FR3075222A1 - Vinasse comme milieu de fermentation - Google Patents

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Abstract

La présente invention concerne la production d'acides organiques par fermentation anaérobie de mélasse et/ou de pulpe, résidus de l'industrie sucrière, dans lequel la mélasse et/ou la pulpe sont mises à fermenter dans un milieu aqueux qui contient de la vinasse.

Description

VINASSE COMME MILIEU DE FERMENTATION
DOMAINE DE L'INVENTION
La présente invention concerne la production d’acides organiques par fermentation anaérobie de mélasse et/ou de pulpe, résidus de l’industrie sucrière, dans lequel la mélasse et/ou la pulpe sont mises à fermenter dans un milieu aqueux qui contient de la vinasse.
ETAT DE LA TECHNIQUE
La vinasse est un résidu de la distillation des liquides alcooliques et notamment de l’industrie sucrière. Dans la fabrication du sucre, les sous-produits de fabrication que sont les mélasses sont souvent recyclés par fermentation alcoolique, pour la récupération d’éthanol par distillation. La vinasse est un des résidus de cette distillation.
Le recyclage de la vinasse pose un problème industriel particulier pour ces industries du sucre et de l’alcool, car il s’agit d’un produit complexe avec beaucoup d’eau et des sels minéraux de composition variable, dont le transport et le traitement sont souvent trop onéreux pour sa valorisation.
De par sa teneur en matières organiques et en sels, certains se sont penchés sur la possibilité d’employer directement ces vinasses comme substrats de fermentation pour la production de produits à haute valeur ajoutée. Pour la demande FR 2 777 571, la vinasse de cognac peut être recyclée par fermentation avec des Sporoblomyces pour produire des arômes. Pour la demande FR 1 516 540, la vinasse est employée en mélange avec des déchets, comme les fractions organiques d’ordures ménagères, ou de la tourbe noire, pour la production de biogaz.
Aujourd’hui, les vinasses sont épandues comme engrais dans les champs voisins des sucreries pour éviter des transports trop onéreux. Elle est également employée comme matière première pour être transformée dans des procédés complexes de fabrication d’engrais (WO 2017/132742 ; CN 106398962). La vinasse est séchée pour ne conserver que la matière sèche, selon des procédés plus ou moins complexes pour la production de biogaz (EP 0 057 152). D’autres proposent leur utilisation pour une transformation chimique avec des catalyseurs pour préparer de l’acide méthacrylique.
Les inventeurs ont maintenant compris que l’utilisation de vinasse comme milieu de culture pour la fermentation anaérobie de mélasse et/ou de pulpe dans un procédé de production d’acides organiques permettait d’améliorer le rendement en acides, en plus de l’amélioration du rendement économique de valorisation de l’industrie sucrière quand la mélasse de betterave ou de canne à sucre, et les pulpes et vinasses employées dans le procédé sont toutes des résidus de l’industrie sucrière.
EXPOSE DE L'INVENTION
La présente invention concerne l’utilisation de vinasse seule ou en mélange avec de l’eau comme milieu de culture pour la fermentation anaérobie de mélasse et/ou de pulpe dans un procédé de production de molécules organiques, en particulier d’acides organiques de préférence d’acides organiques gras.
L’invention concerne aussi un procédé de préparation de molécules organiques comprenant les étapes a) de fermentation anaérobie de mélasse et/ou de pulpe en milieu de fermentation aqueux, b) de récupération d’un jus de fermentation à partir du moût de fermentation et c) d’isolation des molécules organiques à partir du jus de fermentation, dans lequel le milieu de fermentation aqueux comprend de la vinasse.
De manière avantageuse et préférée, le procédé de fermentation a pour objet de produire des acides organiques, plus particulièrement des acides organiques gras, comme les acides acétique, butyrique, isobutyrique, propionique, valérique, isovalérique, hexanoïque, heptanoïque et octanoïque et leurs mélanges.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION
L’invention concerne une amélioration des procédés de fermentation anaérobie de mélasse et/ou de pulpe dans un procédé de production de molécules organiques telles que des acides organiques, en particuliers d’acides organiques gras, des dérivés de ces acides organiques comme des polyhydroxyalkanoates ou des esters, ou encore des acides aminés, par l’emploi de vinasse, seule ou en mélange avec de l’eau comme milieu de fermentation aqueux pour l’étape de fermentation anaérobie.
De manière avantageuse et préférée, le procédé de fermentation a pour objet de produire des acides organiques, plus particulièrement des acides organiques gras, comme les acides acétique, butyrique, propionique, isobutyrique, valérique, isovalérique, hexanoïque, heptanoïque et octanoïque et leurs mélanges.
La vinasse est un résidu de distillation alcoolique qui comprend de l’eau et des résidus solides, mélange complexe de résidus organiques et inorganiques. Sa composition et notamment sa teneur en matières sèches dépendra de son origine, qu’il s’agisse d’un résidu de distillation de vin, comme sous-produit de la production de cognac, par exemple, ou d’un résidu de distillation de produit de fermentation solide, pour la préparation de spiritueux comme le rhum, le marc de raisin, la vodka, le whisky, ou encore les résidus de l’industrie sucrière employés pour la production d’éthanol industriel. Dans ce cas, la vinasse résidu de l’industrie sucrière provient tant de la transformation de la canne à sucre que de la betterave à sucre. Selon un mode préféré de réalisation de l’invention, la vinasse employée est un résidu de l’industrie sucrière.
Ces vinasses peuvent se présenter sous plusieurs formes selon leur concentration en matière sèche, connues sous les noms de vinasse légère, pré-concentrée ou concentrée. Le procédé selon l’invention peut être mis en œuvre indifféremment avec ces différents types de vinasses. De manière générale, selon le mode d’obtention la teneur en matière sèche des vinasses non concentrées et concentrées est respectivement comprise entre 1 et 15% et entre 15 et 65%.
La vinasse peut être employée seule ou en mélange avec de l’eau comme milieu de fermentation aqueux. Le rapport volumique eau/vinasse est compris entre 95/5 et 0/100 avantageusement compris entre 90/10 et 30/70.
L’homme du métier saura déterminer un rapport eau/vinasse adapté au procédé de fermentation, notamment en fonction de la teneur en matière sèche de la vinasse. De manière avantageuse, la teneur en matière sèche provenant de la vinasse dans le milieu de fermentation aqueux sera comprise entre 3% et 70% et plus préférentiellement entre 15 et 60%.
Selon un mode préféré de réalisation de l’invention, la vinasse employée dans le milieu aqueux de fermentation est un résidu de l’industrie sucrière de transformation de la betterave à sucre et le rapport volumique eau/vinasse est compris entre 90/10 et 30/70.
Selon un mode particulier de réalisation de l’invention, le milieu aqueux de fermentation consiste en de l’eau et de la vinasse, selon les proportions décrites précédemment. Ce milieu de fermentation peut être complémenté avec des vitamines, de l’extrait de levure, des tampons, ou tout autre adjuvant permettant une optimisation des performances de fermentation.
L’homme du métier connaît bien les procédés de préparation de molécules organiques par fermentation anaérobie de mélasse et ou de pulpe, comprenant en particulier les étapes
a) de fermentation anaérobie de mélasse et/ou de pulpe en milieu de fermentation aqueux,
b) de récupération d’un jus de fermentation à partir du moût de fermentation et c) d’isolation des molécules organiques à partir du jus de fermentation. Ces procédés et les conditions de mise en œuvre des différentes étapes sont en particulier décrits dans les demandes de brevet WO 2016/135396, WO 2016/135397, WO 2016/012701, WO 2017/013335, WO 2015/0536683, WO 2014/100424 et WO 2010/047815.
L’étape a) de fermentation va généralement être mise en œuvre en mode mésophile et anaérobie dans un fermenteur agité. Le mode de culture peut être continu ou discontinu.
La mélasse ou la pulpe employées pour la fermentation sont de préférence des résidus de l’industrie sucrière, en particulier de transformation de la canne à sucre ou de la betterave à sucre, de préférence de la pulpe de betterave à sucre ou de la mélasse de betterave à sucre ou de canne à sucre.
La mélasse et la pulpe peuvent être employées ensemble dans le même fermenteur, en toutes proportions, ou séparément dans des fermenteurs différents.
De manière préférentielle, pulpe et/ou mélasses sont les seules sources de carbone pour la fermentation anaérobie.
La fermentation anaérobie est généralement mise en œuvre avec des microorganismes seuls ou en mélanges, comprenant notamment des microorganismes cellulotytiques ou protéolytiques comme des Bacteroides et des Clostridia.
Pour l’étape b), la récupération se fait en fin de fermentation selon des techniques usuelles de séparation pour éliminer les résidus solides présents dans le moût de fermentation par exemple par centrifugation, décantation centrifuge, etc.
L’étape c) d’isolation des acides organiques se fait généralement par extraction, précipitation et/ou distillation. Ces étapes sont mises en œuvre sur le jus de fermentation, éventuellement concentré après élimination d’au moins une partie de l’eau, et le cas échéant avec l’ajout d’un solvant organique pour favoriser la partition des différents acides. On citera notamment les méthodes d’extraction décrites dans les demandes WO 2015/0536683, WO 2014/100424. L’homme du métier connaît et saura choisir les moyens les mieux adaptés aux molécules organiques à isoler, cette étape n’étant pas limitante au regard de l’invention qui concerne d’abord l’étape a) de fermentation.
Le jus de fermentation peut provenir d’un seul moût de fermentation ou peut être un mélange de plusieurs jus de fermentation provenant de plusieurs moûts de fermentation, le cas échéant après concentration. Dans ce cas, chaque moût de fermentation peut provenir indépendamment de la fermentation de pulpe ou de mélasse ou d’un mélange de pulpe et de mélasse.
L’emploi de vinasse seule ou avec de l’eau comme milieu de fermentation aqueux ne vient pas modifier de manière substantielle ces conditions de mise en œuvre des différentes étapes. En tout état de cause, l’homme du métier saura les adapter à la vue de ses connaissances générales sur ces procédés.
Selon un mode préféré de réalisation de l’invention, la mélasse, la pulpe et la vinasse, sont des résidus de l’industrie sucrière de transformation d’une même matière première, en particulier de canne à sucre ou de betterave à sucre. Plus préférentiellement, la mélasse et la pulpe sont de la mélasse de betterave à sucre et de la pulpe de betterave à sucre et la vinasse est un résidu de l’industrie sucrière de transformation de la betterave à sucre, également appelée « vinasse de betterave à sucre ».
Selon un mode préféré de réalisation de l’invention, pulpe, mélasse et vinasse proviennent de la même raffinerie de production de sucre par transformation de canne à sucre ou de betterave à sucre, en particulier de betterave à sucre.
EXEMPLES
Exemple 1 :
Dans un fermenteur industriel on procède à la fermentation anaérobie mésophile de coproduits organiques dérivés de l’industrie sucrière : des mélasses de betteraves à sucre. Ce moût de fermentation dont le pH est régulé à la potasse est additionné de vinasses de sucreries à une teneur en matière sèche de 7,6% et représentant 12% du volume final. Au bout de 144 heures de culture on analyse le jus de fermentation et on déduit un rendement de fermentation en acides organiques (acétique, propionique, isobutyrique, butyrique, isovalérique, valérique et caproïque) de 45%. En parallèle, on réalise exactement la même fermentation dans un second fermenteur industriel mais il n’y a pas d’ajout de vinasse au milieu de fermentation. Dans ce cas, en fin de fermentation dans le même temps imparti, on observe cette fois un rendement de fermentation en acides organiques de 34%.
Exemple 2 :
On réalise dans ce second exemple, le même mode opératoire que pour la fermentation de l’exemple 1 mais le substrat utilisé est ici constitué de pulpes de betteraves à sucre. En fin de fermentation on analyse le jus de fermentation et on déduit un rendement de fermentation en acides organiques (acétique, propionique, isobutyrique, butyrique, isovalérique, valérique et caproïque) de 37%. En parallèle, on réalise exactement la même fermentation dans un second fermenteur industriel mais il n’y a pas d’ajout de vinasse au milieu de fermentation. Dans ce cas, en fin de fermentation dans le même temps imparti, on observe cette fois un rendement de fermentation en acides organiques de 28%.
REFERENCES
CN 106398962
EP 0 057 152
FR 1 516 540
FR 2 777 571
WO 2010/047815
WO 2014/100424
WO 2015/0536683
WO 2016/012701
WO 2016/135396
WO 2016/135397,
WO 2017/013335
WO 2017/132742

Claims (10)

1. Procédé de production de molécules organiques comprenant les étapes a) de fermentation anaérobie de mélasse et/ou de pulpe en milieu de fermentation aqueux, b) de
5 récupération d’un jus de fermentation à partir du moût de fermentation et c) d’isolation des molécules organiques à partir du jus de fermentation, caractérisé en ce que le milieu de fermentation aqueux comprend de la vinasse.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la vinasse est un résidu de l’industrie sucrière de transformation de la canne à sucre ou de la betterave à sucre.
10
3. Procédé selon l’une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la mélasse, la pulpe et la vinasse sont des résidus de l’industrie sucrière de transformation de la canne à sucre ou de la betterave à sucre.
4. Procédé selon l’une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la mélasse est de la mélasse de betterave à sucre, la pulpe est de la pulpe de betterave à sucre et la
15 vinasse est un résidu de l’industrie sucrière de transformation de la betterave à sucre.
5. Procédé selon l’une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le rapport volumique eau/vinasse est compris entre 95/5 et 0/100.
6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que le rapport volumique eau/vinasse est compris entre 90/10 et 30/70
20
7. Utilisation de vinasse seule ou en mélange avec de l’eau comme milieu de culture pour la fermentation anaérobie de mélasse et/ou de pulpe dans un procédé de production de molécules organiques.
8. Procédé selon l’une des revendications 1 à 6 ou utilisation selon la revendication 7, caractérisé en ce que les molécules organiques sont choisies parmi les acides organiques,
25 les dérivés d’acides organiques et les acides aminés.
9. Procédé selon l’une des revendications 1 à 6 ou utilisation selon la revendication 7, caractérisé en ce que les molécules organiques sont choisies parmi les acides organiques gras.
10. Procédé ou utilisation selon la revendication 9, caractérisé en ce que les acides 30 organiques gras sont choisis parmi les acides acétique, butyrique, isobutyrique, propionique, valérique, isovalérique, hexanoïque, heptanoïque et octanoïque et leurs mélanges.
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DOCUMENTS CONSIDÉRÉS COMME PERTINENTS Revend ication(s) concernée(s) Classement attribué à l'invention par ΙΊΝΡΙ Catégorie Citation du document avec indication, en cas de besoin, des parties pertinentes X X X X FR 2 953 857 Al (LESAFFRE & CIE [FR]) 17 juin 2011 (2011-06-17) * page 1, lignes 8-11 * * page 2, ligne 13 - page 3; exemple 2 * FR 2 608 170 Al (SPEICHIM [FR]; BEGHIN SAY SA [FR]) 17 juin 1988 (1988-06-17) * page 1, lignes 1-8 * * page 2, lignes 5-16; exemple 6 * * revendications 1, 7,8 * US 2002/155583 Al (DALE M CLARK [US] ET AL) 24 octobre 2002 (2002-10-24) * page 1, alinéa [0001]; revendications 12-16; exemple 6 * FADEL, M. ET AL.,: Recycling of vinasse in éthanol fermentation and application in Egyptian distillery factories, AFRICAN JOURNAL 0F BIOTECHNOLOGY, vol. 13, no. 47, 2014, pages 4390-4398, XP055503775 D0I: https://doi.org/10.5897/AJB2014.14083 * abrégé * * page 4391, colonne de gauche, alinéa 2 colonne de droite, dernier alinéa; tableau 2 * * page 4392, colonne de droite, alinéa 2; tableau 8 * * page 4396, colonne de droite, alinéa 1-3; tableaux 8-10 * -/- 1-7 1-7 1-7 1-3,5-7 C12P7/40 C07C51/00 DOMAINES TECHNIQUES RECHERCHÉS (IPC) C12P Date d'achèvement de la recherche Examinateur 31 août 2018 Mateo Rosell, A CATÉGORIE DES DOCUMENTS CITÉS T : théorie ou principe à la base de l'invention E : document de brevet bénéficiant d'une date antérieure X : particulièrement pertinent à lui seul à la date de dépôt et qui n'a été publié qu'à cette date Y : particulièrement pertinent en combinaison avec un de dépôt ou qu'à une date postérieure. autre document de la même catégorie D ; cité dans la demande A : arrière-plan technologique L : cité pour d'autres raisons O : divulaation non-écrite P : document intercalaire & : membre de la même famille, document correspondant
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DOCUMENTS CONSIDÉRÉS COMME PERTINENTS Revend ication(s) concernée(s) Classement attribué à l'invention par ΙΊΝΡΙ Catégorie Citation du document avec indication, en cas de besoin, des parties pertinentes A A César Granda: Production of valuable organic acids from anaérobie digestion of organic wastes, World Congress on Industrial Biotechnology and Bioprocessing, Philydelphia, PA, 14 mai 2014 (2014-05-14), pages 1-20, XP055503743, Extrait de l'Internet: URL:https://www.bio.org/sites/default/file s/WorldCongress/Cesar%20Granda.pdf [extrait le 2018-08-31] * pages 7-8 * CAVALCANTE WILLAME DE ARAÛJO ET AL: Anaérobie fermentation for n-caproic acid production: A review, PROCESS BIOCHEMISTRY, ELSEVIER LTD, GB, vol. 54, 30 décembre 2016 (2016-12-30), pages 106-119, XP029934408, ISSN: 1359-5113, DOI: 10.1016/J.PROCBIO.2016.12.024 * page 112, colonne de gauche, alinéa 3 * -/- 1-10 1-10 DOMAINES TECHNIQUES RECHERCHÉS (IPC) Date d'achèvement de la recherche Examinateur 31 août 2018 Mateo Rosell, A CATÉGORIE DES DOCUMENTS CITÉS T : théorie ou principe à la base de l'invention E : document de brevet bénéficiant d'une date antérieure X : particulièrement pertinent à lui seul à la date de dépôt et qui n'a été publié qu'à cette date Y : particulièrement pertinent en combinaison avec un de dépôt ou qu'à une date postérieure. autre document de la même catégorie D ; cité dans la demande A : arrière-plan technologique L : cité pour d'autres raisons O : divulaation non-écrite P : document intercalaire & : membre de la même famille, document correspondant
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ANNEXE AU RAPPORT DE RECHERCHE PRÉLIMINAIRE
RELATIF A LA DEMANDE DE BREVET FRANÇAIS NO. FR 1762524 FA 850085
La présente annexe indique les membres de la famille de brevets relatifs aux documents brevets cités dans le rapport de recherche préliminaire visé ci-dessus.
Les dits membres sont contenus au fichier informatique de l'Office européen des brevets à la date du31“08-2018
Les renseignements fournis sont donnés à titre indicatif et n'engagent pas la responsabilité de l'Office européen des brevets, ni de l'Administration française
EPO FORM P0465
Document brevet cité au rapport de recherche Date de publication Membre(s) de la famille de brevet(s) Date de publication FR 2953857 Al 17-06-2011 BR 112012014696 A2 27-10-2015 CA 2783949 Al 07-07-2011 EP 2513291 Al 24-10-2012 ES 2642390 T3 16-11-2017 FR 2953857 Al 17-06-2011 HU E034440 T2 28-02-2018 PL 2513291 T3 29-12-2017 US 2012252061 Al 04-10-2012 WO 2011080411 Al 07-07-2011 FR 2608170 Al 17-06-1988 EP 0284697 Al 05-10-1988 FR 2608170 Al 17-06-1988 US 2002155583 Al 24-10-2002 US 2002155583 Al 24-10-2002 US 2005019932 Al 27-01-2005
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