FR3015517A1 - Procede de production d'ethanol utilisant des sucres a 5 et 6 atomes de carbone - Google Patents
Procede de production d'ethanol utilisant des sucres a 5 et 6 atomes de carbone Download PDFInfo
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Abstract
La présente invention concerne un procédé de production d'éthanol utilisant des sucres à 5 et 6 atomes de carbone.
Description
PROCEDE DE PRODUCTION D'ETHANOL UTILISANT DES SUCRES A 5 ET 6 ATOMES DE CARBONE La présente invention concerne un procédé de production d'éthanol utilisant des sucres à 5 et 6 atomes de carbone. L'utilisation des ressources fossiles et plus particulièrement du pétrole depuis l'avènement de l'ère industrielle au début du vingtième siècle, s'accompagne d'une libération continue et croissante de nombreux éléments dans l'atmosphère. La conséquence directe de ces rejets est notamment l'augmentation de la teneur en dioxyde de carbone (CO2) dans l'atmosphère. Cette élévation du taux de CO2 participe au réchauffement climatique mondial dont l'impact sur l'environnement est patent et durable. La part du pétrole utilisée dans les moyens de transport est majoritaire par rapport aux autres utilisations, c'est pourquoi de nombreux acteurs du monde économique ont cherché à substituer une part, voire la totalité, du pétrole et de ses dérivés dans les carburants destinés aux véhicules. L'éthanol produit par fermentation de sucres est d'ores et déjà une molécule utilisée à grande échelle comme carburant dans de nombreux pays et notamment au Brésil. L'éthanol carburant dit de première génération produit à l'heure actuelle provient quasi exclusivement de la fermentation de sucres, glucose et saccharose, issus de l'exploitation agricole des sols. Les plantes saccharifères que sont la betterave à sucre ou la canne à sucre et les plantes amylacées telles que le blé ou le maïs, principales sources de sucres, sont des plantes cultivées principalement en vue de nourrir les populations. La conséquence principale de l'essor de l'éthanol de gère génération est la compétition entre la filière carburant et celle alimentaire en ce qui concerne la destinée des sucres produits et par ricochet, une compétition quant à l'usage des sols.
Pour pallier cette dualité, a émergé l'idée de l'utilisation de plantes ou des coproduits agricoles non destinés à l'alimentation humaine pour la production de biocarburants. Alors que l'éthanol de première génération provient de la fermentation du saccharose et du glucose provenant de l'amidon, ces « nouvelles » matières premières sont caractérisées par une forte productivité à l'hectare et une teneur en sucres totaux importante. Ces sucres sont majoritairement constitués de glucose provenant de la cellulose et des sucres issus des hémicelluloses. La cellulose et les hémicelluloses sont donc les sources de sucres alternatives à l'amidon et au saccharose. On parle alors d'éthanol de seconde génération.
Cependant alors que les souches utilisées pour la fermentation alcoolique de 1 ère génération peuvent utiliser le glucose provenant de la cellulose, elles sont incapables de produire de l'éthanol à partir des hémicelluloses majoritairement composées de xylose et d'arabinose, sucres à cinq atomes de carbone. La proportion de sucres provenant des hémicelluloses est variable d'un végétal à un autre mais peut représenter jusqu'à 40% des sucres présents dans la plante. Ce sont donc autant de sucres non utilisés pour la production d' éthanol. Au niveau industriel, les procédés de production d'éthanol utilisant le glucose ou le saccharose comme source de carbone utilisent quasi exclusivement Saccharomyces cerevisiae cette dernière étant incapable d'utiliser naturellement les sucres à cinq atomes de carbone. La recherche de souches capables de transformer les pentoses en éthanol a débuté dans les années 1970. Les scientifiques se focalisent essentiellement sur le xylose car il constitue entre 10 et 40% des sucres présents dans la biomasse lignocellulosique, alors que l'arabinose constitue au maximum 3% de la biomasse lignocellulosique. Une souche capable de fermenter le xylose et le glucose permettrait d'augmenter d'environ 25% le rendement global de fermentation alcoolique. Il existe des microorganismes qui fermentent naturellement les sucres à cinq atomes de carbone en éthanol. Parmi ces micro-organismes on distingue les bactéries qui fermentent les C5 et les levures qui fermentent les C5.
Plusieurs espèces de bactéries thermophiles comme Thermoanaerobacter ethanolicus, Clostridium thermohydrosulfuricum et Clostridium thermocellum sont capables de réaliser naturellement la fermentation alcoolique sur xylose. Un rendement de 0,42géthanol.exylose et une productivité de 0,5 g.L-1.11-1 ont été rapportés pour Thermoanaerobacter ethanolicus sur un milieu complexe à 4 g.L -1 de xylose.
Leur utilisation présente l'avantage de diminuer les risques de contamination du fait de la température élevée utilisée, mais les performances sont trop faibles pour une application industrielle. D'autres bactéries telles que Escherichia coli, Klebsiella oxytoca, Erwinia chrysanthemi peuvent être utilisées pour la production d'éthanol, mais un inconvénient majeur des bactéries concerne le risque élevé de contamination du milieu lors de la fermentation. Les contaminations bactériennes sont courantes et difficilement maîtrisables en conditions non stériles et la mise en oeuvre de conditions stériles n'est pas toujours applicable en milieu industriel. En utilisant des levures pour la fermentation, les contaminations bactériennes exogènes sont plus facilement maîtrisables. En effet, les titres alcoolique élevés sont défavorables aux bactéries et il est plus facile, grâce aux conditions de fermentation, en particulier le pH, d'empêcher l'apparition d'une contamination bactérienne. L'alternative à l'utilisation de bactéries pour la production d'éthanol au stade industriel est donc la mise en oeuvre d'organismes fongiques : les levures.
Plusieurs espèces de levures, fermentant naturellement le xylose, ont été identifiées comme étant les plus efficaces : Pichia stipitis, Candida shehatae, Candida tropicalis et Pachylosen tannophilus. Tableau 1 : Performances fermentaires de trois levures sur xylose Aujourd'hui de nombreuses souches métabolisant les pentoses existent, mais ces levures de laboratoire ne sont pas adaptées à des conditions industrielles, car elles ne tolèrent pas la présence des inhibiteurs présents dans les hydrolysats de lignocellulose. De plus, la construction de souches de levures génétiquement modifiées capables de convertir efficacement le xylose et l'arabinose en éthanol est un objectif difficile, car il s'agit de modifier les flux métaboliques de la levure et ses équilibres énergétiques. De plus, lorsque les souches métabolisant, outre les hexoses, les pentoses, fermentent lesdits hexoses et pentoses pour donner de l'éthanol, lesdites souches, en présence des deux types de sucres, consomment toujours en premier les sucres en C6 et ensuite seulement les sucres en C5, qu'elles soient naturelles ou génétiquement modifiées. Ce mécanisme appelé diauxie aboutit dans le cadre d'une cofermentation C5/C6 à la présence de C5 en fin de fermentation qui, en raison de la présence d'alcool et de conditions lieu h .1 50 90 20 6,2 26 56 21.5 5.0 150 20 50 cocup4.2ce 14. de culture plutôt défavorables pour la souche (temps de séjour long en présence d'alcool, possibilité de présence d'acides organiques produits lors de la fermentation par une flore contaminante), ne seront pas consommés par la souche. Cela se traduit par une perte de sucres dans le vin allant à l'étape d'isolement de l'éthanol, notamment par distillation.
Ainsi, un but de la présente invention est de fournir un procédé permettant une utilisation optimale des sucres provenant de la cellulose et des hémicelluloses provenant de biomasses lignocellulosiques ou de coproduits agro-industriels pour produire de l'éthanol. L'invention a par conséquent pour objet l'utilisation d'un moût de propagation comprenant une population microbienne pour préparer de l'éthanol à partir d'une matière première générant au moins un pentose, en particulier le xylose et/ou l'arabinose, et au moins un hexose, en particulier le glucose, par fermentation desdits pentose et hexose par ladite population microbienne, ladite matière première étant extraite pour donner un jus d'extraction contenant du susdit pentose, en particulier du xylose et/ou de l'arabinose, et un marc, ledit marc donnant, après avoir été liquéfié, un liquéfiat, ledit liquéfiat étant une source du susdit hexose, en particulier du glucose, ledit moût de propagation étant obtenu par prolifération d'un inoculat de ladite population microbienne à l'aide dudit jus d'extraction, en présence d'air, ledit moût de propagation ne contenant pas d'éthanol, ladite population microbienne étant utilisée à la fois: - pour la préparation d'une première source d'éthanol, par fermentation du susdit pentose, en particulier du xylose et/ou de l'arabinose, contenu dans ledit jus d'extraction par ladite population microbienne et - pour la préparation d'une deuxième source d'éthanol, par fermentation du susdit hexose, en particulier du glucose, généré par ledit liquéfiat, par ladite population microbienne, ledit éthanol étant isolé des première et/ou deuxième sources d'éthanol, en particulier par distillation desdites première et/ou deuxième sources d'éthanol. Ainsi, comme illustré par la figure 2 relative à une utilisation selon la présente invention, la matière première, en particulier une biomasse lignocellulosique, est extraite après avoir en particulier été imprégnée et prétraitée. Ladite extraction permet d'obtenir un liquide riche en pentoses (jus riche en sucres C5) et un solide riche en hexoses (marc riche en sucres C6).
Ledit liquide permet la propagation de microorganismes, en particulier des levures : il s'agit d'une étape de prolifération desdits microorganismes, majoritairement sur les sucres C5 contenus dans ledit liquide. Après la propagation, lesdits microorganismes fermentent les pentoses dudit liquide en alcool, obtenu sous forme de vin (issu des sucres C5) correspondant à une première source d' éthanol. Ledit solide est soumis à une liquéfaction (pour obtenir un liquéfiat) et à une fermentation à l'aide des microorganismes obtenus après la propagation et/ou ceux isolés après la fermentation des pentoses, pour obtenir la deuxième source d'éthanol (vin final).
La deuxième source d'éthanol, et éventuellement la première source d'éthanol, est (sont) traitées, en particulier distillées pour donner l'éthanol. En effet, ladite première source d'éthanol peut être distillée avec la deuxième source d'éthanol et/ou utilisée lors de la liquéfaction. De manière intéressante, les sucres à cinq atomes de carbone que sont notamment le xylose et l'arabinose sont utilisés pour la production des cellules de levures en présence d'air, puis pour la production d'éthanol, préservant ainsi les sucres facilement fermentescibles que sont les sucres à six atomes de carbone et notamment le glucose pour la production d'éthanol. La séparation des flux C5 et C6 et leur utilisation en deux étapes distinctes permettent de maximiser l'efficacité des sucres pour la production de l'éthanol en limitant notamment les 20 phénomènes de diauxie. En outre, avec l'utilisation d'une seule et même souche de microorganisme capable à la fois de croître sur C5, de fermenter les C5 en éthanol et de fermenter ensuite les C6 en éthanol, il n'est plus nécessaire de disposer de deux infrastructures fermentaires distinctes (l'une pour la fermentation des C5 à l'aide d'une première souche, l'autre pour la 25 fermentation des C6, à l'aide d'une seconde souche) et de ce fait, la contamination croisée de deux lignes de production éthanol C5 et éthanol C6 est inexistante. Par « moût de propagation », on entend une composition comprenant une population microbienne ayant proliféré et un milieu de culture approprié à ladite population microbienne. On entend par « milieu de culture approprié» une solution aqueuse contenant des 30 éléments nutritifs, en particulier une source de carbone, une source d'azote, une source d'oligoéléments et une source de facteurs de croissance, nécessaires au métabolisme et à la prolifération de ladite population microbienne.
Ledit milieu de culture comprend dudit jus d'extraction contenant du pentose, en particulier du xylose et/ou de l'arabinose, ainsi qu'une teneur résiduelle en glucose inférieure à 10 g/l. Le moût de propagation comprend ainsi la population microbienne ayant proliféré et le milieu de culture à l'issue de l'étape de croissance de ladite population microbienne, c'est-à- dire une solution aqueuse dans laquelle sont présents les éléments nutritifs non consommés par ladite population microbienne et des métabolites éventuellement excrétés par la souche, ladite solution comprenant dudit jus d'extraction. Par « population microbienne » on entend un ensemble de microorganismes d'une même souche, la masse dudit ensemble étant susceptible d'évoluer au cours de son utilisation. Par « matière première générant au moins un pentose et au moins un hexose », on entend une matière première susceptible de fournir, après transformation(s), ledit pentose et ledit hexose sous une forme permettant leur assimilation par ladite population microbienne. Par « extraction », on entend l'action de mélanger ladite matière première à un solvant d'extraction, en particulier de l'eau, ledit mélange étant suivi d'une séparation liquide/solide : on parle ainsi d'extraction liquide/solide Par « jus d'extraction », on entend le liquide obtenu à l'issue de ladite séparation liquide/solide relative à ladite extraction. De 50 à 98% des sucres à cinq atomes de carbone susceptibles d'être générés par ladite matière première se trouvent dans ledit jus d'extraction.
En effet, la majorité des pentoses, issus de la déstructuration des chaines d'hémicelluloses, migrent dans le solvant d'extraction, en particulier l'eau. Ledit jus d'extraction contient de 1 à 50% en masse de C5. Par « marc », on entend le solide obtenu à l'issue de ladite séparation liquide/solide relative à ladite extraction. De 80 à 99% des sucres à six atomes de carbone susceptibles d'être générés par ladite matière première se trouvent dans ledit marc, majoritairement sous la forme de cellulose présente dans ledit marc. En effet, la cellulose reste majoritairement insoluble et se concentre dans la fraction solide qu'est le marc. Ladite séparation liquide-solide est par exemple réalisée sur pressoir à paquets ou sur une presse à bandes.
Par « liquéfaction », on entend une opération de première hydrolyse du marc permettant de réduire la viscosité dudit marc d'une valeur comprise entre 40 000 à 25 000 Pa.s à une valeur de moins de 100 Pa.s (Rhéomètre TA Instrument AR1000, 33°C, vitesse 1s1, géométrie : plan de 40 mm, hauteur de confinement (« gap ») de 1 mm), souhaitable pour la fermentation subséquente de l'hexose, en particulier du glucose, généré par ledit liquéfiat.
Une viscosité inférieure ou égale à cette valeur permet une meilleure disponibilité de l'eau pour la population microbienne, d'éviter la formation de mousse, et de limiter les besoins en agitation. Ladite liquéfaction est en particulier effectuée en présence d'enzymes ligno- cellulolytiques, lesdites enzymes permettant une première hydrolyse dudit marc, lesdites enzymes étant plus particulièrement des enzymes ligno-cellulolytiques contenues dans des produits commerciaux tels que Celic Cetec 2 (Genencor®) ou Celluclast (Novozymes®). Par « inoculat », on entend un milieu de préculture comprenant une population microbienne et un milieu de culture approprié à ladite population microbienne, ledit milieu de préculture permettant d'inoculer un milieu de culture tel que décrit précédemment pour obtenir ledit moût de fermentation. Par « le moût de propagation ne contient pas d'éthanol », on entend que ledit moût de propagation contient moins d'environ 1 g.1-1 d'éthanol. on entend un liquide ou une suspension solide-liquide Par « source d'éthanol » contenant de l' éthanol. Par « première source d'éthanol » on entend une source d'éthanol obtenue par fermentation de pentoses, c'est-à-dire des sucres à 5 atomes de carbone. Par « deuxième source d'éthanol » on entend une source d'éthanol obtenue par fermentation d'hexoses, c'est-à-dire des sucres à 6 atomes de carbone.
En particulier, lesdites première et/ou deuxième sources d'éthanol sont substantiellement dépourvues de micro-organismes provenant de ladite population microbienne. Selon un mode de réalisation avantageux, l'invention concerne l'utilisation d'un moût de propagation tel que décrit précédemment, dans laquelle ladite matière première est une biomasse lignocellulosique, notamment choisie parmi : - la paille de céréales, lesdites céréales étant en particulier choisies parmi le blé, l'orge, le triticale, le sorgo et le maïs, - le son de céréales, lesdites céréales étant en particulier choisies parmi le blé, l'orge, le triticale, le sorgo et le maïs, - les cultures dites énergétiques, choisies en particulier parmi le switchgrass, le miscanthus et l'arundo donax, et - les cultures forestières, choisies en particulier parmi le bois, les taillis courte rotation, les taillis très courte rotation, et les plaquettes forestières.
Selon un mode de réalisation avantageux, ladite matière première est, préalablement à ladite extraction, prétraitée. Avantageusement elle est imprégnée puis prétraitée. Tout moyen de prétraitement, en particulier d'imprégnation puis de prétraitement, connu de l'homme du métier peut convenir, dans la mesure où il peut fournir un liquide et un solide séparables, le liquide contenant la majeure partie des C5 et le solide la majeure partie des C6. L'imprégnation consiste à préparer ladite matière première en vue de son prétraitement en faisant par exemple pénétrer au sein de sa matrice, en particulier lignocellulosique, un agent catalytique chimique acide ou basique, en particulier un catalyseur acide, notamment l'acide sulfurique.
Le prétraitement de ladite matière première consiste par exemple en une cuisson ou une explosion à la vapeur en présence dudit catalyseur acide ou basique, en particulier le catalyseur acide, notamment l'acide sulfurique, ayant préalablement imprégnée ladite matière première. Ledit prétraitement permet en particulier l'hydrolyse des hémicelluloses contenus dans ladite matière première ainsi que la préparation à l'hydrolyse de la cellulose également contenue dans ladite matière première. Les pentoses, issus en particulier de la déstructuration des chaines d'hémicelluloses de ladite matière première, sont rendus solubles par le prétraitement, et sont ainsi susceptibles de migrer dans le solvant d'extraction, en particulier l'eau, pendant ladite extraction.
Selon un mode de réalisation avantageux, l'invention concerne l'utilisation d'un moût de propagation tel que décrit précédemment, dans laquelle ledit éthanol est isolé soit de la première source d'éthanol, soit de la deuxième source d'éthanol, soit des première et deuxième sources d'éthanol, par distillation desdites première et/ou deuxième sources d' éthanol.
Selon un mode de réalisation avantageux, l'invention concerne l'utilisation d'un moût de propagation tel que décrit précédemment, dans laquelle ladite liquéfaction dudit marc est effectuée en présence de tout ou partie de ladite première source d'éthanol. Selon un mode de réalisation particulièrement avantageux, l'invention concerne l'utilisation d'un moût de propagation tel que décrit précédemment, dans laquelle ladite liquéfaction dudit marc est effectuée en présence de tout ou partie de ladite première source d'éthanol, ladite première source d'éthanol étant substantiellement dépourvue de microorganismes provenant de ladite population microbienne. En effet, les levures peuvent être séparées de ladite première source d'éthanol avant recyclage, en raison de leur intolérance aux températures utilisées en liquéfaction.
Le fait de consacrer une partie de ladite première source d'éthanol à la liquéfaction permet en particulier de réduire le volume total de la cuverie nécessaire à la deuxième fermentation. Les flux décrits ci-après, ont été numérotés conformément au schéma 3, présentant une utilisation selon la présente invention. Selon un mode de réalisation avantageux, l'invention concerne l'utilisation d'un moût de propagation (13) tel que décrit précédemment, comprenant une population microbienne pour préparer de l'éthanol à partir d'une matière première générant au moins un pentose, en particulier le xylose et/ou l'arabinose, et au moins un hexose, en particulier le glucose, par fermentation desdits pentose et hexose par ladite population microbienne, ladite matière première étant extraite pour donner un jus d'extraction (9) contenant du susdit pentose, en particulier du xylose et/ou de l'arabinose, et un marc (10), ledit marc donnant, après avoir été liquéfié, un liquéfiat (23), ledit liquéfiat étant une source du susdit hexose, en particulier du glucose, ledit moût de propagation (13) étant obtenu par prolifération d'un inoculat de ladite population microbienne à l'aide dudit jus d'extraction (11), en présence d'air, ledit moût de propagation ne contenant pas d'éthanol, ledit moût de propagation (13) est soumis à une séparation solide/liquide pour donner un jus de propagation (16) et une population microbienne fraîche (17), ladite population microbienne fraîche (17) est séparée en deux parties, pour obtenir une première partie (17a) et une deuxième partie (17b) de ladite population microbienne fraîche (17), ladite première partie de ladite population microbienne fraîche (17a) est utilisée pour la préparation d'un moût de fermentation (18) par fermentation du susdit pentose, en particulier du xylose et/ou de l'arabinose, contenu dans ledit jus d'extraction (12), par ladite première partie de la population microbienne fraîche (17a), ledit moût de fermentation (18) donnant après séparation liquide/solide ladite première source d'éthanol (19) et toute ou partie de la population microbienne recyclable (20), ladite deuxième source d'éthanol (24) est obtenue par fermentation du susdit hexose, en particulier du glucose, généré par ledit liquéfiat (23), par tout ou partie de ladite population microbienne recyclable (20) et de ladite deuxième partie de la population microbienne fraîche (17b).
Ladite séparation liquide/solide permettant d'obtenir la première source d'éthanol et une population microbienne recyclable est telle que ladite première source d'éthanol est substantiellement dépourvue de microorganismes issus de ladite population microbienne. Par « substantiellement dépourvu de microorganismes », on entend que la concentration en microorganismes de ladite première source d'éthanol (19) est de moins de 10% de celle dudit moût de fermentation (18). Selon un mode de réalisation avantageux, l'invention concerne l'utilisation d'un moût de propagation tel que décrit précédemment, ledit moût de propagation ne contenant pas d'éthanol, dans laquelle ladite population microbienne comprend des levures de souche Candida shehatae, Pichia stipitis, Pichia guilliermondii, Candia tropicalis ou Pachysolen tannophilus, ladite population microbienne comprenant en particulier des levures de souche Candida shehatae. Selon un mode de réalisation avantageux, l'invention concerne l'utilisation d'un moût de propagation (13) tel que décrit précédemment, comprenant une population microbienne comprenant des levures de souche Candida shehatae, Pichia stipitis, Pichia guilliermondii, Candia tropicalis ou Pachysolen tannophilus, en particulier Candida shehatae, pour préparer de l'éthanol à partir d'une biomasse lignocellulosique générant au moins un pentose, en particulier le xylose et/ou l'arabinose, et au moins un hexose, en particulier le glucose, par fermentation desdits pentose et hexose par ladite population microbienne, ladite biomasse lignocellulosique étant extraite pour donner un jus d'extraction (9) contenant du susdit pentose, en particulier du xylose et/ou de l'arabinose, et un marc (10), ledit marc donnant, après avoir été liquéfié, un liquéfiat (23), ledit liquéfiat étant une source du susdit hexose, en particulier du glucose, ledit moût de propagation (13) étant obtenu par prolifération d'un inoculat de ladite population microbienne à l'aide dudit jus d'extraction (11), en présence d'air, ledit moût de propagation ne contenant pas d'éthanol, ladite population microbienne étant utilisée à la fois: - pour la préparation d'une première source d'éthanol (19), par fermentation du susdit pentose, en particulier du xylose et/ou de l'arabinose, contenu dans ledit jus d'extraction (12) par ladite population microbienne et - pour la préparation d'une deuxième source d'éthanol (24), par fermentation du susdit hexose, en particulier du glucose, généré par ledit liquéfiat, par ladite population microbienne, ledit éthanol étant isolé des première (19) et/ou deuxième (23) sources d'éthanol par distillation desdites première et/ou deuxième sources d'éthanol, ladite liquéfaction dudit marc (10) étant effectuée en présence de tout ou partie de ladite première source d'éthanol (19), ledit moût de propagation (13) étant soumis à une séparation solide/liquide pour donner un jus de propagation (16) et une population microbienne fraîche (17), ladite population microbienne fraîche (17) étant séparée en deux parties, pour obtenir une première partie (17a) et une deuxième partie (17b) de ladite population microbienne fraîche, ladite première partie de ladite population microbienne fraîche (17a) étant utilisée pour la préparation d'un moût de fermentation (18) par fermentation du susdit pentose, en particulier du xylose et/ou de l'arabinose, contenu dans ledit jus d'extraction (12), par ladite première partie de la population microbienne fraîche (17a), ledit moût de fermentation (18) donnant après séparation liquide/solide ladite première source d'éthanol (19) et toute ou partie de la population microbienne recyclable (20), ladite deuxième source d'éthanol (24) est obtenue par fermentation du susdit hexose, en particulier du glucose, généré par ledit liquéfiat, par tout ou partie de ladite population microbienne recyclable (20) et de ladite deuxième partie de la population microbienne fraîche (17b).
Etant donné que ladite première source d'éthanol est substantiellement dépourvue de microorganismes issus de ladite population microbienne, ladite liquéfaction dudit marc est effectuée en l'absence de microorganismes issus de ladite population microbienne. Selon un mode de réalisation avantageux, l'invention concerne l'utilisation d'un moût de propagation tel que décrit précédemment, dans laquelle ledit jus d'extraction contenant du susdit pentose, en particulier du xylose et/ou de l'arabinose, est détoxifié avant ladite prolifération et la préparation de ladite première source d'éthanol. Le traitement de détoxification permet une réduction des inhibiteurs de fermentation que sont en particulier le 5-HMF, le furfural et surtout les produits de dégradation de la lignine.
Ladite détoxification est en particulier : - un traitement alcalin, plus particulièrement à l'hydroxyde de calcium ou à l' ammoniaque, - l'ajout d' acétaldéhyde, permettant de réduire la phase de latence et le taux de mortalité des levures, - une extraction des inhibiteurs sur résine échangeuse d'ions ou sur charbon actif, - des traitements biologique et enzymatique, - des extractions à l'éther ou à l'acétate d'éther, ou - un traitement par ajout de gaz ou de vapeur dans le produit (« stripping »). Selon un mode de réalisation avantageux, l'invention concerne l'utilisation d'un moût de propagation tel que décrit précédemment, dans laquelle ladite matière première fait l'objet, après ladite imprégnation et ledit prétraitement, d'un traitement d'hydrolyse supplémentaire.
Ledit traitement d'hydrolyse supplémentaire fait suite au prétraitement permettant en particulier l'hydrolyse des hémicelluloses contenus dans ladite matière première. Ledit traitement d'hydrolyse supplémentaire est en particulier thermique ou enzymatique, et permet l'hydrolyse des oligomères de C5 en sucres monomériques. Selon un mode de réalisation avantageux, l'invention concerne l'utilisation d'un moût de propagation tel que décrit précédemment, dans laquelle ledit liquéfiat est hydrolysé avant ladite fermentation du susdit hexose, en particulier du glucose, généré par l'hydrolyse dudit liquéfiat. Ladite hydrolyse dudit liquéfiat constitue ainsi une deuxième hydrolyse, la première étant la liquéfaction, c'est-à-dire une première hydrolyse, dudit marc, pour donner ledit 20 liquéfiat. La population microbienne est ainsi mise en contact avec le susdit hexose, généré par l'hydrolyse dudit liquéfiat : ce type de fermentation découplée de l'hydrolyse est appelé : hydrolyse et fermentation séparée (SHF : separate saccharification and fermentation). Ladite hydrolyse est en particulier effectuée en présence d'enzymes ligno- 25 cellulolytiques, plus particulièrement des enzymes ligno-cellulolytiques contenues dans des produits commerciaux tels que Celic Cetec 2 (Genencor®) ou Celluclast (Novozymes®). En particulier, ladite hydrolyse permet à la fois de transformer la cellulose dudit liquéfiat en cellobiose, puis en hexose, plus particulièrement en glucose. Selon un mode de réalisation avantageux, l'invention concerne l'utilisation d'un moût 30 de propagation tel que décrit précédemment, dans laquelle ledit liquéfiat est hydrolysé, ladite hydrolyse et ladite fermentation du susdit hexose, en particulier du glucose, généré par l'hydrolyse dudit liquéfiat étant concomitantes. Ce type de fermentation couplée à l'hydrolyse est appelé : Saccharification et Fermentation Simultanées (SSF : Simultaneous Saccharification and Fermentation).
Ainsi, ladite population microbienne est mise en contact avec le liquéfiat, lors de l'hydrolyse dudit liquéfiat. Selon un mode de réalisation avantageux, la liquéfaction dudit marc (c'est-à-dire une première hydrolyse, dudit marc) pour obtenir ledit liquéfiat et l'hydrolyse dudit liquéfiat (c'est-à-dire une deuxième hydrolyse) sont réalisées par l'action des mêmes enzymes, en particulier à action cellulolytique. Selon un autre mode de réalisation avantageux, la liquéfaction dudit marc (c'est-à-dire une première hydrolyse, dudit marc) pour obtenir ledit liquéfiat et l'hydrolyse dudit liquéfiat (c'est-à-dire une deuxième hydrolyse) sont réalisées par l'action des mêmes enzymes, en particulier à action cellulolytique, ladite population microbienne étant mise en contact avec le liquéfiat, lors de l'hydrolyse dudit liquéfiat. L'invention concerne également un procédé de préparation d'éthanol à partir d'une matière première générant au moins un pentose, en particulier le xylose et/ou l'arabinose, et au moins un hexose, en particulier le glucose, comprenant: a) une étape d'extraction de ladite matière, pour obtenir un jus d'extraction contenant du susdit pentose, en particulier du xylose et/ou de l'arabinose, et un marc, b) une étape de liquéfaction dudit marc obtenu à l'étape précédente, pour obtenir un liquéfiat, ledit liquéfiat étant une source du susdit hexose, en particulier du glucose, c) une étape de prolifération d'un inoculat d'une population microbienne à l'aide dudit jus d'extraction contenant du susdit pentose, en particulier du xylose et/ou de l'arabinose, en présence d'air, pour obtenir un moût de propagation comprenant ladite population microbienne, ledit moût de propagation ne contenant pas d'éthanol, d) une première étape de fermentation du susdit pentose, en particulier du xylose et/ou de l'arabinose, contenu dans ledit jus d'extraction, par ladite population microbienne, pour obtenir une première source d'éthanol, e) une deuxième étape de fermentation du susdit hexose, en particulier du glucose, généré par ledit liquéfiat, par ladite population microbienne, pour obtenir une deuxième source d'éthanol, f) une étape d'isolement dudit éthanol des première et/ou deuxième sources d'éthanol, en particulier par distillation desdites première et/ou deuxième sources d'éthanol.
Lors de ladite extraction, la séparation liquide-solide est par exemple réalisée sur pressoir à paquets, en particulier lorsque la masse de matière première à traiter est de l'ordre de la dizaine de kg, ou sur une presse à bandes, en particulier lorsque la masse de matière première à traiter est de l'ordre de la centaine de kg.
L'extraction fournit un jus d'extraction dont la composition varie en fonction de la matière première traitée et du prétraitement. Un exemple de composition est donné dans l'exemple ci-après. Ces modes de préparation et les jus obtenus sont largement décrits dans la littérature.
La séparation liquide-solide est de préférence réalisée sur une presse à bandes. Selon un mode de réalisation avantageux, la température du moût de propagation varie d'environ 20°C à environ 40°C, en particulier d'environ 28 à environ 32°C. Selon un autre mode de réalisation avantageux, le pH du moût de propagation est régulé de façon à varier d'environ 4 à environ 7, en particulier d'environ 5 à environ 6.
Selon un autre mode de réalisation avantageux, le moût de propagation est tel que la pression partielle en oxygène dans ledit moût est supérieure ou égale à environ 20%, en particulier supérieure ou égale à environ 30%. Par pression partielle en oxygène, on entend la concentration en oxygène (02) dissous dans la phase liquide. Cette pression partielle s'exprime en % de la concentration saturante en oxygène dans les conditions de travail considérées, telles que, de façon non limitative, la température, la pression, l'agitation. Selon un mode de réalisation avantageux, la température lors de ladite première fermentation varie d'environ 20°C à environ 40°C, en particulier d'environ 28 à environ 32°C.
Selon un autre mode de réalisation avantageux, le pH lors de ladite première fermentation est régulé de façon à varier d'environ 4 à environ 7, en particulier d'environ 5 à environ 6. Selon un autre mode de réalisation avantageux, la pression partielle en oxygène lors de ladite première fermentation est d'environ 0%.
Cette pression partielle en oxygène d'environ 0% peut en particulier être obtenue malgré un débit d'aération d'environ 0,2 VVM. Selon un mode de réalisation avantageux, la température lors de ladite liquéfaction varie d'environ 25 à environ 75°C, en particulier d'environ 40 à environ 60°C, la température étant plus particulièrement d'environ 50°C.
Selon un mode de réalisation avantageux, la température lors de ladite deuxième fermentation varie d'environ 20°C à environ 40°C, en particulier d'environ 28 à environ 35°C.
Selon un autre mode de réalisation avantageux, le pH lors de ladite deuxième fermentation est régulé de façon à varier d'environ 4 à environ 7, en particulier d'environ 5 à environ 6. Selon un autre mode de réalisation avantageux, la pression partielle en oxygène lors de ladite deuxième fermentation est d'environ 0%. Cette pression partielle en oxygène d'environ 0% peut en particulier être obtenue malgré un débit d'aération d'environ 0,4 VVM. Selon un mode de réalisation avantageux, ladite liquéfaction est effectuée en présence d'enzymes ligno-cellulolytiques, à une concentration variant d'environ 5 à environ 500 mg/g de cellulose, en particulier d'environ 10 à environ 80 mg/g de cellulose, plus particulièrement à environ 40 mg/g de cellulose. Selon un mode de réalisation avantageux, l'invention concerne un procédé de préparation d'éthanol tel que décrit précédemment, dans lequel ladite matière première est, préalablement à ladite extraction, imprégnée et prétraitée.
Selon un mode de réalisation particulièrement avantageux, ladite imprégnation est réalisée en présence d'un agent catalytique chimique acide ou basique, en particulier un catalyseur acide, notamment l'acide sulfurique, ledit agent catalytique imprégnant ladite matière première. Selon un autre mode de réalisation particulièrement avantageux, ladite imprégnation est effectuée à une température d'environ 50 à environ 80°C, en particulier d'environ 60 à environ 70°C, plus particulièrement à environ 65°C. Selon un mode de réalisation avantageux, ledit prétraitement est effectué par injection de vapeur d'eau à une température d'environ 120 à environ 250°C, en particulier d'environ 170 à environ 190°C, plus particulièrement à environ 180°C et à une pression d'environ 5 à environ 15 bars, en particulier d'environ 8 à environ 10 bars, plus particulièrement à environ 9 bars. A l'issue de cette étape de prétraitement, la matrice ligno-cellulosique impactée par ledit prétraitement est alors réactive aux enzymes de liquéfaction. La combinaison du traitement thermique, chimique et éventuellement mécanique implique une forte augmentation de la digestibilité de la cellulose. Selon un mode de réalisation avantageux, l'invention concerne un procédé de préparation d'éthanol tel que décrit précédemment, dans lequel l'éthanol est isolé soit de la première source d'éthanol, soit de la deuxième source d'éthanol, soit des première et deuxième sources d'éthanol, par distillation desdites première et/ou deuxième sources d' éthanol. Selon un mode de réalisation avantageux, l'invention concerne un procédé de préparation d'éthanol tel que décrit précédemment, dans lequel ladite étape de liquéfaction dudit marc est effectuée en présence de tout ou partie de ladite première source d'éthanol obtenue à l'issue de la première étape de fermentation du susdit pentose, en particulier du xylose et/ou de l'arabinose, contenu dans ledit jus d'extraction. Selon un mode de réalisation avantageux, l'invention concerne un procédé de préparation d'éthanol tel que décrit précédemment, dans lequel ladite étape de liquéfaction dudit marc est effectuée en présence de tout ou partie de ladite première source d'éthanol obtenue à l'issue de la première étape de fermentation du susdit pentose, en particulier du xylose et/ou de l'arabinose, contenu dans ledit jus d'extraction, ladite première source d'éthanol étant substantiellement dépourvue de micro-organismes provenant de ladite population microbienne.
En effet, les levures peuvent être séparées de ladite première source d'éthanol avant recyclage, en raison de leur intolérance aux températures utilisées en liquéfaction. Selon un mode de réalisation avantageux, l'invention concerne un procédé de préparation d'éthanol tel que décrit précédemment, dans lequel ladite matière première est une biomasse lignocellulosique, notamment choisie parmi : - la paille de céréales, lesdites céréales étant en particulier choisies parmi le blé, l'orge, le triticale, le sorgo et le maïs, - le son de céréales, lesdites céréales étant en particulier choisies parmi le blé, l'orge, le triticale, le sorgo et le maïs, - les cultures dites énergétiques, choisies en particulier parmi le switchgrass, le miscanthus et l'arundo donax, et - les cultures forestières, choisies en particulier parmi le bois, les taillis courte rotation, les taillis très courte rotation, et les plaquettes forestières. Les flux décrits ci-après ont été numérotés conformément au schéma 3, présentant un procédé selon la présente invention. Selon un mode de réalisation avantageux, l'invention concerne un procédé de préparation d'éthanol tel que décrit précédemment, comprenant une population microbienne pour préparer de l'éthanol à partir d'une matière première générant au moins un pentose, en particulier le xylose et/ou l'arabinose, et au moins un hexose, en particulier le glucose, par fermentation desdits pentose et hexose par ladite population microbienne, ladite matière première étant extraite pour donner un jus d'extraction (9) contenant du susdit pentose, en particulier du xylose et/ou de l'arabinose, et un marc (10), ledit marc donnant, après avoir été liquéfié, un liquéfiat (23), ledit liquéfiat étant une source du susdit hexose, en particulier du glucose, ledit moût de propagation (13) étant obtenu par prolifération d'un inoculat de ladite population microbienne à l'aide dudit jus d'extraction (11), en présence d'air, ledit moût de propagation ne contenant pas d'éthanol, ledit moût de propagation (13) étant soumis à une séparation solide/liquide pour donner un jus de propagation (16) et une population microbienne fraiche (17), ledit moût de propagation ne contenant pas d'éthanol, ladite population microbienne fraiche (17) étant séparée en deux parties, pour obtenir une première partie (17a) et une deuxième partie (17b) de ladite population microbienne fraiche (17), ladite première partie de ladite population microbienne fraiche (17a) étant utilisée pour la préparation d'un moût de fermentation (18) par fermentation du susdit pentose, en particulier du xylose et/ou de l'arabinose, contenu dans ledit jus d'extraction (12), par ladite population microbienne fraiche, ledit moût de fermentation (18) donnant après séparation liquide/solide ladite première source d'éthanol (19) et toute ou partie de la population microbienne recyclable (20), ladite deuxième source d'éthanol (24) étant obtenue par fermentation du susdit hexose, en particulier du glucose, généré par ledit liquéfiat (23), par tout ou partie de ladite population microbienne recyclable (20) et de ladite deuxième partie de la population microbienne fraiche (17b). Ladite séparation liquide/solide permettant d'obtenir la première source d'éthanol et une population microbienne recyclable est telle que ladite première source d'éthanol est substantiellement dépourvue de microorganismes issus de ladite population microbienne. Selon un mode de réalisation avantageux, l'invention concerne un procédé de préparation d'éthanol tel que décrit précédemment, dans lequel ladite population microbienne comprend des levures de souche Candida shehatae, Pichia stipitis, Pichia guilliermondii, Candia tropicalis ou Pachysolen tannophilus, ladite population microbienne comprenant en particulier des levures de souche Candida shehatae.
Selon un mode de réalisation avantageux, l'invention concerne un procédé de préparation d'éthanol tel que décrit précédemment, comprenant: a) une étape d'extraction d'une biomasse lignocellulosique, pour obtenir un jus d'extraction (9) contenant du susdit pentose, en particulier du xylose et/ou de l'arabinose, et un marc (10), b) une étape de liquéfaction dudit marc (10) obtenu à l'étape précédente en présence de tout ou partie de ladite première source d'éthanol (19) obtenue à l'issue de la première étape de fermentation f), pour obtenir un liquéfiat (23), ledit liquéfiat étant une source du susdit hexose, en particulier du glucose, c) une étape de prolifération d'un inoculat comprenant des levures de souche Candida shehatae, Pichia stipitis, Pichia guilliermondii, Candia tropicalis ou Pachysolen tannophilus, en particulier Candida shehatae, à l'aide dudit jus d'extraction (11) contenant du susdit pentose, en particulier du xylose et/ou de l'arabinose, en présence d'air, pour obtenir un moût de propagation (13) comprenant une population desdites levures, ledit moût de propagation ne contenant pas d'éthanol, d) une étape de séparation solide/liquide relative au dit moût de propagation (13), pour donner un jus de propagation (16) et une population desdites levures, fraîches (17), e) une étape de séparation de ladite population de levures fraîches en deux parties, pour obtenir une première partie (17a) et une deuxième partie (17b) de ladite population de levures fraîches, f) une première étape de fermentation du susdit pentose, en particulier du xylose et/ou de l'arabinose, contenu dans ledit jus d'extraction (12), par ladite première partie de la population desdites levures fraîches (17a), pour obtenir après séparation liquide/solide une première source d'éthanol (19) et une population desdites levures, recyclables (20), g) une deuxième étape de fermentation du susdit hexose, en particulier du glucose, généré par ledit liquéfiat (23), par ladite population desdites levures recyclables (20) et ladite deuxième partie de ladite population desdites levures fraîches (17b), pour obtenir une deuxième source d'éthanol (24), h) une étape d'isolement dudit éthanol des première (19) et/ou deuxième sources (24) d'éthanol par distillation desdites première et/ou deuxième sources d'éthanol.
Etant donné que ladite première source d'éthanol est substantiellement dépourvue de microorganismes issus de ladite population microbienne, ladite liquéfaction dudit marc est effectuée en l'absence de microorganismes issus de ladite population microbienne. Selon un mode de réalisation avantageux, l'invention concerne un procédé de préparation d'éthanol tel que décrit précédemment, dans lequel ledit jus d'extraction contenant du susdit pentose, en particulier du xylose et/ou de l'arabinose, est détoxifié avant ladite prolifération et la préparation de ladite première source d'éthanol. Selon un mode de réalisation avantageux, l'invention concerne un procédé de préparation d'éthanol tel que décrit précédemment, dans lequel ladite matière première fait l'objet, après ladite imprégnation et ledit prétraitement, d'un traitement d'hydrolyse supplémentaire. Selon un mode de réalisation avantageux, l'invention concerne un procédé de préparation d'éthanol tel que décrit précédemment, dans lequel ledit liquéfiat est hydrolysé avant ladite fermentation du susdit hexose, en particulier du glucose, généré par l'hydrolyse dudit liquéfiat. Selon un mode de réalisation avantageux, l'invention concerne un procédé de préparation d'éthanol tel que décrit précédemment, dans lequel ledit liquéfiat est hydrolysé, ladite hydrolyse et ladite fermentation du susdit hexose, en particulier du glucose, généré par l'hydrolyse dudit liquéfiat étant concomitantes.
Selon un mode de réalisation avantageux, la liquéfaction dudit marc (c'est-à-dire une première hydrolyse, dudit marc) pour obtenir ledit liquéfiat et l'hydrolyse dudit liquéfiat (c'est-à-dire une deuxième hydrolyse) sont réalisées par l'action des mêmes enzymes, en particulier à action cellulolytique. Selon un autre mode de réalisation avantageux, la liquéfaction dudit marc (c'est-à-dire une première hydrolyse, dudit marc) pour obtenir ledit liquéfiat et l'hydrolyse dudit liquéfiat (c'est-à-dire une deuxième hydrolyse) sont réalisées par l'action des mêmes enzymes, en particulier à action cellulolytique, ladite population microbienne étant mise en contact avec le liquéfiat, lors de l'hydrolyse dudit liquéfiat.
DESCRIPTION DES FIGURES La figure 1 présente les voies métaboliques intervenant dans l'utilisation du glucose et du xylose par les microorganismes. La figure 2 présente le schéma général d'une utilisation ou d'un procédé selon l'invention.
La figure 3 présente le schéma détaillé d'une utilisation ou d'un procédé de l'invention. Dans la figure 3, les flux et les opérations sont les suivants : REF. DESIGNATIONS DESCRIPTIONS PT PRETRAITEMENT opération visant à rendre disponible la cellulose à l'action d'enzymes cellulolytiques EXTC5 EXTRACTION DES C5 opération visant à séparer la fraction soluble de la fraction insoluble du produit sortie de l'opération de STEAM (opération séparée en 2 phases : 1ère : dilution ; 2ème séparation) S1 SEPARATION LIQUIDE / SOLIDE opération visant à séparer la fraction soluble de la fraction insoluble du produit sortie de l'opération de STEAM (opération séparée en 2 phase : 1ère : dilution ; 2éme séparation) N°1 PROPA PROPAGATION DE LA LEVURE opération permettant la croissance (multiplication de levures) de façon suffisante, afin de produire la levure pour la fermentation des sucres en C6 (glucose) d'un côté et la fermention des C5 (xylose) de l'autre côté. De l'éthanol est produit de façon conjoint durant cette étape de propagation. S2 SEPARATION LIQUIDE / SOLIDE opération de concentration des levures fraîches pour une utilisation en SSF N°2 FE C5 FERMENTATION ALCOOLIQUE DES C5 opération de fermentation des C5 (xylose) en éthanol. La présence de C6 (glucose) est non négligeable mais ils sont en présence minoritaire. Ceux-ci sont également fermentés en éthanol. S3 SEPARATION LIQUIDE / SOLIDE opération de concentration des levures recyclées pour une utilisation en fermentation alcoolique des C5 (xylose) et en SSF (glucose) N°3 ENZ PRODUCTIN D'ENZYMES opération transformant les jus de C5 en enzymes adaptées pour l'hydrolyse de la cellulose et de l'hemicellulose LQ LIQUEFACTION opération permettant de réduire la viscosité du marc C6 et d'amener un état d'écoulement suffisant pour la fermentation (disponibilité de l'eau pour la levure; éviter la formation de mousse, limiter les besoins en agitation...) SSF SACCHARIFICATION ET FERMENTATION DES C6 SIMULTANEES opération durant laquelle la cellulose est hydrolysée en glucose et le glucose est transformé majoritairement en éthanol et CO2 DIST DISTILLATION opération de séparation par distillation de l'éthanol et de la phase aqueuse S4 SEPARATION LIQUIDE / SOLIDE opération de clarification des vinasses brutes pour extraire les résidus ligno cellulosiques et valoriser les vinasses clarifiées en eau de dilution, d'extraction... N°4 REF. DESIGNATIONS DESCRIPTIONS 1 paille ou substrat ligno cellulosique (comprenant majoritairement cellulose, hemicellulose et lignine) et peu concentré en eau 7 marc non lavé le marc non lavé correspond à la biomasse lignocellulosique ayant subi le prétraitement themique et acide. Elle contient les hemicelluloses solubilisées, la cellulose plus disponible pour l'action des enzymes et les lignines (ainsi que les différents produits de dégradation). 8 marc dilué L'extraction des hémicelluloses solubilisées (C5) est effectuée par un apport de diluant allant à contre courant de l'avancée du marc. Pour simuler cette étape d'un point de vue bilan masse, on est obligé de la séparer en 2 phases (phase 1 : dilution; phase 2 : séparation). Dans le wai procédé, ces 2 phases sont réalisées simultanément. Le marc dilué a la même répartition C5 C6 seul sa teneur en eau est plus élevée que le marc non lavé (différence possible liée au recyclage de vinasses en diluant d'extration des C5) 9 jus C5 le jus de C5 correspond à la fraction soluble extraite de l'étape d'extration des C5 et S1. Cette fraction est riche en C5 et pauvre en C6, mais des traces de C6 sont tout de même présentes. 10 marc lavé le marc lavé correspond aux insolubles qui sont restés dans le système d'extraction des C5. Le marc lavé est principalement composé de Cellulose et de lignines 11 jus C5 propa la composition du jus C5 propa est la même que le jus C5; ce flux correpond uniquement à une fraction volumique du flux de jus C5 qui est envoyé spécifiquement vers la propagation des levures 12 jus C5 FE la composition du jus C5 FE est la même que le jus C5; ce flux correpond uniquement à une fraction volumique du flux de jus C5 qui est envoyé spécifiquement vers la fermentation des C5 en éthanol 13 mout propa le moût propa correspond à la suspension de levures après croissance à partir de jus de C5 FE 14 mout propa A le moût propa A correspond à la fraction volumique envoyée directement en fermentation des C5 pour inoculer les fermenteurs pour la production d'éthanol à partir de jus C5 15 mout propa B le mout propa B correspond à la fraction volumique envoyée sur un atelier de séparation solide liquide (délevureuse, centrifugeuse) afin d'obtenir une crème de levures (17) pour l'inoculation du flux de C6 16 jus propa ce jus de propa correspond au sumageant de l'étape de séparation S2 (centrifugation); ce flux contient de l'éthanol et une concentration résiduelle en C5 ; il est envoyé en cuve de fermentation des C5 17 leurres fraiches les leurres fraiches sont des crèmes de leurres obtenues à partir de l'atelier de propagation des leurres à partir d'un jus de sucres en C5 et croissance aérobie. Elles sont envoyées en fermentation alcoolique du flux de C6 18 moût FEC5 Le mout FEC5 correspond au vin ex C5, ce flux contient des levures, de l'éthanol et de l'eau. Les C5 ont normalement été consommés et la concentration résiduelle en C5 doit être très faible 19 jus FEC5 Le jus FE C5 correspond au mout FE C5 délewré (passé sur une étape de séparation S3 : type cenrifugation). Ce jus est envoyé tout ou parti en eau de dilution de la liquéfaction (phase initiale d'hydrolyse enzymatique de la cellulose) 20 levures recyclables les levures recyclables sont issues du moût FEC5 et de l'appareil de séparation S3. Elles sont réintroduites pour une première partie (21) en fermentation des C5 et pour une deuxième partie (22) en fermentation des C6 (SSF) 21 leurres recyclées en FEC5 ces leurres proviennent du moût FEC5 et ont été concentrées par S3 (elles ont déjà été en contact mec un jus de C5 et ont déjà produit de l'éthanol). Elles sont renvoyées en inoculation de la fermentation du jus de C5 FE (12) [il faudra également prendre en compte une purge] 22 leurres recyclées en SSF ces levures proviennent du moût FEC5 et ont été concentrées par S3 (elles ont déjà été en contact avec un jus de C5 et ont déjà produit de l'éthanol). Elles sont envoyées en inoculation de la fermentation des C6 (SSF) [il faudra également prendre en compte une purge] 23 liquéfiat le liquéfiat correspond au marc cellulosique + lignine sur lequel on a fait agir un cocktail enzymatique spécifique permettant de réduire la viscosité et d'hydrolyser la cellulose en monomères de glucose. Comme on a utilisé le jus FEC5 pour laliquéfaction , le flux de liquéfiat contient également de l'éthanol alors que les leurres n'ont pas encore agi. 24 moût de fermentation SSF le mout de fermentation SSF correspond au vin C6. il contient l'éthanol ex C6, mais aussi l'éthanol ex C5 ,les lignines et les levures. 25 éthanol 96 ce flux correspond à l'éthanol en sortie de l'atelier de distillation (96%) 26 vinasses brutes les vinasses brutes correspondent au mout de fermentation SSF (24) auquel on a extrait l'éthanol par distillation. Les vinasses contiennent de l'eau, des sucres résiduels, de résidus de cellulose n'ayant pas été hydrolysés, des résidus de lignines...Le fort taux de matière en suspension limite son recyclage tel quel. Il faudra le post traiter pour séparer les insolubles des solubles. 32 jus C5 pour la production d'enzymes la composition du jus C5 pour la production d'enzymes est la même que le jus C5; ce flux correpond uniquement à une fraction volumique du flux de jus C5 qui est envoyé spécifiquement vers l'atelier de production d'enzymes 33 jus FE C5 à distiller ce flux a la même composition que le flux 19. Il correspond à la partie de vin C5 délevuré que l'on n'enverrait pas en eau de dilution de la liquéfaction. Ce jus fermenté serait envoyé directement en distillation (problème : titre faible) La figure 4 présente la cinétique d'hydrolyse de la cellulose de la paille imprégnée et prétraitée versus paille imprégnée sans acide et prétraitée. EXEMPLE Sauf indication contraire, les flux décrits ci-après ont été numérotés conformément au schéma 3, présentant un procédé selon la présente invention. Exemple 1 : Mise en pratique du procédé avec une souche ne produisant pas d'éthanol en phase de propagation : Candida shehatae : Le substrat utilisé est une paille de blé dont la composition est la suivante : Plante Pailles TMS/ha 3,0 Minéraux 7,0% Protéines 3,2% Cellulose 39,1% Lignine 17,9% Hémicellulose 25,5% Arabinane 2,9% Galactane 0,5% Mannane 0,3% Xylane 21,8% Uronates 1,9% Amidon Autres 5,3% MS 88,0% Tableau 2 : composition d'une paille Experte 2011 Imprégnation en phase diluée / procédé batch : Une paille Experte de composition telle que décrite dans le tableau 2 est imprégnée par trempage dans un réacteur de 10001. Le trempage s'effectue par immersion complète de la paille pendant 12 heures, après la mise en contact de la solution acide sulfurique préalablement portée à 65°C. La formule du mélange paille et solution d'acide sulfurique est telle que la matière sèche finale atteint 5%. Pour la préparation de la solution d'acide sulfurique, le ratio acide sulfurique (poids sec) pour 100g de solution final est de 0,51%. Après une nuit de trempe, la température qui n'a pas été régulée n'est plus que de 35°C. Le réacteur est alors vidé de son contenu liquide, cet égouttage est réalisé par l'ouverture de la vanne de fond, dont la sortie est garnie d'une grille de sélection. A l'issu de cet égouttage, la paille imprégnée est introduite dans le réacteur de prétraitement.
Prétraitement : La paille imprégnée est mise dans un réacteur chauffé par injection de vapeur à 180°C et maintenue sous pression à 9bars pendant 5 minutes.
La température intérieure mesurée au début de la réaction est de 167°C, et 174°C en fin de réaction. A l'issue de cette étape de prétraitement, le réacteur est ramené à pression atmosphérique. La matrice ligno-cellulosique impactée par ce prétraitement, est alors réactive aux enzymes de liquéfaction. La combinaison des traitements thermique, chimique et mécanique implique une forte augmentation de la digestibilité de la cellulose. Ainsi au terme de la liquéfaction 90% du glucose constitutif de la cellulose est disponible pour une conversion en éthanol. La figure 4 présente la cinétique d'hydrolyse de la cellulose de la paille imprégnée et prétraitée versus paille imprégnée sans acide et prétraitée.
Extraction des C5 : A l'issu du prétraitement, le produit est mélangé avec de l'eau (solvant d'extraction dans cet exemple) pour permettre la diffusion puis l'extraction des C5. Une fois hydratée, la paille prétraitée (flux 8) peut subir une extraction liquide-solide. Celle-ci a pour but de séparer les sucres en 5 carbones (majoritairement solubilisés) des sucres en 6 carbones (majoritairement insolubles). Les pentoses, issus de la déstructuration des chaînes d'hémicelluloses, sont rendus solubles par le prétraitement, et migrent dans le solvant d'extraction. Quant à la cellulose, bien que hydrolysable, elle reste majoritairement insoluble, et se concentre dans la fraction solide. Pour de grande quantité de paille à traiter (250kg/h), la séparation liquide-solide est réalisée sur une presse à bandes. La paille prétraitée (flux 7, figure 3) est répartie uniformément sur la toile inférieure et avance progressivement d'une zone d'égouttage à une zone de pressage. Dans cette zone, La paille prétraitée subit une pression croissante et des forces de cisaillement. Sous l'action de ces deux facteurs, la fraction liquide est extraite du résidu solide qui voit sa matière sèche s'élevée.
Exemple de bilan issu du prétraitement : 1 000 T de paille à 88% de MS (flux 1) permettent l'obtention de 1 754 T de marc brut à 50% de MS (flux 7) contenant 372 T de glucose potentiel et 177 T de xylose.
L'extraction des C5 est maximisée afin de récupérer 95% des C5 dans le flux de jus de C5 (flux 9). Les 5% restant se retrouvent dans le marc C6 lavé (flux 10). Dans l'exemple, les 1 754 T de marc brut (flux 7) sont lavées avec 2 335 T de diluant (flux 29). Ce flux 29 peut être composé d'eau d'appoint (flux 31) et /ou de vinasses clarifiées flux 34. La séparation conduit à l'obtention de 2 643 T de jus de C5 (flux 9) contenant 95% des C5 (xylose) et présentant des concentrations en glucose et en xylose respectivement de 1,2% et de 6,4% (m/m). L'autre flux correspond à 1 446 T de marc lavé à 44% de MS (flux 10) et contient 5% des C5 ainsi que la majorité de C6 potentiels (355 T contre 33 T dans le jus de C5). Etape de préculture L'utilisation de levures dans des fermenteurs nécessite la mise en place d'une chaîne de précultures. La première préculture consiste à inoculer avec la souche désirée (ici Candida shehatae) un tube contenant le milieu suivant : - Extrait de levures 10 g/kg - Bacto peptone : 10 g/kg - Xylose : 30g/kg - NaC1 : 9g/kg Les conditions d'incubation de cette première préculture sont les suivantes : - Température : 30°C - pH : 5 - agitation : 130 rpm Après 12h d'incubation dans les conditions précédentes, la première préculture sert d'inoculum pour la deuxième préculture réalisée en flacon de type Erlenmeyer. Le milieu de la deuxième préculture est repris dans le tableau 3 suivant : Pantathern acid Pr a ,30 Le milieu contient également 30g/kg de xylose. Les conditions et la durée d'incubation sont identiques à celles suivies lors de la première préculture (30°C, pH 5, 130 RPM pendant 12h).
Etape de propagation des levures sur jus de C5 Les précultures effectuées précédemment permettent d'inoculer le fermenteur de propagation de levures. Le milieu de propagation correspond au flux 11. Celui-ci est complémenté en différents éléments repris dans le tableau 3 précédent. Les concentrations respectives en glucose et en xylose du flux 11 sont de 7 à 12g/kg et 45 à 64 g/kg. La fraction massique du flux 11 dédiée à la propagation est ici de 5%. Les conditions de culture de la propagation sont les suivantes : - Température 30°C - pH 5,5 régulé avec de la potasse (KOH) et de l'acide ortho-phoshorique - agitation et aération suffisantes pour maintenir la P02 à plus de 30% et ceci sans pression de dôme Après 48h de culture dans les conditions ci-dessus, la culture permet l'obtention de 22g/kg de levures à partir de 48,2g/kg de xylose. Le rendement de valorisation du substrat (xylose) en levure (Yx/s) atteint 46%/g). Des co-produits tels que de l'éthanol, du glycérol, du xylitol sont également présents aux concentrations suivantes : - Ethanol : 0,38 g/kg - Glycérol : 0,4 g/kg - Xylitol : 0,15 g/kg Le rendement de valorisation du substrat en éthanol est donc de 1,8%.
Etape de fermentation du jus C5 Le jus de C5 (flux 9) est envoyé à près de 80% vers la fermentation alcoolique du jus C5 (flux 12). Le milieu est complémenté en suivant la même formule suivante : - Extrait de levures à 5g/kg, - Urée à 0,4g/kg Les conditions de culture de la fermentation du jus de C5 sont les suivantes : - Température : 30°C - pH : 5,5 - Aération : limitation en oxygène.
Les conditions de culture décrites ci-dessus (limitation en oxygène), permettent à la population de levures de produire de l'éthanol avec un rendement de 28% à 33%. La concentration en éthanol atteint 18,3g/L (glucose : 7,2g/L ; xylose : 52,3g/L) après 46 à 63 heures de culture. Parallèlement à cela, il y a eu une production de levures avec un rendement de 6 à 8%. Enfin, des co-produits ont été générés avec les rendements suivants : - Yp(glycérol)/s) = 0,021g/g - Yp(xylitol)/s) = 0,111g/g - Yp(ribitol)/s) = 0,039g/g Suivi de la population de levures : L'atelier de fermentation éthanolique du jus de C5 est inoculé avec lg de levures par kg de milieu. En plus de cette population ajoutée lors de l'inoculation, le rendement de production de levures est compris entre 6 et 8% et permet de produire des levures parallèlement à la production d'éthanol. En sortie d'atelier de fermentation éthanolique du jus de C5, la concentration en levures atteint donc de 0,6%. Le moût correspond au flux 18 peut alors être envoyé directement en eau de dilution de l'étape de liquéfaction (hydrolyse 1) ou bien subir une étape de séparation S3 permettant de retirer les levures du vin (flux 18). Cette opération de séparation S3 permet d'obtenir un vin débarrassé de la majorité des levures (flux 19) et des crèmes de levures (flux 20). Dans l'exemple, la moitié de ces crèmes de levures sont recyclées dans l'étape de fermentation éthanolique du jus de C5 (flux 21). L'autre moitié peut être envoyée en fermentation du marc C6 après l'étape de liquéfaction (hydrolyse 1). Ce recyclage des levures permet d'augmenter sensiblement la concentration de levures dans le flux 18. En effet, lorsque le régime permanent est établi, la concentration en levures à la sortie de l'atelier de fermentation des C5 atteint 1,2% contre 0,6% sans ce recyclage. Suivi de la production d'éthanol : Le flux 12 (2 075 T de jus de C5) contient 26 T de glucose et 132 T de xylose. Le rendement Yp(Et0H)/s de 28% à 33% permet donc de produire 53,9 T d'éthanol. Dans l'exemple, le vin est débarrassé de ces levures et envoyé directement vers l'atelier de liquéfaction. Cette opération de séparation S3 est réalisée sans lavage des crèmes, ce qui engendre un flux 19 contenant 49,6 T d'éthanol (la différence de quantité d'éthanol correspond à l'éthanol contenu dans les crèmes recyclées : flux 21 et flux 22). La concentration massique en éthanol du flux 33 (vin C5 débarrassé des levures) est donc de 2,5%, ce qui correspond à un TAV de 3,2°.
Etape de fermentation des C6 par hydrolyse et fermentation simultanée ou non Le lavage du marc a permis l'obtention d'un premier flux riche en sucres à 5 atomes de carbones (flux 9) et d'un second flux riche en sucres à 6 atomes de carbones (flux 10). Ce dernier flux contient un équivalent de 25% de glucose potentiel. Cependant, cet équivalent glucose se présente en très grande majorité sous la forme de cellulose. Il n'est donc pas utilisable tel quel par les levures. Il faut lui faire subir des étapes d'hydrolyse par action de cocktails enzymatiques à actions cellulolytiques, qui permet à la fois de réduire la viscosité du produit (étape de liquéfaction ou d'hydrolyse 1) et à la fois de transformer la cellulose en cellobiose, puis en glucose (hydrolyse 2). Ces étapes d'hydrolyse peuvent être menées soit de façon totalement séparée de la fermentation (on parle de SHF), soit de façon simultanée avec l'action des levures (on parle de SSF). Dans ce dernier cas, les levures peuvent être introduites soit directement lors de l'hydrolyse 1 (liquéfaction), soit lors de l'hydrolyse 2. Dans l'exemple, on a choisi de réaliser une étape d'hydrolyse 1 (liquéfaction) ) en l'absence de levures et une étape d'hydrolyse 2 en présence de levures (étape de SSF). Etape de liquéfaction L'étape de liquéfaction consiste à mettre en présence le marc lavé contenant la cellulose et le cocktail enzymatique à actions cellulolytiques. La dilution du flux de marc C6 est permise par l'intégration de la totalité du flux 19 (vin ex-05 débarrassé des levures). Cette mise en oeuvre permet d'obtenir une concentration en cellulose de 9,4%. Les conditions d'hydrolyse 1 (liquéfaction) sont les suivantes : - Température : 50°C - pH : 4,8 - concentration en enzyme : 40mg/g cellulose - durée de 2 à 12 h D'un point de vue du bilan masse, on a donc 1 446 T de marc lavé (flux 10) dilué avec 1 956 T de vin ex-05 débarrassé des levures (flux 19). Le flux de cocktail enzymatique est de 14,2T de protéines pour 355 T de glucose potentiel.
Etape de fermentation du marc C6 Pour faciliter la fermentation, le flux 23 est enrichi en éléments nutritifs (extrait de levures 5g/kg et urée 0,4g/kg). Les concentrations en glucose potentiel et en xylose sont respectivement de 10-12% et de 0,4-0,7%.
Après l'étape de liquéfaction (hydrolyse 1), le flux de liquéfiat (flux 23) est inoculé par la crème de levures correspondant au flux 17b (levures fraîches issues de l'atelier de propagation) et par la crème de levures correspondant au flux 22 (crème de levures obtenues à la sortie de l'atelier de fermentation du jus de C5 : levures recyclées). Les conditions de cultures mises en oeuvre sont les suivantes : - Température : 30°C - pH 5,5 - aération : limitation d'oxygène Les conditions de culture décrites ci-dessus, permettent à la population de levures de produire de l'éthanol avec un rendement de 28%-33%. Parallèlement à cela, il y a eu une production de levures avec un rendement Yx/s de 8,2%. Suivi de la population de levures : D'après le bilan masse, l'atelier de fermentation éthanolique du marc C6 correspond à un flux de 3 402 T de liquéfiat à 10,4% de glucose potentiel. Ces 3 402 T de jus sont inoculées avec 2,3 T MS de levures fraîches obtenue à partir de la propagation de levures sur jus de C5, mais aussi à partir des levures issues de la fermentation éthanolique du jus de C5 (flux 22) à hauteur de 12,8 T MS. Ceci revient à inoculer la fermentation du marc C6 par 4,3g de levures par kg de milieu (masse de crèmes compris).
Suivi de la production d'éthanol : Le flux 23 (3 402 T) contient 355 T de glucose potentiel et 9 T de xylose. Le rendement d'hydrolyse de la cellulose en glucose est de 87% et le rendement de conversion du glucose en éthanol de 33,4%. Le xylose résiduel (9 T) est également fermenté en éthanol avec le même rendement. La production d'éthanol durant l'étape de SSF (ou durant la SHF) est donc de 106 T. Par ailleurs, le flux 24 contient également l'éthanol ayant été produit lors de la fermentation du jus C5 (49,6 T d'éthanol). Tout ceci permet d'atteindre une concentration massique en éthanol dans le vin (flux 24) de 4,66%, soit un TAV de 5,9°.
Etape de distillation Dans l'exemple, la distillation ne récupère plus qu'un seul flux qui correspond au flux 24. Le titre de ce vin entrant dans la colonne à distiller est de 5,9°. La consommation de vapeur associée à un vin présentant un TAV de 5,9° est d'environ 2,67 kg de vapeur par kg d'éthanol produit.
Etape de traitement des vinasses Les vinasses en sortie de colonne à distiller sont clarifiées (flux 26) par un atelier de séparation S4. Les résidus ligno-cellulosiques (flux 27) sont traités de façon à récupérer de l'énergie en réalisant leur combustion (génération de vapeur). La fraction de vinasses clarifiées (flux 28) est recyclée à hauteur de 100% vers l'atelier d'extraction des C5 (flux 34). Ce taux de recyclage permet de limiter au maximum les volumes d'eau introduit dans le système (flux 31=239T).
Etape de performance globale de l'exemple La performance globale de cette configuration est la suivante : Pour 1000 tonnes de paille à 87,7% de MS (soit 877kg de MS), le système produit 158,4 tonnes d'éthanol dont le deux tiers proviennent de la fermentation des C6 et le tiers restant de la fermentation des C5. Le rendement global de la valorisation de la matière sèche en éthanol est donc de 18,06% (m/m).
Cette configuration permet également de produire 4,7 tonnes de levures fraîches réparties en deux flux égaux vers la fermentation des C5 ou vers la fermentation des C6. Le TAV moyen des vins alimentant l'atelier de distillation est de 5,9°.
Claims (10)
- REVENDICATIONS1. Utilisation d'un moût de propagation comprenant une population microbienne pour préparer de l'éthanol à partir d'une matière première générant au moins un pentose, en particulier le xylose et/ou l'arabinose, et au moins un hexose, en particulier le glucose, par fermentation desdits pentose et hexose par ladite population microbienne, ladite matière première étant extraite pour donner un jus d'extraction contenant du susdit pentose, en particulier du xylose et/ou de l'arabinose, et un marc, ledit marc donnant, après avoir été liquéfié, un liquéfiat, ledit liquéfiat étant une source du susdit hexose, en particulier du glucose, ledit moût de propagation étant obtenu par prolifération d'un inoculat de ladite population microbienne à l'aide dudit jus d'extraction, en présence d'air, ledit moût de propagation ne contenant pas d'éthanol, ladite population microbienne étant utilisée à la fois: - pour la préparation d'une première source d'éthanol, par fermentation du susdit pentose, en particulier du xylose et/ou de l'arabinose, contenu dans ledit jus d'extraction par ladite population microbienne et - pour la préparation d'une deuxième source d'éthanol, par fermentation du susdit hexose, en particulier du glucose, généré par ledit liquéfiat, par ladite population microbienne, ledit éthanol étant isolé des première et/ou deuxième sources d'éthanol, en particulier par distillation desdites première et/ou deuxième sources d'éthanol.
- 2. Procédé de préparation d'éthanol à partir d'une matière première générant au moins un pentose, en particulier le xylose et/ou l'arabinose, et au moins un hexose, en particulier le glucose, comprenant: a) une étape d'extraction de ladite matière, pour obtenir un jus d'extraction contenant du susdit pentose, en particulier du xylose et/ou de l'arabinose, et un marc, b) une étape de liquéfaction dudit marc obtenu à l'étape précédente, pour obtenir un liquéfiat, ledit liquéfiat étant une source du susdit hexose, en particulier du glucose, c) une étape de prolifération d'un inoculat d'une population microbienne à l'aide dudit jus d'extraction contenant du susdit pentose, en particulier du xylose et/ou de l'arabinose, en présence d'air, pour obtenir un moût de propagation comprenant ladite population microbienne, ledit moût de propagation ne contenant pas d'éthanol,d) une première étape de fermentation du susdit pentose, en particulier du xylose et/ou de l'arabinose, contenu dans ledit jus d'extraction, par ladite population microbienne, pour obtenir une première source d'éthanol, e) une deuxième étape de fermentation du susdit hexose, en particulier du glucose, généré par ledit liquéfiat, par ladite population microbienne, pour obtenir une deuxième source d'éthanol, f) une étape d'isolement dudit éthanol des première et/ou deuxième sources d'éthanol, en particulier par distillation desdites première et/ou deuxième sources d'éthanol.
- 3. Procédé de préparation d'éthanol selon la revendication 2, dans lequel ladite matière première est, préalablement à ladite extraction, imprégnée et prétraitée.
- 4. Procédé de préparation d'éthanol selon la revendication 3, dans lequel ladite matière première fait l'objet, après ladite imprégnation et ledit prétraitement, d'un traitement d'hydrolyse supplémentaire.
- 5. Procédé de préparation d'éthanol selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, dans lequel l' éthanol est isolé soit de la première source d'éthanol, soit de la deuxième source d'éthanol, soit des première et deuxième sources d'éthanol, par distillation desdites première et/ou deuxième sources d'éthanol.
- 6. Procédé de préparation d'éthanol selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, dans lequel matière première est une biomasse lignocellulosique, notamment choisie parmi : - la paille de céréales, lesdites céréales étant en particulier choisies parmi le blé, l'orge, le triticale, le sorgo et le maïs, - le son de céréales, lesdites céréales étant en particulier choisies parmi le blé, l'orge, le triticale, le sorgo et le maïs, - les cultures dites énergétiques, choisies en particulier parmi le switchgrass, le miscanthus et l'arundo donax, et - les cultures forestières, choisies en particulier parmi le bois, les taillis courte rotation, les taillis très courte rotation, et les plaquettes forestières.
- 7. Procédé de préparation d'éthanol selon l'une quelconque des revendications 2 à 6, dans lequel ladite population microbienne comprend des levures de souche Candida shehatae,Pichia stipitis, Pichia guilliermondil, Candia tropicalis ou Pachysolen tannophilus, ladite population microbienne comprenant en particulier des levures de souche Candida shehatae.
- 8. Procédé de préparation d'éthanol selon l'une quelconque des revendications 2 à 7, dans lequel ledit jus d'extraction contenant du susdit pentose, en particulier du xylose et/ou de l'arabinose, est détoxifié avant ladite prolifération et la préparation de ladite première source d'éthanol.
- 9. Procédé de préparation d'éthanol selon l'une quelconque des revendications 2 à 8, dans lequel ledit liquéfiat est hydrolysé avant ladite fermentation du susdit hexose, en particulier du glucose, généré par l'hydrolyse dudit liquéfiat.
- 10. Procédé de préparation d'éthanol selon l'une quelconque des revendications 2 à 8, dans lequel ledit liquéfiat est hydrolysé, ladite hydrolyse et ladite fermentation du susdit hexose, en particulier du glucose, généré par l'hydrolyse dudit liquéfiat étant concomitantes.
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