FR3015520A1 - Procede de production d'ethanol utilisant des sucres a 5 et 6 atomes de carbone - Google Patents
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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 lignocelullosique, alors que l'arabinose constitue au maximum 3% de la biomasse lignocelullosique. 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 0,42g (éthanol).g-1 (xylose) 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-1de 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 alcooliques 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 Afin d'améliorer les performances de production d'éthanol des souches productives ou rendre compétentes les souches qui n'utilisent pas les sucres à cinq atomes de carbone, des modifications génétiques ont été entreprises depuis plus de vingt ans. En effet, de nombreux travaux sur l'utilisation de Saccharomyces cerevisiae sont consacrés à l'obtention de souches génétiquement modifiées, capables de convertir le xylose et arabinose en éthanol. Saccharomyces cerevisiae présente la propriété de fermenter le xylulose. Pour cela, le xylose est phosphorylé en D-xylulose-5-phosphate, qui sera incorporé dans la voie des pentoses-phosphates 15.
Plusieurs approches ont donc pu être développées, l'introduction des gènes bactériens permettant la transformation du xylose en xylulose codant pour la xylose isomérase (XI), l'isomérisation enzymatique du xylose en xylulose par une isomérase ajoutée au milieu, lieu h .1 50 90 20 6,2 26 56 21.5 5.0 150 20 50 cocup4.2ce 14. l'introduction des gènes de la levure codant pour la xylose reductase (XR) et la xylose déshydrogénase (XDH). Le gène XI du champignon Piromycès sp. cloné dans Saccharomyces cerevisiae a permis l'expression d'une XI fonctionnelle. En utilisant cette stratégie et les améliorations génétiques apportées par la surexpression des enzymes de la voie des pentoses phosphates, une souche (RWB 17) très performante pour la fermentation d'un mélange de glucose et de xylose a été construite. Les caractéristiques de cette souche sont les suivantes : une surexpression de la xylose isomérase, de la xylulokinase, de la ribose 5-phosphate isomérase, de la ribose 5-phosphate épimérase, de la transcétolase, et de la transaldolase et une délétion du gène codant pour une aldose réductase dans le but d'empêcher la formation de xylitol. L'introduction des gènes de la levure Pichia stipitis codant pour la xylose réductase (XR) et la xylose déshydrogénase (XDH) chez Saccharomyces cerevisiae ont permis une croissance sur xylose. Cependant, la production d'éthanol est faible et il y a accumulation de xylitol. Cette accumulation de xylitol s'explique en partie par un déséquilibre en cofacteurs 15 nécessaires pour chacune de ces deux réactions (NADPH/NAD+). L'augmentation relative de l'activité XDH par rapport à celle de la XR permet de diminuer l'accumulation de xylitol et d'augmenter la production d'éthanol qui reste néanmoins faible. La phosphorylation du xylulose est en fait, une étape clé du métabolisme du xylose par la voie des pentoses phosphates et il est nécessaire de surexprimer le gène de la xylolukinase (XK) pour favoriser 20 l'utilisation du xylitol conjointement au xylose. Des performances intéressantes ont ainsi été obtenues à l'aide d'une souche de Saccharomyces (Saccharomyces sp.1400 pLNH33) obtenue par fusion de Saccharomyces diastaticus et de Saccharomyces uvarum qui contient les gènes de la XR et de la XDH de Pichia stipitis et chez laquelle la xylulokinase de Saccharomyces cerevisiae est surexprimée. 25 Une production d'éthanol de 50 g.L-1 a été obtenue en 36 h à partir d'un mélange contenant 53 g.L-1 de glucose et 56 g.L-1 de xylose. L'autre espèce fongique particulièrement étudiée dans le domaine des modifications génétiques de levures en vue de produire de l'éthanol est Pichia stipitis. Pichia stipitis est une levure capable de fermenter efficacement le D-xylose. C'est 30 d'ailleurs pour cette raison que les gènes de cette levure sont en général choisis pour être insérés chez Saccharomyces cerevisiae. La principale stratégie mise en oeuvre pour améliorer cette levure concerne sa capacité fermentaire sur substrats hémicellulosiques, en l'adaptant à un environnement contenant du glucose, xylose, arabinose et des inhibiteurs, en particulier l'acide acétique.
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 généralement en premier les sucres en C6 et ensuite 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 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 au moins 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 propagation d'un inoculat de ladite au moins une population microbienne à l'aide d'une partie dudit jus d'extraction, en présence d'air, -contenant de l'éthanol ayant été formé lors de ladite prolifération dudit inoculat de ladite au moins une population microbienne, - et donnant une première source d'éthanol, ladite population microbienne étant utilisée à la fois: - pour la préparation d'une deuxième source d'éthanol, par fermentation du susdit pentose, en particulier du xylose et/ou de l'arabinose, contenu dans une autre partie dudit jus d'extraction par ladite population microbienne et - pour la préparation d'une troisième 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 et/ou troisième sources d'éthanol, en particulier par distillation desdites première et/ou deuxième et/ou troisième sources d' éthanol.
L'invention a également 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 propagation d'un inoculat de ladite population microbienne à l'aide d'une partie dudit jus d'extraction, en présence d'air, -contenant de l'éthanol ayant été formé lors de ladite prolifération dudit inoculat, - et donnant une première source d'éthanol, ladite population microbienne étant utilisée à la fois: - pour la préparation d'une deuxième source d'éthanol, par fermentation du susdit pentose, en particulier du xylose et/ou de l'arabinose, contenu dans une autre partie dudit jus d'extraction par ladite population microbienne et - pour la préparation d'une troisième 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 et/ou troisième sources d'éthanol, en particulier par distillation desdites première et/ou deuxième et/ou troisième 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). Une partie dudit 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. Ladite prolifération des microorganismes s'accompagne d'une production d'éthanol contenu dans ledit moût de propagation. Ledit moût de propagation donne, en particulier après séparation liquide/solide, une première source d'éthanol.
Après la propagation, lesdits microorganismes fermentent les pentoses d'une autre partie dudit liquide en alcool, obtenu sous forme de vin (issu des sucres C5) correspondant à une deuxième 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 troisième source d'éthanol (vin final). La troisième source d'éthanol, et éventuellement la première et/ou la deuxième sources d'éthanol, est (sont) traitée(s), en particulier distillée(s) pour donner l'éthanol. En effet, lesdites première et/ou deuxième sources d'éthanol peuvent être distillées avec la troisième source d'éthanol et/ou utilisées lors de la liquéfaction.
Le liquide (vinasses clarifiées) isolé par clarification du résidu de distillation (vinasses brutes) est éventuellement joint à ladite matière première lors de l'extraction. 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 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 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 « source d'éthanol » on entend un liquide ou une suspension solide-liquide contenant de l' éthanol. Par « première source d'éthanol » on entend une source d'éthanol obtenue lors de ladite prolifération dudit inoculat, 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 de pentoses, c'est-à-dire des sucres à 5 atomes de carbone. En particulier, lesdites première et/ou deuxième sources d'éthanol sont 15 substantiellement dépourvues de micro-organismes provenant de ladite population microbienne. Par « troisième 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. Par « moût de propagation », on entend une composition comprenant : 20 - une population microbienne ayant proliféré, - un milieu de culture approprié à 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 une partie dudit jus d'extraction, 25 - et de l'éthanol ayant été formé lors de ladite prolifération dudit inoculat. On entend par « milieu de culture approprié» une solution aqueuse contenant des 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 30 prolifération de ladite population microbienne. Ledit milieu de culture comprend une partie 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.
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 « une partie du jus d'extraction » et « une autre partie du jus d'extraction », on entend que ledit jus d'extraction est séparé en au moins deux parties, de compositions identiques ».
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 lignocellulolytiques, 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 Ctec 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. 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 de la troisième source d'éthanol, soit des première et deuxième sources d'éthanol, soit des deuxième et troisième sources d'éthanol, soit des première et troisième sources d'éthanol, soit des première, deuxième et troisième sources d'éthanol, par distillation desdites première et/ou deuxième et/ou troisième sources d'éthanol, ledit éthanol étant en particulier isolé de la troisième, ou des première, deuxième et troisième sources d'éthanol.
Selon un mode de réalisation avantageux, l'invention concerne l'utilisation d'un moût de propagation tel que décrit précédemment, dans lequelle ladite liquéfaction dudit marc est effectuée en présence de tout ou partie desdites première et/ou deuxième sources 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 desdites première et/ou deuxième sources d'éthanol, lesdites première et/ou deuxième sources d'éthanol étant substantiellement dépourvues de micro-organismes provenant de ladite population microbienne.
En effet, les levures peuvent être séparées desdites première et/ou deuxième sources d'éthanol avant recyclage, en raison de leur intolérance aux températures utilisées en liquéfaction. Le fait d'utiliser une partie desdites première et/ou deuxième sources d'éthanol pour la liquéfaction permet en particulier de réduire le volume total de la cuverie nécessaire à la deuxième fermentation. Selon un mode de réalisation avantageux, l'invention concerne l'utilisation d'un moût de propagation tel que décrit précédemment, dans laquelle ladite distillation, outre ledit éthanol, génère un résidu, lequel ne contient substantiellement pas d'éthanol, dont tout ou partie des éléments solubles, de l'eau et des insolubles est ajouté à ladite matière première lors de ladite extraction de ladite matière première. Le recyclage de tout ou partie desdits éléments solubles, de l'eau et des insolubles lors de ladite extraction permet en particulier de minimiser la quantité de solvant d'extraction, en particulier l'eau, utilisée lors de ladite extraction. Ledit résidu comprend en particulier la première et/ou deuxième et/ou troisième sources d'éthanol, épuisées en alcool, c'est-à-dire : - de l'eau, - des éléments solubles dans l'eau, en particulier des non sucres, et - des éléments insolubles dans l'eau, en particulier la population microbienne à l'issue de la deuxième fermentation.
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 desdites première et/ou deuxième sources d'éthanol, - ladite distillation, outre ledit éthanol, génère un résidu, lequel ne contient substantiellement pas d'éthanol, dont tout ou partie des éléments solubles, de l'eau et des insolubles est ajouté à ladite matière première lors de ladite extraction de ladite matière première. 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.
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 (10) donnant, après avoir été liquéfié, un liquéfiat (23), ledit liquéfiat (23) 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 d'une partie dudit jus d'extraction (11), en présence d'air, - contenant de l'éthanol ayant été formé lors de ladite prolifération dudit inoculat, - et donnant une première source d'éthanol, ladite population microbienne étant utilisée à la fois: - pour la préparation d'une deuxième source d'éthanol (19), par fermentation du susdit pentose, en particulier du xylose et/ou de l'arabinose, contenu dans une autre partie dudit jus d'extraction (12) par ladite population microbienne et - pour la préparation d'une troisième source d'éthanol (24), par fermentation du susdit hexose, en particulier du glucose, généré par ledit liquéfiat (23), par ladite population microbienne, une partie (14) dudit moût de propagation (13) 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 population microbienne, ledit moût de fermentation (18) donnant après séparation liquide/solide ladite deuxième source d'éthanol (19) et une population microbienne recyclable (20), l'autre partie dudit moût de propagation (15) est soumise à une séparation solide/liquide pour donner ladite première source d'éthanol (16) et une population microbienne fraiche (17), ladite troisième source d'éthanol (24) est obtenue par fermentation du susdit hexose, en particulier du glucose, généré par ledit liquéfiat (23), par ladite population microbienne recyclable (20) et ladite population microbienne fraiche (17). Ladite séparation liquide/solide permettant d'obtenir la deuxième source d'éthanol et une population microbienne recyclable est telle que ladite deuxième source d'éthanol est substantiellement dépourvue de microorganismes issus de ladite population microbienne. De même, ladite séparation liquide/solide permettant d'obtenir la première source d'éthanol et la population microbienne fraiche 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, dans laquelle ladite population microbienne 30 comprend des levures de souche Saccharomyces cerevisiae, génétiquement modifiée ou non. Selon un mode de réalisation avantageux, l'invention concerne l'utilisation d'un moût de propagation tel que décrit précédemment, dans laquelle ladite population microbienne comprend des levures d'une souche choisie parmi le groupe contenant la souche Saccharomyces cerevisiae déposée le 05 octobre 2011 à la CNCM sous le numéro 1-4538, et tous les clones dérivant de cette souche. 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 Saccharomyces cerevisiae, génétiquement modifiée ou non, 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 (10) donnant, après avoir été liquéfié, un liquéfiat (23), ledit liquéfiat (23) 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 d'une partie dudit jus d'extraction (11), en présence d'air, - contenant de l'éthanol ayant été formé lors de ladite prolifération dudit inoculat, - et donnant une première source d'éthanol, ladite population microbienne étant utilisée à la fois: - pour la préparation d'une deuxième source d'éthanol (19), par fermentation du susdit pentose, en particulier du xylose et/ou de l'arabinose, contenu dans une autre partie dudit jus d'extraction (12) par ladite population microbienne et - pour la préparation d'une troisième source d'éthanol (24), par fermentation du susdit hexose, en particulier du glucose, généré par ledit liquéfiat (23), par ladite population microbienne, ledit éthanol étant isolé des première (16) et/ou deuxième (19) et/ou troisième (24) sources d'éthanol par distillation desdites première et/ou deuxième et/ou troisième sources d' éthanol, une partie (15) dudit moût de propagation (13) étant soumise à une séparation solide/liquide pour donner ladite première source d'éthanol (16) et une population microbienne fraiche (17), l'autre partie (14) dudit moût de propagation (13) 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 dudit jus d'extraction (12), par ladite population microbienne, ledit moût de fermentation (18) donnant après séparation liquide/solide ladite deuxième source d'éthanol (19) et une population microbienne recyclable (20), ladite troisième source d'éthanol (24) étant obtenue par fermentation du susdit hexose, en particulier du glucose, généré par ledit liquéfiat (23), par ladite population microbienne recyclable (20) et ladite population microbienne fraiche (17), ladite liquéfaction dudit marc (10) est effectuée en présence de tout ou partie desdites première (16) et/ou deuxième (19) sources d'éthanol. 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 Saccharomyces cerevisiae, génétiquement modifiée ou non, 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 (10) donnant, après avoir été liquéfié, un liquéfiat (23), ledit liquéfiat (23) 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 d'une partie dudit jus d'extraction (11), en présence d'air, - contenant de l'éthanol ayant été formé lors de ladite prolifération dudit inoculat, - et donnant une première source d'éthanol, ladite population microbienne étant utilisée à la fois: - pour la préparation d'une deuxième source d'éthanol (19), par fermentation du susdit pentose, en particulier du xylose et/ou de l'arabinose, contenu dans une autre partie dudit jus d'extraction (12) par ladite population microbienne et - pour la préparation d'une troisième source d'éthanol (24), par fermentation du susdit hexose, en particulier du glucose, généré par ledit liquéfiat (23), par ladite population microbienne, ledit éthanol étant isolé des première (16) et/ou deuxième (19) et/ou troisième (24) sources d'éthanol par distillation desdites première et/ou deuxième et/ou troisième sources d'éthanol, ladite distillation, outre ledit éthanol, génère un résidu (26), lequel ne contient substantiellement pas d'éthanol, dont tout ou partie des éléments solubles, de l'eau et des insolubles (28) est ajouté à ladite biomasse lignocellulosique lors de ladite extraction de ladite biomasse lignocellulosique, une partie (15) dudit moût de propagation (13) étant soumise à une séparation solide/liquide pour donner ladite première source d'éthanol (16) et une population microbienne fraiche (17), l'autre partie (14) dudit moût de propagation (13) 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 dudit jus d'extraction (12), par ladite population microbienne, ledit moût de fermentation (18) donnant après séparation liquide/solide ladite deuxième source d'éthanol (19) et une population microbienne recyclable (20), ladite troisième source d'éthanol (24) étant obtenue par fermentation du susdit hexose, en particulier du glucose, généré par ledit liquéfiat (23), par ladite population microbienne recyclable (20) et ladite population microbienne fraiche (17), ladite liquéfaction dudit marc (10) est effectuée en présence de tout ou partie desdites première (16) et/ou deuxième (19) sources d'éthanol. Etant donné que lesdites première et/ou deuxième sources d'éthanol sont substantiellement dépourvues 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 deuxième 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, ou - des extractions à l'éther ou à l'acétate d'éther, - 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 hydrolysis 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 première, 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 d'une partie 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, - contenant de l'éthanol ayant été formé lors de ladite prolifération dudit inoculat, - et donnant une première source d'éthanol, d) une première étape de fermentation du susdit pentose, en particulier du xylose et/ou de l'arabinose, contenu dans une autre partie dudit jus d'extraction, par ladite population microbienne, pour obtenir une deuxième 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 troisième source d'éthanol, f) une étape d'isolement dudit éthanol des première et/ou deuxième et/ou troisième sources d'éthanol, en particulier par distillation desdites première et/ou deuxième et/ou troisième 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°C 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, ledit moût de propagation est placé sous flux d'air de façon à appliquer un débit exprimé en volume d'air par volume de milieu et par minute d'environ 0,02 vvm à environ 1 vvm, en particulier d'environ 0,05 vvm à environ 0,5 vvm. 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 20 34°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 première fermentation est réalisée 25 sous flux d'air de façon à appliquer un débit exprimé en volume d'air par volume de milieu et par minute d'environ 0 vvm à environ 0,5 vvm, en particulier d'environ 0,01 vvm à environ 0,1 vvm. Selon un mode de réalisation avantageux, la température lors de ladite liquéfaction varie d'environ 25°C à environ 75°C, en particulier d'environ 40°C à environ 60°C, la 30 température étant plus particulièrement d'environ 50°C. Selon un mode de réalisation avantageux, la température lors de ladite deuxième fermentation varie d'environ 25°C à environ 45°C, en particulier d'environ 30°C à environ 38°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 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°C à environ 80°C, en particulier d'environ 60°C 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°C à environ 250°C, en particulier d'environ 170°C 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 25 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 de la troisième source 30 d'éthanol, soit des première et deuxième sources d'éthanol, soit des deuxième et troisième sources d'éthanol, soit des première et troisième sources d'éthanol, soit des première, deuxième et troisième sources d'éthanol, par distillation desdites première et/ou deuxième et/ou troisième sources d'éthanol, ledit éthanol étant en particulier isolé de la troisième, ou des première, deuxième et troisième 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 desdites première et/ou deuxième sources d'éthanol obtenues à l'issue de la propagation et/ou 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 desdites première et/ou deuxième sources d'éthanol obtenues à l'issue de la propagation et/ou de la première étape de fermentation du susdit pentose, en particulier du xylose et/ou de l'arabinose, contenu dans ledit jus d'extraction, lesdites première et/ou deuxième sources d'éthanol étant substantiellement dépourvues de micro-organismes provenant de ladite population microbienne.
En effet, les levures peuvent être séparées desdites première et/ou deuxième sources 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 distillation génère, outre ledit éthanol, un résidu, lequel ne contient substantiellement pas d'éthanol, dont tout ou partie des éléments solubles, de l'eau et des insolubles est ajouté à ladite matière première lors de ladite extraction de ladite matière première. Selon un mode de réalisation avantageux, l'invention concerne un procédé de préparation d'éthanol tel que décrit précédemment, dans lequel : - ladite liquéfaction dudit marc est effectuée en présence de tout ou partie desdites première et/ou deuxième sources d'éthanol, - ladite distillation, outre ledit éthanol, génère un résidu, lequel ne contient substantiellement pas d'éthanol, dont tout ou partie des éléments solubles, de l'eau et des insolubles est ajouté à ladite matière première lors de ladite extraction de ladite matière première.
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.. 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 de ladite matière première, 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, pour obtenir un liquéfiat (23), ledit liquéfiat (23) 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 d'une partie 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 ladite population microbienne, - contenant de l'éthanol ayant été formé lors de ladite prolifération dudit inoculat, - et donnant une première source d'éthanol, d) une première étape de fermentation du susdit pentose, en particulier du xylose et/ou de l'arabinose, contenu dans une autre partie dudit jus d'extraction (12), par ladite population microbienne, pour obtenir une deuxième source d'éthanol (19), e) une deuxième étape de fermentation du susdit hexose, en particulier du glucose, généré par ledit liquéfiat (23), par ladite population microbienne, pour obtenir une troisième source d'éthanol (24), f) une étape d'isolement dudit éthanol des première (16) et/ou deuxième (19) et/ou troisième (24) sources d'éthanol, en particulier par distillation desdites première et/ou deuxième et/ou troisième sources d'éthanol, et dans lequel: - une partie (14) dudit moût de propagation (13) 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 population microbienne, ledit moût de fermentation (18) donnant après séparation liquide/solide ladite deuxième source d'éthanol (19) et une population microbienne recyclable (20), - l'autre partie dudit moût de propagation (15) est soumise à une séparation solide/liquide pour donner ladite première source d'éthanol (16) et une population microbienne fraiche (17), - ladite troisième source d'éthanol (24) est obtenue par fermentation du susdit hexose, en particulier du glucose, généré par ledit liquéfiat (23) par ladite population microbienne recyclable (20) et ladite population microbienne fraiche (17). Ladite séparation liquide/solide permettant d'obtenir la deuxième source d'éthanol et une population microbienne recyclable est telle que ladite deuxième source d'éthanol est substantiellement dépourvue de microorganismes issus de ladite population microbienne.
De même, ladite séparation liquide/solide permettant d'obtenir la première source d'éthanol et la population microbienne fraiche 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 liquéfaction dudit marc est effectuée en présence de tout ou partie 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 population microbienne comprend des levures de souche Saccharomyces cerevisiae, génétiquement modifiée ou non.
Selon un mode de réalisation avantageux, l'invention concerne un procédé de préparation d'éthanol tel que décrit précédemment, dans laquelle ladite population microbienne comprend des levures de la souche Saccharomyces cerevisiae déposée le 05 octobre 2011 à la CNCM sous le numéro 1-4538, et tous les clones dérivant de cette souche. 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 deuxième source d'éthanol (19) obtenue à l'issue de la première étape de fermentation f) et de tout ou partie de ladite première source d'éthanol (16) obtenu à l'issue de la séparation liquide/solide de l'étape e), 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 Saccharomyces cerevisiae, génétiquement modifiée ou non, à l'aide d'une partie 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 ladite population microbienne, - contenant de l'éthanol ayant été formé lors de ladite prolifération dudit inoculat, - et donnant une première source d'éthanol, d) une étape de séparation dudit moût de propagation (13) en deux parties, pour obtenir une première (14) et une deuxième (15) parties dudit moût de propagation, e) une étape de séparation liquide/solide relative à ladite deuxième partie (15) dudit moût de propagation, pour obtenir ladite première source d'éthanol (16) et des levures de souche 10 Saccharomyces cerevisiae fraiches (17), f) une première étape de fermentation du susdit pentose, en particulier du xylose et/ou de l'arabinose, contenu dans une autre partie dudit jus d'extraction (12), par lesdites levures de ladite première partie du moût de fermentation (14), pour obtenir après séparation liquide/solide une deuxième source d'éthanol (19) et des levures de souche Saccharomyces 15 cerevisiae recyclables (20), g) une deuxième étape de fermentation du susdit hexose, en particulier du glucose, généré par ledit liquéfiat (23), par lesdites levures de souche Saccharomyces cerevisiae fraiches (17) et lesdites levures de souche Saccharomyces cerevisiae recyclables (20), pour obtenir une troisième source d'éthanol (24), 20 h) une étape d'isolement dudit éthanol des première (16) et/ou deuxième (19) et/ou troisième (24) sources d'éthanol par distillation desdites première et/ou deuxième et/ou troisième sources d'éthanol. Selon un mode de réalisation avantageux, l'invention concerne un procédé de 25 préparation d'éthanol tel que décrit précédemment, comprenant: a) une étape d'extraction d'une biomasse lignocellulosique et de tout ou partie des éléments solubles, de l'eau et des insolubles du résidu (26) obtenu à l'issue de l'étape de distillation h), pour obtenir un jus d'extraction (9) contenant du susdit pentose, en particulier du xylose et/ou de l'arabinose, et un marc (10), 30 b) une étape de liquéfaction dudit marc (10) obtenu à l'étape précédente en présence de tout ou partie de ladite deuxième source d'éthanol (19) obtenue à l'issue de la première étape de fermentation f) et de tout ou partie de ladite première source d'éthanol (16) obtenu à l'issue de la séparation liquide/solide de l'étape e), 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 Saccharomyces cerevisiae, génétiquement modifiée ou non, à l'aide d'une partie 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 ladite population microbienne, - contenant de l'éthanol ayant été formé lors de ladite prolifération dudit inoculat, - et donnant une première source d'éthanol, d) une étape de séparation dudit moût de propagation (13) en deux parties, pour obtenir une première (14) et une deuxième (15) parties dudit moût de propagation, e) une étape de séparation liquide/solide relative à ladite deuxième partie (15) dudit moût de propagation, pour obtenir ladite première source d'éthanol (16) et des levures de souche Saccharomyces cerevisiae fraiches (17), f) une première étape de fermentation du susdit pentose, en particulier du xylose et/ou de l'arabinose, contenu dans une autre partie dudit jus d'extraction (12), par lesdites levures de ladite première partie du moût de fermentation (14), pour obtenir après séparation liquide/solide une deuxième source d'éthanol (19) et des levures de souche Saccharomyces cerevisiae recyclables (20), g) une deuxième étape de fermentation du susdit hexose, en particulier du glucose, généré par ledit liquéfiat (23), par lesdites levures de souche Saccharomyces cerevisiae fraiches (17) et lesdites levures de souche Saccharomyces cerevisiae recyclables (20), pour obtenir une troisième source d'éthanol (24), h) une étape d'isolement dudit éthanol des première (16) et/ou deuxième (19) et/ou troisième (24) sources d'éthanol par distillation desdites première et/ou deuxième et/ou troisième sources d'éthanol, ladite distillation générant, outre ledit éthanol, un résidu (26), lequel ne contient substantiellement pas d'éthanol. Etant donné que lesdites première et/ou deuxième sources d'éthanol sont substantiellement dépourvues 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 deuxième 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. DESIG NATIONS DESCRIPTIONS PT PRETRA TEM ENT opération visant à rendre disponble la cellulose à faction d'enzymes cellulolytiques E XTC5 EXTRA TONI DES = .-.-..eati.Dn visant a SIS' b frat.t.'-.- =.-_:"..71e de la fractim in E o: '. --:Ii rr----.Pii. corti e..- :.---iiati.Dri it STE-. :-...fatiD-i . :-..:,;.ie en 2 'CC: c:ilution : ee E 4!:',3rai-o- S1 SEPARATIDN LIQ UDE t SOLDE N'1 opération visant à séparer b fraction solt.ble de la fraction insoluble du produit sortie de l'opération cb STEAM (opération séparée en 2 phase : 1.er e : dilution ; terre séparation) PRO PA - F -.: Tn ' DE LA.. LEVURE !.-.ération pei---Eltart la or.Di e e a-i.-_.e multiplbati.-2n lé.ureE .-.E. fa-:n sufts art e. afiii .... 1:rc.liii, ia lé.Lii ., -....:tir id iti ',dation ..:,.= icose. eu, __,_;,_,....'.c._:, :;es 05 (x: ..,, i..5.Li,..;.,.. _..i. - De I éthanol est pi _..:': :5-::::n :.._ - .-:'_;-,pil cete à Te .:e S2 SEP.ARATIDN uo UDE / SOLDE ` opération de concentration on des levures fraîches pair me utilisation en SSF F E C5 F ERMETTATIONA..LCCOUQUE DES `Cf - ,r: de ter ---.e!-itatir..1-, .-..-:.: .:'. ' - eg éthanol. La présence de 06 igl,.c..: se est non né -,;l ge ae, mais ils sont en rés enoe minora are, , ...::11 4a,aisaat fel.--,e, S3 SEPARATON LIQ UDE / SOLIDE opération de concentration des levures recyclées pour une utilisation en fermentation aboolque cbs C5 (xy lose) et en SSF (glucose) ENZ PRO. DLCTIN DENZYLIES opératio:-, trar:E.f.:_i- _ 05 en CTI SE :.t4es. Tn. T5Tt se de la cellulose et as I h e --d.:.ellulose 1Q LIQUEFACTION permettart de rellire la .iscosite du marc C6 et d'amener un état d'écoulement suffisant pour la fermentation (disponiti Hé de reau pair la levure: éviter la formation de mousse, limiter les besoins en agità ion...) LIQUEFACTION SSF !I. :I.".:H-R.F!:: -F1.=.:1'; ET o r3t.i.Dri .::Lii%.3r.t laquele h. :: , cose et le i c, ect tr:--in.ct,--, T3,Srterement en éthanol et 002 FE-Fi.iEHT-710ii C.:EE- -:-, L H.1_:LTLt.iEES DIST Dl STILLATID N opération de séparation par distillaticn de l'éthanol et de la phase aqueuse S4 SEP-.F.-71.7: tt LIO UDE ,' SOLDE .7 ,-_,=:rstic:n .1..-.1.-infi cation des .;n::irce... --lutes pour ,,taire I e.s résidus ligna c.,11 HI" TJ=.7; et valoriser I-- clarilée.s m eau de dilution, RE F. DESIG NATION S DESCRIPTIONS palle ou substrat ligna cellulosique (comprenant majoritairemént cellulose, hem icel ulose et lignine:'i et peu concentré en eau 7 marc non lac Eeco cet, C SE ' C E ' e: :-,. ::e :::.e..;:..a 8 marc dilué Lextractbn des terni cellubses solubilisées (C5:', est effectuée par un apport de diluant allant a contre courant de l'am ncée du marc. Pour S iTI uler cette étape crun point de vue bilan masse, on est °bige de la séparer en 2 phases (phase 1 : d'ut ion; phase 2 : séparation). Dans le vrai procédé, ces 2 phases sort réalisées sim titan ém errt. Le Ma' C dluê a la même répartition CE C6 serf sa teneur en eau est plus élevée que le marc non lavé (difféence possible liée au rec +cla e de vinasses en diluant crextratbn des C5i 9 . : = ...z- -Je C.F. oerl-..0 -:: ,: a - - ._ . ..- S.1. Cette faction est r e:. pau\re en C-S., mais. 10 marc lavé le marc lavé correspond aux insolubles qui sont restés dans le système crextraction des 05. Le marc lai est pnndpabmentcomposé de Celulose et de lignines 11 , ' .: -:-:-...3 - -::::: a -7,7 à .. e oe lux wrre7. --- à une fra. -; ,.-Ium loue ou iiix .:'. 'QUI est e - .e - - f - - a :-. -:::a; y: :- -- e ,".e.', 12 jus CE FE la composition du jus CE FE est la m êm e die le jus C5' ce Iliot correpond uniquement à une fraction volumique du flux de jus C5 qui est envoyé spécifquement vers la érmentation des CE en éthanol 13 '.-::-. a ,-,.. ,, --.-. --, :-. e - s c. - :',.e e ..".e:- a.: -és : :.cece D C:r-' 14 mout propa A le moût propa A correspond à la taotion volumique en wayee directement en fermentation des CE pour inoculer les fermenteurs pour la production d'éthanol à partir de jus CE 15 -o: ,:.-.- - , l', -._: _ ..,:r - ce oie ,.-é..=-4 16 jus pro pa ce jus de propa correspond au surnageant de l'étape de séparation S2 (centriligaticn); ce lux contient de réthanol et inc concentration résiduelle en CE; il est envoyé en cuve de fermentatbn des CE 17 levures fraîches e5 e . ra : 'i i.-:: -- e .- .e .:; e -:- , ei à n .oe à:e_ e r oe :'...,: .. '.:e5 - e 5... c'e5 .e.- - - c.-.. 5 5é. -D ce '''.: -x de - 18 moût F EC 5 Le m out FE CE correspond au vin ex C5, ce flux contient des levures, de retha nol et de l'eau. Les CE ont norm alem ent été cc ns an mes et la concentration résiduelle en C5 doit être tris bible 19 E C 5 _e ..5 =5 'e,::: ,. - :::!- --re e e-e:: .11'.:C 0-- 20 levures recycla bles les levures recyclab les sont issues di moût FE C 5 et de l'appareil de séparation 53. Elles sont réintroduites pour u rie prem ëre parte (21 n fermentation de s C5 et pour u ne cleuxi ern e partie (22'5e n ferme ntation des C6 (SS F) 21 -.' :- e r . r ce r, e eu ,, et ont e... c.-D-ce -:.'e e5 -:a.ecun as de OS 22 levures recyclé es en S SF ces leeures pt-cuà enn en t du m oû t F E C5 et o nt été co nce rrtré es p ar S 3 (elle s ont de jà été en con tact Ep.e c un ju s d e C.5 et o nt dé jà produit de léthano I). Elles sont envoyées en inoculation de la trrn entation des C6 (S SF) [il 13 ud ra également prendre en compte une purge) c; ..e ..;. le liauifiat ccsre sc, and au marc: ce ilulcslm e- hcvffr e eu r le au e.I on e fa 1 ao ir I. ._v^ ck t a i I en 7:J mal '31.;e s né rio Lie cerrn elfe nt de rPid cire la e ' e : e .. - e 5 .: 5 - - . s .:;e i :,...; :::," e.oa E e-: o., c. e, a c --: ".;,e .._ e ,-..e-:- .- 24 moût de Érm entation S SF le meut de fermentation 55F c orre soc nd au un C6. I contient rétha no I su C6, mais aussi l'éth an ol ex C les lignines et les levures. 25 e:.".3 -o -:. .- e '1,7 26 in a sse s brutes les vinasses brutes correspondent au m out de fermentation 5 SF (2,U auquel o ri a extra it rétha nol par distillation. Les vinasses contiennent de Ibn , de s su cre s résid uels, de résidus de cel lu lose n'ay an t pas été hydrolysés, d es résidu s d e lign in es...Le fort ta toc d e m atiè re e n su spension limite s on recyclage tel quel. Il fair rira le posttra ter pou r sépa ler les insolubles s solubles. 27 . 0.j .; ..- e ce L- co.'"e e-:: ,, "e- .-::.. .ir.:.E-E ::3'.- -.5.1,..'2 C.:- c",:e e- e-.4,:a"eee- .: e ,..: [::-. e- e.'" ,: _e _... ___,.: ., , ....e 'à "er. :a :e c..'e ' .:-..: f - .:"'.e :',....2 e "e f: 28 in esses claires les vinasses claires correspondent majoritairement à la partie solu bles des ,,ina sse s brutes. Elle sont issues de la séparation 4 et peuvent être utilisées en eau de recylcage da ns rextraction des CE par exemple. _e f EF I Ce lux correspond à u ne partie des vinasses claires que ro n ne pourrait pas valoriser fsi ex cès de production de vina sses par rapport au taux di nc orp orati ofl dans le flux 29 de dilua nt p ou r rextracti on des CE) 31 ce lux c.:....ee-:--- a ' rc--....4 e .: ea fi - - a -e- a .::-.:::,, 32 jus CE pou r 19 production den zy mes la composition du jus C 5 pour la p roi:hi ction den zy mes est la mêm e que le jus CE; ce flux ca rrepond uniquern ent à une fraction ,.o lu m igue du flux de jus CE qui est erucyé s péci Id ue me nt ...ers l'atelier de production de azyme s 33 us FE C` à :e L.- a a - ."-ei:::.: a a ,:a e e c.. e : "" e -- e-ya - .: a ..S - e:i.. .:c - .: a. 34 ,,in esses recyclées ce lux correspond à la fraction de .inasses claires envoyées en diluant d'extration des CE (fracti3n ,,o lu mique du lux 28) 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 produisant de l'éthanol en phase de propagation : Saccharomyces cerevisiae CNCM I-4538 : Le substrat utilisé est une paille de blé dont la composition est la suivante : Plante Pailles TMS/ha 3,0 Minéraux 71,b% 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 '211P/0 Amidon Autres 5,3% MS 88,0% Tableau 2 : composition d'une paille Experte 2011 25 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 30 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 5 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 précultures L'utilisation de levures dans des fermenteurs nécessite la mise en place d'une chaîne de précultures. La souche de Saccharomyces cerevisiae CNCM 1-4538 est donc cultivée dans le milieu suivant : - Extrait de levures : 5 g/kg, - Urée : 0,4 g/kg, - Glucose : 20g/kg, - Xylose : 20g/kg. Les conditions d'incubation de cette première préculture sont les suivantes : - Température : 30°C - pH : 5,5 - agitation : 100 rpm Après 12h d'incubation dans les conditions précédentes, la préculture sert d'inoculum au fermenteur permettant la propagation de la souche à plus grande échelle.
Etape de propagation des levures sur jus de C5 La préculture menée précédemment permet d'inoculer le(s) fermenteur(s) de propagation de levures. Le milieu de propagation correspond au flux 11. Celui-ci est complémenté par les éléments suivants : - Extrait de levures : 5 g/kg, - Urée : 0,4 g/kg. L'étape de préculture a permis de récolter suffisamment de levures pour inoculer le fermenteur de propagation avec 0,4g de levures par kg de milieu.
Les concentrations respectives en glucose et en xylose du flux 11 sont de 12 g/kg et 64 g/kg. La fraction massique du flux 11 dédiée à la propagation est ici de 33% du flux 9, soit 872 T. Les conditions de culture de la propagation sont les suivantes : - Température : 30°C, - pH : 5,5, - aération : 0,1 vvm. Après 48h de culture dans les conditions ci-dessus, la culture permet l'obtention de 7,05g/kg de levures à partir des sucres présents dans le flux 11. Le rendement de valorisation des substrats (glucose & xylose) en levures (Yx/s) atteint 9% (Yx/s = 0,09 g/g). La propagation de la souche CNCM 1-4538 s'accompagne d'une production d'éthanol présentant un rendement Yp/s de 40% (m/m) par rapport aux sucres présents en entrée de l'atelier de propagation. La concentration en éthanol à la sortie de l'atelier de propagation atteint 3,1% (m/m) soit un TAV de 3,9°. Etape de fermentation du jus C5 Le jus de C5 (flux 9) est envoyé pour moitié vers la fermentation alcoolique du jus de C5 (flux 12). Le milieu est complémenté en suivant la même formule que celle décrite lors de l'étape de propagation de levures sur jus de C5 (extrait de levures, urée). Les conditions de culture de la fermentation du jus de C5 sont les suivantes : - Température : 32°C, - pH : 5,5, - Aération : 0,02 vvm pendant 24h. Les conditions de culture décrites ci-dessus, permettent à la population de levures de produire de l'éthanol avec un rendement de 41% (Yp(EtOH)/s = 0,41g/g). Parallèlement à cela, il y a une légère production de levures avec un rendement Yx/s de 0,9%. En fin de fermentation (après 48h à 72h), la concentration en éthanol atteint 3,2% soit un TAV de 4°. Suivi de la population de levures : La concentration des levures au moment de l'inoculation de la fermentation du jus de C5 s'élève à 1,7g de levures par kg de milieu. En plus de cette population ajoutée lors de l'inoculation, il y a également un accroissement de la population levurienne. En sortie d'atelier de fermentation éthanolique du jus de C5, la concentration en levures atteint 0,23%. Le moût de fermentation (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 notre 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 (flux 22) peut être envoyée en fermentation du marc C6, après l'étape de liquéfaction (hydrolyse 1). Le recyclage du flux 21 en entrée de l'atelier de fermentation du jus de C5 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 0,45%.
Suivi de la production d'éthanol : Le flux 12 (1 335 T de jus de C5) contient 16 T de glucose et 85 T de xylose. Le rendement Yp(EtOH)/s de 41% permet donc de produire 41,1 T d'éthanol. L'inoculum de la fermentation du jus de C5 et le recyclage de cellules permettent d'atteindre à la sortie de l'atelier fermentation du jus de C5, une masse de 55,7 T d'éthanol. Dans l'exemple, le vin (flux 18) est débarrassé de ses levures et reçoit une fois clarifié, le flux 16 (surnageant issu de la propagation sur jus de C5) pour constituer le flux 19 qui peut-être envoyé directement vers l'atelier de liquéfaction (hydrolyse 1) afin de diluer le marc lavé (flux 10). Les opérations de séparation S3 sont réalisées sans lavage des crèmes, ce qui engendre un flux 19 contenant 66,7 T d'éthanol sur 69 T d'éthanol potentiel (la différence de quantité d'éthanol correspond à l'éthanol contenu dans les crèmes : flux 20, 21 et 22). La concentration massique en éthanol du flux 19 (vin C5 débarrassé des levures) est alors de 3,18%, ce qui correspond à un TAV de 4°. 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 une étape d'hydrolyses 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). Cette étape d'hydrolyses peut être menée soit de façon totalement séparée de la fermentation (on parle de SHF : hydrolyse et fermentation séparées), soit de façon simultanée avec l'action des levures (on parle de SSF : saccharification et fermentation simultanées). Dans ce dernier cas, les levures peuvent être introduites soit directement lors de l'hydrolyse 1 (liquéfaction), ceci en appliquant des conditions favorables aux levures, soit lors de l'hydrolyse 2. Dans l'exemple, on a choisi de mener une étape d'hydrolyse 1 (liquéfaction) en l'absence de levures et une étape d'hydrolyse 2 en présence de levures (étape de SSF). Sous-étape 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% (soit 10% de glucose potentiel). Les conditions d'hydrolyses 1 (liquéfaction) sont les suivantes : - Température : 50°C, - pH : 4,8, - concentration en enzyme : 40mg/g cellulose, - durée : de 2h à 12h et préférentiellement de 6h, D'un point de vue du bilan masse, on a donc 1 446 T de marc lavé (flux 10) dilué avec 2 096T de vin ex-05 débarrassé des levures (flux 19). Le flux de cocktail enzymatique est de 14,2T de protéines pour 355 T de cellulose.
Sous-étape de fermentation du marc C6 Pour faciliter la fermentation, le flux 23 est enrichi en éléments nutritifs. Les éléments ajoutés au flux 23 sont les suivants (enzymes non comprises) : - Extrait de levures : 5 g/kg, - Urée : 0,4 g/kg. Le liquéfiat contient, avant son inoculation, 66,7T d'éthanol ce qui correspond à une concentration de 1,88% (m/m), soit un TAV de 2,38°. A ce moment, la concentration en cellulose est de 9%. Le flux de liquéfiat (flux 23) est alors inoculé par la crème de levures correspondant au flux 17 (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 : 35°C, - pH : 5,5. Les conditions de culture décrites ci-dessus, permettent à la population de levures de produire de l'éthanol avec un rendement de 40,5% (Yp(EtOH)/s = 0,405g/g) par rapport au glucose potentiel. Après 100h de fermentation, le TAV atteint 7,9° (dont 1/3 provient du vin ex-05).
Suivi de la production d'éthanol : Le flux 23 (3 542 T) contient 355 T de glucose potentiel, 9 T de xylose et 66,7 T d'éthanol. Le rendement de conversion de la cellulose en éthanol est de 45%. Le xylose résiduel (9 T) est également fermenté en éthanol avec un rendement de 41%. La production d'éthanol durant l'étape de fermentation des C6 (méthode SHF ou SSF) est donc de 149 T. La masse totale d'éthanol dans le vin C6 (flux 24) est donc de 215,7 T, ce qui permet d'atteindre une concentration massique en éthanol dans le flux 24, de 6,25%, soit un TAV de 7,9°. Etape de distillation Dans l'exemple, la distillation récupère un seul flux qui correspond au flux 24. Le titre de ce vin entrant dans la colonne à distiller est de 7,9°. Etape de traitement des vinasses Les vinasses en sortie de colonne à distiller sont clarifiées. 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 réduire au maximum toute entrée d'eau d'appoint dans ce système (flux 31 = 239 T). 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 215,7 tonnes d'éthanol dont les 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 24,59% (m/m). Cette configuration permet également de produire 6 tonnes de levures fraîches réparties en deux flux égaux vers la fermentation du jus de C5 et vers la fermentation du marc C6. Le TAV moyen des vins alimentant l'atelier de distillation est de 7,9°.5
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 d'une partie dudit jus d'extraction, en présence d'air, -contenant de l'éthanol ayant été formé lors de ladite prolifération dudit inoculat, - et donnant une première source d'éthanol, ladite population microbienne étant utilisée à la fois: - pour la préparation d'une deuxième source d'éthanol, par fermentation du susdit pentose, en particulier du xylose et/ou de l'arabinose, contenu dans une autre partie dudit jus d'extraction par ladite population microbienne et - pour la préparation d'une troisième 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 et/ou troisième sources d'éthanol, en particulier par distillation desdites première et/ou deuxième et/ou troisième sources , ladite liquéfaction dudit marc étant effectuée en présence de tout ou partie desdites première et/ou deuxième sources d'éthanol, lesdites première et/ou deuxième sources d'éthanol étant, de préférence, substantiellement dépourvues de micro-organismes provenant de ladite population microbienne.
- 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 première, 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 d'une partie 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, - contenant de l'éthanol ayant été formé lors de ladite prolifération dudit inoculat, - et donnant une première source d'éthanol, d) une première étape de fermentation du susdit pentose, en particulier du xylose et/ou de l'arabinose, contenu dans une autre partie dudit jus d'extraction, par ladite population microbienne, pour obtenir une deuxième 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 troisième source d'éthanol, f) une étape d'isolement dudit éthanol des première et/ou deuxième et/ou troisième sources d'éthanol, en particulier par distillation desdites première et/ou deuxième et/ou troisième sources d'éthanol, ladite étape de liquéfaction dudit marc étant effectuée en présence de tout ou partie desdites première et/ou deuxième sources d'éthanol obtenues à l'issue de la propagation et/ou de la première étape de fermentation du susdit pentose, en particulier du xylose et/ou de l'arabinose, contenu dans dudit jus d'extraction, lesdites première et/ou deuxième sources d'éthanol étant, de préférence, substantiellement dépourvues de micro-organismes provenant de ladite population microbienne.
- 3. Procédé de préparation d'éthanol selon la revendication 2, dans lequel ladite distillation, outre ledit éthanol, génère un résidu, lequel ne contient substantiellement pas d'éthanol, dont tout ou partie des éléments solubles, de l'eau et des insolubles est ajouté à ladite matière première lors de ladite extraction de ladite matière première.
- 4. Procédé de préparation d'éthanol selon l'une quelconque des revendications 2 à 3, 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 deuxième source d'éthanol (19) obtenue à l'issue de la première étape de fermentation f) et de tout ou partie de ladite première source d'éthanol (16) obtenu à l'issue de la séparation liquide/solide de l'étape e), 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 Saccharomyces cerevisiae, génétiquement modifiée ou non, à l'aide d'une partie 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 ladite population microbienne, - contenant de l'éthanol ayant été formé lors de ladite prolifération dudit inoculat, - et donnant une première source d'éthanol, d) une étape de séparation dudit moût de propagation (13) en deux parties, pour obtenir une première (14) et une deuxième (15) parties dudit moût de propagation, e) une étape de séparation liquide/solide relative à ladite deuxième partie (15) dudit moût de propagation, pour obtenir ladite première source d'éthanol (16) et des levures de souche Saccharomyces cerevisiae fraiches (17), f) une première étape de fermentation du susdit pentose, en particulier du xylose et/ou de l'arabinose, contenu dans une autre partie dudit jus d'extraction (12), par lesdites levures de ladite première partie du moût de fermentation (14), pour obtenir après séparation liquide/solide une deuxième source d'éthanol (19) et des levures de souche Saccharomyces cerevisiae recyclables (20), g) une deuxième étape de fermentation du susdit hexose, en particulier du glucose, généré par ledit liquéfiat (23), par lesdites levures de souche Saccharomyces cerevisiae fraiches (17) et lesdites levures de souche Saccharomyces cerevisiae recyclables (20), pour obtenir une troisième source d'éthanol (24), h) une étape d'isolement dudit éthanol des première (16) et/ou deuxième (19) et/ou troisième (24) sources d'éthanol par distillation desdites première et/ou deuxième et/ou troisième sources d'éthanol, ladite distillation générant, outre ledit éthanol, un résidu (26), lequel ne contient substantiellement pas d'éthanol.
- 5. Procédé de préparation d'éthanol selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, comprenant: a) une étape d'extraction d'une biomasse lignocellulosique et de tout ou partie des éléments solubles, de l'eau et des insolubles du résidu (26) obtenu à l'issue de l'étape de distillation h), 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 deuxième source d'éthanol (19) obtenue à l'issue de la première étape de fermentation f) et de tout ou partie de ladite première source d'éthanol (16) obtenu à l'issue de la séparation liquide/solide de l'étape e), 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 Saccharomyces cerevisiae, génétiquement modifiée ou non, à l'aide d'une partie 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 ladite population microbienne, - contenant de l'éthanol ayant été formé lors de ladite prolifération dudit inoculat, - et donnant une première source d'éthanol, d) une étape de séparation dudit moût de propagation (13) en deux parties, pour obtenir une première (14) et une deuxième (15) parties dudit moût de propagation, e) une étape de séparation liquide/solide relative à ladite deuxième partie (15) dudit moût de propagation, pour obtenir ladite première source d'éthanol (16) et des levures de souche Saccharomyces cerevisiae fraiches (17), f) une première étape de fermentation du susdit pentose, en particulier du xylose et/ou de l'arabinose, contenu dans une autre partie dudit jus d'extraction (12), par lesdites levures de ladite première partie du moût de fermentation (14), pour obtenir après séparation liquide/solide une deuxième source d'éthanol (19) et des levures de souche Saccharomyces cerevisiae recyclables (20), g) une deuxième étape de fermentation du susdit hexose, en particulier du glucose, généré par ledit liquéfiat (23), par lesdites levures de souche Saccharomyces cerevisiae fraiches (17) et lesdites levures de souche Saccharomyces cerevisiae recyclables (20), pour obtenir une troisième source d'éthanol (24), h) une étape d'isolement dudit éthanol des première (16) et/ou deuxième (19) et/ou troisième (24) sources d'éthanol par distillation desdites première et/ou deuxième et/ou troisièmesources d'éthanol, ladite distillation générant, outre ledit éthanol, un résidu (26), lequel ne contient substantiellement pas d'éthanol.
- 6. Procédé de préparation d'éthanol selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, dans lequel ladite matière première est, préalablement à ladite extraction, imprégnée et prétraitée, ladite matière première faisant en particulier l'objet, après ladite imprégnation et ledit prétraitement, d'un traitement d'hydrolyse supplémentaire.
- 7. Procédé de préparation d'éthanol selon l'une quelconque des revendications 2 à 6, 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.
- 8. Procédé de préparation d'éthanol selon l'une quelconque des revendications 2 à 7, dans lequel ladite population microbienne comprend des levures de souche Saccharomyces cerevisiae, génétiquement modifiée ou non, ladite souche étant en particulier choisie parmi le groupe contenant la souche Saccharomyces cerevisiae déposée le 05 octobre 2011 à la CNCM sous le numéro 1-4538, et tous les clones dérivant de cette souche.
- 9. Procédé de préparation d'éthanol selon l'une quelconque des revendications 2 à 8, 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 deuxième source d' éthanol.
- 10. Procédé de préparation d'éthanol selon l'une quelconque des revendications 2 à 9, dans lequel ledit liquéfiat est :- hydrolysé avant ladite fermentation du susdit hexose, en particulier du glucose, généré par l'hydrolyse dudit liquéfiat, ou - hydrolysé, ladite hydrolyse et ladite fermentation du susdit hexose, en particulier du glucose, généré par l'hydrolyse dudit liquéfiat étant concomitantes.5
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Also Published As
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