19 de fermentation 10 éthylique additionnel. Comme montré sur la figure 1, par l'intermédiaire de la conduite 18, tout ou partie du liquide contenant des sucres solubilisés dont éventuellement des pentoses, et issu de la séparation solide/liquide 6 disposée en amont de l'unité de 15 conversion 8, est également envoyé dans le réacteur de fermentation additionnel 19. Dans le cas où tout le liquide n'est pas envoyé dans le réacteur de fermentation 19, la partie restante peut être utilisée par exemple pour la production d'enzymes ou encore valorisée en méthane ou en énergie. 20 Le réacteur 19 est un réacteur de fermentation des pentoses et éventuellement des hexoses résiduels en éthanol. Les microorganismes utilisés pour la fermentation des pentoses peuvent être des bactéries, des levures ou des champignons. Parmi les bactéries, on peut citer les bactéries "sauvages" 25 appartenant aux genres Bacillus, Bacteroides, Thermoanaerobacter ou Clostridium, des bactéries recombinantes dont les plus intéressantes sont Escherichia cou, Klebsiella oxytoca et surtout Zymomonas mobills. Des levures sauvages telles que Pichia stipitis, Candida 30 shehatae et Pachysolen tannophilus, identifiées comme étant les plus efficaces pour cette conversion des pentoses en éthanol, peuvent également être utilisées. Il est possible de choisir des levures recombinantes, notamment les Saccharomyces cerevisiae comme mentionné plus haut. 35 Tout ou partie du vin éthylique produit par le réacteur de fermentation 19 est ensuite transféré, via la conduite 20, dans une unité de traitement 21.

L'unité de traitement 21 peut comprendre par exemple un dispositif de vaporisation et/ou une unité de séparation des matières en suspension (e.g. par centrifugation et/ou par décantation et/ou par traitement membranaires (Ultra-filtration, Micro-filtration)). Les résidus éventuels du traitement peuvent être retirés par une conduite (non représentée). L'effluent, sous forme vapeur ou liquide, issu de l'unité de traitement 21, et contenant essentiellement de l'eau et de l'éthanol (avec une moindre quantité des composés tels que le furfural, l'acide acétique) peut être séparé en deux flux, comme indiqué dans la figure 1. Un des flux 24 est alors envoyée vers le réacteur de prétraitement 4 et/ou vers le réacteur de préparation de la biomasse 2. L'autre partie du flux 23 peut éventuellement être recyclé dans l'unité de distillation 12.

Un avantage de procéder au recyclage de la fraction 24 dans le réacteur de prétraitement 4 et/ou dans le réacteur de préparation de la biomasse 2 est que ce flux de recyclage permet de remplacer tout ou partie de l'appoint d'eau nécessaire à ces étapes. Selon un autre mode de réalisation du procédé selon 20 l'invention, le flux interne contenant de l'eau et de l'éthanol est recyclé sous forme liquide et/ou sous forme vapeur en amont ou dans le réacteur de prétraitement par explosion à la vapeur 4. Typiquement, la quantité d'éthanol recyclé dans le réacteur d'explosion à la vapeur 4 est ajustée de sorte à obtenir une teneur 25 en éthanol dans ledit réacteur 4 de moins de 15% poids, et de préférence de moins de 10% poids. L'acide acétique, le furfural et les autres composés apportés par le recyclage ont des concentrations dans le réacteur 6 inférieures à 5%, voire inférieures à 2% poids. De manière préférée, l'unité de traitement 21 comprend au moins 30 une unité de vaporisation. La vaporisation du flux permet de ne recycler que les produits volatils, et donc d'éviter le recyclage de produits solubles tels que les sucres résiduels (hexoses et pentoses) qui peuvent se dégrader dans le réacteur d'explosion à la vapeur en furfural, 5-HMF, ou encore en acides organiques (formique, 35 lévulinique). Comme montré sur la figure 1, l'éthanol et éventuellement les autres constituants mentionnés ci-dessus qui sont recyclés dans le réacteur de prétraitement 4 sont récupérés après la phase de détente en majeure partie sous forme gazeuse avec la vapeur d'eau par la conduite 27 et transférés vers une unité de distillation 28 d'où sont séparés deux flux; un flux 29 qui contient majoritairement de l'éthanol et un flux 30 comprenant majoritairement de l'eau. L'éthanol du flux 29 est réintroduit dans l'unité d'extraction/séparation 12. Selon un mode alternatif de réalisation non représenté sur la figure 1, la phase gazeuse contenant de l'eau et de l'éthanol 10 récupérée après détente du réacteur de prétraitement 4 est directement envoyée à l'unité d'extraction/séparation 12. La figure 2 représente un autre mode de réalisation du procédé selon l'invention qui diffère de celui présenté à la figure 1 par le 15 fait que : - l'unité de conversion 8 comprend un réacteur d'hydrolyse enzymatique 9, un réacteur de fermentation éthylique 10 séparé de celui de l'hydrolyse enzymatique et un dispositif de séparation solide/liquide 31 interposé 20 entre lesdits réacteurs 9 et 10; - le flux comprenant l'éthanol et l'eau qui est recyclé est obtenu à partir d'une pulpe, produite par séparation solide/liquide de l'hydrolysat issu de l'étape d'hydrolyse, qui a subi une étape de fermentation 25 éthylique des sucres en C6 et éventuellement en C5 contenus dans ladite pulpe. En référence à la figure 2, on extrait du dispositif de séparation solide/liquide 31 un flux liquide 33 qui est envoyé dans 30 le réacteur de fermentation 10 et une pulpe contenant un résidu solide imprégné d'un jus contenant des sucres en C6 et éventuellement en C5. La pulpe, par l'intermédiaire de la conduite 32, est envoyée dans un réacteur de fermentation 19 des hexoses et éventuellement des pentoses. 35 Le moût fermenté issu du réacteur de fermentation 19 qui comprend un vin éthylique en mélange avec le résidu solide, est transféré par la conduite 20 dans une unité de traitement 21 qui comprend un dispositif de séparation solide/liquide complété par des moyens de chauffe et/ou de vaporisation du vin éthylique obtenu après séparation solide/liquide du moût fermenté. Tout ou partie du vin éthylique chauffé, voire sous forme vapeur, est recyclé dans le réacteur de prétraitement 4 et/ou dans le réacteur de préparation de la biomasse 2 via la conduite 24, comme dans la mise en oeuvre de la Figure 1. Le résidu solide extrait du moût fermenté est soit recyclé dans le procédé, soit évacué hors du procédé. Selon un mode alternatif du procédé selon la figure 2, la pulpe extraite de la conduite 32 est soumise à une étape de lavage puis de séparation solide/liquide afin de récupérer un jus contenant des hexoses (et éventuellement des pentoses) et un gâteau humide. Le gâteau humide est recyclé dans le procédé tandis que le jus sucré est envoyé dans le réacteur de fermentation 19 pour produire un vin éthylique. Ce dernier est ensuite recyclé dans le réacteur de prétraitement 4 et/ou dans le réacteur de préparation de la biomasse 2, éventuellement après traitement dans une unité 21 par exemple par un chauffage ou une vaporisation.

Un troisième mode de réalisation est représenté à la figure 3. Cette variante se distingue de celle de la figure 2 de la manière suivante : - une unité de séparation solide/liquide 40 est disposée en aval de l'unité de conversion 8 ; - l'absence d'une unité supplémentaire de fermentation éthylique. En référence à la figure 3, une fraction du moût fermenté extrait du réacteur de fermentation 10 (ou de l'unité de conversion 8 dans le cas où un procédé SSF est mis en oeuvre) est envoyée dans l'unité de séparation solide/liquide 40. De l'unité de séparation solide/liquide 40 on sépare un gâteau imprégné d'un vin éthylique par la ligne 41 et une fraction liquide (ou vin éthylique) par la ligne 42. Le gâteau imprégné du vin éthylique est renvoyé dans l'unité de distillation 12 tandis que le vin éthylique est traité dans une unité de traitement 21 (par exemple une unité de vaporisation) avant d'être recyclé dans le réacteur de prétraitement 4 et/ou dans le réacteur de préparation de la biomasse 2, comme dans la mise en oeuvre de la Figure 1. Selon un mode alternatif de réalisation du procédé selon la figure 3, l'unité de séparation solide/liquide 40 est complétée par une unité de lavage du gâteau. Dans ce cas de figure, le moût fermenté est séparé en une fraction liquide (vin éthylique) et une fraction solide contenant un gâteau humide. La fraction liquide (ou vin éthylique) est envoyée vers l'unité d'extraction/séparation 12. Quant au gâteau humide (ou pulpe), il est lavé de manière à récupérer un jus de lavage contenant plus de 70% poids, de préférence plus de 85% poids de l'éthanol contenu dans le gâteau. La concentration en éthanol du jus de lavage est généralement inférieure ou égale à celle du liquide issu de la séparation solide/liquide. Le jus du lavage est chauffé ou vaporisé dans l'unité de traitement 21 avant d'être recyclé dans le réacteur de prétraitement 4 et/ou dans le réacteur de préparation de la biomasse 2, comme dans la mise en oeuvre de la figure 1. Le résidu solide lavé peut être réintroduit dans le procédé, ou valorisé par exemple par combustion.

Sur la figure 4 est représenté un autre mode de réalisation du procédé selon l'invention. Ce mode de réalisation se différencie de celui de la figure 1 par le fait que l'effluent issu du réacteur de prétraitement par explosion à la vapeur 4 est traité dans une unité 50 constitué d'une unité de séparation solide/liquide et de lavage de manière à séparer un gâteau humide lavé (ou pulpe) et un effluent liquide contenant essentiellement des pentoses. La pulpe est envoyée dans l'unité de conversion 8 tandis que l'effluent liquide est amené grâce à la conduite 51 vers l'unité de fermentation 19. Cette étape de fermentation, à l'image du schéma de la figure 1 a pour but de transformer par fermentation les sucres solubilisés en éthanol, sucres, qui en fonction du végétal, seront le plus souvent des pentoses. Le vin éthylique, qui est soutiré du réacteur 19 par la ligne 20, est envoyé vers l'unité de traitement 21 afin par exemple de le vaporiser. La vapeur éthylique est extraite par la ligne 22 et toute ou partie de ladite vapeur est ensuite recyclée dans le réacteur de prétraitement 4 et/ou dans le réacteur de préparation de la biomasse 2, comme dans la mise en oeuvre de la figure 1. La figure 5 représente un autre mode de réalisation du procédé selon l'invention qui combine les modes de réalisation des figures 1 et 2. Ce mode de réalisation met en oeuvre une première étape de séparation solide/liquide directement après l'étape d'explosion à la vapeur et une seconde étape de séparation solide/liquide entre l'étape d'hydrolyse enzymatique et de fermentation éthylique.

En référence à la figure 5, l'effluent issu du réacteur de prétraitement est envoyée dans un dispositif de séparation solide/liquide 6 d'où l'on extrait un gâteau humide par la ligne 7 et une fraction liquide contenant essentiellement des pentoses par la ligne 18. Comme dans le schéma de la figure 1, l'effluent liquide est traité dans une unité de fermentation éthylique 19 des pentoses en éthanol. L'effluent contenant de l'éthanol obtenu en sortie de l'unité de fermentation 19 est par exemple vaporisé dans l'unité de traitement 21 avant d'être recyclé dans le réacteur de préparation de la biomasse 2 et/ou dans le réacteur de prétraitement d'explosion à la vapeur 4. Quant au gâteau humide extrait du dispositif de séparation solide/liquide 6, il est envoyé dans l'unité de conversion 8 qui comprend un réacteur d'hydrolyse enzymatique 9, un réacteur de fermentation 10 et un dispositif de séparation solide/liquide 31 disposé entre le réacteur d'hydrolyse 9 et le réacteur de fermentation 10. L'hydrolysat, issu du réacteur d'hydrolyse enzymatique, qui contient un solide imprégné d'un jus comprenant essentiellement des hexoses subi une étape de séparation solide/liquide au moyen du dispositif 31 afin d'extraire par la ligne 33 un effluent liquide refermant essentiellement des hexoses et, via la ligne 32, une pulpe contenant un résidu solide d'hydrolyse imprégné d'un jus d'hexoses (avec éventuellement des pentoses). La pulpe imprégnée du jus d'hexoses est transférée dans une unité de fermentation 60 qui réalise principalement la conversion des hexoses en éthanol. Le moût fermenté issu de l'unité de fermentation 60 est ensuite envoyé dans une unité 62 qui comprend successivement un dispositif de séparation solide/liquide (éventuellement complété par des moyens de lavage) et des moyens de chauffage/évaporation du vin éthylique obtenu après séparation solide/liquide. Comme montré sur la figure 5, un gâteau solide est extrait par la ligne 63 tandis que tout ou partie du vin 5 éthylique est recyclé dans le réacteur de préparation de la biomasse 2 et/ou dans le réacteur de prétraitement d'explosion à la vapeur 4. Selon un mode de réalisation alternatif du procédé décrit dans la figure 5, les flux 18 et 32 sont fermentés dans un même réacteur de fermentation éthylique. 10 EXEMPLES Les exemples ci-après illustrent l'invention, sans en limiter la portée. Exemple 1 (non conforme à l'invention) 15 Dans cet exemple, on présente un procédé de production d'éthanol à partir de paille ayant les caractéristiques suivantes: 20 Charge: Paille de blé de composition moyenne : % poids (base MS) Cellulose 39,1 % Hémicellulose 26,9% Lignine 17,9% Autres (cendres, 16,1% extractibles, etc...) Débit de paille de blé: 123,32 tonnes/heure Préparation de charge et prétraitement : 25 La paille est broyée sur une grille 50mm, puis imprégnée avec de l'acide sulfurique dilué à 0,8 g/L. L'imprégnation est suivie d'une séparation solide/liquide et la liqueur d'imprégnation est recyclée, la MS du solide en entrée du réacteur de prétraitement par explosion à la vapeur est de 30% poids. Le prétraitement par explosion à la vapeur est effectué à 202°C pendant 3 minutes, dans une configuration batch. Le milieu est brusquement détendu à une pression de 1,3 atm. La consommation de vapeur est de 123509 kWh par heure. 12,8% poids du mélange du réacteur d'explosion est récupéré en phase vapeur à la détente. Conversion en éthanol : L'effluent prétraité est envoyé vers un séparateur solide/liquide de manière à extraire un liquide comprenant 74% poids 10 des pentoses. Le gâteau solide est envoyé dans un réacteur de SSF dont la concentration en solide à l'entrée du réacteur est de 10% et qui comprend des microorganismes de fermentation du genre Saccharomyces cerevisiae. Les conditions de mise en oeuvre de l'hydrolyse et de la 15 fermentation simultanées sont choisies pour obtenir un rendement de 33,8 g d'éthanol par 100 g de cellulose introduite. Les pentoses présents ne sont pas convertis par le microorganisme de fermentation choisi. A la sortie du réacteur de SSF, on récupère un moût fermenté 20 qui comprend 15,8 g d'éthanol/kg de moût fermenté. Ce moût fermenté est ensuite envoyé vers l'unité de séparation/récupération de l'éthanol. Séparation et récupération de l'éthanol: 25 La séparation de l'éthanol du moût fermenté se fait par distillation sur deux colonnes, la première en présence des solides. Un réseau d'échangeurs permet d'intégrer thermiquement le procédé de séparation, notamment en utilisant les condenseurs des deux colonnes pour le préchauffage du moût fermenté. 30 La première colonne consomme 52 200 kWh par heure au rebouilleur. Le rebouilleur de la seconde colonne est alimenté par un échangeur placé sur le flux de tête de la première colonne. Un échangeur de chaleur moût fermenté/vinasse permet de récupérer 36 35 900 kWh par heure des vinasses extraites de la première colonne. Un échangeur de chaleur disposé en amont de la première colonne et en aval de l'échangeur moût fermenté/vinasse permet de chauffer le moût fermenté à une température de 120°C, la consommation de cet échangeur est de 12515 kWh par heure. Ainsi, la consommation énergétique nette de l'étape de récupération de l'éthanol est de 64715 kWh par heure, soit 16,55 5 MJ/kg d'éthanol extrait. Le rendement d'extraction est de 99,6%. Le procédé permet de produire annuellement 112630 tonnes d'éthanol avec une consommation spécifique de 48,13 MJ/kg d'éthanol pour les étapes de prétraitement et distillation. 10 Exemple 2 (conforme à l'invention) Dans cet exemple, on présente un procédé de production d'éthanol à partir de paille avec les mêmes caractéristiques que l'exemple 1 en mettant en oeuvre le mode de réalisation de la figure 3. Le débit de paille traité est le même que celui de l'exemple 1. 15 Conversion en éthanol : L'effluent issu du prétraitement est envoyé vers un séparateur solide/liquide d'où l'on extrait un jus comprenant 74% des pentoses et un gâteau humide. Le gâteau humide est envoyé dans un réacteur de 20 SSF dont la concentration en solide est de 10% poids et qui comprend des microorganismes de fermentation du genre Saccharomyces cerevisiae. Les conditions de mise en oeuvre de l'hydrolyse et de la fermentation simultanées sont choisies pour obtenir un rendement de 33,8 g d'éthanol par 100 g de cellulose introduite. Les pentoses 25 présents ne sont pas convertis par le microorganisme de fermentation choisi. A la sortie de cette étape de conversion SSF, une fraction du moût fermenté est, conformément à l'invention, envoyée vers la séparation solide/liquide d'où l'on extrait un gâteau humide et un 30 flux liquide contenant de l'éthanol. Le gâteau solide est renvoyé vers l'unité de distillation de l'éthanol. Le flux liquide qui contient de l'eau et de l'éthanol (17,2 g/L) est intégralement envoyé vers un échangeur pour le vaporiser avant sa réintroduction dans le réacteur de prétraitement conformément à l'invention. 35 Le titre en éthanol du moût fermenté qui est envoyé à la distillation est de 15,8 g d'éthanol/kg de moût fermenté.

Séparation et récupération de l'éthanol : La séparation se fait par distillation sur deux colonnes, la première distillation étant conduite en présence des solides. Un réseau d'échangeurs permet d'intégrer thermiquement le procédé de 5 séparation, notamment en utilisant les condenseurs des deux colonnes pour la préchauffe du moût fermenté. La première colonne consomme 43160 kWh par heure au rebouilleur. Le rebouilleur de la seconde colonne est alimenté par un échangeur placé sur le flux de tête de la première colonne. Un échangeur de chaleur moût fermenté/vinasse 10 permet de récupérer 28060 kWh par heure des vinasses extraites de la première colonne. Le mélange comprenant le moût fermenté préchauffé et le flux vapeur contenant de l'éthanol issu de la détente du prétraitement est envoyé dans la première colonne de distillation. Ce mélange a 15 une température de 130°C et une concentration en éthanol de 16,8 g d'éthanol/kg mélange. La consommation énergétique nette de l'étape de séparation/récupération de l'éthanol est de 43160 kWh par heure, soit 11,77 MJ/kg d'éthanol extrait, ce qui représente un gain de 29% 20 sur la consommation spécifique de l'étape de séparation/récupération. Le rendement d'extraction est de 99,6%. Le procédé permet de produire annuellement 105610 tonnes d'éthanol pour une consommation spécifique de 45,45 MJ/kg d'éthanol pour les étapes de prétraitement et distillation. Par rapport à 25 l'exemple 1, cela représente une perte en rendement en éthanol de 6% mais pour un gain énergétique de 12% sur l'ensemble de la chaîne, ce qui représente un gain énergétique rapporté à la tonne d'éthanol produit de 6%. 30 Mise en oeuvre de l'invention : A la sortie du réacteur de SSF, le moût fermenté est mélangé avec un flux venant du lavage du CO2, puis 38% de ce flux est envoyé vers un séparateur solide/liquide, d'où l'on soutire une pulpe à 16,8% de MS et un flux liquide. Le flux liquide issu du séparateur 35 solide/liquide a un débit de 158,3 tonnes/heure et une concentration en éthanol de 17,2 g/L. Ce flux est vaporisé à 17,5 bars et à une température de 310°C, puis injecté dans le réacteur d'explosion à la vapeur. Il n'y a pas d'ajout supplémentaire de vapeur dans ce réacteur. La consommation d'énergie pour vaporiser ce flux est de 123 500 kWh par heure. 12,8% poids du mélange du réacteur d'explosion à la 5 vapeur est récupéré sous forme vapeur à la détente. Étant donné que l'éthanol est plus volatil que l'eau, le flux de vapeur s'enrichit en éthanol et contient 2,85% poids d'éthanol. L'effluent liquide qui est récupéré à l'issue du prétraitement contient 0,18% poids d'éthanol. Ainsi, 70% de l'éthanol injecté dans 10 le réacteur de prétraitement est récupéré dans la phase vapeur en sortie de l'étape de prétraitement. Ce flux vapeur est directement mélangé avec le moût fermenté préchauffé juste avant la première colonne de distillation. 15 Exemple 3 (non conforme à l'invention) Dans cet exemple, on présente un procédé de production d'éthanol à partir de peuplier avec les caractéristiques suivantes: 20 Charge: Peuplier de composition moyenne : % poids (base MS) Cellulose 37,0 % Hémicellulose (pentoses) 10,0% Hémicellulose (hexoses) 8,5% Lignine 29,3% Autres (cendres, 15,2% extractibles, etc...) Débit de peuplier: 100 tonnes/heure 25 Préparation de charge et prétraitement : Le peuplier est réduit en copeaux, puis introduit dans un convoyeur à vis dans lequel sont successivement introduits de la vapeur basse pression pour chauffer le substrat à une température d'environ 80°C puis de l'acide H2504 dilué, avec un ratio acide/peuplier de 0,03 g H2804 par g MS. A la sortie du convoyeur, le mélange présentant un taux de MS de 45% est introduit dans un réacteur d'explosion à la vapeur en 5 continu. Le prétraitement par explosion à la vapeur est effectué à 200°C pendant 5 minutes. Le milieu est brusquement détendu à une pression de 1,3 atm. La consommation de vapeur est de 67000 kWh par heure, dont 64% est mise en oeuvre pour le prétraitement par explosion à la vapeur. 12,1% en masse du mélange du réacteur 10 d'explosion est récupéré en phase vapeur à la détente. Conversion en éthanol : Le substrat prétraité est envoyé dans un réacteur d'hydrolyse où sont introduites les enzymes et l'eau de dilution (80660 kg/h 15 d'eau), puis le mélange est envoyé vers un réacteur de SSF où est introduit une levure du genre Saccharomyces cerevislae. La concentration en solides à l'entrée du réacteur de SSF est de 21%. Les conditions de mise en oeuvre de l'hydrolyse et de la fermentation simultanées sont choisies pour obtenir un rendement de 20 20,2 g d'éthanol pour 100 g de substrat introduit (MS). Les pentoses présents ne sont pas convertis par le microorganisme de fermentation choisi, par contre les hexoses issues de l'hémicellulose, et notamment les mannoses sont convertis en éthanol. Le CO2 extrait est lavé pour récupérer la fraction d'éthanol entraîné dans ce flux. 25 Ainsi, le titre en éthanol du moût fermenté envoyé en distillation est de 59,1 g d'éthanol/kg de moût fermenté. Séparation et récupération de l'éthanol: La séparation de l'éthanol du moût fermenté se fait par 30 distillation sur deux colonnes, la première en présence des solides. Un réseau d'échangeurs permet d'intégrer thermiquement le procédé de séparation, avec notamment les condenseurs des deux colonnes qui servent pour la préchauffe du vin. La première colonne consomme 26475 kWh par heure au rebouilleur. Le rebouilleur de la seconde 35 colonne est alimenté par une partie du condenseur de la première colonne. Un échangeur de chaleur moût fermenté/vinasse permet de récupérer 9875 kWh par heure des vinasses extraites de la première colonne. Un échangeur de chaleur disposé en amont de la première colonne et en aval de l'échangeur moût fermenté/vinasse permet de chauffer le moût fermenté à 120°C, la consommation de cet échangeur est de 5475 kWh par heure. Ainsi, la consommation nette de l'étape de récupération de l'éthanol est de 31950 kWh par heure, soit 5,71 MJ/kg d'éthanol extrait. Le rendement d'extraction est de 99,6%. Le procédé permet de produire annuellement 161160 tonnes d'éthanol avec une consommation spécifique de 17,68 MJ/kg d'éthanol 10 pour les étapes de prétraitement et distillation. Exemple 4 (conforme à l'invention) Dans cet exemple, on présente un procédé de production d'éthanol à partir de peuplier avec les mêmes caractéristiques que 15 l'exemple 3, en mettant en oeuvre le mode de réalisation de la figure 3. Le débit de peuplier traité est identique à celui de l'exemple 3. Conversion en éthanol : Le substrat prétraité est envoyé dans un réacteur de pré- 20 hydrolyse où sont introduites les enzymes et l'eau de dilution (80025 kg/h d'eau), puis le mélange est envoyé vers un réacteur de SSF en présence de la levure Saccharomyces cerevisiae. La concentration en solide à l'entrée du réacteur de SSF est de 21%. Les conditions de mise en oeuvre de l'hydrolyse et de la fermentation 25 simultanées sont réglées pour obtenir un rendement de 20,2 g d'éthanol par g de substrat introduit (MS). Les pentoses présents ne sont pas convertis par le microorganisme de fermentation choisi, par contre les hexoses issues de l'hémicellulose, et notamment les mannoses sont convertis en éthanol. Le CO2 extrait est lavé pour 30 récupérer la fraction d'éthanol entraîné dans ce flux. Ainsi, le titre en éthanol du moût fermenté envoyé en distillation est de 60,7 g d'éthanol/kg de moût fermenté. Mise en oeuvre de l'invention : 35 A la sortie du réacteur de SSF, le moût fermenté est mélangé avec le flux venant du lavage du CO2. 36% poids de ce mélange est envoyé vers un séparateur solide/liquide qui produit un gâteau à 36% de MS. Un effluent liquide est également soutiré du séparateur solide/liquide avec un débit de 52,5 tonnes/heure et présente une concentration en éthanol de 72,0 g/kg. Cet effluent liquide est vaporisé à 17,5 bars et chauffé jusqu'à 320°C, puis injecté dans le réacteur d'explosion à la vapeur. Il n'y a pas d'ajout supplémentaire de vapeur dans ce réacteur. La consommation d'énergie pour vaporiser ce flux est de 38142 kWh par heure. 12,5% poids du mélange du réacteur d'explosion est récupéré en phase vapeur à la détente. Le flux de vapeur s'est enrichi en éthanol et contient 8,07% poids d'éthanol. Le substrat prétraité contient un résidu d'éthanol d'environ 0,44% en poids. Ainsi, 71% poids de l'éthanol injecté dans le réacteur de prétraitement est récupéré dans la phase vapeur en sortie de prétraitement. Ce flux vapeur est recomprimé à 3 bars et mélangé avec le moût fermenté préchauffé juste avant la première colonne de distillation. Séparation et récupération de l'éthanol : La séparation de l'éthanol du moût fermenté se fait par distillation sur deux colonnes, la première en présence des solides.

Un réseau d'échangeurs permet d'intégrer thermiquement le procédé de séparation, notamment en utilisant le condenseur de la seconde colonne pour la préchauffage du moût fermenté. Le condenseur de la première colonne sert uniquement à chauffer le rebouilleur de la seconde colonne. La première colonne consomme 20480 kWh par heure au rebouilleur. Un échangeur de chaleur moût fermenté/vinasses permet de récupérer 8750 kWh par heure des vinasses extraites de la première colonne. Le mélange comprenant le moût fermenté préchauffé et le flux vapeur contenant de l'éthanol issu de la détente du prétraitement est envoyé dans la première colonne de distillation. Ce mélange a typiquement une température de 128°C et une concentration en éthanol de 62,5 g d'éthanol/kg mélange. Ainsi, la consommation nette de l'étape de récupération de l'éthanol est de 20 480 kWh par heure, soit 3,66 MJ / kg d'éthanol extrait, ce qui représente un gain de 36% sur la consommation spécifique de l'étape de séparation. Le rendement d'extraction est de 99,6%.

Le procédé permet de produire annuellement 161160 tonnes d'éthanol, et a une consommation spécifique de 14,80 MJ/kg d'éthanol pour les étapes de prétraitement et de distillation. Cela représente un gain énergétique rapporté à la tonne d'éthanol produit de 16,3% et avec un rendement en éthanol qui est conservé. Exemple 5 (conforme à l'invention) Dans cet exemple, on présente un procédé de production 10 d'éthanol à partir de peuplier avec les mêmes caractéristiques que l'exemple 3, en mettant en oeuvre le mode de réalisation de la figure 3. Le débit de peuplier traité est celui de l'exemple 3. Conversion en éthanol : 15 Le substrat prétraité est envoyé dans un réacteur de pré- hydrolyse où sont introduites les enzymes et l'eau de dilution (80025 kg/h d'eau), puis le mélange est envoyé vers un réacteur de SSF où est introduite la levure Saccharomyces cerevisiae. La concentration en solides à l'entrée du réacteur de SSF est de 21%. 20 Les conditions de mise en oeuvre de l'hydrolyse et de la fermentation simultanées sont choisies pour obtenir un rendement de 20,2 g d'éthanol par 100 g de substrat introduit (MS). Les pentoses présents ne sont pas convertis par le microorganisme de fermentation choisi, par contre les hexoses issues de l'hémicellulose, et 25 notamment les mannoses sont convertis en éthanol. Le CO2 extrait est lavé pour récupérer la fraction d'éthanol entraîné dans ce flux. Ainsi, le titre en éthanol du moût fermenté envoyé en distillation est de 60,7 g d'éthanol/kg de moût fermenté. 30 Mise en oeuvre de l'invention : A la sortie du réacteur de SSF, le moût fermenté est mélangé avec le flux venant du lavage du CO2. 36% de ce mélange est envoyé vers un séparateur solide/liquide, qui permet de sortir un gâteau à 36% de MS. L'effluent liquide est 35 soutiré du séparateur solide/liquide à un débit de 52,5 tonnes/heure et présente une concentration en éthanol de 72,0 g/L. Cet effluent est chauffé à 105°C grâce à un échange de chaleur couplé avec le condenseur de la première colonne de distillation. L'effluent est ensuite vaporisé à 17,5 bars et surchauffé jusqu'à 320°C. La vapeur est ensuite injectée dans le réacteur d'explosion à la vapeur. Il n'y a pas d'ajout supplémentaire de vapeur dans ce réacteur. La consommation d'énergie pour vaporiser ce flux est de 34170 kWh par heure. 12,5% poids du mélange du réacteur d'explosion est récupéré en phase vapeur à la détente. Le flux de vapeur s'est enrichi en éthanol et contient 8,07% en poids d'éthanol. Le substrat prétraité issu du traitement contient un résidu d'éthanol de l'ordre de 0,44% en poids. Ainsi, 71% de l'éthanol injecté dans le réacteur de prétraitement est récupéré dans la phase vapeur en sortie de prétraitement. Ce flux vapeur est recomprimé à 3 bars et directement mélangé avec le moût fermenté préchauffé juste avant la première colonne de distillation.

Séparation et récupération de l'éthanol : La séparation se fait par distillation sur deux colonnes, la première en présence des solides. Un réseau d'échangeurs permet d'intégrer thermiquement le procédé de séparation, notamment en utilisant le condenseur de la seconde colonne pour la préchauffage du moût fermenté. L'exemple 5 se différencie de l'exemple 4 par le fait que le condenseur de la première colonne sert à chauffer le rebouilleur de la seconde colonne ainsi qu'à préchauffer le flux d'éthanol recyclé au prétraitement. La première colonne consomme 19900 kWh par heure au rebouilleur. Un échangeur de chaleur moût fermenté/vinasses permet ainsi de récupérer 8720 kWh par heure des vinasses extraites de la première colonne. Le mélange composé du moût fermenté préchauffé et du flux vapeur contenant de l'éthanol issu de la détente du prétraitement est envoyé vers la première colonne de distillation. Ce mélange a une température de 128°C et une concentration en éthanol de 62,5 g d'éthanol/kg de mélange. La consommation nette de l'étape de récupération de l'éthanol 35 est de 19900 kWh par heure, soit 3,55 MJ/kg d'éthanol extrait, ce qui représente un gain de 38% sur la consommation spécifique de l'étape de séparation. Le rendement d'extraction est de 99,6%.

Le procédé permet de produire annuellement 161160 tonnes d'éthanol, et a une consommation spécifique de 13,98 MJ/kg d'éthanol pour les étapes de prétraitement et distillation. Cela représente un gain énergétique rapporté à la tonne d'éthanol produit de 20,9% et pour un rendement en éthanol qui est conservé. Grâce au procédé selon l'invention, l'économie réalisée sur l'unique étape d'extraction est substantielle. Comme montré dans les exemples suivants, elle peut atteindre jusqu'à 50 % sur l'étape d'extraction, et jusqu'à 40% sur la consommation globale extraction et prétraitement. Les différents modes de réalisation décrits ci-dessus peuvent être combinées entre eux dans la mesure où le procédé met en oeuvre un recyclage d'un flux aqueux contenant de l'éthanol qui est issu 15 d'un flux interne au procédé.

Claims (15)

1. REVENDICATIONS1. Procédé de production d'éthanol à partir de biomasse comprenant au moins les étapes suivantes : a) on prétraite dans un réacteur de prétraitement la biomasse par explosion à la vapeur de manière à fournir un effluent contenant un substrat prétraité; b) on effectue une hydrolyse enzymatique du substrat prétraité contenu dans l'effluent issu de l'étape a) en présence d'enzymes cellulolytiques et/ou hémicellulolytiques de manière à produire un hydrolysat contenant des sucres solubilisés; c) on effectue une fermentation éthylique des sucres solubilisés contenus dans l'hydrolysat issu de l'étape b), en présence d'un microorganisme alcooligène de sorte à produire un effluent fermenté contenant de l'éthanol; d) on effectue une étape d'extraction de l'éthanol de l'effluent fermenté issu de l'étape c), caractérisé en ce que le procédé comprend en outre une étape e) dans laquelle on recycle, en amont du ou dans le réacteur de prétraitement, au moins un flux interne aqueux comprenant de l'éthanol issu d'une fermentation éthylique, de sorte à récupérer en sortie dudit réacteur de prétraitement un effluent en phase vapeur contenant de l'éthanol.
2. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel : - on effectue une séparation solide/liquide d'au moins une partie d'une vinasse produite à l'étape d) de sorte à récupérer une fraction liquide contenant des pentoses; et - on effectue une fermentation éthylique des pentoses de la fraction 30 liquide de sorte à fournir ledit flux interne comprenant de l'éthanol.
3. 3. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel:- on effectue une séparation solide/liquide d'au moins une partie de l'effluent issu de l'étape a) de sorte à récupérer une fraction liquide contenant des sucres solubilisés; et - on effectue une fermentation éthylique des sucres de la fraction 5 liquide de sorte à fournir ledit flux interne comprenant de l'éthanol.
4. 4. Procédé selon la revendication 3, dans lequel ladite fraction liquide comprend des hexoses et/ou des pentoses.
5. 5. Procédé selon la revendication 1, dans lequel : 10 - on effectue une séparation solide/liquide d'au moins une partie de l'effluent obtenu à l'étape a) de sorte à récupérer une pulpe; - on effectue un lavage de ladite pulpe de sorte à récupérer une fraction liquide contenant des sucres solubilisés; - on effectue une fermentation éthylique des sucres solubilisés 15 contenus dans la fraction liquide de sorte à fournir ledit le flux interne de l'éthanol.
6. 6. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le flux interne contenant de l'éthanol est issu d'au moins une partie du moût fermenté produit à l'étape c). 20
7. 7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel le flux interne est une fraction liquide obtenue après séparation solide/liquide d'au moins une partie du moût fermenté produit à l'étape c).
8. 8. Procédé selon la revendication 6, dans lequel le flux interne est une fraction liquide obtenue après lavage d'un gâteau obtenu par 25 séparation solide/liquide d'au moins une partie de l'effluent fermenté obtenu à l'étape c).
9. 9. Procédé selon la revendication 1, dans lequel: - on effectue une séparation solide/liquide d'au moins une partie de l'hydrolysat obtenu à l'étape b) de sorte à récupérer une pulpe 30 contenant des hexoses et éventuellement des pentoses; - on effectue une fermentation éthylique des hexoses et éventuellement des pentoses contenus dans la pulpe de sorte à fournir ledit le flux interne comprenant de l'éthanol.
10. 10. Procédé selon la revendication 1, dans lequel: - on effectue une séparation solide/liquide d'au moins une partie de l'hydrolysat obtenu à l'étape b) de sorte à récupérer une fraction liquide contenant des hexoses et éventuellement des pentoses; - on effectue une fermentation éthylique des hexoses et éventuellement des pentoses contenus dans la fraction liquide de sorte à fournir ledit le flux interne comprenant de l'éthanol.
11. 11. Procédé selon la revendication 1, dans lequel: - on effectue une séparation solide/liquide d'au moins une partie de 10 l'hydrolysat obtenu à l'étape b) de sorte à récupérer une pulpe; - on effectue un lavage de la pulpe de sorte à récupérer une fraction liquide contenant des hexoses et éventuellement des pentoses; - on effectue une fermentation éthylique des hexoses et 15 éventuellement des pentoses contenus dans la fraction liquide de sorte à fournir ledit le flux interne comprenant de l'éthanol.
12. 12. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, dans lequel les étapes b) et c) sont réalisées dans un même réacteur.
13. 13. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel 20 le flux interne contenant de l'éthanol est vaporisé avant l'étape de recyclage e).
14. 14. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les enzymes cellulolytiques et/ou hemicellulolytiques sont produites par un microorganisme appartenant aux genres Trichoderma, 25 Aspergillus, Penicillium ou Schizophyllum, ou une bactérie anaérobie appartenant au genre Clostridium.
15. 15. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'étape c) est réalisée en présence d'un microorganisme sélectionné parmi les genres Saccharomyces cerevisiae Schizosaccharomyces pombe, 30 Saccharomyces uvarum, Saccharomyces diastaticus, Kluyveromyces fragilis et Zymomonas mobilis.